CN103615300A - 一种柴油机scr后处理系统或部件性能测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种柴油机SCR后处理系统或部件性能测试装置和方法，属于SCR系统或部件的性能测试领域。用信号发生器产生后处理电控单元控制所必须的输入信号，采用真实的后处理部件。通过计算机标定软件控制后处理系统工作，试验后处理电控单元控制功能的实现、试验尿素计量泵的工作特性、标定尿素喷嘴的喷射流量特性，并能通过堵头螺栓模拟尿素回流管路堵塞故障。此外，还提出一种气助式尿素计量泵配气比的控制方法，用于研究配气比对喷嘴喷射雾化、SCR后处理反应效率的影响。本发明可以完成后处理的大部分功能验证及少部分标定工作，同时具有装置简单、操作方便的优点，大大降低了试验成本、缩短了SCR后处理系统或部件的开发周期。

Description

一种柴油机SCR后处理系统或部件性能测试装置和方法

技术领域

本发明涉及一种柴油机SCR后处理系统或部件性能测试装置和方法，可以用于SCR系统或部件的性能测试。

背景技术

柴油机因具有热效率高、油耗低等优点得到广泛应用，但是柴油机缸内高温燃烧必然带来NOx排放的问题。目前节能环保已经成为全球关注的热点，排放法规日益严格，国IV法规要求NOx排放低于3.5g/kW·h，通过柴油机机内净化已经无法满足排放法规的要求，所以必须要加装高效的后处理装置。其中SCR后处理技术在欧美国家已经成为一项成熟的技术，国内SCR系统的大部分市场也被BOSCH等国外企业垄断。因此，国内多家企业正在积极发展自主的SCR系统技术。但是目前国内缺乏良好的SCR部件或系统测试平台，虽然有柴油机电控信号模拟器能够产生发动机信号用于测试，但是没有模拟柴油机后处理信号，尤其是NOx传感器CAN报文，无法用于SCR后处理系统或部件性能测试。国内SCR后处理技术的开发试验都是在发动机台架、整车上进行的，研发成本高、周期长。

发明内容

本发明提出一种柴油机后处理系统或部件性能试验的装置和方法，旨在解决目前国内SCR后处理系统开发过程中试验环境复杂、成本高、开发周期长的问题。本发明通过信号发生器产生所有发动机信号以及部分后处理信号，提供给后处理电控单元，采用真实的后处理部件。通过计算机上标定软件相关参数控制后处理电控单元控制整个后处理系统工作，可以对后处理电控单元、气助式尿素计量泵、尿素喷嘴的功能特性进行试验，也可以对整个后处理系统进行匹配试验。与发动机试验台架相比，本发明提供的装置结构简单、经济实用，能够完成发动机台架上SCR后处理试验的大部分功能验证和少部分参数标定工作，可以大大提高后处理试验的便捷性，缩短了后处理系统或部件的开发周期。

本发明提供的发动机后处理系统或部件性能试验装置包括尿素箱1，气助式尿素计量泵2，尿素喷嘴3，后处理电控单元4，发动机及部分后处理信号发生器5，量杯6，计算机7，堵头8，尿素回流管线9，气泵空压机10，调压阀11。

尿素箱1和气助式尿素计量泵2之间有进液、回流两根尿素管线；回流管线9中间部分是刚性材料，垂直方向有螺纹孔，堵头8是一个螺栓，两者实现无缝连接；气助式尿素计量泵2和尿素喷嘴3之间用尿素管线连接；尿素喷嘴3将尿素喷射到量杯中；量杯6和尿素箱1之间用塑料软水管连接，之间装有手动泄流阀；气泵空压机10和调压阀11通过空气管线连接，调压阀11和气助式尿素计量泵2通过空气管线连接。

后处理电控单元4与尿素箱1通过线束连接，获取尿素箱温度压力信号；与发动机及部分后处理信号发生器5通过线束连接，获取模拟的发动机信号及后处理系统的排温信号、NOx传感器CAN报文信息。

上述的发动机及部分后处理信号发生器5，一种电子模拟发动机控制所需输入信号的信号发生器，可以模拟产生所有发动机信号，以及后处理系统的排温信号、NOx传感器CAN报文信息，用于测试后处理电控单元4的控制逻辑功能。排温信号是通过输出0到5V的可调电压来模拟排温传感器实际电压信号，通过十圈电位器来实现。加热电磁阀信号通过拨位开关来实现。

