柴油机SCR系统控制单元设计与研究

李捷辉,丁晓忠,尹必峰

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)



柴油机SCR系统控制单元设计与研究

李捷辉,丁晓忠,尹必峰

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013)

摘要：为降低车用柴油机氮氧化物排放，采用美国Freescale公司16位高性能控制芯片MC9S12XS128开发一套SCR(Selective Catalytic Reduction)后处理系统控制单元，进行微控制单元(MCU)模块、电源管理模块、输入调理模块、输出驱动模块、控制器局域网(CAN)总线通讯模块等硬件电路设计。根据SCR工作原理，制定控制策略，设计和完善控制程序。以一种四缸柴油机为样机开展欧洲稳态测试循环(ESC)排放试验，并与原机进行比对。试验结果表明：安装SCR后处理系统的样机，NOx比排放量低至1.713 g/(kW·h)，较原机的8.421 g/(kW·h)降低了79.44%，其中NOx最高转化率可达92.53%，平均转化效率达73.21%。柴油机NOx排放满足国Ⅴ排放标准，控制单元性能稳定，达到设计要求。

关键词：柴油机；硬件电路；SCR后处理系统；控制策略

0引言

图1　SCR(选择性催化还原)系统图Fig.1　The diagram of SCR(Selective Catalytic Reduction) system

柴油机依据压缩比高、动力性强、热效率高等优点，是城市公交、长途运输和市政车辆的主要动力来源。当前，车用发动机柴油化已成为汽车工业中重要的发展方向[1]。氮氧化物(NOx)是车用柴油机主要污染物之一，随着发动机排放污染的日益加重以及国V排放标准的实施，仅靠机内燃烧净化方式已无法满足排放法规要求。匹配排气后处理系统，降低排放是柴油机生产厂家必须面对的问题。配置选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction, SCR)系统的柴油机具有高效、减排和发动机改进少等优点，成为降低NOx排放的主流方法[2-3]。

国外针对SCR后处理技术研究较早，已有成熟产品推出，如德国博世公司开发的DeNOx系统，可降低80%NOx。美国康明斯公司的集成式排放控制技术, 可降低30%NOx，达欧V排放标准。目前，国内市场部分SCR后处理系统采用添蓝喷射控制单元(Dosing Control Unit, DCU) 外加计量泵控制方式，这不可避免造成SCR后处理系统冗杂、线束增多等问题。

为此，本文基于美国Freescale公司16位高性能控制芯片MC9S12XS128自主设计一套SCR后处理系统控制单元，该控制单元集成于添蓝计量泵中，取代添蓝喷射控制单元DCU，如图1所示。匹配底层驱动程序、制定控制策略、编写控制程序[4-5]，并进行欧洲稳态循环(ESC)测试，检验控制单元，并将试验结果与原机进行比对分析。

1控制单元组成

SCR后处理系统控制单元包括微控单元(MCU)模块、电源管理模块、输入调理模块、输出驱动模块和控制器局域网总线(Controller Area Network, CAN)通讯模块组成，如图2所示。SCR后处理系统控制单元通过CAN总线从发动机电控单元(ECU)中获取转速、转矩等参数信息确定发动机当前工况[6]，并采集各传感器的输入信号及NOx浓度信号，根据控制策略查找标定脉谱图，驱动电磁阀适时地将定剂量的32.5%添蓝水溶液与压缩空气混合喷入排气管中，与NOx发生选择性还原反应生成N2和H2O,从而达到降低NOx的目的[7]。

图2　控制单元结构框图

2控制单元电路设计

2.1MCU模块选用

以单片机为核心的微处理器，通过处理计算外围电路各传感器信号，输出电磁阀等执行器的电驱动信号，使控制策略得到有效的执行。MCU模块选用美国Freescale公司的16位高性能控制芯片MC9S12XS128进行控制单元设计，芯片具有128 K程序闪存、8 K数据闪存、16通道模数转换器(ADC)、8通道脉冲宽度调制模块、8通道输入捕捉/输出比较定时器模块、91个独立数字输入输出端口以及1个MSCAN模块等[8]。芯片内部兼有锁相环倍频器、系统时钟发生器、看门狗定时器、实时中断等高集成度的控制模块，大幅度简化了外围扩展电路，使控制更加便捷。

