排放檢驗機構柴油車尾氣凈化系統開發

黃萬友，孫悅，唐向臣，鄒于建，崔江偉，于明進*

1.山東交通學院 汽車工程學院，山東 濟南 250357；2.山東新凌志檢測技術有限公司 山東 濟南 250000

0 引言

目前，PM2.5已經成為最嚴重污染物之一，其主要污染源是機動車尾氣，尤其是柴油車尾氣中含有大量的碳煙及NOx。為了保護環境，國家對機動車尾氣污染管控力度持續增加，汽車環保定期檢驗率也直線上升。我國已建成多家社會化排放檢驗機構，汽車環保定期檢驗率達到90%以上(含免檢車輛)[1]。柴油車排放檢測過程中會產生一定廢氣，且需要在短期內切換不同的工作狀態，導致發動機內柴油燃燒不完全而排放出更多污染物；尾氣排放不合格車輛產生的污染物更多，污染排放檢驗機構的環境，危害工作人員以及周圍居民的身體健康[2]。當前，排放檢驗機構大多采用強制抽排系統抽除站內尾氣[3-6]，或采用活性炭吸附氣態污染物，采用慣性力-物理過濾法去除微粒[7]，或通過添加催化劑對尾氣進行催化處理[8]，但均未將尾氣凈化處理，尾氣凈化效果不理想或僅僅停留在理論階段。

本文中基于XE164FN英飛凌單片機，設計一種能夠將柴油車尾氣排放檢測過程中排出的廢氣快速集中收集和高效凈化處理的尾氣凈化系統，凈化NOx及可見污染物，保護環境。

1 尾氣凈化原理

排放檢驗機構柴油車尾氣凈化基于現行國六后處理技術路線[9-10]，即氧化催化轉化器(diesel oxidation catalyst，DOC)-顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)-選擇性催化還原器(selective catalytic reduction，SCR)-氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)，并結合加熱裝置及流量測量裝置，實現柴油車排放檢測時的尾氣凈化處理。排放檢驗機構柴油車尾氣凈化原理如圖1所示。

圖1 排放檢驗機構柴油車尾氣凈化工作原理

被測車輛尾氣凈化前，首先對加熱裝置預加熱處理，隨后變頻電機驅動負壓風機將被測車輛尾氣經流量計抽取至加熱裝置進行電加熱，根據SCR前溫度傳感器的監測溫度確定加熱裝置的加熱溫度，使凈化裝置內排氣溫度及載體催化劑溫度達到有效催化溫度(280 ℃左右)。然后，尾氣經DOC將尾氣中的CO、HC以及可溶性有機物(soluble organic fractions, SOF)等氧化生成CO2和H2O。DOC內部反應過程[11]如下：

(1)

氧化處理后的尾氣經DPF過濾掉，去除碳煙等顆粒物，進入SCR，控制單元根據待凈化尾氣稀釋后的流量、NOx含量及物理轉換效率控制尿素水溶液噴射，尿素水溶液在高溫下發生水解和熱解反應生成NH3，將尾氣中NOx還原成N2和H2O[12]。SCR內部尿素溶液在高溫下水解熱解反應過程為：

(2)

氨氣與柴油車尾氣中氮氧化合物發生還原反應過程為：

(3)

SCR中未反應的NH3被ASC吸收處理，與O2反應產生N2、N2O及NOx，同時再催化NH3、NOx反應生成N2。在ASC的出氣口處設置NOx傳感器，以監測凈化后尾氣中NOx含量是否達到凈化標準，處理后的尾氣和水經凈化裝置的出氣口排出。

2 尾氣凈化系統設計

2.1 系統選型

加熱裝置是排放檢驗機構柴油車尾氣凈化系統的關鍵部件，與柴油車尾氣污染物凈化效率密切相關，因此選用合適配置的加熱裝置至關重要。一般加熱裝置為電加熱或燃油(柴油)加熱，考慮試驗安全性，使用管道加熱器電加熱方式對尾氣加熱。根據稀釋后排氣流量、溫差、試驗環境以及季節變化等因素，使用ZRQD-60(380 V/60 kW)管道加熱器，加熱器功率

(4)

式中：qV為排氣體積流量，qV=500 m3/h；Δ(θ)為溫差，Δ(θ)=350 ℃；ρ為空氣密度，ρ=1.29 kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，Cp=1.005 kJ/(kg·k)；K1為熱損耗因數，K1=1.1。

