黃萬友，孫悅，唐向臣，鄒于建，崔江偉，于明進*

1.山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 濟南 250357；2.山東新凌志檢測技術(shù)有限公司 山東 濟南 250000

0 引言

目前，PM2.5已經(jīng)成為最嚴(yán)重污染物之一，其主要污染源是機動車尾氣，尤其是柴油車尾氣中含有大量的碳煙及NOx。為了保護環(huán)境，國家對機動車尾氣污染管控力度持續(xù)增加，汽車環(huán)保定期檢驗率也直線上升。我國已建成多家社會化排放檢驗機構(gòu)，汽車環(huán)保定期檢驗率達到90%以上(含免檢車輛)[1]。柴油車排放檢測過程中會產(chǎn)生一定廢氣，且需要在短期內(nèi)切換不同的工作狀態(tài)，導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)柴油燃燒不完全而排放出更多污染物；尾氣排放不合格車輛產(chǎn)生的污染物更多，污染排放檢驗機構(gòu)的環(huán)境，危害工作人員以及周圍居民的身體健康[2]。當(dāng)前，排放檢驗機構(gòu)大多采用強制抽排系統(tǒng)抽除站內(nèi)尾氣[3-6]，或采用活性炭吸附氣態(tài)污染物，采用慣性力-物理過濾法去除微粒[7]，或通過添加催化劑對尾氣進行催化處理[8]，但均未將尾氣凈化處理，尾氣凈化效果不理想或僅僅停留在理論階段。

本文中基于XE164FN英飛凌單片機，設(shè)計一種能夠?qū)⒉裼蛙囄矚馀欧艡z測過程中排出的廢氣快速集中收集和高效凈化處理的尾氣凈化系統(tǒng)，凈化NOx及可見污染物，保護環(huán)境。

1 尾氣凈化原理

排放檢驗機構(gòu)柴油車尾氣凈化基于現(xiàn)行國六后處理技術(shù)路線[9-10]，即氧化催化轉(zhuǎn)化器(diesel oxidation catalyst，DOC)-顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)-選擇性催化還原器(selective catalytic reduction，SCR)-氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)，并結(jié)合加熱裝置及流量測量裝置，實現(xiàn)柴油車排放檢測時的尾氣凈化處理。排放檢驗機構(gòu)柴油車尾氣凈化原理如圖1所示。

圖1 排放檢驗機構(gòu)柴油車尾氣凈化工作原理

被測車輛尾氣凈化前，首先對加熱裝置預(yù)加熱處理，隨后變頻電機驅(qū)動負(fù)壓風(fēng)機將被測車輛尾氣經(jīng)流量計抽取至加熱裝置進行電加熱，根據(jù)SCR前溫度傳感器的監(jiān)測溫度確定加熱裝置的加熱溫度，使凈化裝置內(nèi)排氣溫度及載體催化劑溫度達到有效催化溫度(280 ℃左右)。然后，尾氣經(jīng)DOC將尾氣中的CO、HC以及可溶性有機物(soluble organic fractions, SOF)等氧化生成CO2和H2O。DOC內(nèi)部反應(yīng)過程[11]如下：

(1)

氧化處理后的尾氣經(jīng)DPF過濾掉，去除碳煙等顆粒物，進入SCR，控制單元根據(jù)待凈化尾氣稀釋后的流量、NOx含量及物理轉(zhuǎn)換效率控制尿素水溶液噴射，尿素水溶液在高溫下發(fā)生水解和熱解反應(yīng)生成NH3，將尾氣中NOx還原成N2和H2O[12]。SCR內(nèi)部尿素溶液在高溫下水解熱解反應(yīng)過程為：

(2)

氨氣與柴油車尾氣中氮氧化合物發(fā)生還原反應(yīng)過程為：

(3)

