柴油機SCR后處理系統控制單元開發與試驗驗證*

隋維龍 彭憶強 何偉 韓志強

（1-西華大學汽車與交通學院四川成都6100392-成都雅俊新能源汽車科技股份有限公司3-四川汽車關鍵零部件協同創新中心4-汽車測控與安全四川省重點實驗室）

柴油機SCR后處理系統控制單元開發與試驗驗證*

隋維龍1，3，4 彭憶強1，3，4 何偉1，2 韓志強1，3，4

（1-西華大學汽車與交通學院四川成都6100392-成都雅俊新能源汽車科技股份有限公司3-四川汽車關鍵零部件協同創新中心4-汽車測控與安全四川省重點實驗室）

SCR技術是降低發動機NOx排放的有效手段。基于MC9S12XS128芯片和SAE-J1939通訊協議，設計開發了SCR系統的控制單元與標定診斷工具，并編制了控制策略。最后在搭建的試驗平臺上驗證了系統的可行性，將原機的NOx排放降低了80%。

SCR系統控制策略試驗驗證

引言

環境污染已經成為全世界高度重視的問題，我國大型城市的污染物來源正在由煤煙型污染向汽車型污染轉變[1]。為了緩解環境壓力，更加嚴格的排放法規也將逐步實施。面對日益嚴格的排放法規，采用尾氣后處理技術是實現國Ⅳ及以上排放法規的必然技術措施[2]，在現有柴油機機內凈化技術的基礎上，結合高效的尾氣后處理措施是柴油機技術發展的方向。柴油機的主要有害排放物有一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）、碳氫化合物（HC）、二氧化硫（SO2）和炭煙微粒（PM）[3]，其中NOx與PM更是重中之重。

選擇性催化還原SCR（selective catalytic reduction）技術是降低發動機NOx排放的一條有效的技術路線，具有抗硫性強，燃油消耗量少及原機改動小的優點[4]，其中尿素選擇催化還原（Urea-SCR）在世界范圍內得到了廣泛應用[5]。

本文以一臺六缸渦輪增壓柴油機為研究對象，自主設計開發了Urea-SCR控制單元、控制策略和基于SAE-J1939通信協議的標定診斷工具，并在發動機臺架上進行試驗，最終實現降低NOx排放的目標。

1系統介紹

1.1 Urea-SCR系統

Urea-SCR系統的基本工作原理為：向柴油機排氣管中噴入32.5%尿素水溶液，在高溫排氣中尿素水溶液發生水解反應產生NH3，NH3在催化劑的作用下與NO和NO2發生化學反應，達到除去NOx目的。發生的反應主要有尿素溶液的熱解、水解等反應生成NH3與異氰酸（HNCO）[6]：

異氰酸水解后生成NH3與CO2：

SCR后處理系統主要由發動機ECU、SCR-DCU（尿素計量控制單元）、尿素泵、尿素箱、NOx傳感器、催化器、催化器前后溫度傳感器、空壓機等部件構成，如圖1所示。在本文所研制的系統中，催化器前后排溫測量都使用PT200型溫度傳感器。NOx傳感器采用德國大陸continental 5WK96756型，其精度高，敏感性好。尿素泵為氣體輔助霧化和外混合方式。壓縮空氣電磁閥，集成了空氣穩壓與空氣開啟控制功能，可將壓縮空氣壓力穩定在300 kPa。催化器的參數見表1。

系統工作時，SCR系統的DCU通過CAN總線接收發動機ECU傳送過來的轉速與負荷信號，結合自身通過各種溫度傳感器與液位傳感器采集到的信息，按照軟件中的控制策略向排氣管中噴入尿素溶液。

