柴油機(jī)SCR系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)與研究

李捷輝,丁曉忠,尹必峰

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇鎮(zhèn)江212013)

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柴油機(jī)SCR系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)與研究

李捷輝,丁曉忠,尹必峰

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇鎮(zhèn)江212013)

摘要：為降低車用柴油機(jī)氮氧化物排放，采用美國Freescale公司16位高性能控制芯片MC9S12XS128開發(fā)一套SCR(Selective Catalytic Reduction)后處理系統(tǒng)控制單元，進(jìn)行微控制單元(MCU)模塊、電源管理模塊、輸入調(diào)理模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、控制器局域網(wǎng)(CAN)總線通訊模塊等硬件電路設(shè)計(jì)。根據(jù)SCR工作原理，制定控制策略，設(shè)計(jì)和完善控制程序。以一種四缸柴油機(jī)為樣機(jī)開展歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(ESC)排放試驗(yàn)，并與原機(jī)進(jìn)行比對。試驗(yàn)結(jié)果表明：安裝SCR后處理系統(tǒng)的樣機(jī)，NOx比排放量低至1.713 g/(kW·h)，較原機(jī)的8.421 g/(kW·h)降低了79.44%，其中NOx最高轉(zhuǎn)化率可達(dá)92.53%，平均轉(zhuǎn)化效率達(dá)73.21%。柴油機(jī)NOx排放滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，控制單元性能穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；硬件電路；SCR后處理系統(tǒng)；控制策略

0引言

圖1　SCR(選擇性催化還原)系統(tǒng)圖Fig.1　The diagram of SCR(Selective Catalytic Reduction) system

柴油機(jī)依據(jù)壓縮比高、動(dòng)力性強(qiáng)、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，是城市公交、長途運(yùn)輸和市政車輛的主要?jiǎng)恿碓?。?dāng)前，車用發(fā)動(dòng)機(jī)柴油化已成為汽車工業(yè)中重要的發(fā)展方向[1]。氮氧化物(NOx)是車用柴油機(jī)主要污染物之一，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染的日益加重以及國V排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，僅靠機(jī)內(nèi)燃燒凈化方式已無法滿足排放法規(guī)要求。匹配排氣后處理系統(tǒng)，降低排放是柴油機(jī)生產(chǎn)廠家必須面對的問題。配置選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction, SCR)系統(tǒng)的柴油機(jī)具有高效、減排和發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)少等優(yōu)點(diǎn)，成為降低NOx排放的主流方法[2-3]。

國外針對SCR后處理技術(shù)研究較早，已有成熟產(chǎn)品推出，如德國博世公司開發(fā)的DeNOx系統(tǒng)，可降低80%NOx。美國康明斯公司的集成式排放控制技術(shù), 可降低30%NOx，達(dá)歐V排放標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)市場部分SCR后處理系統(tǒng)采用添藍(lán)噴射控制單元(Dosing Control Unit, DCU) 外加計(jì)量泵控制方式，這不可避免造成SCR后處理系統(tǒng)冗雜、線束增多等問題。

為此，本文基于美國Freescale公司16位高性能控制芯片MC9S12XS128自主設(shè)計(jì)一套SCR后處理系統(tǒng)控制單元，該控制單元集成于添藍(lán)計(jì)量泵中，取代添藍(lán)噴射控制單元DCU，如圖1所示。匹配底層驅(qū)動(dòng)程序、制定控制策略、編寫控制程序[4-5]，并進(jìn)行歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)測試，檢驗(yàn)控制單元，并將試驗(yàn)結(jié)果與原機(jī)進(jìn)行比對分析。

1控制單元組成

SCR后處理系統(tǒng)控制單元包括微控單元(MCU)模塊、電源管理模塊、輸入調(diào)理模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊和控制器局域網(wǎng)總線(Controller Area Network, CAN)通訊模塊組成，如圖2所示。SCR后處理系統(tǒng)控制單元通過CAN總線從發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(ECU)中獲取轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)信息確定發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前工況[6]，并采集各傳感器的輸入信號及NOx濃度信號，根據(jù)控制策略查找標(biāo)定脈譜圖，驅(qū)動(dòng)電磁閥適時(shí)地將定劑量的32.5%添藍(lán)水溶液與壓縮空氣混合噴入排氣管中，與NOx發(fā)生選擇性還原反應(yīng)生成N2和H2O,從而達(dá)到降低NOx的目的[7]。

