柴油機SCR尿素流量計的設計與試驗
目前各國對柴油機 NOX及 PM 排放要求越來越嚴格，國內也開始執行國 － Ⅳ排放標準。要達到國 － Ⅳ或更高的排放標準要求，需要采用選擇性催化還原( SCR) 后處理技術［1］。SCR技術因具有油耗低、耐硫性能好等特點，被看作是柴油機后處理的主要技術路線。SCR 系統采用 32. 5% 的尿素水溶液作為還原劑，尿素噴射后水解成 NH3和 CO2，NH3與排氣中的 NOX反應生成 N2排出，降低了排氣中的 NOX濃度，以達到法規要求［2］。SCR 系統尿素噴射量與 NH3泄漏量的控制已成為柴油機滿足更高排放要求的研究內容之一［3］。這些工作的實施靠尿素流量計結構及信號處理電路的合理設計來支撐。目前電磁流量計類型大多是電容式、光柵式，磁敏式，應用于 SCR系統尿素噴射量檢測流量計很少［4 － 6］。
基于 SCR 系統尿素流量計的工作特性，對 SCR 系統尿素流量計進行結構設計; 為提高尿素流量計的測量精度與穩定性，設計尿素流量計信號處理電路，制定尿素流量計參數優化策略，并進行參數優化。進行性能檢測、尿素噴射量和 NH3泄漏等測試試驗，以驗尿素流量計適合柴油機 SCR 系統在線實時檢測要求，為柴油機滿足國Ⅳ排放提供保障。
基于模糊推理邏輯和傳感器的工作機理，構建柴油機傳感器故障診斷模型，它由模糊推理和 RBF 神經網絡等模塊組成，如圖 1 所示。
圖 1 尿素流量控制方案
圖 1 為柴油機 SCR 尿素流量計反饋控制方法。由圖可知:依據柴油機轉速、油門、進氣溫度、排氣流量和催化器進口、出口的溫度等信號，利用尿素需求量計算模型，確定尿素基本噴射量; 利用 NOX傳感器對催化器后的 NOX濃度和排氣 NOX濃度進行檢測并計算 NOX轉化效率，經 NOX反饋修正模塊，協同尿素流量計采集的尿素噴射流量信號，對尿素基本噴射量進行一次閉環修正反饋給 SCR 控制器; 利用 NH3傳感器對催化器內部和出口的 NH3濃度進行檢測，經氨泄漏修正模塊協同尿素噴射流量信號，對尿素噴射量進行二次閉環修正并反饋給 SCR控制器; SCR 控制器以流量指令形式驅動尿素噴射泵工作。
2、 尿素流量計設計：
2． 1 、結構設計：
圖 2 為 SCR 系統尿素流量計結構圖。內部的小圓表示尿素流量計流道，外部的大圓為尿素流量計外壁。Φ 為鐵芯中心角，被 x 軸貫穿的兩個中心角較大的扇環為鐵芯，它由電工純鐵制成，焊接在流道外壁上，用以優化磁場 B; 4 個中心角較小的扇環為線圈，纏繞在鐵芯上，線圈上通以電流后，就會產生磁場 B; 黑色矩形為測量電極。當尿素水溶液流過時就會切割磁感線產生感應電壓 Ue，把 Ue采集到外圍電路，進行分析及標定，得到尿素流量為:
圖 2 尿素流量計結構
2． 2、 信號處理電路設計：
圖 3 是 SCR 系統尿素流量計信號調理電路圖。它主要由前置放大電路、二階低通濾波器、電壓高增益放大電路組成。尿素流量計采用三值低頻矩形方波的勵磁方式［7］，從而產生感應強度 B。
圖 3 信號處理電路
3、優化策略：
尿素流量計優化策略如圖 4 所示。以柴油機轉速、油門等信號計算尿素基本噴射量，利用 NOX反饋修正和儲氨修正算法，判斷尿素噴射量***佳時，選定尿素流量計性能參數。
圖 4 尿素流量計優化策略
3． 1、雙反饋修正：
閉環反饋能有效提高系統的動態響應速度，減小控制誤差。采用 NH3和 NOX傳感器測量值作為反饋信號，對尿素噴射量進行雙反饋修正，其修正策略如圖 5 所示。由圖知: NH3和 NOX的雙反饋控制策略主要包括 NOX和 NH3的 2 個反饋控制模塊。NOX反饋控制過程為: NOX傳感器測量催化劑后 NOX濃度( CNOx _out) 和柴油機排放 NOX濃度( CNOX) ，計算得到實際的 NOX轉化效率，與設定的 NOX轉化率 MAP 進行比較。當誤差超過限值時，采用 fa、fs、NSR 等修正系數對尿素噴射量進行反饋修正。NH3傳感器分別采集催化器內部和出口的NH3濃度( CNH3_in和 CNH3) ，經儲氨修正算法處理，并進行二次反饋修正，得到***優尿素噴射量。
