基于开环和闭环控制策略的柴油 SCR 尿素喷射控制系统设计与开发_2009

SCR胡静帅石金张云龙王建昕李伟明（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084）：本文设计开发了一种基于开环和闭环控制策略的用于重型柴油机SCR后处理系统的尿素喷射控制系统，包括硬件平台与软件平台的设计开发。

重点介绍了该系统的总体设计思路，硬件系统相关模块的功能及设计，基于NO X传感器的开环控制策略，以及基于NO X和NH3传感器的闭环控制策略。

：重型柴油机，SCR，尿素喷射，控制汽车排放问题引起了世界范围内的广泛关注。

随着未来排放法规的不断推出，对柴油车排出的NOx和PM限制越来越严格。

尿素选择催化还原（SCR）技术是一条解决重型柴油车NOx排放的较为成熟的技术路线，在欧洲已经得到了广泛应用[1]，在我国也处于推广应用阶段。

本文针对自主开发的重型柴油机尿素SCR后处理系统，综合考虑开环及闭环控制的需要，开发了一种基于开环和闭环控制策略的尿素水溶液喷射控制系统，并设计了控制系统的软硬件。

目前产品化的SCR系统几乎都采用开环控制策略，考虑到将来欧Ⅴ及以上排放法规的需要，本系统在硬件及控制策略设计上同时集成了开环及闭环控制的要求。

图1为SCR尿素喷射控制系统的一个总体设计框图，它包括了采用开环控制时需要的发动机油门踏板和转速等信号，同时也包括了采用闭环控制时所用到的NH3传感器和NO X传感器信号。

其中流量、油门踏板、转速、进气温度、催化剂前排气温度和催化剂后排气温度信号采用AD接口与ECU连接。

而尿素AdBlue位置和质量传感器、NH3传感器和NO X传感器采用CAN总线通讯技术与ECU连接。

另外，控制尿素喷射的计量泵执行器也采用CAN总线进行通讯。

图1系统总体设计框图根据系统总体设计要求，把尿素喷射控制系统分为电源管理电路、主芯片基本外围电路、上位机通讯电路、计量泵通讯电路和传感器信号处理电路等功能模块。

该模块的主要功能是向单片机以及其它芯片提供稳定的5V稳压电源及系统所需的12V电源。

由于该SCR系统用于柴油机，因此，蓄电池电压为24V，所以需要电源管理电路输入电压的范围上限要足够高。

另外，该模块要求能够在各种负载情况下保持电压稳定，同时，需要足够大的电流通过能力以满足电路需要。

本文选用智能芯片L9741为系统提供一路5V稳压电源，该芯片还具有一路转速信号处理电路，一路CAN总线收发器，考虑到其多功能性，提高了集成度，因此，整体上使得设计更加紧凑。

而且从成本考虑，一个L9741可以取代3个芯片，是比较经济的选择。

采用LM2576芯片提供一路12V稳压电源，该芯片具有输出电压12V，最大输入电压上限可以达到45V，满足柴油机24V电池系统的要求，并且具有最高达3.0A带自保护的输出电流通过能力。

该模块的主要功能是使单片机能够正常的运转，包括提供外部晶振、下载程序的BDM接口，对单片机进行上电复位等。

系统主芯片要满足以下要求：具有一定的计算能力以满足与计量泵进行10ms一次通讯的要求；有至少两路的高速CAN通讯模块；一路串口通讯；至少6路A/D转换通道；成本低。

综合以上考虑，本文选用Freescale公司的16位单片机MC9S12DG256，其结构图如图2所示。

CSICE09I004903图2 MC9S12DG256结构图MC9S12DG256芯片的最小系统主要包括以下几个部分：时钟电路、BDM 接口、供电电路、锁相环电路。

时钟电路给单片机提供一个外接的4MHz 的石英晶振；BDM 让用户可以通过BDM 头对单片机下载和调试程序。

调试BDM 接口电路由主芯片的背景调试模式BKGD 引脚、复位信号/RESET 、5V 电源VCC 和地线DGND 共四针组成，通过Multilink 与上位机的USB 接口相连即可完成电控软件的下载和监控调试；供电电路主要是给单片机提供5V 电源。

该模块的主要功能是实现控制系统与上位机通讯，方便上位机的监控调试以及标定。

本文采用串口通讯。

由于在通讯速度上没有特别要求，因此，选用5V 电平的RS-232总线收发器。

该模块的功能是实现控制系统与计量泵的通讯，来完成尿素的定量喷射，由于计量泵上有一个37针的插口，包括CAN 线，这里采用CAN 通讯的方式与计量泵进行通讯。

CAN 通讯功能由L9741来实现。

L9741芯片带有的CAN 通讯收发器最高支持1M 波特率的传输速度，符合CAN2.0标准。

当CANH 或CANL 上的电流超过了安全域值（约160mA ），与之相连的晶体管会关闭，使得CAN 通讯在25μS 时间内关闭，起到保护的作用。

主要用于处理包括转速传感器信号、踏板位置信号、催化剂前后温度热电偶传感器信号、进气温度信号。

由于转速信号是一个幅值变化的交变电压信号，信号强度由几毫伏到几十伏，因此处理起来较为复杂。

以前比较复杂的处理方法是利用运算放大器搭建处理电路，该方法电路庞大复杂，集成化程度很低。

由于L9741具有一路磁电式转速信号处理电路，因此，本文采用L9741对转速进行处理，无需另外选用其它芯片。

这部分电路主要包括ECU 对外部的接口电路，以及为了以后进一步工作和方案改进预留的CAN 通讯接口，电磁阀的控制驱动电路等。

尿素喷射控制策略分为开环控制和闭环控制。

所谓开环控制是指尿素喷射控制系统根据发动机的运行参数（转速和负荷），通过查表（MAP ）的方法确定NOx 的排放量，进而确定尿素的喷射量。

闭环控制则是通过实际测量SCR 后的NOx 排放或NH 3排放来控制尿素的喷射量。

通过闭环控制，可以精确控制尿素的喷射量，可以在保证NOx 高转化效率的同时减少NH 3泄漏。

图3显示了采用不同控制策略所能取得的NOx 转化效率的对比，可见采用闭环控制策略能大幅提高NOx 转化效率，其中开环控制和闭环控制策略下可以达到的最高NOx 转化率分别为80％和95％[2]。

