張美娟

（無錫職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 無錫 214121）

為了滿足未來新的排放法規(guī)的要求，如何協(xié)調(diào)柴油機油耗和排放，特別是在歐IV排放的基準上怎樣進一步降低NOx的排放，相關領域的技術(shù)專家從燃油品質(zhì)、柴油機機內(nèi)凈化技術(shù)、機外凈化技術(shù)（尾氣后處理技術(shù)）等方面尋求策略。提升柴油品質(zhì)包括降低柴油中的硫含量、控制柴油的十六烷值、添加劑的使用；機內(nèi)凈化技術(shù)包括電控高壓燃油噴射技術(shù)、廢氣渦輪增壓技術(shù)、進氣中冷技術(shù)、廢氣再循環(huán)（EGR）、均質(zhì)混合壓燃技術(shù)（HCCI）等。但是歐IV／V排放法規(guī)目前僅僅依靠這些是遠遠不夠的，必須在此基礎上綜合使用排氣后處理技術(shù)來控制NOx和顆粒物。國際上，為了滿足更嚴格的排放標準，如歐IV／V或者EPA標準，基本上都是通過進一步改進歐III發(fā)動機機內(nèi)燃燒技術(shù)，加上SCR（Selective Catalytic Reduction）或EGR＋DPF（廢氣循環(huán)＋顆粒捕集器）等后處理系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

1 SCR系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的主要作用是降低柴油機尾氣中的NOx值，采用尿素（又名添藍）作催化還原劑。

在選擇性催化劑的還原作用下，NOx被還原成氮氣（N2）和水，催化器內(nèi)部的主要化學方程式如下：

無空氣輔助SCR系統(tǒng)由添藍罐、供應單元、DCU控制器、噴嘴、前后排溫度傳感器、NOx傳感器、加熱絲及相應管路、線束、傳感器等組成。

本系統(tǒng)的主要工作過程如下：將車輛的鑰匙開關旋至ON檔后，DCU控制器上電，同時供應單元中的無刷直流電機（簡稱BLDC）開始工作，驅(qū)動尿素泵轉(zhuǎn)動，同時添藍罐中添藍溶液被抽吸至尿素泵腔中。為了快速建立壓力，尿素泵開始時以最大工作能力工作，當壓力達到5bar后，控制器通過軟件閉環(huán)控制尿素泵，并保持泵腔內(nèi)的壓力恒定。當轉(zhuǎn)速和排溫達滿足預定標定好條件時，噴嘴開始噴射添藍溶液?？刂破鞲鶕?jù)當前的排氣溫度、外界環(huán)境和發(fā)動機工況來精確計量添藍溶液的噴射量。當添藍溶液被噴射到排氣管后，與發(fā)動機排氣均勻混合后完成化學反應，從而降低排氣中的NOx值。

2 DCU控制器硬件設計

控制器硬件設計采用模塊化設計，整體設計簡潔明了，而且便于以后的修改調(diào)試。

控制器硬件按照模塊可以分為：微處理器模塊、電源模塊、尿素噴嘴驅(qū)動模塊、無刷直流電機控制模塊、輸入輸出與驅(qū)動模塊、傳感器信號采集處理模塊、通訊模塊等，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 SCR系統(tǒng)DCU硬件系統(tǒng)框圖

2.1 微處理器模塊

由于SCR系統(tǒng)的傳感器執(zhí)行器多，控制算法復雜，而且尿素噴射定時可變，噴射脈寬可調(diào)，而且還要采用脈寬調(diào)制PWM波對供應單元腔內(nèi)壓力進行壓力閉環(huán)控制。本方案采用飛思卡爾公司的MC9S12XS64作為微處理器，該芯片采用＋5V供電，總線速度可達25MHz，特別適合用在汽車電子行業(yè)。

2.2 電源模塊

本設計中，蓄電池經(jīng)過濾波及TVS管后，由DC-DC降至＋10V（給MOS管提供驅(qū)動電壓），再通過一路LDO降至＋5V，給微控制核心電路和其他數(shù)字器件提供電壓，另一路LDO降至＋5V給傳感器供電。

