关于国五标准轻型柴油车SCR系统控制器的设计

0 引言

柴油机由于成本低被广泛地用于长途客车、城市公交、农用车等，但其NOx和PM排放造成大气污染严重以及相应的国五标准对NOx和PM的限制更加严格，因此国内外学者围绕柴油机后处理系统展开深入的研究。选择性还原(SCR)系统因其能有效地控制柴油机的NOx排放以及提高柴油机的燃油经济性被广泛地研究与应用[1-2]，其原理是利用NH3的还原反应将尾气中氮氧化物(NOx)转化为水、二氧化碳等对大气无污染的排放物。

目前汽车上各类控制器采用快速原型开发，即利用MATLAB/Simulink对软件层控制算法进行建模，利用Emebedded Coder工具箱生成软件层可执行代码，原型开发缩短软件开发周期，降低开发成本。因此利用Simulink对轻型柴油车SCR系统控制器进行设计。

1 SCR控制策略及建模

SCR催化器中由尿素溶液、氮氧化物(NOx)、吸附态和气态氨(NH3)4种物质参与化学反应，在发动机正常工作的情况下，忽略其他影响较小的反应，主要发生以下化学反应：

通过以上化学反应可以得出SCR催化器内部主要是氮氧化物、吸附态氨和气态氨受催化器温度影响动态变化的过程，根据能量守恒定律分别建立NOx、气态氨、存储氨以及温度模型，具体公式推导参考文献[3]和文献[4]，根据催化器输入输出量对所建立的模型进行组合，从而建立SCR催化器动态变化的模型。

尿素喷射策略分为开环控制和闭环控制。闭环控制是根据催化器出口端安装的氨传感器或者氮氧传感器反馈的信号对尿素喷射量进行修正。由于闭环控制技术实现难度大、成本高，同时开环控制可以满足国五排放标准[5-6]，因此采用开环控制来计算尿素的喷射量。设定催化器出口NOx与NH3摩尔质量比为定值，尿素喷射控制通过CAN总线获得发动机的转速、扭矩信息以及循环供油量等相关信息，通过调用原机NOx排气MAP图、排气质量流量MAP图获得NOx质量流量，并结合SCR催化器内部主要的化学反应式，获得尿素基本需求量，并在MATLAB/Simulink中建立SCR系统尿素基本喷射量模型，图1为尿素基本需求量计算原理，根据其原理图在MATLAB/Simulink建立尿素基本喷射量模型。

轻型柴油机运行工况复杂多变，在其瞬态运行工况下，催化器温度不能立刻响应因为发动机工况转变而导致其温度升高或者降低，总会存在一定的滞后，因此必须对瞬态工况下尿素喷射量进行修正，防止尿素溶液喷射量不足或者过多喷射造成NOx排放超标或者氨气泄漏而污染环境。瞬态温度修正是基于温度差进行修正，即利用发动机运行工况下排气温度与催化器下游温度差值来获得相应的修正系数，将修正系数与尿素基本需求量相乘获得修正后的尿素喷射量，图2为通过实验获取瞬态修正系数图。通过以上分析利用MATLAB/Simulink建立SCR系统开环控制模型，如图3所示。

2 喷射控制模型验证

基本思想：将催化器上游实际测量的量作为模型的输入，记录同一工况下模型对催化器下游NOx浓度实际值，并与理论值作比较，如误差控制在合理范围内则认为模型较为准确。图4为SCR系统实验台架，主要设备为废气分析仪(HORIBAMEXA-7500D)、傅里叶变换红外多组份分析仪(SESAM FTIR)、测功机、柴油机等，其中柴油机参数见表1。设实验取η=1 600 r/min，测得催化器入口温度T=380 ℃，氨氮比分别为0.5、0.7、0.9、1的尿素溶液，模型在ESC和ETC循环下仿真的结果如图5、图6所示。从图中可以看出ESC循环工况下NOx排放基本与理论值相一致，ETC循环工况变化剧烈时会产生一定误差，但都控制在5%以内，因此认为模型是准确的。

3 SCR系统软件层设计

代码自动生成是指在Simulink中建立模型通过Real-Time Workshop(RTW)生成可执行的C代码，RTW程序创建包括以下步骤：

(1)分析Simulink中模型的步进时间、参数设置以及各模块执行次序。RTW读取模型文件进行分析，形成中间描述文件。

(2)目标编译器(Target Language Compiler)将中间描述文件转换成指定的目标代码，目标编译器包含3个文件：①系统目标文件:模型转换成代码的主文件；②模块目标文件：将模块转换成代码；③函数库：支持代码生成的函数。这3个文件从中间描述文件读取信息，并转换成所需要的代码。

(3)生成自定义的Makefile以及生成可执行程序，Makefile文件为特定的目标环境所设计，RTW根据Makefile文件对描述模型配置的标识符进行扩展，最后生成可执行的C程序[7-8]。具体流程如图7所示。

