高效型SCR尿素計(jì)量泵精度標(biāo)定臺(tái)方案設(shè)計(jì)

摘 要：SCR技術(shù)已成為柴油車(chē)降低 NOX 排放的主流技術(shù)方法。尿素泵作為 SCR 系統(tǒng)的核心部件之一，其計(jì)量精度直接影響系統(tǒng)運(yùn)行效率。針對(duì)傳統(tǒng)的尿素泵標(biāo)定方法的不足，提出一種基于微小橢圓齒輪流量計(jì)的尿素計(jì)量泵精度標(biāo)定臺(tái)，設(shè)計(jì)了氣助型和非氣助型尿素泵標(biāo)定方案，對(duì)于無(wú)回流型尿素計(jì)量泵，可采用單流量計(jì)裝在吸液管上直接測(cè)量。對(duì)于有脈動(dòng)強(qiáng)且有回流的尿素計(jì)量泵，使用“減重”法測(cè)量，在吸液管與回液管各安裝一個(gè)橢圓齒輪流量計(jì)，通過(guò)差值的辦法得到尿素噴射量。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，精度高。

關(guān)鍵詞：SCR 尿素計(jì)量泵 精度 標(biāo)定臺(tái)

1 前言

隨著新能源汽車(chē)技術(shù)不斷發(fā)展，乘用車(chē)電動(dòng)化相對(duì)容易，但重型貨車(chē)用新能源替代難度大，具有不確定性。在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用新技術(shù)，降低排放仍然是主要路線之一。重型車(chē)目前多數(shù)為柴油車(chē)，但其N(xiāo)OX排放量占汽車(chē)總排放量的70%，而選擇性催化還原（Selective Catalyst Reduction，SCR）技術(shù)是目前降低柴油機(jī)NOX排放量的主流技術(shù)。在SCR系統(tǒng)中，尿素泵是其核心部件，其主要作用是抽取并計(jì)量尿素溶液，滿足噴射條件后將尿素溶液噴入排氣筒中。故尿素泵功能的可靠性對(duì)SCR系統(tǒng)尾氣處理效果至關(guān)重要。因此，尿素泵的質(zhì)量和精度要求很高，尤其是對(duì)它的流量復(fù)現(xiàn)性精度要求更高，在使用前必須對(duì)計(jì)量泵進(jìn)行全面的檢測(cè)和標(biāo)定。

雖然自中國(guó)實(shí)施“國(guó)四”排放法規(guī)起已大于10年，尿素計(jì)量泵得到大量的應(yīng)用，但在車(chē)用計(jì)量泵泵領(lǐng)域，對(duì)尿素泵標(biāo)定研究的并不多。除了蚌埠學(xué)院業(yè)紅玲對(duì)尿素泵的標(biāo)定進(jìn)行試驗(yàn)，蘇州派格麗減排系統(tǒng)有限公司、西安秦泰汽車(chē)配件有限公司申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利，而他們標(biāo)定試驗(yàn)及方法均采用電子秤稱(chēng)重法來(lái)標(biāo)定為基礎(chǔ)的系統(tǒng)標(biāo)定臺(tái)。其他更多的研究都是對(duì)整個(gè)噴射系統(tǒng)進(jìn)行不同標(biāo)定方法的研究。對(duì)國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)廠家來(lái)說(shuō)，更多精力在開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證尿素計(jì)量泵，和應(yīng)對(duì)爆發(fā)式市場(chǎng)需求的緊張生產(chǎn)，幾乎沒(méi)人研究更先進(jìn)的標(biāo)定技術(shù)。

基于以上原因，本文提出一種基于微小橢圓齒輪流量計(jì)的尿素計(jì)量泵精度標(biāo)定臺(tái)/驗(yàn)證臺(tái)，利用橢圓齒輪流量計(jì)阻力小、體積小、精度高、價(jià)格適中、適合微小流量計(jì)量的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在線流量測(cè)量，大大提高了標(biāo)定效率，替代傳統(tǒng)的電子秤“事后”標(biāo)定法。

2 傳統(tǒng)的尿素泵標(biāo)定方法

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)內(nèi)裝備的尿素計(jì)量泵款式約30個(gè)型號(hào)，進(jìn)口產(chǎn)品4個(gè)型號(hào)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品普遍可靠性差，精度低（≥5%，有的甚至為15%），大大影響氮氧化物脫除效果。因此尿素計(jì)量泵在出廠前均需要進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)機(jī)械特性的差異，通過(guò)軟件技術(shù)進(jìn)行修正。

典型的尿素計(jì)量泵有齒輪泵、隔膜泵、柱塞泵三種。目前廣泛使用的是：隔膜泵與隔膜泵增壓+計(jì)量閥計(jì)量的方式，這兩種泵液體流量都有脈動(dòng)性。由于存在氣液兩相流與強(qiáng)脈沖流動(dòng)，加上流量范圍偏小≤7.5L/h，國(guó)六階段≤12kg/h，傳統(tǒng)流量計(jì)非常難以測(cè)量，一是流量范圍小，超出普通電磁流量計(jì)的測(cè)量范圍。超聲波流量計(jì)測(cè)量雖然精度高，但是動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍小，無(wú)法適應(yīng)尿素計(jì)量泵高達(dá)1000倍的動(dòng)態(tài)比要求。其他流量計(jì)要么有的價(jià)格昂貴，有的阻力高，無(wú)法用于尿素計(jì)量泵的要求。所以行業(yè)內(nèi)廠家多采用稱(chēng)重法來(lái)標(biāo)定，先定時(shí)收集尿素計(jì)量泵某個(gè)命令流量下的實(shí)際流量，用電子秤稱(chēng)重；再更換命令噴射點(diǎn)，多次收集后生成修正曲線與對(duì)應(yīng)的參數(shù)。這種辦法雖精準(zhǔn)，但是屬于“事后諸葛亮”。一臺(tái)尿素泵精度是否滿足要求，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量反推后才能判斷，對(duì)于低流量狀態(tài)，需要很長(zhǎng)時(shí)間的收集，才能消除計(jì)量誤差，這在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)重拖慢了效率，增加了檢測(cè)成本。

