黃萬友 谷成婕 張文廣 譚世威 鄒于建 于明進 唐向臣

摘要：為降低汽油車在排放檢測過程中的尾氣排放，設計一種應用于汽油車排放檢驗機構(gòu)的尾氣凈化系統(tǒng)?；谖矚鈨艋到y(tǒng)功能設計機械結(jié)構(gòu)和尾氣凈化后處理系統(tǒng)，基于XE164FN單片機芯片設計硬件電路，基于Keil軟件設計程序并進行調(diào)試，對設計的尾氣凈化系統(tǒng)的凈化效果進行試驗驗證。結(jié)果表明：尾氣凈化系統(tǒng)具有良好的凈化效果，CO、HC、NOx的凈化效率均超過83%。該凈化裝置可以有效解決汽油車在檢測過程中的污染物排放，保護環(huán)境。

關(guān)鍵詞：尾氣凈化系統(tǒng)；測控系統(tǒng)；凈化效率;汽油車排放檢驗機構(gòu)

中圖分類號： X734.2文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）01-0051-08

引用格式：黃萬友，谷成婕，張文廣，等. 汽油車排放檢測機構(gòu)尾氣凈化系統(tǒng)開發(fā)［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2023，40（1）：51-58.

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0引言

隨著我國機動車保有量的持續(xù)增加，全國汽車環(huán)保定期檢驗量直線上升，機動車排放檢驗機構(gòu)數(shù)量隨之增加，這些檢測機構(gòu)基本都建立在市區(qū)，機動車在排放檢測過程中會產(chǎn)生一定廢氣，形成固定污染源，目前多通過采用抽排系統(tǒng)抽取廢氣至大氣中的方法處理這類固定廢氣[1-3]。有學者設計了一種廢氣收集凈化處理裝置處理汽車尾氣，但多為機械結(jié)構(gòu)設計，涉及的凈化方式主要包括通過活性炭過濾組件進行顆粒物的過濾及廢氣的吸附、通過噴灑催化劑完成空氣凈化[4]、通過尾氣電解吸收池完成尾氣吸收處理[5]等，但凈化效率不高。凈化技術(shù)是尾氣凈化系統(tǒng)的核心，目前治理汽車尾氣排放的控制技術(shù)主要有前處理凈化技術(shù)、機內(nèi)凈化技術(shù)和機外凈化技術(shù)3種[6]。機外凈化技術(shù)是指利用安裝在發(fā)動機外的凈化設備對廢氣進行凈化處理，技術(shù)成熟、凈化效率高，應用廣泛。降低汽車尾氣中CO、HC、NOx污染物排放的機外凈化關(guān)鍵技術(shù)主要有降低CO、HC、NOx排放的三效催化轉(zhuǎn)換器（threeway catalyst converter，TWC）技術(shù)、降低HC和CO排放的氧化催化轉(zhuǎn)化（diesel oxidation catalytic，DOC）技術(shù)[7]、降低NOx排放的選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術(shù)[8]及NOx存儲還原（NOx storage reduction，NSR）技術(shù)[9]，TWC技術(shù)只有在理論空燃比為14.7的狹窄范圍內(nèi)才能達到最高轉(zhuǎn)化效率[10]，工作條件具有一定局限性。集成的機外凈化技術(shù)比單一機外凈化技術(shù)對排放物轉(zhuǎn)化效果更好[11-12]，國內(nèi)外研究機構(gòu)在機外凈化技術(shù)及機外凈化技術(shù)的組合應用上已開展了廣泛的研究[13]。隨著稀薄燃燒技術(shù)的廣泛應用，汽油車機外凈化技術(shù)可以借鑒后處理催化裝置組合的技術(shù)路線。

本文中基于機外凈化技術(shù)路線，設計一種高效的汽油車排放檢驗機構(gòu)尾氣凈化系統(tǒng)，降低汽油車在排放檢測過程中的尾氣污染物排放，保護環(huán)境。

