0 引言

    柴油機由于成本低被廣泛地用于長途客車、城市公交、農(nóng)用車等，但其NO_x和PM排放造成大氣污染嚴重以及相應(yīng)的國五標(biāo)準(zhǔn)對NO_x和PM的限制更加嚴格，因此國內(nèi)外學(xué)者圍繞柴油機后處理系統(tǒng)展開深入的研究。選擇性還原(SCR)系統(tǒng)因其能有效地控制柴油機的NO_x排放以及提高柴油機的燃油經(jīng)濟性被廣泛地研究與應(yīng)用^[1-2]，其原理是利用NH₃的還原反應(yīng)將尾氣中氮氧化物(NO_x)轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳等對大氣無污染的排放物。

    目前汽車上各類控制器采用快速原型開發(fā)，即利用MATLAB/Simulink對軟件層控制算法進行建模，利用Emebedded Coder工具箱生成軟件層可執(zhí)行代碼，原型開發(fā)縮短軟件開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。因此利用Simulink對輕型柴油車SCR系統(tǒng)控制器進行設(shè)計。

1 SCR控制策略及建模

    SCR催化器中由尿素溶液、氮氧化物(NO_x)、吸附態(tài)和氣態(tài)氨(NH₃)4種物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng)，在發(fā)動機正常工作的情況下，忽略其他影響較小的反應(yīng)，主要發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)：

    通過以上化學(xué)反應(yīng)可以得出SCR催化器內(nèi)部主要是氮氧化物、吸附態(tài)氨和氣態(tài)氨受催化器溫度影響動態(tài)變化的過程，根據(jù)能量守恒定律分別建立NO_x、氣態(tài)氨、存儲氨以及溫度模型，具體公式推導(dǎo)參考文獻[3]和文獻[4]，根據(jù)催化器輸入輸出量對所建立的模型進行組合，從而建立SCR催化器動態(tài)變化的模型。

    尿素噴射策略分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。閉環(huán)控制是根據(jù)催化器出口端安裝的氨傳感器或者氮氧傳感器反饋的信號對尿素噴射量進行修正。由于閉環(huán)控制技術(shù)實現(xiàn)難度大、成本高，同時開環(huán)控制可以滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)^[5-6]，因此采用開環(huán)控制來計算尿素的噴射量。設(shè)定催化器出口NO_x與NH₃摩爾質(zhì)量比為定值，尿素噴射控制通過CAN總線獲得發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩信息以及循環(huán)供油量等相關(guān)信息，通過調(diào)用原機NO_x排氣MAP圖、排氣質(zhì)量流量MAP圖獲得NOx質(zhì)量流量，并結(jié)合SCR催化器內(nèi)部主要的化學(xué)反應(yīng)式，獲得尿素基本需求量，并在MATLAB/Simulink中建立SCR系統(tǒng)尿素基本噴射量模型，圖1為尿素基本需求量計算原理，根據(jù)其原理圖在MATLAB/Simulink建立尿素基本噴射量模型。

    輕型柴油機運行工況復(fù)雜多變，在其瞬態(tài)運行工況下，催化器溫度不能立刻響應(yīng)因為發(fā)動機工況轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致其溫度升高或者降低，總會存在一定的滯后，因此必須對瞬態(tài)工況下尿素噴射量進行修正，防止尿素溶液噴射量不足或者過多噴射造成NO_x排放超標(biāo)或者氨氣泄漏而污染環(huán)境。瞬態(tài)溫度修正是基于溫度差進行修正，即利用發(fā)動機運行工況下排氣溫度與催化器下游溫度差值來獲得相應(yīng)的修正系數(shù)，將修正系數(shù)與尿素基本需求量相乘獲得修正后的尿素噴射量，圖2為通過實驗獲取瞬態(tài)修正系數(shù)圖。通過以上分析利用MATLAB/Simulink建立SCR系統(tǒng)開環(huán)控制模型，如圖3所示。

2 噴射控制模型驗證

    基本思想：將催化器上游實際測量的量作為模型的輸入，記錄同一工況下模型對催化器下游NO_x濃度實際值，并與理論值作比較，如誤差控制在合理范圍內(nèi)則認為模型較為準(zhǔn)確。圖4為SCR系統(tǒng)實驗臺架，主要設(shè)備為廢氣分析儀(HORIBAMEXA-7500D)、傅里葉變換紅外多組份分析儀(SESAM FTIR)、測功機、柴油機等，其中柴油機參數(shù)見表1。設(shè)實驗取η=1 600 r/min，測得催化器入口溫度T=380 ℃，氨氮比分別為0.5、0.7、0.9、1的尿素溶液，模型在ESC和ETC循環(huán)下仿真的結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖中可以看出ESC循環(huán)工況下NO_x排放基本與理論值相一致，ETC循環(huán)工況變化劇烈時會產(chǎn)生一定誤差，但都控制在5%以內(nèi)，因此認為模型是準(zhǔn)確的。

