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孔板流量計的設想為柴油機知足國Ⅳ排放規范供給了保障

作者: 來歷: 宣布時候:2017-02-01 10:50:13

0 弁言:
  今朝列國對柴油機 NOX及 PM 排放請求愈來愈嚴酷,國際也起頭履行國 - Ⅳ排放規范。要到達國 - Ⅳ或更高的排放規范請求,須要接納挑選性催化復原( SCR) 后處置手藝[1]。SCR手藝因具備油耗低、耐硫機能好等特色,被看做是柴油機后處置的首要手藝線路。SCR 體系接納 32. 5% 的尿素水溶液作為復原劑,尿素放射后水解成 NH3和 CO2,NH3與排氣中的 NOX反映天生 N2排擠,下降了排氣中的 NOX濃度,以到達律例請求[2]。SCR 體系尿素放射量與 NH3泄露量的切確節制已成為柴油機知足更高排放請求的研討內容之一[3]。這些任務的實行靠尿素的孔板流量計布局及旌旗燈號處置電路的公道設想來支持。今朝電磁流量計范例大多是電容式、光柵式,磁敏式,操縱于 SCR體系尿素放射量檢測流量計很少[4 - 6]。
  基于 SCR 體系孔板流量計的任務特征,對 SCR 體系孔板流量計停止布局設想; 為進步孔板流量計的丈量精度與不變性,設想孔板流量計旌旗燈號處置電路,擬定孔板流量計參數優化戰略,并停止參數優化。停止機能檢測、尿素放射量和 NH3泄露等測嘗嘗驗,以驗孔板流量計合適柴油機 SCR 體系在線及時檢測請求,為柴油機知足國Ⅳ排放供給保障。
 
1、尿素流量節制體例:
  基于恍惚推理邏輯和傳感器的任務機理,構建柴油機傳感器毛病診斷模子,它由恍惚推理和 RBF 神經收集等模塊構成,如圖 1 所示。

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圖 1 尿素流量節制計劃

  圖 1 為柴油機 SCR 孔板流量計反應節制體例。由圖可知:根據柴油機轉速、油門、進氣溫度、排氣流量和催化器入口、出口的溫度等旌旗燈號,操縱尿素需要量計較模子,肯定尿素根基放射量; 操縱 NOX傳感器對催化器后的 NOX濃度和排氣 NOX濃度停止檢測并計較 NOX轉化效力,經 NOX反應批改模塊,協同孔板流量計收羅的尿素放射流量旌旗燈號,對尿素根基放射量停止一次閉環批改反應給 SCR 節制器; 操縱 NH3傳感器對催化器外部和出口的 NH3濃度停止檢測,經氨泄露批改模塊協同尿素放射流量旌旗燈號,對尿素放射量停止二次閉環批改并反應給 SCR節制器; SCR 節制器以流量指令情勢驅動尿素放射泵任務。

2、 孔板流量計設想:
2. 1 、布局設想:
  圖 2 為 SCR 體系孔板流量計布局圖。外部的小圓表現孔板流量計流道,外部的大圓為孔板流量計外壁。Φ 為鐵芯中間角,被 x 軸貫串的兩其中間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 其中間角較小的扇環為線圈,環繞糾纏在鐵芯上,線圈上通以電流后,就會產生磁場 B; 玄色矩形為丈量電極。當尿素水溶液流過期就會切割磁感線產生感到電壓 Ue,把 Ue收羅到核心電路,停止闡發及標定,獲得尿素流量為:
Q =UeBD×πD24=πD4BUe式中: Ue為感到電壓,
V; B 為磁感到強度,
T; D 為管道內徑,即丈量電極之間的間隔,
mm; Q 為尿素水溶液流量,
g·h- 1

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圖 2 孔板流量計布局


2. 2、 旌旗燈號處置電路設想:
  圖 3 是 SCR 體系孔板流量計旌旗燈號調度電路圖。它首要由前置縮小電路、二階低通濾波器、電壓高增益縮小電路構成。孔板流量計接納三值低頻矩形方波的勵磁體例[7],從而產生感到強度 B。

4.jpg



  圖 3 知: 因為被測流體( 尿素水溶液) 的內阻很大,故前置縮小電路接納高精度增益可調的儀表縮小器 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,合適柴油機 SCR 體系儀表小型化的請求,并可經由進程外接緊密電阻 Rg1來調度縮小倍數 A; 斟酌到柴油機 SCR 體系的強噪聲存在,為削減噪聲進入后續電路和使得緊密儀用縮小器處于線性任務區,選前置縮小電路的縮小倍數 A 約為 10,即 Rg1為 4. 7 kΩ. 第二級接納典范的二階低通濾波器。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為高溫漂的運算縮小器 MAX4477。第三級接納可調高增益縮小電路。由 MAX4197 和 MAX4194 構成,MAX4194 外接緊密電阻用來調度縮小器增益。此級輸入端電容 C3連系由單片機節制輸入旌旗燈號的摹擬開關 K,構成反應將噪聲旌旗燈號取回,與待測流量旌旗燈號構成差動旌旗燈號,有用削減噪聲旌旗燈號攪擾。

3、優化戰略:
  孔板流量計優化戰略如圖 4 所示。以柴油機轉速、油門等旌旗燈號計較尿素根基放射量,操縱 NOX反應批改和儲氨批改算法,判定尿素放射量zui佳時,選定孔板流量計機能參數。

