Ulusal V Standardında Hafif Dizel Araçlar için SCR Sistem Kontrolörü Tasarımı
Bao Ning, Liu Jun, Cai Xiaoyang, Chen Zhi
(Otomobil ve Trafik Mühendisliği Okulu, Jiangsu Üniversitesi, Zhenjiang, Jiangsu 212013)
Ulusal V emisyon standartları ülke çapında uygulandıkça, dizel araç son işlem sistemleri için gereklilikler giderek daha katı hale geliyor. Ulusal beş standarda göre indirgeme katalizörü (SCR) sistem denetleyicisini tasarlayın ve seçin. Ana yöntem, SCR sistemi üre enjeksiyon kontrol stratejisini incelemek, SCR sistemi katalizör modelini ve MATLAB / Simulink'te açık döngü kontrol sistemi modelini oluşturmak ve deneyler yoluyla kontrol modelini doğrulamaktır. Algoritma katman kodu MATLAB / Simulink tarafından otomatik olarak oluşturulur; ayrıca SCR sisteminin yazılım katmanı tasarımı, ilgili alt modüllerin yazılması ve algoritma katmanına bağlanması için aktarılmasıyla gerçekleştirilir. Son olarak, tasarlanan SCR kontrolörü, SCR sistemi ile donatılmış dizel motor üzerinde Avrupa Test Kararlı Durum Döngüsü (ESC) ve Avrupa Geçici Test Döngüsü (ETC) kapsamında test edilir.
SCR sistemi katalizör modeli; açık döngü kontrol sistemi modeli; alt modül; ESC; ETC
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: U27
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.172607
Çince alıntı biçimi: Bao Ning, Liu Jun, Cai Xiaoyang ve diğerleri.Ulusal V Standardı Hafif Hizmet Dizel Araçlar için SCR Sistem Denetleyicisinin Tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (2): 27-31.
İngilizce alıntı biçimi: Bao Ning, Liu Jun, Cai Xiaoyang, et al.Hafif dizel araçta ulusal beşinci emisyon standardı için SCR denetleyicisinin tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (2): 27-31.
0 Önsöz
Dizel motorlar, düşük maliyetleri nedeniyle uzun yol otobüslerinde, şehir içi otobüslerde, tarım araçlarında vb. Yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak NOx ve PM emisyonları ciddi hava kirliliğine neden olmaktadır ve buna karşılık gelen Ulusal V standartları NOx ve PM üzerinde daha katı kısıtlamalara sahiptir.Bu nedenle, yerli ve yabancı bilim adamları dizel motorlara odaklanmaktadır. İşlem sonrası sistem derinlemesine araştırma yaptı. Seçici indirgeme (SCR) sistemi, dizel motorların NOx emisyonlarını etkin bir şekilde kontrol edebildiği ve dizel motorların yakıt ekonomisini iyileştirebildiği için geniş çapta çalışılmış ve uygulanmıştır. İlkesi, egzoz gazındaki nitrojen oksitleri (NOx) dönüşüme dönüştürmek için NH3'ün indirgeme reaksiyonunu kullanmaktır. Su ve karbondioksit gibi atmosferi kirletmeyen emisyonlar.
Şu anda, otomobillerdeki çeşitli kontrolörler hızlı prototiplemeyi benimsiyor, yani yazılım düzeyinde kontrol algoritmasını modellemek için MATLAB / Simulink'i kullanıyor ve yazılım düzeyinde yürütülebilir kod oluşturmak için Gömülü Kodlayıcı araç kutusunu kullanıyor.Prototip geliştirme, yazılım geliştirme döngüsünü kısaltır ve geliştirme maliyetlerini düşürür. Bu nedenle Simulink, hafif dizel araçların SCR sistem kontrolörünü tasarlamak için kullanılır.
1 SCR kontrol stratejisi ve modelleme
SCR katalizöründe dört madde, üre çözeltisi, nitrojen oksitler (NOx), adsorbe edilmiş ve gaz halindeki amonyak (NH3) kimyasal reaksiyonlara katılır.Motor normal çalışırken, daha az etkili diğer reaksiyonlar göz ardı edilir ve aşağıdaki kimya esas olarak gerçekleşir reaksiyon:
Yukarıdaki kimyasal reaksiyonlar yoluyla, SCR katalizörünün iç kısmının, katalizörün sıcaklığından etkilenen esas olarak nitrojen oksitler, adsorbe edilmiş amonyak ve gaz halindeki amonyak olduğu sonucuna varılabilir.NOx, gazlı amonyak, depolanmış amonyak ve sıcaklık modelleri, enerjinin korunumu yasasına göre oluşturulmuştur. Spesifik formül referanslardan ve belgelerden türetilmiştir ve oluşturulan modeller, SCR katalitik konvertörün dinamik değişiminin bir modelini oluşturmak için katalitik konvertörün giriş ve çıkışına göre birleştirilir.
