柴油機(jī)SCR尿素噴射標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 川

(濱州學(xué)院機(jī)電工程系，山東濱州 256600)

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柴油機(jī)SCR尿素噴射標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 川

(濱州學(xué)院機(jī)電工程系，山東濱州 256600)

尿素噴射量的控制精度決定了SCR系統(tǒng)的后處理效果。而尿素泵的控制參數(shù)、噴嘴的驅(qū)動(dòng)參數(shù)及流量特性對(duì)實(shí)際尿素噴射量有重要影響，需要進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)計(jì)開發(fā)的尿素噴射標(biāo)定系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性和抗干擾性。下位機(jī)軟件應(yīng)用PID算法迅速穩(wěn)定管路壓力，上位機(jī)軟件基于LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，將生產(chǎn)者—消費(fèi)者循環(huán)和隊(duì)列模式相結(jié)合，有效的解決了數(shù)據(jù)接收和處理上的問題。通過實(shí)驗(yàn)，可以確定最佳的控制參數(shù)，并取得了良好的應(yīng)用效果。

SCR；流量標(biāo)定；硬件設(shè)計(jì)；PID；LabVIEW

0 引言

目前，為了控制機(jī)動(dòng)車對(duì)大氣的污染，各國(guó)都制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)，這使得降低發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的研究成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。SCR(Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原)是一種針對(duì)柴油機(jī)排放物中NOx的凈化技術(shù)，因其具有燃油經(jīng)濟(jì)性好、催化劑硫敏感度低、原機(jī)改動(dòng)小等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。其基本原理是：通過優(yōu)化燃油噴射及氣缸結(jié)構(gòu)，抑制缸內(nèi)顆粒物(PM)的生成，然后將一定量濃度(通常為32.5%)的尿素溶液噴入排氣道中，經(jīng)高溫水解后生成的NH3在SCR催化劑作用下優(yōu)先選擇與尾氣中的NOx發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和水，從而完成對(duì)柴油機(jī)污染物排放的控制。

在SCR系統(tǒng)中NH3與NOx主要發(fā)生以下反應(yīng)：

(1)

(2)

化學(xué)反應(yīng)式(1)稱為“標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)”，化學(xué)反應(yīng)式(2)稱為“快速SCR反應(yīng)”。因柴油機(jī)排放污染物NOx中NO占主要成分(約占90%以上)，故SCR系統(tǒng)的主要反應(yīng)為“標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)”。即在氨氮比為1：1的條件下確定基本的尿素噴射量[2]。

噴入排氣道中尿素量的組成如圖1所示，包含三部分：基本尿素噴射量、穩(wěn)態(tài)修正量和瞬態(tài)修正量。SCR電控單元接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷信號(hào)，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)所處的實(shí)時(shí)工況，通過查詢排氣質(zhì)量流量MAP經(jīng)計(jì)算后得到基本尿素噴射量。然后通過排氣溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行NOx轉(zhuǎn)化率的穩(wěn)態(tài)修正。最后，針對(duì)催化器儲(chǔ)氨特性及溫度突變等因素進(jìn)行瞬態(tài)修正。

圖1 實(shí)際尿素噴射量組成

在尿素噴射過程中，如果噴射量過少，經(jīng)水解后生成的NH3不能將NOx充分還原，使得NOx排放量達(dá)不到法規(guī)限值的要求。如果噴射量過多，會(huì)引起氨氣的泄露，造成二次污染。因此要實(shí)現(xiàn)良好的后處理效果，必須對(duì)尿素溶液的噴射量進(jìn)行精準(zhǔn)控制[3]。

1 尿素噴射量的影響因素

尿素管路的壓力與噴嘴的開啟時(shí)間直接決定了尿素的噴射量。噴射壓力越大、噴嘴開啟時(shí)間越長(zhǎng)，單位時(shí)間噴出的尿素量就越多。

管路中壓力的大小通過尿素泵PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制，要求在尿素起噴前，管路中應(yīng)建立起9bar的噴射壓力。當(dāng)噴嘴打開時(shí)，管路壓力經(jīng)小幅度振蕩后能夠迅速穩(wěn)定，滿足繼續(xù)噴射條件[4]。

