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基于MPC5602的CDPF喷油助燃再生系统电控单元设计

2017-07-24程晓章谢振凯李配楠合肥工业大学汽车与交通工程学院安徽合肥230009

关键词:喷油电控压差

程晓章, 谢振凯, 李配楠(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

基于MPC5602的CDPF喷油助燃再生系统电控单元设计

程晓章, 谢振凯, 李配楠
(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

文章分析了柴油发动机柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)喷油再生系统的结构和工作原理,研究了氧化型催化转化器(diesel oxidation catalyst,DOC)+催化型柴油机颗粒捕集器(catalyzed diesel particulate filter,CDPF)喷油辅助再生系统的再生控制策略,提出采用Freescale公司的32位高速MPC5602单片机为核心控制器,开发了CDPF再生系统电控单元;根据控制策略对电控单元进行软件设计,在再生过程中对系统各执行器进行实时控制;最后搭建试验台架,对所设计的电控系统进行标定匹配,并对控制策略和电控单元工作性能进行试验。试验结果表明,该系统能稳定工作并顺利完成DPF的再生。

再生系统;氧化型催化转化器(DOC)+催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF);喷油助燃;电控单元;控制策略

柴油发动机因具有良好的经济性,较低的CO2和HC排放及较高的动力性,被越来越多地应用到交通运输领域,并逐渐成为重型和中型车用动力装置的主流。但就其排放特性而言,柴油机NOx和颗粒物的排放量更多,因此制约了柴油机车的发展[1]。目前世界各国所公认的针对柴油车颗粒物最有效、技术最成熟的控制措施是采用柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF),而DPF研究的难点和热点在于对其复杂再生过程的控制[2-4]。

国内外关于DPF再生问题的研究有很多。文献[5]讨论了采用燃烧器+氧化型催化转化器(diesel oxidation catalyst, DOC)+DPF进行喷油助燃再生,但其燃烧过程难于控制,且加装点火装置、燃烧器等使得结构复杂;文献[6-7]对DPF再生问题也进行过相关研究,但都存在再生窗口小、结构复杂、成本高等相关问题;文献[8]提出采用DOC+DPF的再生方式,结构简单,再生效果明显且经济合理。

本文在以上研究成果的基础上开发相应的电控系统单元,利用催化型柴油机颗粒捕集器(catalyzed diesel particulate filter, CDPF)代替传统DPF进行试验,实时读取发动机的工作状态,并结合DOC、CDPF中相应传感器进行闭环控制,以实现DOC+CDPF在各个工况下的顺利再生。

1 DOC+CDPF再生系统结构分析

由于柴油机颗粒捕集器内部所捕集的可燃颗粒物燃点很高(约600 ℃以上),仅依靠发动机的排气温度不能使DPF再生。DOC+CDPF喷油助燃系统是利用DOC对燃油的氧化催化作用放出热量提高CDPF的进气温度,利用CDPF上涂层降低可燃颗粒的燃点。该再生系统是通过在排气管道附加喷油和供气装置,到DOC起燃点时,向排气管道中DOC前端喷入适量燃油,利用原始排气和附加的进气将喷入的高压燃油进行充分雾化,使其均匀分布于排气中;当充分雾化后的尾气流经DOC时,空气中的燃油将吸附在DOC表层;此时利用DOC的催化氧化作用释放出足够热量,使得CDPF上游排气温度达到其再生温度,从而在高温排气流过CDPF时,将内部捕集的可燃颗粒燃烧,实现再生。再生系统的整体结构如图1所示。

图1 再生系统结构示意图

再生过程中,电控单元读取DPF两侧排气压差,并结合发动机转速和转矩信号来判断DPF的载碳量。当排气压差ΔP在当前发动机工况下达到预设数值时,随即发出再生请求。再生时不断读取DOC前端排气温度,在达到DOC起燃温度时开始喷油,通过CDPF前后端的温度值控制喷油量,并根据喷油量的多少对空气泵压力进行控制,保证排气管内空气流速尽量低的情况下燃油的充分雾化。整个再生系统采用闭环控制,结合3个温度传感器信号控制喷油量、喷油时刻以及气泵工作状态,利用压差传感器信号控制开始和结束再生的时机,利用喷油量控制DOC下游温度,并在整个过程实时读取发动机转速工况,保证再生过程的顺利进行。