1尾氣凈化系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計

為實現(xiàn)汽油車尾氣收集及高效凈化，尾氣凈化系統(tǒng)應具有以下功能：收集氣體，凈化CO、HC、NOx 3種污染氣體，加熱氣體至催化反應所需溫度，實時檢測溫度及NOx濃度，連接各獨立裝置。

1.1尾氣凈化技術(shù)路線

尾氣凈化系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)為尾氣凈化后處理系統(tǒng)，用于凈化尾氣排放中的CO、HC和NOx。尾氣凈化主要有2條技術(shù)路線：DOC-SCR-氨逃逸催化器（ammonia slip catalyst，ASC）和NSRDOC。

1.1.1DOC-SCR-ASC

當DOC裝置位于SCR裝置之前，將NO氧化為NO2，有利于加速SCR裝置中NH3與NO2反應，提高SCR裝置催化效率。因此，可按照DOC裝置、SCR裝置的先后順序組合安裝，依次凈化CO、HC、NOx。SCR技術(shù)需使用尿素水溶液作為NH3來源，因此該技術(shù)路線中還應包含尿素噴射系統(tǒng)，通過控制尿素噴射系統(tǒng)的尿素噴射，使NH3逃逸量較少，但無法保證NH3逃逸量為0，因此應加裝ASC裝置，凈化SCR裝置中未反應的NH3。相關(guān)化學反應式為：

CO+O2CO2，（1）

HmCn+O2H2O+CO2，（2）

CO（NH2）2+H2OCO2+2NH3，（3）

4NO+4NH3+O24N2+6H2O，（4）

6NO+4NH35N2+6H2O，（5）

6NO2+8NH37N2+12H2O，（6）

2NO2+4NH3+O23N2+6H2O。（7）

1.1.2NSR-DOC

富氧條件下，DOC裝置可以實現(xiàn)CO和HC的凈化，NSR裝置可以實現(xiàn)NOx的凈化，相關(guān)化學反應式為：

2NO+O22NO2，（8）

4NO2+2BaO+O22Ba（NO3）2，（9）

2BaO+4NO+O22Ba（NO2）2，（10）

Ba（NO2）2+O2Ba（NO3）2。（11）

NSR技術(shù)在富氧條件下完成NOx存儲反應，以硝酸鹽的形式存儲，隨著硝酸鹽不斷累積，應定期進行NSR裝置再生，延長NSR裝置的使用壽命。當前、后氮氧傳感器檢測得到的NOx轉(zhuǎn)化率明顯降低時，說明需要進行NSR裝置再生，使NOx從硝酸鹽中脫附出來，提高NOx的轉(zhuǎn)化率。

為實現(xiàn)NSR裝置再生，本文中設計燃油噴射系統(tǒng)和壓縮空氣供給系統(tǒng)。通過驅(qū)動燃油噴射系統(tǒng)向NSR裝置噴油，使NSR裝置處于缺氧環(huán)境，還原性氣體來源于燃油與催化劑的反應，使NOx發(fā)生還原反應從硝酸鹽中脫附出來，生成N2，相關(guān)化學反應式為：

2Ba（NO3）22BaO+4NO2+O2，（12）

2NO2+4COPt/RhN2+4CO2，（13）

10NO2+8HCPt/Rh5N2+8CO2+4H2O，（14）

BaO+CO2BaCO3。（15）

若未反應的還原性氣體CO、HC直接排入大氣會再次造成環(huán)境污染，因此需要壓縮空氣供給系統(tǒng)同時向DOC裝置通入壓縮空氣，使DOC裝置處于富氧環(huán)境中，凈化未反應的CO和HC。因此在進行機械結(jié)構(gòu)設計時，考慮到NSR再生，NSR裝置應置于DOC裝置前方。

綜上，DOCSCRASC和NSRDOC技術(shù)在理論上都適于作為尾氣凈化后處理系統(tǒng)的凈化技術(shù)路線，本文中將通過試驗檢驗2種技術(shù)路線的凈化效果。

