柴油机SCR瞬态参数采集处理与诊断系统_胡明江

容 Ｃ３和输出信号模拟开关 Ｋ 构成反馈，可对尿素 喷射量输出信号进行降噪处理。
图１ ＳＣＲ 瞬态测试与诊断系统
柴油机排 气 温 度 选 用 插 入 式 ＰＴ２００ 温 度 传 感器进行 测 量，尿 素 液 位 和 温 度 采 用 ＬＤＱ－ＳＣＲ 型尿素总成采集 仪 进 行 测 量，尿 素 流 量 采 用 电 磁 流量传感器进行 测 量，柴 油 机 油 门 位 移 采 用 电 位 器 来 调 节 ，柴 油 机 转 速 采 用 霍 尔 传 感 器 进 行 采 集 ；
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中 国 机 械 工 程 第 ２５ 卷 第 １６ 期 ２０１４ 年 ８ 月 下 半 月
一 般 的 数 据 采 集 与 诊 断 仪 无 法 完 成 柴 油 机 ＳＣＲ 系统实时测试与 诊 断 的 原 因 是：在 柴 油 机 运 行 过 程中，ＳＣＲ 排放控 制系统的性能参数瞬态波动 频 率、幅 值 变 化 很 快，对 信 号 采 集 同 步 性 要 求 较 高［１１］。ＳＣＲ 系统部件受温度影响较 大，易 出 现 劣 化、失效等软故障 。 ［１２］
图２是 ＳＣＲ 系统尿素流量信号处理电路，它 由前置放大电路、二 阶 低 通 滤 波 电 路 和 电 压 高 增 益放大电路 组 成。 由 于 尿 素 水 溶 液 内 阻 很 大，故
前置放大电路采用高精度增益可调的放大器
ＭＡＸ４１９４（Ａ１），输 入 阻 抗 为 １０００ ＭΩ，２．５Ｖ 单 电源供电，外接元 件 少，功 耗 低，符 合 柴 油 机 ＳＣＲ
１．Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ，Ｈｅｎａｎ，４６７０３６ ２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ，２１２０１３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｕｒｅａ－ＳＣＲ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＳＣＲ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ．Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｄｅｍａｒｃａｔｅ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ ｃｏｍｐｉｌｅｄ ｂｙ ＤＡＳＹＬａｂ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｂｙ ｔｈｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｓｕｃｈ ａｓ，ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ，ｓｔｏｒａｇｅｄ，ｄｉａｇｎｏｓｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｉｎ ＳＣＲ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｅｓｔ，ｔｈｅｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｄｉａｇ－ ｎｏｓｔｉｃ ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ＮＯｘ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｕｒｅａ ｄｏｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ＮＨ３ｌｅａｋａｇｅ ｏｆ ＳＣＲ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔａｎｄａｒｄ ＡＶＬ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓ－ ｔｅｍ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍａｘｉｍａｌ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｓ ２．０５％ ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ａｖｅｒａｇｅ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ａｓ ０．８２％ ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ａｃｃｕｒａｃｙ ｒａｔｅ ｃａｎ ａｌｓｏ ｒｅａｃｈ ９８．６％ ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙ－ ｎａｍｉｃ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ＳＣＲ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｇｒｅａｔｌｙ．
柴油机 ＳＣＲ 瞬态参数采集处理与诊断系统———胡明江 罗从双 王 忠
柴油机 ＳＣＲ 瞬态参数采集处理与诊断系统
胡 明 江１ 罗 从 双１ 王 忠２
１．河 南 城 建 学 院 ，平 顶 山 ，４６７０３６ ２．江 苏 大 学 ，镇 江 ，２１２０１３
