江大学报 2017年5月第38卷第3期 (自然科学版) May 2017 Vol 38 No. 3 JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSIT Y(Natural Science Edition) doi:10.3969/j.issn.1671-7775.2017.03.006 SCR尿素泵研究进展及关键技术分析 潘希伟',杨曙东,史有程,石转',杜广杰2 (1.华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉430074;2.华中科技大学无锡研究院,江苏无锡214100 摘要:针对尿素泵主要存在精度不稳定、可靠性差和尿素结晶等问题,介绍了国内外SCR技术和 尿素泵的研究进展,分析了不同厂家尿素泵的结构性能及不同结构型式泵单元的优缺点,并探讨了 尿素泵的关键技术问題,主要包括计量精度控制、设计制造技术、驱动技术、尿素喷雾特性、尿素结 晶控制及控制策略等.结果表眀:空气辅助式尿素泵借助压縮空气辅助雾化,雾化效果更好;泵控式 计量的尿素泵计量精度控制的关键在于泵流量的稳定性和液路单向阀稳定性,而阀控式尿素泵关 键在于保持泵端压力稳定和喷射阀精确控制;尿素泵研究难点在于定量或定性分析尿素泵各失效 模式的影响因素;尿素泵泵单元要求完全密封和使用寿命长,宜采用隔膜泵 关键词:尿素泵;SCR技术;研究进展;泵单元;计量精度 中图分类号:TU461.99文献标志码:A文章编号:1671-7775(2017)03-0280-09 引文格式:潘希伟,杨曙东,史有程,等.SCR尿素泵研究进展及关键技术分析[]江苏大学学报(自然科学版),2017,38(3) 280=288 Research progress and key technologies analysis of scr urea pump PAN Xinei, YANG Shudong, SHI Youcheng, SHI Zhuan, DU Guangjie (1. School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China 2. Wuxi Research Institute, Huazhong University of Science and Technology, Wuxi, Jiangsu 214100, China) Abstract: Aiming at the mainly existed problems of unstable precision, poor reliability and urea crystallization of urea pump, the research progress of SCR technology and urea pump at home and abroad was introduced. The structure properties of different urea pumps and the pros and cons of different structural types of pump units were analyzed. The key technical problems of urea pump were analyzed mainly including measurement accuracy control, design and manufacturing technology, drive technology, urea spray characteristics, urea crystallization control, control strategies and so on. The results show that the atomization effect of air-assisted urea pump with compressed air assisted atomization is much better The stabilities of pump flow rate and liquid one-way valve are the key to the measurement accuracy control of the pump controlled metering urea pump The stable pump pressure and the precise injection valve control are the key to the valve controlled metering urea pump. The urea pump researcl lie in the quantitative or qualitative analysis of the influence factors of failure modes. The requires complete sealing and long life in urea pump, and it is better to adopt diaphragm Key words: urea pump; SCR technology; research progress; pump unit; measurement accuracy 收稿日期:2016-042 基金项目:江苏省科技计划项目(BY2016025-01 作者简介:潘希伟(1988-),男,湖北黄石人,博士研究生(pw1027@163.com),主要从事汽车后处理关键技术的研究 杨曙东(1962-),男,湖北广水人,教授,博士生导师(yangs@mail.hust.edu.cn),主要从事特种液压、气动元件及系统开发与