上述的尿素箱1，气助式尿素计量泵2，尿素喷嘴3，后处理电控单元4都是真实的柴油机SCR后处理部件。

上述的量杯6安装在尿素喷嘴和尿素箱之间，用于测试尿素喷射量，计算尿素喷射流量，标定尿素喷嘴喷射流量特性。

上述的计算机7与后处理电控单元通过USB-CAN线连接，内置INCA、CANape等标定软件，用于监控整个后处理系统，试验后处理电控单元、气助式尿素计量泵、尿素喷嘴这三个后处理部件。

上述的堵头8是一个M6×30mm的合金钢材料螺栓，尿素回流管线9是一个内径5mm通孔、外围边长8mm方形的合金钢管线，在尿素回流管线9中部垂直开一个M6的内螺纹孔，与堵头8无间隙配合。堵头8、尿素回流管线9都采用合金钢材料，两者螺纹配合的地方无间隙，最高可以承受15bar的压力无泄漏。

上述的气泵空压机10额定排气压力为8bar，气罐容积50L，公称供给流量80L/min，调压阀11调压范围1bar到8bar，调压精度0.02bar。通过调压阀调节气助式尿素计量泵2的进气压力，根据气助式尿素泵上空气电磁阀的一定开度，可以控制泵的进气量，结合尿素喷射量得到空气、尿素配气比。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种SCR后处理部件或系统的测试环境，采用发动机信号、部分后处理信号发生器和真实的后处理部件，能够试验后处理电控单元对后处理系统的控制策略，测试气助式尿素计量泵的工作特性，标定尿素喷嘴的喷射流量。与在发动机台架上做后处理试验相比，本发明提出的装置、方法能够实现台架试验上的大部分后处理功能验证，少部分参数标定工作，可以大大提高后处理试验的便捷性，缩短了后处理系统或部件的开发周期。

附图说明：

图1是本发明的SCR后处理系统或部件性能测试装置图；

图中：1、尿素箱，2、气助式尿素计量泵，3、尿素喷嘴，4、后处理电控单元，5、发动机及部分后处理信号发生器，6、量杯，7、计算机，8、堵头，9、尿素回流管线，10、气泵空压机，11、调压阀。

具体实施方式

本发明提供的发动机后处理系统或部件性能试验装置包括尿素箱1，气助式尿素计量泵2，尿素喷嘴3，后处理电控单元4，发动机及部分后处理信号发生器5，量杯6，计算机7，堵头8，尿素回流管线9，气泵空压机10，调压阀11。

本发明采用发动机及部分后处理信号发生器5给后处理控制单元4提供后处理控制上所需的信号，后处理控制单元4真实驱动气助式尿素计量泵2、尿素喷嘴3工作。可以试验后处理电控单元4内部控制功能的实现情况；试验气助式尿素计量泵2的工作特性；标定尿素喷嘴3的喷射流量特性；并能模拟尿素回流管线9堵塞故障，检验后处理电控单元4相应的故障识别和诊断功能。本发明提供的试验环境可以针对后处理某一部件测试，包括后处理电控单元4、气助式尿素计量泵2、尿素喷嘴3，针对某一个部件测试时只需在本发明提供的装置上替换该部件即可，例如要试验一个后处理电控单元样件的内部控制功能，则用该样件替换掉本发明提供的装置中后处理电控单元4进行相关试验。本发明提供的试验环境还可以对后处理系统整体做匹配测试，安装需要测试的后处理电控单元、气助式尿素计量泵、尿素喷嘴三个后处理系统样件，替换掉本发明提供的装置中相应的部件即可。具体功能实现如下：

1、后处理控制单元控制策略测试

本发明提供的装置、方法可以用来测试后处理电控单元对后处理系统的控制策略。发动机及部分后处理信号发生器给后处理电控单元提供了发动机转速、扭矩、进气温度压力、排气温度、SCR下游NOx排放量等控制上需要的输入信号，通过计算机上的标定软件可以监控后处理电控单元的相关测量量，验证后处理电控单元根据发动机工况参数查MAP得到NOx原机排放的功能；验证后处理电控单元根据进气、排气温度计算SCR后处理温度的数学模型；验证后处理电控单元根据SCR后处理温度对SCR反应效率的计算；验证后处理电控单元根据模拟工况查NOx原机排放和模拟的下游NOx传感器CAN报文信息计算实际反应效率功能。

2、气助式尿素计量泵特性测试

通过调试计算机上标定软件的相关参数，后处理电控单元给气助式尿素计量泵相应的PWM电流控制，通过计算机上的标定软件实时监控泵压传感器信号、泵电机状态等相关参数，试验气助式尿素计量泵几个工作状态的实现情况，包括准备、充液、建压、计量、排空状态。

