SCR系統高精度隔膜計量泵設計與試驗

楊 凱 廖義德 陳緒兵 賈原杰 盧堯君

(1.武漢工程大學機電工程學院，武漢 430205； 2.湖北天雄科技股份有限公司，武漢 430223)

0 引言

隨著機動車尾氣排放限值的日益嚴格[1]，汽車尾氣脫硝技術現已成為全球研究的熱點問題[2-6]，其中選擇性催化還原(Selective catalytic reduction，SCR)系統憑借諸多優點已被全球許多國家用于汽車尾氣后處理[7]。尿素泵作為SCR系統的關鍵部件，其計量精度、噴射壓力等性能對SCR系統有著重要的影響。研究表明，適當提高尿素液的噴射壓力與計量精度，能夠改善尿素液的霧化效果，提高SCR系統的工作效率[8]；同時，還能有效降低尿素沉積、結晶等副作用對系統產生的影響[9-10]。

目前，Bosch、Tenneco等國外知名企業均推出了較為成熟的尿素泵產品，我國相關科研院所、高校及企業也積極開展了SCR系統的自主研發，取得了豐富的研究成果[11-18]。現有的尿素泵主要為齒輪泵、電磁泵及隔膜泵[19]。由于尿素液的潤滑性較差，齒輪泵的使用壽命往往不高。電磁泵和隔膜泵屬于往復泵，其配流單向閥均存在運動不穩定和關閉不及時等問題，因此計量精度不高[20]。現有的尿素隔膜泵多采用閥控式計量，雖然可以達到較高的計量精度，但提高了SCR系統的成本，還降低了系統的可靠性。

本文通過對尿素隔膜泵進行結構優化，并針對輕型商用車SCR系統的需求，設計一種采用泵控式計量的高精度隔膜計量泵，以期實現尿素液輸送與計量一體化，簡化SCR系統結構，并降低成本。

1 結構設計與工作原理分析

隔膜計量泵結構原理如圖1所示。

圖1 隔膜計量泵結構原理圖Fig.1 Structure schematic diagram of DMP1.步進電機 2.偏心套 3.軸承 4.軸承套 5.連接塊 6.推桿 7.螺紋接頭 8.襯套 9.膜片 10.泵體 11、15.單向閥彈簧 12.進口單向閥閥芯 13、16.接頭 14.出口單向閥閥芯

步進電機通過軸承、偏心套、連接塊和推桿等將旋轉運動轉換為膜片沿軸向的往復直線運動，交替改變泵腔室的容積，并借助配流單向閥持續將尿素液吸入后排出，實現尿素液的穩定供給。

從隔膜計量泵的工作特性可知，其流量q等于驅動電機的轉速n與其單次排量V的乘積，即

q=nV

(1)

隔膜計量泵膜片在偏心輪連桿機構的作用下作往復運動，使泵腔室的體積周期性變化，因此在理想狀態下，其單次排量V等于泵腔室體積的變化量，即

V=2π(R2+Rr+r2)l/3

(2)

式中R——膜片半徑

r——膜片蓋板半徑

l——膜片軸向位移

步進電機轉速為

(3)

式中f——脈沖頻率

α——步距角

M——細分數

由式(3)可知，步進電機轉速n可以通過調節脈沖頻率f和細分數M進行精確控制。當排量V確定時，通過設置步進電機轉速n即能對隔膜計量泵流量q進行精確調節。同時，增大細分數M還能進一步提高步進電機的轉動精度。

由于輕型商用車SCR系統尿素液最大消耗量約為油耗的2%～3%，即2 L/h。而步進電機在150～420 r/min時轉速與扭矩輸出穩定，因此設計隔膜計量泵單次排量為0.09 mL，其最大排量為2.26 L/h，滿足輕型商用車使用需求。同時，為了提高尿素液的霧化效果，減少尿素沉積、結晶等副作用，并兼顧尿素液的計量精度、高轉速時步進電機的輸出扭矩以及膜片壽命等因素，設計隔膜計量泵額定壓力為2 MPa。

2 AMESim仿真分析與結構優化

2.1 AMESim仿真分析

隔膜計量泵是由機、電、液耦合的復雜系統，結構緊湊、計量精度高，采用一般檢測方法很難在不影響其流量特性的前提下對其響應特性進行測試。因此，借助AMESim仿真平臺對其進行仿真模擬，為其性能分析提供相關的理論依據。根據圖1所示隔膜計量泵物理模型建立了其AMESim仿真模型，如圖2所示。

圖2 隔膜計量泵AMESim仿真模型Fig.2 AMESim simulation model of DMP1.步進電機 2.膜片 3.曲柄連桿機構 4.進口單向閥 5.出口單向閥

通過仿真，測得在420 r/min時隔膜計量泵進口單向閥閥芯位移及其閥口瞬時流量曲線如圖3、4所示。

圖3 進口單向閥閥芯位移曲線Fig.3 Displacement curve of inlet one-way valve core

圖4 進口單向閥閥口瞬時流量曲線Fig.4 Instantaneous flow curve of inlet one-way valve orifice

如圖3、4所示，進口單向閥閥芯關閉時，閥口流量產生波動，且出現負值。分析認為，造成這種現象的原因是由于閥芯的響應遲滯引起的。在排液時，由于閥芯關閉不及時，泵腔室內有少量尿素液從其閥口反向溢出，造成泵的實際流量不穩定，對其計量精度產生了一定的影響。