1.2總體結(jié)構(gòu)

尾氣凈化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要包括流量測量系統(tǒng)、電加熱器、尾氣凈化后處理系統(tǒng)和連接管道，管道按排放尾氣流向依次連接流量測量系統(tǒng)、電加熱器和尾氣凈化后處理系統(tǒng)，流量測量系統(tǒng)主要包括風機和圖1尾氣凈化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖氣體流量測量單元，用于抽集排放尾氣和測量氣體流量；電加熱器用于將流量測量系統(tǒng)抽集的尾氣加熱至尾氣凈化催化裝置催化反應所需的溫度；尾氣凈化后處理系統(tǒng)由催化后處理裝置組合而成，用于凈化加熱后的排放尾氣，尾氣凈化后處理系統(tǒng)中還安裝有氮氧傳感器和溫度傳感器，實時檢測排放尾氣中NOx濃度和排放尾氣溫度，并將NOx濃度信號和溫度信號傳送至控制單元。尾氣凈化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

尾氣凈化系統(tǒng)主要部件為：1）ZRQD-60管道加熱器，工作電壓為380 V，功率為60 kW；2）NSR-DOC型尾氣凈化后處理設備，長、寬、高分別為600、500、500 mm；3）DOCSCRASC型尾氣凈化后處理設備（含尿素噴射系統(tǒng)），長、寬、高分別為840、630、635 mm；4）5WK97103型氮氧傳感器，4個；5）JLC-PT200溫度傳感器，5個；6）連接管道為波紋管，可以耐溫400 ℃。

各傳感器安裝位置為：1）在NSRDOC型尾氣凈化后處理系統(tǒng)中，氮氧傳感器分別安裝于NSR裝置前、DOC裝置后，主要用于檢測NSR裝置是否需要再生，溫度傳感器分別安裝于NSR裝置前、DOC裝置后；2）在DOCSCRASC型尾氣凈化后處理系統(tǒng)中，氮氧傳感器分別安裝于DOC裝置前、ASC裝置后，溫度傳感器分別安裝于DOC裝置前、SCR裝置前、ASC裝置后，尿素噴射系統(tǒng)根據(jù)DOC裝置前NOx濃度、SCR前溫度傳感器溫度、排氣流量信號等控制尿素噴射量。

2尾氣凈化系統(tǒng)測控系統(tǒng)設計

2.1硬件設計

2.1.1單片機最小系統(tǒng)電路

選用XE166衍生系列中的典型單片機——XE164FN單片機，單片機最小系統(tǒng)電路包括XE164FN單片機芯片電路、電源電路、晶振電路、復位電路、程序下載電路等，其中，聯(lián)合測試工作組（joint test action group，JTAG）接口常用于對元器件在線編程，本文中選用JTAG程序下載電路。

2.1.2供電系統(tǒng)電路

供電系統(tǒng)電路模塊為貼裝在主控板上的電源供應器，主要為其他電路模塊供電。單片機芯片電路和部分電路模塊工作電壓為5 V，因此選擇固定輸出電壓為5 V的降壓型開關(guān)電源芯片LM2596-5.0；熱電偶電路模塊MAX31855芯片電路工作電壓為3.3 V，因此選擇降壓型芯片TLE4274-3.3。

2.1.3通信電路

為實現(xiàn)各硬件部件之間的通信，設計通信電路。

1）控制器局域網(wǎng)絡（controller area network， CAN）通信電路

本文中基于TJA1040芯片設計CAN通信電路，CAN通信電路用于采集氮氧傳感器信號，電路如圖2所示。本文中設置1個備用的CAN通信電路，當需要驅(qū)動尿素噴射系統(tǒng)噴射尿素時，尿素泵工作由CAN控制。引腳8為模式選擇引腳，在低電平時為正常模式，高電平時為待機模式，正常模式時通過總線CANL和CANH發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

