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(jù)柴油機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率，經(jīng) NOX反饋修正模塊，協(xié)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(huán)修正反饋給 SCR 控制器; 利用 NH3傳感器對催化器內(nèi)部和出口的 NH3濃度進行檢測，經(jīng)氨泄漏修正模塊協(xié)同尿素噴射流量信號，對尿素噴射量進行二次閉環(huán)修正并反饋給 SCR控制器; SCR 控制器以流量指令形式驅(qū)動尿素噴射泵工作。

2、 尿素流量計設(shè)計：
2． 1 、結(jié)構(gòu)設(shè)計：
  圖 2 為 SCR 系統(tǒng)尿素流量計結(jié)構(gòu)圖。內(nèi)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(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 B; 4 個中心角較小的扇環(huán)為線圈，纏繞在鐵芯上，線圈上通以電流后，就會產(chǎn)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(chǎn)生感應(yīng)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(jié)構(gòu)
2． 2、 信號處理電路設(shè)計：
  圖 3 是 SCR 系統(tǒng)尿素流量計信號調(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。尿素流量計采用三值低頻矩形方波的勵磁方式［7］，從而產(chǎn)生感應(yīng)強度 B。

圖 3 信號處理電路

3、優(yōu)化策略：
  尿素流量計優(yōu)化策略如圖 4 所示。以柴油機轉(zhuǎn)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(shù)。

圖 4 尿素流量計優(yōu)化策略
3． 1、雙反饋修正：
  閉環(huán)反饋能有效提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)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(zhuǎn)化效率，與設(shè)定的 NOX轉(zhuǎn)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(shù)對尿素噴射量進行反饋修正。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)儲氨修正算法處理，并進行二次反饋修正，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 SCR 系統(tǒng)尿素流量計的優(yōu)化與修正策略，對尿素流量計的結(jié)構(gòu)與信號處理電路的 3 款參數(shù)進行調(diào)試。并利用調(diào)試數(shù)據(jù)計算尿素流量計線性度、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，尿素流量計優(yōu)化參數(shù)為: 線圈長度 L = 20 mm，線圈半徑 r =18 mm，線圈匝數(shù) 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(fù)性誤差分別 0. 35% ，0. 28% 和 0. 47% 。

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

4、試驗驗證：
  為驗證所設(shè)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(shè)備主要有: 電渦流測功機、油耗儀、廢氣分析儀、微粒測量系統(tǒng)等。

4. 1、性能檢測：
  試驗圖 6 是 SCR 系統(tǒng)尿素流量計測試結(jié)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(tǒng)性能要求。

4． 2、尿素噴射量測試試驗：
  為深入研究瞬態(tài)工況下尿素流量計動態(tài)響應(yīng)精度，假定柴油機轉(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)動機臺架上進行尿素噴射量性能測試試驗。圖 7 是尿素瞬態(tài)噴射量測試結(jié)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(tài)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(nèi)在關(guān)系，把 3 款尿素流量計分別安裝于柴油機上，在柴油機轉(zhuǎn)速為2 500 r·min－ 1，扭矩為 350 N·m 工況下，通過調(diào)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，