CN204738862U - 一种柴油发动机后处理scr控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种柴油发动机后处理SCR控制装置，包括SCR控制器、发动机、排气管、催化器、计量泵、NOX传感器、尿素罐、上游温度传感器、下游温度传感器、喷嘴、冷却水控制电磁阀、供水管路、加热管路、尿素溶液管路、仪表、OBD诊断设备。本实用新型所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置，能够提高系统可靠性、安全性和兼容性，实现了系统低功耗功能；提高了系统信号采集精度和稳定性，从而提高了尿素喷射量控制精度；提高了系统功率输出可靠性；能够兼容不同商用车仪表接口，满足模拟、数字仪表的驱动，本实用新型取出柴油机排气中的NOX效率达到85％，满足车辆柴油机发动机达到国V排放标准并实现OBD功能。
Description
技术领域
本实用新型属于柴油发动机控制领域，尤其是涉及一种柴油发动机后处理SCR控制装置。
背景技术
随着汽车行业的发展，我国的能源和机动车环保问题变得非常严峻，人们的健康已受到极大的威胁，我国也相继出台了日益严格的排放法规。与汽油车相比，柴油机油耗较低，对空气污染相应减少，更加利于环保。现在新型柴油机排出的二氧化碳比汽油发动机要低20％，排出的CO、HC也较少。但是，柴油机的NOX排放和微粒排放比汽油机严重，也成为其发展的阻碍，尤其是用于人口密集地区的乘用车上，尾气处理装置成为必需。
目前，高效的柴油车尾气处理装置主要有EGR路线和SCR路线，EGR技术在机内降低NOX的排放，对发动机改动较大，燃油喷射压力也相对较高，对燃油中硫的含量也比较敏感，由于我国的石油近一半依靠进口，且存在燃油中硫含量高、各地分布不均的现象，燃油中的含硫量全面低于0.005％(质量分数)的要求比较难以实现。因此，我国企业在选择中/重型车用柴油机满足国IV、国V排放法规要求打算采用的技术路线时，柴油机燃油耗和对硫的敏感性是选择技术方案必须考虑的重要因素。作为欧洲排放法规的响应者，并根据我国国情，国内研究机构和主要柴油机企业达成一致意见，即当前在中国将SCR技术作为满足未来国IV、国V排放标准法规的主要技术路线。成本会有一定幅度的提高。SCR技术方案发动机由于优化了喷油规律，扣除尿素的成本费用，仍具有一定的节油优势。这对于发动机制造商来说，是吸引消费者的一大亮点。此外，由于SCR技术路线对燃油中的硫不敏感。燃油品 质的低要求可进一步降低SCR路线的使用成本，并有利于在燃油硫含量高的国家和地区在短时间内投入使用。
我国已经是世界第一大汽车生产及消费国，而且将长期保持良好的增长势头。其中几乎全部使用柴油动力的中重型商用车更是占据了世界主要经济体的市场销量的一半。目前在我国大多数主要城市的污染物中，机动车排出的废气是主要的来源，而其中颗粒物的排放主要来自柴油车。在大力推行节能减排、提倡可持续发展的国家战略的大环境下，预计国内的机动车排放标准升级速度将不断加快，因此在我国大力发展柴油车的背景下，研制高效的柴油车尾气处理装置仍然十分必要。
SCR系统基本由尿素储存罐、尿素喷射系统、控制系统和催化器组成。通过向汽车排出的气体中喷入尿素，尿素分解为NH3来还原其中的NOX。随着各国对汽车排放法规的日益严格，国外许多汽车及发动机制造商已经采用SCR技术来降低车用柴油机NOX的排放，并得到了很大的发展。尿素消耗量约为柴油消耗量的5％，配备SCR系统的维修成本不会增加，无需使用低硫柴油。SCR技术能够使NOX还原到理想程度，并通过优化燃烧，明显改善燃油消耗率曲线，提高燃油经济性能。
在目前条件下对于满足国IV排放标准的柴油车的排放控制，SCR技术逐渐成为机动车排放控制领域人们关注的焦点和最佳的控制方案。控制系统及SCR催化剂技术作为SCR技术的核心，也逐渐受到越来越多的关注。
现有技术中，关于SCR控制系统也有很多研究，现有的技术方案存在很多缺陷：没有电磁兼容设计，SCR控制装置是商用车上用的控制系统，商用车上电磁干扰比较严重，SCR控制装置可靠性下降；没有电源管理系统，没有低功耗设计，不具备节能功能；现有系统只具有一路CAN接口，这样就很难兼容发动机、计量泵、仪表、NOX传感器、OBD设备多路CAN不同波特率和数据协议之间的兼容性，而且由于发动机CAN接口并入多路CAN设备，数据 容量急剧增大，对车辆发动机本身CAN网络数据交换存在安全隐患；和汽车仪表接口没有采用冗余设计，汽车仪表功能结构不一样，SCR控制装置和仪表接口就不一样。
发明内容
