柴油车排气PM和NOx后处理集成控制单元的研究和设计

摘要

为了限制柴油机广泛应用所带来的日益严重汽车排气污染，相应的法规越来越严格，单一的后处理系统已不再可行，必须集成多种的后处理技术。DPF (Diesel Particulate Filter)能够减少柴油车90%以上的碳烟颗粒(PM)排放，SCR (Selective Catalytic Reduction)可使排气中氮氧化物(NOx)的转化效率高达95%，而柴油机的主要排放物分别是PM和NOx，DPF和SCR系统是未来柴油车后处理系统不可或缺的部件。目前，法规的更新超过技术的更新，导致后处理控制系统工作性能与预期存在差距，需对各后处理系统及其集成技术做深入研究。 基于对国内外现有先进DPF和SCR系统控制技术的分析，根据欧VI相应法规对PM和NOx的排放限值，选择DPF系统的再生控制系统，并设计了SCR控制软件层，使两者有机的组合。主要的研究内容如下： 1、柴油机后处理系统工作原理及开发方式的研究。阐述SCR系统基本工作原理及基本组成部件，分析其催化器内部的化学反应式，提出利用全自动代码生成方式开发其软件层；介绍DPF系统主、被动再生方式，根据国内实际情况选择其再生方法和再生时机；最后对世界统一测试循环和欧洲测试循环的测试条件进行对比研究。 2、利用MATLAB/Simulink开发控制器底层驱动。利用Simulink中S-Function函数开发MC9S12XEP100芯片底层通用模块，编写TLC(Target Language Compiler)文件实现自动代码生成功能，通过编写脚本实现目标系统配置、代码生成过程定制以及 Codewarrior 的调用，最后对各通用底层模块进行测试。 3、运用Simulink工具开发SCR系统软件层。对SCR系统应用层软件进行架构，并根据其控制策略，运用分模块化的设计思路，在 Simulink 中建立 SCR 系统状态判断模块、尿素基本喷射量和反馈修正模块、数据处理模块以及任务执行模块，分别实现对系统运行状态判断、基本尿素量的计算、SCR系统数据的采集和驱动执行器工作。 4、CAN 总线半实物仿真验证。分析整个系统代码生成的过程，编译并下载到开发板中完成SCR控制器设计；在CAN总线仿真软件中模拟发动机节点，通过向控制器发送发动机的相关信息来控制尿素计量泵相关动作，并在 CAN 总线仿真软件调试平台上观察尿素喷射量的变化。 5、后处理控制系统的台架实验。将所选择的DPF再生控制系统和自主开发SCR控制器进行有机的组合，在世界统一测试循环测试PM和NOx的排放，验证后处理系统是否满足欧VI的排放法规。试验结果表明，利用全自动代码设计的SCR控制系统与所选择的DPF控制系统有机组合，能实现PM再生的同时提高SCR系统NOx的转化效率，PM和NOx排放量均能控制在欧VI法规限值以内。

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