高效型SCR尿素計量泵精度標定臺方案設計

摘 要：SCR技術已成為柴油車降低 NOX 排放的主流技術方法。尿素泵作為 SCR 系統的核心部件之一，其計量精度直接影響系統運行效率。針對傳統的尿素泵標定方法的不足，提出一種基于微小橢圓齒輪流量計的尿素計量泵精度標定臺，設計了氣助型和非氣助型尿素泵標定方案，對于無回流型尿素計量泵，可采用單流量計裝在吸液管上直接測量。對于有脈動強且有回流的尿素計量泵，使用“減重”法測量，在吸液管與回液管各安裝一個橢圓齒輪流量計，通過差值的辦法得到尿素噴射量。經過實踐，實時性強，精度高。

關鍵詞：SCR 尿素計量泵 精度 標定臺

1 前言

隨著新能源汽車技術不斷發展，乘用車電動化相對容易，但重型貨車用新能源替代難度大，具有不確定性。在相當長一段時期內，開發和推廣應用新技術，降低排放仍然是主要路線之一。重型車目前多數為柴油車，但其NOX排放量占汽車總排放量的70%，而選擇性催化還原（Selective Catalyst Reduction，SCR）技術是目前降低柴油機NOX排放量的主流技術。在SCR系統中，尿素泵是其核心部件，其主要作用是抽取并計量尿素溶液，滿足噴射條件后將尿素溶液噴入排氣筒中。故尿素泵功能的可靠性對SCR系統尾氣處理效果至關重要。因此，尿素泵的質量和精度要求很高，尤其是對它的流量復現性精度要求更高，在使用前必須對計量泵進行全面的檢測和標定。

雖然自中國實施“國四”排放法規起已大于10年，尿素計量泵得到大量的應用，但在車用計量泵泵領域，對尿素泵標定研究的并不多。除了蚌埠學院業紅玲對尿素泵的標定進行試驗，蘇州派格麗減排系統有限公司、西安秦泰汽車配件有限公司申請了相關專利，而他們標定試驗及方法均采用電子秤稱重法來標定為基礎的系統標定臺。其他更多的研究都是對整個噴射系統進行不同標定方法的研究。對國內絕大多數廠家來說，更多精力在開發與驗證尿素計量泵，和應對爆發式市場需求的緊張生產，幾乎沒人研究更先進的標定技術。

基于以上原因，本文提出一種基于微小橢圓齒輪流量計的尿素計量泵精度標定臺/驗證臺，利用橢圓齒輪流量計阻力小、體積小、精度高、價格適中、適合微小流量計量的特點，實現在線流量測量，大大提高了標定效率，替代傳統的電子秤“事后”標定法。

2 傳統的尿素泵標定方法

據統計，在國內裝備的尿素計量泵款式約30個型號，進口產品4個型號，國內產品普遍可靠性差，精度低（≥5%，有的甚至為15%），大大影響氮氧化物脫除效果。因此尿素計量泵在出廠前均需要進行標定，對機械特性的差異，通過軟件技術進行修正。

典型的尿素計量泵有齒輪泵、隔膜泵、柱塞泵三種。目前廣泛使用的是：隔膜泵與隔膜泵增壓+計量閥計量的方式，這兩種泵液體流量都有脈動性。由于存在氣液兩相流與強脈沖流動，加上流量范圍偏小≤7.5L/h，國六階段≤12kg/h，傳統流量計非常難以測量，一是流量范圍小，超出普通電磁流量計的測量范圍。超聲波流量計測量雖然精度高，但是動態測量范圍小，無法適應尿素計量泵高達1000倍的動態比要求。其他流量計要么有的價格昂貴，有的阻力高，無法用于尿素計量泵的要求。所以行業內廠家多采用稱重法來標定，先定時收集尿素計量泵某個命令流量下的實際流量，用電子秤稱重；再更換命令噴射點，多次收集后生成修正曲線與對應的參數。這種辦法雖精準，但是屬于“事后諸葛亮”。一臺尿素泵精度是否滿足要求，需要經過一段時間的測量反推后才能判斷，對于低流量狀態，需要很長時間的收集，才能消除計量誤差，這在大規模生產時嚴重拖慢了效率，增加了檢測成本。

