使用電阻性加熱元件加熱scr系統中至少一個部件的方法

2023-05-15 15:23:21

專利名稱：：使用電阻性加熱元件加熱scr系統中至少一個部件的方法使用電阻性加熱元件加熱SCR系統中至少一個部件的方法本申請涉及一種使用電阻性加熱元件加熱SCR系統中至少一個部件的方法、並且還涉及可以應用這種方法的一個SCR系統的部件。除其他事項外，對於車輛和重型貨車排放的立法規定了減少釋放到大氣中的氮氧化物N0x。實現這個目標的一種已知的方式是使用SCR(選擇性催化還原)方法，該方法通過將一種還原劑(一般是氨)注入排氣管線使氮氧化物能夠減少。這種氨可以得自一種氨前體溶液的高溫分解，該溶液的濃縮物可以是低共熔的濃縮物。這樣一種氨前體通常是一種尿素溶液。通過SCR方法，發動機在以最佳效率的燃燒過程中所產生的高水平的N0X在離開發動機時在一種催化劑中得到了處理。這種處理要求使用以精確的濃度並具有極端品質的還原劑。因此，將該溶液進行精確計量並注入排氣流之中，其中在將這種氮氧化物(N0X)轉化為氮氣(N2)和水(H20)之前這種溶液被水解。為了做到這一點，必須為這些車輛裝備有包含一種添加劑(通常是尿素)溶液的一個儲箱並且還裝備有用於對所希望量值的添加劑進行計量並且將其注入該排氣管線的一種裝置。鑑於通常為此目的使用的水性尿素溶液(低共熔的32.5wt^尿素溶液)在-irC凍結，必須提供一種加熱裝置以將這種溶液液化以便在凍結條件下起動的情況中能夠將該溶液注入排氣管線之中。現有技術已經提供了用於此目的的幾種系統。通常，這些系統包括多個加熱裝置，它們涉及專用加熱元件或者發動機冷卻迴路的一個旁路(例如，見本申請人名下的申請WO2006/064001)。就使用專用加熱元件而言，人們已知將電阻性加熱元件置於含尿素溶液的儲箱內部並且任選地置於這些尿素(若適用的話，送料管線和返回管線)管線的上方，泵、過濾器等等以及該系統的其他有源部件的上方。因此，例如，申請WO2007/017080建議將兩個電阻器(一個用於儲箱並且另一個用於過濾器)串聯連接，這使之有可能以一個給定的電流通過選擇合適的電阻器來調節加熱功率。然而，將多個加熱電阻器串聯連接具有的缺點是如果這些電阻器之一出現故障，則後面的電阻器將失效。此外，使用這樣一種連接模式，如果希望使用一個電流傳感器來完成一個診斷測試(以自動檢查這些電阻器是在正確地工作)，即這被整體(在所有這些電阻器上)執行，因此不會使之有可能從這些使用的電阻器中識別哪一個是有故障的。本發明旨在通過提供一種方法來解決這個問題，該方法使用幾個電阻性加熱元件加熱SCR系統，專門使用一個單一電流傳感器來控制這些加熱元件的良好運行。因此，本申請涉及使用幾個電阻性加熱元件加熱一個SCR系統的至少一個部件的方法，根據該方法，這些加熱元件是由一個電流源並聯供電的，並且根據該方法，一個電流傳感器是與該電流源以及所有這些並聯連接的電阻器串聯配置。表述"SCR系統"應該理解為是指用於對來自(優選是車輛的)內燃發動機的排氣中的NO,進行催化還原的一個系統。本發明特別適用於使用一種液態氨前體的系統，該液態氨前體能夠在地球的特定地區的大氣條件下凍結。它特別適用於尿素SCR系統。術語"尿素"應該理解為是表示任何總體上水性的包含尿素的溶液。本發明給出了使用低共熔的水/尿素溶液的良好結果，對於該溶液存在一個標準質量例如，根據標準DIN70070，在八(1811^@溶液(商業的尿素溶液)的情況下，尿素含量是在31.8%與33.2%(按重量計)之間(即32.5+/-0.7wt%)，因此可供使用的氨的量值是在18.0%與18.8%之間。本發明還可以應用於在商品名DenoxiumTM下銷售的尿素/氨的甲酸鹽的多種混合物(同樣為水性溶液)，並且這些組合物(Denoxium-30)之一包含了與八(11311^@溶液中的氨的量值相當的氨。