2.3 尿素噴嘴驅(qū)動模塊

尿素噴嘴具有開關電磁閥的特性，為電流驅(qū)動型。為了保證噴嘴快速打開，要求在開啟噴嘴時驅(qū)動電流足夠大。但如果開啟電流持續(xù)時間過長，噴嘴發(fā)熱嚴重，線圈容易燒毀，降低了噴嘴的壽命。而且在噴嘴打開以后，只需要很小的電流就能維持噴嘴打開的狀態(tài)，這樣既節(jié)約能量又提高了噴嘴的壽命。關閉噴嘴時，只需切斷通過噴嘴的電流即可。圖2為尿素噴嘴實際驅(qū)動波形，峰值電流約為4A，0.5ms驅(qū)動時間，維持電流約為1A。

圖3為噴嘴驅(qū)動示意圖，SW1、SW2分別控制噴嘴高低端，R1為采樣電阻，采集通過尿素噴嘴的電流。電流經(jīng)過采樣電阻后，變?yōu)楹苄〉碾妷盒盘?，?jīng)過運放放大，輸入到比較器。比較器根據(jù)閾值的選擇控制電流的大小。

2.4 無刷直流電機驅(qū)動模塊

汽車電子的關鍵要求是具有覆蓋較寬輸入電源范圍的功能性。在電池電壓較低時也必須保證無刷直流電機的正常工作，并且應該提供完善的保護機制。本設計中選擇Allegro公司A 3 9 3 1，3相無刷直流（BLDC）電動機控制器。它用于N通道外部電源MOSFET集成了設計極具成本效益的三相電動機驅(qū)動系統(tǒng)所需的各種電路，并專門用于汽車應用。

圖2 尿素噴嘴實際驅(qū)動波形

圖3 噴嘴驅(qū)動示意圖

2.5 輸入與輸出驅(qū)動模塊

輸入與輸出驅(qū)動模塊包括：加熱水閥、反向電磁閥及電加熱絲驅(qū)動。因為添藍溶液在環(huán)境溫度低于-11℃時會結(jié)冰，為了保證SCR系統(tǒng)在低溫時能夠正常工作，系統(tǒng)必須具有化冰功能，化冰的熱源來自于車輛發(fā)動機的冷卻水。當控制器通過添藍罐內(nèi)溫度傳感器測量到添藍溫度較低，有可能出現(xiàn)添藍結(jié)冰的情況，控制器控制加熱水閥和電加熱絲工作，同時發(fā)動機冷卻水就會順著管道流向添藍罐和供應單元添藍泵內(nèi)置的換熱器，添藍溶液就會迅速融化。因為冷卻水和添藍膠管扎在一起，外面套有保溫管，所以添藍罐內(nèi)部的添藍溶液也就會同時融化。由于加熱水閥、反向電磁閥及電加熱絲的驅(qū)動電流都約為1A，本方案采用汽車級集成低端驅(qū)動，保證了系統(tǒng)的可靠運行。

3 總結(jié)

目前該控制器配合自主無空氣輔助SCR系統(tǒng)已經(jīng)順利完成了發(fā)動機臺架試驗及發(fā)動機試驗，試驗結(jié)果表明：NOx轉(zhuǎn)化效率＝73.6%，尿素消耗量是油耗的7.75%，其排放對比數(shù)據(jù)見表1。由排放對比數(shù)據(jù)表明，SCR系統(tǒng)大大降低了CO、HC和NOx的比排放量。但后續(xù)將對控制器的可靠性、穩(wěn)定性方面作進一步的深入研究，能夠更好地適應惡劣的工作環(huán)境。

表1 排放對比數(shù)據(jù)

［1］錢楓，喻方平.歐IV柴油機SCR系統(tǒng)添藍控制器的研發(fā)［J］.交通與計算機，2008（6）：162-165.

［2］邱英杰，石錦蕓.高壓共軌柴油發(fā)動機的SCR處理系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009（11）：52-54.

［3］劉軍.SCR尿素計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計及控制策略研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學，2010.

［4］錢楓.歐IV柴油機SCR系統(tǒng)電子控制單元的研發(fā)［D］：武漢：武漢理工大學，2008.