圖2　控制單元結(jié)構(gòu)框圖

2控制單元電路設(shè)計(jì)

2.1MCU模塊選用

以單片機(jī)為核心的微處理器，通過處理計(jì)算外圍電路各傳感器信號，輸出電磁閥等執(zhí)行器的電驅(qū)動(dòng)信號，使控制策略得到有效的執(zhí)行。MCU模塊選用美國Freescale公司的16位高性能控制芯片MC9S12XS128進(jìn)行控制單元設(shè)計(jì)，芯片具有128 K程序閃存、8 K數(shù)據(jù)閃存、16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、8通道脈沖寬度調(diào)制模塊、8通道輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器模塊、91個(gè)獨(dú)立數(shù)字輸入輸出端口以及1個(gè)MSCAN模塊等[8]。芯片內(nèi)部兼有鎖相環(huán)倍頻器、系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器、看門狗定時(shí)器、實(shí)時(shí)中斷等高集成度的控制模塊，大幅度簡化了外圍擴(kuò)展電路，使控制更加便捷。

2.2電源管理模塊

電源電路是控制系統(tǒng)的重要組成部分，車載蓄電池電壓為24 V，受天氣、運(yùn)行工況的影響，電壓波動(dòng)較大，為此設(shè)計(jì)電源電路保證電壓在波動(dòng)范圍內(nèi)正常工作[9]。SCR后處理系統(tǒng)中，由于不同傳感器、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電壓不同，將控制單元電源電路分為蓄電池轉(zhuǎn)24 V，24 V轉(zhuǎn)12 V，12 V轉(zhuǎn)5 V。這里以蓄電池轉(zhuǎn)換輸出24 V為例進(jìn)行介紹。蓄電池電壓經(jīng)熔斷器，至電壓轉(zhuǎn)換器FR5505，轉(zhuǎn)換器輸出端連接穩(wěn)壓二極管TVS，防止浪涌電壓沖擊電路，并采用容量大、性能穩(wěn)定的鉭電容C39蓄能，輸出端匹配電容C40、電感L1進(jìn)行濾波處理，確保電壓快速、安全轉(zhuǎn)換，使電路具備較好的防電壓突變能力[10]。如圖3所示。

圖3　電源轉(zhuǎn)換模塊

2.3輸入調(diào)理模塊

信號輸入調(diào)理模塊的精準(zhǔn)性、可靠性及穩(wěn)定性對整個(gè)控制系統(tǒng)具有重要影響。SCR后處理系統(tǒng)控制單元輸入調(diào)理模塊按照信號可分電阻信號和電壓信號。添藍(lán)罐內(nèi)液位溫度傳感器、泵內(nèi)溫度傳感器、排氣管前/后溫度傳感器為電阻信號。添藍(lán)泵內(nèi)壓力傳感器、壓縮空氣壓力傳感器等為電壓信號。為提高驅(qū)動(dòng)能力，采用電阻下拉的方式，按照串聯(lián)分壓的原理，在電壓信號輸出端輸出電壓。電路中添加D3、D7雙向二極管對輸入電壓進(jìn)行限幅保護(hù)，確保正反向壓降控制在0.5～0.7 V內(nèi)。在電阻R1兩端分別并聯(lián)電容C6、C5，組成π型濾波電路，去除電路中高頻和低頻雜波干擾。電路如圖4所示。

圖4　電壓信號處理電路

2.4輸出驅(qū)動(dòng)模塊

輸出驅(qū)動(dòng)模塊是將MCU輸出的脈沖信號進(jìn)行功率放大，控制步進(jìn)電機(jī)、壓縮空氣電磁閥、添藍(lán)電磁閥、冷卻水電磁閥及故障燈等可靠工作。良好的驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)滿足控制精確，響應(yīng)快捷，抗電壓、電流沖擊強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)，為此該模塊是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[11]。

