無(wú)空氣輔助SCR系統(tǒng)添藍(lán)控制器（DCU）硬件設(shè)計(jì)

張美娟

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214121）

為了滿足未來(lái)新的排放法規(guī)的要求，如何協(xié)調(diào)柴油機(jī)油耗和排放，特別是在歐IV排放的基準(zhǔn)上怎樣進(jìn)一步降低NOx的排放，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)專家從燃油品質(zhì)、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)、機(jī)外凈化技術(shù)（尾氣后處理技術(shù)）等方面尋求策略。提升柴油品質(zhì)包括降低柴油中的硫含量、控制柴油的十六烷值、添加劑的使用；機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)包括電控高壓燃油噴射技術(shù)、廢氣渦輪增壓技術(shù)、進(jìn)氣中冷技術(shù)、廢氣再循環(huán)（EGR）、均質(zhì)混合壓燃技術(shù)（HCCI）等。但是歐IV／V排放法規(guī)目前僅僅依靠這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須在此基礎(chǔ)上綜合使用排氣后處理技術(shù)來(lái)控制NOx和顆粒物。國(guó)際上，為了滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，如歐IV／V或者EPA標(biāo)準(zhǔn)，基本上都是通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)歐III發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)燃燒技術(shù)，加上SCR（Selective Catalytic Reduction）或EGR＋DPF（廢氣循環(huán)＋顆粒捕集器）等后處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

1 SCR系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的主要作用是降低柴油機(jī)尾氣中的NOx值，采用尿素（又名添藍(lán)）作催化還原劑。

在選擇性催化劑的還原作用下，NOx被還原成氮?dú)猓∟2）和水，催化器內(nèi)部的主要化學(xué)方程式如下：

無(wú)空氣輔助SCR系統(tǒng)由添藍(lán)罐、供應(yīng)單元、DCU控制器、噴嘴、前后排溫度傳感器、NOx傳感器、加熱絲及相應(yīng)管路、線束、傳感器等組成。

本系統(tǒng)的主要工作過(guò)程如下：將車輛的鑰匙開(kāi)關(guān)旋至ON檔后，DCU控制器上電，同時(shí)供應(yīng)單元中的無(wú)刷直流電機(jī)（簡(jiǎn)稱BLDC）開(kāi)始工作，驅(qū)動(dòng)尿素泵轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)添藍(lán)罐中添藍(lán)溶液被抽吸至尿素泵腔中。為了快速建立壓力，尿素泵開(kāi)始時(shí)以最大工作能力工作，當(dāng)壓力達(dá)到5bar后，控制器通過(guò)軟件閉環(huán)控制尿素泵，并保持泵腔內(nèi)的壓力恒定。當(dāng)轉(zhuǎn)速和排溫達(dá)滿足預(yù)定標(biāo)定好條件時(shí)，噴嘴開(kāi)始噴射添藍(lán)溶液?？刂破鞲鶕?jù)當(dāng)前的排氣溫度、外界環(huán)境和發(fā)動(dòng)機(jī)工況來(lái)精確計(jì)量添藍(lán)溶液的噴射量。當(dāng)添藍(lán)溶液被噴射到排氣管后，與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣均勻混合后完成化學(xué)反應(yīng)，從而降低排氣中的NOx值。

2 DCU控制器硬件設(shè)計(jì)

控制器硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了，而且便于以后的修改調(diào)試。

控制器硬件按照模塊可以分為：微處理器模塊、電源模塊、尿素噴嘴驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)刷直流電機(jī)控制模塊、輸入輸出與驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器信號(hào)采集處理模塊、通訊模塊等，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 SCR系統(tǒng)DCU硬件系統(tǒng)框圖

2.1 微處理器模塊

由于SCR系統(tǒng)的傳感器執(zhí)行器多，控制算法復(fù)雜，而且尿素噴射定時(shí)可變，噴射脈寬可調(diào)，而且還要采用脈寬調(diào)制PWM波對(duì)供應(yīng)單元腔內(nèi)壓力進(jìn)行壓力閉環(huán)控制。本方案采用飛思卡爾公司的MC9S12XS64作為微處理器，該芯片采用＋5V供電，總線速度可達(dá)25MHz，特別適合用在汽車電子行業(yè)。

2.2 電源模塊

本設(shè)計(jì)中，蓄電池經(jīng)過(guò)濾波及TVS管后，由DC-DC降至＋10V（給MOS管提供驅(qū)動(dòng)電壓），再通過(guò)一路LDO降至＋5V，給微控制核心電路和其他數(shù)字器件提供電壓，另一路LDO降至＋5V給傳感器供電。

