關于國五標準輕型柴油車SCR系統控制器的設計

0 引言

柴油機由于成本低被廣泛地用于長途客車、城市公交、農用車等，但其NOx和PM排放造成大氣污染嚴重以及相應的國五標準對NOx和PM的限制更加嚴格，因此國內外學者圍繞柴油機后處理系統展開深入的研究。選擇性還原(SCR)系統因其能有效地控制柴油機的NOx排放以及提高柴油機的燃油經濟性被廣泛地研究與應用[1-2]，其原理是利用NH3的還原反應將尾氣中氮氧化物(NOx)轉化為水、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，即利用MATLAB/Simulink對軟件層控制算法進行建模，利用Emebedded Coder工具箱生成軟件層可執行代碼，原型開發縮短軟件開發周期，降低開發成本。因此利用Simulink對輕型柴油車SCR系統控制器進行設計。

1 SCR控制策略及建模

SCR催化器中由尿素溶液、氮氧化物(NOx)、吸附態和氣態氨(NH3)4種物質參與化學反應，在發動機正常工作的情況下，忽略其他影響較小的反應，主要發生以下化學反應：

通過以上化學反應可以得出SCR催化器內部主要是氮氧化物、吸附態氨和氣態氨受催化器溫度影響動態變化的過程，根據能量守恒定律分別建立NOx、氣態氨、存儲氨以及溫度模型，具體公式推導參考文獻[3]和文獻[4]，根據催化器輸入輸出量對所建立的模型進行組合，從而建立SCR催化器動態變化的模型。

尿素噴射策略分為開環控制和閉環控制。閉環控制是根據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對尿素噴射量進行修正。由于閉環控制技術實現難度大、成本高，同時開環控制可以滿足國五排放標準[5-6]，因此采用開環控制來計算尿素的噴射量。設定催化器出口NOx與NH3摩爾質量比為定值，尿素噴射控制通過CAN總線獲得發動機的轉速、扭矩信息以及循環供油量等相關信息，通過調用原機NOx排氣MAP圖、排氣質量流量MAP圖獲得NOx質量流量，并結合SCR催化器內部主要的化學反應式，獲得尿素基本需求量，并在MATLAB/Simulink中建立SCR系統尿素基本噴射量模型，圖1為尿素基本需求量計算原理，根據其原理圖在MATLAB/Simulink建立尿素基本噴射量模型。

輕型柴油機運行工況復雜多變，在其瞬態運行工況下，催化器溫度不能立刻響應因為發動機工況轉變而導致其溫度升高或者降低，總會存在一定的滯后，因此必須對瞬態工況下尿素噴射量進行修正，防止尿素溶液噴射量不足或者過多噴射造成NOx排放超標或者氨氣泄漏而污染環境。瞬態溫度修正是基于溫度差進行修正，即利用發動機運行工況下排氣溫度與催化器下游溫度差值來獲得相應的修正系數，將修正系數與尿素基本需求量相乘獲得修正后的尿素噴射量，圖2為通過實驗獲取瞬態修正系數圖。通過以上分析利用MATLAB/Simulink建立SCR系統開環控制模型，如圖3所示。

2 噴射控制模型驗證

基本思想：將催化器上游實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濃度實際值，并與理論值作比較，如誤差控制在合理范圍內則認為模型較為準確。圖4為SCR系統實驗臺架，主要設備為廢氣分析儀(HORIBAMEXA-7500D)、傅里葉變換紅外多組份分析儀(SESAM FTIR)、測功機、柴油機等，其中柴油機參數見表1。設實驗取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循環下仿真的結果如圖5、圖6所示。從圖中可以看出ESC循環工況下NOx排放基本與理論值相一致，ETC循環工況變化劇烈時會產生一定誤差，但都控制在5%以內，因此認為模型是準確的。

3 SCR系統軟件層設計

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

(1)分析Simulink中模型的步進時間、參數設置以及各模塊執行次序。RTW讀取模型文件進行分析，形成中間描述文件。

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

(3)生成自定義的Makefile以及生成可執行程序，Makefile文件為特定的目標環境所設計，RTW根據Makefile文件對描述模型配置的標識符進行擴展，最后生成可執行的C程序[7-8]。具體流程如圖7所示。

