俞妍;卜建国;徐正飞;姚广涛;柳贵东
【摘 要】研制了一套燃油添加剂自动加注系统,以辅助微粒捕集器(DPF)更充分地再生.从硬件上设计了信号采集和调理电路、执行器驱动电路、电源电路和CAN通信电路等,软件上实现了基于状态机的控制策略,优化了燃油液位测量和添加剂加注算法.设计并进行了添加剂加注和DPF再生试验,通过数据分析得出此系统可以精确加注添加剂,从而更充分实现DPF再生.%A set of fuel additive automatic dosing system was designed to assist diesel particulate filter (DPF) to get a better regeneration. The signal acquisition and modulating circuit, actuator drive circuit, power circuit and CAN communication circuit were designed. The control strategy of state machine was realized and the fuel level measurement and additive dosing algorithm were optimized. Finally, the experiments of additive dosing and DPF regeneration were designed and carried out. The results show that the system can fill the additive accurately and realize DPF regeneration more thoroughly.
【期刊名称】《车用发动机》
【年(卷),期】2012(000)006
【总页数】5页(P18-22)
【关键词】微粒捕集器;再生;燃油添加剂;控制系统;状态机
钢管切割【作 者】俞妍;卜建国;徐正飞;姚广涛;柳贵东
【作者单位】军事交通学院基础部,天津300161;军事交通学院汽车工程系,天津 300161;军事交通学院汽车工程系,天津 300161;军事交通学院汽车工程系,天津 300161;军事交通学院基础部,天津300161
【正文语种】中 文
【中图分类】TK416.1
目前，我国柴油车保有量逐年增加，由此带来的污染问题日益严重。为了达到排放法规要
求，颗粒物后处理技术已成为柴油车排放控制的重要途径［1］。笔者基于国家“八六三”课题“柴油车颗粒物捕集器再生和净化系统集成匹配”，研制了一套燃油添加剂自动加注系统，可以实现添加剂精确加注，从而辅助微粒捕集器（DPF）更充分再生。
1 添加剂辅助DPF再生工作原理
本研究基于轻型柴油车特点提出了加注燃油添加剂（FBC）辅助DPF再生技术，其工作原理是起燃器（Burner）在需要再生时进行点火和提温，然后通过氧化催化剂（DOC）使温度进一步提升，并可使温度上升更加平缓，避免微粒捕集器（DPF）前端以及内部产生较大的温度梯度［2］。控制器检测到加油时，根据加油量，按照一定的比例计算出添加剂加注量，并实现精确加注。添加剂在燃烧过程中生成金属阳离子，有效地降低燃油分子C2H键的活化能，同时充当催化活性的载体，向R（烃），C和CO传递氧，促进了燃油分子的扩散和氧化，加速碳粒催化氧化，阻止燃油在高温缺氧条件下裂解生成碳粒，因此提高了燃油燃烧的速度和完全度，减少了炭烟排放［3］。
2 燃油添加剂自动加注系统硬件设计
根据DPF复合再生系统的工作过程，燃油添加剂自动加注系统主要功能是采集柴油车油箱中燃油液位信号，根据燃油加注量，按照一定比例实现添加剂的精确自动加注，同时该系统还要实现添加剂过低报警功能。考虑到轻型柴油车特点，控制系统选用工作稳定可靠的车用级芯片MC9S12C系列单片机。根据功能需求，控制系统主要包括信号采集调理模块、执行器控制模块、电源模块和CAN通信模块，其结构框图见图1。
图1 燃油添加剂加注系统结构框图
2.1 电源模块
