選擇性催化還原系統(tǒng)膠囊式氣動尿素泵設計與流量特性分析

楊 凱 ，廖 昱 ，李 莎 ，張 達 ，林 晨

（1.湖北第二師范學院 物理與機電工程學院，武漢 430205；2.湖北第二師范學院 物流智能化研究所，武漢 430205；3.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074；4.航天深拓（北京）科技有限公司，北京 100023）

0 引言

NOx是機動車尾氣中危害性最強且治理難度最大的污染物之一［1-2］。目前，選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）系統(tǒng)被公認為最有效的柴油車NOx處理技術［3］。隨著柴油機的排放法規(guī)、全工況熱效率以及節(jié)能技術等方面的要求日漸嚴格［4-6］，以及尿素結(jié)晶、沉積物問題日益突出［7-9］，現(xiàn)有SCR系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)也更加嚴峻［10］。尿素泵作為SCR系統(tǒng)的關鍵零部件［11］，其供給精度、噴射特性及防結(jié)晶性能等對SCR系統(tǒng)性能有著重要影響［12-15］。現(xiàn)有的尿素泵主要以容積式泵為主，如電磁泵、隔膜泵等［16-17］，受容積式泵結(jié)構(gòu)和原理等影響，其尿素液供給存在間斷性，且泵體、噴嘴等部位易殘留尿素液而導致結(jié)晶等問題，嚴重影響SCR系統(tǒng)的性能。

本文針對SCR系統(tǒng)的使用需求，設計了一種新型膠囊式氣動尿素泵（capsule pneumatic urea pump，CPUP），并通過理論計算與AMEsim仿真對其響應特性與流量特性進行了深入分析，以期優(yōu)化現(xiàn)有尿素泵的供給性能，并降低泵體、噴嘴等處殘留尿素結(jié)晶風險，提高SCR系統(tǒng)的工作效率。

1 膠囊泵結(jié)構(gòu)與流量特性

1.1 膠囊泵結(jié)構(gòu)與工作原理分析

膠囊泵結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。膠囊泵屬于容積泵，通過控制電磁閥2的占空比，調(diào)節(jié)膠囊內(nèi)腔的進、排氣時間，以改變膠囊內(nèi)、外腔的容積量。當膠囊內(nèi)腔進氣膨脹時，膠囊外腔容積減小、壓力升高時，出液單向閥開啟，膠囊外腔尿素液由出液單向閥排出，一部分尿素液直接經(jīng)噴嘴噴射，另一部分尿素液進入泵內(nèi)腔并壓縮腔內(nèi)空氣使腔內(nèi)壓力升高；當膠囊內(nèi)腔排氣收縮時，膠囊外腔容積增大而產(chǎn)生負壓，此時，進液單向閥打開，尿素液被吸入尿囊外腔。同時，出液單向閥關閉，泵內(nèi)腔儲存的尿素液在壓力作用下經(jīng)噴嘴噴射，以實現(xiàn)膠囊泵周期性連續(xù)噴射。

圖1 膠囊式氣動尿素泵結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structure schematic diagram of CPUP

當噴嘴處計量閥關閉時，電磁閥1，3開啟，電磁閥2持續(xù)工作，將膠囊外腔、泵內(nèi)腔、噴嘴、管路等處的尿素液經(jīng)噴嘴接口、尿素液回收接口、尿素液回收孔等排到尿素箱內(nèi)，以實現(xiàn)尿素液回收，有效避了免泵體、噴嘴等處殘存尿素液導致結(jié)晶等問題。

1.2 膠囊泵流量特性分析

膠囊泵采用PWM（Pulse Width Modulation）控制電磁閥2工作，設氣源的流量為q，即在一個周期內(nèi)，進入膠囊內(nèi)腔的氣體體積V1為：

式中 t——有效進氣時間，s；

D——占空比，%；

f——頻率，Hz。

由式（1）（2）得：

由于膠囊結(jié)構(gòu)近似圓柱體，進氣時徑向膨脹，膠囊膨脹后截面受力如圖2所示。

圖2 膠囊膨脹后截面受力示意Fig.2 Stress diagram of cross section after capsule expansion

膠囊應變量ε為：

式中 d1——膠囊膨脹后直徑，m；

d2——膠囊原直徑，m。

當橡膠件應變量ε＜15%時，其拉伸應力σt與應變量ε可近似表示為：

式中 σt——拉伸應力，MPa；

Ea——彈性模量，MPa。

膠囊截面應力Ft為：

式中 b——膠囊厚度，m；

l——膠囊長度，m；

p2——膠囊內(nèi)腔壓力，MPa。

故由式（4）～（7）得，膠囊內(nèi)腔壓力p2為：

假設膠囊絕熱膨脹，有：

式中 p1——大氣壓力，MPa；

V2——膠囊膨脹后內(nèi)腔氣體體積，m3。

由于膠囊膨脹后內(nèi)腔氣體體積V2即為外腔排出尿素液體積V0，故將式（3）（8）代入式（9），可得到一個周期內(nèi)膠囊外腔排出的尿素液體積V0為：

尿素液經(jīng)出液單向閥排出后，一部分進入并儲存在泵內(nèi)膽中，由于初始狀態(tài)下泵內(nèi)膽內(nèi)為常壓空氣，設泵內(nèi)膽氣體壓縮后壓力為p3，有：

