柴油機(jī)SCR后處理系統(tǒng)控制單元開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證*

隋維龍 彭憶強(qiáng) 何偉 韓志強(qiáng)

（1-西華大學(xué)汽車與交通學(xué)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(guān)鍵零部件協(xié)同創(chuàng)新中心4-汽車測控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

柴油機(jī)SCR后處理系統(tǒng)控制單元開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證*

隋維龍1，3，4 彭憶強(qiáng)1，3，4 何偉1，2 韓志強(qiáng)1，3，4

（1-西華大學(xué)汽車與交通學(xué)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(guān)鍵零部件協(xié)同創(chuàng)新中心4-汽車測控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

SCR技術(shù)是降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的有效手段。基于MC9S12XS128芯片和SAE-J1939通訊協(xié)議，設(shè)計(jì)開發(fā)了SCR系統(tǒng)的控制單元與標(biāo)定診斷工具，并編制了控制策略。最后在搭建的試驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，將原機(jī)的NOx排放降低了80%。

SCR系統(tǒng)控制策略試驗(yàn)驗(yàn)證

引言

環(huán)境污染已經(jīng)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(zhuǎn)變[1]。為了緩解環(huán)境壓力，更加嚴(yán)格的排放法規(guī)也將逐步實(shí)施。面對日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，采用尾氣后處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)國Ⅳ及以上排放法規(guī)的必然技術(shù)措施[2]，在現(xiàn)有柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高效的尾氣后處理措施是柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的方向。柴油機(jī)的主要有害排放物有一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）、碳?xì)浠衔铮℉C）、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(shù)是降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的一條有效的技術(shù)路線，具有抗硫性強(qiáng)，燃油消耗量少及原機(jī)改動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)[4]，其中尿素選擇催化還原（Urea-SCR）在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[5]。

本文以一臺(tái)六缸渦輪增壓柴油機(jī)為研究對象，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了Urea-SCR控制單元、控制策略和基于SAE-J1939通信協(xié)議的標(biāo)定診斷工具，并在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)降低NOx排放的目標(biāo)。

1系統(tǒng)介紹

1.1 Urea-SCR系統(tǒng)

Urea-SCR系統(tǒng)的基本工作原理為：向柴油機(jī)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(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生NH3，NH3在催化劑的作用下與NO和NO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到除去NOx目的。發(fā)生的反應(yīng)主要有尿素溶液的熱解、水解等反應(yīng)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(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、SCR-DCU（尿素計(jì)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(jī)等部件構(gòu)成，如圖1所示。在本文所研制的系統(tǒng)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(wěn)壓與空氣開啟控制功能，可將壓縮空氣壓力穩(wěn)定在300 kPa。催化器的參數(shù)見表1。

系統(tǒng)工作時(shí)，SCR系統(tǒng)的DCU通過CAN總線接收發(fā)動(dòng)機(jī)ECU傳送過來的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷信號，結(jié)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(tǒng)組成

表1 催化器參數(shù)

1.2 SCR控制系統(tǒng)

本文作者所研制的SCR控制系統(tǒng)主要由處理器核心模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)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(jī)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(qū)動(dòng)模塊中，核心模塊發(fā)出的PWM波信號經(jīng)過IR4427驅(qū)動(dòng)芯片，加大了信號的驅(qū)動(dòng)能力，從而完成對電磁閥的驅(qū)動(dòng)。A/D采樣模塊負(fù)責(zé)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(chǎn)的3.3V CAN收發(fā)器，該收發(fā)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?？刂破鞯母髂K如圖2所示。

圖2 SCR控制器功能模塊

2系統(tǒng)工作過程

當(dāng)SCR控制器上電監(jiān)測完畢后，開始向尿素泵發(fā)送排空指令，尿素泵進(jìn)入到排空狀態(tài)，以最大流量運(yùn)行30 s，尿素泵打開壓縮空氣電磁閥，尿素泵首先進(jìn)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(nèi)，進(jìn)入噴射狀態(tài)，尿素噴射量為0。SCR控制器按照尿素噴射策略進(jìn)行工作，首先判斷催化器前后溫度平均值是否達(dá)到200℃的起噴溫度，如果達(dá)到則按照相應(yīng)的控制策略計(jì)算當(dāng)前工況下目標(biāo)尿素噴射量，并向尿素泵發(fā)送相應(yīng)的控制指令。整個(gè)工作過程如圖3所示。

