重型柴油機(jī)尿素選擇scr后處理系統(tǒng)電子控制單元的設(shè)計(jì)

重型柴油機(jī)尿素選擇scr后處理系統(tǒng)電子控制單元的設(shè)計(jì)

0柴油排氣后處理與汽車修理相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有高生產(chǎn)率、低油耗和co排放等優(yōu)點(diǎn)。目前,所有的重型卡車和大部分輕型卡車都采用柴油機(jī)。然而,隨著世界各國(guó)對(duì)柴油車排放的要求越來越嚴(yán)格,柴油機(jī)顆粒物(PM)及NOx排放控制成為柴油機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前針對(duì)PM及NOx排放控制的柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)有兩種方法:一種是通過廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)降低發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的NOx排放,然后用柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)控制PM;另一種是通過燃油高壓噴射技術(shù)降低發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的PM排放,然后用選擇催化還原技術(shù)(SCR)控制NOx。SCR技術(shù)因具有更高的燃油經(jīng)濟(jì)性和良好的耐硫性能,被認(rèn)為是最有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)路線,在歐洲已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,在我國(guó)也處于推廣應(yīng)用階段。由于SCR反應(yīng)涉及到NOx濃度等排氣氛圍、催化劑及還原劑,還原劑的供給需要?jiǎng)討B(tài)考慮NOx濃度、催化劑工作狀況和NH3泄漏量等,故還原劑噴射的控制是SCR應(yīng)用所面臨的一個(gè)重要問題。本文針對(duì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重型柴油機(jī)尿素SCR后處理系統(tǒng),介紹了尿素噴射電子控制單元(DCU)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件開發(fā)、控制策略研究,以及DCU在發(fā)動(dòng)機(jī)及其尿素SCR后處理系統(tǒng)上的匹配標(biāo)定和試驗(yàn)結(jié)果。1影響競(jìng)爭(zhēng)密封性能的因素DCU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。可靠性是DCU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),需要綜合考慮散熱、抗振動(dòng)、密封性能和成本等多方面因素。該DCU采用73針腳密封插頭,兼具防水和防振動(dòng)功能的外殼,電子控制單元電路板采用全表面焊接,無需額外增加散熱器。1.1dcu控制策略尿素SCR后處理控制單元是一個(gè)以單片機(jī)為核心的微處理器?？刂破魇荄CU的核心部件,通過各種外圍電路對(duì)傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行采樣、控制,實(shí)現(xiàn)DCU控制策略。該控制器必須滿足與計(jì)量泵進(jìn)行10ms一次通信的要求,至少2路高速CAN通信模塊分別與主機(jī)ECU和計(jì)量泵進(jìn)行通信,1路串口通信至少6路A/D轉(zhuǎn)換通道,并要求成本低。因此,選用了Freescale公司的高速16位單片機(jī)作為電子控制單元的控制器。1.2系統(tǒng)的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)電源控制需向單片機(jī)及其他功率芯片提供穩(wěn)定的5V穩(wěn)壓電源及傳感器處理電路必需的12V電源。尿素SCR系統(tǒng)應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī),其蓄電池電壓為+24V,所以要求輸入電壓的范圍上限足夠高。同時(shí),由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況的復(fù)雜多變,要求系統(tǒng)在各種負(fù)載情況下均能保持電壓穩(wěn)定,具有足夠大的電流通過能力,以提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。為保證系統(tǒng)在寬廣的電壓變化范圍內(nèi)工作正常,本系統(tǒng)選用智能芯片L9741為系統(tǒng)提供1路5V穩(wěn)壓電源;采用最大輸入電壓上限45V,并具有最高達(dá)3A帶自保護(hù)的輸出電流通過能力的LM2576芯片為系統(tǒng)提供1路12V穩(wěn)壓電源。同時(shí),本系統(tǒng)采用雙備份電源提高系統(tǒng)的可靠性,不會(huì)由于單個(gè)電源損壞導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作的癱瘓。1.3a/d轉(zhuǎn)換電路信號(hào)處理電路主要用于處理環(huán)境溫度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、催化劑前、后溫度傳感器等傳感器信號(hào),需要經(jīng)過電路放大到0~5V的范圍內(nèi),再進(jìn)入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器中。同時(shí),由于在發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境中存在強(qiáng)烈的信號(hào)干擾源,還需要對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行去噪處理,并加以限壓保護(hù),避免主芯片在任何情況下被有害信號(hào)損壞。本文所設(shè)計(jì)的處理電路具有信號(hào)放大、阻容濾波、限壓保護(hù)等功能,保證系統(tǒng)對(duì)輸入模擬信號(hào)的正確采集。2不同發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中尿素噴射量的控制策略控制策略決定了不同工況下排氣管中尿素的噴射量,控制策略是否合理直接影響NOx的轉(zhuǎn)化率以及氨氣的泄漏量。按照SCR的工作原理,SCR控制策略一方面應(yīng)將NOx排放盡量減少,以滿足法規(guī)需求;另一方面需要保持NH3泄漏量平均在10×10-6以下,最大不超過25×10-6。