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孔板流量计的设计为柴油机满足国Ⅳ排放标准提供了保障

作者: 来源: 发布时间:2018-02-01 10:50:13

0 引言:
  目前各国对柴油机 NOX及 PM 排放要求越来越严格,国内也开始执行国 - Ⅳ排放标准。要达到国 - Ⅳ或更高的排放标准要求,需要采用选择性催化还原( SCR) 后处理技术[1]。SCR技术因具有油耗低、耐硫性能好等特点,被看作是柴油机后处理的主要技术路线。SCR 系统采用 32. 5% 的尿素水溶液作为还原剂,尿素喷射后水解成 NH3和 CO2,NH3与排气中的 NOX反应生成 N2排出,降低了排气中的 NOX浓度,以达到法规要求[2]。SCR 系统尿素喷射量与 NH3泄漏量的精确控制已成为柴油机满足更高排放要求的研究内容之一[3]。这些工作的实施靠尿素的孔板流量计结构及信号处理电路的合理设计来支撑。目前电磁流量计类型大多是电容式、光栅式,磁敏式,应用于 SCR系统尿素喷射量检测流量计很少[4 - 6]。
  基于 SCR 系统孔板流量计的工作特性,对 SCR 系统孔板流量计进行结构设计; 为提高孔板流量计的测量精度与稳定性,设计孔板流量计信号处理电路,制定孔板流量计参数优化策略,并进行参数优化。进行性能检测、尿素喷射量和 NH3泄漏等测试试验,以验孔板流量计适合柴油机 SCR 系统在线实时检测要求,为柴油机满足国Ⅳ排放提供保障。
 
1、尿素流量控制方法:
  基于模糊推理逻辑和传感器的工作机理,构建柴油机传感器故障诊断模型,它由模糊推理和 RBF 神经网络等模块组成,如图 1 所示。

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图 1 尿素流量控制方案

  图 1 为柴油机 SCR 孔板流量计反馈控制方法。由图可知:依据柴油机转速、油门、进气温度、排气流量和催化器进口、出口的温度等信号,利用尿素需求量计算模型,确定尿素基本喷射量; 利用 NOX传感器对催化器后的 NOX浓度和排气 NOX浓度进行检测并计算 NOX转化效率,经 NOX反馈修正模块,协同孔板流量计采集的尿素喷射流量信号,对尿素基本喷射量进行一次闭环修正反馈给 SCR 控制器; 利用 NH3传感器对催化器内部和出口的 NH3浓度进行检测,经氨泄漏修正模块协同尿素喷射流量信号,对尿素喷射量进行二次闭环修正并反馈给 SCR控制器; SCR 控制器以流量指令形式驱动尿素喷射泵工作。

2、 孔板流量计设计:
2. 1 、结构设计:
  图 2 为 SCR 系统孔板流量计结构图。内部的小圆表示孔板流量计流道,外部的大圆为孔板流量计外壁。Φ 为铁芯中心角,被 x 轴贯穿的两个中心角较大的扇环为铁芯,它由电工纯铁制成,焊接在流道外壁上,用以优化磁场 B; 4 个中心角较小的扇环为线圈,缠绕在铁芯上,线圈上通以电流后,就会产生磁场 B; 黑色矩形为测量电极。当尿素水溶液流过时就会切割磁感线产生感应电压 Ue,把 Ue采集到外围电路,进行分析及标定,得到尿素流量为:
Q =UeBD×πD24=πD4BUe式中: Ue为感应电压,
V; B 为磁感应强度,
T; D 为管道内径,即测量电极之间的距离,
mm; Q 为尿素水溶液流量,
g·h- 1

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图 2 孔板流量计结构


2. 2、 信号处理电路设计:
  图 3 是 SCR 系统孔板流量计信号调理电路图。它主要由前置放大电路、二阶低通滤波器、电压高增益放大电路组成。孔板流量计采用三值低频矩形方波的励磁方式[7],从而产生感应强度 B。