2.4.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)經(jīng)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)膜片前后運(yùn)動(dòng)，通過改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)添藍(lán)溶液量的供給。為保證電機(jī)精確控制，采用意大利意法公司L6208型芯片，如圖5所示。電路中VS_A、VS_B為芯片電源接口，分別控制電橋A、B，將VS_A和VS_B端口短接，保證兩端口電壓一致。RC_A、RC_B為橋A、橋B控制端口，用于限制斷電時(shí)流入芯片內(nèi)部的大電流，VCP、VBOOT分別為振蕩器輸出端口和場效應(yīng)晶體管電壓供應(yīng)端口，兩者通過雙向二極管相連，為電路提供震蕩頻率及電橋驅(qū)動(dòng)電壓。HALF/FULL、CONTROL、EN、CLOCK、CW/CCW及RESET均為電機(jī)邏輯信號輸入端口，并與主控單元相連，控制電機(jī)的時(shí)鐘頻率、步進(jìn)角度、旋轉(zhuǎn)方向、有效邊沿和復(fù)位功能等。信號輸出端OUT_1A、OUT_1B、OUT_2A、OUT_2B與實(shí)物電機(jī)連接，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5　電機(jī)控制電路

2.4.2電磁閥驅(qū)動(dòng)

電磁閥驅(qū)動(dòng)電路功用為控制電磁閥開啟時(shí)快速注入能量, 產(chǎn)生足夠大的電磁作用力，縮短響應(yīng)時(shí)間。開啟后, 因工作氣隙小, 磁路磁阻低, 電磁線圈通入小電流保持大的電磁作用力，以降低能量消耗, 減小線圈發(fā)熱，同時(shí)保證電磁閥斷電時(shí)快速閉合，縮短響應(yīng)時(shí)間，提升系統(tǒng)的靈敏度。SCR后處理系統(tǒng)中，添藍(lán)電磁閥、冷卻水電磁閥為低端驅(qū)動(dòng)，壓縮空氣電磁閥為高端驅(qū)動(dòng)，下面以添藍(lán)電磁閥為例。

添藍(lán)電磁閥電路輸入端接受主芯片控制信號，經(jīng)R41、C65的RC濾波后，至功率場效應(yīng)管柵極，當(dāng)柵源間正電壓大于閾值電壓時(shí)，柵極P區(qū)表面電子濃度超過空穴濃度，將P型半導(dǎo)體反型成N型，形成N溝道，使漏極和源極導(dǎo)通，輸出電磁閥驅(qū)動(dòng)信號。為防止柵極與源極間電壓突變、電容耦合等產(chǎn)生柵源尖峰電壓，擊穿柵源氧化層，在其之間并聯(lián)二極管D26進(jìn)行限壓保護(hù)。同理，在漏極與源極間串聯(lián)齊納二極管D25鉗位，防止電磁閥瞬間電流突變，損壞元器件，如圖6所示。

圖6　添藍(lán)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

2.5CAN通訊電路

控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)通訊是協(xié)議控制器和總線物理傳輸路線間的接口，實(shí)現(xiàn)主控單元與CAN總線之間的信號收發(fā)。CAN通訊結(jié)構(gòu)簡單，緊需兩根數(shù)據(jù)線便可以1 Mpbs速率傳輸10 km數(shù)據(jù)[12]。CAN通訊以報(bào)文的形式獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、NOx濃度及NH3濃度等信號。電路采用TJA1050專用芯片為收發(fā)器，MCU數(shù)據(jù)經(jīng)收發(fā)器處理，分別由CAN高信號、CAN低信號輸出，為降低線路干擾，CAN_H與CAN_L間串聯(lián)R12、R14電阻與C12濾波，同時(shí)分別串聯(lián)電感元件，去除電路中的交流成分，保證信號穩(wěn)定性。

