SCR系统高精度隔膜计量泵设计与试验

杨 凯 廖义德 陈绪兵 贾原杰 卢尧君

(1.武汉工程大学机电工程学院，武汉 430205； 2.湖北天雄科技股份有限公司，武汉 430223)

0 引言

随着机动车尾气排放限值的日益严格[1]，汽车尾气脱硝技术现已成为全球研究的热点问题[2-6]，其中选择性催化还原(Selective catalytic reduction，SCR)系统凭借诸多优点已被全球许多国家用于汽车尾气后处理[7]。尿素泵作为SCR系统的关键部件，其计量精度、喷射压力等性能对SCR系统有着重要的影响。研究表明，适当提高尿素液的喷射压力与计量精度，能够改善尿素液的雾化效果，提高SCR系统的工作效率[8]；同时，还能有效降低尿素沉积、结晶等副作用对系统产生的影响[9-10]。

目前，Bosch、Tenneco等国外知名企业均推出了较为成熟的尿素泵产品，我国相关科研院所、高校及企业也积极开展了SCR系统的自主研发，取得了丰富的研究成果[11-18]。现有的尿素泵主要为齿轮泵、电磁泵及隔膜泵[19]。由于尿素液的润滑性较差，齿轮泵的使用寿命往往不高。电磁泵和隔膜泵属于往复泵，其配流单向阀均存在运动不稳定和关闭不及时等问题，因此计量精度不高[20]。现有的尿素隔膜泵多采用阀控式计量，虽然可以达到较高的计量精度，但提高了SCR系统的成本，还降低了系统的可靠性。

本文通过对尿素隔膜泵进行结构优化，并针对轻型商用车SCR系统的需求，设计一种采用泵控式计量的高精度隔膜计量泵，以期实现尿素液输送与计量一体化，简化SCR系统结构，并降低成本。

1 结构设计与工作原理分析

隔膜计量泵结构原理如图1所示。

图1 隔膜计量泵结构原理图Fig.1 Structure schematic diagram of DMP1.步进电机 2.偏心套 3.轴承 4.轴承套 5.连接块 6.推杆 7.螺纹接头 8.衬套 9.膜片 10.泵体 11、15.单向阀弹簧 12.进口单向阀阀芯 13、16.接头 14.出口单向阀阀芯

步进电机通过轴承、偏心套、连接块和推杆等将旋转运动转换为膜片沿轴向的往复直线运动，交替改变泵腔室的容积，并借助配流单向阀持续将尿素液吸入后排出，实现尿素液的稳定供给。

从隔膜计量泵的工作特性可知，其流量q等于驱动电机的转速n与其单次排量V的乘积，即

q=nV

(1)

隔膜计量泵膜片在偏心轮连杆机构的作用下作往复运动，使泵腔室的体积周期性变化，因此在理想状态下，其单次排量V等于泵腔室体积的变化量，即

V=2π(R2+Rr+r2)l/3

(2)

式中R——膜片半径

r——膜片盖板半径

l——膜片轴向位移

步进电机转速为

(3)

式中f——脉冲频率

α——步距角

M——细分数

由式(3)可知，步进电机转速n可以通过调节脉冲频率f和细分数M进行精确控制。当排量V确定时，通过设置步进电机转速n即能对隔膜计量泵流量q进行精确调节。同时，增大细分数M还能进一步提高步进电机的转动精度。

由于轻型商用车SCR系统尿素液最大消耗量约为油耗的2%～3%，即2 L/h。而步进电机在150～420 r/min时转速与扭矩输出稳定，因此设计隔膜计量泵单次排量为0.09 mL，其最大排量为2.26 L/h，满足轻型商用车使用需求。同时，为了提高尿素液的雾化效果，减少尿素沉积、结晶等副作用，并兼顾尿素液的计量精度、高转速时步进电机的输出扭矩以及膜片寿命等因素，设计隔膜计量泵额定压力为2 MPa。

2 AMESim仿真分析与结构优化

2.1 AMESim仿真分析

隔膜计量泵是由机、电、液耦合的复杂系统，结构紧凑、计量精度高，采用一般检测方法很难在不影响其流量特性的前提下对其响应特性进行测试。因此，借助AMESim仿真平台对其进行仿真模拟，为其性能分析提供相关的理论依据。根据图1所示隔膜计量泵物理模型建立了其AMESim仿真模型，如图2所示。

图2 隔膜计量泵AMESim仿真模型Fig.2 AMESim simulation model of DMP1.步进电机 2.膜片 3.曲柄连杆机构 4.进口单向阀 5.出口单向阀

通过仿真，测得在420 r/min时隔膜计量泵进口单向阀阀芯位移及其阀口瞬时流量曲线如图3、4所示。

图3 进口单向阀阀芯位移曲线Fig.3 Displacement curve of inlet one-way valve core

图4 进口单向阀阀口瞬时流量曲线Fig.4 Instantaneous flow curve of inlet one-way valve orifice

如图3、4所示，进口单向阀阀芯关闭时，阀口流量产生波动，且出现负值。分析认为，造成这种现象的原因是由于阀芯的响应迟滞引起的。在排液时，由于阀芯关闭不及时，泵腔室内有少量尿素液从其阀口反向溢出，造成泵的实际流量不稳定，对其计量精度产生了一定的影响。