微控制器选择的是16位单片机MC9S12XEP100芯片，其芯片资源丰富，同时具有低能耗、低成本、高工作频率以及功能集成等优点。微控制器底层负责管理系统的硬件资源，一方面向上层提供硬件资源调用服务的支持，另一方面实现系统硬件设备的驱动和诊断[9]。该层主要由IO驱动模块、通信驱动模块、存储驱动模块组成。IO驱动用来将模拟信号、脉冲信号以及数字信号转换成电信号，通信模块实现不同控制器之间信息交互，存储模块指片内存储驱动，如Flash驱动、EEPROM驱动等。各部分驱动模块相互独立，模块之间不能相互调用。RTW只对应用层控制逻辑模型生成可执行的代码，无法对单片机底层(I/O端口、CAN通信等)相关的模块生成代码，应用层与底层软件完全分割开。针对这一问题，手工编写I/O、A/D等底层驱动软件以及对硬件初始化，并在模型中加入对应的接口模块，整合生成的代码和底层编写的驱动，整合后的嵌入式代码为一循环程序，不断执行应用层模型生成的代码。同时需要注意模型仿真时的固定步长与单片机定时器时钟周期相同，模型中输入、输出变量及数据类型与所用单片机端口及数据类型对应。

如图8所示，SCR_code generation包含Simulink生成函数文件、变量文件以及函数头文件，根据SCR具体实现的功能编写底层驱动函数，将两者集成，完成SCR系统软件层的设计。

4 SCR实验验证

根据GB17691-2005，对柴油发动机第V阶段的排放要求按照欧洲稳态测试循环(ESC)和欧洲瞬态测试循环(ETC)对排气污染物进行台架检验[10]。本实验台的柴油机为直列四冲程四缸增压发动机，并采用了一定的机内净化技术，优化了燃烧，降低了原机的氮氧化物排放，但由于机内净化的作用有限，需要采用SCR后处理系统进行尾气净化，使排放满足标准要求。该型号柴油机主要设计参数见表1。实验前，首先将发动机预热并运行一定时间，确保发动机能正常工作并使各项性能趋于稳定；接着对柴油机进行原排测试及万有特性测试，标定尿素喷射量。

ESC是根据发动机实际运行时的工况，选定3个主要的排放区域，在3个排放控制区选择相应的3个转速，然后在这3个转速上各选择4个不同的负荷点，再加上一个怠速工况点，组成13个工况，取4种负荷各占总负荷的0%、25%、75%和100%，其转速为n=nL+η(nH-nL)，其中nL表示发动机最大净功率的50%时的转速，nH表示发动机最大净功率的70%时的转速，η为4种负荷各占总负荷的值，根据发动机外特性实验测得为nL=1 393 r/min，nH=3 353 r/min，因此可以得到13工况及其相关参数，如表2所示。

图9为ESC测试循环下各工况下NOx转化效率，由图可知发动机在怠速工况、工况9以及工况13其NOx的转化率较低，主要原因是发动机在怠速工况时排气温度较低，无法达到催化剂的起燃温度，不满足催化还原反应的发生条件。而另两个工况主要是由于此时发动机的负荷较低，NOx排放本来就比较低，再加上发动机转速较快，SCR催化器内的空速较高，减少了排气在载体内的反应时间，导致NOx转化率下降。其余工况NOx转化率良好，能达到国五排放标准。

ETC主要模拟3种路况时发动机的运行情况：市区工况、乡村工况和高速公路工况，每种路况测试600 s，整套测试循环时间为1 800 s，并且每一秒对应一个发动机工况。实测的瞬态循环如图10所示。

ETC循环测试的主要原理是利用空气先对发动机排气稀释，气体分析仪从稀释后的排气中抽样并对排气中的各类污染物进行检测。测试过程中，需要先测量并计算出柴油机的总排气流量，该值用来计算排气中各污染物的质量排放，最后计算得到各气体污染物的比排放数值。图11所示为柴油机ETC循环测试中催化转化器上游和下游NOx排放浓度随时间的变化情况，可以明显看出，催化器出口处排气中的NOx含量较催化器入口处明显下降，SCR系统的瞬态转化效果良好，基本满足国五标准。

表3列出了原机排放及装有SCR系统的排放物实验结果对比，可以看出装有SCR系统的NOx、HC、CO等排放均优于原机排放，并且低于国五标准排放限值，也表明基于Simulink快速原型开发可以用于柴油机后处理SCR系统控制器的开发，减少开发过程中错误率，缩短开发周期。  

5 结论

本文针对国五排放标准设计SCR系统控制器控制柴油车NOx排放，主要包括：

(1)分析SCR催化器内部NOx净化的原理，利用催化器中主要的化学反应以及能量守恒原理建立SCR系统催化器模型；并根据尿素开环控制策略，建立尿素稳态和瞬态模型。

(2)底层驱动函数的编写便于同一类芯片或不同类型芯片重复移植使用，大大降低开发周期；利用Simulink中一键生成代码并结合底层驱动函数，减少上层算法因手写代码而出现的错误。

(3)通过ESC和ETC实验来验证所设计的控制器是否满足国五标准要求，如果不满足则返回Simulink模型修改相关参数，这样能使排放达到最优状态。

(4)后期还可以在尿素喷射模型中加入反馈控制，实现其闭环控制，以满足更高标准的法规要求。