２０１７年 ５月 Ｍａｙ２０１７ 第 ３８卷 第 ３期 Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．３ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７７７５．２０１７．０３．００６ ＳＣＲ尿素泵研究进展及关键技术分析 潘希伟１ ，杨曙东１ ，史有程１ ，石 转１ ，杜广杰２ （１．华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 ４３００７４；２．华中科技大学 无锡研究院，江苏 无锡 ２１４１００） 摘要：针对尿素泵主要存在精度不稳定、可靠性差和尿素结晶等问题，介绍了国内外 ＳＣＲ技术和 尿素泵的研究进展，分析了不同厂家尿素泵的结构性能及不同结构型式泵单元的优缺点，并探讨了 尿素泵的关键技术问题，主要包括计量精度控制、设计制造技术、驱动技术、尿素喷雾特性、尿素结 晶控制及控制策略等．结果表明：空气辅助式尿素泵借助压缩空气辅助雾化，雾化效果更好；泵控式 计量的尿素泵计量精度控制的关键在于泵流量的稳定性和液路单向阀稳定性，而阀控式尿素泵关 键在于保持泵端压力稳定和喷射阀精确控制；尿素泵研究难点在于定量或定性分析尿素泵各失效 模式的影响因素；尿素泵泵单元要求完全密封和使用寿命长，宜采用隔膜泵． 关键词：尿素泵；ＳＣＲ技术；研究进展；泵单元；计量精度 中图分类号：ＴＵ４６１．９９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－７７７５（２０１７）０３－０２８０－０９ 引文格式：潘希伟，杨曙东，史有程，等．ＳＣＲ尿素泵研究进展及关键技术分析［Ｊ］．江苏大学学报（自然科学版），２０１７，３８（３）： ２８０－２８８． 收稿日期：２０１６－０４－２６ 基金项目：江苏省科技计划项目（ＢＹ２０１６０２５－０１） 作者简介：潘希伟（１９８８—），男，湖北黄石人，博士研究生（ｐｘｗ１０２７＠１６３．ｃｏｍ），主要从事汽车后处理关键技术的研究． 杨曙东（１９６２—），男，湖北广水人，教授，博士生导师（ｙａｎｇｓｄ＠ｍａｉｌ．ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事特种液压、气动元件及系统开发与 应用的研究． ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆＳＣＲｕｒｅａｐｕｍｐ ＰＡＮＸｉｗｅｉ１ ，ＹＡＮＧＳｈｕｄｏｎｇ１ ，ＳＨＩＹｏｕｃｈｅｎｇ１ ，ＳＨＩＺｈｕａｎ１ ，ＤＵＧｕａｎｇｊｉｅ２ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ４３００７４，Ｃｈｉｎａ； ２．ＷｕｘｉＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｘｉ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１４１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｍａｉｎｌｙｅｘｉｓｔｅｄｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｕｎｓｔａｂｌｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｐｏｏｒｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｕｒｅａ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｕｒｅａｐｕｍｐ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＳＣＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｕｒｅａｐｕｍｐａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ ｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｕｒｅａｐｕｍｐｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｓａｎｄｃｏｎｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｔｙｐｅｓｏｆｐｕｍｐｕｎｉｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｕｒｅａｐｕｍｐｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ ｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｒｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｕｒｅａｓｐｒａｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｕｒｅａｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓａｎｄｓｏｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ ｔｈｅａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆａｉｒａｓｓｉｓｔｅｄｕｒｅａｐｕｍｐｗｉｔｈｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄａｉｒａｓｓｉｓｔｅｄａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｉｓｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒ． Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｐｕｍｐｆｌｏｗｒａｔｅａｎｄｌｉｑｕｉｄｏｎｅｗａｙｖａｌｖｅａｒｅｔｈｅｋｅｙｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｐｕｍｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍｅｔｅｒｉｎｇｕｒｅａｐｕｍｐ．Ｔｈｅｓｔａｂｌｅｐｕｍｐｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｖａｌｖｅｃｏｎｔｒｏｌａｒｅｔｈｅｋｅｙｔｏｔｈｅｖａｌｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍｅｔｅｒｉｎｇｕｒｅａｐｕｍｐ．Ｔｈｅｕｒｅａｐｕｍｐｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｌｉｅｉｎｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｏｒｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓ．Ｔｈｅｐｕｍｐｕｎｉｔ ｒｅｑｕｉｒｅｓｃｏｍｐｌｅｔｅｓｅａｌｉｎｇａｎｄｌｏｎｇｌｉｆｅｉｎｕｒｅａｐｕｍｐ，ａｎｄｉｔｉｓｂｅｔｔｅｒｔｏａｄｏｐｔｄｉａｐｈｒａｇｍｐｕｍｐ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｒｅａｐｕｍｐ；ＳＣＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ；ｐｕｍｐｕｎｉｔ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ
第3期 潘希伟等:SCR尿素泵研究进展及关键技术分析 281 为减少柴油车尾气排放中NO2的含量,世界各 CR技术最早应用于火力发电厂、锅炉等固定 国均制定了严格的尾气排放法规我国现行的国Ⅳ式污染源,使用其脱硝技术降低NO,的排放),其 排放标准在限值上与欧Ⅳ排放标准相同,要求NO,后逐步应用于柴油发动机领域.20世纪80年代中 的排放值低于3.5g·(kW·h),而欧洲现行的欧期,欧洲在柴油发动机上已开始探索采用SCR技术 Ⅵ排放标准要求NO,的排放值低于0.4g·(kW·来控制NO,的排放1.1995年,荷兰国家应用科学 h)1.目前,国际上降低柴油车NO,排放的主要研究院首次将SCR系统应用在重型柴油车上,并进 技术有废气再循环( exhaust gas recirculation,EGR)行了SCR系统试验,可以使NO,排放降低至1.0 技术、选择性催化还原( selective catalytic reduction,g·(kW·h)-以下,由此确立了SCR技术在柴油 SCR)技术、NO吸附转化器( ean no2map,LNT)技车NO,排放控制领域的应用地位9-2) 术等2-6.其中,EGR技术能够达到欧Ⅴ排放标准 文献[2l]进行还原反应机理试验研究,证明了 的要求,但目前无法达到欧Ⅵ排放标准的要求; SCR NE3和NO,在钒基SCR催化剂上的反应主要遵循 技术和LNT技术相对成熟,能够达到欧Ⅵ标准要求.Eley-idel机理.文献[22]建立柴油机NO.生成模 比较而言,SCR技术的NO转化效率较高、发动机控型,并对SCR还原反应的过程进行数值仿真分析及 制简单、燃油经济性好、技术升级也相对容易,已成为试验验证.文献[23-24]提出扩散限制模型和快速 国际上降低柴油车NO排放的主流技术方法.混合模型,对尿素溶液的单个液滴雾化过程进行分 笔者详细介绍国内外SCR技术的研究进展,并重点析.文献[25-26]通过试验对尿素沉积物进行分析 介绍SCR系统中核心部件尿素泵的研究情况,同时硏究.文献[27]提出根据微扰理论精确分析NO,和 对比分析各种不同型式的尿素泵结构.探讨研发尿素NH1浓度的计算方法.文献[28-29]实现SCR系统 泵的关键技术问题,以供相关研究人员参考. 的闭环控制,并进行了台架试验.美国通用公司采用 了基于功率谱分析的频域分析法和基于时间连续性 1SCR技术研究进展 的时域分析法,对SCR系统进行了故障诊断 与国外相比,国内对SCR技术的研究起步较 SCR技术的基本原理是向排气管中喷射还原晚,在初期相关发动机与汽车企业主要以引进国外 剂,并选择合适的催化剂,促进还原剂与NO2反应,成熟产品为主.近些年来,潍柴、玉柴 同时抑制还原剂被氧化还原剂通常选用质量分国内企业分别同国外SCR系统供应商或科研机构 数为32.5%的尿素溶液,也有选择碳氢燃料的SCR合作研发了适合于中重型柴油机的SCR技术,并已 ( HC-SCR)技术但 HC-SCR技术低温活性差,起燃达到国ⅣV排放标准的要求国内一些高校及科研院 温度偏高很难达到欧Ⅵ标准要求目前还处于研究所也相继开展了SCR技术的研究武汉理工大学对 阶段,采用尿素溶液作为还原剂的SCR技术已SCR系统的控制策略、故障诊断数值仿真等方面进 成为主流的柴油车NO.后处理技术,在国际上已广行了较为深入研究;北京理工大学对SCB系 泛应用-1.SCR系统结构原理示意图如图1所统的排放特性、尿素喷雾特性等方面进行了试验研 示,主要包括尿素泵、催化器、喷嘴、尿素溶液箱、控究:清华大学对SCR系统催化剂的储氨特性、瞬 制单元及各类传感器等,其中无空气辅助式系统不态循环下的NO.排放预测模型等方面进行了研 需要压缩空气 究;吉林大学采用不同的故障诊断方法对SCR 液位传感器 系统的控制策略进行了研究;军事交通学院对 温度传器器 sCR系统的控制策略及故障管理机制进行了研 (空气罐 原案菜CA单元发动机 究 因起步较晚、人力和物力投入有限,我国的SCR 技术与国外相比仍存在一定的差距国外SCR技术 喷嘴 温度传感器 在中重型柴油车上的应用非常成熟,欧洲和美国等 气管进口 掉气管 的技术水平处于国际领先地位国内一些企业研发 scR化器 的SCR系统产品性能已基本达到使用要求,但产品 图1SCR系统结构原理示意图 的耐久性有待考验,稳定性也有待提高