由式(4)可得，P=57.3 kW。

同時，流量計的流量在加熱裝置加熱能力范圍內，通過變頻調節風機適應各種排量車型，對于凈化裝置，選擇功率為405 kW、排量為12.54 L重卡柴油機配備的國六后處理裝置，可滿足更小型柴油機排量的凈化需求。

2.2 硬件電路設計

以英飛凌SAK-XE164FN-40F80L型單片機為核心，硬件電路主要包括電源電路、主控制電路、開關量信號處理電路、模擬信號處理電路、輸出脈沖信號處理電路、通信電路、驅動電路等部分。

2.2.1 信號處理電路

2.2.1.1 開關量信號處理電路

本系統的啟動信號為開關量信號，由于輸入電壓為12 V，應通過具有斷路和接通開關特性的三極管將電壓由12 V轉化為5 V輸入單片機[13]。

2.2.1.2 模擬信號處理電路

尾氣凈化過程中需采集尾氣流量傳感器、凈化裝置的排氣溫度傳感器、加熱裝置的溫度傳感器及排氣壓差傳感器信號，SAK-XE164FN-40F80L單片機的模數轉換單元量程為0～5 V，應將各個傳感器信號轉化為0～5 V的模擬信號。

2.2.1.3 脈沖信號處理電路

尾氣凈化過程中需采集底盤測功機輸出的車速信號，基于HEF4093具有滯后特性的數字傳輸門、HCPL0600高速光電耦合器設計車速脈沖信號調理電路，該電路可將幅值為12 V的信號轉換為穩定的0～5 V方波信號。硬件電路設計中預留模擬發動機轉速及凸輪軸轉速的輸出脈沖信號處理電路。

2.2.2 CAN通信電路

尿素噴射系統中尿素泵的控制模塊與電子控制單元之間通過局域網控制網絡(controller area network, CAN)總線完成通信功能，CAN通信電路如圖2所示。

圖2 CAN通信電路

CAN通信電路采用TJA1040高速CAN收發器完成數據傳輸，TJA1040收發器的引腳5(SPLIT)在正常模式下輸出電壓為2.5 V，使總線隱性共模電壓穩定到額定電壓2.5 V。終端節點的電阻為120 Ω，引腳5連接到終端電阻的中間分接頭，當未上電節點造成從總線到地有很大的漏電電流時，共模電壓仍能夠維持在額定值附近。

2.2.3 驅動電路

驅動電路模塊應具有良好的驅動性能、高靈敏度和高散熱性，采用TLE6232芯片作為驅動模塊，該芯片短路保護電壓可達24 V且靈敏性高，該驅動電路對尿素泵定量噴射有重要作用，如響應時間過長，尿素泵電磁閥未及時做出反應，尿素噴射量與理論值之間存在較大差異，影響NOx轉化效率。

2.3 軟件設計

2.3.1 加熱裝置溫度維持子程序

加熱裝置溫度維持子程序的作用是將凈化裝置內載體催化劑溫度穩定在有效催化溫度。凈化系統上電初始化后，啟動加熱裝置的加熱功能程序，等待溫度預置，采集加熱裝置進口溫度并顯示溫度狀態，根據SCR前溫度傳感器監測的溫度調整加熱功率以控制加熱，判斷SCR前溫度傳感器監測的排氣溫度是否符合目標溫度，若未達到，則繼續加熱，以此循環控制，直至凈化系統停止運行。加熱裝置溫度維持子程序如圖3所示。

圖3 加熱裝置溫度維持子程流程圖

為節約凈化時間，同時保證凈化裝置內各載體能夠達到催化劑的有效催化溫度，加熱裝置應提前進行預加熱。因此，對不同稀釋排氣流量下加熱裝置的溫升時間進行分析，研究稀釋排氣加熱時的熱慣量。