Üre enjeksiyon stratejisi, açık döngü kontrolü ve kapalı döngü kontrolü olarak ikiye ayrılır. Kapalı döngü kontrolü, üre enjeksiyon hacmini, amonyak sensörünün geri besleme sinyaline veya katalizörün çıkışına takılan nitrojen oksijen sensörüne göre düzeltmektir. Kapalı döngü kontrol teknolojisinin uygulanması zor ve maliyetli olduğundan ve açık döngü kontrolü Ulusal V emisyon standartlarını karşılayabildiğinden, üre enjeksiyon hacmini hesaplamak için açık döngü kontrolü kullanılır. Katalitik konvertörün çıkışında NOx'in NH3'e molar kütle oranını sabit bir değer olarak ayarlayın.Üre enjeksiyon kontrolü, motor devrini, tork bilgisini ve sirküle edilen yakıt besleme bilgilerini CAN veriyolu üzerinden alır ve orijinal NOx egzoz MAP haritasını ve egzoz kalitesini çağırır Akış MAP diyagramı NOx'in kütle akışını elde eder ve temel üre talebini elde etmek için SCR katalizörü içindeki ana kimyasal reaksiyon formüllerini birleştirir ve MATLAB / Simulink'te SCR sisteminin temel üre enjeksiyon hacmi modelini oluşturur.Şekil 1, temel üre talebinin hesaplama ilkesini gösterir MATLAB / Simulink'te şematik diyagramına göre üre için temel enjeksiyon hacmi modelini oluşturun.
Hafif hizmet dizel motorların çalışma koşulları karmaşık ve değişkendir.Geçici çalışma koşulları altında, katalitik konvertörün sıcaklığı, motor çalışma koşullarının değişmesi nedeniyle sıcaklığının artması veya azalmasına anında yanıt veremez. Her zaman belirli bir gecikme olacaktır, bu nedenle olmalıdır Çalışma koşulları altında, üre enjeksiyon hacmi, aşırı NOx emisyonlarına veya amonyak sızıntısına neden olmak ve çevreyi kirletmek için yetersiz veya aşırı üre çözeltisinin enjeksiyonunu önlemek için düzeltilir. Geçici sıcaklık düzeltmesi, sıcaklık farkına dayanır, yani, motorun çalışma koşulları altında egzoz sıcaklığı ile katalitik konvertörün çıkış sıcaklığı arasındaki fark, karşılık gelen düzeltme katsayısını elde etmek için kullanılır ve düzeltme katsayısı, düzeltilmiş üreyi elde etmek için temel üre talebi ile çarpılır. Enjeksiyon hacmi, Şekil 2, deneyler yoluyla elde edilen geçici düzeltme katsayılarının bir grafiğidir. Yukarıdaki analiz aracılığıyla, Şekil 3'te gösterildiği gibi, SCR sisteminin bir açık döngü kontrol modelini oluşturmak için MATLAB / Simulink'i kullanın.
2 Enjeksiyon kontrol modelinin doğrulanması
Temel fikir: Modelin girdisi olarak katalitik konvertörün yukarı akışındaki gerçek ölçülen miktarı alın, aynı çalışma koşulunda katalitik konvertörün aşağı akışındaki NOx konsantrasyonunun gerçek değerini kaydedin ve teorik değerle karşılaştırın.Hata makul bir aralıkta kontrol edilirse, model daha doğru kabul edilir . Şekil 4, SCR sistemi test tezgahını göstermektedir. Ana ekipman egzoz gazı analizörü (HORIBAMEXA-7500D), Fourier dönüşümlü kızılötesi çok bileşenli analizör (SESAM FTIR), dinamometre, dizel motor vb. Dizel motor parametreleri Tablo 1'de gösterilmiştir. Deneyin = 1600 dev / dak, ölçülen katalizör giriş sıcaklığı T = 380 , amonyak nitrojen oranının 0,5, 0,7, 0,9, 1 üre çözeltisi aldığını, modelin ESC ve ETC döngüleri altındaki simülasyon sonuçlarının Şekil 5'de gösterildiğini varsayalım. , Şekil 6'da gösterildiği gibi. ESC döngüsü altındaki NOx emisyonunun temelde teorik değerle tutarlı olduğu şekilden görülebilir.ETC döngüsü büyük ölçüde değiştiğinde, belirli bir hata meydana gelecektir, ancak tümü% 5 içinde kontrol edilir, bu nedenle model doğru kabul edilir.