第 ３期 潘希伟等：ＳＣＲ尿素泵研究进展及关键技术分析 ２８１ 为减少柴油车尾气排放中 ＮＯｘ的含量，世界各 国均制定了严格的尾气排放法规．我国现行的国Ⅳ 排放标准在限值上与欧Ⅳ排放标准相同，要求 ＮＯｘ 的排放值低于 ３．５ｇ·（ｋＷ·ｈ）－１ ，而欧洲现行的欧 Ⅵ排放标准要求 ＮＯｘ的排放值低于 ０．４ｇ·（ｋＷ· ｈ）－１［１］ ．目前，国际上降低柴油车 ＮＯｘ 排放的主要 技术有废气再循环（ｅｘｈａｕｓｔｇａｓｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ，ＥＧＲ） 技术、选择性催化还原（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｃａｔａｌｙｔｉｃｒｅｄｕｃｔｉｏｎ， ＳＣＲ）技术、ＮＯｘ吸附转化器（ｌｅａｎＮＯｘｔｒａｐ，ＬＮＴ）技 术等［２－６］ ．其中，ＥＧＲ技术能够达到欧Ⅴ排放标准 的要求，但目前无法达到欧Ⅵ排放标准的要求；ＳＣＲ 技术和 ＬＮＴ技术相对成熟，能够达到欧Ⅵ标准要求． 比较而言，ＳＣＲ技术的 ＮＯｘ转化效率较高、发动机控 制简单、燃油经济性好、技术升级也相对容易，已成为 国际上降低柴油车 ＮＯｘ排放的主流技术方法［７－１２］ ． 笔者详细介绍国内外 ＳＣＲ技术的研究进展，并重点 介绍 ＳＣＲ系统中核心部件尿素泵的研究情况，同时 对比分析各种不同型式的尿素泵结构，探讨研发尿素 泵的关键技术问题，以供相关研究人员参考． １ ＳＣＲ技术研究进展 ＳＣＲ技术的基本原理是向排气管中喷射还原 剂，并选择合适的催化剂，促进还原剂与 ＮＯｘ反应， 同时抑制还原剂被氧化［１３］ ．还原剂通常选用质量分 数为 ３２．５％的尿素溶液，也有选择碳氢燃料的 ＳＣＲ （ＨＣＳＣＲ）技术；但 ＨＣＳＣＲ技术低温活性差、起燃 温度偏高，很难达到欧Ⅵ标准要求，目前还处于研究 阶段［１４］ ．采用尿素溶液作为还原剂的 ＳＣＲ技术已 成为主流的柴油车 ＮＯｘ后处理技术，在国际上已广 泛应用［１５－１６］ ．ＳＣＲ系统结构原理示意图如图 １所 示，主要包括尿素泵、催化器、喷嘴、尿素溶液箱、控 制单元及各类传感器等，其中无空气辅助式系统不 需要压缩空气． 图 １ ＳＣＲ系统结构原理示意图 ＳＣＲ技术最早应用于火力发电厂、锅炉等固定 式污染源，使用其脱硝技术降低 ＮＯｘ的排放［１７］ ，其 后逐步应用于柴油发动机领域．２０世纪 ８０年代中 期，欧洲在柴油发动机上已开始探索采用 ＳＣＲ技术 来控制 ＮＯｘ的排放［１８］ ．１９９５年，荷兰国家应用科学 研究院首次将 ＳＣＲ系统应用在重型柴油车上，并进 行了 ＳＣＲ系统试验，可以使 ＮＯｘ 排放降低至 １．０ ｇ·（ｋＷ·ｈ）－１ 以下，由此确立了 ＳＣＲ技术在柴油 车 ＮＯｘ排放控制领域的应用地位［１９－２０］ ． 文献［２１］进行还原反应机理试验研究，证明了 ＮＨ３和 ＮＯｘ在钒基 ＳＣＲ催化剂上的反应主要遵循 ＥｌｅｙＲｉｄｅａｌ机理．文献［２２］建立柴油机 ＮＯｘ生成模 型，并对 ＳＣＲ还原反应的过程进行数值仿真分析及 试验验证．文献［２３－２４］提出扩散限制模型和快速 混合模型，对尿素溶液的单个液滴雾化过程进行分 析．文献［２５－２６］通过试验对尿素沉积物进行分析 研究．文献［２７］提出根据微扰理论精确分析 ＮＯｘ和 ＮＨ３浓度的计算方法．文献［２８－２９］实现 ＳＣＲ系统 的闭环控制，并进行了台架试验．美国通用公司采用 了基于功率谱分析的频域分析法和基于时间连续性 的时域分析法，对 ＳＣＲ系统进行了故障诊断［３０］ ． 与国外相比，国内对 ＳＣＲ技术的研究起步较 晚，在初期相关发动机与汽车企业主要以引进国外 成熟产品为主．近些年来，潍柴、玉柴、一汽和重汽等 国内企业分别同国外 ＳＣＲ系统供应商或科研机构 合作研发了适合于中重型柴油机的 ＳＣＲ技术，并已 达到国 ＩＶ排放标准的要求．国内一些高校及科研院 所也相继开展了 ＳＣＲ技术的研究．武汉理工大学对 ＳＣＲ系统的控制策略、故障诊断、数值仿真等方面进 行了较为深入研究［３１－３２］ ；北京理工大学对 ＳＣＲ系 统的排放特性、尿素喷雾特性等方面进行了试验研 究［３３］ ；清华大学对 ＳＣＲ系统催化剂的储氨特性、瞬 态循环下的 ＮＯｘ 排放预测模型等方面进行了研 究［３４］ ；吉林大学采用不同的故障诊断方法对 ＳＣＲ 系统的控制策略进行了研究［３５］ ；军事交通学院对 ＳＣＲ系统的控制策略及故障管理机制进行了研 究［３６］ ． 因起步较晚、人力和物力投入有限，我国的 ＳＣＲ 技术与国外相比仍存在一定的差距．国外 ＳＣＲ技术 在中重型柴油车上的应用非常成熟，欧洲和美国等 的技术水平处于国际领先地位．国内一些企业研发 的 ＳＣＲ系统产品性能已基本达到使用要求，但产品 的耐久性有待考验，稳定性也有待提高．
282 江苏大学学报(自然科学版) 第38卷 溶液具有腐蚀性,喷射阀须采用耐介质性和密封性 2尿素泵研究进展 良好的材料.此外,大多无空气辅助式尿素泵的喷射 阀直接安装在高温的排气管上,需设计合理的降温 尿素泵作为SCR系统的核心部件之一,是一种装置来保证其正常工作 将尿素溶液输送至尿素喷嘴的装置,主要由泵单元 根据排空方式的不同,尿素泵可采用压缩空气 驱动单元、电控单元、阀控单元及辅助元件等构成.吹扫排空、换向电磁阀倒吸排空、泵电动机反转排空 根据雾化方式的不同,尿素泵可分为空气辅助式和或电磁隔膜泵抽吸排空等.其中,空气辅助式尿素泵 无空气辅助式2类.空气辅助式尿素泵是一种通过均采用压缩空气吹扫排空,而无空气辅助式尿素泵 压缩空气辅助将具有精确计量的尿素溶液输送至可采用换向电磁阀倒吸排空、泵电动机反转排空或 喷嘴的装置.无空气辅助式尿素泵是一种将具有电磁隔膜泵抽吸排空等. 稳定压力的尿素溶液输送至喷嘴的装置.其中,空 根据压缩空气与尿素溶液混合位置的不同,空 气辅助式尿素泵借助压缩空气辅助雾化,雾化效气辅助式尿素泵可采用泵端混合或喷嘴端混合.