圖7　控制局域網(wǎng)(CAN)通訊電路

3SCR后處理系統(tǒng)控制策略

控制策略決定發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下排氣管中添藍(lán)的噴射量，合理的控制策略可有效減少NOx排放，滿足排放法規(guī)要求，同時(shí)將NH3泄漏量控制在25 mg/L以內(nèi)[13]。SCR后處理系統(tǒng)控制策略可分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制。開環(huán)控制策略是基于估算查表的方法進(jìn)行噴射控制，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況氮氧化物的排放量。因此，在動(dòng)態(tài)工況中易出現(xiàn)添藍(lán)噴射量與氮氧化合物排放量不匹配的現(xiàn)象，影響凈化效果[14]。

本文采用閉環(huán)控制思想進(jìn)行控制。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況，查找脈譜，由尿素與氮氧化物的反應(yīng)式，計(jì)算該工況下添藍(lán)溶液理論噴射量；再根據(jù)催化劑前后溫度傳感器及排氣管內(nèi)廢氣流量建立催化器修正模型，推算出溫度修正系數(shù)，并與添藍(lán)溶液理論噴射量進(jìn)行數(shù)據(jù)整合；最后為保證氮氧轉(zhuǎn)化效率及控制NH3泄漏量，采用在催化器進(jìn)口安裝氮氧傳感器A，獲取當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放，同時(shí)在催化器出口安裝NOx傳感器B，檢測轉(zhuǎn)化后的NOx濃度，將氮氧傳感器B的測量結(jié)果與基本噴射量進(jìn)行轉(zhuǎn)換效率計(jì)算，推算出NOx濃度修正系數(shù)，并將其與添藍(lán)基本噴射量進(jìn)行二次整合，得出添藍(lán)實(shí)際噴射脈譜，如圖8所示。

圖8　SCR控制策略流程圖

4試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

4.1試驗(yàn)方案

為保證控制單元的可靠性和快速響應(yīng)能力，進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程分為兩部分，首先對SCR系統(tǒng)控制單元完成硬件功能測試，驗(yàn)證電路的可靠性；然后選用一種直列四缸四沖程增壓中冷柴油機(jī)進(jìn)行臺架試驗(yàn)，驗(yàn)證控制單元的實(shí)用性。

4.2硬件模擬測試

運(yùn)用信號發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、CAN卡、數(shù)據(jù)采集卡等搭建檢測平臺對電路板進(jìn)行檢測。其中信號發(fā)生器用來模擬各傳感器輸出電壓信號，CAN卡用于檢測CAN數(shù)據(jù)發(fā)送與接受功能，數(shù)據(jù)采集卡用來采集各驅(qū)動(dòng)信號。本文以添藍(lán)電磁閥驅(qū)動(dòng)為例完成驅(qū)動(dòng)波形測試。測試時(shí)，在SCR控制單元傳感器信號入口，輸入1路模擬電壓信號，通過調(diào)整信號發(fā)生器的電壓值來控制添藍(lán)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路輸出不同占空比的方波，并與程序設(shè)定的波形進(jìn)行對比來檢測其電路功能。輸入輸出對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　電磁閥輸入輸出參數(shù)

測試結(jié)果如圖9所示，由于電磁閥驅(qū)動(dòng)電路為低端驅(qū)動(dòng)，所以低電平為有效電平。當(dāng)輸入1.5 V模擬電壓信號時(shí)，實(shí)測AD轉(zhuǎn)換值為91，在理論轉(zhuǎn)換數(shù)值80～102范圍內(nèi)，同時(shí)電磁閥驅(qū)動(dòng)端輸出80%占空比波形，與設(shè)定值相同。同理，輸入4 V電壓時(shí)，變化規(guī)律與設(shè)定的理論值也基本一致，說明該模塊功能正常，能準(zhǔn)確地控制信號輸出。

(a) 添藍(lán)電磁閥80%占空比

(b) 添藍(lán)電磁閥20%占空比

4.3臺架試驗(yàn)

選取一種直列四缸四沖程增壓中冷柴油機(jī)為研究對象，其標(biāo)定功率為68 kW，功率轉(zhuǎn)速3 200 r/min,最大輸出扭矩為215 N·m。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺架上，按照《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限制及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》(GB17691-2005)規(guī)定進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(ESC)排放試驗(yàn)[15]，并將催化器前后氮氧化物濃度進(jìn)行比較，測試工況點(diǎn)信息如表2所示。

