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1、单位代码： 10359 _ 密级： 公开 学 号： 2014110202 分类号： TK42 Hefei University of Technology 硕士学位论文 MASTERS DISSERTATION 论文题目： 柴油机 SCR控制器的设计 学位类别： _ 学历硕士 _ 专业名称： _ 车辆工程 _ 作者姓名： _ 邱松林 _ 导师姓名： _ 滕 勤 副 教 授 完成时间： _ 2017年 3月 _ 万方数据 合 肥 工 业 大 学 学历硕士学位论文 柴油机 SCR控制器的设计 作者姓名： 邱松林 _ 指导教师： 塍 勤 副 教 授 学科专业： _ 车辆工程 _ 研宄方向： 现代车辆
2、动力学与控制 2 0 1 7 年 3 月 万方数据 A Dissertation Submitted for the Degree of Master Design of SCR Controller for Diesel Engine By Qiu Songlin Hefei University of Technology Hefei, Anhui, P.R.China March, 2017 万方数据 合 肥 工 业 大 学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学学历硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名 ） .主席 : 委员： 万方数据 学位论文独
3、创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研宂工作所 取得的成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文成果做出贡献的个人和集体， 本人己在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 学位论文中表达的观点纯属作者本人观点，与合肥工业大学无关。 学位论文作者签名 :松 I 签 名 日 期 年 月 M日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规 定， SP:除保密期内的涉密学位论文外，学校有权保存并向
4、国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子光盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 ;允许釆用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位论文作者签名： 签名曰期： 7年 4月乂曰 . 论文作者毕业去向 工作单位： 联系电话： 通讯地址： 指导教师签名： 签名日期 : /年 E-mai1： 邮政编码： 万方数据 致谢 时光荏苒，我的硕士生涯已接进尾声。这几年的时光既漫长又短暂，其中充 满了酸甜苦辣，更有收获和成长。几年来，感谢陪我一起度过美好时光的每位尊 敬的老师和亲爱的同学，正是你们
5、的帮助，我才能克服困难，正是你们的指导， 我才能解决疑惑，直到学业的顺利完成。首先，由衷地感谢我的导师滕勤副教授。 从课题的选取，到方案的设计，再到论文的修改定稿，滕老师都倾注了大量的心 血。老师严谨治学、一丝不苟、精益求精、积极进取的精神深深感染并激励着我 , 将使我终身受益。 感谢路苏君、王国华、左承基、刘一鸣、程晓章、孙军、汪陈芳、汪春梅、 钱叶剑等老师的教育、帮助和支持！ 感谢张晓松、陈重、解涛、李晔 、牟一金、温金辉、张耀、白旭明等师兄师 姐给我树立了良好的榜样，感谢他们在课题研宄和生活上的支持和无私的帮助！ 非常感谢刘成、李宏超 、马 志振、吴若男、杨茜、周小龙等同学，我们共同 努
6、力，共同进取，让学习和生活变得多姿多彩。感谢张建国、付中伟、刘文献、 殷嘉维、朱国冬、白羽等师弟在生活中的帮助。同时，感谢成长路上一直以来关 心我、支持我、鼓励我的同学和朋友。 最后，感谢我的家人给予我物质上和精神上的深切关怀！特别感谢父母对我 二十多年的养育，感谢他们对我的教诲，我取得的每一点成绩都凝聚着他们的心 血和汗水；还 要特别感谢在求学期间最后遇到的一个特殊的人，正是因为她的陪 伴，我才更有精力去完成论文，知道自己的远方在哪里。 作者：邱松林 2017年3月 25日 万方数据 摘要 柴油机的广泛应用带来了日益严重的尾气污染，为了满足各国排放法规的要 求，单纯机内净化己不再可行，必须结
7、合更为先进的尾气后处理技术。选择性催 化还原（ Selective Catalytic Reduction, SCR)技术由于具有更好的燃油经济性和 更简单的发动机结构，已成为降低柴油机 NOx排放的主流技术，目前的 N0X转 化效率最高可达 95%。 SCR工作性能的好坏主要依赖于控制系统的优劣，但是 目前国内 SCR控制系统几乎由国外垄断，国产系统在性能上与之差距很大，因 此，有必要对能实现高效 NOx转化的 SCR控制器进行研宄。 基于对国内外现有先进 SCR控制技术的分析，结合国内对柴油机尾气后处 理控制系统的设计要求，针对无空气辅助 SCR系统，设计了控制器。主要研宄 内容如下： (
8、1) 控制器硬件的设计。通过对柴油机 SCR系统传感器和执行器的配置需 求分析，设计了控制器的总体方案。基于 NXP公司的 16位双核微控制器，设计 了 SCR控制器硬件系统，包括微控制器最小系统模块、电源管理模块、模拟量 和数字量信号调理模块、输出驱动控制模块和 CAN总线通信模块等。 (2) 控制器软件设计。基于分层和模块化原则，设计的嵌入式软件总体结 构包括底层驱动软件和应用层软件。在 Codewarrior平台上微控制器进行初始化 配置，开发了电控单元底层驱动软件，生成可执行代码后封装成函数库以便应用 层软件直接调用。基于 NOx传感器反馈控制设计了合适的控制策略开发应用层 软件，主要
9、包括获取 SCR催化器和发动机状态信息、当前工况所需尿素量的计 算、尿素泵压力控制和SCR系统加热控制等功能。 (3) 管理软件开发。基于 VB.NET编程环境开发了 SCR监控管理软件，通 过 CAN总线与 SCR控制器通信，不仅可实时获取控制器上传的 SCR系统工作 过程中状态参数的变化，并加以记录和监控，而且可设置 SCR控制器的参数。 (4) 控制器试验验证。分别通过硬件测试平台和台架试验平台对控制器硬 件性能和软件性能进行测试。试验结果表明：开发的 SCR控制器硬件功能稳定， 底层驱动设计可靠。 ESC测试循环下 NOx转化效率最高可达 84%,满足国 V排 放标准对 NOx的排放限
10、值。 关键词：柴油机；选择性催化还原；电控单元；硬、软件设计；管理软件 II 万方数据 ABSTRACT With the wide application of diesel engine, the exhaust pollution is becoming more and more serious. In order to meet the requirements of emission regulations, it is no longer feasible to clean the engine in a simple way, and more advanced exhaust
