顏伏伍，芮鵬飛，劉傳寶，胡 杰

(武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢 430070)

柴油機具有功率大、經(jīng)濟性能好等優(yōu)點，被廣泛用于中重型商用車，隨著排放法規(guī)的日益嚴格，柴油機的排放問題逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點。柴油機的排放物主要包括PM和NOx，進行機內(nèi)優(yōu)化時，PM和NOx的產(chǎn)生具有此消彼長的關(guān)系［1］，而油耗率變化趨勢與PM一致，因此通常采用機內(nèi)優(yōu)化的方法降低PM，在排氣系統(tǒng)加裝凈化裝置降低NOx。目前，國內(nèi)發(fā)動機企業(yè)應對國IV、國V排放法規(guī)的技術(shù)措施已經(jīng)趨于一致，即采用SCR(selective catalytic reduction)技術(shù)。SCR系統(tǒng)的核心部件如控制器、添藍泵、噴嘴、NOx傳感器和水閥等對于國內(nèi)企業(yè)都是一個挑戰(zhàn)，而附件過度依賴國外企業(yè)不利于掌握SCR系統(tǒng)核心技術(shù)。

SCR系統(tǒng)通過固化在DCU中的尿素基本噴射量MAP以及排溫、儲氨修正模型，根據(jù)傳感器采集到的轉(zhuǎn)速、負荷和溫度等信號，計算出添藍(32.5%的尿素水溶液)的噴射量，再利用添藍供給系統(tǒng)將添藍準確地噴入SCR催化器中，使NOx排放量滿足法規(guī)要求并控制NH3的溢出量，添藍供給系統(tǒng)的特性對SCR的效率、精度和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。筆者通過搭建SCR添藍供給系統(tǒng)試驗臺架，對系統(tǒng)中最重要的附件添藍泵和添藍噴嘴的特性進行了詳細的研究，確定了添藍泵的噴射壓力和添藍噴嘴的噴射周期，對SCR技術(shù)的國產(chǎn)化具有指導意義。

1 總體設(shè)計

搭建的SCR添藍供給系統(tǒng)噴射特性試驗平臺示意圖如圖1所示。DCU主控芯片選擇飛思卡爾公司的16位微控制器MC9S12DG128，它集成了兩個10位8通道AD轉(zhuǎn)化模塊、兩個串行通信SCI模塊和滿足CAN 2.0A/B協(xié)議標準的CAN通信模塊［2］。添藍泵采用國產(chǎn)直流電機泵，吸程大，可正反轉(zhuǎn)，滿足SCR系統(tǒng)添藍供給和反抽要求，最大壓力可達10 bar。采用國產(chǎn)添藍噴嘴，工作電壓為24 V。電子秤和DCU通過串口和上位機進行通信，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。

圖1 SCR添藍供給系統(tǒng)噴射特性試驗平臺示意圖

系統(tǒng)工作時，添藍經(jīng)過濾清器到達添藍泵并產(chǎn)生壓力，DCU通過控制電機的轉(zhuǎn)速控制泵壓，通過泵壓傳感器實現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制，添藍箱內(nèi)集成有液位和溫度傳感器，用于監(jiān)測添藍狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計

2.1 電源模塊設(shè)計

柴油機蓄電池電壓為24 V，需要設(shè)計+5 V電源模塊?？紤]到從24 V到5 V壓降較大，為保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，采用兩個電源芯片LM7812和LM2576，首先 LM7812將電壓降到 12 V，再用LM2576將電壓降到5 V，LM2576可以提供足夠的電流。在主路中正向串接一個整流二極管，防止電源接反。電路中采用不同容值的濾波電容分別濾去高頻和低頻雜波，在輸出端與地之間串上一個穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定輸出電壓。

2.2 添藍泵直流電機驅(qū)動模塊設(shè)計

目前SCR系統(tǒng)添藍泵主要有隔膜泵和齒輪泵兩種，隔膜泵自吸能力好但是價格較高;齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單，易于維護且價格較低，其吸程也可以滿足SCR系統(tǒng)要求，因此該設(shè)計選用齒輪式添藍泵。直流電機作為添藍泵的動力源，主要包括直流無刷電機和直流有刷電機，直流無刷電機壽命長，但是控制復雜，它利用電機內(nèi)部的霍爾傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置信息，然后依據(jù)定子繞線決定換流器中各功率晶體管的依次開閉實現(xiàn)控制，而直流有刷電機只需控制電機兩端的電壓即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，利于簡化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，因此該設(shè)計選用直流有刷電機。

電機驅(qū)動電路采用飛思卡爾公司的電機驅(qū)動芯片MC33886，它具有片內(nèi)過流、過溫、欠壓保護功能;芯片的內(nèi)部集成有H橋驅(qū)動電路，最大驅(qū)動電流為5 A，輸入電壓范圍為5～28 V，輸出負載由PWM調(diào)節(jié)，最高調(diào)節(jié)頻率為10 kHz，可以提供正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動和惰性4種電機控制方式。利用DCU的兩路PWM輸出端作為芯片的控制輸入端，芯片的兩路輸出端分別接電機兩端，通過調(diào)節(jié)PWM的周期和占空比可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。