後者具有的優點是只從-3(rc才開始(而不是-irc)凍結，但具有的缺點是與可能的甲酸釋放有關的腐蝕問題。本發明在低共熔的水/尿素溶液的情況中是特別有利的。如前面所提及，這些SCR系統總體上包括至少一個用於儲存控制汙染的液體添加劑的儲箱並且還包括用於將液體添加劑送到排氣中的一個系統，並且該系統總體上包括多個有源部件，如泵、過濾器、閥門、管道(送料和/返回管道)。根據本發明的方法適用於這樣一個系統的任一部件、這類部件的組合、或者甚至適用於一個完整的SCR系統。這樣一個系統的儲箱可以由任何材料製成，優選地是對尿素有化學耐受性的材料。一般而言，這種材料是金屬或塑料。聚烯烴類，特別是聚乙烯(以及更特別地是HDPE或高密度聚乙烯)構成了優選的材料。這種儲箱可以通過在空心體情況下已知的任何轉換工藝來製造。特別在儲箱是用塑料(尤其是用HDPE)製成時，一個優選的加工方法是擠出-吹塑模製工藝。在這種情況下，通過擠出獲得一個型坯(處於一個或多個部分)，然後該型坯在一個模具中通過吹氣模製而成形。由單個型坯單件模製的儲箱產生了良好的結果。這種儲箱有利地配備有一個基板或者安裝板(這就是說，基本上具有板形的一個支撐件)，其上附接有該尿素儲存系統和/或注入系統的至少一個有源附件。該基板總體上具有在其本身上閉合的任何形狀的周邊。通常，其周邊具有圓形的形狀。在一種特別優選的方式中，這個基板是一個被潛沒的安裝板，即將該儲箱下部壁中的一個開口密封的一個板。事實上，表述"下部壁"應理解為是表示該儲箱的下半部分(無論它被模製為一體或者由兩個型坯板材或切割件來模製)。優選地，該基板位於儲箱的下三分之一中，並且更特別優選在下四分之一中，或者甚至直接在該儲箱的底部。它可以部分在下部側壁上，在這種情況下，一旦安裝在車輛上，它便會略微傾斜。該基板的位置和/或方向特別地取決於儲箱在車輛中的位置，並且取決於在其周圍被佔用的空間(考慮到其中有待一體化的這些部件)。因此，該基板結合了至少一個部件，它在儲存和/或注入過程中是有源的。這被理解為表示將該部件附接到該基板上或與其製造成一個零件。這個部件可結合到該儲箱之內，或者在外部，並且帶有穿過它的一個連接(輸送管)(如果必要的話)。優選地，根據本發明的這種變體的基板將幾個有源的儲存和/或計量部件一體化，並且更特別優選地，它整合了所有這些有源部件，這些有源部件與存在於該添加劑箱中、從其離開或進入其中的液體添加劑相接觸。根據本發明的這一變體的儲箱基板可以通過任何已知的方法獲得，但優選它是通過注塑模製獲得的，這種方法使之有可能獲得良好的尺寸精確度。優選地，該基板是基於對尿素以及對在尿素老化過程中產生的這些產品有耐受性的一種材料，如凍縮醛，並且特別是POM(聚甲醛)凍鄰苯二甲醯胺(例如，AMODEI^級別)；或聚醯胺類，以及特別是強化(例如，用玻璃纖維)的聚醯胺等級的。優選地，該基板是用聚醯胺製成，並且它包括一個輸送管，該輸送管與如先前描述的基板模製成一體。本發明適用的、並且可能被整合或可能不被整合到上述基板中的部件裝備有至少兩個並聯連接的電阻性元件(該部件不排除事實上它還可以包括一個或多個串聯連接的這類元件)。這些電阻性元件可以是金屬加熱絲、柔性加熱器(即包括一個或多個電阻條的加熱器，該或這些電阻條被附接到一個薄膜上或者被配置在兩個薄膜之間(即兩個基本上扁平的支架，其材料和厚度使它們是柔性的))或者具有適合於插入和/或圍繞該部件纏繞的形狀、大小以及撓性的任何其他類型的電阻性元件。對於該儲箱以及其基板，如果合適的話，柔性加熱器是特別適合的。柔性加熱器的一個優點是它們可以具有任何形狀，甚至可能是一個複雜的形狀，從而一個單個的加熱器(根據一種"樣式"設計的)可以被用來加熱儲箱的不同部分，甚至是彼此遠離的多個部分。因此，在一個優選的變體中，該柔性加熱器包括一個本體以及至少一個贅生物或觸鬚，該贅生物或觸鬚裝備有電阻條的至少一部分。