圖1 SCR后處理系統組成

表1 催化器參數

1.2 SCR控制系統

本文作者所研制的SCR控制系統主要由處理器核心模塊、電源模塊、驅動模塊、A/D采樣模塊與CAN通信模塊五部分組成。核心芯片選用飛思卡爾公司的S12X系列MC9S12XS128芯片，該款單片機使用范圍廣泛，成本較低，完全能夠滿足使用需求。使用了LM1085與TLE4251兩款電源芯片，分別為核心芯片與溫度、液位傳感器供電。驅動模塊中，核心模塊發出的PWM波信號經過IR4427驅動芯片，加大了信號的驅動能力，從而完成對電磁閥的驅動。A/D采樣模塊負責采集催化器前后排溫、尿素的溫度與液位。CAN模塊選用德州儀器SN65HVD230生產的3.3V CAN收發器，該收發器使用于較高通訊速率、具備良好的抗干擾能力和高可靠性CAN總線串行通訊能力。控制器的各模塊如圖2所示。

圖2 SCR控制器功能模塊

2系統工作過程

當SCR控制器上電監測完畢后，開始向尿素泵發送排空指令，尿素泵進入到排空狀態，以最大流量運行30 s，尿素泵打開壓縮空氣電磁閥，尿素泵首先進行故障診斷，判斷泵出壓力是否在工作范圍，如果壓力在工作范圍內，進入噴射狀態，尿素噴射量為0。SCR控制器按照尿素噴射策略進行工作，首先判斷催化器前后溫度平均值是否達到200℃的起噴溫度，如果達到則按照相應的控制策略計算當前工況下目標尿素噴射量，并向尿素泵發送相應的控制指令。整個工作過程如圖3所示。

3SCR系統控制策略

SCR系統的控制策略主要為尿素的計量控制策略，要求向排氣管中噴入適量的尿素溶液，使之還原尾氣中的NOx，以達到國Ⅳ的排放限值標準3.5 g/（kW·h）[8]。尿素的計量控制策略包含尿素基本噴射量控制策略、溫度延遲修正及氨存儲能力修正。

3.1 尿素基本噴射量控制策略

尿素基本噴射量控制策略包含了基本控制策略以及閉環修正策略，如圖4所示。首先通過發動機轉速和油門開度查脈譜得到當前工況的NOx排放，假設NOx與NH3完全反應計算出理論NH3需求量，通過催化器前后排溫取平均值得到催化器溫度，再通過發動機轉速和油門開度查空速脈譜得到當前空速，通過催化器溫度和空速值查脈譜得到NOx目標轉化效率。通過NOx傳感器得到當前的NOx排放濃度，已知當前NOx原機排放，可以計算出當前工況實際NOx轉化效率，與目標NOx轉化效率作對比，利用PID控制程序進行閉環修正。最后通過質量換算得到實際尿素需求量。

在控制策略中需要得到三個脈譜圖，發動機NOx排放脈譜、排氣流量脈譜和NOx目標轉化效率脈譜，可通過對原機試驗獲得。策略中還需要計算NOx質量流量，NH3需求量，尿素需求量。下面分別給出計算方法。

3.1.1 NOx質量流量計算

原機NOx排放試驗中獲得的NOx值濃度單位為10-6，在計算過程中需要將NOx濃度轉換為mg/s。首先通過查脈譜得到當前工況下排氣的質量流量，排氣質量流量為進氣質量流量和燃油消耗量之和。

式中：QNOx表示排氣中NOx質量流量，單位mg/s；C1表示單位換算系數，即kg/h換算為mg/s，取277.78；M1表示NOx摩爾質量，取46；M2表示排氣摩爾質量，取29；QEG表示排氣質量流量，單位kg/h；VNOx表示NOx體積濃度，單位10-6。

3.1.2 NH3需求量計算

由化學反應式（3）、（4）可以知道，NH3和NOx為1∶1反應，即1 mol NH3與1 mol NOx參與反應。在計算過程中都是假設噴入排氣管中的尿素完全水解并參與化學反應，但在實際過程中會有部分尿素殘留在排氣管壁上未能完全水解，需要進行修正，所以利用氨氮比NSR作為修正系數，初始值設為1，可以通過試驗建立氨氮比脈譜圖進行修正。目標NOx轉化效率是由催化器溫度和空速共同決定，通過原機的轉化效率試驗獲得，目標NOx轉化效率脈譜的設置一定要合理，如果轉化效率設置過高容易導致氨泄漏過高，達不到法規要求。設置過低容易導致NOx排放超標。