3SCR系統(tǒng)控制策略

SCR系統(tǒng)的控制策略主要為尿素的計(jì)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(dá)到國Ⅳ的排放限值標(biāo)準(zhǔn)3.5 g/（kW·h）[8]。尿素的計(jì)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(chǔ)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(huán)修正策略，如圖4所示。首先通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門開度查脈譜得到當(dāng)前工況的NOx排放，假設(shè)NOx與NH3完全反應(yīng)計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門開度查空速脈譜得到當(dāng)前空速，通過催化器溫度和空速值查脈譜得到NOx目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率。通過NOx傳感器得到當(dāng)前的NOx排放濃度，已知當(dāng)前NOx原機(jī)排放，可以計(jì)算出當(dāng)前工況實(shí)際NOx轉(zhuǎn)化效率，與目標(biāo)NOx轉(zhuǎn)化效率作對比，利用PID控制程序進(jìn)行閉環(huán)修正。最后通過質(zhì)量換算得到實(shí)際尿素需求量。

在控制策略中需要得到三個(gè)脈譜圖，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放脈譜、排氣流量脈譜和NOx目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率脈譜，可通過對原機(jī)試驗(yàn)獲得。策略中還需要計(jì)算NOx質(zhì)量流量，NH3需求量，尿素需求量。下面分別給出計(jì)算方法。

3.1.1 NOx質(zhì)量流量計(jì)算

原機(jī)NOx排放試驗(yàn)中獲得的NOx值濃度單位為10-6，在計(jì)算過程中需要將NOx濃度轉(zhuǎn)換為mg/s。首先通過查脈譜得到當(dāng)前工況下排氣的質(zhì)量流量，排氣質(zhì)量流量為進(jìn)氣質(zhì)量流量和燃油消耗量之和。

式中：QNOx表示排氣中NOx質(zhì)量流量，單位mg/s；C1表示單位換算系數(shù)，即kg/h換算為mg/s，取277.78；M1表示NOx摩爾質(zhì)量，取46；M2表示排氣摩爾質(zhì)量，取29；QEG表示排氣質(zhì)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(jì)算

由化學(xué)反應(yīng)式（3）、（4）可以知道，NH3和NOx為1∶1反應(yīng)，即1 mol NH3與1 mol NOx參與反應(yīng)。在計(jì)算過程中都是假設(shè)噴入排氣管中的尿素完全水解并參與化學(xué)反應(yīng)，但在實(shí)際過程中會(huì)有部分尿素殘留在排氣管壁上未能完全水解，需要進(jìn)行修正，所以利用氨氮比NSR作為修正系數(shù)，初始值設(shè)為1，可以通過試驗(yàn)建立氨氮比脈譜圖進(jìn)行修正。目標(biāo)NOx轉(zhuǎn)化效率是由催化器溫度和空速共同決定，通過原機(jī)的轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)獲得，目標(biāo)NOx轉(zhuǎn)化效率脈譜的設(shè)置一定要合理，如果轉(zhuǎn)化效率設(shè)置過高容易導(dǎo)致氨泄漏過高，達(dá)不到法規(guī)要求。設(shè)置過低容易導(dǎo)致NOx排放超標(biāo)。

圖3 SCR系統(tǒng)工作過程

圖4 尿素基本噴射量控制策略

式中：QNH3表示NH3實(shí)際需求量，單位mg/s；C2表示化學(xué)因子，即1 molNH3和1 molNOx完全反應(yīng)摩爾質(zhì)量之比，即17/46=0.37；NSR表示氨氮比，初始值設(shè)為1；fNOx表示目標(biāo)NOx轉(zhuǎn)化效率。

3.1.3 尿素需求量計(jì)算

從化學(xué)反應(yīng)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?jǐn)?shù)實(shí)際為32.5%.

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

3.2 溫度延遲修正

在實(shí)際工作的狀態(tài)下，由于車輛受到交通狀況的影響，常常都會(huì)處在加速或減速瞬態(tài)變化工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)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(huì)像排氣溫度變化那么迅速，總會(huì)出現(xiàn)一定的延遲。按照前后排氣溫度計(jì)算催化器溫度的算法會(huì)出現(xiàn)較大誤差，對NOx的轉(zhuǎn)化效率也將會(huì)產(chǎn)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(tài)工況的變化主要是通過油門的變化率進(jìn)行判斷，油門變化率為正且不為零時(shí)判斷為加速工況，當(dāng)油門變化率為負(fù)時(shí)判斷為減速工況。

