《電子技術(shù)應(yīng)用》
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國五標(biāo)準(zhǔn)輕型柴油車SCR系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
鮑 寧,,劉 軍,,蔡瀟揚(yáng),陳 智
江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013
摘要: 隨著國五排放標(biāo)準(zhǔn)在全國范圍內(nèi)實(shí)行,,對柴油車后處理系統(tǒng)要求越來越嚴(yán)格。針對國五標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)選擇還原催化(SCR)系統(tǒng)控制器,,主要的方法是研究SCR系統(tǒng)尿素噴射控制策略,,在MATLAB/Simulink中建立SCR系統(tǒng)催化器模型以及開環(huán)控制系統(tǒng)模型,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制模型的準(zhǔn)確性,,并利用MATLAB/Simulink自動(dòng)生成算法層代碼;另外通過編寫相關(guān)底層模塊并移植其與算法層接合,,實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)軟件層的設(shè)計(jì),。最后將設(shè)計(jì)好的SCR控制器分別在歐洲測試穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)和歐洲瞬態(tài)測試循環(huán)(ETC)下對裝有SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)進(jìn)行測試。
中圖分類號(hào): U27
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172607
中文引用格式: 鮑寧,,劉軍,,蔡瀟揚(yáng),等. 國五標(biāo)準(zhǔn)輕型柴油車SCR系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,,44(2):27-31.
英文引用格式: Bao Ning,Liu Jun,,Cai Xiaoyang,,et al. The design of SCR controller for national fifth emission standard in light diesel vehicle[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(2):27-31.
The design of SCR controller for national fifth emission standard in light diesel vehicle
Bao Ning,,Liu Jun,Cai Xiaoyang,,Chen Zhi
School of Automotive and Traffic Engineering,,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,,China
Abstract: With the implementation of the national fifth emission standard around the country, the post-processing system of diesel truck will become more stringent. In this paper, the controller of the selective catalytic reduction(SCR) system will be designed to meet the national fifth emission standard. The main method is to study the injection control strategy of SCR system. Then the catalyst model of SCR system and the open loop control system model are established in MATLAB/Simulink and the accuracy of the control model is verified by experiments. The layer code of algorithm is generated by MATLAB/Simulink automatically. Additionally, the paper transplants the preparation of related underlying module with the algorithm layer to achieve the software layer of SCR system. Finally, the diesel engine with SCR system will be tested in the European test steady-state cycle(ESC) and Europe transient test cycle(ETC).
Key words : catalyst model of SCR,;open loop control model;underlying module,;ESC,;ETC

0 引言

    柴油機(jī)由于成本低被廣泛地用于長途客車、城市公交,、農(nóng)用車等,,但其NOx和PM排放造成大氣污染嚴(yán)重以及相應(yīng)的國五標(biāo)準(zhǔn)對NOx和PM的限制更加嚴(yán)格,因此國內(nèi)外學(xué)者圍繞柴油機(jī)后處理系統(tǒng)展開深入的研究,。選擇性還原(SCR)系統(tǒng)因其能有效地控制柴油機(jī)的NOx排放以及提高柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性被廣泛地研究與應(yīng)用[1-2],,其原理是利用NH3的還原反應(yīng)將尾氣中氮氧化物(NOx)轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳等對大氣無污染的排放物,。

    目前汽車上各類控制器采用快速原型開發(fā),,即利用MATLAB/Simulink對軟件層控制算法進(jìn)行建模,利用Emebedded Coder工具箱生成軟件層可執(zhí)行代碼,,原型開發(fā)縮短軟件開發(fā)周期,,降低開發(fā)成本。因此利用Simulink對輕型柴油車SCR系統(tǒng)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),。

1 SCR控制策略及建模

    SCR催化器中由尿素溶液,、氮氧化物(NOx),、吸附態(tài)和氣態(tài)氨(NH3)4種物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng),在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的情況下,,忽略其他影響較小的反應(yīng),,主要發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng):

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    通過以上化學(xué)反應(yīng)可以得出SCR催化器內(nèi)部主要是氮氧化物、吸附態(tài)氨和氣態(tài)氨受催化器溫度影響動(dòng)態(tài)變化的過程,,根據(jù)能量守恒定律分別建立NOx,、氣態(tài)氨、存儲(chǔ)氨以及溫度模型,,具體公式推導(dǎo)參考文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4],,根據(jù)催化器輸入輸出量對所建立的模型進(jìn)行組合,從而建立SCR催化器動(dòng)態(tài)變化的模型,。