2）RS-232通信電路

圖3RS-232通信電路設計RS-232通信電路，以實現(xiàn)上、下位機之間的通信，其通信電路設計如圖3所示，其中RXD引腳和TXD引腳分別用于串口數(shù)據(jù)輸入和輸出，RS-232采用負邏輯電平傳輸，單片機電平標準為TTL電平，兩者電平標準不同，本文中選用MAX232芯片電路，進行電平轉(zhuǎn)換。

2.1.4信號處理電路

單片機系統(tǒng)需要處理流量測量系統(tǒng)測量的流量信號、電加熱器溫度輸出信號（4～20 mA電流信號）及鉑熱電阻傳感器的電阻信號，由于單片機系統(tǒng)只能處理數(shù)字信號，僅能識別高、低電平，要實現(xiàn)單片機數(shù)字系統(tǒng)對模擬信號檢測、運算及控制，需完成模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化。各傳感器將采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為電模擬信號，如電壓信號、電流信號，由于單片機系統(tǒng)僅對0～5 V的電壓模擬信號接收和處理，因此模擬信號處理電路還需將不同等級的電壓、電流模擬輸入信號轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓信號。4～20 mA電流、熱電阻、流量模擬信號采集處理電路如圖4所示。基于AD620ARZ芯片設計流量信號采集處理電路，能夠放大微弱信號，引腳1和8連接電路中外接電阻R64，由外接電阻決定放大倍數(shù)，放大倍數(shù)G≈1.05。圖4a）為4～20 mA電流處理電路，R44的電阻為250 Ω，AD_Temp_U1對應輸出電壓為1～5 V，D8為穩(wěn)壓二極管，當電流在大范圍內(nèi)變動時也能保持不變，起到限壓保護作用；圖4c）為熱電阻信號采集電路，鉑熱電阻溫度傳感器輸入的電模擬信號為電阻信號，輸出為電壓信號。由于電加熱器包括2路溫度輸出信號（4～20 mA電流信號），因此設置2個4～20 mA電流處理電路，尾氣凈化系統(tǒng)包括多個鉑熱電阻溫度傳感器，本文中預設了6路熱電阻信號采集模塊電路。

a）電流處理電路b）熱電阻處理電路c）熱電阻信號采集電路

圖4模擬量信號處理電路基于HCPL0600光電耦合器芯片設計輸出脈沖信號處理電路，解決脈沖干擾。基于MCP4922、LM258芯片設計D/A轉(zhuǎn)換模塊電路，LM258芯片可以將MCP4922芯片電路輸出電壓0～2.5 V放大為0～10 V，由于電壓模擬信號進行長距離傳輸時出現(xiàn)電壓衰減現(xiàn)象，應將電壓信號轉(zhuǎn)變成電流信號，提高傳輸精度。

2.1.5驅(qū)動電路

驅(qū)動電路主要應用于NSR再生過程中，用于控制燃油噴射系統(tǒng)中的噴油器噴油和控制壓縮空氣供給系統(tǒng)中電磁閥的開啟、關(guān)閉。

1）噴油器驅(qū)動電路

基于TLE6220芯片設計噴油器驅(qū)動電路，如圖5所示，引腳9、2、19、12分別與單片機引腳45、46、47、48相連，用于控制Injector_Out1引腳、Injector_Out2引腳、Injector_Out3引腳和Injector_Out4引腳噴油信號輸出，以此控制4個噴油器噴油。

圖5噴油器驅(qū)動電路

2）繼電器及電磁閥驅(qū)動電路

尾氣凈化系統(tǒng)中包括繼電器，如汽油泵工作時，需要給汽油泵繼電器上電，控制其開、關(guān)。尾氣凈化系統(tǒng)中還包括電磁閥，如安裝于壓縮空氣供給管道上的電磁閥，通過控制其開啟、關(guān)閉實現(xiàn)壓縮空氣的通、斷，本文中基于TLE6232芯片設計繼電器及電磁閥驅(qū)動電路。

