一種液體噴射計量單元與控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于液體計量技術領域，尤其是與發(fā)動機有關的液體噴射計量技術，具體涉及發(fā)動機燃油噴射裝置，發(fā)動機尾氣凈化N0X選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)，以及柴油發(fā)動機排氣顆粒物過濾收集器(DPF)的燃油噴射再生系統(tǒng)及其控制技術。
【背景技術】
[0002]液體噴射計量在化工、醫(yī)療和動力機械等領域有廣泛的應用，尤其涉及內(nèi)燃動力的多項核心技術。
[0003]隨著環(huán)境問題的日益突出，節(jié)能減排已經(jīng)成為發(fā)動機行業(yè)最為重要的主題，世界許多國家都不斷推出一系列的發(fā)動機及車輛排放標準，對此，以內(nèi)燃機為動力的車輛需要更好的燃燒控制，并且安裝排放后處理系統(tǒng)以求滿足越來越嚴格的排放要求。例如，包括火花點火式小型發(fā)動機在內(nèi)的發(fā)動機也像汽車發(fā)動機一樣采用電控燃油噴射技術和排氣三元催化處理技術；柴油發(fā)動機或者稀薄燃燒的缸內(nèi)直噴汽油機，為降低尾氣中的有害污染物，針對NOx污染物，采用能夠在富氧環(huán)境下進行催化還原處理的NOx選擇催化還原(SCR=Selective Catalytic Reduct1n)技術；針對柴油機的顆粒物排放,采用柴油機顆粒物過濾捕集器(DPF=Diesel Particulate Filter)技術等。
[0004]所有這些技術，都涉及液體的噴射計量控制問題，對汽油噴射技術，需要噴射計量并反饋控制汽油噴射量JfDPF再生技術，需要噴射計量在DPF上游排氣管霧化噴入的柴油量；而對SCR技術，需要在SCR催化器上游計量噴射NOx選擇性還原劑，例如32.5%重量濃度的尿素水溶液(也叫柴油排氣處理液DEF=Diesel Exhaust Fluid，或者添藍液AdBlue)。
[0005]DEF進入發(fā)動機排氣管后，通過排氣高溫分解成氨氣，與排氣混合后進入SCR催化轉換器。在催化劑的作用下，氨氣就會與發(fā)動機排氣中的NOx等發(fā)生催化還原反應，使NOx分解為無害的N2、H20。如果DEF噴射量與排氣中的NOx含量不相匹配，那么要么NOx不能夠被充分還原分解，排放量增加，要么剩余不少氨氣排到大氣中，造成二次污染。因此SCR系統(tǒng)必然需要精度較高的SCR計量噴射裝置。
[0006]對于SCR噴射計量系統(tǒng)，由于尿素水溶液具有導電性，傳統(tǒng)的以直流旋轉電泵為動力源的噴射計量系統(tǒng)不能潛入在工作液體中工作，因此多數(shù)現(xiàn)有技術采用以直流電機驅動的外置膜片泵為動力源，這種系統(tǒng)的結構復雜，除了可靠性外，還受環(huán)境的影響較大，尤其在低溫環(huán)境下工作需要復雜的融冰輔助裝置，售后服務維護也比較困難。
[0007]在發(fā)動機領域，與液體噴射計量相關的具體技術包括但不限于:發(fā)動機電子燃油噴射系統(tǒng)，包括缸內(nèi)直噴(⑶I)和缸外噴射(MPI),發(fā)動機尾氣凈化氧化氮選擇性催化還原(SCR)尿素水溶液噴射系統(tǒng)，柴油機尾氣排放顆粒物過濾(DPF)再生燃油噴射系統(tǒng)。
[0008]采用柱塞-套筒結構，美國專利US20090301067A1公開了一種DEF噴射計量裝置，其中計量噴射裝置是一個螺線管驅動的柱塞泵噴嘴，安裝在排氣管上，需要外加一個低壓泵為其從DEF儲液罐提供工作液體，并且需要采取冷卻措施才能正常工作。
[0009]DPF再生燃油的噴射，為了提高燃燒效率以最少的燃油消耗獲得最高的DPF溫度達到燒掉收集的碳煙等顆粒物的目的，噴射的柴油必須霧化良好。然而，現(xiàn)有技術多數(shù)采用低壓的噴射技術。例如，美國專利(公開號:US2007/0033927)公開的技術方案借用了汽油進氣口噴射系統(tǒng)的基本原理和結構計量燃油，噴射壓力相對比較低。
[0010]總體來說，與發(fā)動機相關的噴射計量技術可分為三種不同的類型:嘴端控制，泵端控制和嘴-泵端混合控制。其中，嘴端控制已經(jīng)被廣泛應用于燃油進氣口噴射系統(tǒng)，嘴-泵混合控制已經(jīng)被廣泛應用于燃油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，泵端控制被應用于缸內(nèi)燃油直噴、單缸汽油機燃油噴射和SCR系統(tǒng)等。
[0011]現(xiàn)有技術很難將以上應用統(tǒng)一到一種類型的執(zhí)行器和計量方法上。其中一個根本性的原因在于:普遍應用的旋轉式低壓汽油泵不能處理導電介質，如尿素水溶液等。而另外一種螺線管柱塞泵雖然可以處理導電、非導電液體，卻存在精確計量困難的問題。
[0012]螺線管柱塞泵可以細分為兩種不同的結構，一種是柱塞運動的柱塞-套筒泵，另一種是套筒運動的套筒-柱塞泵。關于用于壓送燃油的柱塞-套筒泵，美國專利20030155444A1公開了一種計量控制方法，即，通過預測柱塞的位置來預測燃油噴射量的方法。然而，由于燃油，尤其是汽油的揮發(fā)性很強，進入柱塞套中的流體通常會包含一定的蒸汽或者空氣，燃油的噴射量與柱塞的位置并非存在一一對應的關系。另外，預測柱塞的位移如同預測燃油噴射量一樣有難度，在實施上會存在一定的困難。
