NOx傳感器布置位置對測量準(zhǔn)確度影響的試驗研究

甄雷　劉帥　朱興軍　邵宏鑫

摘要：為提高NOx傳感器的測量準(zhǔn)確性，采用不同工況的正交試驗和排氣均勻性仿真建模，分析不同布置位置下NOx傳感器的測量偏差及原因，研究不同位置下的NOx傳感器的測量準(zhǔn)確度。結(jié)果表明：NOx傳感器應(yīng)布置在混合氣流較均勻的位置且在渦后自氧化催化器前至尾管后的排氣管路上；沿尾管隨氣流方向越靠后的位置，測量準(zhǔn)確度越高；氣流分布不均勻是影響NOx傳感器測量準(zhǔn)確度的主要因素。

關(guān)鍵詞：NOx傳感器；精度；氣流均勻性；布置位置；測量準(zhǔn)確度

中圖分類號：TK421.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0068-06

引用格式：甄雷，劉帥，朱興軍，等.NOx傳感器布置位置對測量準(zhǔn)確度影響的試驗研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2023，40（5）：68-73.

ZHEN Lei， LIU Shuai， ZHU Xingjun， et al.Experimental study on the measurement accuracy influenced by NOx sensor position［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：68-73.

0 引言

柴油機(jī)的熱效率高、功率密度大、故障率低，廣泛應(yīng)用于交通運輸、非道路工程機(jī)械、船舶動力等領(lǐng)域[1]。研究表明，柴油機(jī)排氣系統(tǒng)加裝帶選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）的后處理后，NOx比排放大幅下降[2]。影響最終NOx 排放的因素是發(fā)動機(jī)原排和SCR的催化效率[3]，SCR技術(shù)是當(dāng)前柴油機(jī)降低NOx排放的主要技術(shù)手段[4]，在SCR控制系統(tǒng)中，NOx傳感器測量結(jié)果是電子控制單元（electronic control unit，ECU）控制SCR尿素噴射的重要輸入?yún)?shù)，ECU根據(jù)獲取的上游NOx傳感器的測量結(jié)果、廢氣流量和氨氮比信號，計算尿素噴射量，因此傳感器測量信號的精確度直接決定尿素噴射量。NOx傳感器安裝位置對測量準(zhǔn)確度的影響較大，為保證柴油機(jī)NOx排放測試結(jié)果的一致性、可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，綜合考慮國家排放標(biāo)準(zhǔn)、后處理系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和尿素結(jié)晶問題[5]，研究柴油機(jī)排放測試過程中影響NOx測量結(jié)果的因素非常必要[6]。

NOx傳感器是柴油機(jī)尾氣后處理裝置的重要部件，通常布置在后處理器的前、后端，分別測量后處理前、后尾氣中NOx的濃度。上游NOx傳感器測量發(fā)動機(jī)原排中NOx的濃度，下游NOx傳感器測量后處理器后NOx的濃度。不同柴油機(jī)廠家NOx傳感器的布置位置不同，上游NOx傳感器的測量結(jié)果作為原排的輸入至關(guān)重要，在渦輪后至后處理總成前均布置有NOx傳感器。針對下游NOx傳感器在后處理箱中位置、角度等對測量準(zhǔn)確度影響的研究較多：林福容等[7]對NOx傳感器偏差自適應(yīng)功能進(jìn)行了研究，提出了一種偏差修正的方法，對不同位置、不同萬有工況點的NOx排放測量偏差進(jìn)行了對比分析；錢顯威等[8]提出了一種NOx傳感器氧氣干擾的補(bǔ)償方法，該方法能夠更好地建立測量泵電流與NOx體積分?jǐn)?shù)的對應(yīng)關(guān)系，克服了測量過程中O2的干擾，顯著提高了NOx傳感器的測量精度；余舒等[9]構(gòu)建了NOx排放預(yù)測模型，實現(xiàn)NOx濃度預(yù)測功能，保證后處理系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)；王柯等[10]對NOx傳感器測量精度進(jìn)行相關(guān)研究表明，當(dāng)下游NOx傳感器安裝在經(jīng)過消聲器后的尾管直管段時精度最高，該位置能夠真實反應(yīng)發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況變化；錢楓等[11]針對氧化鋯基NOx傳感器信號受汽車尾氣氧氣含量影響導(dǎo)致的精度不佳問題，提出一種氧補(bǔ)償算法和標(biāo)定策略；張琳等[12]研究表明，傳感器對當(dāng)量空燃比天然氣發(fā)動機(jī)排放濃度的精確度不高，不能真實反映發(fā)動機(jī)排放水平；王遠(yuǎn)西等[13]研究開發(fā)了一種原位檢測NOx的高效檢測設(shè)備，提升了檢測精度；卞增濤等[14]研究表明，SCR前氨氣不均勻是NOx傳感器測量偏差大的原因，SCR下游增加螺旋混合裝置后，可以解決測量偏差大的問題；袁志玲等[15]對下游NOx測量準(zhǔn)確度進(jìn)行了研究，通過設(shè)計一種后腔混合器提高均勻性和準(zhǔn)確性。然而，針對上游NOx傳感器安裝位置對傳感器測量準(zhǔn)確度影響的相關(guān)文獻(xiàn)較少。