理論上講，在穩(wěn)態(tài)流量不變的情況下，動(dòng)態(tài)流量只與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比有關(guān)，而與頻率無關(guān)。但噴嘴的主體部分是一個(gè)電磁閥，其打開和關(guān)閉過程需要一定時(shí)間，這與實(shí)際PWM控制信號(hào)相比存在一定滯后，會(huì)造成控制上的誤差。噴嘴開啟和關(guān)閉時(shí)的滯后原理如圖2所示。

圖2 噴嘴電磁開啟滯后示意圖

所以當(dāng)噴嘴動(dòng)作頻率較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)噴嘴開啟和關(guān)閉的次數(shù)增多，誤差的積累量增大，造成了總噴射量的減少。因此在噴射過程中，應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和占空比進(jìn)行精確控制[5]。

此外，不同流量特性的噴嘴適用條件不一樣，控制效果也存在差別。因此，在使用前要對(duì)噴嘴的流量特性進(jìn)行測(cè)量，判斷是否滿足使用要求。

綜上所述，需要對(duì)尿素泵控制參數(shù)、噴嘴驅(qū)動(dòng)參數(shù)和流量特性進(jìn)行標(biāo)定。

2 噴射系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由SCR控制器、尿素泵、尿素管路、噴嘴及電子秤等組成。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 尿素噴射標(biāo)定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

SCR控制器選用飛思卡爾16位高性能微處理器MC9S12DP512作為主控芯片。內(nèi)部集成8個(gè)8位脈寬調(diào)制(PWM)通道，可設(shè)置為4個(gè)16位級(jí)聯(lián)通道，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)尿素泵電機(jī)及噴嘴驅(qū)動(dòng)的周期和占空比控制。8個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換通道，可實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的快速轉(zhuǎn)換。大量的I/O端口，用于完成對(duì)電磁閥的開關(guān)控制。8個(gè)16位輸入捕捉和輸出比較通道，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的高精度控制。6個(gè)異步串行通信接口，可完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，還具有時(shí)鐘監(jiān)控、看門狗、實(shí)時(shí)中斷等功能，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

尿素泵內(nèi)直流電機(jī)選用德國(guó)原產(chǎn)的Fluid-O-tech磁驅(qū)動(dòng)式齒輪泵。該齒輪泵工作噪聲小、性能穩(wěn)定、磁吸力大。使用PTFE材料制成的齒輪具有較強(qiáng)的抗腐蝕性和耐高溫性。當(dāng)工作負(fù)荷過大時(shí)，該泵還具有自動(dòng)解耦的保護(hù)功能。

尿素管路選用ETFE/PA12復(fù)合成型低滲透尼龍管，具有很好的抗腐蝕性。管路兩端設(shè)計(jì)有專用的快速接插頭，方便拆裝且能防止尿素溶液的泄露。

尿素噴嘴選用不易燒蝕、不需外部冷卻的國(guó)產(chǎn)彎形噴嘴，其噴頭安裝于順排氣氣流方向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置靈活。

3 硬件設(shè)計(jì)

SCR控制器硬件電路主要包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、噴嘴驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊和信號(hào)處理模塊5部分[7]。

3.1 電源模塊

電源模塊由柴油機(jī)24V蓄電池直接供電，經(jīng)轉(zhuǎn)化后為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V電源。本模塊設(shè)計(jì)有2路LM2576-5芯片組成的獨(dú)立電源轉(zhuǎn)換電路。一路為主控芯片、信號(hào)處理和通信等模塊供電，另一路為尿素泵及噴嘴等執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)模塊供電。這樣設(shè)計(jì)可減小大電流模塊工作時(shí)對(duì)其他模塊的電壓干擾。

LM2576-5為開關(guān)型穩(wěn)壓芯片，輸入電壓范圍寬，可提供最大3A的驅(qū)動(dòng)電力，輸出電壓偏差為±4%，能夠滿足系統(tǒng)要求。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選用低電壓大電流的BTS7960驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片導(dǎo)通內(nèi)阻低，工作時(shí)發(fā)熱量小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，最大驅(qū)動(dòng)電流為43A，可以滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求。為了實(shí)現(xiàn)尿素溶液的反抽，需將兩片BTS7960并聯(lián)構(gòu)成全橋驅(qū)動(dòng)電路?？刂破魍ㄟ^PWM信號(hào)控制橋臂的導(dǎo)通方向與頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