SCR中未反應(yīng)的NH3被ASC吸收處理，與O2反應(yīng)產(chǎn)生N2、N2O及NOx，同時再催化NH3、NOx反應(yīng)生成N2。在ASC的出氣口處設(shè)置NOx傳感器，以監(jiān)測凈化后尾氣中NOx含量是否達到凈化標(biāo)準(zhǔn)，處理后的尾氣和水經(jīng)凈化裝置的出氣口排出。

2 尾氣凈化系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)選型

加熱裝置是排放檢驗機構(gòu)柴油車尾氣凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，與柴油車尾氣污染物凈化效率密切相關(guān)，因此選用合適配置的加熱裝置至關(guān)重要。一般加熱裝置為電加熱或燃油(柴油)加熱，考慮試驗安全性，使用管道加熱器電加熱方式對尾氣加熱。根據(jù)稀釋后排氣流量、溫差、試驗環(huán)境以及季節(jié)變化等因素，使用ZRQD-60(380 V/60 kW)管道加熱器，加熱器功率

(4)

式中：qV為排氣體積流量，qV=500 m3/h；Δ(θ)為溫差，Δ(θ)=350 ℃；ρ為空氣密度，ρ=1.29 kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，Cp=1.005 kJ/(kg·k)；K1為熱損耗因數(shù)，K1=1.1。

由式(4)可得，P=57.3 kW。

同時，流量計的流量在加熱裝置加熱能力范圍內(nèi)，通過變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機適應(yīng)各種排量車型，對于凈化裝置，選擇功率為405 kW、排量為12.54 L重卡柴油機配備的國六后處理裝置，可滿足更小型柴油機排量的凈化需求。

2.2 硬件電路設(shè)計

以英飛凌SAK-XE164FN-40F80L型單片機為核心，硬件電路主要包括電源電路、主控制電路、開關(guān)量信號處理電路、模擬信號處理電路、輸出脈沖信號處理電路、通信電路、驅(qū)動電路等部分。

2.2.1 信號處理電路

2.2.1.1 開關(guān)量信號處理電路

本系統(tǒng)的啟動信號為開關(guān)量信號，由于輸入電壓為12 V，應(yīng)通過具有斷路和接通開關(guān)特性的三極管將電壓由12 V轉(zhuǎn)化為5 V輸入單片機[13]。

2.2.1.2 模擬信號處理電路

尾氣凈化過程中需采集尾氣流量傳感器、凈化裝置的排氣溫度傳感器、加熱裝置的溫度傳感器及排氣壓差傳感器信號，SAK-XE164FN-40F80L單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元量程為0～5 V，應(yīng)將各個傳感器信號轉(zhuǎn)化為0～5 V的模擬信號。

2.2.1.3 脈沖信號處理電路

尾氣凈化過程中需采集底盤測功機輸出的車速信號，基于HEF4093具有滯后特性的數(shù)字傳輸門、HCPL0600高速光電耦合器設(shè)計車速脈沖信號調(diào)理電路，該電路可將幅值為12 V的信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的0～5 V方波信號。硬件電路設(shè)計中預(yù)留模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速及凸輪軸轉(zhuǎn)速的輸出脈沖信號處理電路。

2.2.2 CAN通信電路

尿素噴射系統(tǒng)中尿素泵的控制模塊與電子控制單元之間通過局域網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)(controller area network, CAN)總線完成通信功能，CAN通信電路如圖2所示。

圖2 CAN通信電路

CAN通信電路采用TJA1040高速CAN收發(fā)器完成數(shù)據(jù)傳輸，TJA1040收發(fā)器的引腳5(SPLIT)在正常模式下輸出電壓為2.5 V，使總線隱性共模電壓穩(wěn)定到額定電壓2.5 V。終端節(jié)點的電阻為120 Ω，引腳5連接到終端電阻的中間分接頭，當(dāng)未上電節(jié)點造成從總線到地有很大的漏電電流時，共模電壓仍能夠維持在額定值附近。