3 SCR系統(tǒng)軟件層設(shè)計

    代碼自動生成是指在Simulink中建立模型通過Real-Time Workshop(RTW)生成可執(zhí)行的C代碼，RTW程序創(chuàng)建包括以下步驟：

    (1)分析Simulink中模型的步進時間、參數(shù)設(shè)置以及各模塊執(zhí)行次序。RTW讀取模型文件進行分析，形成中間描述文件。

    (2)目標(biāo)編譯器(Target Language Compiler)將中間描述文件轉(zhuǎn)換成指定的目標(biāo)代碼，目標(biāo)編譯器包含3個文件：①系統(tǒng)目標(biāo)文件:模型轉(zhuǎn)換成代碼的主文件；②模塊目標(biāo)文件：將模塊轉(zhuǎn)換成代碼；③函數(shù)庫：支持代碼生成的函數(shù)。這3個文件從中間描述文件讀取信息，并轉(zhuǎn)換成所需要的代碼。

    (3)生成自定義的Makefile以及生成可執(zhí)行程序，Makefile文件為特定的目標(biāo)環(huán)境所設(shè)計，RTW根據(jù)Makefile文件對描述模型配置的標(biāo)識符進行擴展，最后生成可執(zhí)行的C程序^[7-8]。具體流程如圖7所示。

    微控制器選擇的是16位單片機MC9S12XEP100芯片，其芯片資源豐富，同時具有低能耗、低成本、高工作頻率以及功能集成等優(yōu)點。微控制器底層負責(zé)管理系統(tǒng)的硬件資源，一方面向上層提供硬件資源調(diào)用服務(wù)的支持，另一方面實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備的驅(qū)動和診斷^[9]。該層主要由IO驅(qū)動模塊、通信驅(qū)動模塊、存儲驅(qū)動模塊組成。IO驅(qū)動用來將模擬信號、脈沖信號以及數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電信號，通信模塊實現(xiàn)不同控制器之間信息交互，存儲模塊指片內(nèi)存儲驅(qū)動，如Flash驅(qū)動、EEPROM驅(qū)動等。各部分驅(qū)動模塊相互獨立，模塊之間不能相互調(diào)用。RTW只對應(yīng)用層控制邏輯模型生成可執(zhí)行的代碼，無法對單片機底層(I/O端口、CAN通信等)相關(guān)的模塊生成代碼，應(yīng)用層與底層軟件完全分割開。針對這一問題，手工編寫I/O、A/D等底層驅(qū)動軟件以及對硬件初始化，并在模型中加入對應(yīng)的接口模塊，整合生成的代碼和底層編寫的驅(qū)動，整合后的嵌入式代碼為一循環(huán)程序，不斷執(zhí)行應(yīng)用層模型生成的代碼。同時需要注意模型仿真時的固定步長與單片機定時器時鐘周期相同，模型中輸入、輸出變量及數(shù)據(jù)類型與所用單片機端口及數(shù)據(jù)類型對應(yīng)。

    如圖8所示，SCR_code generation包含Simulink生成函數(shù)文件、變量文件以及函數(shù)頭文件，根據(jù)SCR具體實現(xiàn)的功能編寫底層驅(qū)動函數(shù)，將兩者集成，完成SCR系統(tǒng)軟件層的設(shè)計。

4 SCR實驗驗證

    根據(jù)GB17691-2005，對柴油發(fā)動機第V階段的排放要求按照歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(ESC)和歐洲瞬態(tài)測試循環(huán)(ETC)對排氣污染物進行臺架檢驗^[10]。本實驗臺的柴油機為直列四沖程四缸增壓發(fā)動機，并采用了一定的機內(nèi)凈化技術(shù)，優(yōu)化了燃燒，降低了原機的氮氧化物排放，但由于機內(nèi)凈化的作用有限，需要采用SCR后處理系統(tǒng)進行尾氣凈化，使排放滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該型號柴油機主要設(shè)計參數(shù)見表1。實驗前，首先將發(fā)動機預(yù)熱并運行一定時間，確保發(fā)動機能正常工作并使各項性能趨于穩(wěn)定；接著對柴油機進行原排測試及萬有特性測試，標(biāo)定尿素噴射量。

