冯 川

(滨州学院机电工程系，山东滨州 256600)



柴油机SCR尿素喷射标定系统设计

冯 川

(滨州学院机电工程系，山东滨州 256600)

尿素喷射量的控制精度决定了SCR系统的后处理效果。而尿素泵的控制参数、喷嘴的驱动参数及流量特性对实际尿素喷射量有重要影响，需要进行标定。设计开发的尿素喷射标定系统硬件采用模块化设计，增强了电路的稳定性和抗干扰性。下位机软件应用PID算法迅速稳定管路压力，上位机软件基于LabVIEW开发平台，将生产者—消费者循环和队列模式相结合，有效的解决了数据接收和处理上的问题。通过实验，可以确定最佳的控制参数，并取得了良好的应用效果。

SCR；流量标定；硬件设计；PID；LabVIEW

0 引言

目前，为了控制机动车对大气的污染，各国都制定了严格的排放法规，这使得降低发动机污染物排放的研究成为内燃机领域的热点问题。SCR(Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原)是一种针对柴油机排放物中NOx的净化技术，因其具有燃油经济性好、催化剂硫敏感度低、原机改动小等特点而得到广泛应用[1]。其基本原理是：通过优化燃油喷射及气缸结构，抑制缸内颗粒物(PM)的生成，然后将一定量浓度(通常为32.5%)的尿素溶液喷入排气道中，经高温水解后生成的NH3在SCR催化剂作用下优先选择与尾气中的NOx发生还原反应生成N2和水，从而完成对柴油机污染物排放的控制。

在SCR系统中NH3与NOx主要发生以下反应：

(1)

(2)

化学反应式(1)称为“标准SCR反应”，化学反应式(2)称为“快速SCR反应”。因柴油机排放污染物NOx中NO占主要成分(约占90%以上)，故SCR系统的主要反应为“标准SCR反应”。即在氨氮比为1：1的条件下确定基本的尿素喷射量[2]。

喷入排气道中尿素量的组成如图1所示，包含三部分：基本尿素喷射量、稳态修正量和瞬态修正量。SCR电控单元接收来自发动机ECU的转速和负荷信号，获得发动机所处的实时工况，通过查询排气质量流量MAP经计算后得到基本尿素喷射量。然后通过排气温度传感器信号进行NOx转化率的稳态修正。最后，针对催化器储氨特性及温度突变等因素进行瞬态修正。

图1 实际尿素喷射量组成

在尿素喷射过程中，如果喷射量过少，经水解后生成的NH3不能将NOx充分还原，使得NOx排放量达不到法规限值的要求。如果喷射量过多，会引起氨气的泄露，造成二次污染。因此要实现良好的后处理效果，必须对尿素溶液的喷射量进行精准控制[3]。

1 尿素喷射量的影响因素

尿素管路的压力与喷嘴的开启时间直接决定了尿素的喷射量。喷射压力越大、喷嘴开启时间越长，单位时间喷出的尿素量就越多。

管路中压力的大小通过尿素泵PWM驱动信号进行控制，要求在尿素起喷前，管路中应建立起9bar的喷射压力。当喷嘴打开时，管路压力经小幅度振荡后能够迅速稳定，满足继续喷射条件[4]。

理论上讲，在稳态流量不变的情况下，动态流量只与驱动信号的占空比有关，而与频率无关。但喷嘴的主体部分是一个电磁阀，其打开和关闭过程需要一定时间，这与实际PWM控制信号相比存在一定滞后，会造成控制上的误差。喷嘴开启和关闭时的滞后原理如图2所示。

图2 喷嘴电磁开启滞后示意图

所以当喷嘴动作频率较大时，单位时间内喷嘴开启和关闭的次数增多，误差的积累量增大，造成了总喷射量的减少。因此在喷射过程中，应对驱动信号的频率和占空比进行精确控制[5]。

此外，不同流量特性的喷嘴适用条件不一样，控制效果也存在差别。因此，在使用前要对喷嘴的流量特性进行测量，判断是否满足使用要求。

综上所述，需要对尿素泵控制参数、喷嘴驱动参数和流量特性进行标定。

2 喷射系统总体设计

标定实验系统主要由SCR控制器、尿素泵、尿素管路、喷嘴及电子秤等组成。整体结构如图3所示。

图3 尿素喷射标定系统总体结构

SCR控制器选用飞思卡尔16位高性能微处理器MC9S12DP512作为主控芯片。内部集成8个8位脉宽调制(PWM)通道，可设置为4个16位级联通道，用来实现对尿素泵电机及喷嘴驱动的周期和占空比控制。8个12位A/D转换通道，可实现传感器信号的快速转换。大量的I/O端口，用于完成对电磁阀的开关控制。8个16位输入捕捉和输出比较通道，用来实现对时间的高精度控制。6个异步串行通信接口，可完成与上位机的数据传输。同时，还具有时钟监控、看门狗、实时中断等功能，保证系统能够稳定运行[6]。