3.3 噴嘴驅(qū)動(dòng)模塊

噴嘴驅(qū)動(dòng)電路選用P溝道增強(qiáng)型MOS管IRF9540構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，其增強(qiáng)型MOS管IRF9540構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，其具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低和可恢復(fù)雪崩擊穿等特點(diǎn)，最大可提供23A的驅(qū)動(dòng)電流，能夠達(dá)到噴嘴打開所需的峰值要求。同時(shí)，為了增加電路的穩(wěn)定性和可靠性，使用TLP-521實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)隔離，可提高控制信號(hào)的抗干擾性和共模抑制能力。SCR控制器通過控制TLP-521元件的通斷決定IRF9540的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而對(duì)噴嘴的開閉進(jìn)行控制。

3.4 通信模塊

通信模塊主要采用串口通信方式，應(yīng)用國(guó)際通用的RS232標(biāo)準(zhǔn)，選用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，完成上下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)還設(shè)計(jì)有CAN通信電路，以便做進(jìn)一步擴(kuò)展。

3.5 信號(hào)處理模塊

為了降低傳感器信號(hào)在傳輸過程中的電磁干擾，信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)有RC濾波電路。經(jīng)濾波后的信號(hào)精度能夠滿足系統(tǒng)控制的要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)接收來自上位機(jī)的控制命令與控制參數(shù)，完成對(duì)繼電器、尿素泵電機(jī)和噴嘴等執(zhí)行器的操作，改變尿素的噴射量。同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送泵壓值，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控。

串口傳輸數(shù)據(jù)幀，共12位，包含幀頭、目標(biāo)地址、源地址等信息。當(dāng)下位機(jī)接收到一幀數(shù)據(jù)后，先經(jīng)幀頭、目標(biāo)地址和源地址的判斷，只有以上信息無誤后，才對(duì)控制命令及參數(shù)進(jìn)行區(qū)分?？刂泼畎ū抿?qū)動(dòng)和噴嘴驅(qū)動(dòng)，控制參數(shù)包含周期、占空比、泵的正反轉(zhuǎn)及噴嘴的噴射次數(shù)等信息。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)及幀尾的判斷。只有全部數(shù)據(jù)接收完成，才置位接收完成標(biāo)志。進(jìn)而打開繼電器，調(diào)用控制函數(shù)完成不同占空比的脈沖輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵或噴嘴的控制。

程序中設(shè)有兩個(gè)中斷函數(shù)，中斷0實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴噴射時(shí)間的精確控制，只有噴嘴驅(qū)動(dòng)標(biāo)志置位后才開啟。中斷1每隔150 ms通過串口向上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)泵壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)管路中壓力的監(jiān)控，此中斷從程序開始運(yùn)行后一直運(yùn)行。整體控制流程如圖4所示。

圖4 下位機(jī)程序控制流程

為了實(shí)現(xiàn)尿素噴射壓力的穩(wěn)定控制，程序中采用PID控制算法。PID控制是一種根據(jù)輸入量與目標(biāo)量之間偏差進(jìn)行逐次逼近調(diào)節(jié)的控制方式，包含比例、積分和微分三部分調(diào)節(jié)。3個(gè)參數(shù)值的確定是PID精確控制的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，確定參數(shù)值的變化范圍，再經(jīng)過多次聯(lián)調(diào)，得到合適的控制參數(shù)[8]。

PID控制過程如圖5所示。在控制過程中，偏差量Dev是目標(biāo)壓力值SetPoint與當(dāng)前泵壓值NewPoint的差值，Dev= SetPoint-NewPoint。偏差量的積分項(xiàng)SumDev是所有偏差量的累加值，SumDev+=Dev。偏差量的微分項(xiàng)DifDev是前兩次偏差量之差，DifDev=LastDev-PreDev，PreDev=LastDev，LastDev=Dev。PID控制的輸出量PIDout等于三項(xiàng)值與對(duì)應(yīng)控制參數(shù)的乘積之和，PIDout=Kp×Dev+Ki×SumDev+Kd×DifDev。經(jīng)過測(cè)試，PID程序可以將泵壓值穩(wěn)定在9 bar(1 bar=0.1 MPa)左右，且波動(dòng)量很小。

圖5 PID控制過程

4.2 上位機(jī)軟件

基于LABVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)控制軟件，包含尿素泵參數(shù)設(shè)置、噴嘴參數(shù)設(shè)置、泵壓實(shí)時(shí)顯示、噴射進(jìn)度顯示等模塊?？刂平缑嫒鐖D6所示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的修改和壓力值的監(jiān)控。