    ESC是根據(jù)發(fā)動機實際運行時的工況，選定3個主要的排放區(qū)域，在3個排放控制區(qū)選擇相應(yīng)的3個轉(zhuǎn)速，然后在這3個轉(zhuǎn)速上各選擇4個不同的負荷點，再加上一個怠速工況點，組成13個工況，取4種負荷各占總負荷的0%、25%、75%和100%，其轉(zhuǎn)速為n=n_L+η(n_H-n_L)，其中n_L表示發(fā)動機最大凈功率的50%時的轉(zhuǎn)速，n_H表示發(fā)動機最大凈功率的70%時的轉(zhuǎn)速，η為4種負荷各占總負荷的值，根據(jù)發(fā)動機外特性實驗測得為n_L=1 393 r/min，n_H=3 353 r/min，因此可以得到13工況及其相關(guān)參數(shù)，如表2所示。

    圖9為ESC測試循環(huán)下各工況下NOx轉(zhuǎn)化效率，由圖可知發(fā)動機在怠速工況、工況9以及工況13其NO_x的轉(zhuǎn)化率較低，主要原因是發(fā)動機在怠速工況時排氣溫度較低，無法達到催化劑的起燃溫度，不滿足催化還原反應(yīng)的發(fā)生條件。而另兩個工況主要是由于此時發(fā)動機的負荷較低，NO_x排放本來就比較低，再加上發(fā)動機轉(zhuǎn)速較快，SCR催化器內(nèi)的空速較高，減少了排氣在載體內(nèi)的反應(yīng)時間，導(dǎo)致NO_x轉(zhuǎn)化率下降。其余工況NO_x轉(zhuǎn)化率良好，能達到國五排放標(biāo)準(zhǔn)。

    ETC主要模擬3種路況時發(fā)動機的運行情況：市區(qū)工況、鄉(xiāng)村工況和高速公路工況，每種路況測試600 s，整套測試循環(huán)時間為1 800 s，并且每一秒對應(yīng)一個發(fā)動機工況。實測的瞬態(tài)循環(huán)如圖10所示。

    ETC循環(huán)測試的主要原理是利用空氣先對發(fā)動機排氣稀釋，氣體分析儀從稀釋后的排氣中抽樣并對排氣中的各類污染物進行檢測。測試過程中，需要先測量并計算出柴油機的總排氣流量，該值用來計算排氣中各污染物的質(zhì)量排放，最后計算得到各氣體污染物的比排放數(shù)值。圖11所示為柴油機ETC循環(huán)測試中催化轉(zhuǎn)化器上游和下游NO_x排放濃度隨時間的變化情況，可以明顯看出，催化器出口處排氣中的NO_x含量較催化器入口處明顯下降，SCR系統(tǒng)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)化效果良好，基本滿足國五標(biāo)準(zhǔn)。

    表3列出了原機排放及裝有SCR系統(tǒng)的排放物實驗結(jié)果對比，可以看出裝有SCR系統(tǒng)的NOx、HC、CO等排放均優(yōu)于原機排放，并且低于國五標(biāo)準(zhǔn)排放限值，也表明基于Simulink快速原型開發(fā)可以用于柴油機后處理SCR系統(tǒng)控制器的開發(fā)，減少開發(fā)過程中錯誤率，縮短開發(fā)周期。  

5 結(jié)論

    本文針對國五排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計SCR系統(tǒng)控制器控制柴油車NO_x排放，主要包括：

    (1)分析SCR催化器內(nèi)部NO_x凈化的原理，利用催化器中主要的化學(xué)反應(yīng)以及能量守恒原理建立SCR系統(tǒng)催化器模型；并根據(jù)尿素開環(huán)控制策略，建立尿素穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模型。

    (2)底層驅(qū)動函數(shù)的編寫便于同一類芯片或不同類型芯片重復(fù)移植使用，大大降低開發(fā)周期；利用Simulink中一鍵生成代碼并結(jié)合底層驅(qū)動函數(shù)，減少上層算法因手寫代碼而出現(xiàn)的錯誤。

    (3)通過ESC和ETC實驗來驗證所設(shè)計的控制器是否滿足國五標(biāo)準(zhǔn)要求，如果不滿足則返回Simulink模型修改相關(guān)參數(shù)，這樣能使排放達到最優(yōu)狀態(tài)。

    (4)后期還可以在尿素噴射模型中加入反饋控制，實現(xiàn)其閉環(huán)控制，以滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)要求。

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