3 SCR sistemi yazılım katmanı tasarımı
Otomatik kod oluşturma, Gerçek Zamanlı Atölye (RTW) aracılığıyla yürütülebilir C kodu üretmek için Simulink'te modellerin oluşturulmasını ifade eder.RTW programlarının oluşturulması aşağıdaki adımları içerir:
(1) Simulink'teki her modülün adım süresini, parametre ayarlarını ve yürütme sırasını analiz edin. RTW, analiz için model dosyasını okur ve bir ara açıklama dosyası oluşturur.
(2) Hedef dil derleyici (Hedef Dil Derleyici) ara açıklama dosyasını belirtilen hedef koda dönüştürür.Hedef derleyici 3 dosya içerir: Sistem hedef dosyası: modeli koda dönüştürmek için ana dosya; Modül hedef dosyası: modül Koda dönüştürüldü; Fonksiyon kütüphanesi: kod oluşturmayı destekleyen fonksiyonlar. Bu 3 dosya, ara açıklama dosyasından bilgileri okur ve gerekli koda dönüştürür.
(3) Özel bir Makefile oluşturun ve çalıştırılabilir bir program oluşturun.Makefile, belirli bir hedef ortam için tasarlanmıştır.RTW, Makefile'a göre model yapılandırmasını tanımlayan tanımlayıcıyı genişletir ve son olarak çalıştırılabilir bir C programı oluşturur. Spesifik süreç Şekil 7'de gösterilmektedir.
Mikrodenetleyicinin seçtiği şey, çip kaynakları açısından zengin olan ve düşük enerji tüketimi, düşük maliyet, yüksek çalışma frekansı ve işlevsel entegrasyon avantajlarına sahip 16 bit mikro denetleyici MC9S12XEP100 yongasıdır. Mikrodenetleyicinin alt katmanı, sistemin donanım kaynaklarının yönetilmesinden sorumludur.Bir yandan üst katmana donanım kaynak çağırma hizmetlerine destek sağlarken, diğer yandan sistem donanım aygıtlarının sürücü ve tanılamasını gerçekleştirir. Bu katman temel olarak IO sürücü modülü, iletişim sürücü modülü ve depolama sürücüsü modülünden oluşur. IO sürücüsü, analog sinyalleri, darbe sinyallerini ve dijital sinyalleri elektrik sinyallerine dönüştürmek için kullanılır. İletişim modülü, farklı denetleyiciler arasında bilgi etkileşimi uygular. Depolama modülü, Flash sürücü, EEPROM sürücüsü vb. Gibi yonga üzerinde depolama sürücüsünü ifade eder. Sürücü modülünün her bir parçası birbirinden bağımsızdır ve modüller birbirini arayamaz. RTW yalnızca uygulama katmanının kontrol mantık modeli için çalıştırılabilir kod üretir ve mikro denetleyicinin alt katmanıyla ilgili modüller için kod üretemez (G / Ç bağlantı noktası, CAN iletişimi, vb.) Uygulama katmanı, alt katman yazılımından tamamen ayrılmıştır. Bu soruna yanıt olarak, I / O, A / D ve diğer düşük seviyeli sürücü yazılımlarını manuel olarak yazın ve donanımı başlatın ve ilgili arayüz modülünü modele ekleyin, oluşturulan kodu ve alt kısımda yazılan sürücüyü entegre edin ve entegre gömülü kod Uygulama katmanı modeli tarafından üretilen kodu sürekli olarak yürüten bir döngü programı. Aynı zamanda, model simülasyonu sırasında sabit adım uzunluğunun, tek çipli zamanlayıcının saat döngüsü ile aynı olduğu ve modeldeki giriş ve çıkış değişkenleri ve veri türlerinin, kullanılan tek çipli mikrobilgisayarın portlarına ve veri türlerine karşılık geldiğine dikkat edilmelidir.
Şekil 8'de gösterildiği gibi, SCR kodu oluşturma, Simulink tarafından oluşturulan işlev dosyalarını, değişken dosyaları ve işlev başlık dosyalarını içerir Altta yatan sürücü işlevleri, SCR tarafından uygulanan işlevlere göre yazılır ve ikisi, SCR sistem yazılım katmanının tasarımını tamamlamak için entegre edilir.