環境溫度為34 ℃、大氣壓力為101.5 kPa時，分別對稀釋排氣體積流量為9、11 m3/min的加熱裝置溫升時間進行試驗，結果如圖4所示。

圖4 不同稀釋排氣流量下加熱裝置溫升時間

由圖4可知：稀釋排氣體積流量為9 m3/min、初始溫度51 ℃時，達到SCR前溫度(280 ℃)的時間為328 s；在稀釋排氣體積流量為11 m3/min、初始溫度為92 ℃時，達到SCR前溫度(280 ℃)的時間為447 s，此后在280 ℃波動。達到SCR前溫度的溫升時間與初始溫度、稀釋后排氣流量有關。因此，尾氣凈化前，根據車輛登錄的信息、初始溫度確定加熱裝置預加熱時間，使其滿足凈化裝置內催化劑的有效催化溫度。

2.3.2 DPF再生子程序

DPF對尾氣中微粒進行捕集，隨著載體上微粒不斷積累，DPF兩端壓差增大，造成捕集器堵塞，嚴重影響碳煙捕集效率，導致DPF前后溫度傳遞存在延時[14-16]，因此加熱裝置的溫度以SCR前溫度傳感器(即DPF后溫度傳感器)監測溫度為基準。DPF應定期再生，增加其使用壽命，提高凈化效果。DPF再生子程序流程如圖5所示。

圖5 DPF再生子程序流程圖

排放檢驗機構柴油車尾氣凈化系統工作時，壓差傳感器一直監測DPF前、后壓差的變化，當DPF兩端壓降p1大于上限閾值(13.5 kPa)時，下位機發送報警信號并停止凈化工作，執行再生程序，且再生程序執行前，尿素泵斷電；DPF再生程序開始執行后，開啟加熱裝置及風機，調整加熱功率及稀釋后的排氣流量，實現再生溫度穩定上升；DPF再生溫度上升階段，溫度傳感器持續監測DPF壁面峰值溫度θ1，判斷θ1是否達到再生溫度(600～700 ℃)，若未達到再生溫度，繼續調整加熱功率及稀釋后的排氣流量，直至滿足再生要求；隨后進入DPF再生溫度保持階段，DPF兩端的壓差傳感器持續監測p1是否小于再生閾值(3 kPa)，以此循環控制直至退出再生程序。

2.3.3 尿素泵建壓子程序

系統上電初始化后，尿素泵自檢完畢，系統無故障且稀釋后排氣溫度θ2>180 ℃；泵控制器向尿素泵發送一幀CAN報文，尿素泵進入建壓狀態，尿素噴嘴關閉，尿素溶液從尿素箱總成進液管流入；進行尿素泵壓力檢測，當尿素泵壓力p2≥0.55 MPa且建壓時間t1≤35 s，尿素泵建壓成功，尿素泵停止轉動，否則循環控制直至尿素泵系統建壓成功。尿素泵建壓子程序流程如圖6所示。

圖6 尿素泵建壓子程序流程圖

2.3.4 尿素泵噴射子程序

尿素泵建壓成功后，接收到控制器滿足噴射指令，尿素泵進入噴射狀態。泵控制器發送電機開啟指令、泵狀態命令、診斷儀命令開啟確認、NOx傳感器露點使能開啟確認、尿素噴嘴手動控制開啟指令等，隨后，尿素泵進入預注狀態，進而進入噴射狀態，設置尿素噴嘴噴射量，并將泵壓力、噴嘴開啟、實際噴射量、泵實際狀態等信息反饋輸出。尿素泵噴射子程序如圖7所示。

圖7 尿素泵噴射子程序流程圖

由式(2)可知，1 mol尿素在高溫下水解生成2 mol NH3，由式(3)可知，NH3與NOx的反應比為1:1。通過傳感器測量得到稀釋后的NOx體積分數及流量，根據凈化裝置物理轉化效率、凈化目標確定尿素噴射量計算模型。計算過程[17]為：

(5)

式中：qV為廢氣標準狀況下體積流量，m3/min；CNOx為NOx體積分數；qm為尿素噴射質量流量，mg/min；δ為物理轉換效率,δ=0.75～0.85；Vm為理想氣體在273.15 K和101.325 kPa時的摩爾體積，Vm=22.4 L/mol；M為尿素摩爾質量，M=60 g/mol；w為尿素水溶液中尿素的質量分數，w=0.325；qVu為尿素噴射體積流量，mL/h；ρu為尿素水溶液密度，ρu=1.087 kg/L。