2.2.3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路模塊應(yīng)具有良好的驅(qū)動性能、高靈敏度和高散熱性，采用TLE6232芯片作為驅(qū)動模塊，該芯片短路保護電壓可達24 V且靈敏性高，該驅(qū)動電路對尿素泵定量噴射有重要作用，如響應(yīng)時間過長，尿素泵電磁閥未及時做出反應(yīng)，尿素噴射量與理論值之間存在較大差異，影響NOx轉(zhuǎn)化效率。

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 加熱裝置溫度維持子程序

加熱裝置溫度維持子程序的作用是將凈化裝置內(nèi)載體催化劑溫度穩(wěn)定在有效催化溫度。凈化系統(tǒng)上電初始化后，啟動加熱裝置的加熱功能程序，等待溫度預(yù)置，采集加熱裝置進口溫度并顯示溫度狀態(tài)，根據(jù)SCR前溫度傳感器監(jiān)測的溫度調(diào)整加熱功率以控制加熱，判斷SCR前溫度傳感器監(jiān)測的排氣溫度是否符合目標(biāo)溫度，若未達到，則繼續(xù)加熱，以此循環(huán)控制，直至凈化系統(tǒng)停止運行。加熱裝置溫度維持子程序如圖3所示。

圖3 加熱裝置溫度維持子程流程圖

為節(jié)約凈化時間，同時保證凈化裝置內(nèi)各載體能夠達到催化劑的有效催化溫度，加熱裝置應(yīng)提前進行預(yù)加熱。因此，對不同稀釋排氣流量下加熱裝置的溫升時間進行分析，研究稀釋排氣加熱時的熱慣量。

環(huán)境溫度為34 ℃、大氣壓力為101.5 kPa時，分別對稀釋排氣體積流量為9、11 m3/min的加熱裝置溫升時間進行試驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同稀釋排氣流量下加熱裝置溫升時間

由圖4可知：稀釋排氣體積流量為9 m3/min、初始溫度51 ℃時，達到SCR前溫度(280 ℃)的時間為328 s；在稀釋排氣體積流量為11 m3/min、初始溫度為92 ℃時，達到SCR前溫度(280 ℃)的時間為447 s，此后在280 ℃波動。達到SCR前溫度的溫升時間與初始溫度、稀釋后排氣流量有關(guān)。因此，尾氣凈化前，根據(jù)車輛登錄的信息、初始溫度確定加熱裝置預(yù)加熱時間，使其滿足凈化裝置內(nèi)催化劑的有效催化溫度。

2.3.2 DPF再生子程序

DPF對尾氣中微粒進行捕集，隨著載體上微粒不斷積累，DPF兩端壓差增大，造成捕集器堵塞，嚴(yán)重影響碳煙捕集效率，導(dǎo)致DPF前后溫度傳遞存在延時[14-16]，因此加熱裝置的溫度以SCR前溫度傳感器(即DPF后溫度傳感器)監(jiān)測溫度為基準(zhǔn)。DPF應(yīng)定期再生，增加其使用壽命，提高凈化效果。DPF再生子程序流程如圖5所示。

圖5 DPF再生子程序流程圖

排放檢驗機構(gòu)柴油車尾氣凈化系統(tǒng)工作時，壓差傳感器一直監(jiān)測DPF前、后壓差的變化，當(dāng)DPF兩端壓降p1大于上限閾值(13.5 kPa)時，下位機發(fā)送報警信號并停止凈化工作，執(zhí)行再生程序，且再生程序執(zhí)行前，尿素泵斷電；DPF再生程序開始執(zhí)行后，開啟加熱裝置及風(fēng)機，調(diào)整加熱功率及稀釋后的排氣流量，實現(xiàn)再生溫度穩(wěn)定上升；DPF再生溫度上升階段，溫度傳感器持續(xù)監(jiān)測DPF壁面峰值溫度θ1，判斷θ1是否達到再生溫度(600～700 ℃)，若未達到再生溫度，繼續(xù)調(diào)整加熱功率及稀釋后的排氣流量，直至滿足再生要求；隨后進入DPF再生溫度保持階段，DPF兩端的壓差傳感器持續(xù)監(jiān)測p1是否小于再生閾值(3 kPa)，以此循環(huán)控制直至退出再生程序。