式中 V3——壓縮后氣體體積，m3；

Vn——泵內(nèi)腔體積，m3。

故在一個周期內(nèi)，進入泵內(nèi)腔的尿素液體積V4為：

由噴嘴直接噴射的尿素液體積V5為：

將式（10）（16）代入式（17），得：

由以上分析可知，在一個周期內(nèi)，膠囊充氣膨脹時，噴嘴噴射的尿素液體積為V5，膠囊放氣收縮時，噴嘴排出的尿素液體積為V4，確保了膠囊泵周期性連續(xù)噴射尿素液，有效提高了SCR系統(tǒng)的工作效率。

在時間t內(nèi)，膠囊泵的排量V為：

式中 n——周期數(shù)。

將式（10）（17）代入式（16），得：

由式（18）可知，膠囊泵的排量V與占空比D成正比，因此，通過設置占空比D即可對膠囊泵的的排量V進行線性調(diào)節(jié)。

2 基于AMESim的膠囊泵流量特性仿真分析

由于膠囊泵結(jié)構(gòu)復雜、供給精度高，為了進一步探究電磁閥2在不同頻率f及占空比D時對膠囊泵響應特性與流量特性的影響，借助AMESim仿真平臺對膠囊泵進行了仿真模擬，為膠囊泵性能分析提了供理論依據(jù)，也對其試驗研究提供了指導與參考。

2.1 仿真模型建立與參數(shù)設置

根據(jù)膠囊泵的結(jié)構(gòu)原理建立其AMESim仿真模型，如圖3所示。

圖3 膠囊式氣動尿素泵AMESim仿真模型Fig.3 AMESim simulation model of CPUP

膠囊泵AMESim仿真模型主要選用了氣動與液壓應用庫元件，膠囊與泵內(nèi)腔結(jié)構(gòu)選用了氣、液隔膜元件模擬氣液傳動，設置隔膜面積為膠囊面積，彈簧剛度為膠囊彈性模量。液相介質(zhì)參照尿素液參數(shù)設置，模型結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)膠囊泵結(jié)構(gòu)尺寸設置。

2.2 膠囊泵響應特性與流量特性分析

設置膠囊泵的頻率f=10 Hz，得到占空比D在10%～80%區(qū)間時，膠囊內(nèi)腔體積變化曲線如圖4所示。

圖4 膠囊內(nèi)腔體積變化曲線（f=10 Hz）Fig.4 Volume change curve of capsule

如圖4所示，電磁閥2通電，氣體進入膠囊內(nèi)腔，由于在初始狀態(tài)下氣體作用在膠囊內(nèi)腔的力小于膠囊初始彈力，導致膠囊形變存在響應遲滯。隨著膠囊內(nèi)腔壓力升高，當克服膠囊初始彈力時，膠囊膨脹，內(nèi)腔體積逐漸增大；電磁閥2換向時，膠囊內(nèi)腔排氣，膠囊迅速收縮，內(nèi)腔體積減小。且在一個周期內(nèi)，隨著占空比D由10%增加至80%，膠囊的體積變化量隨著占空比同步呈線性增長。

膠囊內(nèi)腔體積變化導致膠囊外腔壓力變化，使進、出液單向閥閥芯依次啟閉，完成尿素液的配流。膠囊泵在額定工況（f=10 Hz，D=50%）時進、出液單向閥閥芯的位移曲線如圖5所示。

圖5 進、出液單向閥閥芯位移曲線Fig.5 Displacement curve of inlet and outlet check valve core

如圖5所示，在額定工況下進、出液單向閥閥芯周期性依次交替啟閉，響應靈敏且穩(wěn)定。同時，為了避免閥芯開度變化對進、出液單向閥閥口的尿素液體積流量產(chǎn)生影響，限制閥芯的最大位移為0.5 mm。

膠囊外腔的尿素液經(jīng)出液單向閥閥口排出，其閥口的尿素液體積流量曲線如圖6所示。

圖6 出液單向閥閥口尿素液體積流量曲線Fig.6 Urea volume flow curve at the valve port of outlet check valve

如圖6所示，不同占空比D時，出液單向閥閥口尿素液的最大體積流量均一致，但最大體積流量保持時間隨著占空比D升高而增加，使排出尿素液的總體積增加。因此，通過調(diào)節(jié)占空比D，即可線性調(diào)節(jié)膠囊泵的尿素液排量V。

