柴油機SCR系統控制單元設計與研究

李捷輝,丁曉忠,尹必峰

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江212013)

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柴油機SCR系統控制單元設計與研究

李捷輝,丁曉忠,尹必峰

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江212013)

摘要：為降低車用柴油機氮氧化物排放，采用美國Freescale公司16位高性能控制芯片MC9S12XS128開發一套SCR(Selective Catalytic Reduction)后處理系統控制單元，進行微控制單元(MCU)模塊、電源管理模塊、輸入調理模塊、輸出驅動模塊、控制器局域網(CAN)總線通訊模塊等硬件電路設計。根據SCR工作原理，制定控制策略，設計和完善控制程序。以一種四缸柴油機為樣機開展歐洲穩態測試循環(ESC)排放試驗，并與原機進行比對。試驗結果表明：安裝SCR后處理系統的樣機，NOx比排放量低至1.713 g/(kW·h)，較原機的8.421 g/(kW·h)降低了79.44%，其中NOx最高轉化率可達92.53%，平均轉化效率達73.21%。柴油機NOx排放滿足國Ⅴ排放標準，控制單元性能穩定，達到設計要求。

關鍵詞：柴油機；硬件電路；SCR后處理系統；控制策略

0引言

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

柴油機依據壓縮比高、動力性強、熱效率高等優點，是城市公交、長途運輸和市政車輛的主要動力來源。當前，車用發動機柴油化已成為汽車工業中重要的發展方向[1]。氮氧化物(NOx)是車用柴油機主要污染物之一，隨著發動機排放污染的日益加重以及國V排放標準的實施，僅靠機內燃燒凈化方式已無法滿足排放法規要求。匹配排氣后處理系統，降低排放是柴油機生產廠家必須面對的問題。配置選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction, SCR)系統的柴油機具有高效、減排和發動機改進少等優點，成為降低NOx排放的主流方法[2-3]。

國外針對SCR后處理技術研究較早，已有成熟產品推出，如德國博世公司開發的DeNOx系統，可降低80%NOx。美國康明斯公司的集成式排放控制技術, 可降低30%NOx，達歐V排放標準。目前，國內市場部分SCR后處理系統采用添藍噴射控制單元(Dosing Control Unit, DCU) 外加計量泵控制方式，這不可避免造成SCR后處理系統冗雜、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自主設計一套SCR后處理系統控制單元，該控制單元集成于添藍計量泵中，取代添藍噴射控制單元DCU，如圖1所示。匹配底層驅動程序、制定控制策略、編寫控制程序[4-5]，并進行歐洲穩態循環(ESC)測試，檢驗控制單元，并將試驗結果與原機進行比對分析。

1控制單元組成

SCR后處理系統控制單元包括微控單元(MCU)模塊、電源管理模塊、輸入調理模塊、輸出驅動模塊和控制器局域網總線(Controller Area Network, CAN)通訊模塊組成，如圖2所示。SCR后處理系統控制單元通過CAN總線從發動機電控單元(ECU)中獲取轉速、轉矩等參數信息確定發動機當前工況[6]，并采集各傳感器的輸入信號及NOx濃度信號，根據控制策略查找標定脈譜圖，驅動電磁閥適時地將定劑量的32.5%添藍水溶液與壓縮空氣混合噴入排氣管中，與NOx發生選擇性還原反應生成N2和H2O,從而達到降低NOx的目的[7]。

圖2　控制單元結構框圖

2控制單元電路設計

2.1MCU模塊選用

以單片機為核心的微處理器，通過處理計算外圍電路各傳感器信號，輸出電磁閥等執行器的電驅動信號，使控制策略得到有效的執行。MCU模塊選用美國Freescale公司的16位高性能控制芯片MC9S12XS128進行控制單元設計，芯片具有128 K程序閃存、8 K數據閃存、16通道模數轉換器(ADC)、8通道脈沖寬度調制模塊、8通道輸入捕捉/輸出比較定時器模塊、91個獨立數字輸入輸出端口以及1個MSCAN模塊等[8]。芯片內部兼有鎖相環倍頻器、系統時鐘發生器、看門狗定時器、實時中斷等高集成度的控制模塊，大幅度簡化了外圍擴展電路，使控制更加便捷。

