重型柴油機(jī)SCR控制系統(tǒng)開發(fā)*

方 成，楊福源，歐陽明高，李 進(jìn)

(1.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084； 2.常州易控汽車電子有限公司，常州 213164)

前言

國家環(huán)保部2011年底發(fā)布公告，將于2013年7月1日在全國范圍內(nèi)對所有3.5t以上中重型柴油車實(shí)行國IV排放法規(guī)。對于重型柴油機(jī)，一般需要使用電控高壓燃油噴射技術(shù)和后處理技術(shù)，才能使排放滿足法規(guī)要求。使用SCR系統(tǒng)，催化劑中毒風(fēng)險小，可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性，同時發(fā)動機(jī)排放具備升級到國V水平的潛力[1-2]，因此，SCR系統(tǒng)在業(yè)界得到了更多的關(guān)注。

本文中研究所用的SCR系統(tǒng)如圖1所示。

電控燃油系統(tǒng)和SCR系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件如表1所示。

表1 電控燃油系統(tǒng)和SCR系統(tǒng)關(guān)鍵零部件

1 試驗(yàn)環(huán)境

在AVL電力測功機(jī)臺架上進(jìn)行發(fā)動機(jī)試驗(yàn)，該臺架使用部分流稀釋方法進(jìn)行排放采樣。圖2為發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架。研究所用的發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

柴油機(jī)型號YC6K1248-40型式直列6缸四沖程、直噴、水冷、增壓、中冷缸徑×沖程129mm×155mm總排量12.15L額定功率(額定轉(zhuǎn)速)353kW(1900r·min-1)最大轉(zhuǎn)矩(最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速)2200N·m(1000～1500r·min-1)總功率特性最低油耗≤190g/(kW·h)怠速600±25r·min-1最高空載轉(zhuǎn)速≤2150r·min-1

2 SCR控制系統(tǒng)硬件開發(fā)

本文中基于Freescale 16位MC9S12XEP100單片機(jī)[3]開發(fā)了SCR控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有6～32V的寬電壓輸入范圍，能夠同時在12和24V車載電源系統(tǒng)上使用；提供13路模擬量輸入，能夠采集各種傳感器(包括前排溫、后排溫、大氣壓力、尿素溫度和尿素液位等)信號；通過集成故障診斷功能的集成芯片提供8路低邊開關(guān)，可以驅(qū)動冷卻液電磁閥、主繼電器和管路加熱繼電器等外設(shè)；另外，通過二路CAN總線與外界通信，其中一路CAN總線的波特率是250kbps，支持J1939，用于同發(fā)動機(jī)ECU通信，另一路CAN總線波特率也是250kbps，與NOx傳感器和尿素泵通信，同時也支持CCP和ISO15765，可用于匹配標(biāo)定和故障診斷。開發(fā)的SCR控制單元如圖3所示。

3 尿素噴射控制

尿素噴射量的計算公式為

(1)

(1) 假設(shè)NOx中成分全為NO2，則與NH3的反應(yīng)方程式[2]為

4NO2+4NH3→4N2+6H2O+O2

(2)

(3) 標(biāo)準(zhǔn)尿素水溶液的濃度為32.5%，于是可以得到反應(yīng)比率為

(3)

(4)

反應(yīng)完的vΔNOx通過下式計算：

vΔNOx=vNOx×rconv

(5)

式中：vNOx為排氣中NOx的體積濃度；rconv為轉(zhuǎn)換率。

確定NOx轉(zhuǎn)換率的方法如圖4所示。根據(jù)原機(jī)NOx排放和目標(biāo)NOx排放，可以得到目標(biāo)NOx轉(zhuǎn)換率，乘以升溫修正系數(shù)得到修正后的NOx轉(zhuǎn)換率，再通過NOx轉(zhuǎn)換率限值進(jìn)行限制，得到最終的NOx轉(zhuǎn)換率。

確定了各個工況下尿素噴射量以后，通過CAN總線驅(qū)動格蘭富尿素計量泵，進(jìn)行尿素噴射。

4 OBD設(shè)計

HJ437—2008規(guī)定了在國IV階段，對重型發(fā)動機(jī)排放相關(guān)的部件必須進(jìn)行OBD(在線故障診斷)[5]。由于SCR系統(tǒng)與NOx排放密切相關(guān)，所以SCR控制系統(tǒng)必須具備OBD能力。

對于需要診斷的各個部件，都有其各自的監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)控各個部件的異常情況，一旦監(jiān)測到異常，就向故障診斷系統(tǒng)報告異常；在故障管理系統(tǒng)中，先進(jìn)行異常預(yù)處理，一旦異常累積到了故障水平，就進(jìn)行故障處理；同時，故障信息需要保存在內(nèi)存中，儲存的信息還須區(qū)分歷史故障還是確認(rèn)故障；一旦發(fā)生故障以后，須對故障事件進(jìn)行處理，比如對傳感器數(shù)值取用替代值；在主從故障處理中，對于由主故障引起的從故障，不保存故障信息；故障診斷設(shè)備通過故障診斷接口讀取故障碼，清除故障碼并獲取狀態(tài)信息。本文中的故障診斷接口符合J1939—73[6]和ISO 15765—4[7]的要求。