2.2电源管理模块

电源电路是控制系统的重要组成部分，车载蓄电池电压为24 V，受天气、运行工况的影响，电压波动较大，为此设计电源电路保证电压在波动范围内正常工作[9]。SCR后处理系统中，由于不同传感器、执行器驱动电压不同，将控制单元电源电路分为蓄电池转24 V，24 V转12 V，12 V转5 V。这里以蓄电池转换输出24 V为例进行介绍。蓄电池电压经熔断器，至电压转换器FR5505，转换器输出端连接稳压二极管TVS，防止浪涌电压冲击电路，并采用容量大、性能稳定的钽电容C39蓄能，输出端匹配电容C40、电感L1进行滤波处理，确保电压快速、安全转换，使电路具备较好的防电压突变能力[10]。如图3所示。

图3　电源转换模块

2.3输入调理模块

信号输入调理模块的精准性、可靠性及稳定性对整个控制系统具有重要影响。SCR后处理系统控制单元输入调理模块按照信号可分电阻信号和电压信号。添蓝罐内液位温度传感器、泵内温度传感器、排气管前/后温度传感器为电阻信号。添蓝泵内压力传感器、压缩空气压力传感器等为电压信号。为提高驱动能力，采用电阻下拉的方式，按照串联分压的原理，在电压信号输出端输出电压。电路中添加D3、D7双向二极管对输入电压进行限幅保护，确保正反向压降控制在0.5～0.7 V内。在电阻R1两端分别并联电容C6、C5，组成π型滤波电路，去除电路中高频和低频杂波干扰。电路如图4所示。

图4　电压信号处理电路

2.4输出驱动模块

输出驱动模块是将MCU输出的脉冲信号进行功率放大，控制步进电机、压缩空气电磁阀、添蓝电磁阀、冷却水电磁阀及故障灯等可靠工作。良好的驱动模块应满足控制精确，响应快捷，抗电压、电流冲击强，驱动功率小等特点，为此该模块是设计的重点[11]。

2.4.1步进电机驱动

步进电机经连杆机构带动膜片前后运动，通过改变电机的频率实现添蓝溶液量的供给。为保证电机精确控制，采用意大利意法公司L6208型芯片，如图5所示。电路中VS_A、VS_B为芯片电源接口，分别控制电桥A、B，将VS_A和VS_B端口短接，保证两端口电压一致。RC_A、RC_B为桥A、桥B控制端口，用于限制断电时流入芯片内部的大电流，VCP、VBOOT分别为振荡器输出端口和场效应晶体管电压供应端口，两者通过双向二极管相连，为电路提供震荡频率及电桥驱动电压。HALF/FULL、CONTROL、EN、CLOCK、CW/CCW及RESET均为电机逻辑信号输入端口，并与主控单元相连，控制电机的时钟频率、步进角度、旋转方向、有效边沿和复位功能等。信号输出端OUT_1A、OUT_1B、OUT_2A、OUT_2B与实物电机连接，控制电机转动。

图5　电机控制电路

2.4.2电磁阀驱动

电磁阀驱动电路功用为控制电磁阀开启时快速注入能量, 产生足够大的电磁作用力，缩短响应时间。开启后, 因工作气隙小, 磁路磁阻低, 电磁线圈通入小电流保持大的电磁作用力，以降低能量消耗, 减小线圈发热，同时保证电磁阀断电时快速闭合，缩短响应时间，提升系统的灵敏度。SCR后处理系统中，添蓝电磁阀、冷却水电磁阀为低端驱动，压缩空气电磁阀为高端驱动，下面以添蓝电磁阀为例。

