重型柴油机尿素选择scr后处理系统电子控制单元的设计

重型柴油机尿素选择scr后处理系统电子控制单元的设计

0柴油排气后处理与汽车修理相比，该发动机具有高生产率、低油耗和co排放等优点。目前,所有的重型卡车和大部分轻型卡车都采用柴油机。然而,随着世界各国对柴油车排放的要求越来越严格,柴油机颗粒物(PM)及NOx排放控制成为柴油机发展的关键技术。当前针对PM及NOx排放控制的柴油机排气后处理技术有两种方法:一种是通过废气再循环(EGR)技术降低发动机缸内燃烧的NOx排放,然后用柴油机颗粒捕集器(DPF)控制PM;另一种是通过燃油高压喷射技术降低发动机缸内燃烧的PM排放,然后用选择催化还原技术(SCR)控制NOx。SCR技术因具有更高的燃油经济性和良好的耐硫性能,被认为是最有优势的技术路线,在欧洲已经得到了广泛应用,在我国也处于推广应用阶段。由于SCR反应涉及到NOx浓度等排气氛围、催化剂及还原剂,还原剂的供给需要动态考虑NOx浓度、催化剂工作状况和NH3泄漏量等,故还原剂喷射的控制是SCR应用所面临的一个重要问题。本文针对具有自主知识产权的重型柴油机尿素SCR后处理系统,介绍了尿素喷射电子控制单元(DCU)的系统结构、硬件开发、控制策略研究,以及DCU在发动机及其尿素SCR后处理系统上的匹配标定和试验结果。1影响竞争密封性能的因素DCU的系统结构如图1所示。可靠性是DCU结构设计的基础,需要综合考虑散热、抗振动、密封性能和成本等多方面因素。该DCU采用73针脚密封插头,兼具防水和防振动功能的外壳,电子控制单元电路板采用全表面焊接,无需额外增加散热器。1.1dcu控制策略尿素SCR后处理控制单元是一个以单片机为核心的微处理器。控制器是DCU的核心部件,通过各种外围电路对传感器和执行器进行采样、控制,实现DCU控制策略。该控制器必须满足与计量泵进行10ms一次通信的要求,至少2路高速CAN通信模块分别与主机ECU和计量泵进行通信,1路串口通信至少6路A/D转换通道,并要求成本低。因此,选用了Freescale公司的高速16位单片机作为电子控制单元的控制器。1.2系统的稳压电源系统电源控制需向单片机及其他功率芯片提供稳定的5V稳压电源及传感器处理电路必需的12V电源。尿素SCR系统应用于柴油发动机,其蓄电池电压为+24V,所以要求输入电压的范围上限足够高。同时,由于发动机工作状况的复杂多变,要求系统在各种负载情况下均能保持电压稳定,具有足够大的电流通过能力,以提高系统工作的稳定性。为保证系统在宽广的电压变化范围内工作正常,本系统选用智能芯片L9741为系统提供1路5V稳压电源;采用最大输入电压上限45V,并具有最高达3A带自保护的输出电流通过能力的LM2576芯片为系统提供1路12V稳压电源。同时,本系统采用双备份电源提高系统的可靠性,不会由于单个电源损坏导致整个系统工作的瘫痪。1.3a/d转换电路信号处理电路主要用于处理环境温度传感器、空气质量传感器、催化剂前、后温度传感器等传感器信号,需要经过电路放大到0~5V的范围内,再进入单片机的A/D转换器中。同时,由于在发动机工作环境中存在强烈的信号干扰源,还需要对传感器信号进行去噪处理,并加以限压保护,避免主芯片在任何情况下被有害信号损坏。本文所设计的处理电路具有信号放大、阻容滤波、限压保护等功能,保证系统对输入模拟信号的正确采集。2不同发动机循环中尿素喷射量的控制策略控制策略决定了不同工况下排气管中尿素的喷射量,控制策略是否合理直接影响NOx的转化率以及氨气的泄漏量。按照SCR的工作原理,SCR控制策略一方面应将NOx排放尽量减少,以满足法规需求;另一方面需要保持NH3泄漏量平均在10×10-6以下,最大不超过25×10-6。SCR后处理系统的尿素喷射控制策略分为开环控制和闭环控制。