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种柴油发动机后处理SCR控制装置，以实现高效的柴油车尾气处理。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种柴油发动机后处理SCR控制装置，包括SCR控制器100、发动机200、排气管300、催化器400、计量泵500、NOX传感器600、尿素罐700、上游温度传感器800、下游温度传感器900、喷嘴1000、冷却水控制电磁阀1100、供水管路1200、加热管路1300、尿素溶液管路1400、仪表1500、OBD诊断设备1600；
所述SCR控制器包括MCU模块101、电源管理模块102、上游温度信号处理模块103、下游温度信号处理模块104、尿素罐温度信号处理模块105、尿素罐液位信号处理模块106、功率驱动模块107、存储模块108、时钟模块109、发动机CAN接口110、计量泵NOX CAN接口111、仪表诊断CAN接口112、仪表输出模块113；所述上游温度信号处理模块103、下游温度信号处理模块104、尿素罐温度信号处理模块105、尿素罐液位信号处理模块106、功率驱动模块107、存储模块108、时钟模块109、发动机CAN接口110、计量泵NOX CAN接口111、仪表诊断CAN接口112、仪表输出模块113与所述MCU模块101、电源管理模块102都相连；
所述发动机200通过所述发动机CAN接口110与所述MCU模块101连接；所述排气管300与所述催化器400连接；所述计量泵500通过所述计量泵NOX CAN接口111与所述MCU模块101连接；所述尿素罐700上的温度传感器通 过所述尿素罐温度信号处理模块105与所述MCU模块101连接；所述尿素罐700上的液位传感器通过所述尿素罐液位信号处理模块106与所述MCU模块101连接；所述上游温度传感器800通过所述上游温度信号处理模块103与所述MCU模块101相连接；所述下游温度传感器900通过所述下游温度信号处理模块104与所述MCU模块101连接；所述喷嘴1000安装在所述排气管300上并与所述计量泵500连接；所述冷却水控制电磁阀1100与所述供水管路1200连接；所述冷却水控制电磁阀1100通过所述功率驱动模块107与MCU模块101连接；所述供水管路1200连接发动机冷却水和尿素罐700供水管路；所述加热管路1300是所述尿素溶液管路1400外部包的一层加热管路，通过所述功率驱动模块107与所述MCU模块101连接；所述仪表1500通过所述仪表诊断CAN接口112和所述仪表输出模块113与所述MCU模块101连接；所述OBD诊断设备1600通过所述仪表诊断CAN接口112与所述MCU模块101连接；所述电源管理模块102包括汽车电瓶输入电源EMI处理模块、电压转换模块以及兼容模块。
进一步的，所述汽车电瓶输入电源EMI处理模块的电源连接高性能EMI滤波器L1的输入端，电源与输入端口之间并联稳压二极管、压敏电阻R1和电容C1，高性能EMI滤波器L1的输出端并联电容C2、C3，电压转换模块的高性能汽车稳压电源N1连接高性能EMI滤波器L1的输出端，高性能EMI滤波器L1与高性能汽车稳压电源N1之间连接二极管F1、电阻R1、电容C4、电容C5，高性能汽车稳压电源N1的输出端连接电阻R2、电阻R3、电容C6，兼容模块的芯片N2的输入端连接电压转换模块的输出端，高性能汽车稳压电源N1与芯片N2之间连接电阻R10，芯片N2的输出端连接电阻R11。
进一步的，所述上游温度处理模块103、下游温度处理模块104包括A/D转换电源电路和控制电路；所述A/D转换电源电路包括参考电压电路和A/D 转换5V电路；所述参考电压电路包括高精度参考电压源N3，连接滤波电容C8、电容C9、电容C10；所述A/D转换5V电路包括电压源N4，电压源N4输入端连接经过EMI滤波器L1处理后的24V电源，电压源N4与高性能汽车稳压电源N1之间连接电阻R13、电容C11，电压源N4输出端连接电阻R14、R15、电容C12、电容C13、电容C14；所述控制电路包括运算放大器N7，运算放大器N7输入端连接电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电容C16、电容C19，输出端连接电阻R25、电阻R29、电容C18、电容C20。
进一步的，所述尿素罐温度信号处理模块105、尿素罐液位信号处理模块106包括信号处理电路；所述信号处理电路包括运算放大器N8，运算放大器N8的输入端连接电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电容C21、电容C25，运算放大器N8的输出端连接电阻R35、电阻R40、电容C24。
进一步的，所述功率驱动模块107包括带闭环检测功率控制电路和冷却水电磁阀控制电路；所述带闭环检测功率控制电路采用控制芯片N5，控制芯片N5连接二极管N19、电阻R61、电阻R62、电阻R63、电阻R64、电阻R65、电容R66、电阻R67；所述冷却水电磁阀控制电路采用控制芯片N6，控制芯片N6连接二极管N19、电阻R68、电阻R69、电阻R70、电阻R71。