圖 5 雙反饋修正策略
3． 2、優化結果：
依據柴油機 SCR 系統尿素流量計的優化與修正策略，對尿素流量計的結構與信號處理電路的 3 款參數進行調試。并利用調試數據計算尿素流量計線性度、靈敏度和重復性誤差。表1 和表 2 分別是尿素流量計結構與電路參數優化結果。由表 1知，尿素流量計優化參數為: 線圈長度 L = 20 mm，線圈半徑 r =18 mm，線圈匝數 W = 600，線圈激勵電流 I = 1. 2 A，鐵芯厚度 Lm= 5. 5 mm，鐵芯寬度 Lw= 5. 5 mm，鐵芯中心角 φ = 55°，***佳尿素水溶液流量范圍為 0 ～ 20 kg/h． 流量尿素流量計的線性度誤差、靈敏度誤差和重復性誤差分別 0. 35% ，0. 28% 和 0. 47% 。
表 1 尿素流量計參數優化結果表 2 信號調理電路元器件參數優化結果
4、試驗驗證：
為驗證所設計尿素流量計精度與可行性，對 3 個尿素流量計進行了性能檢測、尿素噴射量和 NH3泄漏等測試試驗。試驗在某 6 缸直噴式廢氣渦輪增壓柴油機上進行。試驗設備主要有: 電渦流測功機、油耗儀、廢氣分析儀、微粒測量系統等。
4. 1、性能檢測：
試驗圖 6 是 SCR 系統尿素流量計測試結果。由圖知: 隨著尿素濃度和流量增加，尿素流量計輸出電壓信號逐漸升高，這與生成的 NH3 增加相吻合; 第 1 款和第 3 款流量計的輸出幅值有所減小，信號漂移較明顯，對稱性較差; 3 款尿素流量計輸出信號誤差 率 分 別 為 1. 32% 、0. 54% 和 2. 45% ; 線 性 度 分 別 為0. 58% 、0. 36% 、和 0. 77% ; 靈 敏 度 分 別 為 0. 42% 、0. 3% 和0. 6% 。對比可知，第 2 款尿素流量計線性度、漂移率、對稱性和誤差率***好，滿足柴油機 SCR 系統性能要求。
4． 2、尿素噴射量測試試驗：
為深入研究瞬態工況下尿素流量計動態響應精度，假定柴油機轉速恒定在1 500 r/min，扭矩由 107 N·m 增至 420 N·m再減至 80 N·m，在發動機臺架上進行尿素噴射量性能測試試驗。圖 7 是尿素瞬態噴射量測試結果。由圖知: 當柴油機扭矩由 107 N·m 增至 420 N·m 再減至 80 N·m 過程中，第 1 款和第 2 款尿素流量計檢測的尿素噴射量均呈臺階狀增加，漸進地向目標值逼近，而不是直接達到目標噴射量，避免尿素過噴，防止 NH3大量溢出; 3 款尿素流量計檢測的尿素噴射量峰值分別為3 500 g·h－ 1、3 400 g·h－ 1和3 600 g·h－ 1，動態延遲時間分別為 20 s、10 s 和 0 s，表明了第 2 款尿素流量計性能***好。
4. 3、NH3泄漏測試試驗：
為深入研究 NH3泄漏量與尿素噴射量的內在關系，把 3 款尿素流量計分別安裝于柴油機上，在柴油機轉速為2 500 r·min－ 1，扭矩為 350 N·m 工況下，通過調整氨氮比( NSR) 進行NH3泄漏測試試驗，測得性能曲線如圖 8 所示。由表 2 知: 當信號處理電路元器件: R1= R2= 47 kΩ，
( 1) 基于尿素流量計結構和信號處理電路，制定了尿素流量計參數優化策略，實現對 SCR 系統尿素流量在線檢測與控制。
( 2) 通過性能檢測、尿素噴射量和 NH3泄漏等測試試驗，驗證了該優化策略能夠保證尿素流量計準確可靠工作。