3、尿素喷嘴特性测试

本发明提供的装置可以标定尿素喷嘴的流量MAP。通过调试计算机上标定软件的相关参数，后处理电控单元通过PWM电流控制泵电机工作，在泵的计量状态下，后处理电控单元通过PID压力调节控制尿素泵压力稳定在一个值，一般为9bar，通过调节标定参数控制后处理电控单元给尿素喷嘴以不同占空比的PWM电流控制，用量杯测量尿素喷嘴的喷射量，并记录时间。量杯上设有A、B、C三个容积刻度，连续记录喷嘴喷射量达到A、B、C三个刻度时的时间t_a、t_b、t_c，根据三次测量计算尿素喷嘴的喷射量，并根据每次测量的容积刻度加权处理，计算出尿素喷嘴在特定泵压、电流占空比下的流量：

$Q\left(r\right)=1000\·\mathrm{\ρ}\·[\frac{A^2}{A+B+C}\·\frac{1}{t_a}+\frac{B^2}{A+B+C}\·\frac{1}{t_b}+\frac{C^2}{A+B+C}\·\frac{1}{t_c}]$

其中Q为所要计算的喷嘴流量，单位mg/s；r为喷嘴驱动占空比，单位%；A、B、C为三个容积刻度，单位ml；ρ为尿素密度g/ml；t_a、t_b、t_c为喷嘴喷射量达到A、B、C容积刻度的时间，单位s。

上述计算采用了多次测量加权计算的方法，减小测量误差，提高计算结果的可靠性。具体做法是先确定具体的试验点，即需要测试的尿素喷嘴驱动占空比r，例如对一个尿素喷嘴样件进行流量特性标定，确定标定0%、25%、50%、75%、100%五个喷嘴驱动占空比下的喷嘴流量。然后按照上述方法对每个占空比下的喷嘴流量进行测量，并用上述公式计算，每次测量、计算后，打开量杯6的泄流阀，待量杯6中的尿素全部流入到尿素箱后，关闭泄流阀，再进行下一个占空比下尿素喷嘴流量的测量。按照上述方法依次测试，完成不同尿素泵压力、喷嘴驱动占空比下的尿素喷嘴流量测试，得到Q=f(P,r)的MAP图。利用本发明提供的装置并结合如上公式处理可以快速、精确的标定出尿素喷嘴流量特性MAP，不需要在真实的发动机台架上标定。

4、尿素回流管线堵塞故障模拟

尿素回流管线堵塞是后处理系统的一个严重故障，后处理电控单元会在后处理系统正常工作之前检查是否有此故障并根据检测结果做相应的处理。后处理电控单元通常会根据尿素管线压力来判断是否堵塞，压力超过12bar时认为堵塞，直接终止后处理系统的工作，停机。本发明提供的装置可以模拟尿素回流管线堵塞故障，用于检查后处理电控单元控制策略中相应的识别、诊断功能。如附图2所示，在气助式尿素计量泵和尿素箱之间的回流管线上安装一个堵头螺栓，堵头螺栓没有拧下去时，尿素回流管线是正常的，没有故障；模拟尿素回流管线堵塞故障时，将堵头螺栓拧下去，如附图3所示，由于堵头螺栓与尿素管线的螺纹连接是无间隙连接，尿素回流管线被堵死，可承受压力是15bar。通过调试计算机上标定软件的相关后处理控制参数使后处理系统在后处理控制单元的控制下工作，试验后处理电控单元控制策略中的故障诊断功能。

5、气助式尿素计量泵配气比参数标定

尿素计量泵分气助式和非气助式两种，两者不同之处在于气助式计量泵供给尿素需要辅助进气系统，一般采用气泵空压机辅助进气。气助式尿素计量泵的辅助进气压力大小影响喷嘴喷射尿素的雾化效果，直接关系到SCR后处理系统对NOx的转化效率及SCR箱下游NOx排放值。

为了得到气助式尿素计量泵最佳进气效果，本发明提出一种控制参数：最佳配气比，定义为实现气助式尿素计量泵最佳控制效果的辅助进气压力与尿素喷射量的比值ω，无单位。对于不同的气助式尿素计量泵、不同的SCR后处理系统，最佳配气比也不同。结合本发明装置提出一种实验标定柴油机SCR后处理系统配气比的方法。采用稳态13工况（欧洲车辆排放标准测试工况）作为实验工况，对于每个工况点，通过气泵空压机输出稳定的8bar流动空气，用调压阀调节气助式尿素计量泵的进气压力，测得SCR箱下游NOx排放最低点的进气压力为该工况下的最佳进气压力P_i，结合容积式标定的尿素喷射量Q_i，即可得到气助式尿素计量泵的配气比ω。