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  图 3 知: 由于被测流体( 尿素水溶液) 的内阻很大,故前置放大电路采用高精度增益可调的仪表放大器 A1为 MAX4194,输入阻抗为1 000 MΩ,± 2. 5 V 双电源供电,外接元件少,功耗低,符合柴油机 SCR 系统仪表小型化的要求,并可通过外接精密电阻 Rg1来调节放大倍数 A; 考虑到柴油机 SCR 系统的强噪声存在,为减少噪声进入后续电路以及使得精密仪用放大器处于线性工作区,选前置放大电路的放大倍数 A 约为 10,即 Rg1为 4. 7 kΩ. 第二级采用典型的二阶低通滤波器。图 3 中 R1、R2、C1、C2、A2构成了二阶压控电压源有源低通滤波器。A2为低温漂的运算放大器 MAX4477。第三级采用可调高增益放大电路。由 MAX4197 和 MAX4194 组成,MAX4194 外接精密电阻用来调节放大器增益。此级输出端电容 C3结合由单片机控制输出信号的模拟开关 K,形成反馈将噪声信号取回,与待测流量信号形成差动信号,有效减少噪声信号干扰。

3、优化策略:
  孔板流量计优化策略如图 4 所示。以柴油机转速、油门等信号计算尿素基本喷射量,利用 NOX反馈修正和储氨修正算法,判断尿素喷射量最佳时,选定孔板流量计性能参数。

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3. 1、双反馈修正:
  闭环反馈能有效提高系统的动态响应速度,减小控制误差。采用 NH3和 NOX传感器测量值作为反馈信号,对尿素喷射量进行双反馈修正,其修正策略如图 5 所示。由图知: NH3和 NOX的双反馈控制策略主要包括 NOX和 NH3的 2 个反馈控制模块。NOX反馈控制过程为: NOX传感器测量催化剂后 NOX浓度( CNOx _out) 和柴油机排放 NOX浓度( CNOX) ,计算得到实际的 NOX转化效率,与设定的 NOX转化率 MAP 进行比较。当误差超过限值时,采用 fa、fs、NSR 等修正系数对尿素喷射量进行反馈修正。NH3传感器分别采集催化器内部和出口的NH3浓度( CNH3_in和 CNH3) ,经储氨修正算法处理,并进行二次反馈修正,得到最优尿素喷射量。

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图 5 双反馈修正策略


3. 2、优化结果:
  依据柴油机 SCR 系统孔板流量计的优化与修正策略,对孔板流量计的结构与信号处理电路的 3 款参数进行调试。并利用调试数据计算孔板流量计线性度、灵敏度和重复性误差。表1 和表 2 分别是孔板流量计结构与电路参数优化结果。由表 1知,孔板流量计优化参数为: 线圈长度 L = 20 mm,线圈半径 r =18 mm,线圈匝数 W = 600,线圈激励电流 I = 1. 2 A,铁芯厚度 Lm= 5. 5 mm,铁芯宽度 Lw= 5. 5 mm,铁芯中心角 φ = 55°,最佳尿素水溶液流量范围为 0 ~ 20 kg/h. 流量孔板流量计的线性度误差、灵敏度误差和重复性误差分别 0. 35% ,0. 28% 和 0. 47% 。
表 1 孔板流量计参数优化结果表 2 信号调理电路元器件参数优化结果

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表 1 孔板流量计参数优化结果表 2 信号调理电路元器件参数优化结果

4、试验验证:
  为验证所设计孔板流量计精度与可行性,对 3 个孔板流量计进行了性能检测、尿素喷射量和 NH3泄漏等测试试验。试验在某 6 缸直喷式废气涡轮增压柴油机上进行。试验设备主要有: 电涡流测功机、油耗仪、废气分析仪、微粒测量系统等。