尿素泵内直流电机选用德国原产的Fluid-O-tech磁驱动式齿轮泵。该齿轮泵工作噪声小、性能稳定、磁吸力大。使用PTFE材料制成的齿轮具有较强的抗腐蚀性和耐高温性。当工作负荷过大时，该泵还具有自动解耦的保护功能。

尿素管路选用ETFE/PA12复合成型低渗透尼龙管，具有很好的抗腐蚀性。管路两端设计有专用的快速接插头，方便拆装且能防止尿素溶液的泄露。

尿素喷嘴选用不易烧蚀、不需外部冷却的国产弯形喷嘴，其喷头安装于顺排气气流方向，结构简单、布置灵活。

3 硬件设计

SCR控制器硬件电路主要包括电源模块、电机驱动模块、喷嘴驱动模块、通信模块和信号处理模块5部分[7]。

3.1 电源模块

电源模块由柴油机24V蓄电池直接供电，经转化后为系统提供稳定的5V电源。本模块设计有2路LM2576-5芯片组成的独立电源转换电路。一路为主控芯片、信号处理和通信等模块供电，另一路为尿素泵及喷嘴等执行器驱动模块供电。这样设计可减小大电流模块工作时对其他模块的电压干扰。

LM2576-5为开关型稳压芯片，输入电压范围宽，可提供最大3A的驱动电力，输出电压偏差为±4%，能够满足系统要求。

3.2 电机驱动模块

电机驱动电路选用低电压大电流的BTS7960驱动芯片。该芯片导通内阻低，工作时发热量小，驱动能力强，最大驱动电流为43A，可以满足电机驱动要求。为了实现尿素溶液的反抽，需将两片BTS7960并联构成全桥驱动电路。控制器通过PWM信号控制桥臂的导通方向与频率，实现对电机转向和转速的调节。

3.3 喷嘴驱动模块

喷嘴驱动电路选用P沟道增强型MOS管IRF9540构成驱动电路，其增强型MOS管IRF9540构成驱动电路，其具有开关速度快、导通电阻低和可恢复雪崩击穿等特点，最大可提供23A的驱动电流，能够达到喷嘴打开所需的峰值要求。同时，为了增加电路的稳定性和可靠性，使用TLP-521实现光电信号隔离，可提高控制信号的抗干扰性和共模抑制能力。SCR控制器通过控制TLP-521元件的通断决定IRF9540的导通时间，进而对喷嘴的开闭进行控制。

3.4 通信模块

通信模块主要采用串口通信方式，应用国际通用的RS232标准，选用MAX232芯片实现电平转换，完成上下位机间的数据传输。同时还设计有CAN通信电路，以便做进一步扩展。

3.5 信号处理模块

为了降低传感器信号在传输过程中的电磁干扰，信号处理模块设计有RC滤波电路。经滤波后的信号精度能够满足系统控制的要求。

4 软件设计

4.1 下位机软件

下位机接收来自上位机的控制命令与控制参数，完成对继电器、尿素泵电机和喷嘴等执行器的操作，改变尿素的喷射量。同时向上位机发送泵压值，以便实时监控。

串口传输数据帧，共12位，包含帧头、目标地址、源地址等信息。当下位机接收到一帧数据后，先经帧头、目标地址和源地址的判断，只有以上信息无误后，才对控制命令及参数进行区分。控制命令包括泵驱动和喷嘴驱动，控制参数包含周期、占空比、泵的正反转及喷嘴的喷射次数等信息。最后进行数据的校验及帧尾的判断。只有全部数据接收完成，才置位接收完成标志。进而打开继电器，调用控制函数完成不同占空比的脉冲输出，实现对泵或喷嘴的控制。

程序中设有两个中断函数，中断0实现对喷嘴喷射时间的精确控制，只有喷嘴驱动标志置位后才开启。中断1每隔150 ms通过串口向上位机发送实时泵压值，实现对管路中压力的监控，此中断从程序开始运行后一直运行。整体控制流程如图4所示。

图4 下位机程序控制流程

为了实现尿素喷射压力的稳定控制，程序中采用PID控制算法。PID控制是一种根据输入量与目标量之间偏差进行逐次逼近调节的控制方式，包含比例、积分和微分三部分调节。3个参数值的确定是PID精确控制的关键，本设计通过经验公式计算，确定参数值的变化范围，再经过多次联调，得到合适的控制参数[8]。

PID控制过程如图5所示。在控制过程中，偏差量Dev是目标压力值SetPoint与当前泵压值NewPoint的差值，Dev= SetPoint-NewPoint。偏差量的积分项SumDev是所有偏差量的累加值，SumDev+=Dev。偏差量的微分项DifDev是前两次偏差量之差，DifDev=LastDev-PreDev，PreDev=LastDev，LastDev=Dev。PID控制的输出量PIDout等于三项值与对应控制参数的乘积之和，PIDout=Kp×Dev+Ki×SumDev+Kd×DifDev。经过测试，PID程序可以将泵压值稳定在9 bar(1 bar=0.1 MPa)左右，且波动量很小。

