CN102678239A - 基于NOx传感器独立的SCR***控制方法及控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于NOx传感器独立的SCR***控制方法及控制装置。本发明中的信号采集单元主要包括压差传感器、进口NOx传感器、绝对压强传感器、进口温度传感器、出口温度传感器、出口NOx传感器。控制装置设有CAN总线接口，单片机通过CAN总线接口与尿素泵进行通讯来控制添蓝溶液量的喷射。信号采集单元实时采集发动机尾气所处的状态，并将采集的状态传输给单片机进行计算出所需的添蓝溶液喷射量。本发明可以不改变原有的发动机控制***的设计，只需要在排气管道上安装六个传感器就可以直接配置这一独立的SCR控制装置，完全与发动机电子控制器独立。

Description

基于NOx传感器独立的SCR***控制方法及控制装置
技术领域
本发明涉及的是一种独立的SCR***控制方法及控制装置，属于发动机工程技术领域，能更好的适用于各种发动机型号，省去复杂的发动机通讯匹配工作。具体的讲是基于NOx传感器独立的SCR***控制方法及控制装置。
背景技术
随着汽车工业的快速发展，尾气污染问题越来越突出，我国的排放法规（法规规定的第Ⅳ阶段和第Ⅴ阶段）也不断严格，这就需要不断的改进尾气后处理技术，与EGR尾气后处理技术相比，缸内优化燃烧+SCR尾气后处理***路线更具有优势，不仅有利于燃油的经济性，而且对硫的敏感性更低，更容易实现高的法规要求，SCR技术必将成为主流技术。
我国SCR技术仍然处于起步阶段，还有许多问题有待去解决。由于目前NOx传感器所测出的NOx浓度都是体积溶度，而尾气的体积流量是无法直接进行测量的，所以现有的SCR尾气后处理方案技术原理是通过与发动机电子控制器（ECU）通讯来判断车辆的运行工况，直接查询MAP图进行判断NOx排放量，根据NOx排放量在排气道投放适量的添蓝溶液，其与NOx进行还原反应，实现降低发动机尾气的NOx排放的目的。由于与发动机电子控制器（ECU）进行通讯，对于SCR控制***来说必须要对发动机接口参数进行匹配，这无疑是增加了SCR控制***的开发的工作量以及与发动机的一一对应性，这对SCR控制***的适用性受到了一定的限制。因此提出一种基于NOx传感器独立的SCR控制方法及控制装置，可以有效的改善了SCR控制***的适用性和开发的经济性，可以很好的运用到发动机尾气后处理中。
发明内容
本发明的目的是提出基于NOx传感器独立的SCR***控制方法及控制装置，而不需要通过与发动机电子控制器（ECU）进行通讯来判断NOx排量，可以直接通过信号采集单元获取所需各种参数，再通过MCU控制单元计算所需喷射的添蓝溶液的量，使NOx达到法规要求。
本发明的技术方案：本发明的基于NOx传感器独立的SCR***控制方法，其步骤是：
第一步：分别由压差传感器测量出排气管道中的压强差，绝对压强传感器测量排气管道的绝对压强，温度传感器测量排气管道的尾气温度以及尾气进口NOx传感器测量排气管道的NOx体积浓度。
第二步：将以上测量的信号传输给MCU控制单元，经MCU控制单元计算分别将压强差转换成排气管道的尾气体积流量，将绝对压强和温度用来计算尾气的密度以及进口的NOx体积浓度，从而计算得到NOx的摩尔数。
第三步：通过由MCU控制单元计算得到的NOx的摩尔数与添蓝溶液之间的化学反应关系得出需要喷射的添蓝溶液基本量，再根据已知的相应温度下催化剂转化效率来修正其值。
第四步：由出口的NOx传感器实时监测NOx浓度是否满足所设定的浓度要求，将信号反馈给MCU控制单元并适量调节添蓝溶液的喷射量，形成闭环控制。
第五步：由MCU控制单元将计算出来的所需喷射的添蓝溶液量信号传输给尿素泵计量单元，计量单元按所需量通过喷嘴喷出添蓝溶液来降低尾气的NOx浓度，使之达到国Ⅳ标准甚至国Ⅴ标准。
为实现上述的基于NOx传感器独立的SCR***控制方法，还需要特定的控制装置。一种实现上述方法的控制装置主要包括信号采集单元、单片机及其***电路。信号采集单元主要包括压差传感器、进口NOx传感器、绝对压强传感器、进口温度传感器、出口温度传感器、出口NOx传感器。控制装置设有CAN总线接口，单片机通过CAN总线接口与尿素泵进行通讯来控制添蓝溶液量的喷射。信号采集单元实时采集发动机尾气所处的状态，并将采集的状态传输给单片机进行计算出所需的添蓝溶液喷射量，这就不需要通过发动机电子控制器（ECU）的CAN总线接受发动机工作状态的数据来判断所需的添蓝溶液喷射量，这样就形成了基于NOx传感器独立的SCR***控制装置。
本发明的优越性在于：
（1）提出一种基于NOx传感器独立的SCR控制方法。这种方法是通过信号采集单元采集尾气的压差、绝度压强、温度、NOx浓度的参数，并将添蓝溶液喷射量表达为这些参数的函数。因此，独立的SCR控制***只需简单的通过信号采集单元采集的参数来控制添蓝溶液的喷射量，将NOx排放的控制在法规要求范围内。
（2）提出了一种独立的SCR控制方式。这种方式是设计以单片机和信号采集单元为主体的完全独立于发动机电子控制器（ECU）的控制装置，该装置不需要通过与发动机的电子控制器（ECU）进行通讯来获取发动机工作状态的数据来预测所需的添蓝溶液的喷射量，而是直接通过信号采集单元来获取尿素所需喷射量，并通过单片机CAN接口与尿素泵计量单元通讯来控制喷射添蓝溶液所需量。这种方式不仅使得发动机的尾气参数获取简单，而且解决了因不知道发动机电子控制器（ECU）的CAN接口参数而无法实现随意配置SCR***的问题，可以不改变原有的发动机控制***的设计，只需要在排气管道上安装六个传感器就可以直接配置这一独立的SCR控制装置，完全与发动机电子控制器（ECU）独立。