    尿素噴射策略分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制,。閉環(huán)控制是根據(jù)催化器出口端安裝的氨傳感器或者氮氧傳感器反饋的信號(hào)對尿素噴射量進(jìn)行修正。由于閉環(huán)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大,、成本高,,同時(shí)開環(huán)控制可以滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)[5-6],因此采用開環(huán)控制來計(jì)算尿素的噴射量,。設(shè)定催化器出口NOx與NH3摩爾質(zhì)量比為定值,,尿素噴射控制通過CAN總線獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩信息以及循環(huán)供油量等相關(guān)信息,,通過調(diào)用原機(jī)NOx排氣MAP圖,、排氣質(zhì)量流量MAP圖獲得NOx質(zhì)量流量,并結(jié)合SCR催化器內(nèi)部主要的化學(xué)反應(yīng)式,,獲得尿素基本需求量,,并在MATLAB/Simulink中建立SCR系統(tǒng)尿素基本噴射量模型,圖1為尿素基本需求量計(jì)算原理,,根據(jù)其原理圖在MATLAB/Simulink建立尿素基本噴射量模型,。

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    輕型柴油機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜多變,在其瞬態(tài)運(yùn)行工況下,,催化器溫度不能立刻響應(yīng)因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工況轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致其溫度升高或者降低,,總會(huì)存在一定的滯后,因此必須對瞬態(tài)工況下尿素噴射量進(jìn)行修正,,防止尿素溶液噴射量不足或者過多噴射造成NOx排放超標(biāo)或者氨氣泄漏而污染環(huán)境,。瞬態(tài)溫度修正是基于溫度差進(jìn)行修正,即利用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下排氣溫度與催化器下游溫度差值來獲得相應(yīng)的修正系數(shù),,將修正系數(shù)與尿素基本需求量相乘獲得修正后的尿素噴射量,,圖2為通過實(shí)驗(yàn)獲取瞬態(tài)修正系數(shù)圖。通過以上分析利用MATLAB/Simulink建立SCR系統(tǒng)開環(huán)控制模型,如圖3所示,。

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2 噴射控制模型驗(yàn)證

    基本思想:將催化器上游實(shí)際測量的量作為模型的輸入,,記錄同一工況下模型對催化器下游NOx濃度實(shí)際值,,并與理論值作比較,,如誤差控制在合理范圍內(nèi)則認(rèn)為模型較為準(zhǔn)確。圖4為SCR系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,,主要設(shè)備為廢氣分析儀(HORIBAMEXA-7500D),、傅里葉變換紅外多組份分析儀(SESAM FTIR)、測功機(jī),、柴油機(jī)等,,其中柴油機(jī)參數(shù)見表1。設(shè)實(shí)驗(yàn)取η=1 600 r/min,,測得催化器入口溫度T=380 ℃,,氨氮比分別為0.5、0.7,、0.9,、1的尿素溶液,模型在ESC和ETC循環(huán)下仿真的結(jié)果如圖5,、圖6所示,。從圖中可以看出ESC循環(huán)工況下NOx排放基本與理論值相一致,ETC循環(huán)工況變化劇烈時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定誤差,,但都控制在5%以內(nèi),,因此認(rèn)為模型是準(zhǔn)確的。

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3 SCR系統(tǒng)軟件層設(shè)計(jì)

    代碼自動(dòng)生成是指在Simulink中建立模型通過Real-Time Workshop(RTW)生成可執(zhí)行的C代碼,,RTW程序創(chuàng)建包括以下步驟:

    (1)分析Simulink中模型的步進(jìn)時(shí)間,、參數(shù)設(shè)置以及各模塊執(zhí)行次序。RTW讀取模型文件進(jìn)行分析,,形成中間描述文件,。

    (2)目標(biāo)編譯器(Target Language Compiler)將中間描述文件轉(zhuǎn)換成指定的目標(biāo)代碼,目標(biāo)編譯器包含3個(gè)文件:①系統(tǒng)目標(biāo)文件:模型轉(zhuǎn)換成代碼的主文件,;②模塊目標(biāo)文件:將模塊轉(zhuǎn)換成代碼,;③函數(shù)庫:支持代碼生成的函數(shù)。這3個(gè)文件從中間描述文件讀取信息,,并轉(zhuǎn)換成所需要的代碼,。

    (3)生成自定義的Makefile以及生成可執(zhí)行程序,Makefile文件為特定的目標(biāo)環(huán)境所設(shè)計(jì),,RTW根據(jù)Makefile文件對描述模型配置的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行擴(kuò)展,,最后生成可執(zhí)行的C程序[7-8]。具體流程如圖7所示,。