进一步的，所述发动机CAN接口110、计量泵NOX CAN接口111、仪表诊断CAN接口112的CAN总线电路包括CAN收发器N11、共模抑制器N9、保护器N10，共模抑制器N9连接电阻R41、电阻R42，共模抑制器N9通过电阻R43、电阻R44连接CAN收发器N11，保护器N10通过电阻R45连接CAN收发器N11。
进一步的，所述存储模块108包括存储器N4，存储器N4连接电阻R80、 电阻R90、电阻R91、电容C35。
进一步的，所述时钟模块109包括时钟芯片N17、电源管理电路芯片N16，时钟芯片N17的振荡电路包括电容C46、电容C47、晶体源G2，时钟芯片N17连接电容C48、电容C49、电阻R57、电阻R58、电阻R59。
进一步的，所述仪表输出模块113包括仪表显示电路和报警电路；所述仪表显示电路包括开关二极管VT10以及与开关二极管VT10连接的电阻R75、电阻R76、电阻R77、电阻R78、电阻R79、电阻R80、电阻R81、电容C48、电容C49；所述报警电路包括二极管VT11、二极管VT12，二极管VT11连接电阻R90、电阻R91、电阻R92、电阻R93、电阻R94，二极管VT11与二极管VT12连接。
相对于现有技术，本实用新型所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置具有以下优势：本发明提供的一种柴油发动机后处理SCR控制装置，取出柴油机排气中的NOX效率达到85％，满足车辆柴油机发动机达到国V排放标准并实现OBD功能。通过选择Infineon汽车级XC2287满足SCR硬件系统资源和相关控制算法的需求，简化了硬件设计，提高了系统可靠性；通过电源和电磁兼容设计，提高了系统可靠性和安全性；通过电源管理设计，实现了系统低功耗功能；采用3路CAN接口设计，其中发动机一路单独CAN接口，不给这条总线上发送数据，不影响发动机CAN接口数据负载率，保证发动机CAN总线正常工作，另外一路为计量泵和NOX传感器数据交换用，最后一路为仪表和诊断仪用，仪表厂家不同CAN总线通信设置参数不一样，采用一条独立的CAN总线提高了SCR控制器系统的兼容性；通过模拟电路采集硬件设计，提高了系统信号采集精度和稳定性，从而提高了尿素喷射量控制精度；通过设计硬件闭环系统控制系统功率输出，提高了系统功率输出可靠性并实现OBD诊断功能；通过设计汽车级时钟电路，为SCR控制装置提供时钟；通 过设计和仪表兼容接口，兼容不同商用车仪表接口，通过兼容性设计，满足模拟、数字仪表的驱动。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型实施例所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置结构示意图；
图2为本实用新型实施例所述的SCR控制器的硬件框图。
图3为本实用新型实施例所述的电源管理模块电路图；
图4为本实用新型实施例所述的控制器A/D采集独立电源和参考电源电路图；
图5为本实用新型实施例所述的控制器上下游温度传感器采集模块电路图；
图6为本实用新型实施例所述的尿素罐温度和液位传感器采集电路图；
图7为本实用新型实施例所述的功率驱动模块电路图；
图8为本实用新型实施例所述的CAN模块电路图；
图9为本实用新型实施例所述的存储模块电路图；
图10为本实用新型实施例所述的时钟模块电路图；
图11为本实用新型实施例所述的仪表输出模块电路图。
附图标记说明：
100-SCR控制器DCU，200-发动机，300-排气管，400-催化器，500-计 量泵，600-NOX传感器，700-尿素罐，800-上游温度传感器，900-下游温度传感器，1000-喷嘴，1100-冷却水控制点磁阀，1200-供水管路，1300-加热管路，1400-尿素溶液管路，1500-仪表，1600-OBD诊断设备，101-MCU模块，102-电源管理模块，103-上游温度信号处理模块，104-下游温度信号处理模块，105-尿素罐温度信号处理模块，106-尿素罐液位信号处理模块，107-功率驱动模块，108-数据存储模块，109-时钟模块，110-发动机CAN接口，111-计量泵NOX CAN接口，112-仪表诊断CAN接口，113-仪表输出模块。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
图1是本实用新型控制系统的总体结构框图，包括SCR控制器100、发动机200、排气管300、催化器400、计量泵500、NOX传感器600、尿素罐700、上游温度传感器800、下游温度传感器900、喷嘴1000、冷却水控制电磁阀1100、供水管路1200、加热管路1300、尿素溶液管路1400、仪表1500、OBD诊断设备1600。
