选择性催化还原系统胶囊式气动尿素泵设计与流量特性分析

杨 凯 ，廖 昱 ，李 莎 ，张 达 ，林 晨

（1.湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，武汉 430205；2.湖北第二师范学院 物流智能化研究所，武汉 430205；3.华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074；4.航天深拓（北京）科技有限公司，北京 100023）

0 引言

NOx是机动车尾气中危害性最强且治理难度最大的污染物之一［1-2］。目前，选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）系统被公认为最有效的柴油车NOx处理技术［3］。随着柴油机的排放法规、全工况热效率以及节能技术等方面的要求日渐严格［4-6］，以及尿素结晶、沉积物问题日益突出［7-9］，现有SCR系统面临的挑战也更加严峻［10］。尿素泵作为SCR系统的关键零部件［11］，其供给精度、喷射特性及防结晶性能等对SCR系统性能有着重要影响［12-15］。现有的尿素泵主要以容积式泵为主，如电磁泵、隔膜泵等［16-17］，受容积式泵结构和原理等影响，其尿素液供给存在间断性，且泵体、喷嘴等部位易残留尿素液而导致结晶等问题，严重影响SCR系统的性能。

本文针对SCR系统的使用需求，设计了一种新型胶囊式气动尿素泵（capsule pneumatic urea pump，CPUP），并通过理论计算与AMEsim仿真对其响应特性与流量特性进行了深入分析，以期优化现有尿素泵的供给性能，并降低泵体、喷嘴等处残留尿素结晶风险，提高SCR系统的工作效率。

1 胶囊泵结构与流量特性

1.1 胶囊泵结构与工作原理分析

胶囊泵结构原理如图1所示。胶囊泵属于容积泵，通过控制电磁阀2的占空比，调节胶囊内腔的进、排气时间，以改变胶囊内、外腔的容积量。当胶囊内腔进气膨胀时，胶囊外腔容积减小、压力升高时，出液单向阀开启，胶囊外腔尿素液由出液单向阀排出，一部分尿素液直接经喷嘴喷射，另一部分尿素液进入泵内腔并压缩腔内空气使腔内压力升高；当胶囊内腔排气收缩时，胶囊外腔容积增大而产生负压，此时，进液单向阀打开，尿素液被吸入尿囊外腔。同时，出液单向阀关闭，泵内腔储存的尿素液在压力作用下经喷嘴喷射，以实现胶囊泵周期性连续喷射。

图1 胶囊式气动尿素泵结构原理Fig.1 Structure schematic diagram of CPUP

当喷嘴处计量阀关闭时，电磁阀1，3开启，电磁阀2持续工作，将胶囊外腔、泵内腔、喷嘴、管路等处的尿素液经喷嘴接口、尿素液回收接口、尿素液回收孔等排到尿素箱内，以实现尿素液回收，有效避了免泵体、喷嘴等处残存尿素液导致结晶等问题。

