柴油机添蓝供给系统试验研究平台设计及应用

颜伏伍，芮鹏飞，刘传宝，胡 杰

(武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070)

柴油机具有功率大、经济性能好等优点，被广泛用于中重型商用车，随着排放法规的日益严格，柴油机的排放问题逐渐成为该领域的研究热点。柴油机的排放物主要包括PM和NOx，进行机内优化时，PM和NOx的产生具有此消彼长的关系［1］，而油耗率变化趋势与PM一致，因此通常采用机内优化的方法降低PM，在排气系统加装净化装置降低NOx。目前，国内发动机企业应对国IV、国V排放法规的技术措施已经趋于一致，即采用SCR(selective catalytic reduction)技术。SCR系统的核心部件如控制器、添蓝泵、喷嘴、NOx传感器和水阀等对于国内企业都是一个挑战，而附件过度依赖国外企业不利于掌握SCR系统核心技术。

SCR系统通过固化在DCU中的尿素基本喷射量MAP以及排温、储氨修正模型，根据传感器采集到的转速、负荷和温度等信号，计算出添蓝(32.5%的尿素水溶液)的喷射量，再利用添蓝供给系统将添蓝准确地喷入SCR催化器中，使NOx排放量满足法规要求并控制NH3的溢出量，添蓝供给系统的特性对SCR的效率、精度和稳定性有着至关重要的作用。笔者通过搭建SCR添蓝供给系统试验台架，对系统中最重要的附件添蓝泵和添蓝喷嘴的特性进行了详细的研究，确定了添蓝泵的喷射压力和添蓝喷嘴的喷射周期，对SCR技术的国产化具有指导意义。

1 总体设计

搭建的SCR添蓝供给系统喷射特性试验平台示意图如图1所示。DCU主控芯片选择飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12DG128，它集成了两个10位8通道AD转化模块、两个串行通信SCI模块和满足CAN 2.0A/B协议标准的CAN通信模块［2］。添蓝泵采用国产直流电机泵，吸程大，可正反转，满足SCR系统添蓝供给和反抽要求，最大压力可达10 bar。采用国产添蓝喷嘴，工作电压为24 V。电子秤和DCU通过串口和上位机进行通信，实现系统的实时监测和数据采集。

图1 SCR添蓝供给系统喷射特性试验平台示意图

系统工作时，添蓝经过滤清器到达添蓝泵并产生压力，DCU通过控制电机的转速控制泵压，通过泵压传感器实现压力的闭环控制，添蓝箱内集成有液位和温度传感器，用于监测添蓝状态。

2 硬件设计

2.1 电源模块设计

柴油机蓄电池电压为24 V，需要设计+5 V电源模块。考虑到从24 V到5 V压降较大，为保证系统电压稳定，采用两个电源芯片LM7812和LM2576，首先 LM7812将电压降到 12 V，再用LM2576将电压降到5 V，LM2576可以提供足够的电流。在主路中正向串接一个整流二极管，防止电源接反。电路中采用不同容值的滤波电容分别滤去高频和低频杂波，在输出端与地之间串上一个稳压二极管稳定输出电压。

2.2 添蓝泵直流电机驱动模块设计

目前SCR系统添蓝泵主要有隔膜泵和齿轮泵两种，隔膜泵自吸能力好但是价格较高;齿轮泵结构简单，易于维护且价格较低，其吸程也可以满足SCR系统要求，因此该设计选用齿轮式添蓝泵。直流电机作为添蓝泵的动力源，主要包括直流无刷电机和直流有刷电机，直流无刷电机寿命长，但是控制复杂，它利用电机内部的霍尔传感器获取转子位置信息，然后依据定子绕线决定换流器中各功率晶体管的依次开闭实现控制，而直流有刷电机只需控制电机两端的电压即可实现转速调节，利于简化系统软硬件设计，因此该设计选用直流有刷电机。

电机驱动电路采用飞思卡尔公司的电机驱动芯片MC33886，它具有片内过流、过温、欠压保护功能;芯片的内部集成有H桥驱动电路，最大驱动电流为5 A，输入电压范围为5～28 V，输出负载由PWM调节，最高调节频率为10 kHz，可以提供正转、反转、制动和惰性4种电机控制方式。利用DCU的两路PWM输出端作为芯片的控制输入端，芯片的两路输出端分别接电机两端，通过调节PWM的周期和占空比可以实现电机的正反转和调速。