图2是本实用新型控制系统的SCR控制器100硬件框图，SCR控制器100包括MCU模块101、电源管理模块102、上游温度信号处理模块103、下游温度信号处理模块104、尿素罐温度信号处理模块105、尿素罐液位信号处理模块106、功率驱动模块107、存储模块108、时钟模块109、发动机CAN接口110、计量泵NOX CAN接口111、仪表诊断接口112、仪表输出模块113。SCR控制器100是控制系统的关键部分负责电源管理、传感器信号的采集、处理，控制策略的实现，以及对计量泵的控制，以及3个独立CAN网络通信、OBD诊断。
MCU模块101)采用Infineon公司生产的低功耗、汽车级高性能的16位微控制器XC22XX。XC22XX的外围资源包括两个10位独立的A/D转换器，4个16位基准定时器/计数器，4个信号捕获和产生单元CCU6，两个通用定时器单元包含5个16位定时器，多达六个数据通道，可配置成UART、SPI、IIS、IIC和LIN；控制器局域网络MultiCAN)支持V2.0B协议，多达5个CAN接点，可独立工作或通过网关交换数据。本实用新型的SCR控制系统主要利用2个A/D转换模块，通用定时器模块、SPI数据总线、CCU6模块PWM输出、3路MultiCAN的CAN接点；其中，一路A/D1用于上下游温度传感器、尿素罐温度和液位传感器的测量；另一路A/D2用于尿素罐供给和回流管路以及尿素罐化冰加热电磁阀驱动电路的闭环检测；通用定时器模块用于系统定时；SPI数据总线用于数据存储器和时钟的扩展；CCU6模块用于仪表步进电机的PWM驱动；一路CAN节点用于和发动机MCU通信，一路CAN节点用于和计量泵以及NOX传感器通信，最后一路CAN节点用于和仪表的通信以及OBD诊断。
电源管理模块如图3所示，为了保证SCR控制器可靠性，减少电源干扰和电磁辐射干扰，本设计采用电源EMI处理，使输入电源满足系统电源环境要求，系统主电源从汽车电池电源接入，电压输入范围为9-36V，车辆电池输入电源通过VD1输出，VD1为MR850G，防止输入电源反接，当输入电源反接时，VD1截止，系统没有电流，这样防止SCR控制器在电源反接情况下发生硬件功能性损坏。输入电源通过VD1后，再通过VD2，VD2是TVS瞬时电压抑制器SMAJ36CA，用于吸收浪涌功率，当TVS两端经受瞬间高能量冲击时，它以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收一个大电流，从而把两段的电压钳位在一个预定的数值上，保护后面的电子元器件不因瞬间的高电压冲击而损坏。CVX80A470M是压敏电阻，用于保护后续电路，当有高电压或瞬时脉冲时，用来吸收高压或瞬时脉冲，稳定电源的输入。C1为 0.1uF的电容，用来吸收差模高频干扰。L1是大容量陶瓷电容器和铁氧体磁珠等组成的高性能EMI滤波器，此类滤波器能够有效抑制从低频到高频很宽频带范围中的EMI噪声。C2为0.1uF的电容，进一步吸收差模高频干扰。C3为50V，1000uF的电解电容，其能平滑电源输出纹波，吸收低频干扰。通过这一系列的EMI处理，SCR控制系统满足汽车在电子打火或电源跌落强烈干扰下正常工作。
系统需要24V到5V的电压转换，采用TEL4271-2，其是高性能汽车稳压LDO电源，正常工作电压为42V，瞬时最大输入电压为65V，输出电流为650mA,静态电流极低，并带有硬件看门狗功能，很好的满足系统需求。在其输入前，用F1自恢复二级管保护整个MCU模块的安全性，这里采用60V耐压，0.6A的自恢复二级管，当系统主电源电流大于0.6A时，F1工作，主电源断开，保护系统硬件安全，当主电源电流小于0.6A，F1相当于导体，电源稳定通过F1。
为了满足系统低功耗设计功能，在系统进入低功耗时，除了MCU和相关唤醒源工作以外，其它所有外围电路都处于掉电状态，这样更能节约能源，本设计外围用到了24V和5V电源，因此，设计了电路管理这两部分供电电路，其中，24V电路管理由MOSEFT管TP0610K和2N7002来完成，当2N7002的G极为低时，VT2截止，VT1的S极和D极都为24V，VT1也截止，当2N7002的G极为高时，VT2导通，VT1的S极为24V，D极为低，这样VT1导通，24VP能输出+24V电压。外围5V电源采用MOSEFT管RRT0202P2来实现，当VT3的G极为低时，VT3导通，外围5V电源输出有效，当VT3的G极为高时，VT3截止，外围5V电源截止。