泵 果更好 端混合是将压缩空气与尿素溶液在尿素泵内的混合 根据计量方式的不同,尿素泵可采用泵控式计腔进行混合,然后通过喷射管路将气液混合物输送 量或阀控式计量泵控式计量是通过控制泵的转速至喷嘴.喷嘴端混合是将压缩空气与尿素溶液在喷 来实现尿素溶液的定量供给,影响其计量精度的关嘴内的混合腔进行混合.其中,喷嘴端混合直接将气 键因素是泵流量的稳定性和液路单向阀的稳定性.液混合物输送至尾气管,雾化效果更妇 阀控式计量是通过控制喷射阀的开启时间来实现尿 尿素泵的主要性能指标有计量精度、压力稳定 素溶液的定量供给,影响其计量精度的关键因素是性及使用寿命等,类尿素泵的工作介质为质量分 泵压力的稳定性和喷射阀控制的准确性.其中,空气数为32.5%的尿素溶液,环境温度为-40~85℃, 辅助式尿素泵可采用泵控式计量或阀控式计量,而介质温度为5~55℃,工作电压为DCI2/24V,主要 无空气辅助式尿素泵均采用阀控式计量.由于尿素技术参数如表1所示 表1尿素泵主要技术参数 泵额定压 泵额定流量 雾化介质 压缩空气 雾化粒径/ (Lh1) 压力/MPa消耗量/(L 空气辅助式0.15~0.30 5~10 车载压缩空气 无空气辅助式0.50~1.00 ≤100 2.1国外研究概况 集成度更高、体积更小,其喷射压力约为0.5MPa 随着SCR技术的迅速发展,欧美等发达国家推其余性能参数与DeNO,1.0泵相近.2008年, Bosch 出了较为成熟的尿素泵产品.在尿素泵研发初期,空推出了DeNO2.1泵的升级产品DeNO2.2泵,其喷 气辅助式尿素泵由于尿素溶液雾化效果好而得到广射压力约为09MPa,额定流量为7.2L·h-,使用 泛应用.随后,为适应无压缩空气源的轻型柴油车,寿命约为24000h,其余性能参数与DeNO,2.1泵相 各企业相继推出了无空气辅助式尿素泵.目前,国外近,可满足欧Ⅵ排放标准的要求,为Boch公司最主 研发尿素泵的企业主要有德国的 Bosch, Emitec,A-要尿素泵产品,其失效模式有尿素接头断裂、膜片杂 bonar和美国的 Tenneco, Cummins等 质聚集及换向阀开裂等.2014年,针对我国及新兴 2004年,德国的 Bosch最先推出了空气辅助式市场的需求,Boch又推出了无空气辅助式尿素泵 尿素泵DeNO,1.0,其泵单元为隔膜泵,采用阀控式DeNO.6.5,与DeNO,2.2泵相比减少了换向电磁阀 计量、压缩空气吹扫排空、泵端混合,计量精度为和逆反调节装置,避免了换向阀开裂失效,增加了电 ±5%,喷射压力为0.2MPa,额定流量为9L·h-,磁隔膜泵,结构更简单、体积更小、成本更低,采用电 压缩空气消耗量约为20L·min-,使用寿命约为磁隔膜泵抽吸排空,其喷射压力约为0.5MPa,额定 2000h,满足欧Ⅴ排放标准的要求.2005年, Bosch流量为5.4L·h,使用寿命约为12000h,其整体 推出了无空气辅助式尿素泵DeNO2.1,其泵单元为性能与DeNO,22泵相比有所下降,满足国Ⅳ排放 隔膜泵,采用阀控式计量、换向电磁阀倒吸排空,与标准的要求 DeNO21.0泵相比减少了压缩空气输送的相关管路, 2006年,丹麦 Grundfos推出了空气辅助式尿素
２８２ 第 ３８卷 ２ 尿素泵研究进展 尿素泵作为 ＳＣＲ系统的核心部件之一，是一种 将尿素溶液输送至尿素喷嘴的装置，主要由泵单元、 驱动单元、电控单元、阀控单元及辅助元件等构成． 根据雾化方式的不同，尿素泵可分为空气辅助式和 无空气辅助式 ２类．空气辅助式尿素泵是一种通过 压缩空气辅助将具有精确计量的尿素溶液输送至 喷嘴的装置．无空气辅助式尿素泵是一种将具有 稳定压力的尿素溶液输送至喷嘴的装置．其中，空 气辅助式尿素泵借助压缩空气辅助雾化，雾化效 果更好． 根据计量方式的不同，尿素泵可采用泵控式计 量或阀控式计量．泵控式计量是通过控制泵的转速 来实现尿素溶液的定量供给，影响其计量精度的关 键因素是泵流量的稳定性和液路单向阀的稳定性． 阀控式计量是通过控制喷射阀的开启时间来实现尿 素溶液的定量供给，影响其计量精度的关键因素是 泵压力的稳定性和喷射阀控制的准确性．其中，空气 辅助式尿素泵可采用泵控式计量或阀控式计量，而 无空气辅助式尿素泵均采用阀控式计量．由于尿素 溶液具有腐蚀性，喷射阀须采用耐介质性和密封性 良好的材料．此外，大多无空气辅助式尿素泵的喷射 阀直接安装在高温的排气管上，需设计合理的降温 装置来保证其正常工作． 根据排空方式的不同，尿素泵可采用压缩空气 吹扫排空、换向电磁阀倒吸排空、泵电动机反转排空 或电磁隔膜泵抽吸排空等．其中，空气辅助式尿素泵 均采用压缩空气吹扫排空，而无空气辅助式尿素泵 可采用换向电磁阀倒吸排空、泵电动机反转排空或 电磁隔膜泵抽吸排空等． 根据压缩空气与尿素溶液混合位置的不同，空 气辅助式尿素泵可采用泵端混合或喷嘴端混合．泵 端混合是将压缩空气与尿素溶液在尿素泵内的混合 腔进行混合，然后通过喷射管路将气液混合物输送 至喷嘴．喷嘴端混合是将压缩空气与尿素溶液在喷 嘴内的混合腔进行混合．其中，喷嘴端混合直接将气 液混合物输送至尾气管，雾化效果更好． 尿素泵的主要性能指标有计量精度、压力稳定 性及使用寿命等，２类尿素泵的工作介质为质量分 数为 ３２．５％的尿素溶液，环境温度为 －４０～８５℃， 介质温度为 ５～５５℃，工作电压为 ＤＣ１２／２４Ｖ，主要 技术参数如表 １所示． 表 １ 尿素泵主要技术参数 泵型 泵额定压力／ ＭＰａ 泵额定流量／ （Ｌ·ｈ－１） 雾化介质 雾化介质入口 压力／ＭＰａ 压缩空气 消耗量／（Ｌ·ｍｉｎ－１） 雾化粒径／ μｍ 空气辅助式 ０．１５～０．３０ ５～１０ 车载压缩空气 ０．６～１．０ ０～２０ ≤５０ 无空气辅助式 ０．５０～１．００ ５～１０ ≤１００ ２．１ 国外研究概况 随着 ＳＣＲ技术的迅速发展，欧美等发达国家推 出了较为成熟的尿素泵产品．在尿素泵研发初期，空 气辅助式尿素泵由于尿素溶液雾化效果好而得到广 泛应用．随后，为适应无压缩空气源的轻型柴油车， 各企业相继推出了无空气辅助式尿素泵．目前，国外 研发尿素泵的企业主要有德国的 Ｂｏｓｃｈ，Ｅｍｉｔｅｃ，Ａｌ ｂｏｎａｉｒ和美国的 Ｔｅｎｎｅｃｏ，Ｃｕｍｍｉｎｓ等． ２００４年，德国的 Ｂｏｓｃｈ最先推出了空气辅助式 尿素泵 ＤｅＮＯｘ１．