摘要：基 于 尿 素 ＳＣＲ 系 统 瞬 态 特 性，开 发 了 适 合 柴 油 机 ＳＣＲ 瞬 态 参 数 的 测 试 与 诊 断 系 统；采 用 ＤＡＳＹＬａｂ软件，编写了接口、标定与诊断程序，实现了 ＳＣＲ 系统信号显 示、存 储 与 再 现 等 功 能；依 据 遍 历跟踪与诊断程序，实现了对柴油机 ＳＣＲ 系统瞬态 特 性 参 数 的 在 线 测 试 与 诊 断；依 据 柴 油 机 瞬 态 测 试 循环法规，进行了柴油机 ＳＣＲ 系 统 的 ＮＯｘ 转 化 效 率、尿 素 喷 射 量 和 ＮＨ３ 泄 漏 量 等 测 试 与 诊 断 试 验。 结果表明：与标准的 ＡＶＬ 测试系统（ＡＶＬ ＣＢＥ－Ⅱ气体 排 放 分 析 与 测 试 系 统）相 比，所 研 发 的 系 统 动 态 最大误差为２．０５％，动态平均误差为０．８２％，故障诊断精确率达到了 ９８．６％，能满足柴油 机 ＳＣＲ 瞬 态 测试循环要求。
收 稿 日 期 ：２０１３—０５—１０ 基金项目：国家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５０３７６０２１，５０７７６０４２）； 河南省高等学校 青 年 骨 干 教 师 资 助 项 目 （２０１０ＧＧＪＳ－１５０）；河 南 省 科 技 厅 重 点 攻 关 计 划 项 目 （１１２１０２２１０３６３）
Ｗａｎｇ等 基 ［５］ 于稀燃 ＮＯｘ 催 化（ＬＮＴ）技 术，利 用 加 载 金 属 铂／铑 的 铜 沸 石 催 化 剂 ，制 订 了 一 个 耦 合 的 ＬＮＴ－ＳＣＲ 系统，实现了对 ＮＯｘ 排放量和 ＮＨ３ 泄漏量的良好控制。张伟等 通 ［６］ 过灵活运用 诊 断 方法和合理设计诊断逻辑框架，构建了基于 ＳＣＲ 系统的 ＯＢＤ 功能诊 断 策 略，以 满 足 ＯＢＤ 认 证 法 规的要求。 胡 静 等 针 ［７］ 对 重 型 柴 油 机 尿 素 ＳＣＲ 后处 理 系 统，开 发 了 尿 素 喷 射 电 子 控 制 单 元 （ＤＣＵ），使所匹配的柴油机尿素ＳＣＲ 后处理系统 达到了国Ⅳ排放标 准 （国 家 第 四 阶 段 机 动 车 污 染 物排放标准）。 然 而 柴 油 机 实 际 运 行 工 况 变 化 频 繁，为深入研究 柴 油 机 ＳＣＲ 动 态 控 制 技 术，高 精 度、高频率的瞬态 特 性 测 试 与 诊 断 系 统 显 得 非 常 重要。目前，发动 机 瞬 态 参 数 的 采 集 与 诊 断 方 法 较多，但大部分是对 ＳＣＲ 系统稳态特性及影响 因 素 的 研 究［８－９］，对 其 瞬 态 特 性 的 研 究 相 对 较 少 。 ［１０］
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图 ２ 尿 素 流 量 处 理 电 路
１．１．２ ＮＨ３ 和 ＮＯｘ 浓度处理电路 为保证柴油 机 ＳＣＲ 系 统 合 理、高 效 地 工 作，
对 ＮＯｘ 和 ＮＨ３ 浓度进行监控与处理显得非 常 重 要。图 ３ 是 ＮＨ３ 浓 度 信 号 处 理 电 路，ＩＣ１ （μＡ７４１）是集 成 运 放 积 分 器，通 过 电 阻 Ｒ１ 和 Ｒ２ 调整 ＮＨ３ 浓度信号进入ＩＣ１ 的输入电 压 大 小；用 Ｒｗ 和 Ｒ３ 补 偿 ＩＣ１ 的 输 入 失 调 电 流；ＩＣ１ 的 输 出 电 压 由 电 容 Ｃ３ 和 电 阻 Ｒ６ 进 行 调 节；ＩＣ２ （ＴＤＡ２０３０Ａ）是大 功 率 集 成 运 放 电 压 跟 随 器，以 保证有足 够 大 的 电 流 供 给。 通 过 电 阻 Ｒ４ 和 Ｒ５ 调整 ＮＨ３ 浓度输出信号放大倍数，以满足柴油机 ＳＣＲ 系统 测 试 要 求。ＮＯｘ 浓 度 信 号 处 理 原 理 与 上述方法相同。
ＮＯｘ 和 ＮＨ３ 浓度分别采用 ＮＢ１５００型 ＮＯｘ 传感 器和 ＫＹＪ９－ＮＨ３ 传感器进行 实 时 采 集；Ｆ－Ｖ 转 换 器 为 ２ＦＶ －５０００Ａ；用 多 通 道 抗 混 滤 波 器 （ＡＤＢＺ２３０３）对 信 号 滤 波 后，经 处 理 电 路 进 行 调 理，再用 ＤＡＳＹＬａｂ和故障诊断模块进行诊断。 １．１ 系 统 硬 件 １．１．１ 尿 素 流 量 处 理 电 路
为实 现 对 柴 油 机 ＳＣＲ 系 统 瞬 态 特 性 的 测 试 与诊断，本文介绍了一种适用于柴油机 ＳＣＲ 瞬态 特 性 的 便 携 式 、可 靠 的 测 试 与 诊 断 系 统 ，通 过 试 验 应用，该 系 统 能 够 对 尿 素 流 量 与 温 度、ＮＯｘ 和 ＮＨ３ 浓度等瞬时参数进行 实 时 监 控 和 测 试，对 采 集的数据进行实时存储与诊断，避免过量 ＮＨ３ 泄 漏等故障发生，使 柴 油 机 ＳＣＲ 系 统 实 现 高 效、合 理运行。
关 键 词 ：柴 油 机 ；选 择 催 化 还 原 ；尿 素 喷 射 ；瞬 态 特 性 ；在 线 诊 断
中 图 分 类 号 ：ＴＫ４１３．７ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－１３２Ｘ．２０１４．１６．０２０
Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＳＣＲ ｆｏｒ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ Ｈｕ Ｍｉｎｇｊｉａｎｇ１ Ｌｕｏ Ｃｏｎｇｓｈｕａｎｇ１ Ｗａｎｇ Ｚｈｏｎｇ２
１ 系 统 总 体 结 构
基于柴油机 ＳＣＲ 系统控制方法，设计的柴油 机 ＳＣＲ 系 统 瞬 态 特 性 测 试 与 诊 断 系 统 如 图 １ 所示。
系统仪表 小 型 化 的 要 求，通 过 外 接 精 密 电 阻 Ｒｇ１ 调节尿素流量信号灵敏度；为减少柴油机 ＳＣＲ 系 统强噪声进入后续电 路 使 得 精 密 放 大 器 Ａ１ 处 于 线性工作区，取 前 置 放 大 电 路 的 放 大 倍 数 为 １０， 即 Ｒｇ１为４．７ｋΩ。元器 件 Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２、Ａ２ 构 成 了二阶低通滤 波 电 路，其 中，Ａ２ 为 低 温 漂 运 算 放 大器 ＭＡＸ４４７７，起 到 对 尿 素 器 Ａ３ （ＭＡＸ４１９７）和 Ａ４ （ＭＡＸ４１９４）组 成，ＭＡＸ４１９４ 外接精密电阻来 调 节 放 大 器 的 增 益，输 出 端 由 电