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3. 1、雙反應批改:
  閉環反應能有用進步體系的靜態呼應速率,減小節制偏差。接納 NH3和 NOX傳感器丈量值作為反應旌旗燈號,對尿素放射量停止雙反應批改,其批改戰略如圖 5 所示。由圖知: NH3和 NOX的雙反應節制戰略首要包含 NOX和 NH3的 2 個反應節制模塊。NOX反應節制進程為: NOX傳感器丈量催化劑后 NOX濃度( CNOx _out) 和柴油機排放 NOX濃度( CNOX) ,計較獲得現實的 NOX轉化效力,與設定的 NOX轉化率 MAP 停止比擬。當偏差跨越限值時,接納 fa、fs、NSR 等批改系數對尿素放射量停止反應批改。NH3傳感器別離收羅催化器外部和出口的NH3濃度( CNH3_in和 CNH3) ,經儲氨批改算法處置,并停止二次反應批改,獲得zui優尿素放射量。

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圖 5 雙反應批改戰略


3. 2、優化成果:
  根據柴油機 SCR 體系孔板流量計的優化與批改戰略,對孔板流量計的布局與旌旗燈號處置電路的 3 款參數停止調試。并操縱調試數據計較孔板流量計線性度、活絡度和反復性偏差。表1 和表 2 別離是孔板流量計布局與電路參數優化成果。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,線圈鼓勵電流 I = 1. 2 A,鐵芯厚度 Lm= 5. 5 mm,鐵芯寬度 Lw= 5. 5 mm,鐵芯中間角 φ = 55°,zui佳尿素水溶液流量規模為 0 ~ 20 kg/h. 流量孔板流量計的線性度偏差、活絡度偏差和反復性偏差別離 0. 35% ,0. 28% 和 0. 47% 。
表 1 孔板流量計參數優化成果表 2 旌旗燈號調度電路元器件參數優化成果

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表 1 孔板流量計參數優化成果表 2 旌旗燈號調度電路元器件參數優化成果

4、實驗考證:
  為考證所設想孔板流量計精度與可行性,對 3 個孔板流量計停止了機能檢測、尿素放射量和 NH3泄露等測嘗嘗驗。實驗在某 6 缸直噴式廢氣渦輪增壓柴油機上停止。實驗裝備首要有: 電渦流測功機、油耗儀、廢氣闡發儀、微粒丈量體系等。

4. 1、機能檢測:
  實驗圖 6 是 SCR 體系孔板流量計測試成果。由圖知: 跟著尿素濃度和流量增添,孔板流量計輸入電壓旌旗燈號逐步降低,這與天生的 NH3 增添相符合; 第 1 款和第 3 款流量計的輸入幅值有所減小,旌旗燈號漂移較較著,對稱性較差; 3 款孔板流量計輸入旌旗燈號偏差 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% 。對照可知,第 2 款孔板流量計線性度、漂移率、對稱性和偏差率zui好,知足柴油機 SCR 體系機能請求。

4. 2、尿素放射量測嘗嘗驗:
  為深切研討瞬態工況下孔板流量計靜態呼應精度,假設柴油機轉速恒定在1 500 r/min,扭矩由 107 N·m 增至 420 N·m再減至 80 N·m,在發念頭臺架上停止尿素放射量機能測嘗嘗驗。圖 7 是尿素瞬態放射量測試成果。由圖知: 當柴油機扭矩由 107 N·m 增至 420 N·m 再減至 80 N·m 進程中,第 1 款和第 2 款孔板流量計檢測的尿素放射量均呈臺階狀增添,漸進地向方針值迫近,而不是間接到達方針放射量,避免尿素過噴,避免 NH3大批溢出; 3 款孔板流量計檢測的尿素放射量峰值別離為3 500 g·h- 1、3 400 g·h- 1和3 600 g·h- 1,靜態提早時候別離為 20 s、10 s 和 0 s,標明了第 2 款孔板流量計機能zui好。

4. 3、NH3泄露測嘗嘗驗:
  為深切研討 NH3泄露量與尿素放射量的內涵干系,把 3 款孔板流量計別離裝置于柴油機上,在柴油機轉速為2 500 r·min- 1,扭矩為 350 N·m 工況下,經由進程調劑氨氮比( NSR) 停止NH3泄露測嘗嘗驗,測得機能曲線如圖 8 所示。由表 2 知: 當旌旗燈號處置電路元器件: 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,經計較流量計輸入旌旗燈號的漂移率、零點偏差和對稱性偏差別離為 0. 02% ,0. 03% 和 0. 02% 。故第 2 組孔板流量計輸入電壓旌旗燈號為zui優。

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由圖知: 在別離利用 3 款孔板流量計檢測尿素放射量的前提下,當 0. 6≤NSR≤1. 6 時,
NH3均勻泄露量別離為 11. 6 ×10- 6、9. 39 × 10- 6和 14. 2 × 10- 6,小于 NH3泄露均勻限值( 15 ×10- 6) ,均不產生 NH3泄露毛病產生,其緣由是尿素放射量比擬小。第 2 款孔板流量計的 NH3泄露量zui小。當 1. 6 < NSR≤2 時,第 3 款孔板流量計的 NH3泄露量均大于 NH3泄露峰值劃定前提( 25 × 10- 6) ; 當 NSR = 1. 8 時,第 3 款孔板流量計的 NHm³泄露量起頭大于 25 × 10- 6,第 2 款孔板流量計的 NH3泄露量總未跨越 NH3泄露限值。實驗標明: 第 2 款孔板流量計及其優化戰略能知足柴油機 SCR 瞬態測試輪回請求。


5、竣事語:
  ( 1) 基于孔板流量計布局和旌旗燈號處置電路,擬定了孔板流量計參數優化戰略,完成對 SCR 體系尿素流量在線檢測與節制。
  ( 2) 經由進程機能檢測、尿素放射量和 NH3泄露等測嘗嘗驗,考證了該優化戰略可以或許保障孔板流量計精確靠得住任務。

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