4. 1、性能检测:
  试验图 6 是 SCR 系统孔板流量计测试结果。由图知: 随着尿素浓度和流量增加,孔板流量计输出电压信号逐渐升高,这与生成的 NH3 增加相吻合; 第 1 款和第 3 款流量计的输出幅值有所减小,信号漂移较明显,对称性较差; 3 款孔板流量计输出信号误差 率 分 别 为 1. 32% 、0. 54% 和 2. 45% ; 线 性 度 分 别 为0. 58% 、0. 36% 、和 0. 77% ; 灵 敏 度 分 别 为 0. 42% 、0. 3% 和0. 6% 。对比可知,第 2 款孔板流量计线性度、漂移率、对称性和误差率最好,满足柴油机 SCR 系统性能要求。

4. 2、尿素喷射量测试试验:
  为深入研究瞬态工况下孔板流量计动态响应精度,假定柴油机转速恒定在1 500 r/min,扭矩由 107 N·m 增至 420 N·m再减至 80 N·m,在发动机台架上进行尿素喷射量性能测试试验。图 7 是尿素瞬态喷射量测试结果。由图知: 当柴油机扭矩由 107 N·m 增至 420 N·m 再减至 80 N·m 过程中,第 1 款和第 2 款孔板流量计检测的尿素喷射量均呈台阶状增加,渐进地向目标值逼近,而不是直接达到目标喷射量,避免尿素过喷,防止 NH3大量溢出; 3 款孔板流量计检测的尿素喷射量峰值分别为3 500 g·h- 1、3 400 g·h- 1和3 600 g·h- 1,动态延迟时间分别为 20 s、10 s 和 0 s,表明了第 2 款孔板流量计性能最好。

4. 3、NH3泄漏测试试验:
  为深入研究 NH3泄漏量与尿素喷射量的内在关系,把 3 款孔板流量计分别安装于柴油机上,在柴油机转速为2 500 r·min- 1,扭矩为 350 N·m 工况下,通过调整氨氮比( NSR) 进行NH3泄漏测试试验,测得性能曲线如图 8 所示。由表 2 知: 当信号处理电路元器件: R1= R2= 47 kΩ,
R3= R4=10 kΩ,
Rg1= 4. 7 kΩ,
Rg2= 75 kΩ; C1= 0. 75 μF,
C2= 0. 39 μF,
C3= 22 μF 时,经计算流量计输出信号的漂移率、零点误差和对称性误差分别为 0. 02% ,0. 03% 和 0. 02% 。故第 2 组孔板流量计输出电压信号为最优。

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由图知: 在分别使用 3 款孔板流量计检测尿素喷射量的条件下,当 0. 6≤NSR≤1. 6 时,
NH3平均泄漏量分别为 11. 6 ×10- 6、9. 39 × 10- 6和 14. 2 × 10- 6,小于 NH3泄漏平均限值( 15 ×10- 6) ,均没有发生 NH3泄漏故障发生,其原因是尿素喷射量比较小。第 2 款孔板流量计的 NH3泄漏量最小。当 1. 6 < NSR≤2 时,第 3 款孔板流量计的 NH3泄漏量均大于 NH3泄漏峰值规定条件( 25 × 10- 6) ; 当 NSR = 1. 8 时,第 3 款孔板流量计的 NHm³泄漏量开始大于 25 × 10- 6,第 2 款孔板流量计的 NH3泄漏量总未超过 NH3泄漏限值。试验表明: 第 2 款孔板流量计及其优化策略能满足柴油机 SCR 瞬态测试循环要求。


5、结束语:
  ( 1) 基于孔板流量计结构和信号处理电路,制定了孔板流量计参数优化策略,实现对 SCR 系统尿素流量在线检测与控制。
  ( 2) 通过性能检测、尿素喷射量和 NH3泄漏等测试试验,验证了该优化策略能够保证孔板流量计准确可靠工作。

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