2.2電源管理模塊

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

圖3　電源轉換模塊

2.3輸入調理模塊

信號輸入調理模塊的精準性、可靠性及穩定性對整個控制系統具有重要影響。SCR后處理系統控制單元輸入調理模塊按照信號可分電阻信號和電壓信號。添藍罐內液位溫度傳感器、泵內溫度傳感器、排氣管前/后溫度傳感器為電阻信號。添藍泵內壓力傳感器、壓縮空氣壓力傳感器等為電壓信號。為提高驅動能力，采用電阻下拉的方式，按照串聯分壓的原理，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行限幅保護，確保正反向壓降控制在0.5～0.7 V內。在電阻R1兩端分別并聯電容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輸出驅動模塊

輸出驅動模塊是將MCU輸出的脈沖信號進行功率放大，控制步進電機、壓縮空氣電磁閥、添藍電磁閥、冷卻水電磁閥及故障燈等可靠工作。良好的驅動模塊應滿足控制精確，響應快捷，抗電壓、電流沖擊強，驅動功率小等特點，為此該模塊是設計的重點[11]。

2.4.1步進電機驅動

步進電機經連桿機構帶動膜片前后運動，通過改變電機的頻率實現添藍溶液量的供給。為保證電機精確控制，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，用于限制斷電時流入芯片內部的大電流，VCP、VBOOT分別為振蕩器輸出端口和場效應晶體管電壓供應端口，兩者通過雙向二極管相連，為電路提供震蕩頻率及電橋驅動電壓。HALF/FULL、CONTROL、EN、CLOCK、CW/CCW及RESET均為電機邏輯信號輸入端口，并與主控單元相連，控制電機的時鐘頻率、步進角度、旋轉方向、有效邊沿和復位功能等。信號輸出端OUT_1A、OUT_1B、OUT_2A、OUT_2B與實物電機連接，控制電機轉動。

圖5　電機控制電路

2.4.2電磁閥驅動

電磁閥驅動電路功用為控制電磁閥開啟時快速注入能量, 產生足夠大的電磁作用力，縮短響應時間。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, 減小線圈發熱，同時保證電磁閥斷電時快速閉合，縮短響應時間，提升系統的靈敏度。SCR后處理系統中，添藍電磁閥、冷卻水電磁閥為低端驅動，壓縮空氣電磁閥為高端驅動，下面以添藍電磁閥為例。

添藍電磁閥電路輸入端接受主芯片控制信號，經R41、C65的RC濾波后，至功率場效應管柵極，當柵源間正電壓大于閾值電壓時，柵極P區表面電子濃度超過空穴濃度，將P型半導體反型成N型，形成N溝道，使漏極和源極導通，輸出電磁閥驅動信號。為防止柵極與源極間電壓突變、電容耦合等產生柵源尖峰電壓，擊穿柵源氧化層，在其之間并聯二極管D26進行限壓保護。同理，在漏極與源極間串聯齊納二極管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　添藍電磁閥驅動電路

2.5CAN通訊電路

控制局域網絡(CAN)通訊是協議控制器和總線物理傳輸路線間的接口，實現主控單元與CAN總線之間的信號收發。CAN通訊結構簡單，緊需兩根數據線便可以1 Mpbs速率傳輸10 km數據[12]。CAN通訊以報文的形式獲取發動機轉速、負荷、NOx濃度及NH3濃度等信號。電路采用TJA1050專用芯片為收發器，MCU數據經收發器處理，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R12、R14電阻與C12濾波，同時分別串聯電感元件，去除電路中的交流成分，保證信號穩定性。