现在虽然已经开发出实用化的NOx [3] 和NH 3传感器[4]，但由于其产量低和价格昂贵，还无法大规模应用。

目前，商用的尿素喷射系统仍多为开环控制系统。

图3不同控制策略的NOx 转化率开环控制尿素SCR 系统根据发动机信号通过读MAP 图表的方式来确定尿素的喷射量。

图4为基于MAP 查表的开环控制策略示意图。

图4 基于MAP 的开环控制策略由图可以看出，在开环控制下，发动机的排气流量以及NOx 浓度是通过发动机转速和加速踏板信号查表得到的。

另外，由于存在其他因素如进气温度、湿度的影响，必须对NOx 浓度进行修正。

采用读表方式进行尿素喷射量的预估适用于稳态工况下的发动机，对于瞬态的发动机工况变化不能立即作出响应，因此容易造成排放的瞬时超标。

本文在对NOx 生成量的获取或计算校正时，对排气量直接采用流量传感器采集，这样可以一定程度上避免由于查表造成的误差。

同时，基于NOx 传感器而不是MAP 图实现开环控制，通过在SCR 前端安装NOx 传感器来精确检测NOx 浓度，这样可以一定程度上提高检测NOx排放量的精度，也904可以提高催化剂的转化效率，同时可以避免因为查表和修正补偿所带来的误差。

修正策略如图5所示。

图5 NOx 排放量的校正目前，随着NOx 和NH 3传感器的成功开发和应用，尿素的喷射控制策略已经从开环控制发展到了闭环控制模式。

通过闭环控制，可以精确控制尿素的喷射量，可以在保证NOx 转化效率的同时减少NH3和HNCO 的泄漏。

TNO 的Rinie van Helden 等人[2]预计通过开环控制可以达到欧4排放法规，闭环控制可以达到欧5排放法规，闭环控制＋氧化催化器＋主动升温措施可以达到US 2007排放法规。

图6显示了采用不同控制策略所能取得的NOx 转化效率对比，可见采用闭环控制策略能大幅提高NOx 转化效率。

图6 不同控制策略的NOx 转化率图7基于传感器信号的闭环控制策略本系统采用的闭环控制策略如图7所示。

其中，NOx 以及催化剂转化效率均可直接通过装载在SCR 系统催化剂前后端的NOx 传感器进行测量。

同时，在SCR 系统后端加装NH 3传感器，测量NH 3泄露量，对整个系统进行闭环控制。

尿素喷射量主要基于NOx 浓度的测量，本文直接通过安装在SCR 系统前端的NOx 传感器直接得到NOx 浓度信号，从而在一定程度上避免了开环控制因为发动机工作状态不稳定造成的误差，实现了对NOx 浓度的精确控制。

由于在SCR 系统控制策略的影响因素中，NOx 的转化率占有极大的比重。

对于给定的催化器，NO X 最大转化率大小取决于发动机工况。

NO X 最大转化率定的太高，催化器出口的氨气泄漏可能超标，NO X 最大转化率定的太低，NOx 的比排放不能达到法规要求。

因此在SCR 催化器前后端分别安装NOx 传感器，通过直接测量SCR 催化器前后端的NOx 浓度，来实时精确的得到NOx 转化率，从而进一步精确控制尿素的喷射量，以满足法规要求。

在尿素SCR 后处理过程中尿素与NOx 进行反应，由于反应不完全，会有一部分NH 3泄漏出来，因此NH 3泄漏浓度的大小对确定SCR 尿素喷射量有很大的作用。

在SCR 催化剂后端安装NH 3传感器，可以检测尾气中NH 3浓度，并考虑NH 3吸附模型，实现基于NH 3传感器的闭环控制。

本文介绍了自主研究开发的柴油机SCR 尿素水溶液喷射控制系统，该系统采用了NOx 传感器、NH 3传感器及Adblue 尿素传感器，能够满足欧Ⅴ及以上排放法规的要求。

并设计了基于的NOx 传感器开环控制策略以及基于NOx 传感器和NH3传感器的闭环控制策略，以满足不同用户的需要。

[1] Walter Puetz. Future Diesel Engine Thermal EfficiencyImprovement and Emissions Control Technology. US Department of Energy Diesel Engine Emission Reduction Conference, Chicago, August 2005.[2] Rinie Van Helden, Ruud Verbeek, Frank Willems, et al.Optimization of Urea SCR DeNO X Systems for HD Diesel Engines. SAE Paper 2004-01-0154.[3] Lothar Hofmann, Klaus Rusch, Stefan Fischer. OnboardEmissions Monitoring on a HD Truck with an SCR System Using NO X Sensors. SAE Paper 2004-01-1290. [4] Andrew Herman, Ming Cheng Wu, David Cabush, MarkShost. Model Based Control of SCR Dosing and OBD Strategies with Feedback from NH 3 Sensors. SAE Paper 2009-01-0911.开环闭环*闭环* &前置氧化催化剂* 闭环: 采用NH 3传感器进行NH3泄漏控制N O x 转化效率 /%905。