[0013]因此關于螺線管柱塞泵，無論是柱塞-套筒泵或是套筒-柱塞泵，提出能夠同時滿足多個目標的簡潔結構和應用方式，以及統(tǒng)一的計量方法是非常有價值的一項工作。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0014]本發(fā)明針對上述問題，之目的在于是提供能夠實現(xiàn)泵端控制的、通用性強和結構簡潔的執(zhí)行器方案以及統(tǒng)一的控制計量方法。這些技術方案和控制方法可以廣泛應用于柴油或汽油發(fā)動機尾氣凈化SCR和DPF系統(tǒng)中的液體噴射系統(tǒng)的設計，火花點火發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)的設計，其中包括進氣口和缸內(nèi)直噴兩種系統(tǒng)。
[0015]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案，S卩，一種液體噴射計量單元與控制方法，其特征在于，包括一個噴射單元和一個計量控制器，所述噴射單元包括一個螺線管裝置，一個柱塞泵和一個噴嘴，所述螺線管裝置包括線圈、磁軛、磁阻和電樞，其中磁軛與電樞由導磁材料構成，磁阻由非導磁材料構成，所述柱塞泵包括柱塞和套筒，柱塞與套筒配合形成壓送容積，壓送容積連接進液閥和出液閥，液體從進液閥進入壓送容積從出液閥輸出，所述計量控制器為螺線管裝置提供驅動信號，計量控制器包括一個可監(jiān)測螺線管裝置狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測裝置，包括利用狀態(tài)參數(shù)預測螺線管裝置有效輸出功的算法，包括以螺線管裝置有效輸出功為變量對液體噴射計量單元的流量進行閉環(huán)控制的方法。所述螺線管裝置有效輸出功是指直接對壓送容積中的液體加壓并形成噴射所需要的能量。
[0016]對于螺線管裝置的控制，最常見的方法是采取PWM簡單驅動的方式，這種方式不對螺線管的執(zhí)行結果進行反饋修正，會產(chǎn)生目標與結果的不一致，往往不能完全覆蓋因為液體狀態(tài)的改變(例如出現(xiàn)兩相流等)、驅動電壓的改變和螺線管阻值的改變等因素對執(zhí)行結果的影響。
[0017]對于上述液體噴射計量單元，一種可選擇的方案是套筒-柱塞泵結構，即，包括一個回位彈簧，套筒在螺線管裝置和回位彈簧的驅動下往復運動，導致壓送容積大小的交替變化。
[0018]對于上述液體噴射計量單元，另一種可選擇的方案是柱塞-套筒泵結構，即，包括一個回位彈簧，柱塞在螺線管裝置和回位彈簧的驅動下往復運動，導致壓送容積大小的交替變化。
[0019]對于柱塞-套筒泵結構，進一步細化的方案是:柱塞包括一個電樞，電樞大致為一個圓柱體，電樞包括貫通兩端面的通孔。所述通孔可以具有一定的錐度，帶錐度的孔向液體壓送方向擴展，用于實現(xiàn)液體在內(nèi)部空間的定向流動，以冷卻液體噴射計量單元和提高其工作的穩(wěn)定性。
[0020]上述方案中的回位彈簧可以被另外一個螺線管裝置所取代以提供套筒或者柱塞回位所需要的力。
[0021]在上述方案中，在出液道與噴嘴之間可以包括一個高壓管，所述高壓管由金屬或者高分子材料制成，可以是定型的剛性管，也可以是可彎曲的柔性管。另外，來自儲液箱的液體需要經(jīng)過一個過濾器才能進入液體噴射計量單元的內(nèi)部空間。
[0022]一種可選擇的方案是:包括一個氣液混合腔，液體由噴嘴首先噴入氣液混合腔中，液體與氣體混合后再經(jīng)一個噴射器噴入發(fā)動機的排氣管內(nèi)。所述噴射器可以為一個簡單的節(jié)流孔式噴嘴，也可以為一個不含噴嘴閥的旋流噴嘴。此方案對于不同的應用，可以實現(xiàn)以下不同目標:一是有利于液體霧化和增加排氣管氧氣的含量，二是可以避免液體結冰對輸送管路的堵塞和損壞，三是可以避免溶劑如水分蒸發(fā)后噴射液如尿素水溶液的結晶體析出對管路的堵塞，四是可以避免液體中的結焦成分對噴嘴的堵塞。
[0023]對于上述方案，在發(fā)動機不需要噴射液體時，高壓氣體繼續(xù)供氣以掃除從汽液混合腔到噴射器之間的殘留液體。
[0024]另外一種應用于發(fā)動機排氣后處理系統(tǒng)的噴射方案是:液體通過高壓管由噴嘴直接噴入發(fā)動機排氣管中。如果所噴射的液體為DEF，除了為降低NOx排放需要噴射的DEF夕卜，另外還可以噴射少量的DEF以防止噴嘴過熱或者堵塞。為了防止高壓管結冰，需要沿高壓管布置融冰裝置，例如用電加熱或者發(fā)動機冷卻水加熱的方式進行融冰。
[0025]用能量平衡的方法預測螺線管裝置有效輸出功，需要估算計量控制器輸出的總能量，估算螺線管電阻功耗，估算螺線管裝置電感儲能。這樣，螺線管的有效輸出功=計量控制器輸出的總能量-螺線管電阻功耗-螺線管裝置電感儲能-流動阻力功耗-回位彈簧儲倉泛。
[0026]所述螺線管裝置的狀態(tài)參數(shù)可選擇為:通過線圈的電流