3 SCR尿素計量泵精度標定方案設計

根據典型尿素計量泵的液路特點，設計精度測量液路圖，需做到既能測量精確，又不影響原泵的運行狀態，如不額外增加管道阻力，包括吸液阻力、回液阻力與噴射阻力。在不改變泵原工作特性的基礎上測量其計量精度。

3.1 對氣助型尿素計量泵

氣助型尿素計量泵，在噴嘴端存在兩相流，氣體將部分液體霧化擴散逃逸，難以捕獲，此時應采用測量進液與回液的流量差，獲得實時噴射量數據。部分氣助泵噴射時無回流回液流量，則只需采用1個進液流量計來等量測量噴射流量。

3.1.1 無回流型氣助計量泵

無回流型氣助計量泵，代表泵：Emitec UDS 2.5。尿素計量泵從尿素罐抽取多少尿素水溶液，等量推送到噴射管中，在泵內混合或在尿素噴嘴端外混合，將尿素水溶液霧化噴出。因噴射管或噴嘴端存在兩相流難以測量液體流量，因此在進液管布置橢圓齒輪流量計等量測量尿素水溶液流量，如圖1所示。

3.1.2 回流型氣助計量泵

回流型氣助計量泵，代表泵：秦泰氣助泵。在噴射的同時，回液口在持續回流多余的尿素水溶液，此時吸液口與回液口的流量差即為尿素噴射量。如圖2所示。

3.2 對非氣助尿素計量泵

對脈動性小的非氣助尿素計量泵，直接在噴射回路上安裝單個橢圓齒輪流量計測量，通過改變橢圓齒輪流量計橢圓齒輪的長短軸比，適應其脈動特點，避免漏測與橢圓齒輪反轉的問題。如圖3所示。

對脈動大的非氣助計量泵，可采用雙流量計，測量進液流量與回液流量的流量差，獲得實時的或積分平均的脈動噴射量。如圖4所示。

4 SCR尿素計量泵精度標定臺開發與應用

4.1 SCR尿素計量泵精度標定臺開發

本項目以國內使用最廣泛的Bosch公司生產Denoxtronic2.2尿素計量泵與噴嘴作為開發對象，根據液體回路原理進行精度標定臺設計，不改變原尿素計量泵的工作特性，如不增加各管路的阻力，不增加電機的工作負荷基礎上，根據電氣元件數量與信號特點，設計SCR尿素計量泵精度標定臺，標定臺實物如圖5所示。

4.2 SCR尿素計量泵精度標定臺應用

兩套雙工位標定臺于2024年2月投入無錫工廠實際應用，目前已累計工作超過1000小時，表現一切正常，得到使用單位的好評。

5 結論

本項目提出一種采用高長短軸比的橢圓齒輪流量計，用于微小流量液體的測量，它具有體積小、精度高、始動流量小、性能可靠、性價比高、動態范圍廣等特點。對于無回流型尿素計量泵，可采用單流量計裝在吸液管上直接測量。對于有脈動強，且有回流的尿素計量泵，本設備創新地使用“減重”法測量，在吸液管與回液管各安裝一個橢圓齒輪流量計，通過差值的辦法得到尿素噴射量，經過實踐，實時性強，精度高。

同時，本標定臺經市場調研與研發生產，也存在歷時尚短，實際應用時間不足3000h，部分潛伏問題與耐久可靠性可能未充分暴露，在將來使用中，存在問題暴露或過早損壞的可能。本項目成員將積極跟蹤使用情況，并及時做出調整。

基金項目：2023年浙江省教育廳一般科研項目：高效型SCR尿素計量泵精度標定臺開發（Y202351603）。

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