2.3 尿素噴嘴驅(qū)動(dòng)模塊

尿素噴嘴具有開(kāi)關(guān)電磁閥的特性，為電流驅(qū)動(dòng)型。為了保證噴嘴快速打開(kāi)，要求在開(kāi)啟噴嘴時(shí)驅(qū)動(dòng)電流足夠大。但如果開(kāi)啟電流持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，噴嘴發(fā)熱嚴(yán)重，線圈容易燒毀，降低了噴嘴的壽命。而且在噴嘴打開(kāi)以后，只需要很小的電流就能維持噴嘴打開(kāi)的狀態(tài)，這樣既節(jié)約能量又提高了噴嘴的壽命。關(guān)閉噴嘴時(shí)，只需切斷通過(guò)噴嘴的電流即可。圖2為尿素噴嘴實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形，峰值電流約為4A，0.5ms驅(qū)動(dòng)時(shí)間，維持電流約為1A。

圖3為噴嘴驅(qū)動(dòng)示意圖，SW1、SW2分別控制噴嘴高低端，R1為采樣電阻，采集通過(guò)尿素噴嘴的電流。電流經(jīng)過(guò)采樣電阻后，變?yōu)楹苄〉碾妷盒盘?hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大，輸入到比較器。比較器根據(jù)閾值的選擇控制電流的大小。

2.4 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

汽車電子的關(guān)鍵要求是具有覆蓋較寬輸入電源范圍的功能性。在電池電壓較低時(shí)也必須保證無(wú)刷直流電機(jī)的正常工作，并且應(yīng)該提供完善的保護(hù)機(jī)制。本設(shè)計(jì)中選擇Allegro公司A 3 9 3 1，3相無(wú)刷直流（BLDC）電動(dòng)機(jī)控制器。它用于N通道外部電源MOSFET集成了設(shè)計(jì)極具成本效益的三相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的各種電路，并專門(mén)用于汽車應(yīng)用。

圖2 尿素噴嘴實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形

圖3 噴嘴驅(qū)動(dòng)示意圖

2.5 輸入與輸出驅(qū)動(dòng)模塊

輸入與輸出驅(qū)動(dòng)模塊包括：加熱水閥、反向電磁閥及電加熱絲驅(qū)動(dòng)。因?yàn)樘硭{(lán)溶液在環(huán)境溫度低于-11℃時(shí)會(huì)結(jié)冰，為了保證SCR系統(tǒng)在低溫時(shí)能夠正常工作，系統(tǒng)必須具有化冰功能，化冰的熱源來(lái)自于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水。當(dāng)控制器通過(guò)添藍(lán)罐內(nèi)溫度傳感器測(cè)量到添藍(lán)溫度較低，有可能出現(xiàn)添藍(lán)結(jié)冰的情況，控制器控制加熱水閥和電加熱絲工作，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水就會(huì)順著管道流向添藍(lán)罐和供應(yīng)單元添藍(lán)泵內(nèi)置的換熱器，添藍(lán)溶液就會(huì)迅速融化。因?yàn)槔鋮s水和添藍(lán)膠管扎在一起，外面套有保溫管，所以添藍(lán)罐內(nèi)部的添藍(lán)溶液也就會(huì)同時(shí)融化。由于加熱水閥、反向電磁閥及電加熱絲的驅(qū)動(dòng)電流都約為1A，本方案采用汽車級(jí)集成低端驅(qū)動(dòng)，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3 總結(jié)

目前該控制器配合自主無(wú)空氣輔助SCR系統(tǒng)已經(jīng)順利完成了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：NOx轉(zhuǎn)化效率＝73.6%，尿素消耗量是油耗的7.75%，其排放對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由排放對(duì)比數(shù)據(jù)表明，SCR系統(tǒng)大大降低了CO、HC和NOx的比排放量。但后續(xù)將對(duì)控制器的可靠性、穩(wěn)定性方面作進(jìn)一步的深入研究，能夠更好地適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。

表1 排放對(duì)比數(shù)據(jù)

［1］錢(qián)楓，喻方平.歐IV柴油機(jī)SCR系統(tǒng)添藍(lán)控制器的研發(fā)［J］.交通與計(jì)算機(jī)，2008（6）：162-165.

［2］邱英杰，石錦蕓.高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的SCR處理系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009（11）：52-54.

［3］劉軍.SCR尿素計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制策略研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010.

［4］錢(qián)楓.歐IV柴油機(jī)SCR系統(tǒng)電子控制單元的研發(fā)［D］：武漢：武漢理工大學(xué)，2008.