2.2軟件設計

硬件電路中各模塊功能的運行需要編寫軟件程序來控制實現(xiàn)，尾氣凈化系統(tǒng)軟件設計能保證尾氣凈化系統(tǒng)凈化功能的實現(xiàn)，同時保證凈化過程的流暢性和直觀性。

2.2.1凈化程序

尾氣凈化系統(tǒng)凈化程序設計流程圖如圖6所示。尾氣凈化系統(tǒng)控制邏輯為：在上位機顯示界面完成待凈化車輛信息登記，進行環(huán)檢車輛排放尾氣凈化，上位機向下位機發(fā)送啟動流量測量系統(tǒng)抽集排放尾氣命令，下位機控制執(zhí)行機構(gòu)流量測量系統(tǒng)執(zhí)行流量抽集和測量，下位機不斷采集稀釋排放尾氣的流量及NOx濃度信號，將信號轉(zhuǎn)換為上位機識別的數(shù)據(jù)并在上位機界面顯示，上位機根據(jù)下位機傳來的排放尾氣溫度狀態(tài)信號，向下位機發(fā)送啟動電加熱器加熱命令，控制電加熱器加熱氣體至設定溫度，電加熱器加熱氣體需要預熱時間，預熱過程中尾氣凈化效果較差，因此，應在電加熱器加熱抽集的氣體至設定溫度并維持當前的加熱功率狀態(tài)下進行汽油車排放檢測，汽油車排放檢測前加熱的氣體為外界空氣，檢測時加熱的氣體為排放尾氣。在進行加熱溫度設定時，由于各催化裝置所需的催化反應溫度存在差異，為保證尾氣凈化系統(tǒng)的凈化效果，應保證各催化裝置均達到最低催化反應溫度，因此，采用DOC-SCR-ASC和NSR-DOC路線時，分別根據(jù)SCR前溫度傳感器所測溫度（不低于250 ℃）、NSR前溫度傳感器所測溫度（不低于230 ℃）控制電加熱器加熱溫度，保證尾氣凈化后處理系統(tǒng)整體處于有效催化凈化溫度。加熱過程中，電加熱器通過判斷2個溫度傳感器所測溫度是否符合設定溫度控制加熱量。試驗中，為滿足催化裝置催化反應溫度要求，選擇溫度為280 ℃完成尾氣凈化系統(tǒng)凈化效果驗證。選擇DOC-SCR-ASC技術(shù)路線時，需要尿素噴射系統(tǒng)向SCR裝置中噴射尿素，尿素噴射量由稀釋排放尾氣流量、NOx濃度和進入SCR裝置前的排放尾氣溫度決定，NSR-DOC無需此步驟，車輛完成排放檢測工作后，凈化工作結(jié)束。

2.2.2NSR再生程序設計

NSR再生程序設計流程如圖7所示。NSR裝置再生流程控制邏輯為：啟動流量測量系統(tǒng)抽取少量的空氣，啟動電加熱器將空氣加熱至230～360 ℃，保證NSR再生和DOC催化反應所需的高溫條件，啟動燃油供給系統(tǒng)向NSR裝置噴油，同時啟動壓縮空氣供給系統(tǒng)向DOC通入壓縮空氣，下位機不斷采集來自N2傳感器的再生后排放尾氣中的N2體積分數(shù)信號，并傳送至上位機，NOx脫附還原為N2至脫附還原結(jié)束的過程中，N2體積分數(shù)先升高后降低，當降低至與初始環(huán)境中的N2體積分數(shù)相近并保持恒定狀態(tài)時，NOx脫附還原結(jié)束，即再生過程結(jié)束。