1.2 胶囊泵流量特性分析

胶囊泵采用PWM（Pulse Width Modulation）控制电磁阀2工作，设气源的流量为q，即在一个周期内，进入胶囊内腔的气体体积V1为：

式中 t——有效进气时间，s；

D——占空比，%；

f——频率，Hz。

由式（1）（2）得：

由于胶囊结构近似圆柱体，进气时径向膨胀，胶囊膨胀后截面受力如图2所示。

图2 胶囊膨胀后截面受力示意Fig.2 Stress diagram of cross section after capsule expansion

胶囊应变量ε为：

式中 d1——胶囊膨胀后直径，m；

d2——胶囊原直径，m。

当橡胶件应变量ε＜15%时，其拉伸应力σt与应变量ε可近似表示为：

式中 σt——拉伸应力，MPa；

Ea——弹性模量，MPa。

胶囊截面应力Ft为：

式中 b——胶囊厚度，m；

l——胶囊长度，m；

p2——胶囊内腔压力，MPa。

故由式（4）～（7）得，胶囊内腔压力p2为：

假设胶囊绝热膨胀，有：

式中 p1——大气压力，MPa；

V2——胶囊膨胀后内腔气体体积，m3。

由于胶囊膨胀后内腔气体体积V2即为外腔排出尿素液体积V0，故将式（3）（8）代入式（9），可得到一个周期内胶囊外腔排出的尿素液体积V0为：

尿素液经出液单向阀排出后，一部分进入并储存在泵内胆中，由于初始状态下泵内胆内为常压空气，设泵内胆气体压缩后压力为p3，有：

式中 V3——压缩后气体体积，m3；

Vn——泵内腔体积，m3。

故在一个周期内，进入泵内腔的尿素液体积V4为：

由喷嘴直接喷射的尿素液体积V5为：

将式（10）（16）代入式（17），得：

由以上分析可知，在一个周期内，胶囊充气膨胀时，喷嘴喷射的尿素液体积为V5，胶囊放气收缩时，喷嘴排出的尿素液体积为V4，确保了胶囊泵周期性连续喷射尿素液，有效提高了SCR系统的工作效率。

在时间t内，胶囊泵的排量V为：

式中 n——周期数。

将式（10）（17）代入式（16），得：

由式（18）可知，胶囊泵的排量V与占空比D成正比，因此，通过设置占空比D即可对胶囊泵的的排量V进行线性调节。

2 基于AMESim的胶囊泵流量特性仿真分析

由于胶囊泵结构复杂、供给精度高，为了进一步探究电磁阀2在不同频率f及占空比D时对胶囊泵响应特性与流量特性的影响，借助AMESim仿真平台对胶囊泵进行了仿真模拟，为胶囊泵性能分析提了供理论依据，也对其试验研究提供了指导与参考。

2.1 仿真模型建立与参数设置

根据胶囊泵的结构原理建立其AMESim仿真模型，如图3所示。

图3 胶囊式气动尿素泵AMESim仿真模型Fig.3 AMESim simulation model of CPUP

胶囊泵AMESim仿真模型主要选用了气动与液压应用库元件，胶囊与泵内腔结构选用了气、液隔膜元件模拟气液传动，设置隔膜面积为胶囊面积，弹簧刚度为胶囊弹性模量。液相介质参照尿素液参数设置，模型结构参数根据胶囊泵结构尺寸设置。

2.2 胶囊泵响应特性与流量特性分析

设置胶囊泵的频率f=10 Hz，得到占空比D在10%～80%区间时，胶囊内腔体积变化曲线如图4所示。

图4 胶囊内腔体积变化曲线（f=10 Hz）Fig.4 Volume change curve of capsule

如图4所示，电磁阀2通电，气体进入胶囊内腔，由于在初始状态下气体作用在胶囊内腔的力小于胶囊初始弹力，导致胶囊形变存在响应迟滞。随着胶囊内腔压力升高，当克服胶囊初始弹力时，胶囊膨胀，内腔体积逐渐增大；电磁阀2换向时，胶囊内腔排气，胶囊迅速收缩，内腔体积减小。且在一个周期内，随着占空比D由10%增加至80%，胶囊的体积变化量随着占空比同步呈线性增长。

胶囊内腔体积变化导致胶囊外腔压力变化，使进、出液单向阀阀芯依次启闭，完成尿素液的配流。胶囊泵在额定工况（f=10 Hz，D=50%）时进、出液单向阀阀芯的位移曲线如图5所示。

图5 进、出液单向阀阀芯位移曲线Fig.5 Displacement curve of inlet and outlet check valve core

如图5所示，在额定工况下进、出液单向阀阀芯周期性依次交替启闭，响应灵敏且稳定。同时，为了避免阀芯开度变化对进、出液单向阀阀口的尿素液体积流量产生影响，限制阀芯的最大位移为0.5 mm。

胶囊外腔的尿素液经出液单向阀阀口排出，其阀口的尿素液体积流量曲线如图6所示。

图6 出液单向阀阀口尿素液体积流量曲线Fig.6 Urea volume flow curve at the valve port of outlet check valve

如图6所示，不同占空比D时，出液单向阀阀口尿素液的最大体积流量均一致，但最大体积流量保持时间随着占空比D升高而增加，使排出尿素液的总体积增加。因此，通过调节占空比D，即可线性调节胶囊泵的尿素液排量V。