2.2 結構優化

受隔膜計量泵進口單向閥響應特性的影響，實際流過泵腔室的液體流量并不穩定。因此，對進口單向閥閥芯的響應特性進行了理論分析，并對其結構進行優化，以減少尿素液回流對隔膜泵計量精度產生的影響。

由孔口出流公式可知，流經閥口的瞬時流量q1為

(4)

同時，由偏心輪連桿機構的運動特性計算可得膜片的瞬時速度u為

(5)

由于r1?2l1，隔膜泵的瞬時流量q2可近似為

q2=Au=Aωr1sinθ

(6)

式中Cd——閥口流量系數

d——閥芯直徑

Δp——泵腔室壓力

x——閥芯開啟量

ρ——液體密度

ω——步進電機的角速度

r1——偏心距

l1——推桿長度

θ——偏心輪與膜片軸向夾角

A——膜片面積

由于隔膜計量泵的瞬時流量q2等于流經閥口的瞬時流量q1，因此，由式(4)～(6)可得

(7)

同時，由式(7)可得閥芯開啟量與時間的關系為

(8)

由式(8)可以看出，閥芯的關閉時間t與其開啟量x成正比，開啟量x越小，閥芯的關閉時間t越小，從閥口溢出的尿素液也就越少，隔膜計量泵的流量就越穩定。因此，對閥芯的開啟量進行機械限位，使其最大開啟量xmax滿足閥口最小開度，閥口最小開度為進口管道的通流面積與閥口通流面積相等時閥芯的開啟量，即

(9)

式中D——進口管道直徑

(10)

通過對隔膜計量泵進口單向閥閥芯的開啟量進行機械限位，降低了閥芯的關閉時間，減少了尿素液溢出對流量產生的影響。同時還保證了在每一個運動周期內閥芯開啟量均保持一致，使計量精度更加精確。

對隔膜計量泵結構優化后，通過AMESim仿真測得在420 r/min時進、出口單向閥閥芯的動態響應特性及150～420 r/min時隔膜計量泵的排量特性如圖5、6所示。

圖5 420 r/min時進、出口閥芯的動態響應曲線Fig.5 Dynamic response curves of inlet and outlet one-way valve core at 420 r/min

圖6 150～420 r/min時排量曲線Fig.6 Displacement curves at 150～420 r/min

如圖5所示，隔膜泵進、出口單向閥閥芯依次周期性開啟和關閉，進口單向閥閥芯最大開啟量穩定在0.2 mm，且關閉平穩。由圖6可看出，隔膜計量泵排量周期性呈階梯狀上升，轉速越快，排量越大，且在不同轉速下其單次排量均為0.09 mL，與式(2)計算結果一致。

3 試驗

為了驗證隔膜計量泵的性能，設計了隔膜計量泵原理樣機并搭建了試驗系統，試驗系統主要由PLC、觸摸屏、驅動器、高精度電子壓力表、高精度電子秤、針型節流閥等組成，如圖7所示。

圖7 隔膜計量泵試驗系統Fig.7 Test system of DMP1.觸摸屏 2.步進電機 3.隔膜計量泵泵體 4.針型節流閥 5.高精度電子壓力表 6.高精度電子秤

試驗時，調節針型節流閥的開度使噴射壓力穩定在2 MPa，測得隔膜計量泵單次排量為0.09 mL。同時，通過PLC和觸摸屏調節步進電機的轉速在150～420 r/min，測得1～6號隔膜計量泵的流量散點如圖8所示。其中1～3號泵經結構優化處理，4～6號泵未經結構優化處理。

圖8 1～6號隔膜計量泵流量散點圖Fig.8 Flow scatter plot of 1～6 DMP

隔膜計量泵計量精度為

(11)

式中V1——測試排量

V2——理論排量

由式(11)得到1～6號泵在150～420 r/min時的計量精度散點如圖9所示。

圖9 1～6號隔膜計量泵計量精度散點圖Fig.9 Scatter plot of measuring accuracy of 1～6 DMP

由圖8、9可以看出，在150～420 r/min時，1～6號泵的流量散點分布在理論流量曲線兩側。其中4～6號泵隨著轉速提高，計量精度降低，計量精度散點多分布在±5%范圍內。這是由于轉速越高，進口單向閥閥芯關閉越不及時，泵腔室內尿素液反向溢出問題越嚴重，導致轉速越高計量精度越低。而經結構優化后的1～3號泵計量精度散點均布在±3%范圍內，在150～420 r/min時，尿素液噴射量在13.5～40 mL/min范圍內調節，且最大流量為2.26 L/h，可滿足輕型商用車在不同工況下的尿素液需求。

4 結論

(1)隔膜計量泵選用步進電機作為驅動源，既滿足了高壓力下的驅動力要求，又能通過精確控制其轉動精度、轉速及轉動圈數使隔膜計量泵計量精度可控，簡化了SCR系統結構，降低系統成本。

(2)通過對隔膜計量泵進口單向閥閥芯的開啟量進行機械限位，使其最大開啟量xmax滿足閥口最小開度，降低了閥芯的關閉時間和尿素液溢出對流量產生的影響，使其計量精度顯著提升至±3%。

(3)隔膜計量泵具有較高的噴射壓力與計量精度，其噴射壓力為2 MPa，單次排量為0.09 mL，計量精度±3%；在轉速150～420 r/min時，尿素液的噴射量可在13.5～40 mL/min范圍內調節，最大流量為2.26 L/h。