當(dāng)處在加速工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫也會(huì)相應(yīng)地從低排溫過渡到高排溫，催化器的溫度也會(huì)慢慢升高，此時(shí)按照排溫計(jì)算的催化器溫度偏高，噴入的尿素也會(huì)過量，導(dǎo)致尿素不能充分和NOx反應(yīng)，NH3也會(huì)大量泄漏。當(dāng)處在減速工況時(shí)，排氣溫度迅速降低，此時(shí)催化器載體具有一定的儲(chǔ)熱能力，溫度相對排溫較高，可以適當(dāng)增加尿素噴射量，提高NOx轉(zhuǎn)化效率。

3.3 氨存儲(chǔ)能力修正

催化器的氨存儲(chǔ)能力，是指催化劑涂層以及載體發(fā)生化學(xué)吸附并沒有與NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)的氨氣質(zhì)量的多少[2]。而排氣溫度是影響氨存儲(chǔ)能力大小的主要因素，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣由低溫過渡到高溫工況時(shí)，存儲(chǔ)在催化器中的NH3會(huì)釋放參與化學(xué)反應(yīng)，如果不考慮這部分NH3，就有可能出現(xiàn)NH3泄漏的情況，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣由高溫過渡到低溫時(shí)，此時(shí)會(huì)有部分的NH3吸附在催化器內(nèi)部，不參與化學(xué)反應(yīng)，因此需要補(bǔ)償這部分吸附的NH3，不然會(huì)減低NOx轉(zhuǎn)化效率，有可能導(dǎo)致NOx排放超標(biāo)。修正方程如下：

式中：ΔM表示尿素修正質(zhì)量，單位g；V表示催化器體積，單位L；MNH3表示NH3摩爾質(zhì)量，17 g/mol；MNOx表示NOx摩爾質(zhì)量，46 g/mol；C3表示質(zhì)量換算系數(shù)，即NH3與尿素質(zhì)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(chǔ)量需要做試驗(yàn)獲得，由于試驗(yàn)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(chǔ)上添加了溫度延遲修正與氨存儲(chǔ)能力修正后的尿素計(jì)量控制策略如圖5所示。

4SCR系統(tǒng)試驗(yàn)研究

本項(xiàng)目所搭建的系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。新鮮空氣通過空濾器與空氣流量計(jì)后流經(jīng)壓氣機(jī)、中冷器后進(jìn)入缸內(nèi)，柴油噴射方式為高壓共軌式，廢氣通過渦輪增壓器后進(jìn)入SCR系統(tǒng)。試驗(yàn)所使用的是玉柴YC6L260柴油機(jī)，其基本參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

在十三點(diǎn)工況下，測得的經(jīng)SCR系統(tǒng)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(zhuǎn)速時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(zhuǎn)化效率也快速升高，NOx與NH3的反應(yīng)更加充分，處理后的NOx排放較低，達(dá)到幾十個(gè)10-6。

根據(jù)GB 17691-2005中規(guī)定的NOx比排放的計(jì)算方法，對十三點(diǎn)工況的NOx進(jìn)行單位上的換算，可以得到如表3所示的計(jì)算結(jié)果。

最后的比排放計(jì)算公式為：

圖5 尿素計(jì)量控制策略

圖6 SCR系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

圖7 十三點(diǎn)工況處理前后NOx對比

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

表3 十三點(diǎn)工況NOx排放計(jì)算結(jié)果

5結(jié)論

1）設(shè)計(jì)開發(fā)了基于MC9S12XS128芯片的SCR系統(tǒng)控制單元和基于SAE-J1939通信協(xié)議的標(biāo)定診斷工具。

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

3）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，確定所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的硬件與軟件都能正常使用，并將原機(jī)的NOx比排放降低了80%。

1衛(wèi)小春.加強(qiáng)機(jī)動(dòng)車尾氣超標(biāo)排放治理[J].民主，2014（7）：9-10

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

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

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

5郭秀麗.柴油機(jī)尿素選擇催化還原技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2014，43（1）：79-83

6胡杰，王立輝，王天田.柴油機(jī)Urea-SCR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，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

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9胡靜，趙彥光，陳婷，等.重型柴油機(jī)尿素-SCR閉環(huán)控制系統(tǒng)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(shù)四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)（2015TD0021），四川省科技支撐項(xiàng)目（2015GZ0128，2015GZ0145）。

隋維龍（1988-），男，碩士研究生，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放優(yōu)化方面的研究。