添蓝电磁阀电路输入端接受主芯片控制信号，经R41、C65的RC滤波后，至功率场效应管栅极，当栅源间正电压大于阈值电压时，栅极P区表面电子浓度超过空穴浓度，将P型半导体反型成N型，形成N沟道，使漏极和源极导通，输出电磁阀驱动信号。为防止栅极与源极间电压突变、电容耦合等产生栅源尖峰电压，击穿栅源氧化层，在其之间并联二极管D26进行限压保护。同理，在漏极与源极间串联齐纳二极管D25钳位，防止电磁阀瞬间电流突变，损坏元器件，如图6所示。

图6　添蓝电磁阀驱动电路

2.5CAN通讯电路

控制局域网络(CAN)通讯是协议控制器和总线物理传输路线间的接口，实现主控单元与CAN总线之间的信号收发。CAN通讯结构简单，紧需两根数据线便可以1 Mpbs速率传输10 km数据[12]。CAN通讯以报文的形式获取发动机转速、负荷、NOx浓度及NH3浓度等信号。电路采用TJA1050专用芯片为收发器，MCU数据经收发器处理，分别由CAN高信号、CAN低信号输出，为降低线路干扰，CAN_H与CAN_L间串联R12、R14电阻与C12滤波，同时分别串联电感元件，去除电路中的交流成分，保证信号稳定性。

图7　控制局域网(CAN)通讯电路

3SCR后处理系统控制策略

控制策略决定发动机在不同工况下排气管中添蓝的喷射量，合理的控制策略可有效减少NOx排放，满足排放法规要求，同时将NH3泄漏量控制在25 mg/L以内[13]。SCR后处理系统控制策略可分为开环控制与闭环控制。开环控制策略是基于估算查表的方法进行喷射控制，无法实时监测发动机不同工况氮氧化物的排放量。因此，在动态工况中易出现添蓝喷射量与氮氧化合物排放量不匹配的现象，影响净化效果[14]。

本文采用闭环控制思想进行控制。根据发动机工况，查找脉谱，由尿素与氮氧化物的反应式，计算该工况下添蓝溶液理论喷射量；再根据催化剂前后温度传感器及排气管内废气流量建立催化器修正模型，推算出温度修正系数，并与添蓝溶液理论喷射量进行数据整合；最后为保证氮氧转化效率及控制NH3泄漏量，采用在催化器进口安装氮氧传感器A，获取当前发动机NOx排放，同时在催化器出口安装NOx传感器B，检测转化后的NOx浓度，将氮氧传感器B的测量结果与基本喷射量进行转换效率计算，推算出NOx浓度修正系数，并将其与添蓝基本喷射量进行二次整合，得出添蓝实际喷射脉谱，如图8所示。

图8　SCR控制策略流程图

4试验验证及结果分析

4.1试验方案

为保证控制单元的可靠性和快速响应能力，进行试验研究。试验过程分为两部分，首先对SCR系统控制单元完成硬件功能测试，验证电路的可靠性；然后选用一种直列四缸四冲程增压中冷柴油机进行台架试验，验证控制单元的实用性。

4.2硬件模拟测试

运用信号发生器、稳压电源、CAN卡、数据采集卡等搭建检测平台对电路板进行检测。其中信号发生器用来模拟各传感器输出电压信号，CAN卡用于检测CAN数据发送与接受功能，数据采集卡用来采集各驱动信号。本文以添蓝电磁阀驱动为例完成驱动波形测试。测试时，在SCR控制单元传感器信号入口，输入1路模拟电压信号，通过调整信号发生器的电压值来控制添蓝电磁阀驱动电路输出不同占空比的方波，并与程序设定的波形进行对比来检测其电路功能。输入输出对应关系如表1所示。

表1　电磁阀输入输出参数

测试结果如图9所示，由于电磁阀驱动电路为低端驱动，所以低电平为有效电平。当输入1.5 V模拟电压信号时，实测AD转换值为91，在理论转换数值80～102范围内，同时电磁阀驱动端输出80%占空比波形，与设定值相同。同理，输入4 V电压时，变化规律与设定的理论值也基本一致，说明该模块功能正常，能准确地控制信号输出。