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    微控制器選擇的是16位單片機(jī)MC9S12XEP100芯片,,其芯片資源豐富,,同時(shí)具有低能耗、低成本,、高工作頻率以及功能集成等優(yōu)點(diǎn),。微控制器底層負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的硬件資源,一方面向上層提供硬件資源調(diào)用服務(wù)的支持,,另一方面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和診斷[9],。該層主要由IO驅(qū)動(dòng)模塊、通信驅(qū)動(dòng)模塊,、存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)模塊組成,。IO驅(qū)動(dòng)用來將模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),,通信模塊實(shí)現(xiàn)不同控制器之間信息交互,,存儲(chǔ)模塊指片內(nèi)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng),如Flash驅(qū)動(dòng),、EEPROM驅(qū)動(dòng)等,。各部分驅(qū)動(dòng)模塊相互獨(dú)立,模塊之間不能相互調(diào)用,。RTW只對應(yīng)用層控制邏輯模型生成可執(zhí)行的代碼,,無法對單片機(jī)底層(I/O端口、CAN通信等)相關(guān)的模塊生成代碼,,應(yīng)用層與底層軟件完全分割開,。針對這一問題,手工編寫I/O,、A/D等底層驅(qū)動(dòng)軟件以及對硬件初始化,,并在模型中加入對應(yīng)的接口模塊,整合生成的代碼和底層編寫的驅(qū)動(dòng),,整合后的嵌入式代碼為一循環(huán)程序,,不斷執(zhí)行應(yīng)用層模型生成的代碼。同時(shí)需要注意模型仿真時(shí)的固定步長與單片機(jī)定時(shí)器時(shí)鐘周期相同,,模型中輸入,、輸出變量及數(shù)據(jù)類型與所用單片機(jī)端口及數(shù)據(jù)類型對應(yīng)。

    如圖8所示,,SCR_code generation包含Simulink生成函數(shù)文件,、變量文件以及函數(shù)頭文件,根據(jù)SCR具體實(shí)現(xiàn)的功能編寫底層驅(qū)動(dòng)函數(shù),,將兩者集成,,完成SCR系統(tǒng)軟件層的設(shè)計(jì)。

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4 SCR實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    根據(jù)GB17691-2005,對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)第V階段的排放要求按照歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(ESC)和歐洲瞬態(tài)測試循環(huán)(ETC)對排氣污染物進(jìn)行臺(tái)架檢驗(yàn)[10],。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的柴油機(jī)為直列四沖程四缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī),,并采用了一定的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù),優(yōu)化了燃燒,,降低了原機(jī)的氮氧化物排放,,但由于機(jī)內(nèi)凈化的作用有限,需要采用SCR后處理系統(tǒng)進(jìn)行尾氣凈化,,使排放滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,。該型號(hào)柴油機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1,。實(shí)驗(yàn)前,,首先將發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱并運(yùn)行一定時(shí)間,確保發(fā)動(dòng)機(jī)能正常工作并使各項(xiàng)性能趨于穩(wěn)定,;接著對柴油機(jī)進(jìn)行原排測試及萬有特性測試,,標(biāo)定尿素噴射量。

    ESC是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況,,選定3個(gè)主要的排放區(qū)域,,在3個(gè)排放控制區(qū)選擇相應(yīng)的3個(gè)轉(zhuǎn)速,然后在這3個(gè)轉(zhuǎn)速上各選擇4個(gè)不同的負(fù)荷點(diǎn),,再加上一個(gè)怠速工況點(diǎn),,組成13個(gè)工況,取4種負(fù)荷各占總負(fù)荷的0%,、25%,、75%和100%,其轉(zhuǎn)速為n=nL+η(nH-nL),,其中nL表示發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈功率的50%時(shí)的轉(zhuǎn)速,,nH表示發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈功率的70%時(shí)的轉(zhuǎn)速,η為4種負(fù)荷各占總負(fù)荷的值,,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)測得為nL=1 393 r/min,,nH=3 353 r/min,因此可以得到13工況及其相關(guān)參數(shù),,如表2所示,。

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    圖9為ESC測試循環(huán)下各工況下NOx轉(zhuǎn)化效率,由圖可知發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況,、工況9以及工況13其NOx的轉(zhuǎn)化率較低,,主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況時(shí)排氣溫度較低,無法達(dá)到催化劑的起燃溫度,,不滿足催化還原反應(yīng)的發(fā)生條件,。而另兩個(gè)工況主要是由于此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷較低,NOx排放本來就比較低,再加上發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較快,,SCR催化器內(nèi)的空速較高,,減少了排氣在載體內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間,導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化率下降,。其余工況NOx轉(zhuǎn)化率良好,,能達(dá)到國五排放標(biāo)準(zhǔn)。