2.3.3 尿素泵建壓子程序

系統(tǒng)上電初始化后，尿素泵自檢完畢，系統(tǒng)無故障且稀釋后排氣溫度θ2>180 ℃；泵控制器向尿素泵發(fā)送一幀CAN報文，尿素泵進入建壓狀態(tài)，尿素噴嘴關(guān)閉，尿素溶液從尿素箱總成進液管流入；進行尿素泵壓力檢測，當(dāng)尿素泵壓力p2≥0.55 MPa且建壓時間t1≤35 s，尿素泵建壓成功，尿素泵停止轉(zhuǎn)動，否則循環(huán)控制直至尿素泵系統(tǒng)建壓成功。尿素泵建壓子程序流程如圖6所示。

圖6 尿素泵建壓子程序流程圖

2.3.4 尿素泵噴射子程序

尿素泵建壓成功后，接收到控制器滿足噴射指令，尿素泵進入噴射狀態(tài)。泵控制器發(fā)送電機開啟指令、泵狀態(tài)命令、診斷儀命令開啟確認(rèn)、NOx傳感器露點使能開啟確認(rèn)、尿素噴嘴手動控制開啟指令等，隨后，尿素泵進入預(yù)注狀態(tài)，進而進入噴射狀態(tài)，設(shè)置尿素噴嘴噴射量，并將泵壓力、噴嘴開啟、實際噴射量、泵實際狀態(tài)等信息反饋輸出。尿素泵噴射子程序如圖7所示。

圖7 尿素泵噴射子程序流程圖

由式(2)可知，1 mol尿素在高溫下水解生成2 mol NH3，由式(3)可知，NH3與NOx的反應(yīng)比為1:1。通過傳感器測量得到稀釋后的NOx體積分?jǐn)?shù)及流量，根據(jù)凈化裝置物理轉(zhuǎn)化效率、凈化目標(biāo)確定尿素噴射量計算模型。計算過程[17]為：

(5)

式中：qV為廢氣標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積流量，m3/min；CNOx為NOx體積分?jǐn)?shù)；qm為尿素噴射質(zhì)量流量，mg/min；δ為物理轉(zhuǎn)換效率,δ=0.75～0.85；Vm為理想氣體在273.15 K和101.325 kPa時的摩爾體積，Vm=22.4 L/mol；M為尿素摩爾質(zhì)量，M=60 g/mol；w為尿素水溶液中尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w=0.325；qVu為尿素噴射體積流量，mL/h；ρu為尿素水溶液密度，ρu=1.087 kg/L。

3 試驗驗證

試驗測試儀器主要包括汽車底盤測功機、加熱裝置(工作電壓為380 V，加熱介質(zhì)為尾氣，加熱功率為60 kW)、凈化裝置(工作電壓為24 V，主要包括DOC、DPF、SCR、ASC，主要凈化HC、NOx、碳煙)、尿素噴射系統(tǒng)(工作電壓為24 V，工作電流為3 A)、2臺MQW-5102(Z)尾氣分析儀(尾氣成分分別為O2、NO、NO2，測量范圍分別為0～18.0%、0～5000×10-6、0～5000×10-6)、2臺MQY-202透射式煙度計(光通道有效長度為215 mm，吸收比最大相對誤差為±2.0%)等。底盤測功機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 底盤測功機主要技術(shù)參數(shù)

選取額定功率分別為45 kW和67 kW的常規(guī)載貨車進行實車測試，測試時環(huán)境溫度為14.93 ℃、相對濕度為17.43%、大氣壓力為102.1 kPa。排放檢驗機構(gòu)柴油車尾氣凈化系統(tǒng)上電，加熱裝置預(yù)加熱，測試車輛駛?cè)肱欧艡z測臺，尾氣分析儀采集凈化前、后主要污染物體積分?jǐn)?shù)，透射式煙度計采集凈化前后的排氣煙度。額定功率為45 kW的載貨車的NOx凈化率如圖8所示，可見污染物凈化率如圖9所示。