根据整个控制过程分析可以确定CDPF再生控制系统包括DOC前端喷油系统、空气泵补气系统、DOC上游温度传感器、CDPF上游和下游温度传感器、CDPF压差传感器、空气泵气体压力传感器、电控单元。本文所设计的电控单元需满足的功能要求如下:① 采集相应传感器的信号;② 根据所采集的信号判断再生的开始和结束时机;③ 根据各传感器信息控制相应执行器工作;④ 实现与柴油发动机电子控制单元(electronic control unit,ECU)和车载诊断及标定系统之间的实时通讯。

2 再生系统电控单元硬件设计

根据上述电控单元的功能分析,同时考虑到电控单元装载于汽车上的位置,本文设计的电控单元应具有在常规温度条件下和极端温度条件下稳定工作的性能。考虑到经济性和实用性,设计的电控单元硬件结构以MPC5602单片机为核心主控制器,此外还包括电源模块、信号采集处理模块、控制器局域网络(controller area network, CAN)通讯接口模块以及执行器件控制模块。电控单元的硬件结构框架如图2所示。

主控制器采用Freescale公司的MPC5602型单片机,芯片是32位高速微控制器。该微控制器集成了256 kB Code Flash和24 kB随机存储器(random access memory,RAM),最高时钟频率可达64 MHz;芯片内部具有2个CAN控制器,28通道10位AD转换,3个异步串行口(serial communication interface, SCI),3个高速同步串口(serial peripheral interface, SPI),内部I2C总线,79个通用I/O口,采用100引脚的LQFP封装形式。微控制器外接高速晶振,采用上电自动复位的复位电路设计。

图2 电控单元硬件功能模块图

电源模块包含蓄电池、电压调节模块等。考虑到车载电池供电电压的不稳定性,要求其在比较宽的电压变化范围内仍能稳定工作。本文采用了德州仪器公司线性稳压DC-DC电源芯片,其输入电压可在4.5 ~60.0 V之间变化,输出稳定的5.0 V电压为电控单元供电,同时为温度和压差等外部传感器供电。

电控单元与发动机ECU之间的通信采用CAN总线通信方式,其数据传输速率可达1 MB/s。MPC5602内部集成了CAN控制器,外接高速CAN收发器即可实现电控单元与车载CAN总线之间的通讯。主控制器通过CAN模块读取发动机的转速和转矩信息,并结合各路传感器信号实现对执行器的闭环控制。主控制器与标定设备的通信仍采用CAN通信方式,实现标定系统与电控单元之间信号的高速传递。

执行器控制模块主要是对喷油电磁泵和气泵模块进行控制。其中喷油电磁泵的控制是通过主控制器调节脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)的占空比和周期,底层的具体功能根据上层预设的控制策略调节PWM信号,实现喷油压力和喷油时刻的精确控制。根据发动机转速和转矩信号,判断DOC前端空气流速,并且结合DOC前端的排气压力判断需要提供的供气量来对气泵进行闭环控制。驱动直流电机选用英飞凌公司低功耗功率驱动芯片,保证执行器部分工作稳定。

3 电控单元系统软件设计

DOC+CDPF系统电控单元的软件部分将各路传感器信号量化为具体的数字信号,并及时处理所得信号,控制执行器动作。整个软件系统应该由主程序控制整个再生过程的进行,借鉴已有的研究结果并根据本文控制策略进行改进[9],采取模块化和结构化的设计方式,将底层程序编写成子函数供主程序调用,利用嵌入式C语言编写程序。根据上层控制策略和控制目标,包括对各功能模块子程序进行编写。主程序又分为再生触发控制和再生过程控制2大主模块,2个模块控制流程如图3所示。