胶囊外腔的尿素液由出液单向阀排出后，一部分尿素液直接经喷嘴喷射，另一部分进入泵内腔，喷嘴与泵内腔的尿素液体积流量曲线如图7所示。

图7 喷嘴与泵内腔尿素液体积流量曲线Fig.7 Urea volume flow curve in nozzle and pump cavity

如图7所示，由于初始状态下，泵内腔为常压空气，受喷嘴孔口节流影响，尿素液先迅速进入泵内腔，使其尿素液的体积流量达到最大值，随着泵内腔的压力升高，其尿素液体积流量逐渐降低，而喷嘴的尿素液体积流量逐渐增大。当出液单向阀阀口关闭时，泵内腔的尿素液在压力作用下反向经喷嘴喷射，因此，在后半周期泵内腔与喷嘴尿素液体积流量曲线关于x=0轴线对称。

为了验证尿素液周期性连续供给特性，得到出液单向阀及计量阀阀口的尿素液体积曲线如图8所示。

图8 出液单向阀与计量阀阀口尿素液体积曲线Fig.8 Urea volume curve at the valve ports of outlet check valve and metering valve

图中出液单向阀阀口的尿素液体积曲线呈阶梯状周期性上升，在出液单向阀阀口关闭时尿素液供给间断。而计量阀阀口的尿素液体积曲线呈周期性连续上升，其斜率先增大后减小，结果表明胶囊泵的尿素液供给具有良好的连续性。

不同占空比D与频率f时计量阀阀口尿素液体积曲线如图9，10所示。

图9 不同占空比D时喷嘴尿素液体积曲线Fig.9 Urea volume curve of nozzle at different duty ratio D

如图9所示，在0.6 s内，占空比D为10%～80%时，各体积曲线均周期性连续上升，且排出的尿素液体积量同步等比例增长。反正结果表明，胶囊泵具有较高的供给精度，在频率f一定时其排量V与占空比D成正比。

如图10所示，在0.6 s内，频率f为5～40 Hz时，各体积曲线均周期性连续上升，且排出的尿素液总体积均相等。仿真结果表明，胶囊泵具有良好的稳定性，在占空比D一定时其排量V与频率f无关。

图10 不同频率f时喷嘴尿素液体积曲线Fig.10 Urea volume curve of nozzle at different frequency f

3 试验研究

为验证胶囊泵的性能，研制了胶囊泵原理样机并搭建了试验系统，试验系统主要由PLC、触摸屏、压力表、高精度电子秤、喷嘴、压缩机等组成。在有效验证胶囊充、放气响应特性及气密性的基础上并分别对胶囊泵的流量特性、计量精度进行了测试。

通过触摸屏、PLC设置电磁阀2的频率f与占空比D，并采用高精度电子秤称量1 min后经由喷嘴排出的尿素液质量，得到不同频率f与占空比D时，胶囊泵的质量流量曲线如图11所示。

图11 胶囊泵质量流量曲线Fig.11 Mass flow curve of CPUP

由图11可以看出，频率f在2～40 Hz区间内，胶囊泵的质量流量均随着占空比D呈线性增长，且在占空比D相同，频率f不同时，胶囊泵的质量流量基本一致。

胶囊泵的供给精度δ可表示为：

式中 q1——测试质量流量，g/min；

q2——理论质量流量，g/min。

由式（19）得到胶囊泵的供给精度散点如图12所示。

图12 胶囊泵供给精度散点Fig.12 Scatter diagram of supply accuracy of CPUP

由图12可以看出，占空比D在10%～80%区间，且频率f为2～40 Hz时，胶囊泵的供给精度散点分布在±5%范围内。以上试验结果表明：频率f在2～40Hz区间，且占空比D在10%～80%区间，胶囊泵的质量流量可以在7～56 g/min范围内线性调节，喷射精度为±5%，胶囊泵能够满足SCR系统在不同工况的使用需求。

4 结论

（1）胶囊泵通过设置泵内腔结构，确保了尿素液周期性连续供给。同时，通过控制电磁阀启闭对胶囊泵气路进行调节，实现了泵体、喷嘴等处残留尿素液回收，有效避免了尿素泵残存尿素液导致的结晶问题。

（2）胶囊泵的排量V与占空比D成正比，通过设置占空比D即可对其排量V进行线性调节。且在占空比D一定时，其排量V与频率f无关。

（3）胶囊泵具有良好的流量调节特性与供给精度，在占空比10%～80%区间，其供给精度为±5%，质量流量可以在7～56 g/min范围内线性调节，能够满足SCR系统在不同工况的使用需求。