2.2 结构优化

受隔膜计量泵进口单向阀响应特性的影响，实际流过泵腔室的液体流量并不稳定。因此，对进口单向阀阀芯的响应特性进行了理论分析，并对其结构进行优化，以减少尿素液回流对隔膜泵计量精度产生的影响。

由孔口出流公式可知，流经阀口的瞬时流量q1为

(4)

同时，由偏心轮连杆机构的运动特性计算可得膜片的瞬时速度u为

(5)

由于r1≪2l1，隔膜泵的瞬时流量q2可近似为

q2=Au=Aωr1sinθ

(6)

式中Cd——阀口流量系数

d——阀芯直径

Δp——泵腔室压力

x——阀芯开启量

ρ——液体密度

ω——步进电机的角速度

r1——偏心距

l1——推杆长度

θ——偏心轮与膜片轴向夹角

A——膜片面积

由于隔膜计量泵的瞬时流量q2等于流经阀口的瞬时流量q1，因此，由式(4)～(6)可得

(7)

同时，由式(7)可得阀芯开启量与时间的关系为

(8)

由式(8)可以看出，阀芯的关闭时间t与其开启量x成正比，开启量x越小，阀芯的关闭时间t越小，从阀口溢出的尿素液也就越少，隔膜计量泵的流量就越稳定。因此，对阀芯的开启量进行机械限位，使其最大开启量xmax满足阀口最小开度，阀口最小开度为进口管道的通流面积与阀口通流面积相等时阀芯的开启量，即

(9)

式中D——进口管道直径

(10)

通过对隔膜计量泵进口单向阀阀芯的开启量进行机械限位，降低了阀芯的关闭时间，减少了尿素液溢出对流量产生的影响。同时还保证了在每一个运动周期内阀芯开启量均保持一致，使计量精度更加精确。

对隔膜计量泵结构优化后，通过AMESim仿真测得在420 r/min时进、出口单向阀阀芯的动态响应特性及150～420 r/min时隔膜计量泵的排量特性如图5、6所示。

图5 420 r/min时进、出口阀芯的动态响应曲线Fig.5 Dynamic response curves of inlet and outlet one-way valve core at 420 r/min

图6 150～420 r/min时排量曲线Fig.6 Displacement curves at 150～420 r/min

如图5所示，隔膜泵进、出口单向阀阀芯依次周期性开启和关闭，进口单向阀阀芯最大开启量稳定在0.2 mm，且关闭平稳。由图6可看出，隔膜计量泵排量周期性呈阶梯状上升，转速越快，排量越大，且在不同转速下其单次排量均为0.09 mL，与式(2)计算结果一致。

3 试验

为了验证隔膜计量泵的性能，设计了隔膜计量泵原理样机并搭建了试验系统，试验系统主要由PLC、触摸屏、驱动器、高精度电子压力表、高精度电子秤、针型节流阀等组成，如图7所示。

图7 隔膜计量泵试验系统Fig.7 Test system of DMP1.触摸屏 2.步进电机 3.隔膜计量泵泵体 4.针型节流阀 5.高精度电子压力表 6.高精度电子秤

试验时，调节针型节流阀的开度使喷射压力稳定在2 MPa，测得隔膜计量泵单次排量为0.09 mL。同时，通过PLC和触摸屏调节步进电机的转速在150～420 r/min，测得1～6号隔膜计量泵的流量散点如图8所示。其中1～3号泵经结构优化处理，4～6号泵未经结构优化处理。

图8 1～6号隔膜计量泵流量散点图Fig.8 Flow scatter plot of 1～6 DMP

隔膜计量泵计量精度为

(11)

式中V1——测试排量

V2——理论排量

由式(11)得到1～6号泵在150～420 r/min时的计量精度散点如图9所示。

图9 1～6号隔膜计量泵计量精度散点图Fig.9 Scatter plot of measuring accuracy of 1～6 DMP

由图8、9可以看出，在150～420 r/min时，1～6号泵的流量散点分布在理论流量曲线两侧。其中4～6号泵随着转速提高，计量精度降低，计量精度散点多分布在±5%范围内。这是由于转速越高，进口单向阀阀芯关闭越不及时，泵腔室内尿素液反向溢出问题越严重，导致转速越高计量精度越低。而经结构优化后的1～3号泵计量精度散点均布在±3%范围内，在150～420 r/min时，尿素液喷射量在13.5～40 mL/min范围内调节，且最大流量为2.26 L/h，可满足轻型商用车在不同工况下的尿素液需求。

4 结论

(1)隔膜计量泵选用步进电机作为驱动源，既满足了高压力下的驱动力要求，又能通过精确控制其转动精度、转速及转动圈数使隔膜计量泵计量精度可控，简化了SCR系统结构，降低系统成本。

(2)通过对隔膜计量泵进口单向阀阀芯的开启量进行机械限位，使其最大开启量xmax满足阀口最小开度，降低了阀芯的关闭时间和尿素液溢出对流量产生的影响，使其计量精度显著提升至±3%。

(3)隔膜计量泵具有较高的喷射压力与计量精度，其喷射压力为2 MPa，单次排量为0.09 mL，计量精度±3%；在转速150～420 r/min时，尿素液的喷射量可在13.5～40 mL/min范围内调节，最大流量为2.26 L/h。