$\mathrm{\ω}=1000\·\mathrm{\Σf}\left(i\right)\·\frac{P_i}{Q_i}$

上式根据稳态13工况点的测试结果结合各工况不同加权系数计算柴油机SCR后处理系统配气比。

其中P_i为第i个工况点的最佳进气压力（单位bar）；Q_i为第i个工况点下后处理电控单元控制的尿素喷射量（单位mg/s）；f(i)为第i个工况点的加权系数。

Claims (6)

1.一种柴油机后处理系统或部件性能试验装置，其特征在于：包括尿素箱（1），气助式尿素计量泵（2），尿素喷嘴（3），后处理电控单元（4），发动机及部分后处理信号发生器（5），量杯（6），计算机（7），堵头（8），尿素回流管线（9），气泵空压机（10），调压阀（11）；尿素箱（1）和尿素计量泵（2）之间有进液管线和尿素回流管线（9）两根尿素管线；尿素回流管线（9）上设有堵头（8）；尿素计量泵（2）和尿素喷嘴（3）之间用尿素管线连接；尿素喷嘴（3）将尿素喷射到量杯（6）中；量杯（6）和尿素箱（1）之间用塑料软水管连接，之间装有手动泄流阀；气泵空压机（10）和调压阀（11）通过空气管线连接，调压阀（11）和气助式尿素计量泵（2）通过空气管线连接；后处理电控单元（4）与尿素箱（1）通过线束连接，获取尿素箱温度压力信号；与发动机及部分后处理信号发生器（5）通过线束连接。

2.根据权利要求1所述的一种柴油机后处理系统或部件性能试验装置，其特征在于发动机及后处理信号发生器是一种电子模拟发动机控制所需输入信号的信号发生器。

3.根据权利要求1所述的一种柴油机后处理系统或部件性能试验装置，其特征在于对后处理某一部件测试，包括后处理电控单元、气助式尿素计量泵、尿素喷嘴，针对某一个部件测试时只需在上述装置上替换该部件即可；或者对整个后处理系统做匹配测试，安装需要测试的后处理电控单元、气助式尿素计量泵、尿素喷嘴三个后处理系统样件，替换掉上述装置中相应的部件即可。

4.根据权利要求1所述的一种柴油机后处理系统或部件性能试验装置，其特征在于堵头、尿素回流管线都采用合金钢材料，两者螺纹配合。

5.应用权利要求1所述的一种柴油机后处理系统或部件性能试验装置，提出了一种尿素喷嘴流量MAP标定方法，即尿素喷嘴喷射流量与其驱动占空比的关系曲线；其特征在于：是先确定尿素喷嘴样件的试验占空比r；对于每个占空比，用量杯测量尿素喷嘴的喷射量，并记录时间；量杯上设有A、B、C三个容积刻度，连续记录喷嘴喷射量达到A、B、C三个刻度时的时间t_a、t_b、t_c，根据测量结果用如下公式计算得到尿素喷嘴流量样件特性；

$Q\left(r\right)=1000\·\mathrm{\ρ}\·[\frac{A^2}{A+B+C}\·\frac{1}{t_a}+\frac{B^2}{A+B+C}\·\frac{1}{t_b}+\frac{C^2}{A+B+C}\·\frac{1}{t_c}]$

其中Q为所要计算的喷嘴流量，单位mg/s；r为喷嘴驱动占空比，单位%；A、B、C为三个容积刻度，单位ml；ρ为尿素密度g/ml；t_a、t_b、t_c为喷嘴喷射量达到A、B、C容积刻度的时间，单位s。

6.应用权利要求1所述的一种柴油机后处理系统或部件性能试验装置，提出一种气助式尿素计量泵的控制参数：配气比；并提出配气比参数试验计算的方法，其特征在于：

采用稳态13工况，即欧洲车辆排放标准试验工况作为试验工况，结合工况加权系数计算柴油机SCR后处理系统配气比；具体做法是对于每个工况点，通过气泵空压机输出稳定的8bar流动空气，用调压阀调节气助式尿素计量泵的进气压力，测得SCR箱下游NOx排放最低点的进气压力为该工况下的最佳进气压力Pi，结合容积式标定的尿素喷射量Qi，即得到气助式尿素计量泵的配气比ω；

$\mathrm{\ω}=1000\·\mathrm{\Σf}\left(i\right)\·\frac{P_i}{Q_i}$

其中f(i)为第i个工况点的加权系数，由每个工况下的发动机原机NOx排放值除以稳态13工况原机NOx排放值之和得到；

对于配有气助式尿素计量泵SCR系统的柴油机，根据配气比进行实时调整泵的辅助进气压力，优化SCR后处理系统对NOx排放物的转化效率。

Images