3 試驗驗證

試驗測試儀器主要包括汽車底盤測功機、加熱裝置(工作電壓為380 V，加熱介質為尾氣，加熱功率為60 kW)、凈化裝置(工作電壓為24 V，主要包括DOC、DPF、SCR、ASC，主要凈化HC、NOx、碳煙)、尿素噴射系統(工作電壓為24 V，工作電流為3 A)、2臺MQW-5102(Z)尾氣分析儀(尾氣成分分別為O2、NO、NO2，測量范圍分別為0～18.0%、0～5000×10-6、0～5000×10-6)、2臺MQY-202透射式煙度計(光通道有效長度為215 mm，吸收比最大相對誤差為±2.0%)等。底盤測功機的主要技術參數如表1所示。

表1 底盤測功機主要技術參數

選取額定功率分別為45 kW和67 kW的常規載貨車進行實車測試，測試時環境溫度為14.93 ℃、相對濕度為17.43%、大氣壓力為102.1 kPa。排放檢驗機構柴油車尾氣凈化系統上電，加熱裝置預加熱，測試車輛駛入排放檢測臺，尾氣分析儀采集凈化前、后主要污染物體積分數，透射式煙度計采集凈化前后的排氣煙度。額定功率為45 kW的載貨車的NOx凈化率如圖8所示，可見污染物凈化率如圖9所示。

圖8 NOx凈化率 圖9 可見污染物凈化率

由圖8可知，在排氣溫度及排氣流速一定的條件下，NOx的凈化率呈現迅速升高后穩定至80%。主要原因有2種：1)相關研究表明，當NO2與NO的體積比小于50%時，隨排氣中NO2體積分數增大，NOx凈化率升高[8]。風機在抽取柴油機尾氣的過程中抽取了大量空氣，同時隨著載體催化劑溫度逐漸升高并穩定至280 ℃左右，涂覆在DOC載體上的催化劑的活性逐漸提高，尾氣中NO在DOC內與O2反應生成NO2的速率提高，NO2體積分數提高，NO2與NOx體積比增大，所以提高了SCR的NOx凈化率;2)涂覆在SCR載體上的催化劑的活性隨溫度的升高逐漸提高，尿素高溫下水解的氨氣增加，氨氣在SCR內與NOx的反應速率提高，NOx的凈化效率升高，由于車輛的排氣溫度在開始階段迅速升高，使進入凈化裝置的混合氣溫度升高，凈化效率急劇上升。

由圖9可知，可見污染物(主要為碳煙)的凈化率迅速升高后穩定在90%。凈化過程中，隨著載體催化劑溫度逐漸升高至280 ℃，涂覆在DPF載體上的催化劑的活性逐漸提高，排氣黏度提高，加劇碳煙顆粒之間碰撞及布朗運動，擴散速度增大，因此捕集效率提高。同時，隨著捕集時間的增長，DPF的過濾體壁面逐漸形成一層致密的煙塵層，更多小粒徑碳煙被攔截吸附在過濾體上，DPF整體捕集能力明顯增強。

額定功率為45、67 kW的常規載貨車的NOx和可見污染物的凈化率對比如圖10所示。

a)NOx凈化率 b)可見污染物凈化率

由圖10可知，與額定功率45 kW常規載貨型車相比，額定功率67 kW的常規載貨車的NOx凈化反應效率與可見污染物凈化反應效率均明顯提前，這是由于額定功率67 kW車輛的排氣溫度高、排氣流量大，進入凈化裝置稀釋后的混合氣的溫度更高，所以起效更快。

綜上，該凈化系統對NOx的凈化率先升高后穩定至80%，對可見污染物的凈化率迅速升高后穩定至90%，NOx及可見污染物的凈化效果顯著，排放檢驗機構柴油車尾氣凈化系統的凈化方案可行。

4 結論

1)基于排放檢驗機構柴油車尾氣凈化原理及凈化需求，以英飛凌XE164FN單片機為核心，開發了一種基于現行國六后處理技術路線并結合加熱裝置以及流量測量裝置的排放檢驗機構柴油車尾氣凈化系統。

2)基于稀釋后的NOx含量、稀釋后的排氣流量、凈化裝置進口溫度以及凈化裝置物理轉化效率，并結合凈化目標確定了尿素噴射量計算模型。

3)通過實車測試驗證了排放檢驗機構柴油車尾氣凈化系統的可靠性，凈化系統NOx的凈化率為80%，可見污染物的凈化率為90%，NOx及可見污染物的凈化效果顯著。