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            孔板流量計的設計為柴油機滿足國Ⅳ排放標準提供了保障

            作者: 來源: 發布時間:2018-02-01 10:50:13

            0 引言:
              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泄漏量的精確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的孔板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 系統孔板流量計的工作特性,對 SCR 系統孔板流量計進行結構設計; 為提高孔板流量計的測量精度與穩定性,設計孔板流量計信號處理電路,制定孔板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,以驗孔板流量計適合柴油機 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。
             
            1、尿素流量控制方法:
              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。

            2.jpg
            圖 1 尿素流量控制方案

              圖 1 為柴油機 SCR 孔板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,協同孔板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、 孔板流量計設計:
            2. 1 、結構設計:
              圖 2 為 SCR 系統孔板流量計結構圖。內部的小圓表示孔板流量計流道,外部的大圓為孔板流量計外壁。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:
            Q =UeBD×πD24=πD4BUe式中: Ue為感應電壓,
            V; B 為磁感應強度,
            T; D 為管道內徑,即測量電極之間的距離,
            mm; Q 為尿素水溶液流量,
            g·h- 1

            3.jpg
            圖 2 孔板流量計結構


            2. 2、 信號處理電路設計:
              圖 3 是 SCR 系統孔板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。孔板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。

            4.jpg



              圖 3 知: 由于被測流體( 尿素水溶液) 的內阻很大,故前置放大電路采用高精度增益可調的儀表放大器 A1為 MAX4194,輸入阻抗為1 000 MΩ,± 2. 5 V 雙電源供電,外接元件少,功耗低,符合柴油機 SCR 系統儀表小型化的要求,并可通過外接精密電阻 Rg1來調節放大倍數 A; 考慮到柴油機 SCR 系統的強噪聲存在,為減少噪聲進入后續電路以及使得精密儀用放大器處于線性工作區,選前置放大電路的放大倍數 A 約為 10,即 Rg1為 4. 7 kΩ. 第二級采用典型的二階低通濾波器。圖 3 中 R1、R2、C1、C2、A2構成了二階壓控電壓源有源低通濾波器。A2為低溫漂的運算放大器 MAX4477。第三級采用可調高增益放大電路。由 MAX4197 和 MAX4194 組成,MAX4194 外接精密電阻用來調節放大器增益。此級輸出端電容 C3結合由單片機控制輸出信號的模擬開關 K,形成反饋將噪聲信號取回,與待測流量信號形成差動信號,有效減少噪聲信號干擾。

            3、優化策略:
              孔板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zui佳時,選定孔板流量計性能參數。

            5.jpg


            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zui優尿素噴射量。

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            圖 5 雙反饋修正策略


            3. 2、優化結果:
              依據柴油機 SCR 系統孔板流量計的優化與修正策略,對孔板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孔板流量計線性度、靈敏度和重復性誤差。表1 和表 2 分別是孔板流量計結構與電路參數優化結果。由表 1知,孔板流量計優化參數為: 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°,zui佳尿素水溶液流量范圍為 0 ~ 20 kg/h. 流量孔板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 孔板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

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            表 1 孔板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:
              為驗證所設計孔板流量計精度與可行性,對 3 個孔板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 系統孔板流量計測試結果。由圖知: 隨著尿素濃度和流量增加,孔板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 款孔板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 款孔板流量計線性度、漂移率、對稱性和誤差率zui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孔板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 款孔板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 款孔板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 款孔板流量計性能zui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 款孔板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,
            R3= R4=10 kΩ,
            Rg1= 4. 7 kΩ,
            Rg2= 75 kΩ; C1= 0. 75 μF,
            C2= 0. 39 μF,
            C3= 22 μF 時,經計算流量計輸出信號的漂移率、零點誤差和對稱性誤差分別為 0. 02% ,0. 03% 和 0. 02% 。故第 2 組孔板流量計輸出電壓信號為zui優。

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            9.jpg

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            由圖知: 在分別使用 3 款孔板流量計檢測尿素噴射量的條件下,當 0. 6≤NSR≤1. 6 時,
            NH3平均泄漏量分別為 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) ,均沒有發生 NH3泄漏故障發生,其原因是尿素噴射量比較小。第 2 款孔板流量計的 NH3泄漏量zui小。當 1. 6 < NSR≤2 時,第 3 款孔板流量計的 NH3泄漏量均大于 NH3泄漏峰值規定條件( 25 × 10- 6) ; 當 NSR = 1. 8 時,第 3 款孔板流量計的 NHm³泄漏量開始大于 25 × 10- 6,第 2 款孔板流量計的 NH3泄漏量總未超過 NH3泄漏限值。試驗表明: 第 2 款孔板流量計及其優化策略能滿足柴油機 SCR 瞬態測試循環要求。


            5、結束語:
              ( 1) 基于孔板流量計結構和信號處理電路,制定了孔板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孔板流量計準確可靠工作。

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