图3 再生触发控制和再生过程控制流程

3.1 再生触发控制

因为CDPF两端排气压差一定程度上代表了CDPF内部的碳载量,DOC下游温度代表了DOC是否起燃的工作状态,而发动机转速一定程度上代表了发动机排气流速,所以再生触发控制是基于CDPF两端排气压差的控制策略。采用一定发动机转速下的CDPF两端排气压差值作为再生时刻的触发点。

DOC床温方面,只有当DOC进气温度达到门限值,DOC催化转化效率才会达到较高水平,即须使DOC充分起燃才能喷油。若在发动机正常工况下,DOC长时间未起燃,则说明DOC载体或传感器装置故障,应立即向上位机发送故障代码。而CDPF两侧压差方面,通过软件设定,在发动机运行超过一定时间后,如果CDPF两侧压差没有达到标定值,CDPF内部捕集的碳载量达到上限却未能正常体现,那么也要向上位机发送故障代码。

电控单元读取到CDPF两侧压差传感器数值达到预设水平时,将触发请求标志位置1。当读取到DOC上游温度达到门限值时,将再生标志位置1,并将触发请求标志位清0;再生期间如遇突发状况需要停止再生,此时再生标志位清0,并拉高触发请求标志位,等待时机合适时继续再生。

3.2 再生过程控制

再生过程中电控单元不断读取各传感器状态值,并不断读取发动机转速,根据预设程序对喷油电磁阀进行闭环控制,调整PWM占空比,保持CDPF进气温度在起燃温度以上。在此期间应对气泵进行控制,保证已喷射燃油在DOC前的充分雾化,使得在燃油进入DOC之后能充分反应。

当CDPF上游排气温度过高,则应通过对执行器电磁阀PWM信号进行调整,减少DOC前端喷油量,此时也应相应减少气泵的气压;若CDPF下游温度过高,超过预设限制,则应触发中断停止再生,向上位机发送故障信息。

3.3 再生结束

再生结束时刻是采取时间和CDPF两端压差结合的控制策略。当再生过程进行到CDPF两端压差传感器发送给电控单元的数值达到预设值时,即停止再生;如果电控单元读取到的压差长时间未达到预设值,那么超过预定时间也应停止再生,并向上位机发送相应故障代码。

4 再生系统台架设计与试验

经上述DPF再生系统原理及结构分析,设计再生系统的台架试验,搭建发动机试验台架,对本文所设计的CDPF再生系统电控单元进行数值标定和试验验证。本试验采用的台架装置总布置如图4所示。

图4 再生系统试验台布置示意图

根据试验台架结构,台架系统由发动机标定系统、Horiba气体分析仪、AVL电涡流测功机、AVL415S烟度计、柴油发动机、发动机台架装置及外围信号采集设备等组成。试验中采用的排气后处理装置DOC和CDPF性能参数见表1所列。

在上述试验平台上,可以进行DPF不同载碳量条件下的压差试验、喷油试验、再生过程控制试验,对DOC+CDPF再生系统及电控单元进行试验验证。根据现有试验条件,采用发动机测控与标定试验室所用的德国ETAS公司开发的发动机系统标定软件INCA,与ES590设备配套使用,通过CAN接口对电控系统进行标定,实时获取并控制发动机运行工况。再生试验过程中,设定发动机不同转速及不同负载下的运转工况,记录发动机尾气在各个工况下Horiba显示的气体参数、发动机进气量、排气温度及CDPF两侧压差等状态值,对后处理系统的整个再生过程进行实时监测。INCA软件标定界面如图5所示。

表1 DOC和DPF性能参数

图5 INCA软件标定界面

4.1 CDPF压差试验

因为DPF内部载碳量无法直接实时获取,只能用DPF两侧压差来推断,所以DPF两侧排气压差成为电控单元推断内部载碳量和判断是否需要再生的重要依据。当CDPF内部积碳达到4 g/L时即认为达到满载状态,发动机排气背压快速升高,总体性能急剧下降,此时需要对其进行再生。本文试验在具有代表性的转速下测量CDPF对应排气压差,简化试验过程。经试验测得满载状态下对应转速达到1 500 r/min左右时的CDPF排气压差为4 kPa,而对应CDPF空载状态下的压差在2 kPa左右。