（3）提出一种计算所需添蓝溶液量的方法。这种方法是以尾气管道上的各种传感器为基础，通过绝对压强传感器和温度传感器进行计算尾气的密度，以压差传感器测量来计算出尾气的体积流量，再根据NOx传感器测量的体积浓度计算出NOx实际的摩尔数以及相应温度下的催化剂转化效率来计算所需的添蓝溶液喷射量。该方法可以在完全不知道发动机电子控制器（ECU）的CAN接口参数的情况下同样计算出所需的添蓝溶液的量，这就可以让独立的SCR控制装置更具有适用性，可以很好地在各种发动机上进行配置。
附图说明
图1是SCR***总体结构框图。
图2是本发明独立控制装置结构原理图。
图3是本发明计算所需添蓝溶液量的方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图1是SCR***的总体结构框图。
该总体结构框图由SCR***本身固有的装置和本发明的独立SCR***控制装置组成，SCR***本身固有的装置包括尿素喷嘴5、尿素罐液位和温度传感器8、添蓝溶液进液管9、添蓝溶液回流管10、尿素罐11、尿素泵12、发动机15、SCR催化剂16。本发明的独立SCR***控制装置包括压差传感器1、进口NOx传感器2、绝对压强传感器3、进口温度传感器4、出口温度传感器6、出口NOx传感器7、CAN总线13、独立控制单元MCU 14。
图2是本发明独立控制装置结构原理图。
本发明独立控制装置包括单片机及***电路，其包括单片机基本***、外部扩展存储器，CAN总线接口电路，开关量、模拟量输入接口，控制量输出接口。
单片机完全独立于发动机电子控制器（ECU），不需要通过与发动机电子控制器（ECU）通讯获取发动机工作状态数据来计算所需添蓝溶液的量，而是通过添加独立的信号采集单元实时获取尾气的压差、绝对压强、温度、NOx体积浓度等信号，并将这些信号数据暂时存储到扩展存储器中，单片机根据所设定的所需添蓝溶液量的计算方法进行计算得出所需的添蓝溶液喷射量，然后通过CAN 接口输出相应的控制信号给尿素泵的计量单元，计量单元定量控制喷射添蓝溶液。
由于单片机完全独立于发动机电子控制器（ECU），所以需要信号采集单元采集排气管道中的压差信号、绝对压强信号、温度信号、NOx浓度信号来代替目前SCR***通过与发动机电子控制器（ECU）通讯获取的发动机工作数据参数，信号采集单元还包括采集尿素罐的液位和温度信号，这些信号还需要通过信号调理电路进行处理，再通过模拟量输入接口传输给单片机进行计算分析。
CAN总线接口电路是单片机与尿素泵、NOx传感器之间信号传输的途径。尿素泵与单片机可以通过CAN接口进行相互通讯，达到实时的信号传输和反馈的效果。而NOx传感器只能将信号传输给单片机并进行处理计算。
控制量输出接口主要是输出添蓝溶液液位、低液位报警指示灯、尿素罐温度以及冷却液电磁阀开关控制信号。开关量输入接口是采集车辆钥匙开关信号，确定是否启动这一独立的控制装置。
图3是本发明计算所需添蓝溶液量的方法原理图。
本发明计算所需添蓝溶液量的方法是基于压差传感器、绝对压强传感器、温度传感器、进出口NOx传感器和单片机的所需添蓝溶液量的计算方法。其步骤是：
第一步：分别由各传感器实时采集尾气的压差、绝对压强、温度、进口NOx体积浓度、出口NOx体积浓度参数，并将这些参数传输给单片机。
第二步：由气体状态方程                                               
Figure 2012101796118100002DEST_PATH_IMAGE002
以及
Figure 2012101796118100002DEST_PATH_IMAGE004
公式推导出
Figure 2012101796118100002DEST_PATH_IMAGE006
其中ρ为尾气密度，P为压强，M为尾气摩尔质量，R为气体常数，T为尾气温度。单片机根据绝对压强和温度按照所述密度公式计算出尾气密度。
   第三步：由伯努利方程以及流量公式
Figure 2012101796118100002DEST_PATH_IMAGE010
推导出体积流量
Figure 2012101796118100002DEST_PATH_IMAGE012
，其中D为排气管道直径，ΔP为压差，Q为尾气体积流量。单片机根据第二步计算出的尾气密度以及所测量出的压差值计算出尾气体积流量。
第四步：单片机根据所测得的NOx体积浓度乘以第三步计算出的体积流量计算出NOx的体积数，再由气体状态方程
Figure 426902DEST_PATH_IMAGE002
直接计算出NOx摩尔数。
第五步：由化学反应方程式关系可以得出计算基本添蓝溶液量公式
Figure 2012101796118100002DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 2012101796118100002DEST_PATH_IMAGE016
为NOx摩尔数，M为尿素摩尔质量，m为添蓝溶液量。单片机根据公式及第四步中计算出来的NOx的摩尔数计算出所需要添蓝溶液基本量，再根据已知的在相应温度下催化剂的转化效率进行添蓝溶液基本量的修正，并且由出口NOx浓度来反馈调节实际所需的添蓝溶液量，将实际所需的添蓝溶液量信号由单片机发送给尿素泵计量单元进行定量控制添蓝溶液的喷射。
根据本发明提出的方法，控制装置硬件结构和***程序可以完全独立于发动机电子控制器（ECU）。这样可以在完全不知道发动机电子控制器（ECU）的CAN接口参数的情况下，只需要在排气管道上加装六个传感器就可以直接配套安装SCR***，这完全省去了复杂的发动机电子控制器（ECU）CAN接口参数的匹配工作。
该装置完全独立于发动机电子控制器(ECU)，其功能是：将来自信号采集单元的尾气参数信号计算转换成所需喷射添蓝溶液量，通过控制执行机构控制添蓝溶液投放量，将NOx排放控制在法规要求范围内，同时显示SCR***中尿素罐中的液位和温度、控制尿素罐溶液的温度以及低液位报警提示等，使SCR***正确有序的工作。

