基于V模式的智能SCR軟件開發(fā)及應用

黃永鵬　劉星　葉宇　梁鄭岳

摘要：為滿足非道路國四排放標準對柴油機排氣污染物NOx限值的要求，結(jié)合基于模型開發(fā)的設計思想和V模式開發(fā)流程，完成了從需求架構(gòu)設計、MATLAB/Simulink建模開發(fā)、軟件測試確認的智能SCR軟件開發(fā)。智能SCR軟件的控制策略主要包括催化器模型、前饋控制模型、氨存儲計算模型、尿素量修正模型、尿素噴射控制模型等。然后將智能SCR軟件與柴油機其它控制功能進行軟件集成，并將生成的ECU軟件刷寫至非道路國四ECU。最后在試驗臺架上完成了多組冷機和暖機的非道路瞬態(tài)循環(huán)（NRTC循環(huán)）測試。試驗結(jié)果表明：在NRTC試驗循環(huán)下，NOx轉(zhuǎn)化效率最高達到了94.46%，經(jīng)催化還原后的NOx排放值達到了0.464g/（kW·h），低于非道路國四排放標準對排放物NOx的排放限值要求，開發(fā)的智能SCR軟件可以批量應用于非道路國四柴油機。

Abstract： A order to meet Non-Road T4 emission standard for requirements of diesel engine exhaust pollutants NOx limits， combined with the model-based design idea and the V-model development process， an intelligent SCR software from requirement and architecture design， MATLAB/Simulink modeling development， software testing and validation is completely developed. Control strategy of the intelligent SCR software is mainly included catalytic converter models， feed forward control models， NH3 storage and calculation models， urea quantity correction models， urea injection control models， etc. The intelligent SCR software is integrated with other control functions of diesel engine， and the generated ECU software is written into a Non-Road T4 ECU. It is tested finally several times with cold and warm Non-Road Transient Cycles （NRTC） on a test bench. The test results show that under NRTC test cycle， the NOx conversion efficiency reached the highest 94.46%， and the NOx emission value after catalytic reduction reached 0.464g/（kW·h）， which was lower than the NOx emission limit of non-road T4 emission standard， the developed intelligent SCR software can be applied to the series product of non-road T4 diesel engines.

關鍵詞：非道路國四排放;基于模型開發(fā);V模式開發(fā)流程;智能SCR軟件;NRTC循環(huán)

Key words： non-road T4 emission;model-based development;V-model develop process;intelligent SCR software;NRTC cycle

0? 引言

隨著環(huán)境問題的日益突出，針對道路用汽車和非道路移動機械用柴油機的污染物排放法規(guī)逐步完善，其對氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）等柴油機排氣污染物的排放限值都作出了嚴格的要求。非道路國四階段的排放法規(guī)對額定凈功率在130kW至560kW之間的非道路用柴油機的NOx污染物排放限值要求已經(jīng)達到了2.0g/（kW·h）。選擇性催化還原（SCR）技術作為減少柴油機NOx排放的重要尾氣后處理技術[1]，已廣泛應用于道路車輛、工程機械等領域[2]。

由于非道路移動機械對柴油機的采購成本較敏感，無論是采用國際知名電控燃油系統(tǒng)供應商提供的非智能型后處理系統(tǒng)控制方案，還是使用單獨的后處理控制器控制智能型后處理系統(tǒng)，都不利于對柴油機成本的控制，因此通過自主研發(fā)既能控制智能型后處理系統(tǒng)，又不需要增加單獨的后處理控制器的集成式智能SCR軟件，為企業(yè)在達標排放法規(guī)要求下，推動后處理系統(tǒng)標準化、降低后處理系統(tǒng)配套門檻及有效控制柴油機成本提供了一個良好的方式。

1? 后處理系統(tǒng)介紹

如圖1所示為一種非道路國四后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意，該后處理系統(tǒng)的技術路線為DOC+DPF+SCR，其主要電控零部件包含通過CAN總線控制的智能尿素泵、集成了尿素液位溫度品質(zhì)傳感器的尿素箱、DOC上游溫度傳感器、DPF上游溫度傳感器、DPF壓差傳感器、SCR上游溫度傳感器、下游NOx傳感器等。