2.3 添藍噴嘴驅(qū)動模塊設(shè)計

電控噴嘴是一個復雜的電路、磁路、流體運動及機械運動系統(tǒng)，驅(qū)動電路形式對噴嘴流量特性有一定影響［3］?？紤]到噴嘴工作時電流較大，采用大功率 MOS管 IRF4905搭建驅(qū)動電路。IRF4905為IR國際整流器公司的一款P溝道高性能場效應晶體管，門極-源極最大耐壓值為55 V，最大漏極電流為74 A，可以滿足噴嘴驅(qū)動電流要求，并且它具有極低的導通電阻(僅為0.02 Ω)和高速開關(guān)性能。

噴嘴驅(qū)動電路原理圖如圖2所示，控制信號PWM由單片機提供，用于精確地控制噴射周期和脈寬。利用光電耦合器進行電信號隔離，考慮到噴嘴為電感性原件，頻繁地開關(guān)會產(chǎn)生較大的感應電流，在MOS管兩端并聯(lián)上快恢復型續(xù)流二極管RHRP15120。噴嘴一端接電路輸出端，一端接地。

圖2 噴嘴驅(qū)動電路原理圖

2.4 傳感器信號采集模塊及串口通信模塊設(shè)計

DCU按照RS232協(xié)議和上位機進行通信，利用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232設(shè)計串口通信模塊。溫度和液位傳感器通過串聯(lián)分壓電阻得到電壓信號，壓力傳感器的電壓信號經(jīng)過RC濾波后輸入到DCU的AD口。

3 軟件設(shè)計

3.1 下位機軟件設(shè)計

SCR系統(tǒng)添藍噴射控制包括系統(tǒng)準備、無壓力控制、壓力控制、壓力卸載和反抽排空5個階段［4］，筆者主要研究壓力控制階段。文獻［5］指出，SCR系統(tǒng)添藍噴射時需維持泵壓穩(wěn)定，因此需要對噴射壓力進行標定研究，其采用工業(yè)領(lǐng)域常用的PID控制法對泵壓進行恒壓控制。為了確定噴嘴的噴射周期并研究噴嘴流量特性，筆者進行了噴嘴相關(guān)控制程序設(shè)計。

3.1.1 添藍泵泵壓PID控制程序設(shè)計

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好且可靠性高，被廣泛應用于過程控制和運動控制中［6］。主程序在每次循環(huán)中調(diào)用PID函數(shù)，實現(xiàn)對添藍泵泵壓的穩(wěn)定控制。PID函數(shù)的流程圖如圖3所示。將輸出的y賦值給DG128的PWM占空比寄存器，即可在程序的每次循環(huán)中動態(tài)地修正MC33886的一路控制信號，實現(xiàn)泵壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

圖3 PID函數(shù)流程圖

3.1.2 添藍噴嘴控制程序設(shè)計

噴嘴的開閉也由PWM控制，PWM周期寄存器決定噴射周期，占空比寄存器控制噴射脈寬。通過動態(tài)修正PWM周期寄存器和占空比寄存器的值，可以觀察不同的噴射周期和噴射脈寬對添藍噴射流量以及噴霧霧化效果的影響。

3.2 上位機軟件設(shè)計

為便于系統(tǒng)試驗時對硬件參數(shù)進行設(shè)置并監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)計的上位機軟件界面如圖4所示。

圖4 上位機軟件界面

上位機軟件包括添藍泵參數(shù)設(shè)置、添藍噴嘴參數(shù)設(shè)置、添藍箱監(jiān)測、添藍泵泵壓實時顯示和通信模塊。添藍泵參數(shù)主要包括目標泵壓、電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)等，為了得到較為理想的泵壓整定情況，設(shè)計了泵壓PID控制參數(shù)輸入窗口，利用工業(yè)整定技巧對泵壓進行反復整定以獲得最佳值。添藍噴嘴參數(shù)包括噴嘴周期、占空比以及噴射次數(shù)，其中多次噴射是為了減小噴射質(zhì)量的測量誤差。添藍箱監(jiān)測模塊用于監(jiān)測添藍箱中添藍的液位和溫度。添藍泵泵壓實時顯示模塊利用VB的picturebox控件實現(xiàn)對泵壓傳感器采集到的添藍泵泵壓的實時顯示，便于觀察泵壓穩(wěn)定情況。通信模塊包括上位機與DCU和電子秤之間的串行通信設(shè)計。

