王建龙
广西玉柴机器股份有限公司广西壮族自治区玉林市537000
摘要：柴油机排放达到国五法规的技术路线有多种,其中以潍柴和玉柴为代表的主机厂采用具有氧化能力的柴油机氧化催化器(DOC,) 和柴油机颗粒捕集器(DPF,) 以及具有还原尾气中氮氧化物的选择性催化还原(SCR,)反应器组合技术路线作为实施方案,可更加高效地完成对尾气中NOx的转化以及对PM 微粒的捕集,具有一定的典型性和代表性。如果采用发动机ECU 和真实环境进行控制策略验证,需要实时调整硬件和软件,开发周期较长,较高的再生温度会损坏DPF,碳载量的加载需要较长时间,开发成本也较高。采用快速控制原型系统只需对控制策略进行调整,就能满足控制目标的要求,可缩短开发周期,降低开发成本,为此本文开发了基于快速原型的SCR&DPF 电控开发平台。
关键词：基于快速原型的SCR系统电控平台开发设计
前言：SCR 系统是柴油机有效降低NOx，实现国家第四、第五阶段排放标准的关键尾气处理设备，本文在Simulink 环境中，设计实现了基于原机NOx排放脉谱计算尿素需求量的控制策略，与尿素喷射的恒压控制策略、基于的状态转移策略、温度预测控制策略、OBD 故障诊断控制策略，经过系统设计、建模、代码生成、软件在环测试等环节完成V 型开发流程。用户可以对控制策略进行修改、标定、调试，也可进行二次开发。
一、SCR电控开发平台整体结构设计
本平台包括硬件部分和软件部分,其整体结构如硬件部分主要由反应器部分、信号输入模块、快速原型模块组成;软件部分即系统的控制策略, 包括SCR 部分控制策略和DPF 控制策略。
二、基于快速原型的SCR系统电控平台开发设计系统设计
1.本系统的设计核心在于基于快速原型的代码生成，以V 型开发流程为范式，将从需求提出到模型的实现到最后的标定测试，都全方位实现了其中，系统需求是通过选择性催化还原反应将系统中的NOx还原为氮气; 系统设计的核心内容是根据发动机工况计算出合理的尿素的喷射量，使排放满足法规要求; 软件设计是通过工具将算法表达出来; 代码生成是通过生成目标C 代码; 软件在环测试是通过既定参数，在环境中测试控制策略的准确性; 硬件在环测试(HIL) 是把被控对象的模型生成C代码并编译成可执行的文件放到硬件平台进行测试，本系统采用的PROtroniC 就是1 种具有丰富I /O，处理器性能强大，软件环境功能强大灵活，包含标定数据信息，基于MATLAB /Simulink 的控制系统开发及半实物仿真软硬件快速原型工作平台，允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真，实现了的完全无缝连接，该平台可生产可移植的产品级C 代码，可将代码编译后下载到PROtroniC硬件中，可与真实输入输出设备进行连接调试，评估其性能特征，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换，节省了传统开发过程中SIL 与HIL 的测试时间。代码生成是SCR 系统开发的重点内容之一，生成代码的过程用户在建立的算法模型经编译生成描述整个模型结构文本，包含模型中的参数、变量、模块名称以及为代码生成所做的各种配置的rtw 中间文件时，根据目标语言编译TLC生成包含驱动和操作系统以及其他手写代码一同构成嵌入式系统可用的代码。其中model． c 文件包含了其所在模型层面的算法函数，model． h 该文件对模型用到的数据结构进行声明，该文件声明了模型所需要的本地数据和本地宏，若模型有外部信号，该文件还将对这些外部信号进行配置与声明，该文件定义了用户自定义的数据结构，以上头文件皆被model． c 引用。该代码在经过编译后下载到快速原型或ECU 中，进行验证，完成了基于快速原型的开发平台的软件功能测试、代码生成、硬件在环、台架测试标定的全部流程。