3 SCR尿素計(jì)量泵精度標(biāo)定方案設(shè)計(jì)

根據(jù)典型尿素計(jì)量泵的液路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)精度測(cè)量液路圖，需做到既能測(cè)量精確，又不影響原泵的運(yùn)行狀態(tài)，如不額外增加管道阻力，包括吸液阻力、回液阻力與噴射阻力。在不改變泵原工作特性的基礎(chǔ)上測(cè)量其計(jì)量精度。

3.1 對(duì)氣助型尿素計(jì)量泵

氣助型尿素計(jì)量泵，在噴嘴端存在兩相流，氣體將部分液體霧化擴(kuò)散逃逸，難以捕獲，此時(shí)應(yīng)采用測(cè)量進(jìn)液與回液的流量差，獲得實(shí)時(shí)噴射量數(shù)據(jù)。部分氣助泵噴射時(shí)無(wú)回流回液流量，則只需采用1個(gè)進(jìn)液流量計(jì)來(lái)等量測(cè)量噴射流量。

3.1.1 無(wú)回流型氣助計(jì)量泵

無(wú)回流型氣助計(jì)量泵，代表泵：Emitec UDS 2.5。尿素計(jì)量泵從尿素罐抽取多少尿素水溶液，等量推送到噴射管中，在泵內(nèi)混合或在尿素噴嘴端外混合，將尿素水溶液霧化噴出。因噴射管或噴嘴端存在兩相流難以測(cè)量液體流量，因此在進(jìn)液管布置橢圓齒輪流量計(jì)等量測(cè)量尿素水溶液流量，如圖1所示。

3.1.2 回流型氣助計(jì)量泵

回流型氣助計(jì)量泵，代表泵：秦泰氣助泵。在噴射的同時(shí)，回液口在持續(xù)回流多余的尿素水溶液，此時(shí)吸液口與回液口的流量差即為尿素噴射量。如圖2所示。

3.2 對(duì)非氣助尿素計(jì)量泵

對(duì)脈動(dòng)性小的非氣助尿素計(jì)量泵，直接在噴射回路上安裝單個(gè)橢圓齒輪流量計(jì)測(cè)量，通過(guò)改變橢圓齒輪流量計(jì)橢圓齒輪的長(zhǎng)短軸比，適應(yīng)其脈動(dòng)特點(diǎn)，避免漏測(cè)與橢圓齒輪反轉(zhuǎn)的問(wèn)題。如圖3所示。

對(duì)脈動(dòng)大的非氣助計(jì)量泵，可采用雙流量計(jì)，測(cè)量進(jìn)液流量與回液流量的流量差，獲得實(shí)時(shí)的或積分平均的脈動(dòng)噴射量。如圖4所示。

4 SCR尿素計(jì)量泵精度標(biāo)定臺(tái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

4.1 SCR尿素計(jì)量泵精度標(biāo)定臺(tái)開(kāi)發(fā)

本項(xiàng)目以國(guó)內(nèi)使用最廣泛的Bosch公司生產(chǎn)Denoxtronic2.2尿素計(jì)量泵與噴嘴作為開(kāi)發(fā)對(duì)象，根據(jù)液體回路原理進(jìn)行精度標(biāo)定臺(tái)設(shè)計(jì)，不改變?cè)蛩赜?jì)量泵的工作特性，如不增加各管路的阻力，不增加電機(jī)的工作負(fù)荷基礎(chǔ)上，根據(jù)電氣元件數(shù)量與信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)SCR尿素計(jì)量泵精度標(biāo)定臺(tái)，標(biāo)定臺(tái)實(shí)物如圖5所示。

4.2 SCR尿素計(jì)量泵精度標(biāo)定臺(tái)應(yīng)用

兩套雙工位標(biāo)定臺(tái)于2024年2月投入無(wú)錫工廠實(shí)際應(yīng)用，目前已累計(jì)工作超過(guò)1000小時(shí)，表現(xiàn)一切正常，得到使用單位的好評(píng)。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目提出一種采用高長(zhǎng)短軸比的橢圓齒輪流量計(jì)，用于微小流量液體的測(cè)量，它具有體積小、精度高、始動(dòng)流量小、性能可靠、性價(jià)比高、動(dòng)態(tài)范圍廣等特點(diǎn)。對(duì)于無(wú)回流型尿素計(jì)量泵，可采用單流量計(jì)裝在吸液管上直接測(cè)量。對(duì)于有脈動(dòng)強(qiáng)，且有回流的尿素計(jì)量泵，本設(shè)備創(chuàng)新地使用“減重”法測(cè)量，在吸液管與回液管各安裝一個(gè)橢圓齒輪流量計(jì)，通過(guò)差值的辦法得到尿素噴射量，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，精度高。

同時(shí)，本標(biāo)定臺(tái)經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研與研發(fā)生產(chǎn)，也存在歷時(shí)尚短，實(shí)際應(yīng)用時(shí)間不足3000h，部分潛伏問(wèn)題與耐久可靠性可能未充分暴露，在將來(lái)使用中，存在問(wèn)題暴露或過(guò)早損壞的可能。本項(xiàng)目成員將積極跟蹤使用情況，并及時(shí)做出調(diào)整。

基金項(xiàng)目：2023年浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目：高效型SCR尿素計(jì)量泵精度標(biāo)定臺(tái)開(kāi)發(fā)（Y202351603）。

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