0 引言

柴油機(jī)由于成本低被廣泛地用于長(zhǎng)途客車、城市公交、農(nóng)用車等，但其NOx和PM排放造成大氣污染嚴(yán)重以及相應(yīng)的國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NOx和PM的限制更加嚴(yán)格，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞柴油機(jī)后處理系統(tǒng)展開(kāi)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(jī)的NOx排放以及提高柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)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(NOx)轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳等對(duì)大氣無(wú)污染的排放物。

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

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(dòng)機(jī)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(guò)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(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，根據(jù)能量守恒定律分別建立NOx、氣態(tài)氨、存儲(chǔ)氨以及溫度模型，具體公式推導(dǎo)參考文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]，根據(jù)催化器輸入輸出量對(duì)所建立的模型進(jìn)行組合，從而建立SCR催化器動(dòng)態(tài)變化的模型。

尿素噴射策略分為開(kāi)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(hào)對(duì)尿素噴射量進(jìn)行修正。由于閉環(huán)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大、成本高，同時(shí)開(kāi)環(huán)控制可以滿足國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，因此采用開(kāi)環(huán)控制來(lái)計(jì)算尿素的噴射量。設(shè)定催化器出口NOx與NH3摩爾質(zhì)量比為定值，尿素噴射控制通過(guò)CAN總線獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩信息以及循環(huán)供油量等相關(guān)信息，通過(guò)調(diào)用原機(jī)NOx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(jì)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(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜多變，在其瞬態(tài)運(yùn)行工況下，催化器溫度不能立刻響應(yīng)因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工況轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致其溫度升高或者降低，總會(huì)存在一定的滯后，因此必須對(duì)瞬態(tài)工況下尿素噴射量進(jìn)行修正，防止尿素溶液噴射量不足或者過(guò)多噴射造成NOx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(jìn)行修正，即利用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下排氣溫度與催化器下游溫度差值來(lái)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(guò)實(shí)驗(yàn)獲取瞬態(tài)修正系數(shù)圖。通過(guò)以上分析利用MATLAB/Simulink建立SCR系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制模型，如圖3所示。

2 噴射控制模型驗(yàn)證

基本思想：將催化器上游實(shí)際測(cè)量的量作為模型的輸入，記錄同一工況下模型對(duì)催化器下游NOx濃度實(shí)際值，并與理論值作比較，如誤差控制在合理范圍內(nèi)則認(rèn)為模型較為準(zhǔn)確。圖4為SCR系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(cè)功機(jī)、柴油機(jī)等，其中柴油機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。設(shè)實(shí)驗(yàn)取η=1 600 r/min，測(cè)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NOx排放基本與理論值相一致，ETC循環(huán)工況變化劇烈時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定誤差，但都控制在5%以內(nèi)，因此認(rèn)為模型是準(zhǔn)確的。

3 SCR系統(tǒng)軟件層設(shè)計(jì)

代碼自動(dòng)生成是指在Simulink中建立模型通過(guò)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(jìn)時(shí)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(jìn)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(gè)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(kù)：支持代碼生成的函數(shù)。這3個(gè)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(jì)，RTW根據(jù)Makefile文件對(duì)描述模型配置的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行擴(kuò)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(jī)MC9S12XEP100芯片，其芯片資源豐富，同時(shí)具有低能耗、低成本、高工作頻率以及功能集成等優(yōu)點(diǎn)。微控制器底層負(fù)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和診斷[9]。該層主要由IO驅(qū)動(dòng)模塊、通信驅(qū)動(dòng)模塊、存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)模塊組成。IO驅(qū)動(dòng)用來(lái)將模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通信模塊實(shí)現(xiàn)不同控制器之間信息交互，存儲(chǔ)模塊指片內(nèi)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)，如Flash驅(qū)動(dòng)、EEPROM驅(qū)動(dòng)等。各部分驅(qū)動(dòng)模塊相互獨(dú)立，模塊之間不能相互調(diào)用。RTW只對(duì)應(yīng)用層控制邏輯模型生成可執(zhí)行的代碼，無(wú)法對(duì)單片機(jī)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(kāi)。針對(duì)這一問(wèn)題，手工編寫I/O、A/D等底層驅(qū)動(dòng)軟件以及對(duì)硬件初始化，并在模型中加入對(duì)應(yīng)的接口模塊，整合生成的代碼和底層編寫的驅(qū)動(dòng)，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(shí)需要注意模型仿真時(shí)的固定步長(zhǎng)與單片機(jī)定時(shí)器時(shí)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(jī)端口及數(shù)據(jù)類型對(duì)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(shí)現(xiàn)的功能編寫底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)，將兩者集成，完成SCR系統(tǒng)軟件層的設(shè)計(jì)。