最特別優選地，它包括幾個贅生物或觸鬚，這些贅生物或觸鬚被均勻地定位在該儲箱中以便能夠完全並且儘可能均勻地加熱其內容物，甚至在遠離該加熱器的本體(這些觸鬚由此處延伸)的這些角落處。在這個變體中，該加熱器的本體可以包括一個電阻條以及這些觸鬚、至少一個另外的電阻條，這些條優選地被並行連接到一個電源端子上。術語"本體"應該理解為表示該加熱器的一部分，這些觸鬚從此處開始或者這些電阻條開始於和到達此處。根據本發明該方法所適用的SCR系統/部件的這些電阻器(電阻性加熱元件)是由一個電流源來供電的。這可以是車輛的電池，該電池提供約12伏的標稱電壓(通常具有9伏的最小值以及16伏的最大值)。優選地，每個電阻器被獨立地接地並且該電流傳感器被插在該電流源與這些接地的電阻器之間。通常，這些電流傳感器將經其流過的電流(並且該電流因此是流經每個電阻器的這些電流之和)轉換為具有給定靈敏度的一個電壓。通常，在零電流的情況下所產生的電壓不為零而是等於該傳感器的供給電壓的一定的百分比(如，約為這個電壓的10%)，並且該電壓被稱作偏置電壓。這樣一種偏置的優點是可以控制傳感器的功能(因為如果傳感器工作，電壓就不等於零，即使無電流通過它流過)。這些SCR系統總體上僅被加熱到一個特定溫度之下(從這個溫度起添加劑開始固化)。對於上述的低共熔的水/尿素溶液，這種加熱通常在約-st:時發生。總體上講，這些系統是由一個電子控制單元(ECU)控制的，除其他之外，該控制單元通過例如作用於一個單個的轉接器(電源開關、功率MOSFET、等等)上來決定加熱系統的啟動/停止，該轉接器定位在該電流源與這些電阻器之間(優選地在該電流傳感器上遊)的供電線路中。因此，在這樣一個系統中，所有這些電阻器是同時啟動的。然而，在所使用的這些電阻器相對於它們的標稱值具有太大的差量的情況下，將無法在所有情況下確立一種可靠的診斷性測試。例如，在一個系統具有很不同的值的2個5電阻器和/或在這2個電阻器正確地運行的情況下由傳感器讀出的電流範圍與這2個電阻器中僅有一個(最小的)正在運行時的範圍具有一個共同區域時，情況就是如此。這是通過本文件所附的圖1和表1來說明的，以下將對此進一步予以詳細說明。因此，根據本發明的一個有利的變體，每個電阻器被各自連接到該電流源上並且被接為形成一個電阻性支路，並且使這些不同的電阻性支路順序啟動(例如，在它們的每一個中使用一個轉接器，使在先的一個由合適的控制系統(ECU)啟動)。在這樣一個系統中，一個正確工作的支路的每次啟動對應於傳感器讀出的電流的一個增量(以及因此由它產生的電壓的一個增量)。因此，有可能進行一個特定的診斷測試而不考慮所使用的這些電阻器的各自的阻值以及差量(因為每個電阻器對應於電壓的一個"跳變"，這個跳變值幾乎沒有什麼價值，它的出現本身證明了所討論的電阻器的正確工作)。然而，這樣一種方法將僅能夠檢測一個電阻器是否正在工作(允許電流流過它)，而不能檢測它是否出現故障(即，過度加熱，這可能導致系統退化以及尿素溶液的降解；或者加熱不足，這可能導致由於結霜的退化問題)。因此，一種改進的方法包括測量每次啟動電阻器時的電流並且將這些電流比值與這些電阻器的阻值(電阻)比值進行比較。這樣一種方法(它在所附的圖3至圖5中被舉例為n=2)不僅允許免除電壓的實際值而且還允許獨立地檢查每個電阻器的性能(即，確定是否每個電阻器正在正確地、不充分地或者過度地加熱)。事實上，更精確地講在該方法中不是真正測量該電流；實際上該電流是由電流傳感器的電壓輸出計算出的(如由圖3至圖5以及涉及到其上的上下文中將看清楚)。以上說明的將這些電阻器順序啟動的診斷方法總體上是在一個加熱過程開始時執行的(例如，如果該發動機在結霜條件下起動或者如果在發動機運行時檢測到結霜)。