为了保证系统的高可靠性，设计有硬件看门狗功能，当MCU由于干扰或软件BUG荡机时，MCU软件就不能在给定的时间内给TLE4271喂狗，TLE4271 输出复位信号，复位MCU，使MCU重新工作，从而保证系统的正常工作。为了满足系统低功耗功能，当MCU进入低功耗以后，硬件看门狗就不能起作用。本设计采用74HC1来实现硬件看门狗和低功耗共存功能，当MCU从低功耗唤醒后，清除DIS_DOG为低，这样，TLE4271输出的RESET状态就输出在74HC1的输出端，当不给TLE4271喂狗时，TLE4271输出复位信号，复位MCU，当系统进入低功耗掉电模式以后，74HC1的DIS_DOG为高，这样，不管TLE4271输出的RESET状态怎么样，74HC1的输出端始终为高，这样就不能复位MCU。
上游温度信号处理模块103及下游温度信号处理模块104是对上下游温度信号采集处理电路，两路信号输出都是电阻信号，为了实现信息采集，需要把这些传感器输入信号转化成电压信号，再通过MCU的A/D1转换来实现传感器信号的采集。为了保证系统的采集精度，避免SCR系统其它电源不稳定给A/D1转换带来的精度影响，SCR控制器设计采用A/D1转换电源和参考电源相互独立并和主电源分开，以减少他们之间的互相干扰，设计了参考电压电路和A/D1转换5V用的电路，其电路图如图4：参考电压是A/D1采集精度的主要影响因数之一，这里采用NCV1009D，NCV1009D是高精度参考电压源，其纹波能达到5mV，输出为2.5V，电路外围所需器件少，温度范围宽，性价比高，系统5V电源通过R12后，由NCV1009D输出2.5V输出给MCU的A/D1作为参考电源。其中C8、C9、C10为滤波电容。A/D1转换模块所用5V电源采用TL431B来实现，TL431B是大电流、稳定性好的参考电源，其最大电流能到100mA,经过EMI处理后的24V输入到TL431B的输入端，通过R14和R15的匹配，输出为5V电压，提供给A/D1转换模块做独立的电源使用。
上下游温度传感器都是电阻信号，其输出特性是不同的温度对应不同的电阻值，这里采用1K的上拉电阻把电阻信号转化成电压信号，如R22、R26。温度传感器一端接R22和R26下端，另一端和A/D1转换地相连接。温度传 感器是电阻信号，对电压波动很敏感，这里输入电压采用TL431B独立于其它电源的电压，其稳定性好，减少对系统的影响，同时温度传感器受采集电路负载变化影响也很大，这里采用MC33127运算放大器作为隔离输入和输出，运算放大器工作在跟随器模式，其把传感器的输出电压1：1的传输给MCU的A/D1转换输入端，其输入是高阻态，故不影响传感器电阻转换电压电路，温度传感器通过1K电阻上拉后，变成电压信号，通过MC33127同相端输入，放大器输出端输出，其中C16、C19电容起抑制放大器自激作用，R25和R29是限流电阻，其限制放大器输出的电流，C18、C20起对输出传感器电压信号滤波作用，通过滤波的传感器电压信号由MCU模块101的A/D1的第1和第2通道采集，其电路图如图5。
尿素罐温度信号处理模块105及尿素罐液位信号处理模块106是对尿素罐温度和液位采集和处理电路，这两路信号输出都是电阻信号，为了实现信息采集，需要把这些传感器输入信号转化成电压信号，再通过MCU的A/D1转换来实现传感器信号的采集。其所用电源采用和上下游温度传感器所用TL431B来实现，电压基准也用上下游温度传感器所用NCV1009D来实现。
尿素罐温度和液位传感器采集电路和上下游温度采集电路原理基本一样，其主要差别在尿素罐温度和液位传感器电阻信号输出最大和最小值差别比较大，通过一个上拉电阻，其调整后的输出电压很难满足0-2.5V的电压信号和电压信号输出的变化率之间的均衡，电压信号必须在0-2.5V之间，但如果变化率太小，再采集过程中，误差就太大。在本设计中，采用2个电阻串连，取串联电阻中间的电压信号，满足电阻信号转移成电压0-2.5V的电压信号同时，变化率也满足采集要求，电路图如图6。
尿素罐温度传感器是电阻信号，其输出特性是不同的温度对应不同的电阻值，其温度变化时，所对应的电阻值变化大，这里采用R31和R32组成电 阻网络来把其电阻信号转化成电压信号，尿素罐温度传感器一端接A/D1转换模块用的独立的5V电源，另一端接R31电阻一端，其输出电压信号通过R31和R32中间输出，这里采用MC33127运算放大器作为隔离输入和输出，运算放大器工作在跟随器模式，其把传感器的输出电压1：1的传输给MCU的A/D1转换输入端，其输入是高阻态，故不影响传感器电阻转换电压电路，通过MC33127同相端输入，放大器输出端输出，其中R35是限流电阻，C21电容起抑制放大器自激作用，C22起对输出传感器电压信号滤波作用，放大器输出电压信号由MCU模块101的A/D1的第3通道采集。