图5 PID控制过程

4.2 上位机软件

基于LABVIEW设计上位机控制软件，包含尿素泵参数设置、喷嘴参数设置、泵压实时显示、喷射进度显示等模块。控制界面如图6所示，可以实现对控制参数的修改和压力值的监控。

图6 上位机控制界面

在使用LABVIEW串口函数进行数据接收过程中，当泵压值出现较大波动时，通过串口接收到的数据会出现错位，甚至丢失，造成泵压值不能准确显示。为了解决此问题，本软件设计采用LABVIEW中生产者-消费者循环函数接收数据。

生产者—消费者循环模式在数据传输过程中建立数据缓冲区。串口接收到数据后，通过生产者循环存入数据缓冲区中。而消费者循环中的数据处理函数从缓存区中读取数据，这样可以很好的解决因处理速率不同步带来的数据丢失问题[9]。基本结构如图7所示。

图7 生产者-消费者循环的基本结构

但如果生产者循环不断的接收数据，而消费者循环中没有进行数据处理，就会造成缓冲区中的数据过多而溢出。如果消费者循环处理数据过快，而生产者循环又没有接收到新的数据，就会出现数据传输的中断。

因此，在生产者—消费者循环的基础上，加入了队列操作。队列操作包含入列函数和出列函数。当缓冲区中数据过多而溢出时，入列函数使缓冲区停止接收新的数据并进入等待状态，直到缓冲区有足够的存储空间再进行接收。而当缓冲区数据不足时，出列函数将使消费者循环停止从缓冲区中读取数据，直到有新的数据被写入。这样，可以完全满足接收和处理数据的要求。

5 结束语

5.1 泵控制参数标定

经实验测量，当尿素泵PWM控制信号周期为200ms，占空比为90%时，管路中的泵压值能迅速达到8.9bar，且喷嘴打开后压力稳定，可以满足管路压力的要求。

5.2 尿素喷嘴驱动参数标定

尿素喷射流量与占空比关系如图8所示。当占空比一定时，尿素的喷射流量与喷嘴的开启频率成反比。喷射频率过高，会使喷嘴来不及完全打开，从而减小了尿素的实际喷射量，影响控制效果。经实验测量，选定尿素喷嘴的开启频率选择5 Hz。

图8 尿素喷射流量与占空比关系

5.3 喷嘴流量特性的标定

在一定的泵压下设定喷嘴驱动1000次，称量喷射出尿素溶液的质量，计算不同占空比下的质量流量，绘出流量特性曲线。当占空比为10%时，喷嘴不动作，因此流量为零。由图9可知，占空比在20%～95%之间有良好的线性度，能够满足计量要求。

图9 喷嘴流量特性

[1] SUOMINEN A，STRANDBERG H.Development of SCR technology for engine plants.Energy News.18-20.

[2] 苗益坚.柴油机Urea-SCR系统控制策略研究.武汉:武汉理工大学,2012.

[3] 胡明江.柴油机SCR尿素流量计的设计与试验.仪表技术与传感器,2012(11):55-58.

[4] 颜伏伍，芮鹏飞，刘传宝，等.柴油机添蓝供给系统试验研究平台设计及应用.武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2012,31(4):30-34.

[5] 姜磊，葛蕴珊，李 璞，等.柴油机尿素SCR喷射特性的试验研究.内燃机工程,2010,31(4):30-34.

[6] MC9S12XEQ512 Data Sheet.Freescale semiconductor,Rev.2.2.1 Octobel 2009.

[7] WANG Y，ZHANG Y T.Studies of the SCR Electronic Control System for Diesel Engines.IEEE Trans Neural Network,2011,10(5):840-844.

[8] 何芝强.PID控制器参数整定方法及其应用研究:[学位论文].杭州:浙江大学,2005.

[9] 雷晏瑶.李智.基于生产者/消费者的数据采集系统设计.计算机应用技术,2011,9(38):39-43.

SCR Urea Injection Calibration System Design of Diesel Engine

FENG Chuan

(Department of Electrical Engineering,Binzhou University, Binzhou, 256600)

The emission control effects of SCR system depend on the control accuracy of urea injection, which is significantly influenced by the control parameters of urea pump, drive parameter of nozzle and flow characteristics and is bound to be calibrated. The designed and developed hardware of urea injection calibration system was applied with the modular design to enhance the stability and interference immunity of the circuit. The lower computer is equipped with PID algorithm to stabilize the line pressure, and the upper computer software is based on the LabVIEW development platform to combine the producers-consumers cycle and queuing model to solve the problems of data receiving and processing effectively. Through the experiment, the optimal control parameters can be ascertained as well as favorable application outcome can be verified.

SCR; flow calibrate; hardware design; PID; LabVIEW

2014-11-20 收修改稿日期：2015-06-25

TK417+121

A

1002-1841(2015)09-0080-04

冯川(1986—)，硕士，主要研究方向：发动机排放及电控技术。E-mail:me15925127997@163.com