11、 aftertreatment technology must be combined with. Because the better fuel economy and more simple structure of the engine, the technology of Selective Catalytic Reduction (SCR) has become the mainstream technology of reducing NOx emission for diesel engine, and the N x conversion efficiency is up to
12、 95%. SCR performance mainly depends on the control system, but the SCR control system in current domestic is almost monopolized by foreign, and there is a big gap between them in performance, therefore, it is necessary to study the SCR controller which can achieve the efficient conversion of NOx. B
13、ased on the analysis of the advanced SCR control technology at home and abroad, combined with the design requirements of the diesel exhaust aftertreatment control system, the controller was designed for the non air assisted SCR system. The main research contents were as follows: (1) Controller hardw
14、are design. Based on the analysis of the configuration requirements of sensors and actuators in the SCR system of diesel engine, the overall scheme of the controller hardware system was designed. Based on the 16 bit dual core micro controller of NXP, the SCR controller was designed, which include MC
15、U miiiimum system module, power management module, analog and digital signal processing module, output control module and CAN bus communication module etc. (2) Controller software design. Based on the principle of hierarchy and modularization, the overall structure of the embedded software which inc
16、ludes the underlying driver software and application layer software was designed. On the Codewarrior platform， the initial configuration of the microcontroller was carried out， and the driving software of the electronic control unit was developed. After the executable code is generated it can be enc
17、apsulated into a flmction library. Based on sensor NOx feedback control, the application layer software was designed from the appropriate control strategy, which include access to SCR catalytic converter and engine state information, the calculation of the amount of urea, urea pump pressure control
18、and heating of SCR system. (3) Management software development. SCR monitoring and management software 万方数据 AIuIEMyoMJU9UIuSBUBJpunoJSOBausQarBMyowpmUJBMPJBHu-anloeo0-solp-30s)fi-2p3p30px3Bu9AP0-us-aMu3ps-aQ:“PJOMxux .PIBPUB;Su-2ssyu!9IBUOPmlalpJOJSlJUIne-SSJIUaxQJO-ymHolp.S100日IP2爹P UTPJapuntcndns-
19、XQJOxouup“wu-2SJ3AUOuwqx.-q-PJ-SAJJPupfJJapunulpp(9qssSJJ-IOJluoouslpjoiMPJBqalpxpM0HS-3S3J3n3UIIJudxuutlLUUOJ;wldtsalpuuclulppueuuo-dis-aJBMPJBquxpXqPSS-3J3Msnojldo0uxpJOSUB目OJJud3IBAmSPUBuJBMPJBXlullxdoJJBOWPaA-J-JOuo0(寸) J-10i3u8osuMutpJOSJ-uUIBJBd3xpJ2-aoulPS PJOMUBOO-Bq-SOOJdsupJJOMSq;SupnpS-SS
20、UOJ。ssUIBJBds utpjo9sucq0ulpnusXPIOPOUUBm31sxsuIP-nqvu/cqsnomlouaus;UIPqjjM9JSJUnunu8Ippqv.ISXmloJJASSUPnoIBISOJdxaN.HAopipwdopAapSBMm-#绪论 . i 1.1研宄背景 . 1 1.2 SCR技术国内外研宄现状 . 2 1.2.1 SCR技术国外研宄现状 . 2 1.2.2 SCR技术国内研宄现状 . 4 1.3课题目的及意义 . 5 1.4本文主要研宄内容 . 6 第二章 SCR系统及控制策略 . 7 2.1 SCR系统总体结构 . 7 2. 2 SCR系统部件
21、 . 8 2. 2.1尿素泵 . 8 2.2.2尿素喷射电磁阀 . 8 2.2. 3尿素箱总成 . 9 2. 2. 4传感器 . 10 2. 2. 5加热器与冷却器 . 13 2. 3 SCR原理与模型 . 14 2. 4 SCR系统控制策略 . 16 2. 4. 1开环控制策略 . 17 2. 4. 2闭环控制策略 . 17 2.4.3基于模型的控制策略 . 18 2. 5小结 . 19 胃三章电控单元硬件电路设计 . 20 3.1硬件电路总体结构 . 20 3. 2微控制器模块 . 20 3. 2.1微控制器的特性 . 20 3. 2. 2 MC9S12XEP100控制器的最小系统 . 21 3. 3电源模块 . 22 3. 3. 1微控制器供电模块 . 22 3. 3. 2传感器参考电压供电模块 . 22 3. 4信号采集模块 . 23 3.4.1模拟量信号调理电路 . 23 3.4.2开关量信号调理电路 . 25 V 万方数据