膠囊外腔的尿素液由出液單向閥排出后，一部分尿素液直接經(jīng)噴嘴噴射，另一部分進入泵內(nèi)腔，噴嘴與泵內(nèi)腔的尿素液體積流量曲線如圖7所示。

圖7 噴嘴與泵內(nèi)腔尿素液體積流量曲線Fig.7 Urea volume flow curve in nozzle and pump cavity

如圖7所示，由于初始狀態(tài)下，泵內(nèi)腔為常壓空氣，受噴嘴孔口節(jié)流影響，尿素液先迅速進入泵內(nèi)腔，使其尿素液的體積流量達到最大值，隨著泵內(nèi)腔的壓力升高，其尿素液體積流量逐漸降低，而噴嘴的尿素液體積流量逐漸增大。當出液單向閥閥口關閉時，泵內(nèi)腔的尿素液在壓力作用下反向經(jīng)噴嘴噴射，因此，在后半周期泵內(nèi)腔與噴嘴尿素液體積流量曲線關于x=0軸線對稱。

為了驗證尿素液周期性連續(xù)供給特性，得到出液單向閥及計量閥閥口的尿素液體積曲線如圖8所示。

圖8 出液單向閥與計量閥閥口尿素液體積曲線Fig.8 Urea volume curve at the valve ports of outlet check valve and metering valve

圖中出液單向閥閥口的尿素液體積曲線呈階梯狀周期性上升，在出液單向閥閥口關閉時尿素液供給間斷。而計量閥閥口的尿素液體積曲線呈周期性連續(xù)上升，其斜率先增大后減小，結(jié)果表明膠囊泵的尿素液供給具有良好的連續(xù)性。

不同占空比D與頻率f時計量閥閥口尿素液體積曲線如圖9，10所示。

圖9 不同占空比D時噴嘴尿素液體積曲線Fig.9 Urea volume curve of nozzle at different duty ratio D

如圖9所示，在0.6 s內(nèi)，占空比D為10%～80%時，各體積曲線均周期性連續(xù)上升，且排出的尿素液體積量同步等比例增長。反正結(jié)果表明，膠囊泵具有較高的供給精度，在頻率f一定時其排量V與占空比D成正比。

如圖10所示，在0.6 s內(nèi)，頻率f為5～40 Hz時，各體積曲線均周期性連續(xù)上升，且排出的尿素液總體積均相等。仿真結(jié)果表明，膠囊泵具有良好的穩(wěn)定性，在占空比D一定時其排量V與頻率f無關。

圖10 不同頻率f時噴嘴尿素液體積曲線Fig.10 Urea volume curve of nozzle at different frequency f

3 試驗研究

為驗證膠囊泵的性能，研制了膠囊泵原理樣機并搭建了試驗系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、壓力表、高精度電子秤、噴嘴、壓縮機等組成。在有效驗證膠囊充、放氣響應特性及氣密性的基礎上并分別對膠囊泵的流量特性、計量精度進行了測試。

通過觸摸屏、PLC設置電磁閥2的頻率f與占空比D，并采用高精度電子秤稱量1 min后經(jīng)由噴嘴排出的尿素液質(zhì)量，得到不同頻率f與占空比D時，膠囊泵的質(zhì)量流量曲線如圖11所示。

圖11 膠囊泵質(zhì)量流量曲線Fig.11 Mass flow curve of CPUP

由圖11可以看出，頻率f在2～40 Hz區(qū)間內(nèi)，膠囊泵的質(zhì)量流量均隨著占空比D呈線性增長，且在占空比D相同，頻率f不同時，膠囊泵的質(zhì)量流量基本一致。

膠囊泵的供給精度δ可表示為：

式中 q1——測試質(zhì)量流量，g/min；

q2——理論質(zhì)量流量，g/min。

由式（19）得到膠囊泵的供給精度散點如圖12所示。

圖12 膠囊泵供給精度散點Fig.12 Scatter diagram of supply accuracy of CPUP

由圖12可以看出，占空比D在10%～80%區(qū)間，且頻率f為2～40 Hz時，膠囊泵的供給精度散點分布在±5%范圍內(nèi)。以上試驗結(jié)果表明：頻率f在2～40Hz區(qū)間，且占空比D在10%～80%區(qū)間，膠囊泵的質(zhì)量流量可以在7～56 g/min范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)，噴射精度為±5%，膠囊泵能夠滿足SCR系統(tǒng)在不同工況的使用需求。

4 結(jié)論

（1）膠囊泵通過設置泵內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，確保了尿素液周期性連續(xù)供給。同時，通過控制電磁閥啟閉對膠囊泵氣路進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了泵體、噴嘴等處殘留尿素液回收，有效避免了尿素泵殘存尿素液導致的結(jié)晶問題。

（2）膠囊泵的排量V與占空比D成正比，通過設置占空比D即可對其排量V進行線性調(diào)節(jié)。且在占空比D一定時，其排量V與頻率f無關。

（3）膠囊泵具有良好的流量調(diào)節(jié)特性與供給精度，在占空比10%～80%區(qū)間，其供給精度為±5%，質(zhì)量流量可以在7～56 g/min范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)，能夠滿足SCR系統(tǒng)在不同工況的使用需求。