圖3 SCR系統工作過程

圖4 尿素基本噴射量控制策略

式中：QNH3表示NH3實際需求量，單位mg/s；C2表示化學因子，即1 molNH3和1 molNOx完全反應摩爾質量之比，即17/46=0.37；NSR表示氨氮比，初始值設為1；fNOx表示目標NOx轉化效率。

3.1.3 尿素需求量計算

從化學反應式（1）和（2）可知，1mol的尿素水溶液最終水解為2 mol的NH3，使用中的尿素水溶液中尿素體積分數實際為32.5%.

式中：Qadblue表示尿素質量流量mg/s；M3表示尿素摩爾質量，取60 g/mol。

3.2 溫度延遲修正

在實際工作的狀態下，由于車輛受到交通狀況的影響，常常都會處在加速或減速瞬態變化工況，發動機轉速或負荷會出現陡增或陡降的情況。由于催化器本身的熱阻作用，溫度的變化不會像排氣溫度變化那么迅速，總會出現一定的延遲。按照前后排氣溫度計算催化器溫度的算法會出現較大誤差，對NOx的轉化效率也將會產生很大影響，因此需要對催化器溫度變化作延遲修正[9]。瞬態工況的變化主要是通過油門的變化率進行判斷，油門變化率為正且不為零時判斷為加速工況，當油門變化率為負時判斷為減速工況。

當處在加速工況時發動機的排溫也會相應地從低排溫過渡到高排溫，催化器的溫度也會慢慢升高，此時按照排溫計算的催化器溫度偏高，噴入的尿素也會過量，導致尿素不能充分和NOx反應，NH3也會大量泄漏。當處在減速工況時，排氣溫度迅速降低，此時催化器載體具有一定的儲熱能力，溫度相對排溫較高，可以適當增加尿素噴射量，提高NOx轉化效率。

3.3 氨存儲能力修正

催化器的氨存儲能力，是指催化劑涂層以及載體發生化學吸附并沒有與NOx發生氧化還原反應的氨氣質量的多少[2]。而排氣溫度是影響氨存儲能力大小的主要因素，當發動機排氣由低溫過渡到高溫工況時，存儲在催化器中的NH3會釋放參與化學反應，如果不考慮這部分NH3，就有可能出現NH3泄漏的情況，當發動機排氣由高溫過渡到低溫時，此時會有部分的NH3吸附在催化器內部，不參與化學反應，因此需要補償這部分吸附的NH3，不然會減低NOx轉化效率，有可能導致NOx排放超標。修正方程如下：

式中：ΔM表示尿素修正質量，單位g；V表示催化器體積，單位L；MNH3表示NH3摩爾質量，17 g/mol；MNOx表示NOx摩爾質量，46 g/mol；C3表示質量換算系數，即NH3與尿素質量換算，取5.42；ΔNH3表示溫差引起的NH3吸附/解吸附量，單位g。

在不同排溫下氨的存儲量需要做試驗獲得，由于試驗條件的限制，無法測量NH3濃度，因此，在控制策略中只給出修正的方法。這樣，在尿素基本噴射量控制策略的基礎上添加了溫度延遲修正與氨存儲能力修正后的尿素計量控制策略如圖5所示。

4SCR系統試驗研究

本項目所搭建的系統試驗平臺如圖6所示。新鮮空氣通過空濾器與空氣流量計后流經壓氣機、中冷器后進入缸內，柴油噴射方式為高壓共軌式，廢氣通過渦輪增壓器后進入SCR系統。試驗所使用的是玉柴YC6L260柴油機，其基本參數見表2。