4 SCR deneysel doğrulama
GB17691-2005'e göre, kademe V dizel motorların emisyon gereksinimleri, Avrupa Kararlı Durum Test Döngüsü (ESC) ve Avrupa Geçici Test Döngüsü'ne (ETC) göre test edilir. Bu test tezgahının dizel motoru, sıralı dört zamanlı, dört silindirli süper şarjlı bir motordur ve yanmayı optimize etmek ve orijinal motorun nitrojen oksit emisyonlarını azaltmak için belirli uçuş sırasında arıtma teknolojisini kullanır.Ancak, uçuş sırasında arıtmanın sınırlı etkisi nedeniyle, benimsenmesi gerekir. SCR son işlem sistemi, emisyonun standart gereksinimleri karşılaması için egzoz gazını arındırır. Bu tip dizel motorun ana tasarım parametreleri Tablo 1'de gösterilmektedir. Deneyden önce, önce motoru ısıtın ve motorun normal çalışıp çeşitli performansları stabilize etmesini sağlamak için belirli bir süre çalıştırın; daha sonra dizel motor, üre enjeksiyon hacmini kalibre etmek için orijinal egzoz ve evrensel özellikler açısından test edilir.
ESC, motorun gerçek çalışma koşullarına göre 3 ana emisyon alanı seçer, 3 emisyon kontrol alanında karşılık gelen 3 hızı seçer ve ardından bu 3 hızın her biri için 4 farklı yük noktası seçer ve ardından 13 çalışma koşulu oluşturmak için bir rölanti çalışma noktası ekleyin.Toplam yükün% 0,% 25,% 75 ve% 100'ünü oluşturmak için 4 tür yük alın ve hız n = nL + (nH-nL), burada nL, motorun maksimum net gücünün% 50'sindeki hızı temsil eder, nH, motorun maksimum net gücünün% 70'indeki hızı temsil eder ve , toplam yükteki dört yükten her birinin değeridir. Harici motor özellikleri testine göre, nL = 1393 r / dak, nH = 3353 dev / dak, bu nedenle Tablo 2'de gösterildiği gibi 13 çalışma koşulu ve ilgili parametre elde edilebilir.
Şekil 9, ESC test çevrimi altında her çalışma koşulunda NOx dönüşüm verimliliğini göstermektedir.Rölanti koşullarında, çalışma koşullarında 9 ve 13 motorun NOx dönüşüm oranının düşük olduğu şekilden görülmektedir.Başlıca nedeni, motor rölantide iken motorun egzoz vermesidir. Sıcaklık düşüktür, katalizörün ateşleme sıcaklığına ulaşılamaz ve katalitik indirgeme reaksiyonu için koşullar karşılanmaz. Diğer iki çalışma koşulu, o andaki düşük motor yükü ve doğal olarak düşük NOx emisyonlarından kaynaklanmaktadır.Ayrıca, motor hızı daha hızlıdır ve SCR katalizöründeki hava hızı daha yüksektir, bu da taşıyıcıdaki egzoz gazını azaltır. Reaksiyon süresi NOx dönüşüm oranının düşmesine neden olur. Diğer çalışma koşullarında NOx dönüşüm oranı iyidir ve ulusal beş emisyon standardını karşılayabilir.
ETC temel olarak motorun çalışma koşullarını üç yol koşulunda simüle eder: şehir içi çalışma koşulları, kırsal çalışma koşulları ve otoyol çalışma koşulları Her yol koşulu 600 s için test edilir ve tüm test döngüsü süresi 1.800 s'dir ve her saniye bir motor çalışma durumuna karşılık gelir. durum. Ölçülen geçici döngü Şekil 10'da gösterilmektedir.
ETC döngü testinin ana prensibi, önce motor egzozunu seyreltmek için hava kullanmaktır ve gaz analizörü seyreltilmiş egzoz gazını örnekleyecek ve egzoz gazındaki çeşitli kirleticileri tespit edecektir. Test sırasında dizel motorun toplam egzoz debisi ölçülmeli ve hesaplanmalıdır.Bu değer, egzozdaki çeşitli kirleticilerin kütle emisyonunu hesaplamak için kullanılır ve son olarak her bir gaz kirleticinin spesifik emisyon değeri hesaplanır. Şekil 11, dizel motor ETC döngüsü testinde katalitik konvertörün yukarı ve aşağı akışındaki NOx emisyon konsantrasyonundaki değişimi göstermektedir. Katalizörün çıkışındaki egzozdaki NOx içeriğinin katalizörün girişindekinden önemli ölçüde daha düşük olduğu açıkça görülebilir. SCR sistemi Geçici dönüşüm etkisi iyidir ve temelde ulusal beş standardı karşılar.
