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孔板流量计的设想为柴油机知足国Ⅳ排放规范供给了保障

作者: 来历: 宣布时候:2017-02-01 10:50:13

0 弁言:
  今朝列国对柴油机 NOX及 PM 排放请求愈来愈严酷,国际也起头履行国 - Ⅳ排放规范。要到达国 - Ⅳ或更高的排放规范请求,须要接纳挑选性催化复原( SCR) 后处置手艺[1]。SCR手艺因具备油耗低、耐硫机能好等特色,被看做是柴油机后处置的首要手艺线路。SCR 体系接纳 32. 5% 的尿素水溶液作为复原剂,尿素放射后水解成 NH3和 CO2,NH3与排气中的 NOX反映天生 N2排挤,下降了排气中的 NOX浓度,以到达律例请求[2]。SCR 体系尿素放射量与 NH3泄露量的切确节制已成为柴油机知足更高排放请求的研讨内容之一[3]。这些任务的实行靠尿素的孔板流量计布局及旌旗灯号处置电路的公道设想来支持。今朝电磁流量计范例大多是电容式、光栅式,磁敏式,操纵于 SCR体系尿素放射量检测流量计很少[4 - 6]。
  基于 SCR 体系孔板流量计的任务特征,对 SCR 体系孔板流量计停止布局设想; 为进步孔板流量计的丈量精度与不变性,设想孔板流量计旌旗灯号处置电路,拟定孔板流量计参数优化战略,并停止参数优化。停止机能检测、尿素放射量和 NH3泄露等测尝尝验,以验孔板流量计合适柴油机 SCR 体系在线及时检测请求,为柴油机知足国Ⅳ排放供给保障。
 
1、尿素流量节制体例:
  基于恍惚推理逻辑和传感器的任务机理,构建柴油机传感器毛病诊断模子,它由恍惚推理和 RBF 神经收集等模块构成,如图 1 所示。

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图 1 尿素流量节制计划

  图 1 为柴油机 SCR 孔板流量计反应节制体例。由图可知:根据柴油机转速、油门、进气温度、排气流量和催化器入口、出口的温度等旌旗灯号,操纵尿素需要量计较模子,肯定尿素根基放射量; 操纵 NOX传感器对催化器后的 NOX浓度和排气 NOX浓度停止检测并计较 NOX转化效力,经 NOX反应批改模块,协同孔板流量计收罗的尿素放射流量旌旗灯号,对尿素根基放射量停止一次闭环批改反应给 SCR 节制器; 操纵 NH3传感器对催化器外部和出口的 NH3浓度停止检测,经氨泄露批改模块协同尿素放射流量旌旗灯号,对尿素放射量停止二次闭环批改并反应给 SCR节制器; SCR 节制器以流量指令情势驱动尿素放射泵任务。

2、 孔板流量计设想:
2. 1 、布局设想:
  图 2 为 SCR 体系孔板流量计布局图。外部的小圆表现孔板流量计流道,外部的大圆为孔板流量计外壁。Φ 为铁芯中间角,被 x 轴贯串的两其中间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 其中间角较小的扇环为线圈,环绕纠缠在铁芯上,线圈上通以电流后,就会产生磁场 B; 玄色矩形为丈量电极。当尿素水溶液流过期就会切割磁感线产生感到电压 Ue,把 Ue收罗到核心电路,停止阐发及标定,获得尿素流量为:
Q =UeBD×πD24=πD4BUe式中: Ue为感到电压,
V; B 为磁感到强度,
T; D 为管道内径,即丈量电极之间的间隔,
mm; Q 为尿素水溶液流量,
g·h- 1

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图 2 孔板流量计布局


2. 2、 旌旗灯号处置电路设想:
  图 3 是 SCR 体系孔板流量计旌旗灯号调度电路图。它首要由前置缩小电路、二阶低通滤波器、电压高增益缩小电路构成。孔板流量计接纳三值低频矩形方波的励磁体例[7],从而产生感到强度 B。

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  图 3 知: 因为被测流体( 尿素水溶液) 的内阻很大,故前置缩小电路接纳高精度增益可调的仪表缩小器 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,合适柴油机 SCR 体系仪表小型化的请求,并可经由进程外接紧密电阻 Rg1来调度缩小倍数 A; 斟酌到柴油机 SCR 体系的强噪声存在,为削减噪声进入后续电路和使得紧密仪用缩小器处于线性任务区,选前置缩小电路的缩小倍数 A 约为 10,即 Rg1为 4. 7 kΩ. 第二级接纳典范的二阶低通滤波器。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为高温漂的运算缩小器 MAX4477。第三级接纳可调高增益缩小电路。由 MAX4197 和 MAX4194 构成,MAX4194 外接紧密电阻用来调度缩小器增益。此级输入端电容 C3连系由单片机节制输入旌旗灯号的摹拟开关 K,构成反应将噪声旌旗灯号取回,与待测流量旌旗灯号构成差动旌旗灯号,有用削减噪声旌旗灯号搅扰。

3、优化战略:
  孔板流量计优化战略如图 4 所示。以柴油机转速、油门等旌旗灯号计较尿素根基放射量,操纵 NOX反应批改和储氨批改算法,判定尿素放射量zui佳时,选定孔板流量计机能参数。