2.3 添蓝喷嘴驱动模块设计

电控喷嘴是一个复杂的电路、磁路、流体运动及机械运动系统，驱动电路形式对喷嘴流量特性有一定影响［3］。考虑到喷嘴工作时电流较大，采用大功率 MOS管 IRF4905搭建驱动电路。IRF4905为IR国际整流器公司的一款P沟道高性能场效应晶体管，门极-源极最大耐压值为55 V，最大漏极电流为74 A，可以满足喷嘴驱动电流要求，并且它具有极低的导通电阻(仅为0.02 Ω)和高速开关性能。

喷嘴驱动电路原理图如图2所示，控制信号PWM由单片机提供，用于精确地控制喷射周期和脉宽。利用光电耦合器进行电信号隔离，考虑到喷嘴为电感性原件，频繁地开关会产生较大的感应电流，在MOS管两端并联上快恢复型续流二极管RHRP15120。喷嘴一端接电路输出端，一端接地。

图2 喷嘴驱动电路原理图

2.4 传感器信号采集模块及串口通信模块设计

DCU按照RS232协议和上位机进行通信，利用单电源电平转换芯片MAX232设计串口通信模块。温度和液位传感器通过串联分压电阻得到电压信号，压力传感器的电压信号经过RC滤波后输入到DCU的AD口。

3 软件设计

3.1 下位机软件设计

SCR系统添蓝喷射控制包括系统准备、无压力控制、压力控制、压力卸载和反抽排空5个阶段［4］，笔者主要研究压力控制阶段。文献［5］指出，SCR系统添蓝喷射时需维持泵压稳定，因此需要对喷射压力进行标定研究，其采用工业领域常用的PID控制法对泵压进行恒压控制。为了确定喷嘴的喷射周期并研究喷嘴流量特性，笔者进行了喷嘴相关控制程序设计。

3.1.1 添蓝泵泵压PID控制程序设计

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好且可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中［6］。主程序在每次循环中调用PID函数，实现对添蓝泵泵压的稳定控制。PID函数的流程图如图3所示。将输出的y赋值给DG128的PWM占空比寄存器，即可在程序的每次循环中动态地修正MC33886的一路控制信号，实现泵压的稳定调节。

图3 PID函数流程图

3.1.2 添蓝喷嘴控制程序设计

喷嘴的开闭也由PWM控制，PWM周期寄存器决定喷射周期，占空比寄存器控制喷射脉宽。通过动态修正PWM周期寄存器和占空比寄存器的值，可以观察不同的喷射周期和喷射脉宽对添蓝喷射流量以及喷雾雾化效果的影响。

3.2 上位机软件设计

为便于系统试验时对硬件参数进行设置并监测系统状态，设计的上位机软件界面如图4所示。

图4 上位机软件界面

上位机软件包括添蓝泵参数设置、添蓝喷嘴参数设置、添蓝箱监测、添蓝泵泵压实时显示和通信模块。添蓝泵参数主要包括目标泵压、电机正转、反转和停转等，为了得到较为理想的泵压整定情况，设计了泵压PID控制参数输入窗口，利用工业整定技巧对泵压进行反复整定以获得最佳值。添蓝喷嘴参数包括喷嘴周期、占空比以及喷射次数，其中多次喷射是为了减小喷射质量的测量误差。添蓝箱监测模块用于监测添蓝箱中添蓝的液位和温度。添蓝泵泵压实时显示模块利用VB的picturebox控件实现对泵压传感器采集到的添蓝泵泵压的实时显示，便于观察泵压稳定情况。通信模块包括上位机与DCU和电子秤之间的串行通信设计。