尿素罐液位传感器是电阻信号，其输出特性是不同的温度对应不同的电阻值，其液位变化时，所对应的电阻值变化大，这里采用R36和R37组成电阻网络来把其电阻信号转化成电压信号，尿素罐液位传感器一端接A/D1转换模块用的独立的5V电源，另一端接R36电阻一端，其输出电压信号通过R36和R37中间输出，这里采用MC33127运算放大器作为隔离输入和输出，运算放大器工作在跟随器模式，其把传感器的输出电压1：1的传输给MCU的A/D1转换输入端，其输入是高阻态，故不影响传感器电阻转换电压电路，通过MC33127同相端输入，放大器输出端输出，其中R40是限流电阻，C25电容起抑制放大器自激作用，C24起对输出传感器电压信号滤波作用，放大器输出电压信号由MCU模块101的A/D的第4通道采集。
功率驱动模块107是SCR控制器加热化冰功能，当尿素罐温度低于零下13°时，尿素罐、尿素溶液供给系统和尿素溶液回流系统就可能结冰，控制器设计电磁阀控制发动机冷却水加热尿素罐功能，尿素供给管路系统和回流管路系统采用电阻丝加热，尿素罐采用发动机冷却水加热，当结冰时，打开尿素罐发动机冷却水控制电磁阀，发动机冷却水就流入尿素罐，加热尿素溶液，同时打开电阻丝加热控制电路给供给管路系统和回流管路加热，实现尿 素化冰功能，当尿素罐不结冰或加热到5°时，关闭发动机冷却水控制阀，不给尿素罐加热，同时关闭供给管路系统和回流管路加热，电路图如图7。
对供给和回流尿素溶液管路加热，由于采用电阻丝加热，加热功率比较大，采用BTS5235来实现控制和闭环检测，BTS5235是智能的功率控制芯片，其最大输入电压为28V，有两路控制输出，每路输出最大电流为3.3A，具有很低的导通电阻，导通时候为60mΩ，也有很低的静态电流，满足系统低功耗设计要求，其控制逻辑兼容TTL电平，并具有输出功率反馈电流闭环检测功能，这是满足OBD诊断的必须功能。SEN是BTS5235功能控制端，当SEN为高时，BTS5235两个控制输入输出使能，当SEN为低时，BTS5235两个控制输入输出禁止，BTS5235进入静态功能，IN1和IN2是通道1和通道2输出控制端，当通道1或者通道2有效后，BTS5235功率输出有效，推动负载，当通道1或者通道2无效后，BTS5235功率输出无效，不给负载加上电压，负载不工作。IS1和IS2是负载功率反馈电流输出，其输出的电流和负载所消耗的功率成正比，当负载消耗功率高时，其输出大电流，当负载消耗功率小时，其输出小电流，在本设计中，通过两个电阻R613和R64，把其输出的电流信号转化成电压信号，然后由MCU的A/D2实现采集，用来识别给负载加载时候识别负载功率消耗状态，MMBZ5V6A是限压保护作用，当IS上的电压超过5V时候，有可能把MCU的A/D2输入口损坏，MMBZ5V6A是在保证A/D2的输入在0-5V的输入范围。A/D2的参考电压采用TL431B输出的5V电压。通过闭环系统设计，满足了MCU知道加载负载的状态，实现SCR控制器功率驱动和OBD诊断功能。
对尿素罐发动机冷却水电磁阀控制，采用相同的控制原理，只是在输出功率上要小一些，功率驱动芯片选用BTS5321，其也有两路输出，每路最大输出电流为1.8A，其它性能和设计和BTS5235一样。
发动机CAN接口110、计量泵NOX CAN接口111、仪表诊断CAN接口112是SCR控制器中的3路独立的CAN接口，通过CAN总线交换数据的模块比较多，有计量泵、NOX传感器、OBD诊断仪、CAN总线仪表、发动机MCU，为了提高CAN通信的可靠性，降低CAN总线的负载率，以及适应不同的带CAN总线波特率汽车上其它电子设备仪器，系统设计了3路独立硬件CAN通信接口。因为需要发动机MCU信息，而发动机MCU的CAN网络负载率多少，由车辆本身设计确定，本系统为后安装系统，为了在加入本系统后不影响发动机MCU的CAN通信特性，使系统对发动机MCU有很好适应性，本设计中提供一路CAN节点和发动机MCU通行，接收发动机的信息，其它CAN信息交换不通过这路节点实现，这样就不会提高发动机MCU的CAN节点的负载率，保障其安全性。对于计量泵和NOX传感器，其CAN通信的数据结构和波特率都是固定的，本设计中采用一路CAN连接它们。对于仪表和诊断仪，其CAN通信协议是变化的，不同车型和不同配置可能不一样，这里设计另外一路CAN连接CAN总线仪表和OBD诊断仪。这3路CAN总线电路在硬件设计上是一样的，电路图如图8。
CAN总线收发器采用ON公司的AMIS42655，AMIS42655是一款高性能CAN收发器，满足ISO-11898协议，最高波特率为1M，兼容汽车12V和24V设计，具有高性能EMI。SCR控制器XC2287的CAN功能输出I/O和AMIS42655相连接，实现CAN总线数据的发送和接收。R43和R44是终端反射电阻，ACT45B是共模抑制器，其主要抑制CAN总线上的共模干扰，提高CAN总线的数据稳定性，NUP2105L是ESD和EMI保护器，其能保护CAN总线模块不受大的静电和瞬时脉冲的损坏，用于提高CAN总线的可靠性。
