重型柴油机SCR控制系统开发*

方 成，杨福源，欧阳明高，李 进

(1.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084； 2.常州易控汽车电子有限公司，常州 213164)

前言

国家环保部2011年底发布公告，将于2013年7月1日在全国范围内对所有3.5t以上中重型柴油车实行国IV排放法规。对于重型柴油机，一般需要使用电控高压燃油喷射技术和后处理技术，才能使排放满足法规要求。使用SCR系统，催化剂中毒风险小，可以改善燃油经济性，同时发动机排放具备升级到国V水平的潜力[1-2]，因此，SCR系统在业界得到了更多的关注。

本文中研究所用的SCR系统如图1所示。

电控燃油系统和SCR系统中的关键零部件如表1所示。

表1 电控燃油系统和SCR系统关键零部件

1 试验环境

在AVL电力测功机台架上进行发动机试验，该台架使用部分流稀释方法进行排放采样。图2为发动机试验台架。研究所用的发动机相关参数如表2所示。

柴油机型号YC6K1248-40型式直列6缸四冲程、直喷、水冷、增压、中冷缸径×冲程129mm×155mm总排量12.15L额定功率(额定转速)353kW(1900r·min-1)最大转矩(最大转矩转速)2200N·m(1000～1500r·min-1)总功率特性最低油耗≤190g/(kW·h)怠速600±25r·min-1最高空载转速≤2150r·min-1

2 SCR控制系统硬件开发

本文中基于Freescale 16位MC9S12XEP100单片机[3]开发了SCR控制系统。该控制系统具有6～32V的宽电压输入范围，能够同时在12和24V车载电源系统上使用；提供13路模拟量输入，能够采集各种传感器(包括前排温、后排温、大气压力、尿素温度和尿素液位等)信号；通过集成故障诊断功能的集成芯片提供8路低边开关，可以驱动冷却液电磁阀、主继电器和管路加热继电器等外设；另外，通过二路CAN总线与外界通信，其中一路CAN总线的波特率是250kbps，支持J1939，用于同发动机ECU通信，另一路CAN总线波特率也是250kbps，与NOx传感器和尿素泵通信，同时也支持CCP和ISO15765，可用于匹配标定和故障诊断。开发的SCR控制单元如图3所示。

3 尿素喷射控制

尿素喷射量的计算公式为

(1)

(1) 假设NOx中成分全为NO2，则与NH3的反应方程式[2]为

4NO2+4NH3→4N2+6H2O+O2

(2)

(3) 标准尿素水溶液的浓度为32.5%，于是可以得到反应比率为

(3)

(4)

反应完的vΔNOx通过下式计算：

vΔNOx=vNOx×rconv

(5)

式中：vNOx为排气中NOx的体积浓度；rconv为转换率。

确定NOx转换率的方法如图4所示。根据原机NOx排放和目标NOx排放，可以得到目标NOx转换率，乘以升温修正系数得到修正后的NOx转换率，再通过NOx转换率限值进行限制，得到最终的NOx转换率。

确定了各个工况下尿素喷射量以后，通过CAN总线驱动格兰富尿素计量泵，进行尿素喷射。

4 OBD设计

HJ437—2008规定了在国IV阶段，对重型发动机排放相关的部件必须进行OBD(在线故障诊断)[5]。由于SCR系统与NOx排放密切相关，所以SCR控制系统必须具备OBD能力。

对于需要诊断的各个部件，都有其各自的监控系统，负责监控各个部件的异常情况，一旦监测到异常，就向故障诊断系统报告异常；在故障管理系统中，先进行异常预处理，一旦异常累积到了故障水平，就进行故障处理；同时，故障信息需要保存在内存中，储存的信息还须区分历史故障还是确认故障；一旦发生故障以后，须对故障事件进行处理，比如对传感器数值取用替代值；在主从故障处理中，对于由主故障引起的从故障，不保存故障信息；故障诊断设备通过故障诊断接口读取故障码，清除故障码并获取状态信息。本文中的故障诊断接口符合J1939—73[6]和ISO 15765—4[7]的要求。