０，其泵单元为隔膜泵，采用阀控式 计量、压缩空气吹扫排空、泵端混合，计量精度为 ±５％，喷射压力为 ０．２ＭＰａ，额定流量为 ９Ｌ·ｈ－１ ， 压缩空气消耗量约为 ２０Ｌ·ｍｉｎ－１ ，使用寿命约为 １２０００ｈ，满足欧Ⅴ排放标准的要求．２００５年，Ｂｏｓｃｈ 推出了无空气辅助式尿素泵 ＤｅＮＯｘ２．１，其泵单元为 隔膜泵，采用阀控式计量、换向电磁阀倒吸排空，与 ＤｅＮＯｘ１．０泵相比减少了压缩空气输送的相关管路， 集成度更高、体积更小，其喷射压力约为 ０．５ＭＰａ， 其余性能参数与 ＤｅＮＯｘ１．０泵相近．２００８年，Ｂｏｓｃｈ 推出了 ＤｅＮＯｘ２．１泵的升级产品 ＤｅＮＯｘ２．２泵，其喷 射压力约为 ０．９ＭＰａ，额定流量为 ７．２Ｌ·ｈ－１ ，使用 寿命约为 ２４０００ｈ，其余性能参数与ＤｅＮＯｘ２．１泵相 近，可满足欧Ⅵ排放标准的要求，为 Ｂｏｓｃｈ公司最主 要尿素泵产品，其失效模式有尿素接头断裂、膜片杂 质聚集及换向阀开裂等．２０１４年，针对我国及新兴 市场的需求，Ｂｏｓｃｈ又推出了无空气辅助式尿素泵 ＤｅＮＯｘ６．５，与 ＤｅＮＯｘ２．２泵相比减少了换向电磁阀 和逆反调节装置，避免了换向阀开裂失效，增加了电 磁隔膜泵，结构更简单、体积更小、成本更低，采用电 磁隔膜泵抽吸排空，其喷射压力约为 ０．５ＭＰａ，额定 流量为 ５．４Ｌ·ｈ－１ ，使用寿命约为 １２０００ｈ，其整体 性能与 ＤｅＮＯｘ２．２泵相比有所下降，满足国Ⅳ排放 标准的要求． ２００６年，丹麦 Ｇｒｕｎｄｆｏｓ推出了空气辅助式尿素
第3期 潘希伟等:SCR尿素泵研究进展及关键技术分析 283 泵UDS,其泵单元为隔膜泵,采用泵控式计量、压缩素泵Eim-NO4,其工作原理与 Emitec的GENⅢ相 空气吹扫排空、泵端混合,与 Bosch的DeNO.1.0泵似,计量精度为±5%,喷射压力约为0.55MPa,额 相比减少了计量阀装置,结构更加简单,其喷射精度定流量为8L·h-,使用寿命约为15000h,满足欧 为±1%,额定流量为7.5L·h1,使用寿命约为V排放标准的要求 15000h,其余性能参数与DeNO1.0泵相近,其主 2009年,德国 Albonair推出了空气辅助式尿素 要失效模式为气路单向阀结晶.2010年,德国泵,其工作原理与 Grundfos的UDS泵相似,采用喷 Emitec收购了 Grundfos尿素泵业务,优化了UDS泵嘴端混合,结构更紧凑、雾化效果更好,计量精度为 的电控模块和空气电磁阀等推出了空气辅助式尿±5%,额定流量为5L·h-,压缩空气消耗量约为 素泵UDA1,其性能参数与UDS泵相近.2012年,5L·min-1,其余性能参数与UDS泵相近 Emitec推出了UDAl泵的升级产品UDA2泵,其泵 2011年,美国 Cummins推出了空气辅助式尿素 单元进、出口单向阀由水平布置变为竖直布置,并优泵 Ecofit UA2,其工作原理与 Grundfos的UDS尿素 化了气液混合腔结构,改善了气路单向阀结晶故障,泵相似,泵单元为齿轮泵,计量精度为±5%,其余性 且喷射精度稳定性更好,其性能参数与UDAl泵相能参数与UDS泵相近.2012年, Cummins又推出了 近,可满足欧Ⅵ排放标准的要求.2014年, Emitec又无空气辅助式尿素泵 EcoFit Ul2,其工作原理与 推出了无空气辅助式尿素泵GENⅢ,其泵单元为齿 Tenneco的Elim-NO泵相似,计量精度为±3.5%, 轮泵,采用阀控式计量、泵电动机反转排空,整体集喷射压力约为0.5MPa,额定流量为5L·h-1,使用 成在尿素箱底部,与UDA2泵相比减少了进液和回寿命约为24000h,满足欧Ⅴ排放标准的要求 液管路、加热管路、控制电磁阀以及相关的接插件 目前,德国Boch, Emitec和美国 Tenneco的尿 集成度更高、体积更小,有明显的成本优势,但其未素泵产品占据了大部分的国际市场份额.比较典型 能很好解决尿素溶液解冻和腐蚀等问题,目前并未的尿素泵是德国 Bosch的DeNO,2,2泵、德国 Emitec 批量应用 的UDAl泵、美国 Tenneco的Eim-NO4泵,3种型式 2007年,美国 Tenneco推出了无空气辅助式尿尿素泵的性能对比如表2所示 表23种型式尿素泵的性能对比 泵单元驱动单元 计量混合计量喷射压力/额定流量/使用寿命/ 排空方式 方式位置精度/%MPa(L DeNO 膜泵直流无刷电动机换向电磁阀倒吸电磁阀喷嘴±50.90 UDA1空气辅助式隔膜泵步进电动机压缩空气吹扫隔膜泵尿素泵±10.20 7.515000 im-NO4无空气辅助式齿轮泵直流无刷电动机泵电动机反转电磁阀喷嘴±50.55 2.2国内研究概况 吹扫排空、泵端混合,与 Grundfos的UDS泵相比结 在市场需求的推动下,国内开始研发尿素泵产构更紧凑,计量精度为±3%,喷射压力约为0.2 品,如无锡凯龙、西安秦泰、安徽艾可蓝、武汉添蓝和MPa,额定流量为7.2L·h-,使用寿命约为10000 苏州派格力等.与此同时,一些高校及科研院所也开h,满足国Ⅳ排放标准的要求. 始了尿素泵的研究 2012年,安徽艾可蓝推出了空气辅助式尿素泵 2013年,无锡凯龙推出了空气辅助式尿素泵, ActIO.2.0,其工作原理与 Grundfos的UDS尿素泵 其工作原理与 Grundfos的UDs泵相似,采用电动机相似,减少了尿素回流管路,结构更简单,计量精度 轴与偏心轮直接连接,减少了皮带轮机构,结构更简为±5%、使用寿命约为10000h,满足国Ⅳ排放标 单,计量精度为±2.5%,喷射压力约为0.2MPa,额准的要求.2015年,艾可蓝又研制出无空气辅助式 定流量为7.5L·h-,使用寿命约为8000h,满足尿素泵样机 ActIO,3.0,其工作原理与 Tenneco的 国Ⅳ排放标准的要求2015年,凯龙又推出了无空 Elim-NO4泵相似,计量精度为±5%,喷射压力约为 气辅助式尿素泵,其工作原理与 Bosch的DeNO2.20.6MPa,额定流量为6L·h,目前正处于试验验 泵相似,计量精度为±3%,喷射压力约为0.6MPa,证阶段 额定流量为7.5L·h-1 2012年,江苏大学研制出一种空气辅助式尿素 2014年,西安秦泰推出了空气辅助式尿素泵,泵,其工作原理与 Bosch的DeNO1.0泵相似,喷射 其泵单元为电磁隔膜泵,采用泵控式计量、压缩空气压力约为04MPa,额定流量为8L·h,满足国Ⅳ