存储模块108是SCR控制器数据存储体，SCR控制器有大量的MAP，包括发动机扭矩、速度、原机NOX排放MAP，发动机扭距、速度、排汽流量MAP， 发动机扭矩、速度、NOX降低量MAP，发动机扭矩、速度、NOX预测MAP，以及OBD数据结构MAP，这就需要一个数据存储体来存储这些MAP，当系统进入低功耗以后，这些MAP就储存到数据储存体里，以防止系统断电后，这些MAP丢失。本设计采用CAT25128，CAT25128有16KB字节存储量，有64字节写缓存，采用SPI接口和SCR控制器MCU相连接，具有10M通信速率，电路图如图9。
R80、R90、R91是上拉电阻，CAT25128与MCU模块1016个I/O口线来控制，其中SI、SO、SCK是CAT25128与MCU模块101的SPI通信线，数据通过这3根通信线实现交换，CS是CAT25128的片选线，当需要和CAT25128进行数据交换时候，必须选择片选线，当片选线有效时，才能实现数据交换，/WP和/HOLD是CAT25128控制线，当它们有效后，CAT25128就进入保护状态，就不能改写CAT25128的数据内容，当他们无效后，就能修改CAT25128的数据内容，通过他们，在软件上能更安全的修改CAT25128的数据内容。
时钟模块109是SCR控制器数据时钟，SCR控制器有OBD诊断法规要求，因此，需要系统时钟，这里设计了时钟和备用电池自动切换电路，电路图如图10。
时钟采用PCA2125，其是NXP一款汽车级时钟芯片，通过SPI总线和MCU模块101交换数据，具体由CS、SDI、SDO、SCK这4棵连线来实现，PCA2125的震荡电路采用标准的晶体源和电容C46和C47来实现。其电源是通过SP609A来提供，PCA2125功耗非常低，适合做系统时钟。
SP609A是PCA2125电源管理电路芯片，当其输入+5V有电压时候，SP609A输出VBAT就用+5V电源，这时候，用的是汽车电瓶的能量，当输入电压+5V没有或者低于3V的时候，SP609A就自动切换成VRTC来供电，这时候，就用的是备用电池的能量给时钟供电，这样就保证了即使在汽车电瓶没有能量的 时候，SCR控制器时钟也会工作，备用时钟采用SB-AA05，其输出为3.6V电压。
仪表输出模块113主要包括仪表显示和报警显示，为了提高系统的兼容性，系统设计两种仪表显示方法，一种为CAN总线模式，如果仪表系统带有CAN总线接口，那液位显示和OBD报警显示就可以通过CAN总线把数据发给仪表，以实现对SCR控制系统的相关信息显示，如果不带CAN总线接口，就采用传统方式显示，电路图如图11。
其中R82-R89组成PWM输出系统，如果仪表的液位指示指针采用步进电机控制，就可以采用PWM输出控制步进电机来显示尿素罐液位。另外一种是传统控制，通过模拟量控制仪表指针来显示液位，这里采用VT10和电阻电容组成网络，VT10是BSS84P开关二级管，这里有两路转换，当仪表对模拟信号为零要求不是很严格的情况下，就可以通过R97，不用VT10，再通过RC网络把PWM波形调整成模拟量输出，驱动仪表指针，如果要求严格，不焊接R97，通过VT10开关管调节，把把PWM波形调整成模拟量输出，并在输出为低时接近0V，满足模拟量输出比较严格的要求。
VT119014)和VT12XP152A12E5MR)组成的电路是SCR系统的报警电路，SCR系统有两路报警，一路为OBD报警，一路为液位报警，本设计采用兼容5V和24V输出模式，当需要5V输出时，焊接VT11、R90，不焊接VT12和R91、R94，当需要24V输出时，焊接VT11、R91，R94不焊接R90，另外VT11和VT12还有电流放大作用。
启动本实用新型的SCR控制装置，启动发动机，通过上下游温度传感器、尿素罐温度、液位传感器采集数据，传送到SCR控制器，SCR控制器向计量泵发送工作指令，使计量泵工作的喷射状态，SCR控制器向NOX传感器发送命令，并接收返回信息得到发送机排放NOX含量，计算计量泵喷射量，发送 给计量泵实现计量泵喷射；SCR控制器接收OBD诊断设备发送的数据，完成错误诊断，发送给仪表显示。本实用新型所述的柴油发动机后处理SCR控制装置取出柴油机排气中的NOX效率达85％，满足国V排放标准。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种柴油发动机后处理SCR控制装置，其特征在于：包括SCR控制器(100)、发动机(200)、排气管(300)、催化器(400)、计量泵(500)、NOX传感器(600)、尿素罐(700)、上游温度传感器(800)、下游温度传感器(900)、喷嘴(1000)、冷却水控制电磁阀(1100)、供水管路(1200)、加热管路(1300)、尿素溶液管路(1400)、仪表(1500)、OBD诊断设备(1600)；