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3. 1、双反应批改:
  闭环反应能有用进步体系的静态呼应速率,减小节制偏差。接纳 NH3和 NOX传感器丈量值作为反应旌旗灯号,对尿素放射量停止双反应批改,其批改战略如图 5 所示。由图知: NH3和 NOX的双反应节制战略首要包含 NOX和 NH3的 2 个反应节制模块。NOX反应节制进程为: NOX传感器丈量催化剂后 NOX浓度( CNOx _out) 和柴油机排放 NOX浓度( CNOX) ,计较获得现实的 NOX转化效力,与设定的 NOX转化率 MAP 停止比拟。当偏差跨越限值时,接纳 fa、fs、NSR 等批改系数对尿素放射量停止反应批改。NH3传感器别离收罗催化器外部和出口的NH3浓度( CNH3_in和 CNH3) ,经储氨批改算法处置,并停止二次反应批改,获得zui优尿素放射量。

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图 5 双反应批改战略


3. 2、优化成果:
  根据柴油机 SCR 体系孔板流量计的优化与批改战略,对孔板流量计的布局与旌旗灯号处置电路的 3 款参数停止调试。并操纵调试数据计较孔板流量计线性度、活络度和反复性偏差。表1 和表 2 别离是孔板流量计布局与电路参数优化成果。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,线圈鼓励电流 I = 1. 2 A,铁芯厚度 Lm= 5. 5 mm,铁芯宽度 Lw= 5. 5 mm,铁芯中间角 φ = 55°,zui佳尿素水溶液流量规模为 0 ~ 20 kg/h. 流量孔板流量计的线性度偏差、活络度偏差和反复性偏差别离 0. 35% ,0. 28% 和 0. 47% 。
表 1 孔板流量计参数优化成果表 2 旌旗灯号调度电路元器件参数优化成果

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表 1 孔板流量计参数优化成果表 2 旌旗灯号调度电路元器件参数优化成果

4、实验考证:
  为考证所设想孔板流量计精度与可行性,对 3 个孔板流量计停止了机能检测、尿素放射量和 NH3泄露等测尝尝验。实验在某 6 缸直喷式废气涡轮增压柴油机上停止。实验装备首要有: 电涡流测功机、油耗仪、废气阐发仪、微粒丈量体系等。

4. 1、机能检测:
  实验图 6 是 SCR 体系孔板流量计测试成果。由图知: 跟着尿素浓度和流量增添,孔板流量计输入电压旌旗灯号逐步降低,这与天生的 NH3 增添相符合; 第 1 款和第 3 款流量计的输入幅值有所减小,旌旗灯号漂移较较着,对称性较差; 3 款孔板流量计输入旌旗灯号偏差 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% 。对照可知,第 2 款孔板流量计线性度、漂移率、对称性和偏差率zui好,知足柴油机 SCR 体系机能请求。

4. 2、尿素放射量测尝尝验:
  为深切研讨瞬态工况下孔板流量计静态呼应精度,假设柴油机转速恒定在1 500 r/min,扭矩由 107 N·m 增至 420 N·m再减至 80 N·m,在发念头台架上停止尿素放射量机能测尝尝验。图 7 是尿素瞬态放射量测试成果。由图知: 当柴油机扭矩由 107 N·m 增至 420 N·m 再减至 80 N·m 进程中,第 1 款和第 2 款孔板流量计检测的尿素放射量均呈台阶状增添,渐进地向方针值迫近,而不是间接到达方针放射量,避免尿素过喷,避免 NH3大批溢出; 3 款孔板流量计检测的尿素放射量峰值别离为3 500 g·h- 1、3 400 g·h- 1和3 600 g·h- 1,静态提早时候别离为 20 s、10 s 和 0 s,标明了第 2 款孔板流量计机能zui好。

4. 3、NH3泄露测尝尝验:
  为深切研讨 NH3泄露量与尿素放射量的内涵干系,把 3 款孔板流量计别离装置于柴油机上,在柴油机转速为2 500 r·min- 1,扭矩为 350 N·m 工况下,经由进程调剂氨氮比( NSR) 停止NH3泄露测尝尝验,测得机能曲线如图 8 所示。由表 2 知: 当旌旗灯号处置电路元器件: 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,经计较流量计输入旌旗灯号的漂移率、零点偏差和对称性偏差别离为 0. 02% ,0. 03% 和 0. 02% 。故第 2 组孔板流量计输入电压旌旗灯号为zui优。

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由图知: 在别离利用 3 款孔板流量计检测尿素放射量的前提下,当 0. 6≤NSR≤1. 6 时,
NH3均匀泄露量别离为 11. 6 ×10- 6、9. 39 × 10- 6和 14. 2 × 10- 6,小于 NH3泄露均匀限值( 15 ×10- 6) ,均不产生 NH3泄露毛病产生,其缘由是尿素放射量比拟小。第 2 款孔板流量计的 NH3泄露量zui小。当 1. 6 < NSR≤2 时,第 3 款孔板流量计的 NH3泄露量均大于 NH3泄露峰值划定前提( 25 × 10- 6) ; 当 NSR = 1. 8 时,第 3 款孔板流量计的 NHm³泄露量起头大于 25 × 10- 6,第 2 款孔板流量计的 NH3泄露量总未跨越 NH3泄露限值。实验标明: 第 2 款孔板流量计及其优化战略能知足柴油机 SCR 瞬态测试轮回请求。


5、竣事语:
  ( 1) 基于孔板流量计布局和旌旗灯号处置电路,拟定了孔板流量计参数优化战略,完成对 SCR 体系尿素流量在线检测与节制。
  ( 2) 经由进程机能检测、尿素放射量和 NH3泄露等测尝尝验,考证了该优化战略可以或许保障孔板流量计精确靠得住任务。

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