(a) 添蓝电磁阀80%占空比

(b) 添蓝电磁阀20%占空比

4.3台架试验

选取一种直列四缸四冲程增压中冷柴油机为研究对象，其标定功率为68 kW，功率转速3 200 r/min,最大输出扭矩为215 N·m。在发动机试验台架上，按照《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限制及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》(GB17691-2005)规定进行稳态测试循环(ESC)排放试验[15]，并将催化器前后氮氧化物浓度进行比较，测试工况点信息如表2所示。

表2　测试工况点信息

由图10和图11可见，转速一定条件下，NOx排放量随负荷的增大而升高。这是因为同一转速下，发动机负荷越大，其排气缸内的燃烧温度和排气温度越高，在高温富氧的条件下，导致NOx生成量增加。而在相同负荷下，NOx排放值随转速的升高而降低，这是由于随着转速的升高，缸内的高温持续时间在逐渐减少，低温有助于抑制NOx的生成。由样机试验结果可见，该系统对NOx净化在1 950 r/min、100%负荷时最高，氮氧化物转化后排放值为81.874 mg/L，催化器NOx上游排放为1 096.82 mg/L，减少率达92.53%；在2 400 r/min、25%负荷时转化率最低，催化器上游NOx排放值为224.126 mg/L，下游为129.142 mg/L，减少42.38%，ESC测试循环平均转化效率为73.21%。

由表3可知，原机NOx排放值为8.421 g/(kw·h)，已超过国Ⅴ排放限值2 g/(kw·h)，匹配SCR后处理系统控制单元后，NOx排放值降至1.713 g/(kw·h)，SCR后处理系统对NOx净化效果明显，可达国Ⅴ排放标准要求。

图10　欧洲稳态循环各工况点排放对比

5结论

以美国Freescale公司16位高性能控制芯片MC9S12XS128自主设计一套SCR后处理系统控制单元，搭建检测平台对控制单元进行功能性测试。制定系统控制策略，编写控制程序，进行欧洲稳态测试循环排放试验。试验结果表明，控制单元功能稳定性强、工作可靠，结合NOx传感器的闭环控制策略，ESC测试循环最高转化率达92.53%，平均转化效率达73.21%，NOx比排放量低至1.713 g/(kw·h)，能够保证SCR后处理系统满足国Ⅴ排放标准，具有较强的应用价值。

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(责任编辑梁健)

The control unit design and study for SCR system of diesel engine

LI Jie-hui, DING Xiao-zhong, YIN Bin-feng

(School of Automotive and Traffic Engineering,Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:A SCR(Selective Catalytic Reduction)system was designed to decrease the NOx emission of diesel engine. By using Freescales’ microcontroller MC9S12XS128, the hardware circuit of microcontroller unit (MCU) control module, the power management module, the input adjustment module, the output driver module and the controller area network (CAN) communication module was designed. The control strategy and procedure were formulated according to the principle of SCR system. Using a four-cylinder diesel engine as the sample engine, the European Stationary Cycle (ESC) tests were made and the test results were compared with the original. The results showed that the brake specific emission of NOx was decreased to 1.713 g/(kW·h), which was decreased by 79.44% compared to the orginal 8.421 g/(kW·h). The maximum conversion efficiency of NOx could reach 92.53% and the average conversion efficiency was nearly to 73.21%. With the SCR system, the NOx emission of diesel engine could meet the limitation of China-V regulations. The electronic controlled system was qualified.

Key words:diesel engine; hardware ciruit; SCR system; control strategy

中图分类号：TK412

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)02-0395-09

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0395

通讯作者：李捷辉(1963—),男,江苏镇江人,江苏大学教授,博士;E-mail:jhli@ujs.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375213)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏政办发〔2011〕6号)

收稿日期：2015-12-15；

修订日期：2016-01-13

引文格式：李捷辉,丁晓忠,尹必峰.柴油机SCR后处理系统控制单元设计与研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(2)：395-403.