最後，本發明涉及用於加熱一個SCR系統的至少一個部件的系統，這種系統包括多個電阻性加熱元件，這些加熱元件被並聯連接到一個電流源上；一個電流傳感器，該電流傳感器與該電流源以及所有這些並聯連接的電阻器串聯配置；以及一個用於檢測該系統故障的單元，該單元使之有可能解釋由傳感器所發出的一個信號。這個檢測單元(或診斷單元)可以是專門用於這個目的的一個專用ECU。可替代地並且優選地，它與控制加熱的以及傳感器對其發送它的信號(通常是電壓)的單元是同一個ECU。以上在該方法的背景中所說明的這些有利的變體還可以應用於根據本發明的系統。具體地講，該系統的一個特別有利的變體包括每個電阻器的一個獨立的電阻性支路(如以上定義的，即將每個電阻器獨立地連接到電流源上並且各自接地)，並且這些支路各自裝備有一個轉接器。特別有利的是，這個系統的ECU順序地啟動這些支路並且為了做到這一點而使用了作用在這些支路上的多個延遲裝置(如，延時繼電器)，這些延遲裝置作用在以一種延遲的方式被啟動的這些支路上(即，除了被直接啟動的第一個支路之外作用在所有之路上)。最後，本發明還涉及裝備有一個如以上說明的加熱系統的一個SCR系統，並且該系統包括至少一個部件，該部件選自一個尿素箱、該尿素箱的一個基板、一個尿素送料或返回管線、一個尿素過濾器或泵。通過表1和表2並且通過圖1至圖5非限定性地展示了本發明。圖1和圖2展示6了本發明的兩個變體的原理並且表1說明了與第1變體(根據圖1)的一個特別情況的工作相關的計算。圖2以及圖3至圖5涉及該第二變體(圖2的情況)的一個次級變體(變形)。在這些圖中，相同的數字表示相同的部件。圖1示意性地說明了一種加熱方法，該方法使用一個電流源VBAT、一個轉接器(PS或功率開關)、一個電流傳感器CS以及3個電阻器Rl、R2和R3，這些電阻器各自獨立地連接到車輛的接地端GND上。根據這種方法，一個ECU(未表示)在時間TO將一個命令發送給轉接器PS，指令它啟動這些電阻器，即，使電流同時流過這些不同的電阻性支路。從這個時刻T0開始，一個電流流過電流傳感器CS，這個電流等於流過每個電阻性支路的這些電流之和，並且該電流傳感器產生與這個電流成比例的一個輸出信號(電壓)。從這個電壓的幅值可以檢查所有這些電阻器是否正在起作用並且在發生故障的情況下可以識別出有問題的電阻器，通過在以下段落中列出的規定......S卩，在例如若Rl、R2和R3各自等於約十歐姆並且帶有高精度時、若電池產生一個相當恆定的電壓時並且若該傳感器的靈敏度和準確性良好時，即換言之在具有頂極質量的設備時，這樣一種方法是有效的。然而，對於最合理地定價的商業裝置(大規模生產的產品)，這些參數的波動的情況使這種方法無法應用。表1展示了這種情況並且考慮，例如，在裝備有加熱電阻器(Rpump)的一個尿素泵的情況，該電阻器具有14.4歐姆的標稱值(nom)(但它在13.68歐姆的個最小值min與15.8歐姆的最大值max之間變化)並且與旨在用於尿素送料/返回管線的一個加熱電阻器(Rlines)並聯連接，該電阻器的對應值(也以歐姆為單位)是1.44歐姆(min)、1.8歐姆(nom)以及2.16歐姆(max);它們在一個電池VBAT上，該電池提供12V(nom)(在9V(min)與16V(max)之間)。如果為了在這個系統上進行診斷測試(以識別這2個電阻器是否正在正確地工作)，則使用具有表1所展示的這些特徵的一個電流傳感器，即用於5V(nom)(4.9(min)以及5.l(max))的一個實際電源Vcc的185mV/A(nom)(179.5(min)以及190.5(max))的一個靈敏度CSS，這將不會始終有可能確切地獲知Rpump是否正在正確地工作，因為僅在Rlines正在運行或者僅在Rpump以及Rlines均正在運行時，由CS所產生的電壓範圍具有一個重疊區域(見表l:如果傳感器給出一個從1.320至2.666伏的功率(電壓)輸出，則不可可能區分這兩種情況)。