3尾氣凈化系統(tǒng)凈化效果試驗驗證

3.1試驗臺搭建及試驗方案

試驗臺主要由排放底盤測功機、凈化試驗車輛、尾氣凈化系統(tǒng)、氣體分析儀、供電箱組成，試驗臺簡圖如圖8所示。

待凈化試驗車輛行駛至底盤測功機，將流量測量系統(tǒng)集氣管對準凈化試驗車輛排放管一定距離，設定合適的稀釋排氣流量、加熱溫度（SCR前溫度傳感器所測溫度、NSR前溫度傳感器所測溫度），按照文獻[14]規(guī)定鼓風機的體積流量應控制為6～12 m3/min，氣體流量分析儀中稀釋排氣體積流量應不小于2 m3/min，在完成稀釋排氣體積流量為7 m3/min的溫升試驗基礎上，優(yōu)先設定溫度為280 ℃，稀釋排氣體積流量為7 m3/min；稀釋排氣流量為7 m3/min能滿足所有車型凈化要求，確保汽油車尾氣完全被收集；啟動尾氣凈化系統(tǒng)。使用DOC-SCR-ASC技術(shù)路線的尾氣凈化系統(tǒng)凈化時，尿素噴射系統(tǒng)在溫度高于180 ℃時，根據(jù)排氣流量、溫度及NOx濃度等信號噴射定量尿素，當加熱溫度達到設定溫度時，由1名駕駛經(jīng)驗豐富的駕駛員，按照文獻[14]相關(guān)試驗要求，嚴格遵循簡易瞬態(tài)工況法運轉(zhuǎn)循環(huán)駕駛凈化試驗車輛。在進行完多組尾氣凈化系統(tǒng)凈化試驗后，計算出各污染物的轉(zhuǎn)化率，取平均值作為最終檢測結(jié)果。污染物的轉(zhuǎn)化率

C=（a1－a2）a1×100%，

式中：a1為凈化前污染物排放，g/km；a2為凈化后污染物排放，g/km。

3.2尾氣凈化系統(tǒng)凈化效果試驗驗證

3.2.1DOCSCRASC型尾氣凈化系統(tǒng)

DOCSCRASC型尾氣凈化系統(tǒng)經(jīng)過尾氣凈化試驗，計算得到3種汽油車尾氣污染物CO、HC和NOx的轉(zhuǎn)化率，CO轉(zhuǎn)化率為91.78%，HC的轉(zhuǎn)化率為83.30%，NOx轉(zhuǎn)化率為91.67%。

3.2.2NSRDOC型尾氣凈化系統(tǒng)

NSRDOC型尾氣凈化系統(tǒng)經(jīng)過尾氣凈化試驗，計算得到3種汽油車尾氣污染物CO、HC和NOx的轉(zhuǎn)化率，CO轉(zhuǎn)化率為88.89%，HC轉(zhuǎn)化率為90.90%，NOx轉(zhuǎn)化率為83.87%。

試驗結(jié)果表明：2種技術(shù)路線尾氣凈化系統(tǒng)凈化效果均較好，3種污染物的凈化率均超過83%，DOCSCRASC型尾氣凈化系統(tǒng)對CO、NOx的凈化效果更好，但該系統(tǒng)價格較高；NSRDOC型尾氣凈化系統(tǒng)對HC的凈化效果更好，成本較低，但需要定期進行NSR裝置再生。

4結(jié)論

1）開發(fā)了尾氣凈化系統(tǒng)，設計了尾氣凈化系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)，主要包括流量測量系統(tǒng)、電加熱器、尾氣凈化后處理系統(tǒng)、連接管道和各傳感器。

2）基于尾氣凈化系統(tǒng)各部件需實現(xiàn)的功能及工作流程，設計了尾氣凈化系統(tǒng)的測控系統(tǒng)，基于XE164FN單片機芯片設計了單片機最小系統(tǒng)電路、供電系統(tǒng)電路、通信電路、信號處理電路和驅(qū)動電路，設計了尾氣凈化系統(tǒng)凈化程序及NSR裝置再生程序。

3）搭建了尾氣凈化系統(tǒng)試驗臺，試驗表明2種技術(shù)路線下的尾氣凈化系統(tǒng)都具有良好的凈化效果，3種污染物的凈化率均超過83%。

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