圖7　控制局域網(CAN)通訊電路

3SCR后處理系統控制策略

控制策略決定發動機在不同工況下排氣管中添藍的噴射量，合理的控制策略可有效減少NOx排放，滿足排放法規要求，同時將NH3泄漏量控制在25 mg/L以內[13]。SCR后處理系統控制策略可分為開環控制與閉環控制。開環控制策略是基于估算查表的方法進行噴射控制，無法實時監測發動機不同工況氮氧化物的排放量。因此，在動態工況中易出現添藍噴射量與氮氧化合物排放量不匹配的現象，影響凈化效果[14]。

本文采用閉環控制思想進行控制。根據發動機工況，查找脈譜，由尿素與氮氧化物的反應式，計算該工況下添藍溶液理論噴射量；再根據催化劑前后溫度傳感器及排氣管內廢氣流量建立催化器修正模型，推算出溫度修正系數，并與添藍溶液理論噴射量進行數據整合；最后為保證氮氧轉化效率及控制NH3泄漏量，采用在催化器進口安裝氮氧傳感器A，獲取當前發動機NOx排放，同時在催化器出口安裝NOx傳感器B，檢測轉化后的NOx濃度，將氮氧傳感器B的測量結果與基本噴射量進行轉換效率計算，推算出NOx濃度修正系數，并將其與添藍基本噴射量進行二次整合，得出添藍實際噴射脈譜，如圖8所示。

圖8　SCR控制策略流程圖

4試驗驗證及結果分析

4.1試驗方案

為保證控制單元的可靠性和快速響應能力，進行試驗研究。試驗過程分為兩部分，首先對SCR系統控制單元完成硬件功能測試，驗證電路的可靠性；然后選用一種直列四缸四沖程增壓中冷柴油機進行臺架試驗，驗證控制單元的實用性。

4.2硬件模擬測試

運用信號發生器、穩壓電源、CAN卡、數據采集卡等搭建檢測平臺對電路板進行檢測。其中信號發生器用來模擬各傳感器輸出電壓信號，CAN卡用于檢測CAN數據發送與接受功能，數據采集卡用來采集各驅動信號。本文以添藍電磁閥驅動為例完成驅動波形測試。測試時，在SCR控制單元傳感器信號入口，輸入1路模擬電壓信號，通過調整信號發生器的電壓值來控制添藍電磁閥驅動電路輸出不同占空比的方波，并與程序設定的波形進行對比來檢測其電路功能。輸入輸出對應關系如表1所示。

表1　電磁閥輸入輸出參數

測試結果如圖9所示，由于電磁閥驅動電路為低端驅動，所以低電平為有效電平。當輸入1.5 V模擬電壓信號時，實測AD轉換值為91，在理論轉換數值80～102范圍內，同時電磁閥驅動端輸出80%占空比波形，與設定值相同。同理，輸入4 V電壓時，變化規律與設定的理論值也基本一致，說明該模塊功能正常，能準確地控制信號輸出。

(a) 添藍電磁閥80%占空比

(b) 添藍電磁閥20%占空比

4.3臺架試驗

選取一種直列四缸四沖程增壓中冷柴油機為研究對象，其標定功率為68 kW，功率轉速3 200 r/min,最大輸出扭矩為215 N·m。在發動機試驗臺架上，按照《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制及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》(GB17691-2005)規定進行穩態測試循環(ESC)排放試驗[15]，并將催化器前后氮氧化物濃度進行比較，測試工況點信息如表2所示。

表2　測試工況點信息

由圖10和圖11可見，轉速一定條件下，NOx排放量隨負荷的增大而升高。這是因為同一轉速下，發動機負荷越大，其排氣缸內的燃燒溫度和排氣溫度越高，在高溫富氧的條件下，導致NOx生成量增加。而在相同負荷下，NOx排放值隨轉速的升高而降低，這是由于隨著轉速的升高，缸內的高溫持續時間在逐漸減少，低溫有助于抑制NOx的生成。由樣機試驗結果可見，該系統對NOx凈化在1 950 r/min、100%負荷時最高，氮氧化物轉化后排放值為81.874 mg/L，催化器NOx上游排放為1 096.82 mg/L，減少率達92.53%；在2 400 r/min、25%負荷時轉化率最低，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測試循環平均轉化效率為73.21%。