微控制器選擇的是16位單片機MC9S12XEP100芯片，其芯片資源豐富，同時具有低能耗、低成本、高工作頻率以及功能集成等優點。微控制器底層負責管理系統的硬件資源，一方面向上層提供硬件資源調用服務的支持，另一方面實現系統硬件設備的驅動和診斷[9]。該層主要由IO驅動模塊、通信驅動模塊、存儲驅動模塊組成。IO驅動用來將模擬信號、脈沖信號以及數字信號轉換成電信號，通信模塊實現不同控制器之間信息交互，存儲模塊指片內存儲驅動，如Flash驅動、EEPROM驅動等。各部分驅動模塊相互獨立，模塊之間不能相互調用。RTW只對應用層控制邏輯模型生成可執行的代碼，無法對單片機底層(I/O端口、CAN通信等)相關的模塊生成代碼，應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等底層驅動軟件以及對硬件初始化，并在模型中加入對應的接口模塊，整合生成的代碼和底層編寫的驅動，整合后的嵌入式代碼為一循環程序，不斷執行應用層模型生成的代碼。同時需要注意模型仿真時的固定步長與單片機定時器時鐘周期相同，模型中輸入、輸出變量及數據類型與所用單片機端口及數據類型對應。

如圖8所示，SCR_code generation包含Simulink生成函數文件、變量文件以及函數頭文件，根據SCR具體實現的功能編寫底層驅動函數，將兩者集成，完成SCR系統軟件層的設計。

4 SCR實驗驗證

根據GB17691-2005，對柴油發動機第V階段的排放要求按照歐洲穩態測試循環(ESC)和歐洲瞬態測試循環(ETC)對排氣污染物進行臺架檢驗[10]。本實驗臺的柴油機為直列四沖程四缸增壓發動機，并采用了一定的機內凈化技術，優化了燃燒，降低了原機的氮氧化物排放，但由于機內凈化的作用有限，需要采用SCR后處理系統進行尾氣凈化，使排放滿足標準要求。該型號柴油機主要設計參數見表1。實驗前，首先將發動機預熱并運行一定時間，確保發動機能正常工作并使各項性能趨于穩定；接著對柴油機進行原排測試及萬有特性測試，標定尿素噴射量。

ESC是根據發動機實際運行時的工況，選定3個主要的排放區域，在3個排放控制區選擇相應的3個轉速，然后在這3個轉速上各選擇4個不同的負荷點，再加上一個怠速工況點，組成13個工況，取4種負荷各占總負荷的0%、25%、75%和100%，其轉速為n=nL+η(nH-nL)，其中nL表示發動機最大凈功率的50%時的轉速，nH表示發動機最大凈功率的70%時的轉速，η為4種負荷各占總負荷的值，根據發動機外特性實驗測得為nL=1 393 r/min，nH=3 353 r/min，因此可以得到13工況及其相關參數，如表2所示。

圖9為ESC測試循環下各工況下NOx轉化效率，由圖可知發動機在怠速工況、工況9以及工況13其NOx的轉化率較低，主要原因是發動機在怠速工況時排氣溫度較低，無法達到催化劑的起燃溫度，不滿足催化還原反應的發生條件。而另兩個工況主要是由于此時發動機的負荷較低，NOx排放本來就比較低，再加上發動機轉速較快，SCR催化器內的空速較高，減少了排氣在載體內的反應時間，導致NOx轉化率下降。其余工況NOx轉化率良好，能達到國五排放標準。

ETC主要模擬3種路況時發動機的運行情況：市區工況、鄉村工況和高速公路工況，每種路況測試600 s，整套測試循環時間為1 800 s，并且每一秒對應一個發動機工況。實測的瞬態循環如圖10所示。

ETC循環測試的主要原理是利用空氣先對發動機排氣稀釋，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行檢測。測試過程中，需要先測量并計算出柴油機的總排氣流量，該值用來計算排氣中各污染物的質量排放，最后計算得到各氣體污染物的比排放數值。圖11所示為柴油機ETC循環測試中催化轉化器上游和下游NOx排放濃度隨時間的變化情況，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系統的瞬態轉化效果良好，基本滿足國五標準。

表3列出了原機排放及裝有SCR系統的排放物實驗結果對比，可以看出裝有SCR系統的NOx、HC、CO等排放均優于原機排放，并且低于國五標準排放限值，也表明基于Simulink快速原型開發可以用于柴油機后處理SCR系統控制器的開發，減少開發過程中錯誤率，縮短開發周期。

5 結論

本文針對國五排放標準設計SCR系統控制器控制柴油車NOx排放，主要包括：

(1)分析SCR催化器內部NOx凈化的原理，利用催化器中主要的化學反應以及能量守恒原理建立SCR系統催化器模型；并根據尿素開環控制策略，建立尿素穩態和瞬態模型。

(2)底層驅動函數的編寫便于同一類芯片或不同類型芯片重復移植使用，大大降低開發周期；利用Simulink中一鍵生成代碼并結合底層驅動函數，減少上層算法因手寫代碼而出現的錯誤。

(3)通過ESC和ETC實驗來驗證所設計的控制器是否滿足國五標準要求，如果不滿足則返回Simulink模型修改相關參數，這樣能使排放達到最優狀態。

(4)后期還可以在尿素噴射模型中加入反饋控制，實現其閉環控制，以滿足更高標準的法規要求。