該后處理系統(tǒng)的工作原理為：當柴油機運行時，集成在ECU中的智能SCR軟件將根據(jù)柴油機當前的運行狀態(tài)，通過CAN報文的形式向智能尿素泵發(fā)送相應指令，并由智能尿素泵獨立完成系統(tǒng)初始化、怠速等待、建壓、休眠、等待噴射、噴射、反抽、尿素管路加熱、防凍液解凍等工作。其中，智能SCR軟件負責采集后處理系統(tǒng)各個溫度傳感器信號、壓差傳感器信號、NOx傳感器信號、尿素液位溫度品質(zhì)傳感器信號和與柴油機運行工況相關的參數(shù)，然后通過催化器模型、前饋控制、氨存儲計算、自適應修正等控制算法計算出理論的尿素噴射量，并將其按照一定的CAN報文格式發(fā)送到CAN總線網(wǎng)絡中。智能尿素泵從CAN總線網(wǎng)絡中接收到尿素噴射量報文后，按照設定的噴射壓力和噴射頻率驅(qū)動尿素噴嘴工作。尿素溶液在柴油機高溫尾氣下發(fā)生蒸發(fā)、熱解和水解等反應后生成NH3，然后NH3與上游尾氣中的NOx經(jīng)混合器充分混合后，進入SCR催化器進行催化還原反應生成N2和H2O，從而實現(xiàn)降低柴油機NOx排放的目的[3]。

尿素溶液的熱解、水解和SCR系統(tǒng)的氧化還原反應機理為[4]：

（NH）CO→NH+HNCO? ? ? ? ? ? （1）

HNCO+HO→NH+CO? ? ? ? ? ? ?（2）

6NO+4NH→5N+6HO? ? ? ? ? ? ?（3）

4NO+4NH+O→4N+6HO? ? ? ? ? （4）

NO+2NH+NO→2N+3HO? ? ? ? ?（5）

式（1）至（5）中，（NH）CO為尿素溶液;NH為氨氣;HNCO為異氰酸;HO為水;CO為二氧化碳;NO為一氧化氮;N為氮氣;O為氧氣;NO為二氧化氮。

2? 智能SCR系統(tǒng)控制策略開發(fā)

2.1 V模式開發(fā)流程

由于汽車電子行業(yè)的傳統(tǒng)開發(fā)流程已經(jīng)很難適應日益多樣化的功能需求和復雜的控制算法開發(fā)要求[5]，而采用基于模型開發(fā)的V模式開發(fā)流程能夠在保證較高軟件質(zhì)量的情況下，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，以及在開發(fā)階段完成對模型的驗證，實現(xiàn)模型和代碼的更新同步，因此高效及標準化的V模式開發(fā)流程被廣泛應用于汽車電子軟件開發(fā)領域[6-7]。

圖2為結(jié)合自主軟件開發(fā)工程化經(jīng)驗設計的非道路國四智能SCR軟件的V模式開發(fā)流程。該開發(fā)流程除了包含需求設計、架構(gòu)設計、模型設計、軟件實現(xiàn)、單元測試、集成測試、驗收測試等完整的基于模型開發(fā)的內(nèi)容之外，還使用了行業(yè)內(nèi)知名的管理工具對軟件需求、軟件配置、軟件測試、軟件變更等進行管理，從而使智能SCR系統(tǒng)控制策略開發(fā)過程得到有效管控，使其軟件的開發(fā)質(zhì)量得到切實保證。

2.2 軟件需求架構(gòu)設計

需求開發(fā)包含需求捕獲和需求分析。需求的來源可以是國家的相關排放法規(guī)、行業(yè)內(nèi)新技術、競品新功能、內(nèi)部客戶和外部客戶的開發(fā)需求、非功能性需求等，其內(nèi)容不僅涉及軟件需求，而且還涉及對硬件資源等的需求。