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    ETC主要模擬3種路況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況:市區(qū)工況,、鄉(xiāng)村工況和高速公路工況,,每種路況測試600 s,整套測試循環(huán)時(shí)間為1 800 s,,并且每一秒對應(yīng)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況,。實(shí)測的瞬態(tài)循環(huán)如圖10所示。

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    ETC循環(huán)測試的主要原理是利用空氣先對發(fā)動(dòng)機(jī)排氣稀釋,,氣體分析儀從稀釋后的排氣中抽樣并對排氣中的各類污染物進(jìn)行檢測,。測試過程中,需要先測量并計(jì)算出柴油機(jī)的總排氣流量,,該值用來計(jì)算排氣中各污染物的質(zhì)量排放,,最后計(jì)算得到各氣體污染物的比排放數(shù)值。圖11所示為柴油機(jī)ETC循環(huán)測試中催化轉(zhuǎn)化器上游和下游NOx排放濃度隨時(shí)間的變化情況,,可以明顯看出,,催化器出口處排氣中的NOx含量較催化器入口處明顯下降,SCR系統(tǒng)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)化效果良好,,基本滿足國五標(biāo)準(zhǔn),。

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    表3列出了原機(jī)排放及裝有SCR系統(tǒng)的排放物實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比,可以看出裝有SCR系統(tǒng)的NOx,、HC,、CO等排放均優(yōu)于原機(jī)排放,并且低于國五標(biāo)準(zhǔn)排放限值,,也表明基于Simulink快速原型開發(fā)可以用于柴油機(jī)后處理SCR系統(tǒng)控制器的開發(fā),,減少開發(fā)過程中錯(cuò)誤率,縮短開發(fā)周期,。  

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5 結(jié)論

    本文針對國五排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)SCR系統(tǒng)控制器控制柴油車NOx排放,,主要包括:

    (1)分析SCR催化器內(nèi)部NOx凈化的原理,利用催化器中主要的化學(xué)反應(yīng)以及能量守恒原理建立SCR系統(tǒng)催化器模型,;并根據(jù)尿素開環(huán)控制策略,,建立尿素穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模型。

    (2)底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)的編寫便于同一類芯片或不同類型芯片重復(fù)移植使用,,大大降低開發(fā)周期,;利用Simulink中一鍵生成代碼并結(jié)合底層驅(qū)動(dòng)函數(shù),,減少上層算法因手寫代碼而出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

    (3)通過ESC和ETC實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器是否滿足國五標(biāo)準(zhǔn)要求,,如果不滿足則返回Simulink模型修改相關(guān)參數(shù),,這樣能使排放達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

    (4)后期還可以在尿素噴射模型中加入反饋控制,,實(shí)現(xiàn)其閉環(huán)控制,,以滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] DE-LA-TORREA U,,PEREDA-AYOA B.Cu-zeolite catalysts for NOx removal by selective catalytic reduction with NH3 and coupled to NO storage/reduction monolith in diesel engine exhaust aftertreatment systems[J].Applied Catalysis B:Environmental,,2016,15(187):419-427.

[2] Chen Ming,,WILLIAMS S.Modeling and optimization of SCR-exhaust aftertreatment systems[C].SAE 2005 World Congress & Exhibition,,2005.

[3] 楊成宏.重型柴油機(jī)SCR催化器控制模型研究[D].長春:吉林大學(xué),2011.

[4] 張建銳.重型柴油機(jī)SCR尿素噴射控制策略研究[D].長春:吉林大學(xué),,2011.

[5] 劉軍,吳碩開,何國國,,等.SCR控制策略的研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2010,37(3):34-36.

[6] 曹學(xué)謙.SCR系統(tǒng)閉環(huán)控制策略的研究[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),,2014,,13(3):23-26.

[7] 張祥,楊志剛,,張彥生.Matlab/Simulink模型到C/C++代碼的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),,2006,20(11):111-113.

[8] The MathWorks Inc.Simulink coder target language compiler[Z].2013. 

[9] 唐雄輝.柴油機(jī)高壓共軌電控系統(tǒng)底層軟件開發(fā)[D].無錫:江南大學(xué),,2011.

[10] GB17691-2005車用壓燃式,、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ,Ⅳ,,Ⅴ階段)[S].

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