因此，圖2示意性地展示了一個可替代的(優選的)變體，該變體使用3個分離的轉接器PS1、PS2、PS3(每個電阻器Rl、R2、R3有一個轉接器)以及兩個延遲裝置Dl、D2，這些延遲裝置作用在對後2個轉接器PS2、PS3上。根據這種方法，一個ECU(未表示)在時間T0將一個命令發送給轉接器PS1，指令它只啟動電阻器Rl，即，使電流獨自流過它。在這個時刻T0，電流傳感器CS產生一個輸出信號(電壓)，該信號是與僅流經電阻器Rl的電流是成比例的。由ECU在時間TO發出的命令還啟動了延遲機構Dl和D2，這些延遲機構將分別在ATI以及AT2結束時啟動轉接器PS2以及PS3，以允許電流在AT1結束時首先同時流經RI和R2並且在AT2結束時流經R1、R2和R3。因此，如果這些電阻器如圖2所示在正確地工作，則各自在TO、ATI以及AT2結束時在CS輸出處觀察到一個電壓跳變。如果這些電阻器之一有缺陷並且不允許電流流過，則將不會觀察到相應的電壓跳變並且相關的電阻器將被識別出。這樣一種方法是有效的而無論與這3個電壓跳變的這些對應值如何，因此與所使用的這些儀器的準確性無關。圖3至圖5以及表2展示了一種甚至更好的方法，該方法允許去除實際觀察到的電源(電壓)的偏差(即，事實上電池一般不產生其標稱電壓)。圖3是該系統的物理布局；圖4說明了這些定時器的作用而圖5是所討論的方法的一個框圖。在這個實施方案中，ECU在時間(T)等於TO時將一個加熱命令HC發送給這些線路的電源開關(PS管線)，並且啟動2個定時器(定時器l以及定時器2)，這些定時器未在圖3上展示但其作用是在圖4和圖5中解釋的。當定時器1達到一個預定值(如，100ms)時，測量電流傳感器CS的輸出Ucs並且根據一個公式計算這些線路中的電流，該公式專門用於該傳感器(通常，Ilines=f(Ucs，Vcc，CSS)，其中Vcc與CSS是以上定義的)。這個值Ilines被存儲在ECU的存儲器中。當時間(T)等於AT時(例如，它同樣是一個800ms的預定值)，延遲機構D接通(通過泵的電源開關PS泵)泵的加熱並且當定時器2達到一個預定值(例如900ms)時，電源輸出Ucs被再次測量並且被用來計算流經傳感器的總電流Ics。這樣，流經泵的電流的對應值Ipump可以被計算為Ipump=Ics-Ilines。Ipump與Ilines之比或Iratio=Ipump/Ilines事實上是與由電池VBAT產生的功率無關，因為Ip卿=VBAT/Rp卿；Ilines=VBAT/Rlines;Iratio=(VBAT/Rpump)/(VBAT/Rlines)=Rlines/Rpump因此，通過計算Rratiomax=Rlinesmax/Rp卿min以及Rratiomin=Rlinesmin/Rpumpmax，有可能檢查出Iratio相對於它們所處的位置。如果Iratio>Rratiomax，則這些線路的電阻器不起作用。如果Iratio<Rratiomin，則該泵的電阻器不起作用。如果Iratio被包括在以下範圍中Rratiomin<Iratio<Rratiomax則兩個加熱元件均正確起作用。在表2中對於與如表1的那些相同的Rpump以及Rlines的值展示了這一點。