本文中以某排量為13 L柴油機(jī)為研究對象，在其渦后至后處理總成前的尾管不同位置和角度布置NOx傳感器，測量NOx排放，分析不同位置NOx傳感器測量準(zhǔn)確度和原因，確定NOx傳感器的最佳安裝位置，為后續(xù)傳感器的布置方案積累經(jīng)驗，避免出現(xiàn)因安裝位置導(dǎo)致測量偏差過大現(xiàn)象。

1 試驗方案

通過試驗研究上游NOx傳感器布置位置對NOx傳感器測量精度的影響，試驗時將相同批次且經(jīng)校驗無問題的傳感器布置在排氣管路的不同位置，測試不同萬有特性工況下各個位置測量結(jié)果的偏差，并對排氣管路中的氣流壓力進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析氣體均勻性，確定最佳測量位置。NOx傳感器外觀如圖1所示。

1.1 試驗用發(fā)動機(jī)及設(shè)備

該試驗以某排量為13 L、滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)為研究對象，該發(fā)動機(jī)運行狀態(tài)穩(wěn)定可靠，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1所示。

試驗依托于測功機(jī)臺架，由測功機(jī)控制發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩工況下穩(wěn)定運行，試驗用各項設(shè)備及型號如表2所示。

試驗前分別在排氣管的不同位置布置相同型號和批次的NOx傳感器，測試時選取不同萬有特性工況，分別同時記錄不同位置的傳感器測量結(jié)果。

1.2 NOx傳感器安裝位置

上游NOx傳感器測量未經(jīng)后處理SCR還原反應(yīng)的發(fā)動機(jī)原排中NOx的體積分?jǐn)?shù)，因此上游NOx傳感器安裝位置應(yīng)在增壓器渦輪后至SCR混合器之間，選取安裝位置時還應(yīng)考慮在直管段管路。本次試驗中，NOx傳感器安裝位置如圖2所示。由圖2可知：NOx傳感器分別布置在渦輪后（1#位置）、渦輪后與后處理入口中間位置（2#位置）、后處理入口（3#位置）以及后處理出口（4#位置）。傳感器布置角度按照傳感器使用要求，與管路垂直方向成80°夾角，如圖3所示。氣體分析儀排放設(shè)備采樣點分別為1#、4#位置。

1.3 發(fā)動機(jī)工況

按照覆蓋全面、側(cè)重常用工況、具備代表的選取原則，綜合考慮增壓器動作、排氣溫度等可能影響NOx傳感器精度的因素，選定發(fā)動機(jī)試驗工況，如表3所示，基于轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩的試驗工況與外特性下增壓器放氣特性如圖4所示。

1.4 試驗方法

開展不同工況下的正交試驗，試驗時校對發(fā)動機(jī)狀態(tài)，確保發(fā)動機(jī)狀態(tài)與初始開發(fā)時狀態(tài)吻合，各項設(shè)備工作正常。在尿素停噴的情況下測量全部后處理流場內(nèi)各位置NOx的體積分?jǐn)?shù)，使用測功機(jī)控制發(fā)動機(jī)在設(shè)定的穩(wěn)定工況運行，每個位置測量時間為5 min，計算每個位置NOx傳感器測量的平均NOx體積分?jǐn)?shù)，同步計算排放設(shè)備測量的平均NOx體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)行對比分析。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

采集不同工況下排放設(shè)備和1#、2#、4#位置NOx傳感器測量的NOx體積分?jǐn)?shù)，如圖5所示。3#位置的NOx體積分?jǐn)?shù)由4#位置測量結(jié)果計算得到。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 各工況下不同位置平均相對偏差

數(shù)據(jù)分析時以排放設(shè)備測量結(jié)果為基準(zhǔn)，分別與第1#～4#位置的測量結(jié)果進(jìn)行處理，NOx相對偏差百分比

δ=（φ1-φ）/φ×100%

式中：φ1為NOx傳感器測量的排氣中NOx體積分?jǐn)?shù)，φ為排放設(shè)備測量的排氣中NOx體積分?jǐn)?shù)。

各工況下不同位置NOx準(zhǔn)確度相對偏差如表4所示。由表4可知：各工況下、不同測點位置的相對偏差均在±10%以內(nèi)，隨氣流方向向后，偏差逐漸減??；工況2下的相對偏差較大，這是因為工況2為增壓器放氣閥的放氣區(qū)域。