4 平臺的試驗研究及分析

4.1 添藍泵泵壓穩(wěn)定研究

設(shè)定目標泵壓為9 bar，研究壓力的穩(wěn)定情況，試驗結(jié)果如圖5所示。系統(tǒng)泵壓經(jīng)過PID控制，可以在2 s左右的時間內(nèi)達到穩(wěn)定，穩(wěn)定效果好，靜態(tài)偏差小于1%。在第5 s時打開噴嘴，設(shè)定占空比為50%，壓力經(jīng)過很小的波動后很快穩(wěn)定，壓力值較噴嘴關(guān)閉時略有下降，但靜態(tài)偏差仍小于3%，屬于可接受范圍。噴嘴打開后泵壓的波動是由于噴嘴的周期性開閉給了系統(tǒng)一個周期性的擾動。總體上來說，該系統(tǒng)泵壓穩(wěn)定情況滿足SCR系統(tǒng)要求。

圖5 添藍泵泵壓穩(wěn)定情況

4.2 添藍噴嘴流量特性研究

圖6給出了泵壓為9 bar，噴嘴噴射周期為200 ms時的噴嘴流量特性曲線圖。由圖6可以看出，噴嘴的噴射流量與占空比成線性關(guān)系，擬合后有:

該式可為SCR控制策略編寫時計算噴嘴噴射脈寬提供參考。

4.3 添藍噴射壓力影響及標定

控制噴嘴噴射周期為200 ms，研究不同的壓力(9 bar、8 bar、7 bar)下噴嘴的流量特性。試驗結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，占空比一定時，噴嘴的噴射流量隨泵壓增大而增大，并且添藍噴霧的霧化效果也隨著壓力增大而變好，因此在系統(tǒng)設(shè)計時，應盡量取較大的噴射壓力。9 bar是該系統(tǒng)留有余量下能夠正常工作的極限壓力，當壓力繼續(xù)增大時，系統(tǒng)有添藍溢出可能，因此確定該系統(tǒng)噴射壓力為9 bar。

圖6 添藍噴嘴流量特性

圖7 泵壓不同時噴嘴流量特性

4.4 添藍噴嘴噴射周期影響及標定

將噴射壓力穩(wěn)定在9 bar，研究噴射周期變化時噴射流量及霧化效果變化情況如圖8所示。由圖8可以看出，占空比一定時，噴射流量隨著噴射頻率增大而下降，這主要是由于噴嘴為閥體部件，閥的打開和關(guān)閉需要一定時間，在這段時間內(nèi)閥門不是全開的，使噴射量減小，當噴嘴噴射頻率增加時，相應閥門不全開的時間便增大，導致流量降低。但是當噴射頻率小于5 Hz時，噴嘴處發(fā)現(xiàn)溶液斷續(xù)噴射現(xiàn)象，而連續(xù)性不好會降低NOx轉(zhuǎn)化效率［7］。整體考慮，確定該系統(tǒng)噴嘴噴射周期為5 Hz。

圖8 噴射周期不同時噴嘴流量特性

5 結(jié)論

搭建了柴油機Urea-SCR添藍供給系統(tǒng)噴射特性試驗研究平臺，利用該平臺對添藍泵泵壓穩(wěn)定性、添藍噴嘴流量特性、添藍噴射壓力和添藍噴嘴噴射周期對添藍噴射的影響進行了研究，對噴射壓力和噴射周期進行了標定，得出以下結(jié)論:

(1)該系統(tǒng)添藍泵泵壓值經(jīng)過PID控制，可在2 s內(nèi)達到穩(wěn)定，靜態(tài)偏差小于1%;噴嘴打開時，穩(wěn)定后的泵壓值略有下降，靜態(tài)偏差小于3%，滿足SCR系統(tǒng)要求。

(2)噴射壓力和周期一定時，添藍噴嘴的噴射流量與占空比成線性關(guān)系，最大噴射流量為5.4 kg/h。

(3)占空比一定時，隨著泵壓增大，噴嘴噴射流量增大，噴霧霧化效果變好;隨著噴射頻率減小，噴嘴噴射流量增大，當頻率小于5 Hz時，噴霧霧化效果變差;綜合考慮，確定該系統(tǒng)添藍噴射壓力為9 bar，噴嘴噴射周期為200 ms。

［1］胡靜，趙彥光，陳婷，等.重型柴油機添藍SCR后處理系統(tǒng)的控制策略研究［J］.內(nèi)燃機工程，2011，32(2):1-5.

［2］王宜懷，劉曉升.嵌入式系統(tǒng):使用HCS12微控制器的設(shè)計與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008:67-103.

［3］肖瓊，顏伏伍，鄒華，等.電控噴油器流量特性試驗臺的開發(fā)與試驗分析［J］.中國機械工程，2005，16(16):1419-1422.

［4］楊虎.柴油機SCR電控系統(tǒng)的開發(fā)及試驗研究［D］.武漢:武漢理工大學圖書館，2011.

［5］姜磊，葛蘊珊，李璞，等.柴油機添藍SCR噴射特性的試驗研究［J］. 內(nèi)燃機工程，2010，31(4):30-34.

［6］劉金琨.先進PID控制Matlab仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004:76-90.

［7］覃軍.降低柴油機NOx排放的SCR系統(tǒng)控制策略研究［D］.武漢:武漢理工大學圖書館，2007.