由表3可知，原機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后處理系統控制單元后，NOx排放值降至1.713 g/(kw·h)，SCR后處理系統對NOx凈化效果明顯，可達國Ⅴ排放標準要求。

圖10　歐洲穩態循環各工況點排放對比

5結論

以美國Freescale公司16位高性能控制芯片MC9S12XS128自主設計一套SCR后處理系統控制單元，搭建檢測平臺對控制單元進行功能性測試。制定系統控制策略，編寫控制程序，進行歐洲穩態測試循環排放試驗。試驗結果表明，控制單元功能穩定性強、工作可靠，結合NOx傳感器的閉環控制策略，ESC測試循環最高轉化率達92.53%，平均轉化效率達73.21%，NOx比排放量低至1.713 g/(kw·h)，能夠保證SCR后處理系統滿足國Ⅴ排放標準，具有較強的應用價值。

參考文獻:

[1]王永富，孟再強，鄧海龍，等.SCR后處理系統尿素計量裝置開發研究[J]. 汽車工程學報，2012，2(2)：98-103.

[2]李頂根，朱紅雨，成曉北.基于模型的SCR控制系統研究[J]. 內燃機與動力裝置，2015，32(1)：26-30.

[3]CHEN X M, ZHU A M, AU C T, et al.Enhanced low-temperature activity of Ag-promoted Co-ZSM-5 for the CH4-SCR of NO[J]. Catal Lett,2011, 141:207-212.

[4]WANG T Y , SUN K, LU Z, et al.Low temperature NH3-SCR reaction over MnOx supported on protonated titanate[J]. Reac Kinet Mech Cat,2010,101:153-161.

[5]LV L，WANG L.Model-based optimization of parameters for a diesel engine SCR system[J]. Internatinal Journal of Automotive Technology,2013,14(1):13-18.

[6]帥石金，張文娟,董紅義，等.柴油機尿素SCR催化器優化設計[J]. 車用發動機，2007(6):44-47.

[7]胡杰，顏伏伍，苗益堅，等.柴油機Urea-SCR后處理系統控制模型[J]. 內燃機學報,2013,31(2):148-154.

[8]張陽，吳曄，滕勤，等.MC9S12XS128單片機原理及嵌入式系統開發[M]. 北京：電子工業出版社，2013.

[9]白小勁，冒曉建，唐航波,等.基于MOC563XM的天然氣發動機電控單元設計[J]. 車用發動機,2011(6):12-19.

[10]徐興，盤朝奉，陳照章,等.基于PWM的拖車電磁制動器控制系統設計與仿真[J]. 廣西大學學報(自然科學版),2012,37(5):954-957.

[11]李慶峰，劉濤，肖進，等.基于MC9S12的自由活塞式內燃機電控系統設計[J]. 內燃機工程，2011，32(1)：19-23.

[12]馮川.柴油機Urea_SCR控制器研究開發[D]. 武漢：武漢理工大學，2013.

[13]胡靜，趙彥光，陳婷，等.重型柴油機SCR后處理系統尿素噴射電子控制單元開發[J]. 內燃機工程，2011，32(1)：8-11.

[14]曹學謙.SCR后處理系統閉環控制策略的研究[J]. 北京工業職業技術學院學報，2014，13(3)：26-33.

[15]國家環境保護總局，國家質量監督檢驗檢疫總局.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制及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段):GB17691-2005[S]. 北京：中國環境科學出版社，2005.

(責任編輯梁健)

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

文獻標識碼：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,江蘇鎮江人,江蘇大學教授,博士;E-mail:jhli@ujs.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375213)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(蘇政辦發〔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SCR后處理系統控制單元設計與研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(2)：395-403.