Tablo 3, orijinal motor emisyonlarını ve emisyonların deneysel sonuçlarının SCR sistemi ile karşılaştırılmasını listelemektedir.SCR sisteminin NOx, HC, CO ve diğer emisyonlarının orijinal motor emisyonlarından daha iyi olduğu ve ulusal beş standart emisyon limitlerinden daha düşük olduğu görülebilir. Değer aynı zamanda Simulink'e dayalı hızlı prototiplemenin, dizel motor son işlem SCR sistem kontrolörlerinin geliştirilmesi için kullanılabileceğini, geliştirme sürecinde hata oranının azaltılmasının ve geliştirme döngüsünün kısaltılmasının mümkün olduğunu göstermektedir.
5. Sonuç
Bu makale, aşağıdakileri içeren ulusal beş emisyon standardına göre dizel araçların NOx emisyonlarını kontrol etmek için SCR sistem kontrolörünü tasarlar:
(1) SCR katalizörünün içindeki NOx saflaştırma prensibini analiz edin, katalizördeki ana kimyasal reaksiyonları ve enerji tasarrufu prensibini kullanarak SCR sistemi katalizör modelini oluşturun ve üre açık döngü kontrol stratejisine göre üre kararlı durum ve geçici modelleri oluşturun.
(2) Düşük seviyeli sürücü işlevlerinin yazılması, aynı tür yongaların veya farklı yongaların tekrar tekrar transplantasyonunu kolaylaştırarak geliştirme döngüsünü büyük ölçüde azaltır; Tek tıklamayla kod oluşturmak için Simulink'i kullanmak ve el yazısı kod nedeniyle üst düzey algoritmadaki hataları azaltmak için alttaki sürücü işlevlerini birleştirmek.
(3) Tasarlanan kontrolörün Ulusal Beş Standardın gerekliliklerini karşılayıp karşılamadığını doğrulamak için ESC ve ETC deneylerini kullanın. Değilse, emisyonun optimal duruma ulaşabilmesi için ilgili parametreleri değiştirmek için Simulink modeline geri dönün.
(4) Daha sonraki aşamada, daha yüksek yönetmelik standartlarını karşılamak için kapalı döngü kontrolünü gerçekleştirmek için üre enjeksiyon modeline geri bildirim kontrolü eklenebilir.
Referanslar
DE-LA-TORREA U, PEREDA-AYOA B.NH3 ile seçici katalitik indirgeme yoluyla NOx giderimi için Cu-zeolit katalizörleri ve dizel motor egzoz son işlem sistemlerinde NO depolama / indirgeme monolitine bağlanmıştır. Uygulamalı Kataliz B: Çevre, 2016, 15 (187) : 419-427.
Chen Ming, WILLIAMS S. SCR-egzoz son işlem sistemlerinin modellenmesi ve optimizasyonu SAE 2005 Dünya Kongresi ve Sergisi, 2005.
Yang Chenghong. Ağır hizmet tipi dizel motorlar için SCR katalizörünün kontrol modeli üzerine araştırma Changchun: Jilin Üniversitesi, 2011.
Zhang Jianrui. Ağır Dizel Motorun SCR Üre Enjeksiyon Kontrol Stratejisi Üzerine Araştırma Changchun: Jilin Üniversitesi, 2011.
Liu Jun, Wu Shuokai, He Guoguo ve diğerleri. SCR kontrol stratejisi üzerine araştırma. Traktörler ve Tarımsal Taşıma Araçları, 2010, 37 (3): 34-36.
Cao Xueqian. SCR sisteminin kapalı döngü kontrol stratejisi üzerine araştırma. Journal of Beijing Polytechnic Institute, 2014, 13 (3): 23-26.
Zhang Xiang, Yang Zhigang, Zhang Yansheng.Matlab / Simulink modelinin C / C ++ koduna otomatik olarak uygulanması.Congqing Institute of Technology Dergisi, 2006, 20 (11): 111-113.
MathWorks Inc. Simulink kodlayıcı hedef dil derleyicisi.2013.
Tang Xionghui. Dizel motor yüksek basınçlı common rail elektronik kontrol sistemi için düşük seviyeli yazılımın geliştirilmesi. Wuxi: Jiangnan Üniversitesi, 2011.
GB17691-2005 Araç sıkıştırmalı ateşleme, gaz yakıtlı ateşlemeli motor ve araç egzozu kirletici emisyon limitleri ve ölçüm yöntemleri (Çin III, IV, V).