表2 發動機性能參數

在十三點工況下，測得的經SCR系統處理前后的NOx排放的對比如圖7所示，其中NOx是以10-6為單位。在相同轉速時，隨著發動機負荷的上升，NOx排放也開始急劇上升，催化器溫度也急劇上升，由于溫度的上升催化劑的轉化效率也快速升高，NOx與NH3的反應更加充分，處理后的NOx排放較低，達到幾十個10-6。

根據GB 17691-2005中規定的NOx比排放的計算方法，對十三點工況的NOx進行單位上的換算，可以得到如表3所示的計算結果。

最后的比排放計算公式為：

圖5 尿素計量控制策略

圖6 SCR系統試驗平臺

圖7 十三點工況處理前后NOx對比

根據公式9，SCR系統處理前的比排放計算結果為10.25 g（/kW·h），處理后的比排放值為2.08 g（/kW·h）。因此經SCR系統處理后，NOx比排放值下降了80%，效果明顯。

表3 十三點工況NOx排放計算結果

5結論

1）設計開發了基于MC9S12XS128芯片的SCR系統控制單元和基于SAE-J1939通信協議的標定診斷工具。

2）制定了SCR系統的軟件控制策略，在尿素基本噴射量控制策略的框架基礎上添加了溫度延遲修正與氨存儲能力修正。

3）通過試驗驗證，確定所設計的控制系統的硬件與軟件都能正常使用，并將原機的NOx比排放降低了80%。

1衛小春.加強機動車尾氣超標排放治理[J].民主，2014（7）：9-10

2覃軍.降低柴油機NOx排放的SCR系統控制策略研究[D].武漢：武漢理工大學，2007

3韓志強.兩級增壓系統參數選擇以及對燃燒過程的影響研究[D].天津：天津大學，2012

4胡靜，趙彥光，陳婷，等.重型柴油機尿素SCR后處理系統的控制策略研究[J].內燃機工程，2011，32（2）：1-5

5郭秀麗.柴油機尿素選擇催化還原技術現狀及發展趨勢[J].小型內燃機與摩托車，2014，43（1）：79-83

6胡杰，王立輝，王天田.柴油機Urea-SCR控制系統設計與試驗[J].農業機械學報，2016，47（2）：349-356

7Cheolyong Choi,Yonmo Sung,Gyung Min Choi,et al. Numerical analysis of NOxreduction for compact design in marine urea-SCR system[J].International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering,2015(7):1020-1034

8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：中國環境科學出版社，2005

9胡靜，趙彥光，陳婷，等.重型柴油機尿素-SCR閉環控制系統的研究[J].汽車工程，2011，33（6）：482-485

Development and Test Validation of Control Unit of SCR Post-processing System for Diesel Engine

Sui Weilong1,3,4,Peng Yiqiang1,3,4,He Wei1,2,Han Zhiqiang1,3,4
1-School of Automobile＆Transportation,Xihua University(Chengdu,Sichuan,610039,China) 2-Chengdu Yajun New Energy Vehicles Technology Company Limited 3-Collaborative Innovation Center of Automotive Key Components of Sichuan Province 4-Key Laboratory of Automotive Measure-control and Safety，Sichuan Province

SCR technology is an effective way to reduce NOxemissions of diesel engine.In this paper,the control unit of SCR system based on the MC9S12XS128 hardware and the calibration diagnosis tool based on SAE-J1939 communication protocol were developed,and the control strategy was compiled.The feasibility of system was validated on the test bench.The experimentresults show that,the engine′s NOxemission was reduced by 80%.

SCR system,Control strategy,Test validation

TK421.5

A

2095-8234（2016）06-0064-08

2016-10-28）

新能源汽車電控技術四川省青年科技創新研究團隊（2015TD0021），四川省科技支撐項目（2015GZ0128，2015GZ0145）。

隋維龍（1988-），男，碩士研究生，主要從事汽車發動機燃燒與排放優化方面的研究。