4.2 喷油试验

再生过程中喷油量的控制是保证CDPF顺利再生的关键环节[10-11],是根据DOC起燃温度和CDPF进气温度来控制的。当达到DOC起燃温度(260 ℃)时,高压油泵开启,喷油器开始喷油。通过试验来验证先缓后急的燃油喷射控制策略[12],并探究再生过程中随着喷油量的变化,DOC升温及CDPF下游排气温度的变化规律。试验结果表明,在优化DOC涂层后,发动机后端排气温度达到210 ℃以上时,DOC能迅速起燃,并能保证CDPF前端排气温度在350 ℃以上,此时控制喷油量可将DOC下游温度保持在350 ℃左右。

4.3 DPF再生过程试验

在发动机试验台架上,控制发动机运行工况,使发动机排气温度达到DOC起燃温度,喷油泵工作后开始喷油,利用尾气监测分析系统对发动机排气状态进行实时监测。当排气压差达到最低水平且不再发生大幅度变化时,即可结束再生试验,并分析再生效果。试验过程各传感器对应温度如图6所示。

图6 再生过程中各温度参数变化

再生过程中,DOC上游温度在达到210 ℃左右时已经能够迅速起燃,此时在DOC的催化作用下,CDPF上游温度能够保持在350 ℃以上,通过对喷油量的控制可以保持CDPF上游温度在小幅度范围内波动;而随着再生过程的进行,内部碳颗粒不断燃烧,CDPF后端排气温度不断上升,再生后期颗粒燃烧逐渐变缓,CDPF后端排气温度也逐渐下降。

再生过程CDPF两侧压差变化曲线如图7所示。

图7 再生过程DPF两侧压差变化曲线

由图7可知,随着再生过程的进行,颗粒物不断燃烧而逐渐降低,CDPF两侧压差最终下降到安全阀值以内,达到2 kPa的压差并保持稳定;当CDPF两侧压差曲线逐渐趋于平缓并保持一段时间后,再生结束。该后处理系统保证了CDPF再生完全且再生效率较高,能够满足再生要求。CDPF再生前、后效果对比如图8所示。

图8 CDPF再生前后效果对比

5 结 论

(1) 本文对DFP再生过程及原理进行分析,设计了采用喷油方式、以DOC辅助再生的CDPF再生系统,并设计以MPC5602单片机为核心控制器的CDPF再生系统电控单元。

(2) 研究了CDPF再生系统在各种工况下的再生控制策略,并据此对电控单元进行软件编程,将各路传感器信号量化处理,通过软件对再生系统的各个执行器进行闭环控制以满足再生需求。

(3) 搭建试验平台,在发动机试验台架上进行CDPF再生系统的标定匹配,并对其控制工作性能进行了试验验证。试验结果表明,该系统在发动机各工况下能够成功完成CDPF再生过程,而且保证了再生过程中发动机的排放性能,满足国家对汽车排放的要求。

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(责任编辑 胡亚敏)

Design of electronic control unit of fuel injection assisted regeneration system of CDPF based on MPC5602

CHENG Xiaozhang, XIE Zhenkai, LI Peinan
(School of Automobile and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The structure and working principle of fuel injection assisted regeneration of the diesel particulate filter(DPF) are analyzed, and the regeneration control strategy of diesel oxidation catalyst(DOC)+catalyzed diesel particulate filter(CDPF) regeneration system is studied. A method adopting the Freescale 32 bit high speed single chip MPC5602 as the core controller is put forward to develop the electronic control unit. The software is designed according to the control strategy to ensure that the actuator is controlled in real time. Finally, the diesel assembly bench is set up to calibrate the electronic system and the proof test is designed. The bench test results show that the system can work stably and successfully complete DPF regeneration.

regeneration system; diesel oxidation catalyst(DOC)+catalyzed diesel particulate filter(CDPF); fuel injection assisted regeneration; electronic control unit; control strategy

2015-12-31;

2016-03-18

国家发改委和工信部产业振兴和技术改造资助项目(中央评估)(发改投资2012[1938]号)

程晓章(1966-),男,安徽太湖人,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.06.001

TK421.5

A

1003-5060(2017)06-0721-06

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