第 ３期 潘希伟等：ＳＣＲ尿素泵研究进展及关键技术分析 ２８３ 泵 ＵＤＳ，其泵单元为隔膜泵，采用泵控式计量、压缩 空气吹扫排空、泵端混合，与 Ｂｏｓｃｈ的 ＤｅＮＯｘ１．０泵 相比减少了计量阀装置，结构更加简单，其喷射精度 为 ±１％，额定流量为 ７．５Ｌ·ｈ－１ ，使用寿命约为 １５０００ｈ，其余性能参数与 ＤｅＮＯｘ１．０泵相近，其主 要失 效 模 式 为 气 路 单 向 阀 结 晶．２０１０年，德 国 Ｅｍｉｔｅｃ收购了 Ｇｒｕｎｄｆｏｓ尿素泵业务，优化了 ＵＤＳ泵 的电控模块和空气电磁阀等，推出了空气辅助式尿 素泵 ＵＤＡ１，其性能参数与 ＵＤＳ泵相近．２０１２年， Ｅｍｉｔｅｃ推出了 ＵＤＡ１泵的升级产品 ＵＤＡ２泵，其泵 单元进、出口单向阀由水平布置变为竖直布置，并优 化了气液混合腔结构，改善了气路单向阀结晶故障， 且喷射精度稳定性更好，其性能参数与 ＵＤＡ１泵相 近，可满足欧Ⅵ排放标准的要求．２０１４年，Ｅｍｉｔｅｃ又 推出了无空气辅助式尿素泵 ＧＥＮⅢ，其泵单元为齿 轮泵，采用阀控式计量、泵电动机反转排空，整体集 成在尿素箱底部，与 ＵＤＡ２泵相比减少了进液和回 液管路、加热管路、控制电磁阀以及相关的接插件， 集成度更高、体积更小，有明显的成本优势，但其未 能很好解决尿素溶液解冻和腐蚀等问题，目前并未 批量应用． ２００７年，美国 Ｔｅｎｎｅｃｏ推出了无空气辅助式尿 素泵 ＥｌｉｍＮＯｘ，其工作原理与 Ｅｍｉｔｅｃ的 ＧＥＮⅢ相 似，计量精度为 ±５％，喷射压力约为 ０．５５ＭＰａ，额 定流量为 ８Ｌ·ｈ－１ ，使用寿命约为 １５０００ｈ，满足欧 Ⅴ排放标准的要求． ２００９年，德国 Ａｌｂｏｎａｉｒ推出了空气辅助式尿素 泵，其工作原理与 Ｇｒｕｎｄｆｏｓ的 ＵＤＳ泵相似，采用喷 嘴端混合，结构更紧凑、雾化效果更好，计量精度为 ±５％，额定流量为 ５Ｌ·ｈ－１ ，压缩空气消耗量约为 ５Ｌ·ｍｉｎ－１ ，其余性能参数与 ＵＤＳ泵相近． ２０１１年，美国 Ｃｕｍｍｉｎｓ推出了空气辅助式尿素 泵 ＥｃｏＦｉｔＵＡ２，其工作原理与 Ｇｒｕｎｄｆｏｓ的 ＵＤＳ尿素 泵相似，泵单元为齿轮泵，计量精度为 ±５％，其余性 能参数与 ＵＤＳ泵相近．２０１２年，Ｃｕｍｍｉｎｓ又推出了 无空气辅助式尿素泵 ＥｃｏＦｉｔＵＬ２，其工作原理与 Ｔｅｎｎｅｃｏ的 ＥｌｉｍＮＯｘ泵相似，计量精度为 ±３．５％， 喷射压力约为 ０．５ＭＰａ，额定流量为 ５Ｌ·ｈ－１ ，使用 寿命约为 ２４０００ｈ，满足欧Ⅴ排放标准的要求． 目前，德国 Ｂｏｓｃｈ，Ｅｍｉｔｅｃ和美国 Ｔｅｎｎｅｃｏ的尿 素泵产品占据了大部分的国际市场份额．比较典型 的尿素泵是德国 Ｂｏｓｃｈ的 ＤｅＮＯｘ２．２泵、德国 Ｅｍｉｔｅｃ 的 ＵＤＡ１泵、美国 Ｔｅｎｎｅｃｏ的 ＥｌｉｍＮＯｘ泵，３种型式 尿素泵的性能对比如表 ２所示． 表 ２ ３种型式尿素泵的性能对比 泵型 雾化方式 泵单元 驱动单元 排空方式 计量 方式 混合 位置 计量 精度／％ 喷射压力／ ＭＰａ 额定流量／ （Ｌ·ｈ－１） 使用寿命／ ｈ ＤｅＮＯｘ２．２ 无空气辅助式 隔膜泵 直流无刷电动机 换向电磁阀倒吸 电磁阀 喷嘴 ±５ ０．９０ ７．２ ２４０００ ＵＤＡ１ 空气辅助式 隔膜泵 步进电动机 压缩空气吹扫 隔膜泵 尿素泵 ±１ ０．２０ ７．５ １５０００ ＥｌｉｍＮＯｘ 无空气辅助式 齿轮泵 直流无刷电动机 泵电动机反转 电磁阀 喷嘴 ±５ ０．５５ ８．０ １５０００ ２．２ 国内研究概况 在市场需求的推动下，国内开始研发尿素泵产 品，如无锡凯龙、西安秦泰、安徽艾可蓝、武汉添蓝和 苏州派格力等．与此同时，一些高校及科研院所也开 始了尿素泵的研究． ２０１３年，无锡凯龙推出了空气辅助式尿素泵， 其工作原理与 Ｇｒｕｎｄｆｏｓ的 ＵＤＳ泵相似，采用电动机 轴与偏心轮直接连接，减少了皮带轮机构，结构更简 单，计量精度为 ±２．５％，喷射压力约为 ０．２ＭＰａ，额 定流量为 ７．５Ｌ·ｈ－１ ，使用寿命约为 ８０００ｈ，满足 国Ⅳ排放标准的要求．２０１５年，凯龙又推出了无空 气辅助式尿素泵，其工作原理与 Ｂｏｓｃｈ的 ＤｅＮＯｘ２．２ 泵相似，计量精度为 ±３％，喷射压力约为０．６ＭＰａ， 额定流量为 ７．５Ｌ·ｈ－１ ． ２０１４年，西安秦泰推出了空气辅助式尿素泵， 其泵单元为电磁隔膜泵，采用泵控式计量、压缩空气 吹扫排空、泵端混合，与 Ｇｒｕｎｄｆｏｓ的 ＵＤＳ泵相比结 构更紧凑，计量精度为 ±３％，喷射压力约为 ０．２ ＭＰａ，额定流量为 ７．２Ｌ·ｈ－１ ，使用寿命约为 １００００ ｈ，满足国Ⅳ排放标准的要求． ２０１２年，安徽艾可蓝推出了空气辅助式尿素泵 ＡｃｔＮＯｘ２．０，其工作原理与 Ｇｒｕｎｄｆｏｓ的 ＵＤＳ尿素泵 相似，减少了尿素回流管路，结构更简单，计量精度 为 ±５％、使用寿命约为 １００００ｈ，满足国Ⅳ排放标 准的要求．２０１５年，艾可蓝又研制出无空气辅助式 尿素泵样机 ＡｃｔＮＯｘ３．０，其工作原理与 Ｔｅｎｎｅｃｏ的 ＥｌｉｍＮＯｘ泵相似，计量精度为 ±５％，喷射压力约为 ０．６ＭＰａ，额定流量为 ６Ｌ·ｈ－１ ，目前正处于试验验 证阶段． ２０１２年，江苏大学研制出一种空气辅助式尿素 泵，其工作原理与 Ｂｏｓｃｈ的 ＤｅＮＯｘ１．０泵相似，喷射 压力约为 ０．４ＭＰａ，额定流量为 ８Ｌ·ｈ－１ ，满足国Ⅳ