圖8 NOx凈化率 圖9 可見污染物凈化率

由圖8可知，在排氣溫度及排氣流速一定的條件下，NOx的凈化率呈現(xiàn)迅速升高后穩(wěn)定至80%。主要原因有2種：1)相關(guān)研究表明，當(dāng)NO2與NO的體積比小于50%時，隨排氣中NO2體積分?jǐn)?shù)增大，NOx凈化率升高[8]。風(fēng)機在抽取柴油機尾氣的過程中抽取了大量空氣，同時隨著載體催化劑溫度逐漸升高并穩(wěn)定至280 ℃左右，涂覆在DOC載體上的催化劑的活性逐漸提高，尾氣中NO在DOC內(nèi)與O2反應(yīng)生成NO2的速率提高，NO2體積分?jǐn)?shù)提高，NO2與NOx體積比增大，所以提高了SCR的NOx凈化率;2)涂覆在SCR載體上的催化劑的活性隨溫度的升高逐漸提高，尿素高溫下水解的氨氣增加，氨氣在SCR內(nèi)與NOx的反應(yīng)速率提高，NOx的凈化效率升高，由于車輛的排氣溫度在開始階段迅速升高，使進入凈化裝置的混合氣溫度升高，凈化效率急劇上升。

由圖9可知，可見污染物(主要為碳煙)的凈化率迅速升高后穩(wěn)定在90%。凈化過程中，隨著載體催化劑溫度逐漸升高至280 ℃，涂覆在DPF載體上的催化劑的活性逐漸提高，排氣黏度提高，加劇碳煙顆粒之間碰撞及布朗運動，擴散速度增大，因此捕集效率提高。同時，隨著捕集時間的增長，DPF的過濾體壁面逐漸形成一層致密的煙塵層，更多小粒徑碳煙被攔截吸附在過濾體上，DPF整體捕集能力明顯增強。

額定功率為45、67 kW的常規(guī)載貨車的NOx和可見污染物的凈化率對比如圖10所示。

a)NOx凈化率 b)可見污染物凈化率

由圖10可知，與額定功率45 kW常規(guī)載貨型車相比，額定功率67 kW的常規(guī)載貨車的NOx凈化反應(yīng)效率與可見污染物凈化反應(yīng)效率均明顯提前，這是由于額定功率67 kW車輛的排氣溫度高、排氣流量大，進入凈化裝置稀釋后的混合氣的溫度更高，所以起效更快。

綜上，該凈化系統(tǒng)對NOx的凈化率先升高后穩(wěn)定至80%，對可見污染物的凈化率迅速升高后穩(wěn)定至90%，NOx及可見污染物的凈化效果顯著，排放檢驗機構(gòu)柴油車尾氣凈化系統(tǒng)的凈化方案可行。

4 結(jié)論

1)基于排放檢驗機構(gòu)柴油車尾氣凈化原理及凈化需求，以英飛凌XE164FN單片機為核心，開發(fā)了一種基于現(xiàn)行國六后處理技術(shù)路線并結(jié)合加熱裝置以及流量測量裝置的排放檢驗機構(gòu)柴油車尾氣凈化系統(tǒng)。

2)基于稀釋后的NOx含量、稀釋后的排氣流量、凈化裝置進口溫度以及凈化裝置物理轉(zhuǎn)化效率，并結(jié)合凈化目標(biāo)確定了尿素噴射量計算模型。

3)通過實車測試驗證了排放檢驗機構(gòu)柴油車尾氣凈化系統(tǒng)的可靠性，凈化系統(tǒng)NOx的凈化率為80%，可見污染物的凈化率為90%，NOx及可見污染物的凈化效果顯著。