Claims (2)

1. 基于NOx传感器独立的SCR***控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
第一步：分别由压差传感器测量出排气管道中的压强差，绝对压强传感器测量排气管道的绝对压强，温度传感器测量排气管道的尾气温度以及尾气进口NOx传感器测量排气管道的NOx体积浓度；
       第二步：将以上测量的信号传输给MCU控制单元，经MCU控制单元计算分别将压强差转换成排气管道的尾气体积流量，将绝对压强和温度用来计算尾气的密度以及进口的NOx体积浓度，从而计算得到NOx的摩尔数；
       第三步：通过由MCU控制单元计算得到的NOx的摩尔数与添蓝溶液之间的化学反应关系得出需要喷射的添蓝溶液基本量，再根据已知的相应温度下催化剂转化效率来修正其值；
第四步：由出口的NOx传感器实时监测NOx浓度是否满足所设定的浓度要求，将信号反馈给MCU控制单元并适量调节添蓝溶液的喷射量，形成闭环控制；
       第五步：由MCU控制单元将计算出来的所需喷射的添蓝溶液量信号传输给尿素泵计量单元，计量单元按所需量通过喷嘴喷出添蓝溶液来降低尾气的NOx浓度，使之达到国Ⅳ标准甚至国Ⅴ标准。
2.一种实现上述方法的控制装置包括信号采集单元、单片机及其***电路,其特征在于：控制装置设有CAN总线接口，单片机通过CAN总线接口与尿素泵进行通讯来控制添蓝溶液量的喷射；信号采集单元实时采集发动机尾气所处的状态，并将采集的状态传输给单片机进行计算，得出所需的添蓝溶液喷射量；
所述的信号采集单元包括压差传感器、进口NOx传感器、绝对压强传感器、进口温度传感器、出口温度传感器、出口NOx传感器；所述压差传感器、进口NOx传感器、绝对压强传感器、进口温度传感器依次设置在发动机与催化反应器之间的排气管道上，并与单片机信号连接；所述的进口温度传感器靠近催化反应器，在催化反应器和进口温度传感器之间还设置有喷嘴，所述的喷嘴与尿素泵的出口连接；
在催化反应器之后的排气管道上设置有出口温度传感器和出口NOx传感器，所述的出口温度传感器、出口NOx传感器与单片机信号连接。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C53 Correction of patent of invention or patent application
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Wu Feng

Inventor after: Fan Hanmao

Inventor after: Yao Dongwei

Inventor after: Gan Xubo

Inventor after: Ling Xinchen

Inventor before: Wu Feng

Inventor before: Fan Hanmao

Inventor before: Yao Dongwei

Inventor before: Gan Xubo

Inventor before: Ling Xinchen

C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120919