284 江苏大学学报(自然科学版) 第38卷 排放标准的要求,其可靠性与疲劳寿命正待进一步要的考核指标隔膜泵通过改变电动机转速来实现流 验证16 量调节,影响其流量稳定性的关键因素有隔膜的变形 2012年,武汉理工大学设计了一种空气辅助式控制、单向阀的响应特性和传动端的运行稳定性 尿素泵,其工作原理与 Tenneco的 Elim-NO,泵相 为了减小隔膜泵的体积,应用于尿素泵中的隔 似,对该泵进行了仿真分析,为尿素泵的优化设计提膜泵多采用连杆和隔膜直联型式且无减速机构直 供一定理论指导{ 联型式导致了隔膜在轴向和径向同时受力,在2个 2012年,中国汽车研究院研制出一种空气辅助方向均存在变形.在高转速时,连杆惯性力对隔膜变 式尿素泵,其样机性能稳定、运行可靠,计量精度达形有一定影响.此外,隔膜的材质一般为橡胶或塑 到±3 料,具有易老化、对温度敏感等特点,在老化前后和 2014年,武汉工程大学研制出一种空气辅助式不同温度下的变形情况存在一定差异.因此,隔膜的 尿素泵,其泵单元采用电磁柱塞泵,样杋性能稳定、变形控制难度较大,流量稳定性难以保证 运行可靠 隔膜泵一般采用阀配流,在泵转速较高时吸 2014年,军事交通学院研制出一种以压缩空气人、压出阀存在一定的响应滞后,影响了流量稳 为动力源的尿素供给系统,取消了独立的尿素泵设定性 计,将其集成在尿素箱中,其样机性能稳定、运行可 由于无减速机构,隔膜泵的电动机轴与偏心轮 靠,满足国Ⅳ排放标准的要求 直接连接,两者间无相对滑动是保证传动端稳定运 我国在尿素泵的研发上取得了可喜的成果,但行的关键.如果两者固定不完全,产生了相对滑动 其在计量精度、压力稳定性及使用寿命等方面与国使电动机轴和偏心轮间出现磨损,进而影响了隔膜 际先进水平相比还有一定差距,有待进一步提高 的行程,导致泵流量稳定性受到影响 2.3尿素泵的泵单元结构型式分析 隔膜是隔膜泵的最易损部件之一,其设计、选材 泵单元是SCR系统尿素泵的核心部件之一,要和制造工艺是保证隔膜使用寿命的关键.隔膜结构 求其计量精度高、寿命长、可靠性高、体积小.目前,型式多采用碟形,其设计难点在于隔膜的动力学分 尿素泵泵单元的主要结构型式有隔膜泵、电磁柱塞析、材料本构关系及疲劳寿命预测模型等.选择合适 泵和齿轮泵等,以隔膜泵结构应用居多,德国 Bosch的材料和制造工艺可延长隔膜使用寿命. 和 Emitec的尿素泵泵单元均为隔膜泵 2.3.2电磁柱塞泵 2.3.1隔膜泵 电磁柱塞泵是借助于柱塞在缸套内的往复运动 隔膜泵是通过隔膜在工作腔内的弹性变形使工使工作腔容积产生周期性变化来吸、排溶液的,其结 作腔容积产生周期性变化来吸、排溶液的,其结构示构示意图如图3所示 意图如图2所示 压出 吸入 偏心轮 电动机轴 连接芯体 压出接头/定铁名/复位弹缸套吸入摸头 压出同电磁线圆 入网套管 上泵 压出闻 图3电磁柱塞泵结构 下泵盤 影响电磁柱塞泵流量稳定性的关键因素有柱塞 吸入 的运动控制和吸入、压出阀的响应特性 吸入压出 柱塞的设计、选材和制造工艺是保证柱塞运动 平稳且磨损小的关键.吸入阀设置于柱塞内部,柱塞 图2隔膜泵结构 的设计须与吸入、压出阀的设计相结合.电磁柱塞泵 隔膜泵的流量稳定性和隔膜使用寿命是其最重的设计难点在于柱塞与缸套这对摩擦副的结构设计
２８４ 第 ３８卷 排放标准的要求，其可靠性与疲劳寿命正待进一步 验证［１６］ ． ２０１２年，武汉理工大学设计了一种空气辅助式 尿素泵，其工作原理与 Ｔｅｎｎｅｃｏ的 ＥｌｉｍＮＯｘ 泵相 似，对该泵进行了仿真分析，为尿素泵的优化设计提 供一定理论指导［３７］ ． ２０１２年，中国汽车研究院研制出一种空气辅助 式尿素泵，其样机性能稳定、运行可靠，计量精度达 到 ±３％［３８］ ． ２０１４年，武汉工程大学研制出一种空气辅助式 尿素泵，其泵单元采用电磁柱塞泵，样机性能稳定、 运行可靠［３９］ ． ２０１４年，军事交通学院研制出一种以压缩空气 为动力源的尿素供给系统，取消了独立的尿素泵设 计，将其集成在尿素箱中，其样机性能稳定、运行可 靠，满足国Ⅳ排放标准的要求［４０］ ． 我国在尿素泵的研发上取得了可喜的成果，但 其在计量精度、压力稳定性及使用寿命等方面与国 际先进水平相比还有一定差距，有待进一步提高． ２．３ 尿素泵的泵单元结构型式分析 泵单元是 ＳＣＲ系统尿素泵的核心部件之一，要 求其计量精度高、寿命长、可靠性高、体积小．目前， 尿素泵泵单元的主要结构型式有隔膜泵、电磁柱塞 泵和齿轮泵等，以隔膜泵结构应用居多，德国 Ｂｏｓｃｈ 和 Ｅｍｉｔｅｃ的尿素泵泵单元均为隔膜泵． ２．３．１ 隔膜泵 隔膜泵是通过隔膜在工作腔内的弹性变形使工 作腔容积产生周期性变化来吸、排溶液的，其结构示 意图如图 ２所示． 图 ２ 隔膜泵结构 隔膜泵的流量稳定性和隔膜使用寿命是其最重 要的考核指标．隔膜泵通过改变电动机转速来实现流 量调节，影响其流量稳定性的关键因素有隔膜的变形 控制、单向阀的响应特性和传动端的运行稳定性． 为了减小隔膜泵的体积，应用于尿素泵中的隔 膜泵多采用连杆和隔膜直联型式且无减速机构．直 联型式导致了隔膜在轴向和径向同时受力，在 ２个 方向均存在变形．在高转速时，连杆惯性力对隔膜变 形有一定影响．此外，隔膜的材质一般为橡胶或塑 料，具有易老化、对温度敏感等特点，在老化前后和 不同温度下的变形情况存在一定差异．因此，隔膜的 变形控制难度较大，流量稳定性难以保证． 隔膜泵一般采用阀配流，在泵转速较高时吸 入、压出阀存在一定的响应滞后，影响了流量稳 定性． 由于无减速机构，隔膜泵的电动机轴与偏心轮 直接连接，两者间无相对滑动是保证传动端稳定运 行的关键．如果两者固定不完全，产生了相对滑动， 使电动机轴和偏心轮间出现磨损，进而影响了隔膜 的行程，导致泵流量稳定性受到影响． 隔膜是隔膜泵的最易损部件之一，其设计、选材 和制造工艺是保证隔膜使用寿命的关键．隔膜结构 型式多采用碟形，其设计难点在于隔膜的动力学分 析、材料本构关系及疲劳寿命预测模型等．选择合适 的材料和制造工艺可延长隔膜使用寿命． ２．３．２ 电磁柱塞泵 电磁柱塞泵是借助于柱塞在缸套内的往复运动 使工作腔容积产生周期性变化来吸、排溶液的，其结 构示意图如图 ３所示． 图 ３ 电磁柱塞泵结构 影响电磁柱塞泵流量稳定性的关键因素有柱塞 的运动控制和吸入、压出阀的响应特性． 柱塞的设计、选材和制造工艺是保证柱塞运动 平稳且磨损小的关键．吸入阀设置于柱塞内部，柱塞 的设计须与吸入、压出阀的设计相结合．电磁柱塞泵 的设计难点在于柱塞与缸套这对摩擦副的结构设计