如表1所示，為軟件開發(fā)人員從各相關方收集的部分智能SCR軟件的原始開發(fā)需求。軟件開發(fā)人員將對所有的原始開發(fā)需求進行分析，并形成規(guī)范的需求規(guī)格說明書，用以明確軟件開發(fā)的內(nèi)容和指導軟件開發(fā)的工作[8]。

軟件架構(gòu)是軟件系統(tǒng)的一個核心，它對軟件的功能、特性和結(jié)構(gòu)都起到?jīng)Q定性的作用。由于通過對軟件架構(gòu)的設計可以將軟件需求轉(zhuǎn)化為軟件模型，因此軟件架構(gòu)是一種抽象解決軟件需求的方案[9]。此外，軟件架構(gòu)設計需要遵循分層設計、模塊劃分、低耦合高內(nèi)聚、接口控制等原則[10]。

通過對非道路國四排放法規(guī)、競品新功能、用戶需求、非功能性需求等需求來源進行分析，形成了完善的智能SCR軟件開發(fā)需求規(guī)格說明，并遵循軟件架構(gòu)的設計原則和基于模型開發(fā)的設計思想，得到了如圖3所示的智能SCR系統(tǒng)應用層軟件架構(gòu)設計方案，其由傳感器信號采集及處理模塊、SCR接口模塊、SCR控制策略模塊、尿素噴射模塊和COM模塊組成。

傳感器信號采集及處理模塊中包含尿素液位溫度品質(zhì)傳感器模型、SCR上游溫度傳感器模型、SCR下游NOx傳感器模型等。SCR接口模塊從ECU的其它功能模塊接收發(fā)動機當前運行狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、扭矩、排氣質(zhì)量流量等信息。SCR控制策略模塊由SCR溫度模型、SCR催化器模型、SCR前饋模型、SCR自適應模型、氨存儲計算模型、SCR狀態(tài)機模型等組成。COM模塊中包含尿素泵運行狀態(tài)信息、尿素泵故障信息、維修保養(yǎng)信息等CAN報文接收模型及與發(fā)動機和環(huán)境信息、SCR上游溫度信息、尿素噴射量信息等相關的CAN報文發(fā)送模型。

2.3 軟件建模開發(fā)

軟件開發(fā)人員根據(jù)軟件需求規(guī)格說明書和軟件架構(gòu)設計方案中的詳細設計描述，即可借助MATLAB/Simulink軟件開展智能SCR軟件控制策略的建模開發(fā)工作。

智能SCR軟件控制策略原理示意如圖4所示，其通過采集SCR上游溫度傳感器信號用于計算SCR溫度模型，并將SCR溫度傳遞給氨存儲模型用于計算氨存儲值，通過SCR模型計算上游NOx濃度值，然后通過SCR模型中的轉(zhuǎn)化效率模型計算出轉(zhuǎn)化效率值，并傳遞給前饋控制模型用于計算NH3基礎值，此時，經(jīng)過SCR自適應模型計算的NH3修正因子對NH3基礎值進行加權，然后傳遞給尿素噴射控制模型用于計算尿素溶液理論噴射量，最終獲得的尿素噴射量將通過COM模塊發(fā)送給智能尿素泵，并由智能尿素泵根據(jù)發(fā)動機當前的運行工況進行實時的尿素噴射。

2.4 軟件測試確認

當單元測試完成后，一般會采用黑盒測試技術對兩個以上的模塊進行自下而上或自上而下的分階段、遞進式的集成測試。

當完成集成測試后，將對軟件進行功能級的測試確認，以確保開發(fā)的軟件功能滿足開發(fā)需求。

如表2所示為根據(jù)智能SCR軟件功能需求開發(fā)的，并在硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)（Hardware -in-the-loop，HIL）上進行測試驗證的部分功能級別測試用例管理矩陣。在對軟件進行功能級別的測試前，軟件測試人員將在管理矩陣中挑選合適的測試用例集，并根據(jù)測試用例中詳細定義的測試步驟、操作內(nèi)容和期望的測試結(jié)果開展測試工作。