本文中设计的故障诊断系统如图5所示。

设计的SCR控制系统中的故障条目包括前排温传感器SRC高/低、后排温传感器SRC高/低、尿素液位传感器SRC高/低、尿素温度传感器SRC高/低、冷却水电磁阀开路/短路、管道加热继电器开路/短路、NOx传感器加热器开路/短路、NOx传感器开路/短路、NOx传感器合理性故障、泵驱动电磁阀短路到电源、泵驱动电磁阀短路到地、泵驱动电磁阀开路、泵内部加热器故障、泵空气或尿素流量太小、泵驱动单元故障、泵EEPROM故障、尿素罐液位低、NOx排放超5和NOx排放超7等。

5 试验验证

在台架上进行SCR控制系统标定，步骤为：

(1) 原机标定，得到原机万有特性；

(2) 催化剂转换率标定，得到在不同空速和排温下的催化剂转换率；

(3) 排放标定，通过标定各个工况下的尿素喷射量，使ETC和ESC工况的排放结果满足国IV法规要求；

(4) OBD标定，模拟各个传感器、执行器和系统故障，进行故障诊断标定。

排放标定后，进行ETC和ESC工况的排放试验，图6为ETC工况NOx排放和氨泄漏情况。

通过标定，达到了如下排放结果：

(1) ETC工况NOx排放2.626g/(kW·h)，氨泄漏平均值11.58×10-6；

(2) ESC工况NOx排放2.37g/(kW·h)。

国IV排放法规规定的排放限值：ETC工况下NOx排放为3.5g/(kW·h)，ESC工况下NOx排放为3.5g/(kW·h)[4]。该排放结果满足国IV法规要求。

在发动机试验台架上进行如下OBD试验：

(1) 拔除各传感器、传感器信号接地和接电源；

(2) 拔除各执行器、执行器驱动线与电源短接；

(3) 改变尿素箱液位传感器浮子位置，模拟液位低和液位空的故障；

(4) 分别把NOx传感器放在大气中和尿素喷嘴放在尿素箱里；

(5) 用水稀释尿素水溶液，使ETC工况的NOx排放超过5和7g/(kW·h)。

使用符合ISO 15765—4标准的故障诊断仪进行故障代码的读取和删除操作。

试验表明，该控制系统能够正确地识别出故障、保存和显示故障码、根据故障的类型决定该故障码可否删除；同时，一旦发生NOx排放可能超过7g/(kW·h)的故障，能限制发动机转矩。该控制系统的OBD满足国标HJ437—2008的要求[5]。

6 结论

(1) 基于Freescale MC9S12XEP100开发的SCR控制系统，能够控制尿素喷射，具备OBD功能。

(2) 试验表明，配备该控制系统的SCR系统，能够使重型发动机达到国IV法规ETC工况和ESC工况的NOx排放要求。

(3) 该控制系统满足国标HJ437—2008的OBD要求。

[1] Dieter H E Seher, Michael Reichelt, Stefan Wickert. Control Strategy for NOx-Emission Reduction with SCR[C]. SAE 2003-01-3362.

[2] Koebel M, Elsener M, Kleemann M. Urea-SCR: A Promising Technique to Reduce NOxEmissions from Automotive Diesel Engines[J]. Catalysis Today,2000,59:335-345.

[3] Freescale Semiconductor, Inc. MC9S12XEP100 Reference Manual[M/OL].[2010-09-07]. http://www.freescale.com.

[4] 国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局.GB 17691—2005 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)[S].北京:中国环境出版社,2005.

[5] 中华人民共和国环境保护部.HJ 437—2008 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断(OBD)系统技术要求[S].北京:中国环境出版社,2008.

[6] SAE. J1939—73 Application Layer-Diagnostics[S]. USA: SAE,2006.

[7] International Standard Organization. ISO15765—4 Road Vehicles-Diagnostics on Controller Area Networks(CAN)-Part 4: Requirements for Emissions-related Systems[S]. Switzerland: International Standard Organization,2005.