表2　測試工況點(diǎn)信息

由圖10和圖11可見，轉(zhuǎn)速一定條件下，NOx排放量隨負(fù)荷的增大而升高。這是因?yàn)橥晦D(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越大，其排氣缸內(nèi)的燃燒溫度和排氣溫度越高，在高溫富氧的條件下，導(dǎo)致NOx生成量增加。而在相同負(fù)荷下，NOx排放值隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，這是由于隨著轉(zhuǎn)速的升高，缸內(nèi)的高溫持續(xù)時(shí)間在逐漸減少，低溫有助于抑制NOx的生成。由樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果可見，該系統(tǒng)對NOx凈化在1 950 r/min、100%負(fù)荷時(shí)最高，氮氧化物轉(zhuǎn)化后排放值為81.874 mg/L，催化器NOx上游排放為1 096.82 mg/L，減少率達(dá)92.53%；在2 400 r/min、25%負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)化率最低，催化器上游NOx排放值為224.126 mg/L，下游為129.142 mg/L，減少42.38%，ESC測試循環(huán)平均轉(zhuǎn)化效率為73.21%。

由表3可知，原機(jī)NOx排放值為8.421 g/(kw·h)，已超過國Ⅴ排放限值2 g/(kw·h)，匹配SCR后處理系統(tǒng)控制單元后，NOx排放值降至1.713 g/(kw·h)，SCR后處理系統(tǒng)對NOx凈化效果明顯，可達(dá)國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10　歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)各工況點(diǎn)排放對比

5結(jié)論

以美國Freescale公司16位高性能控制芯片MC9S12XS128自主設(shè)計(jì)一套SCR后處理系統(tǒng)控制單元，搭建檢測平臺對控制單元進(jìn)行功能性測試。制定系統(tǒng)控制策略，編寫控制程序，進(jìn)行歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)排放試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制單元功能穩(wěn)定性強(qiáng)、工作可靠，結(jié)合NOx傳感器的閉環(huán)控制策略，ESC測試循環(huán)最高轉(zhuǎn)化率達(dá)92.53%，平均轉(zhuǎn)化效率達(dá)73.21%，NOx比排放量低至1.713 g/(kw·h)，能夠保證SCR后處理系統(tǒng)滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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(責(zé)任編輯梁健)

The control unit design and study for SCR system of diesel engine

LI Jie-hui, DING Xiao-zhong, YIN Bin-feng

(School of Automotive and Traffic Engineering,Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:A SCR(Selective Catalytic Reduction)system was designed to decrease the NOx emission of diesel engine. By using Freescales’ microcontroller MC9S12XS128, the hardware circuit of microcontroller unit (MCU) control module, the power management module, the input adjustment module, the output driver module and the controller area network (CAN) communication module was designed. The control strategy and procedure were formulated according to the principle of SCR system. Using a four-cylinder diesel engine as the sample engine, the European Stationary Cycle (ESC) tests were made and the test results were compared with the original. The results showed that the brake specific emission of NOx was decreased to 1.713 g/(kW·h), which was decreased by 79.44% compared to the orginal 8.421 g/(kW·h). The maximum conversion efficiency of NOx could reach 92.53% and the average conversion efficiency was nearly to 73.21%. With the SCR system, the NOx emission of diesel engine could meet the limitation of China-V regulations. The electronic controlled system was qualified.

Key words:diesel engine; hardware ciruit; SCR system; control strategy

中圖分類號：TK412

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-0395-09

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0395

通訊作者：李捷輝(1963—),男,江蘇鎮(zhèn)江人,江蘇大學(xué)教授,博士;E-mail:jhli@ujs.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375213)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)〔2011〕6號)

收稿日期：2015-12-15；

修訂日期：2016-01-13

引文格式：李捷輝,丁曉忠,尹必峰.柴油機(jī)SCR后處理系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)與研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(2)：395-403.