相对于开环控制策略,闭环控制策略能大幅提高NOx转化效率,其中开环控制策略下的最高NOx转化效率为80%,而闭环控制则能达到95%。但是,闭环控制需要实时测量SCR后的NOx或NH3排放,NOx传感器和NH3传感器由于价格及性能原因,基本用于试验室研究,尚未达到规模应用的程度。本文采用的尿素喷射基本控制思想是:首先根据发动机的工况(转速、转矩百分比),通过查发动机静态MAP图得到发动机排气总流量、排气中NOx浓度,从而计算出NOx的摩尔流量,确定每个发动机循环中尿素的基本喷射量;然后根据催化剂转化效率、催化剂载体温度、空速等对尿素基本喷射量进行稳态修正,得到稳态下的尿素喷射量;最后根据当前发动机的工况对稳态下的尿素喷射量进行动态修正,得到最终实际需要的尿素喷射量。图2为DCU控制策略示意图。2.1催化剂活性不高DCU是在催化剂载体温度高于200℃以上才开始喷射,因为最低喷射温度既要使尿素充分分解,又不致造成催化剂活性利用程度不够。当催化剂载体温度低于200℃时,不仅催化剂活性不够,而且会造成尿素水溶液的结晶,造成管路堵塞,影响整个后处理系统的正常稳定工作。尿素水溶液的基本喷射量是根据发动机的运行工况,通过查表获得的。2.2催化剂的转化效率如果简单根据排气中NOx浓度进行1∶1的尿素水溶液喷射,不考虑催化剂对NOx的转化性能,则会造成大量的NH3泄漏。对于给定的催化器,其对NOx的转化性能取决于空速和温度,特别是温度的影响。因此,根据发动机的空速和温度确定催化剂的转化效率,用尿素基本喷射量乘以转化效率,对基本喷射脉宽进行稳态修正。催化剂的转化效率要合理设定,如果定得太高,催化器出口的氨气泄漏可能超标;而定得太低,则NOx的比排放不能达到法规要求。催化剂载体温度是以催化剂进出口温度、空速为输入,通过计算模型计算得到的。2.3不同约束反拖工况的特性由于发动机的实际工作状况是复杂多变的,仅依靠尿素稳态喷射控制难以保证后处理系统在任何工况下都能有效降低NOx排放和NH3泄漏,因此必须根据发动机的工况负荷变化施以不同的修正。考虑到发动机在小转矩工况(包括反拖工况)时是不喷油或喷油很少的,几乎没有NOx产生,此时应停止喷射尿素,以减少小转矩工况带来的NH3泄漏峰值。通过转矩百分比判定反拖工况,当转矩百分比≤2%时,判定为小转矩工况,此时则迅速切断尿素喷射。当转矩百分比大于限值,为了有效降低NH3泄漏,根据发动机的转矩,通过延迟算法设定延迟系数,使尿素喷射量阶梯状增加,渐进地向目标量上逼近,而不是直接达到目标值喷射量,避免尿素过喷,防止NH3大量溢出。同时考虑催化剂上氨的存储量,采用储氨模型对每个喷射周期的氨吸附量进行估算。当累积到一定量时,需减少喷射量以消耗一部分存储的氨。这个累积量由不同的催化剂载体温度确定。3u3000计量泵及催化剂本文的尿素SCR后处理系统针对玉柴YC6L240-40机型开发,发动机技术参数如表1所示。SCR后处理系统所用催化剂为BASF的催化剂,其尺寸为26.67×38.10cm(直径×长度),总体积21L。催化剂进出口温度传感器为PT100温度传感器。计量泵采用Grundfos公司的尿素计量泵,能实现进入排气后处理系统AdBlue液体的高精度喷射。整个SCR系统在发动机台架上的布置如图3所示。对发动机进行原机排放试验,获取原机NOx排放MAP图和排气流量MAP图,分别如图4和图5所示。图6为催化剂转化效率MAP图。该尿素SCR后处理系统已通过济南汽车检测中心的国-Ⅳ、国-Ⅴ达标测试。表2为ESC和ETC测试结果。NOx在ESC试验循环下的比排放量为1.5g/(kW·h),在ETC试验循环下的比排放量为1.996g/(kW·h),低于国-Ⅴ排放标准限值的2.0g/(kW·h)。NH3泄漏量最大为5×10-6,远低于法规限值的25×10-6。4nh3泄漏量(1)本文所开发的DCU在ESC和