SCR后處理系統(tǒng)的尿素噴射控制策略分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。相對(duì)于開環(huán)控制策略,閉環(huán)控制策略能大幅提高NOx轉(zhuǎn)化效率,其中開環(huán)控制策略下的最高NOx轉(zhuǎn)化效率為80%,而閉環(huán)控制則能達(dá)到95%。但是,閉環(huán)控制需要實(shí)時(shí)測(cè)量SCR后的NOx或NH3排放,NOx傳感器和NH3傳感器由于價(jià)格及性能原因,基本用于試驗(yàn)室研究,尚未達(dá)到規(guī)模應(yīng)用的程度。本文采用的尿素噴射基本控制思想是:首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩百分比),通過查發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)MAP圖得到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總流量、排氣中NOx濃度,從而計(jì)算出NOx的摩爾流量,確定每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中尿素的基本噴射量;然后根據(jù)催化劑轉(zhuǎn)化效率、催化劑載體溫度、空速等對(duì)尿素基本噴射量進(jìn)行穩(wěn)態(tài)修正,得到穩(wěn)態(tài)下的尿素噴射量;最后根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的工況對(duì)穩(wěn)態(tài)下的尿素噴射量進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正,得到最終實(shí)際需要的尿素噴射量。圖2為DCU控制策略示意圖。2.1催化劑活性不高DCU是在催化劑載體溫度高于200℃以上才開始噴射,因?yàn)樽畹蛧娚錅囟燃纫鼓蛩爻浞址纸?又不致造成催化劑活性利用程度不夠。當(dāng)催化劑載體溫度低于200℃時(shí),不僅催化劑活性不夠,而且會(huì)造成尿素水溶液的結(jié)晶,造成管路堵塞,影響整個(gè)后處理系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作。尿素水溶液的基本噴射量是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況,通過查表獲得的。2.2催化劑的轉(zhuǎn)化效率如果簡(jiǎn)單根據(jù)排氣中NOx濃度進(jìn)行1∶1的尿素水溶液噴射,不考慮催化劑對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化性能,則會(huì)造成大量的NH3泄漏。對(duì)于給定的催化器,其對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化性能取決于空速和溫度,特別是溫度的影響。因此,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的空速和溫度確定催化劑的轉(zhuǎn)化效率,用尿素基本噴射量乘以轉(zhuǎn)化效率,對(duì)基本噴射脈寬進(jìn)行穩(wěn)態(tài)修正。催化劑的轉(zhuǎn)化效率要合理設(shè)定,如果定得太高,催化器出口的氨氣泄漏可能超標(biāo);而定得太低,則NOx的比排放不能達(dá)到法規(guī)要求。催化劑載體溫度是以催化劑進(jìn)出口溫度、空速為輸入,通過計(jì)算模型計(jì)算得到的。2.3不同約束反拖工況的特性由于發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀況是復(fù)雜多變的,僅依靠尿素穩(wěn)態(tài)噴射控制難以保證后處理系統(tǒng)在任何工況下都能有效降低NOx排放和NH3泄漏,因此必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況負(fù)荷變化施以不同的修正。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)在小轉(zhuǎn)矩工況(包括反拖工況)時(shí)是不噴油或噴油很少的,幾乎沒有NOx產(chǎn)生,此時(shí)應(yīng)停止噴射尿素,以減少小轉(zhuǎn)矩工況帶來的NH3泄漏峰值。通過轉(zhuǎn)矩百分比判定反拖工況,當(dāng)轉(zhuǎn)矩百分比≤2%時(shí),判定為小轉(zhuǎn)矩工況,此時(shí)則迅速切斷尿素噴射。當(dāng)轉(zhuǎn)矩百分比大于限值,為了有效降低NH3泄漏,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩,通過延遲算法設(shè)定延遲系數(shù),使尿素噴射量階梯狀增加,漸進(jìn)地向目標(biāo)量上逼近,而不是直接達(dá)到目標(biāo)值噴射量,避免尿素過噴,防止NH3大量溢出。同時(shí)考慮催化劑上氨的存儲(chǔ)量,采用儲(chǔ)氨模型對(duì)每個(gè)噴射周期的氨吸附量進(jìn)行估算。當(dāng)累積到一定量時(shí),需減少噴射量以消耗一部分存儲(chǔ)的氨。這個(gè)累積量由不同的催化劑載體溫度確定。3u3000計(jì)量泵及催化劑本文的尿素SCR后處理系統(tǒng)針對(duì)玉柴YC6L240-40機(jī)型開發(fā),發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。SCR后處理系統(tǒng)所用催化劑為BASF的催化劑,其尺寸為26.67×38.10cm(直徑×長(zhǎng)度),總體積21L。催化劑進(jìn)出口溫度傳感器為PT100溫度傳感器。計(jì)量泵采用Grundfos公司的尿素計(jì)量泵,能實(shí)現(xiàn)進(jìn)入排氣后處理系統(tǒng)AdBlue液體的高精度噴射。整個(gè)SCR系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上的布置如圖3所示。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行原機(jī)排放試驗(yàn),獲取原機(jī)NOx排放MAP圖和排氣流量MAP圖,分別如圖4和圖5所示。圖6為催化劑轉(zhuǎn)化效率MAP圖。該尿素SCR后處理系統(tǒng)已通過濟(jì)南汽車檢測(cè)中心的國(guó)-Ⅳ、國(guó)-Ⅴ達(dá)標(biāo)測(cè)試。表2為ESC和ETC測(cè)試結(jié)果。NOx在ESC試驗(yàn)循環(huán)下的比排放量為1.5g/(kW·h),在ETC試驗(yàn)循環(huán)下的比排放量為1.996g/(kW·h),低于國(guó)-Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)限值的2.0g/(kW·h)。NH3泄漏量最大為5×10-6,遠(yuǎn)低于法規(guī)限值的25×10-6。4nh3泄漏量(1)本文所開發(fā)的DCU在ESC和