无空气辅助SCR系统添蓝控制器（DCU）硬件设计

张美娟

（无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121）

为了满足未来新的排放法规的要求，如何协调柴油机油耗和排放，特别是在欧IV排放的基准上怎样进一步降低NOx的排放，相关领域的技术专家从燃油品质、柴油机机内净化技术、机外净化技术（尾气后处理技术）等方面寻求策略。提升柴油品质包括降低柴油中的硫含量、控制柴油的十六烷值、添加剂的使用；机内净化技术包括电控高压燃油喷射技术、废气涡轮增压技术、进气中冷技术、废气再循环（EGR）、均质混合压燃技术（HCCI）等。但是欧IV／V排放法规目前仅仅依靠这些是远远不够的，必须在此基础上综合使用排气后处理技术来控制NOx和颗粒物。国际上，为了满足更严格的排放标准，如欧IV／V或者EPA标准，基本上都是通过进一步改进欧III发动机机内燃烧技术，加上SCR（Selective Catalytic Reduction）或EGR＋DPF（废气循环＋颗粒捕集器）等后处理系统来实现的。

1 SCR系统概述

本系统的主要作用是降低柴油机尾气中的NOx值，采用尿素（又名添蓝）作催化还原剂。

在选择性催化剂的还原作用下，NOx被还原成氮气（N2）和水，催化器内部的主要化学方程式如下：

无空气辅助SCR系统由添蓝罐、供应单元、DCU控制器、喷嘴、前后排温度传感器、NOx传感器、加热丝及相应管路、线束、传感器等组成。

本系统的主要工作过程如下：将车辆的钥匙开关旋至ON档后，DCU控制器上电，同时供应单元中的无刷直流电机（简称BLDC）开始工作，驱动尿素泵转动，同时添蓝罐中添蓝溶液被抽吸至尿素泵腔中。为了快速建立压力，尿素泵开始时以最大工作能力工作，当压力达到5bar后，控制器通过软件闭环控制尿素泵，并保持泵腔内的压力恒定。当转速和排温达满足预定标定好条件时，喷嘴开始喷射添蓝溶液。控制器根据当前的排气温度、外界环境和发动机工况来精确计量添蓝溶液的喷射量。当添蓝溶液被喷射到排气管后，与发动机排气均匀混合后完成化学反应，从而降低排气中的NOx值。

2 DCU控制器硬件设计

控制器硬件设计采用模块化设计，整体设计简洁明了，而且便于以后的修改调试。

控制器硬件按照模块可以分为：微处理器模块、电源模块、尿素喷嘴驱动模块、无刷直流电机控制模块、输入输出与驱动模块、传感器信号采集处理模块、通讯模块等，其结构见图1。

图1 SCR系统DCU硬件系统框图

2.1 微处理器模块

由于SCR系统的传感器执行器多，控制算法复杂，而且尿素喷射定时可变，喷射脉宽可调，而且还要采用脉宽调制PWM波对供应单元腔内压力进行压力闭环控制。本方案采用飞思卡尔公司的MC9S12XS64作为微处理器，该芯片采用＋5V供电，总线速度可达25MHz，特别适合用在汽车电子行业。

2.2 电源模块

本设计中，蓄电池经过滤波及TVS管后，由DC-DC降至＋10V（给MOS管提供驱动电压），再通过一路LDO降至＋5V，给微控制核心电路和其他数字器件提供电压，另一路LDO降至＋5V给传感器供电。

2.3 尿素喷嘴驱动模块

尿素喷嘴具有开关电磁阀的特性，为电流驱动型。为了保证喷嘴快速打开，要求在开启喷嘴时驱动电流足够大。但如果开启电流持续时间过长，喷嘴发热严重，线圈容易烧毁，降低了喷嘴的寿命。而且在喷嘴打开以后，只需要很小的电流就能维持喷嘴打开的状态，这样既节约能量又提高了喷嘴的寿命。关闭喷嘴时，只需切断通过喷嘴的电流即可。图2为尿素喷嘴实际驱动波形，峰值电流约为4A，0.5ms驱动时间，维持电流约为1A。

图3为喷嘴驱动示意图，SW1、SW2分别控制喷嘴高低端，R1为采样电阻，采集通过尿素喷嘴的电流。电流经过采样电阻后，变为很小的电压信号，经过运放放大，输入到比较器。比较器根据阈值的选择控制电流的大小。

2.4 无刷直流电机驱动模块

汽车电子的关键要求是具有覆盖较宽输入电源范围的功能性。在电池电压较低时也必须保证无刷直流电机的正常工作，并且应该提供完善的保护机制。本设计中选择Allegro公司A 3 9 3 1，3相无刷直流（BLDC）电动机控制器。它用于N通道外部电源MOSFET集成了设计极具成本效益的三相电动机驱动系统所需的各种电路，并专门用于汽车应用。

图2 尿素喷嘴实际驱动波形

图3 喷嘴驱动示意图

2.5 输入与输出驱动模块

输入与输出驱动模块包括：加热水阀、反向电磁阀及电加热丝驱动。因为添蓝溶液在环境温度低于-11℃时会结冰，为了保证SCR系统在低温时能够正常工作，系统必须具有化冰功能，化冰的热源来自于车辆发动机的冷却水。当控制器通过添蓝罐内温度传感器测量到添蓝温度较低，有可能出现添蓝结冰的情况，控制器控制加热水阀和电加热丝工作，同时发动机冷却水就会顺着管道流向添蓝罐和供应单元添蓝泵内置的换热器，添蓝溶液就会迅速融化。因为冷却水和添蓝胶管扎在一起，外面套有保温管，所以添蓝罐内部的添蓝溶液也就会同时融化。由于加热水阀、反向电磁阀及电加热丝的驱动电流都约为1A，本方案采用汽车级集成低端驱动，保证了系统的可靠运行。

3 总结

目前该控制器配合自主无空气辅助SCR系统已经顺利完成了发动机台架试验及发动机试验，试验结果表明：NOx转化效率＝73.6%，尿素消耗量是油耗的7.75%，其排放对比数据见表1。由排放对比数据表明，SCR系统大大降低了CO、HC和NOx的比排放量。但后续将对控制器的可靠性、稳定性方面作进一步的深入研究，能够更好地适应恶劣的工作环境。

表1 排放对比数据

［1］钱枫，喻方平.欧IV柴油机SCR系统添蓝控制器的研发［J］.交通与计算机，2008（6）：162-165.

［2］邱英杰，石锦芸.高压共轨柴油发动机的SCR处理系统［J］.农业装备与车辆工程，2009（11）：52-54.

［3］刘军.SCR尿素计量系统结构设计及控制策略研究［D］.镇江：江苏大学，2010.

［4］钱枫.欧IV柴油机SCR系统电子控制单元的研发［D］：武汉：武汉理工大学，2008.