高效型SCR尿素计量泵精度标定台方案设计

摘 要：SCR技术已成为柴油车降低 NOX 排放的主流技术方法。尿素泵作为 SCR 系统的核心部件之一，其计量精度直接影响系统运行效率。针对传统的尿素泵标定方法的不足，提出一种基于微小椭圆齿轮流量计的尿素计量泵精度标定台，设计了气助型和非气助型尿素泵标定方案，对于无回流型尿素计量泵，可采用单流量计装在吸液管上直接测量。对于有脉动强且有回流的尿素计量泵，使用“减重”法测量，在吸液管与回液管各安装一个椭圆齿轮流量计，通过差值的办法得到尿素喷射量。经过实践，实时性强，精度高。

关键词：SCR 尿素计量泵 精度 标定台

1 前言

随着新能源汽车技术不断发展，乘用车电动化相对容易，但重型货车用新能源替代难度大，具有不确定性。在相当长一段时期内，开发和推广应用新技术，降低排放仍然是主要路线之一。重型车目前多数为柴油车，但其NOX排放量占汽车总排放量的70%，而选择性催化还原（Selective Catalyst Reduction，SCR）技术是目前降低柴油机NOX排放量的主流技术。在SCR系统中，尿素泵是其核心部件，其主要作用是抽取并计量尿素溶液，满足喷射条件后将尿素溶液喷入排气筒中。故尿素泵功能的可靠性对SCR系统尾气处理效果至关重要。因此，尿素泵的质量和精度要求很高，尤其是对它的流量复现性精度要求更高，在使用前必须对计量泵进行全面的检测和标定。

虽然自中国实施“国四”排放法规起已大于10年，尿素计量泵得到大量的应用，但在车用计量泵泵领域，对尿素泵标定研究的并不多。除了蚌埠学院业红玲对尿素泵的标定进行试验，苏州派格丽减排系统有限公司、西安秦泰汽车配件有限公司申请了相关专利，而他们标定试验及方法均采用电子秤称重法来标定为基础的系统标定台。其他更多的研究都是对整个喷射系统进行不同标定方法的研究。对国内绝大多数厂家来说，更多精力在开发与验证尿素计量泵，和应对爆发式市场需求的紧张生产，几乎没人研究更先进的标定技术。

基于以上原因，本文提出一种基于微小椭圆齿轮流量计的尿素计量泵精度标定台/验证台，利用椭圆齿轮流量计阻力小、体积小、精度高、价格适中、适合微小流量计量的特点，实现在线流量测量，大大提高了标定效率，替代传统的电子秤“事后”标定法。

2 传统的尿素泵标定方法

据统计，在国内装备的尿素计量泵款式约30个型号，进口产品4个型号，国内产品普遍可靠性差，精度低（≥5%，有的甚至为15%），大大影响氮氧化物脱除效果。因此尿素计量泵在出厂前均需要进行标定，对机械特性的差异，通过软件技术进行修正。

典型的尿素计量泵有齿轮泵、隔膜泵、柱塞泵三种。目前广泛使用的是：隔膜泵与隔膜泵增压+计量阀计量的方式，这两种泵液体流量都有脉动性。由于存在气液两相流与强脉冲流动，加上流量范围偏小≤7.5L/h，国六阶段≤12kg/h，传统流量计非常难以测量，一是流量范围小，超出普通电磁流量计的测量范围。超声波流量计测量虽然精度高，但是动态测量范围小，无法适应尿素计量泵高达1000倍的动态比要求。其他流量计要么有的价格昂贵，有的阻力高，无法用于尿素计量泵的要求。所以行业内厂家多采用称重法来标定，先定时收集尿素计量泵某个命令流量下的实际流量，用电子秤称重；再更换命令喷射点，多次收集后生成修正曲线与对应的参数。这种办法虽精准，但是属于“事后诸葛亮”。一台尿素泵精度是否满足要求，需要经过一段时间的测量反推后才能判断，对于低流量状态，需要很长时间的收集，才能消除计量误差，这在大规模生产时严重拖慢了效率，增加了检测成本。

3 SCR尿素计量泵精度标定方案设计

根据典型尿素计量泵的液路特点，设计精度测量液路图，需做到既能测量精确，又不影响原泵的运行状态，如不额外增加管道阻力，包括吸液阻力、回液阻力与喷射阻力。在不改变泵原工作特性的基础上测量其计量精度。

3.1 对气助型尿素计量泵

气助型尿素计量泵，在喷嘴端存在两相流，气体将部分液体雾化扩散逃逸，难以捕获，此时应采用测量进液与回液的流量差，获得实时喷射量数据。部分气助泵喷射时无回流回液流量，则只需采用1个进液流量计来等量测量喷射流量。

3.1.1 无回流型气助计量泵

无回流型气助计量泵，代表泵：Emitec UDS 2.5。尿素计量泵从尿素罐抽取多少尿素水溶液，等量推送到喷射管中，在泵内混合或在尿素喷嘴端外混合，将尿素水溶液雾化喷出。因喷射管或喷嘴端存在两相流难以测量液体流量，因此在进液管布置椭圆齿轮流量计等量测量尿素水溶液流量，如图1所示。

3.1.2 回流型气助计量泵

回流型气助计量泵，代表泵：秦泰气助泵。在喷射的同时，回液口在持续回流多余的尿素水溶液，此时吸液口与回液口的流量差即为尿素喷射量。如图2所示。

3.2 对非气助尿素计量泵

对脉动性小的非气助尿素计量泵，直接在喷射回路上安装单个椭圆齿轮流量计测量，通过改变椭圆齿轮流量计椭圆齿轮的长短轴比，适应其脉动特点，避免漏测与椭圆齿轮反转的问题。如图3所示。

对脉动大的非气助计量泵，可采用双流量计，测量进液流量与回液流量的流量差，获得实时的或积分平均的脉动喷射量。如图4所示。

4 SCR尿素计量泵精度标定台开发与应用

4.1 SCR尿素计量泵精度标定台开发

本项目以国内使用最广泛的Bosch公司生产Denoxtronic2.2尿素计量泵与喷嘴作为开发对象，根据液体回路原理进行精度标定台设计，不改变原尿素计量泵的工作特性，如不增加各管路的阻力，不增加电机的工作负荷基础上，根据电气元件数量与信号特点，设计SCR尿素计量泵精度标定台，标定台实物如图5所示。

4.2 SCR尿素计量泵精度标定台应用

两套双工位标定台于2024年2月投入无锡工厂实际应用，目前已累计工作超过1000小时，表现一切正常，得到使用单位的好评。

5 结论

本项目提出一种采用高长短轴比的椭圆齿轮流量计，用于微小流量液体的测量，它具有体积小、精度高、始动流量小、性能可靠、性价比高、动态范围广等特点。对于无回流型尿素计量泵，可采用单流量计装在吸液管上直接测量。对于有脉动强，且有回流的尿素计量泵，本设备创新地使用“减重”法测量，在吸液管与回液管各安装一个椭圆齿轮流量计，通过差值的办法得到尿素喷射量，经过实践，实时性强，精度高。

同时，本标定台经市场调研与研发生产，也存在历时尚短，实际应用时间不足3000h，部分潜伏问题与耐久可靠性可能未充分暴露，在将来使用中，存在问题暴露或过早损坏的可能。本项目成员将积极跟踪使用情况，并及时做出调整。

基金项目：2023年浙江省教育厅一般科研项目：高效型SCR尿素计量泵精度标定台开发（Y202351603）。

参考文献：

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