轻型车辆供电蓄电池电压一般是12V，所选芯片需5V供电，还须驱动添加剂泵，驱动电流将近1.7A，所以本控制系统采用LM2596电源芯片完成所需电压转换。LM2596系列电源芯片是PWM降压型单片集成电路，提供5V输出电压，3A负载电流，具有优异的负载调整性能，使用简单，内部包括频率补偿和固定的振荡频率，在规定的工作电压和负载条件，输出电压误差±4%，完全能够满足控制系统的需要。
2.2 信号采集调理模块
车载环境干扰信号都为高频信号，而采集的燃油液位信号为低频信号，根据分析，本研究采用低通滤波电路实现信号的硬件滤波，其截止频率为
2.3 执行器控制模块
添加剂泵的精确控制是该控制系统的关键。添加剂泵采用PWM驱动，根据其特性，选择TLE6228GP功率芯片，该芯片供电电压为4.8～32V，驱动电流最大可达5A，具有过压、过温、防静电保护功能。
低温空调2.4 CAN通信模块
隔热杯为了实现与外部设备的数据交换，系统采用汽车上常用的CAN通信。PCA82C250是一种专门用于CAN通信的高速通信芯片，可以提供对总线数据的差动发送能力和对通信总线的差动接收能力。将其引脚8通过电阻负载接地，可以减少射频干扰。
3 燃油添加剂自动加注系统软件设计
3.1 基于状态机的控制策略
基于轻型柴油车的特点，整个系统从点火钥匙第一挡取电，软件采用模块化结构，主程序进行点火钥匙挡位的判断及相应操作。第0挡（OFF）车上所有仪器设备断电，控制器进行断电保护，烧写最新燃油液位值；第1挡（ON1）车载仪表盘上电，传感器断电，控制器上电初始化，读取断电时烧写的燃油液位值为存储值；第2挡（ON2）车上所有仪表设备上电，控制器进行当前燃油液位计算，判断是否加油并进行相应添加剂加注。
气泵接头
传统应用程序的控制流程基本是顺序执行的，而对于本研究而言，应用程序由外部发生的事件来驱动，控制流程既不能是顺序的，也不能是事先设定好的，它要依赖于外部事件。研究采用有限状态机满足这方面的要求［4］。燃油控制系统主程序状态图见图2。
图2 控制系统主程序状态图
3.2 燃油量测量
添加剂自动加注系统中油量测量采用车上现有油箱液位传感器，系统从仪表盘取燃油量电信号，由于该汽车燃油液位传感器主要是为模拟仪表盘提供液位指示，不适用于数字采集，因此需要解决几个的问题：1）油箱液位采集与本系统协调问题；2）油箱液位传感器信号受蓄电池电压变化影响较大，必须通过算法进行修正。
3.2.1 燃油液位采样信号的滤波处理
采用“中位值滤波法”和“平均值平滑滤波法”相结合的方法进行信号软件滤波。滤波前后的燃油液位信号见图3，从图中可以看出这种滤波方法融合了两种算法的优点，可消除偶然出现的脉冲性干扰所引起的采样值偏差。
图3 滤波前后的燃油液位
3.2.2 基于蓄电池电压的燃油液位修正算法
燃油液位通过油箱液位传感器测得，由于蓄电池电压对传感器影响较大，根据试验获得燃油液位与信号电压AD和蓄电池采样电压AD的关系，并将试验获得的数据利用Matlab软件进行二元插值。插值后的MAP图见图4，从图中可以看出使用二维插值算法后数据拟合度很好。
图4 燃油液位插值MAP
3.2.3 基于燃油量的添加剂加注控制算法
双端面机械密封
燃油添加剂和燃油之间的体积比为0.25mL/1L。因此系统需要根据每次加的燃油量计算加注的添加剂量并准确完成加注［5］。根据添加剂泵特性，采用时间控制模式实现添加剂量的加注控制，控制占空比为50%，频率为10Hz。为了获得添加剂量与时间的关系，进行了标定试验。试验中，设计了一套回油装置，通过调压阀模拟回油管压力，当其为0MPa，0.05MPa，0.1MPa时，测得的添加剂喷射量与时间关系见图5。
图5 添加剂量与时间的关系
整个控制流程见图6。根据加油量计算添加剂加注量和加注时间，启动定时器同时打开电磁阀进行添加剂加注，当定时器计时大于计算的添加剂加注时间，关闭电磁阀。
图6 添加剂加注控制流程
高频预热机
4 添加剂辅助再生系统试验及分析
4.1 添加剂加注试验
基于上述硬件设计和控制策略优化，为了验证添加剂加注的精确度，进行了添加剂加注验
证试验。考虑到轻型柴油车油箱不超过60L，也就是添加剂加注量最大不超过15mL，因此设定加注量4～15mL，每隔1mL1个试验点，分别测量实际加注添加剂量。试验结果见图7。
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