2.系统功能模块。系统功能模块包含信号源模块、快速原型模块、尿素喷射系统执行模块、CANape 标定模块、信息显示模块大模块，系统输入模块系统输入信号源由发动机台架ECU 及模拟信号发生器发出，可将SCR 系统所需要的发动机基本数据如转速、扭矩、排气温度等信息通过CAN 总线将其发送至快速原型，转为SCR 服务的信号如尿素泵压力传感器、液位传感器等以实物实现，排温传感器通过信号发生器的可变电阻器替代，NOx传感器因其工作时候需要足够的排气温度，故也可以用信号发生器的NOx信号代替，SCR 系统所用传感器。
3.SCR 控制策略。控制策略可根据当前发动机工况及环境条件，控制尿素泵单元，实现尿素溶液的精确喷射，将尾气中的NOx还原为对环境无害的氮气与水，并满足法规限值，同时可以利用标定软件对控制策略中的可标定量进行标定，进而修改控制策略相关参数。若现实条件不具备与之匹配的柴油机实训台架，则可通过信号发生装置模拟输入信号、尾气中NOx含量等信息，喷射定量AdBlue 尿素溶液，通过量筒等工具，测量实际喷射量即可验证控制策略的有效性。在快速原型模块里，将通过生产的SCR 控制策略传感器信号调理模块、SCR 喷射策略、喷射控制、加热策略、故障诊断、状态机调整等。传感器信号调理模块传感器模块是将符合CAN 协议报文标准的模拟信号发生器或者发动机ECU 信号，进行处理，包括二进制转十进制等，该模块中包括SCR 后处理系统需要的主要传感器，包括尿素泵压力传感器、SCR 上游排温传感器、SCR 下游排温传感器、尿素液位传感器、尿素温度传感器、NOx传感器等。根据本系统既可以利用柴油机发动机作为信号源又可以用信号模拟器作为信号源的特点,本实验利用柴油机实训台架结合信号模拟器在该平台上完成实验操作。系统基础数据如温度、车速、车载诊断系统的等信息可通过开发的数据显示面板呈现,可以通过标定软件将测试数据回放复现,同时还可以设定巡航复位、巡航加速、巡航减速、巡航开闭等状态。本实验基于潍柴WP10.336E40 发动机的运行数据, 完成对SCR 系统尿素喷射量的测定。尿素泵负责尿素供给、尿素倒吸、尿素管路及尿素泵模块的加热等功能。尿素泵内部集成了加热器、计量控制阀、尿素过滤器等。SCR 系统的尿素泵能够维持的尿素压力为9bar( 相对大气压) 尿素喷射压力的提高，更有利于尿素喷射后的雾化效果。该部分的控制策略亦可作为使用和开发人员进行压力PID 控制实验及开发的用例。尿素喷射电磁阀电磁阀通过PWM 占空比信号完成对尿素喷射量的闭环精确控制对于使用者，可通过标定软件对其状态进行监控，进而理解SCR 喷射系统间的状态转换逻辑。基快速原型，由于存在传感器模拟信号的输入，故可对传感器等进行调节、短路、断路等操作以及基于标准的CAN 报文错误等故障情况进行模拟，验证快速原型中OBD 模块功能的正确性，利用标定软件中的DTC 监测量，观察数据接收情况，查看接收故障信息与模拟故障是否一致。如一致，则说明DTC 监测模块能实时分析SCR 系统故障。用户可通过修改控制策略中相关标定值，调整模拟信号输入，实现故障模拟。
结束语：本平台凭借快速原型的高性能和灵活性,将电控开发中抽象的控制策略及从模型到产品的V 型开发流程及标定过程通过SCR电控开发平台得以实现。同时也可将发动机运行信息、SCR 及DPF 系统运行信息,通过LabVIEW 开发的界面直接呈现出来,具有较好的人机交互性,可以满足开发者的开发需求,也有助于掌握柴油机处理系统及发动机电控策略。
参考文献：
［1］赵丹平，吴双群，韩进玉，蓝瑛． 基于MATLAB/Simulink 的风电泵系统的仿真［J］． 内蒙古农业大学学报( 自然科学版) ，2019，32( 04) : 213-216．
［2］高伟，李旭初，高磊，熊飘洋，赵永来，王瑞星． 基于快速原型的DPF 系统再生控制策略模型开发及实现［J］． 中国科技论文，2018，13( 10) : 1164-1171．
［3］刘兴华，梁虹，仇滔，等． SCR 控制原型开发及台架标定研究［J］． 内燃机工程，2019，36 ( 4) : 31-35． LIU X H，LIANGH，QIU T，et al．