圖 1 尿素流量控制方案

  圖 1 為柴油機(jī) SCR 尿素流量計(jì)反饋控制方法。由圖可知:依據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、油門(mén)、進(jìn)氣溫度、排氣流量和催化器進(jìn)口、出口的溫度等信號(hào)，利用尿素需求量計(jì)算模型，確定尿素基本噴射量; 利用 NOX傳感器對(duì)催化器后的 NOX濃度和排氣 NOX濃度進(jìn)行檢測(cè)并計(jì)算 NOX轉(zhuǎn)化效率，經(jīng) NOX反饋修正模塊，協(xié)同尿素流量計(jì)采集的尿素噴射流量信號(hào)，對(duì)尿素基本噴射量進(jìn)行一次閉環(huán)修正反饋給 SCR 控制器; 利用 NH3傳感器對(duì)催化器內(nèi)部和出口的 NH3濃度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)氨泄漏修正模塊協(xié)同尿素噴射流量信號(hào)，對(duì)尿素噴射量進(jìn)行二次閉環(huán)修正并反饋給 SCR控制器; SCR 控制器以流量指令形式驅(qū)動(dòng)尿素噴射泵工作。

2、 尿素流量計(jì)設(shè)計(jì)：
2． 1 、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
  圖 2 為 SCR 系統(tǒng)尿素流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖。內(nèi)部的小圓表示尿素流量計(jì)流道，外部的大圓為尿素流量計(jì)外壁。Φ 為鐵芯中心角，被 x 軸貫穿的兩個(gè)中心角較大的扇環(huán)為鐵芯，它由電工純鐵制成，焊接在流道外壁上，用以優(yōu)化磁場(chǎng) B; 4 個(gè)中心角較小的扇環(huán)為線圈，纏繞在鐵芯上，線圈上通以電流后，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng) B; 黑色矩形為測(cè)量電極。當(dāng)尿素水溶液流過(guò)時(shí)就會(huì)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電壓 Ue，把 Ue采集到外圍電路，進(jìn)行分析及標(biāo)定，得到尿素流量為:

圖 2 尿素流量計(jì)結(jié)構(gòu)
2． 2、 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)：
  圖 3 是 SCR 系統(tǒng)尿素流量計(jì)信號(hào)調(diào)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(jì)采用三值低頻矩形方波的勵(lì)磁方式［7］，從而產(chǎn)生感應(yīng)強(qiáng)度 B。

圖 3 信號(hào)處理電路

3、優(yōu)化策略：
  尿素流量計(jì)優(yōu)化策略如圖 4 所示。以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、油門(mén)等信號(hào)計(jì)算尿素基本噴射量，利用 NOX反饋修正和儲(chǔ)氨修正算法，判斷尿素噴射量***佳時(shí)，選定尿素流量計(jì)性能參數(shù)。

圖 4 尿素流量計(jì)優(yōu)化策略
3． 1、雙反饋修正：
  閉環(huán)反饋能有效提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小控制誤差。采用 NH3和 NOX傳感器測(cè)量值作為反饋信號(hào)，對(duì)尿素噴射量進(jìn)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(gè)反饋控制模塊。NOX反饋控制過(guò)程為: NOX傳感器測(cè)量催化劑后 NOX濃度( CNOx _out) 和柴油機(jī)排放 NOX濃度( CNOX) ，計(jì)算得到實(shí)際的 NOX轉(zhuǎn)化效率，與設(shè)定的 NOX轉(zhuǎn)化率 MAP 進(jìn)行比較。當(dāng)誤差超過(guò)限值時(shí)，采用 fa、fs、NSR 等修正系數(shù)對(duì)尿素噴射量進(jìn)行反饋修正。NH3傳感器分別采集催化器內(nèi)部和出口的NH3濃度( CNH3_in和 CNH3) ，經(jīng)儲(chǔ)氨修正算法處理，并進(jìn)行二次反饋修正，得到***優(yōu)尿素噴射量。

圖 5 雙反饋修正策略
3． 2、優(yōu)化結(jié)果：
  依據(jù)柴油機(jī) SCR 系統(tǒng)尿素流量計(jì)的優(yōu)化與修正策略，對(duì)尿素流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與信號(hào)處理電路的 3 款參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。并利用調(diào)試數(shù)據(jù)計(jì)算尿素流量計(jì)線性度、靈敏度和重復(fù)性誤差。表1 和表 2 分別是尿素流量計(jì)結(jié)構(gòu)與電路參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。由表 1知，尿素流量計(jì)優(yōu)化參數(shù)為: 線圈長(zhǎng)度 L = 20 mm，線圈半徑 r =18 mm，線圈匝數(shù) W = 600，線圈激勵(lì)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(jì)的線性度誤差、靈敏度誤差和重復(fù)性誤差分別 0. 35% ，0. 28% 和 0. 47% 。

表 1 尿素流量計(jì)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表 2 信號(hào)調(diào)理電路元器件參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

4、試驗(yàn)驗(yàn)證：
  為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)尿素流量計(jì)精度與可行性，對(duì) 3 個(gè)尿素流量計(jì)進(jìn)行了性能檢測(cè)、尿素噴射量和 NH3泄漏等測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)在某 6 缸直噴式廢氣渦輪增壓柴油機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備主要有: 電渦流測(cè)功機(jī)、油耗儀、廢氣分析儀、微粒測(cè)量系統(tǒng)等。

4. 1、性能檢測(cè)：
  試驗(yàn)圖 6 是 SCR 系統(tǒng)尿素流量計(jì)測(cè)試結(jié)果。由圖知: 隨著尿素濃度和流量增加，尿素流量計(jì)輸出電壓信號(hào)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(jì)的輸出幅值有所減小，信號(hào)漂移較明顯，對(duì)稱性較差; 3 款尿素流量計(jì)輸出信號(hào)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(duì)比可知，第 2 款尿素流量計(jì)線性度、漂移率、對(duì)稱性和誤差率***好，滿足柴油機(jī) SCR 系統(tǒng)性能要求。

4． 2、尿素噴射量測(cè)試試驗(yàn)：
  為深入研究瞬態(tài)工況下尿素流量計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度，假定柴油機(jī)轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行尿素噴射量性能測(cè)試試驗(yàn)。圖 7 是尿素瞬態(tài)噴射量測(cè)試結(jié)果。由圖知: 當(dāng)柴油機(jī)扭矩由 107 N·m 增至 420 N·m 再減至 80 N·m 過(guò)程中，第 1 款和第 2 款尿素流量計(jì)檢測(cè)的尿素噴射量均呈臺(tái)階狀增加，漸進(jìn)地向目標(biāo)值逼近，而不是直接達(dá)到目標(biāo)噴射量，避免尿素過(guò)噴，防止 NH3大量溢出; 3 款尿素流量計(jì)檢測(cè)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(dòng)態(tài)延遲時(shí)間分別為 20 s、10 s 和 0 s，表明了第 2 款尿素流量計(jì)性能***好。

4. 3、NH3泄漏測(cè)試試驗(yàn)：
  為深入研究 NH3泄漏量與尿素噴射量的內(nèi)在關(guān)系，把 3 款尿素流量計(jì)分別安裝于柴油機(jī)上，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r·min－ 1，扭矩為 350 N·m 工況下，通過(guò)調(diào)整氨氮比( NSR) 進(jìn)行NH3泄漏測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)得性能曲線如圖 8 所示。由表 2 知: 當(dāng)信號(hào)處理電路元器件: R1= R2= 47 kΩ，