^1tableseeoriginaldocumentpage8Vcc4.955.1V偏移=10%Vcc0.490.50.51V如果僅Rlines雄Ilines=RlinesMinNomMax4.176.6711.11與CS中的電流來自CS功率輸出如果1.5%精度來自CS的功率輸出範圍如果僅Rpump雄Ipump=Rpump與CS中的電流來自CS的功率1.2381.7332.6271.2191.7072.6660.570.831.170.5920.6540.733V輸出如果精度為U，來自CS0.5830.6440.744V的功率輸出範圍如果Rlines與Rduito齒工作CS中的電流4.7357.50012.281A來自CS的功率1.34輸出如果精度為U，來自CS1.320的功率輸出範圍表21.8882.8491.8592.892V公式VBAT(min，nom，max),Rlines(max，nom，min)偏移+(CSS(min，nom，max(0.985氺min，1.015頓ax)VBAT(min，nom，max)/Rpump(max，nom，min)偏移+(CSS(min，nom，max)*I2/1000)(0.985*min，1.015*max)II(min，nom，max)+12(min，nom，max)偏移+(CSS(min，nom，max)*(Il+I2)/1000)(0.985物in，1.015*max)9這些加熱器電阻值的最大0.1579比值這些加熱器電阻值的最小0.091比值如果Iratio>Rratiomax則線路加熱器失效如果Iratio<Rratiomin貝U泵加熱器失效RratioMax=Rlinesmax/RpumpminRratioMin=Rlinesmin/Rpumpmax權利要求使用幾個電阻性加熱元件加熱一個SCR系統中至少一個部件的方法，根據該方法，這些加熱元件是由一個電流源並聯供電，並且根據該方法，一個電流傳感器與該電流源以及並聯連接的所有這些電阻器串聯配置。2.根據前一權利要求所述的方法，其特徵在於，每個電阻器被接地並且其特徵在於該電流傳感器被插在該電流源與這些電阻器之間。3.根據前一權利要求所述的方法，其特徵在於，一個電子控制單元(ECU)通過作用在定位於該電流源與這些電阻器之間的一個轉接器上來調節該加熱系統的啟動/停止。4.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，將這些電阻器順序啟動。5.根據前述權利要求所述的方法，其特徵在於，該順序啟動是使用多個轉接器來進行的，一個轉接器在每個電阻器前面，並且這些轉接器是由一個ECU來順序啟動的。6.根據前述權利要求所述的方法，根據該方法，由該傳感器在每次啟動一個電阻器時測量該電流，並且將這些電流之比與這些電阻器的值(電阻值)之比進行比較。7.用於加熱一個SCR系統中至少一個部件的系統，並且該系統包括多個電阻性加熱元件，這些加熱元件被並聯連接到一個電流源上；一個電流傳感器，該電流傳感器與該電流源以及所有這些並聯連接的電阻器串聯配置；以及一個用於檢測該系統的故障的單元，該單元使之有可能解釋由該傳感器發出的一個信號。8.根據前一權利要求所述的系統，其特徵在於，該檢測單元包括一個ECU，該傳感器對該ECU發送一個電壓信號，這個ECU還控制著這些電阻器的啟動。9.根據前一權利要求所述的系統，其特徵在於，該系統包括每個電阻器的一個獨立的電阻性支路(即，每個電阻器被獨立地連接到該電流源上並且被各自接地)，這些支路各自裝備有一個轉接器並且除一個之外均受制於一個延遲機構的作用。10.根據權利要求7至9中的任一項所述的裝備有一個加熱系統的SCR系統，這個系統包括至少一個部件，該部件選自一個尿素儲箱、該尿素儲箱的一個基板、一個尿素送料或返回管線、一個尿素過濾器或泵。全文摘要使用幾個電阻性加熱元件加熱一個SCR系統中至少一個部件的方法，根據本方法，這些加熱元件是由一個電流源並聯地供電，並且根據本方法，將一個電流傳感器與該電流源以及並聯連接的這些電阻器串聯配置。文檔編號F01N3/20GK101755481SQ200880025119公開日2010年6月23日申請日期2008年7月24日優先權日2007年7月26日發明者博洛迪亞·奈德諾夫,尼古拉斯·迪雷申請人:因勒紀汽車系統研究公司