4 SCR實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)GB17691-2005，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)第V階段的排放要求按照歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)(ESC)和歐洲瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(ETC)對(duì)排氣污染物進(jìn)行臺(tái)架檢驗(yàn)[10]。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的柴油機(jī)為直列四沖程四缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，并采用了一定的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，優(yōu)化了燃燒，降低了原機(jī)的氮氧化物排放，但由于機(jī)內(nèi)凈化的作用有限，需要采用SCR后處理系統(tǒng)進(jìn)行尾氣凈化，使排放滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該型號(hào)柴油機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)前，首先將發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱并運(yùn)行一定時(shí)間，確保發(fā)動(dòng)機(jī)能正常工作并使各項(xiàng)性能趨于穩(wěn)定；接著對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行原排測(cè)試及萬(wàn)有特性測(cè)試，標(biāo)定尿素噴射量。

ESC是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況，選定3個(gè)主要的排放區(qū)域，在3個(gè)排放控制區(qū)選擇相應(yīng)的3個(gè)轉(zhuǎn)速，然后在這3個(gè)轉(zhuǎn)速上各選擇4個(gè)不同的負(fù)荷點(diǎn)，再加上一個(gè)怠速工況點(diǎn)，組成13個(gè)工況，取4種負(fù)荷各占總負(fù)荷的0%、25%、75%和100%，其轉(zhuǎn)速為n=nL+η(nH-nL)，其中nL表示發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈功率的50%時(shí)的轉(zhuǎn)速，nH表示發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈功率的70%時(shí)的轉(zhuǎn)速，η為4種負(fù)荷各占總負(fù)荷的值，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)測(cè)得為nL=1 393 r/min，nH=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(cè)試循環(huán)下各工況下NOx轉(zhuǎn)化效率，由圖可知發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況、工況9以及工況13其NOx的轉(zhuǎn)化率較低，主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況時(shí)排氣溫度較低，無(wú)法達(dá)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(gè)工況主要是由于此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷較低，NOx排放本來(lái)就比較低，再加上發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間，導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化率下降。其余工況NOx轉(zhuǎn)化率良好，能達(dá)到國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)。

ETC主要模擬3種路況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(cè)試600 s，整套測(cè)試循環(huán)時(shí)間為1 800 s，并且每一秒對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況。實(shí)測(cè)的瞬態(tài)循環(huán)如圖10所示。

ETC循環(huán)測(cè)試的主要原理是利用空氣先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣稀釋，氣體分析儀從稀釋后的排氣中抽樣并對(duì)排氣中的各類污染物進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試過(guò)程中，需要先測(cè)量并計(jì)算出柴油機(jī)的總排氣流量，該值用來(lái)計(jì)算排氣中各污染物的質(zhì)量排放，最后計(jì)算得到各氣體污染物的比排放數(shù)值。圖11所示為柴油機(jī)ETC循環(huán)測(cè)試中催化轉(zhuǎn)化器上游和下游NOx排放濃度隨時(shí)間的變化情況，可以明顯看出，催化器出口處排氣中的NOx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(guó)五標(biāo)準(zhǔn)。

表3列出了原機(jī)排放及裝有SCR系統(tǒng)的排放物實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以看出裝有SCR系統(tǒng)的NOx、HC、CO等排放均優(yōu)于原機(jī)排放，并且低于國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)排放限值，也表明基于Simulink快速原型開(kāi)發(fā)可以用于柴油機(jī)后處理SCR系統(tǒng)控制器的開(kāi)發(fā)，減少開(kāi)發(fā)過(guò)程中錯(cuò)誤率，縮短開(kāi)發(fā)周期。

5 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)SCR系統(tǒng)控制器控制柴油車NOx排放，主要包括：

(1)分析SCR催化器內(nèi)部NOx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(kāi)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(dòng)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(kāi)發(fā)周期；利用Simulink中一鍵生成代碼并結(jié)合底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)，減少上層算法因手寫代碼而出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

(3)通過(guò)ESC和ETC實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器是否滿足國(guó)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(dá)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(shí)現(xiàn)其閉環(huán)控制，以滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)要求。