圖6 上位機(jī)控制界面

在使用LABVIEW串口函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收過程中，當(dāng)泵壓值出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，通過串口接收到的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位，甚至丟失，造成泵壓值不能準(zhǔn)確顯示。為了解決此問題，本軟件設(shè)計(jì)采用LABVIEW中生產(chǎn)者-消費(fèi)者循環(huán)函數(shù)接收數(shù)據(jù)。

生產(chǎn)者—消費(fèi)者循環(huán)模式在數(shù)據(jù)傳輸過程中建立數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。串口接收到數(shù)據(jù)后，通過生產(chǎn)者循環(huán)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。而消費(fèi)者循環(huán)中的數(shù)據(jù)處理函數(shù)從緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，這樣可以很好的解決因處理速率不同步帶來的數(shù)據(jù)丟失問題[9]?；窘Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)者-消費(fèi)者循環(huán)的基本結(jié)構(gòu)

但如果生產(chǎn)者循環(huán)不斷的接收數(shù)據(jù)，而消費(fèi)者循環(huán)中沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就會(huì)造成緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)過多而溢出。如果消費(fèi)者循環(huán)處理數(shù)據(jù)過快，而生產(chǎn)者循環(huán)又沒有接收到新的數(shù)據(jù)，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛唷?/p>

因此，在生產(chǎn)者—消費(fèi)者循環(huán)的基礎(chǔ)上，加入了隊(duì)列操作。隊(duì)列操作包含入列函數(shù)和出列函數(shù)。當(dāng)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)過多而溢出時(shí)，入列函數(shù)使緩沖區(qū)停止接收新的數(shù)據(jù)并進(jìn)入等待狀態(tài)，直到緩沖區(qū)有足夠的存儲(chǔ)空間再進(jìn)行接收。而當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)不足時(shí)，出列函數(shù)將使消費(fèi)者循環(huán)停止從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，直到有新的數(shù)據(jù)被寫入。這樣，可以完全滿足接收和處理數(shù)據(jù)的要求。

5 結(jié)束語

5.1 泵控制參數(shù)標(biāo)定

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，當(dāng)尿素泵PWM控制信號(hào)周期為200ms，占空比為90%時(shí)，管路中的泵壓值能迅速達(dá)到8.9bar，且噴嘴打開后壓力穩(wěn)定，可以滿足管路壓力的要求。

5.2 尿素噴嘴驅(qū)動(dòng)參數(shù)標(biāo)定

尿素噴射流量與占空比關(guān)系如圖8所示。當(dāng)占空比一定時(shí)，尿素的噴射流量與噴嘴的開啟頻率成反比。噴射頻率過高，會(huì)使噴嘴來不及完全打開，從而減小了尿素的實(shí)際噴射量，影響控制效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，選定尿素噴嘴的開啟頻率選擇5 Hz。

圖8 尿素噴射流量與占空比關(guān)系

5.3 噴嘴流量特性的標(biāo)定

在一定的泵壓下設(shè)定噴嘴驅(qū)動(dòng)1000次，稱量噴射出尿素溶液的質(zhì)量，計(jì)算不同占空比下的質(zhì)量流量，繪出流量特性曲線。當(dāng)占空比為10%時(shí)，噴嘴不動(dòng)作，因此流量為零。由圖9可知，占空比在20%～95%之間有良好的線性度，能夠滿足計(jì)量要求。

圖9 噴嘴流量特性

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SCR Urea Injection Calibration System Design of Diesel Engine

FENG Chuan

(Department of Electrical Engineering,Binzhou University, Binzhou, 256600)

The emission control effects of SCR system depend on the control accuracy of urea injection, which is significantly influenced by the control parameters of urea pump, drive parameter of nozzle and flow characteristics and is bound to be calibrated. The designed and developed hardware of urea injection calibration system was applied with the modular design to enhance the stability and interference immunity of the circuit. The lower computer is equipped with PID algorithm to stabilize the line pressure, and the upper computer software is based on the LabVIEW development platform to combine the producers-consumers cycle and queuing model to solve the problems of data receiving and processing effectively. Through the experiment, the optimal control parameters can be ascertained as well as favorable application outcome can be verified.

SCR; flow calibrate; hardware design; PID; LabVIEW

2014-11-20 收修改稿日期：2015-06-25

TK417+121

A

1002-1841(2015)09-0080-04

馮川(1986—)，碩士，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)排放及電控技術(shù)。E-mail:me15925127997@163.com