4 平台的试验研究及分析

4.1 添蓝泵泵压稳定研究

设定目标泵压为9 bar，研究压力的稳定情况，试验结果如图5所示。系统泵压经过PID控制，可以在2 s左右的时间内达到稳定，稳定效果好，静态偏差小于1%。在第5 s时打开喷嘴，设定占空比为50%，压力经过很小的波动后很快稳定，压力值较喷嘴关闭时略有下降，但静态偏差仍小于3%，属于可接受范围。喷嘴打开后泵压的波动是由于喷嘴的周期性开闭给了系统一个周期性的扰动。总体上来说，该系统泵压稳定情况满足SCR系统要求。

图5 添蓝泵泵压稳定情况

4.2 添蓝喷嘴流量特性研究

图6给出了泵压为9 bar，喷嘴喷射周期为200 ms时的喷嘴流量特性曲线图。由图6可以看出，喷嘴的喷射流量与占空比成线性关系，拟合后有:

该式可为SCR控制策略编写时计算喷嘴喷射脉宽提供参考。

4.3 添蓝喷射压力影响及标定

控制喷嘴喷射周期为200 ms，研究不同的压力(9 bar、8 bar、7 bar)下喷嘴的流量特性。试验结果如图7所示。从图7中可以看出，占空比一定时，喷嘴的喷射流量随泵压增大而增大，并且添蓝喷雾的雾化效果也随着压力增大而变好，因此在系统设计时，应尽量取较大的喷射压力。9 bar是该系统留有余量下能够正常工作的极限压力，当压力继续增大时，系统有添蓝溢出可能，因此确定该系统喷射压力为9 bar。

图6 添蓝喷嘴流量特性

图7 泵压不同时喷嘴流量特性

4.4 添蓝喷嘴喷射周期影响及标定

将喷射压力稳定在9 bar，研究喷射周期变化时喷射流量及雾化效果变化情况如图8所示。由图8可以看出，占空比一定时，喷射流量随着喷射频率增大而下降，这主要是由于喷嘴为阀体部件，阀的打开和关闭需要一定时间，在这段时间内阀门不是全开的，使喷射量减小，当喷嘴喷射频率增加时，相应阀门不全开的时间便增大，导致流量降低。但是当喷射频率小于5 Hz时，喷嘴处发现溶液断续喷射现象，而连续性不好会降低NOx转化效率［7］。整体考虑，确定该系统喷嘴喷射周期为5 Hz。

图8 喷射周期不同时喷嘴流量特性

5 结论

搭建了柴油机Urea-SCR添蓝供给系统喷射特性试验研究平台，利用该平台对添蓝泵泵压稳定性、添蓝喷嘴流量特性、添蓝喷射压力和添蓝喷嘴喷射周期对添蓝喷射的影响进行了研究，对喷射压力和喷射周期进行了标定，得出以下结论:

(1)该系统添蓝泵泵压值经过PID控制，可在2 s内达到稳定，静态偏差小于1%;喷嘴打开时，稳定后的泵压值略有下降，静态偏差小于3%，满足SCR系统要求。

(2)喷射压力和周期一定时，添蓝喷嘴的喷射流量与占空比成线性关系，最大喷射流量为5.4 kg/h。

(3)占空比一定时，随着泵压增大，喷嘴喷射流量增大，喷雾雾化效果变好;随着喷射频率减小，喷嘴喷射流量增大，当频率小于5 Hz时，喷雾雾化效果变差;综合考虑，确定该系统添蓝喷射压力为9 bar，喷嘴喷射周期为200 ms。

［1］胡静，赵彦光，陈婷，等.重型柴油机添蓝SCR后处理系统的控制策略研究［J］.内燃机工程，2011，32(2):1-5.

［2］王宜怀，刘晓升.嵌入式系统:使用HCS12微控制器的设计与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008:67-103.

［3］肖琼，颜伏伍，邹华，等.电控喷油器流量特性试验台的开发与试验分析［J］.中国机械工程，2005，16(16):1419-1422.

［4］杨虎.柴油机SCR电控系统的开发及试验研究［D］.武汉:武汉理工大学图书馆，2011.

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

［6］刘金琨.先进PID控制Matlab仿真［M］.北京:电子工业出版社，2004:76-90.

［7］覃军.降低柴油机NOx排放的SCR系统控制策略研究［D］.武汉:武汉理工大学图书馆，2007.