重型柴油機SCR控制系統開發*

方 成，楊福源，歐陽明高，李 進

(1.清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084； 2.常州易控汽車電子有限公司，常州 213164)

前言

國家環保部2011年底發布公告，將于2013年7月1日在全國范圍內對所有3.5t以上中重型柴油車實行國IV排放法規。對于重型柴油機，一般需要使用電控高壓燃油噴射技術和后處理技術，才能使排放滿足法規要求。使用SCR系統，催化劑中毒風險小，可以改善燃油經濟性，同時發動機排放具備升級到國V水平的潛力[1-2]，因此，SCR系統在業界得到了更多的關注。

本文中研究所用的SCR系統如圖1所示。

電控燃油系統和SCR系統中的關鍵零部件如表1所示。

表1 電控燃油系統和SCR系統關鍵零部件

1 試驗環境

在AVL電力測功機臺架上進行發動機試驗，該臺架使用部分流稀釋方法進行排放采樣。圖2為發動機試驗臺架。研究所用的發動機相關參數如表2所示。

柴油機型號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(額定轉速)353kW(1900r·min-1)最大轉矩(最大轉矩轉速)2200N·m(1000～1500r·min-1)總功率特性最低油耗≤190g/(kW·h)怠速600±25r·min-1最高空載轉速≤2150r·min-1

2 SCR控制系統硬件開發

本文中基于Freescale 16位MC9S12XEP100單片機[3]開發了SCR控制系統。該控制系統具有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，可以驅動冷卻液電磁閥、主繼電器和管路加熱繼電器等外設；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，用于同發動機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，可用于匹配標定和故障診斷。開發的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NOx中成分全為NO2，則與NH3的反應方程式[2]為

4NO2+4NH3→4N2+6H2O+O2

(2)

(3) 標準尿素水溶液的濃度為32.5%，于是可以得到反應比率為

(3)

(4)

反應完的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為轉換率。

確定NOx轉換率的方法如圖4所示。根據原機NOx排放和目標NOx排放，可以得到目標NOx轉換率，乘以升溫修正系數得到修正后的NOx轉換率，再通過NOx轉換率限值進行限制，得到最終的NOx轉換率。

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

4 OBD設計

HJ437—2008規定了在國IV階段，對重型發動機排放相關的部件必須進行OBD(在線故障診斷)[5]。由于SCR系統與NOx排放密切相關，所以SCR控制系統必須具備OBD能力。

對于需要診斷的各個部件，都有其各自的監控系統，負責監控各個部件的異常情況，一旦監測到異常，就向故障診斷系統報告異常；在故障管理系統中，先進行異常預處理，一旦異常累積到了故障水平，就進行故障處理；同時，故障信息需要保存在內存中，儲存的信息還須區分歷史故障還是確認故障；一旦發生故障以后，須對故障事件進行處理，比如對傳感器數值取用替代值；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；故障診斷設備通過故障診斷接口讀取故障碼，清除故障碼并獲取狀態信息。本文中的故障診斷接口符合J1939—73[6]和ISO 15765—4[7]的要求。

本文中設計的故障診斷系統如圖5所示。

設計的SCR控制系統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、泵驅動電磁閥短路到電源、泵驅動電磁閥短路到地、泵驅動電磁閥開路、泵內部加熱器故障、泵空氣或尿素流量太小、泵驅動單元故障、泵EEPROM故障、尿素罐液位低、NOx排放超5和NOx排放超7等。

5 試驗驗證

在臺架上進行SCR控制系統標定，步驟為：

(1) 原機標定，得到原機萬有特性；

(2) 催化劑轉換率標定，得到在不同空速和排溫下的催化劑轉換率；

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

(4) OBD標定，模擬各個傳感器、執行器和系統故障，進行故障診斷標定。

排放標定后，進行ETC和ESC工況的排放試驗，圖6為ETC工況NOx排放和氨泄漏情況。

通過標定，達到了如下排放結果：

(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排放法規規定的排放限值：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]。該排放結果滿足國IV法規要求。

在發動機試驗臺架上進行如下OBD試驗：

(1) 拔除各傳感器、傳感器信號接地和接電源；

(2) 拔除各執行器、執行器驅動線與電源短接；

(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標準的故障診斷儀進行故障代碼的讀取和刪除操作。

試驗表明，該控制系統能夠正確地識別出故障、保存和顯示故障碼、根據故障的類型決定該故障碼可否刪除；同時，一旦發生NOx排放可能超過7g/(kW·h)的故障，能限制發動機轉矩。該控制系統的OBD滿足國標HJ437—2008的要求[5]。

6 結論

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

(2) 試驗表明，配備該控制系統的SCR系統，能夠使重型發動機達到國IV法規ETC工況和ESC工況的NOx排放要求。

(3) 該控制系統滿足國標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] 國家環境保護總局,國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 17691—2005 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機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:中國環境出版社,2005.

[5] 中華人民共和國環境保護部.HJ 437—2008 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車車載診斷(OBD)系統技術要求[S].北京:中國環境出版社,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.