當軟件的功能模塊較多，手工測試效率不高的缺點將凸顯，這時引入自動化測試工具及管理流程可以縮短測試周期及提高軟件質(zhì)量[11]。本文根據(jù)智能SCR系統(tǒng)控制策略的開發(fā)需求，并結(jié)合自動化測試工具自主研發(fā)了SCR功能模塊、CAN報文模塊、故障管理模塊、掉電保存功能模塊等一系列自動化測試用例及測試腳本，并在HIL上對智能SCR軟件的各項功能進行了測試確認。同時，使用缺陷管理工具對測試過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷進行管理，并用于指導軟件缺陷的修復和回歸測試。

3? 臺架試驗驗證

3.1 試驗樣機及方案

非道路國四標準GB 20891-2014增加了對瞬態(tài)試驗循環(huán)（Non-road transient cycle，NRTC）的定義，該試驗循環(huán)包含了1238個逐秒變化的工況[12]。本文以某直列4缸柴油機為樣機，如圖5所示搭建試驗臺架，采用AVL GEM301EC測試平臺進行NRTC試驗循環(huán)，以驗證自主開發(fā)的智能SCR軟件對非道路國四柴油機尾氣污染物NOx的減排效果。柴油機技術參數(shù)見表3。

當智能SCR軟件完成驗收測試后，將與柴油機其它控制功能一起進行軟件代碼集成。當軟件調(diào)試通過后，將生成可執(zhí)行的目標代碼ECU.hex文件和ECU.a2l文件。最后通過標定工具INCA刷寫到非道路國四柴油機的ECU中，并采用NRTC試驗循環(huán)對集成了智能SCR軟件的非道路國四柴油機進行多組冷機和暖機測試驗證。

此外，還對應用了智能SCR軟件的非道路國四柴油機進行了完整的臺架性能對標，以便驗證柴油機的各項性能指標都能滿足項目開發(fā)任務書的要求，并符合批量投放應用的條件。

3.2 試驗結(jié)果及分析

圖6顯示的是暖機狀態(tài)下原排NOx濃度曲線、尾排NOx濃度曲線與SCR溫度曲線之間的關系，可見在0秒至300秒時，由于SCR溫度維持在200℃左右，尿素起噴釋放條件受限，從而導致尾排NOx濃度的波動較大。隨著SCR溫度的升高，尾排NOx濃度維持在了一個較低的水平。如表4所示為其中2組NRTC試驗循環(huán)下的NOx排放數(shù)據(jù)，最低的NOx排放值達到了0.464g/（kW·h），對應的NOx轉(zhuǎn)化效率為94.46%，兩組試驗數(shù)據(jù)都滿足非道路國四法規(guī)對NOx排放限值的要求。此外，根據(jù)試驗結(jié)果分析，非道路國四柴油機的各項性能指標也都滿足開發(fā)需求。

4? 結(jié)束語

①HIL仿真測試結(jié)果表明：采用基于模型開發(fā)的設計思想和V模式開發(fā)流程搭建的智能SCR系統(tǒng)軟件能夠通過SCR溫度模型、氨存儲模型、轉(zhuǎn)化效率模型、前饋控制模型、SCR自適應模型等控制策略精確控制尿素噴射量，并能夠滿足非道路國四柴油機后處理系統(tǒng)的各項功能需求。

②臺架試驗結(jié)果表明：在NRTC試驗循環(huán)下，集成式智能SCR軟件能夠驅(qū)動智能尿素泵工作，并有效地控制后處理系統(tǒng)下游NOx的排放，使試驗樣機的NOx排放值低于非道路國四排放標準。由此可見，開發(fā)的智能SCR軟件具備了在非道路國四柴油機上批量投放應用的條件。此外，其良好的控制效果也為達標下一階段的非道路排放限值奠定了基礎。

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作者簡介：黃永鵬（1976-），男，碩士，工程師，主要從事智能控制器軟件開發(fā)方向的研究。