本文中設(shè)計的故障診斷系統(tǒng)如圖5所示。

設(shè)計的SCR控制系統(tǒng)中的故障條目包括前排溫傳感器SRC高/低、后排溫傳感器SRC高/低、尿素液位傳感器SRC高/低、尿素溫度傳感器SRC高/低、冷卻水電磁閥開路/短路、管道加熱繼電器開路/短路、NOx傳感器加熱器開路/短路、NOx傳感器開路/短路、NOx傳感器合理性故障、泵驅(qū)動電磁閥短路到電源、泵驅(qū)動電磁閥短路到地、泵驅(qū)動電磁閥開路、泵內(nèi)部加熱器故障、泵空氣或尿素流量太小、泵驅(qū)動單元故障、泵EEPROM故障、尿素罐液位低、NOx排放超5和NOx排放超7等。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在臺架上進(jìn)行SCR控制系統(tǒng)標(biāo)定，步驟為：

(1) 原機(jī)標(biāo)定，得到原機(jī)萬有特性；

(2) 催化劑轉(zhuǎn)換率標(biāo)定，得到在不同空速和排溫下的催化劑轉(zhuǎn)換率；

(3) 排放標(biāo)定，通過標(biāo)定各個工況下的尿素噴射量，使ETC和ESC工況的排放結(jié)果滿足國IV法規(guī)要求；

(4) OBD標(biāo)定，模擬各個傳感器、執(zhí)行器和系統(tǒng)故障，進(jìn)行故障診斷標(biāo)定。

排放標(biāo)定后，進(jìn)行ETC和ESC工況的排放試驗(yàn)，圖6為ETC工況NOx排放和氨泄漏情況。

通過標(biāo)定，達(dá)到了如下排放結(jié)果：

(1) ETC工況NOx排放2.626g/(kW·h)，氨泄漏平均值11.58×10-6；

(2) ESC工況NOx排放2.37g/(kW·h)。

國IV排放法規(guī)規(guī)定的排放限值：ETC工況下NOx排放為3.5g/(kW·h)，ESC工況下NOx排放為3.5g/(kW·h)[4]。該排放結(jié)果滿足國IV法規(guī)要求。

在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行如下OBD試驗(yàn)：

(1) 拔除各傳感器、傳感器信號接地和接電源；

(2) 拔除各執(zhí)行器、執(zhí)行器驅(qū)動線與電源短接；

(3) 改變尿素箱液位傳感器浮子位置，模擬液位低和液位空的故障；

(4) 分別把NOx傳感器放在大氣中和尿素噴嘴放在尿素箱里；

(5) 用水稀釋尿素水溶液，使ETC工況的NOx排放超過5和7g/(kW·h)。

使用符合ISO 15765—4標(biāo)準(zhǔn)的故障診斷儀進(jìn)行故障代碼的讀取和刪除操作。

試驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)能夠正確地識別出故障、保存和顯示故障碼、根據(jù)故障的類型決定該故障碼可否刪除；同時，一旦發(fā)生NOx排放可能超過7g/(kW·h)的故障，能限制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩。該控制系統(tǒng)的OBD滿足國標(biāo)HJ437—2008的要求[5]。

6 結(jié)論

(1) 基于Freescale MC9S12XEP100開發(fā)的SCR控制系統(tǒng)，能夠控制尿素噴射，具備OBD功能。

(2) 試驗(yàn)表明，配備該控制系統(tǒng)的SCR系統(tǒng)，能夠使重型發(fā)動機(jī)達(dá)到國IV法規(guī)ETC工況和ESC工況的NOx排放要求。

(3) 該控制系統(tǒng)滿足國標(biāo)HJ437—2008的OBD要求。

[1] Dieter H E Seher, Michael Reichelt, Stefan Wickert. Control Strategy for NOx-Emission Reduction with SCR[C]. SAE 2003-01-3362.

[2] Koebel M, Elsener M, Kleemann M. Urea-SCR: A Promising Technique to Reduce NOxEmissions from Automotive Diesel Engines[J]. Catalysis Today,2000,59:335-345.

[3] Freescale Semiconductor, Inc. MC9S12XEP100 Reference Manual[M/OL].[2010-09-07]. http://www.freescale.com.

[4] 國家環(huán)境保護(hù)總局,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 17691—2005 車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)[S].北京:中國環(huán)境出版社,2005.

[5] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.HJ 437—2008 車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車車載診斷(OBD)系統(tǒng)技術(shù)要求[S].北京:中國環(huán)境出版社,2008.

[6] SAE. J1939—73 Application Layer-Diagnostics[S]. USA: SAE,2006.

[7] International Standard Organization. ISO15765—4 Road Vehicles-Diagnostics on Controller Area Networks(CAN)-Part 4: Requirements for Emissions-related Systems[S]. Switzerland: International Standard Organization,2005.