2.2.2 不同工況下相同位置偏差

各工況下1#～4#位置的NOx傳感器測量準(zhǔn)確度平均相對偏差分別為-4.6%、-1.0%、-0.2%、-0.2%，1#測點平均偏差最大；3#、4#測點基本無偏差，精度一致性較好，2#測點的偏差較小，進(jìn)一步證明NOx傳感器安裝位置隨氣流方向越靠后，測量準(zhǔn)確度越高，當(dāng)測量位置超過3#測點（氧化催化器前）后，準(zhǔn)確度基本一致，偏差很小。此外，不同測點的測量偏差沒有明顯規(guī)律。

工況2、3均為增壓器放氣閥的放氣區(qū)域，基于放氣閥開度的1#位置的傳感器偏差，根據(jù)工況2～4的測量結(jié)果，分析增壓器放氣閥開度與傳感器測量準(zhǔn)確度之間的關(guān)系，如圖6所示。由圖6可知：在放氣范圍工況內(nèi)，隨增壓器放氣閥開度增大，放氣量增加，NOx傳感器測量準(zhǔn)確度變差。

綜合以上分析，可知：1）沿氣流方向，NOx傳感器在排氣管布置位置越靠后，測量準(zhǔn)確度越高；2）放氣閥放氣時，放氣量越大，對NOx傳感器測量準(zhǔn)確度的影響越大。

3 排氣均勻性仿真分析

根據(jù)不同工況、不同位置NOx傳感器安裝位置對測量準(zhǔn)確度的影響結(jié)果，猜測排氣管路中氣流混合的均勻性影響傳感器的測量準(zhǔn)確度，氣流紊亂程度越高，對準(zhǔn)確度的影響越大，因此，對影響較大、距離增壓器較近的1#、2#位置進(jìn)行氣流均勻性仿真。

使用ANSYS018.1和SolidWorks軟件進(jìn)行仿真，對現(xiàn)有三維管路模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將增壓器模型嵌入三維管路模型中，創(chuàng)建幾何模型，并校驗網(wǎng)格質(zhì)量，完成后對增壓器渦輪后壓力進(jìn)行流體仿真，結(jié)果如圖7所示，其中對2#位置與1#位置之間的彎管做垂直處理，對實際結(jié)果分析無影響。

由圖7可知：增壓器渦端放氣口的氣流均勻度隨氣流流向逐漸變好，越靠近渦端放氣口，各缸脈沖及增壓器葉片氣流旋向的影響越大。

對放氣區(qū)域進(jìn)行分析，增壓器放氣示意如圖8所示。增壓器放氣時曲柄連桿結(jié)構(gòu)受進(jìn)氣壓力和彈簧作用力，推動排氣旁通閥門打開。放氣閥打開時，氣流呈離散狀向四周迸射，且在閥內(nèi)形成湍流，湍流結(jié)束后再沿原放氣路徑迸射，如圖9所示。

由圖9和表3可知：放氣閥開度越大，放氣量越大，NOx傳感器測量準(zhǔn)確度的偏差越大；放氣閥放氣形成的湍流越多，對氣流均勻性影響越大。

氣流均勻性對于NOx傳感器測量準(zhǔn)確度有較大影響，由于氣流的不穩(wěn)定性，測量結(jié)果可能偏高或偏低，不確定性較大。

4 結(jié)論

通過試驗研究了NOx傳感器在不同位置和不同工況點下的測量準(zhǔn)確度，仿真分析了距離增壓器較近的1#、2#位置的氣流均勻性，得到如下結(jié)論。

1）NOx傳感器位置沿氣流流向越靠后測量準(zhǔn)確度越高，并與氣流均勻性相關(guān)。

2）增壓器渦輪后越靠后位置的氣流混合均勻性越好。

3）NOx傳感器在增壓器放氣閥打開時測量準(zhǔn)確度偏差較大，放氣閥開度越大，放氣量越大，測量準(zhǔn)確度越差。

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Experimental study on the measurement accuracy

influenced by NOx sensor position

ZHEN Lei， LIU Shuai， ZHU Xingjun， SHAO Hongxin

Weichai Power Co.， Ltd.，Weifang 261061，China

Abstract：To improve the measurement accuracy of NOx sensors， the accuracy of NOx sensors in different locations is studied. Different sensor locations and model using orthogonal test methods and uniformity simulation for different operating conditions are investigated， the measurement deviations and causes at different placement locations are analyzed. The result shows that the NOx sensor should be placed at a more uniform location of the mixed air flow， and the more accurate the position behind the wind （the tail pipe moves backwards in the direction of the air flow） on the post-turbo to exhaust line. The uneven distribution of air flow is a major factor affecting the accuracy of the NOx sensor.

Keywords：NOx sensor; precision; airflow uniformity; installation position; measurement accuracy（責(zé)任編輯：劉麗君）

收稿日期：2023-03-14

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（GG20211602-03）

第一作者簡介：甄雷（1994—），男，石家莊人，工程師，主要研究方向為發(fā)動機(jī)排放控制，E-mail：zhenl@weichai.com。