所述SCR控制器包括MCU模块(101)、电源管理模块(102)、上游温度信号处理模块(103)、下游温度信号处理模块(104)、尿素罐温度信号处理模块(105)、尿素罐液位信号处理模块(106)、功率驱动模块(107)、存储模块(108)、时钟模块(109)、发动机CAN接口(110)、计量泵NOXCAN接口(111)、仪表诊断CAN接口(112)、仪表输出模块(113)；所述上游温度信号处理模块(103)、下游温度信号处理模块(104)、尿素罐温度信号处理模块(105)、尿素罐液位信号处理模块(106)、功率驱动模块(107)、存储模块(108)、时钟模块(109)、发动机CAN接口(110)、计量泵NOX CAN接口(111)、仪表诊断CAN接口(112)、仪表输出模块(113)与所述MCU模块(101)、电源管理模块(102)都相连；
所述发动机(200)通过所述发动机CAN接口(110)与所述MCU模块(101)连接；所述排气管(300)与所述催化器(400)连接；所述计量泵(500)通过所述计量泵NOX CAN接口(111)与所述MCU模块(101)连接；所述尿素罐(700)上的温度传感器通过所述尿素罐温度信号处理模块(105)与所述MCU模块(101)连接；所述尿素罐(700)上的液位传感器通过所述尿素罐液位信号处理模块(106)与所述MCU模块(101)连接；所述上游温度传感器(800)通过所述上游温度信号处理模块(103)与所述MCU模块(101)相连接；所述下游温度传感器(900)通过所述下游温度信号处理模块(104) 与所述MCU模块(101)连接；所述喷嘴(1000)安装在所述排气管(300)上并与所述计量泵(500)连接；所述冷却水控制电磁阀(1100)与所述供水管路(1200)连接；所述冷却水控制电磁阀(1100)通过所述功率驱动模块(107)与MCU模块(101)连接；所述供水管路(1200)连接发动机冷却水和尿素罐(700)供水管路；所述加热管路(1300)是所述尿素溶液管路(1400)外部包的一层加热管路，通过所述功率驱动模块(107)与所述MCU模块(101)连接；所述仪表(1500)通过所述仪表诊断CAN接口(112)和所述仪表输出模块(113)与所述MCU模块(101)连接；所述OBD诊断设备(1600)通过所述仪表诊断CAN接口(112)与所述MCU模块(101)连接；所述电源管理模块(102)包括汽车电瓶输入电源EMI处理模块、电压转换模块以及兼容模块。
2.如权利要求1所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置，其特征在于，所述汽车电瓶输入电源EMI处理模块的电源连接高性能EMI滤波器(L1)的输入端，电源与输入端口之间并联稳压二极管、压敏电阻(R1)和电容C1，高性能EMI滤波器(L1)的输出端并联电容C2、电容C3，电压转换模块的高性能汽车稳压电源(N1)连接高性能EMI滤波器(L1)的输出端，高性能EMI滤波器(L1)与高性能汽车稳压电源(N1)之间连接二极管F1、电阻R1、电容C4、电容C5，高性能汽车稳压电源(N1)的输出端连接电阻R2、电阻R3、电容C6，兼容模块的芯片(N2)的输入端连接电压转换模块的输出端，高性能汽车稳压电源(N1)与芯片(N2)之间连接电阻R10，芯片(N2)的输出端连接电阻R11。
3.如权利要求1所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置，其特征在于，所述上游温度处理模块(103)、下游温度处理模块(104)包括A/D转换电源电路和控制电路；所述A/D转换电源电路包括参考电压电路和A/D 转换5V电路；所述参考电压电路包括高精度参考电压源(N3)，连接滤波电容C8、滤波电容C9、滤波电容C10；所述A/D转换5V电路包括电压源(N4)，电压源(N4)输入端连接经过EMI滤波器(L1)处理后的24V电源，电压源(N4)与高性能汽车稳压电源(N1)之间连接电阻R13、电容C11，电压源(N4)输出端连接电阻R14、电阻R15、电容C12、电容C13、电容C14；所述控制电路包括运算放大器N7，运算放大器N7输入端连接电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电容C16、电容C19，输出端连接电阻R25、电阻R29、电容C18、电容C20。
4.如权利要求1所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置，其特征在于，所述尿素罐温度信号处理模块(105)、尿素罐液位信号处理模块(106)包括信号处理电路；所述信号处理电路包括运算放大器N8，运算放大器N8的输入端连接电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电容C21、电容C25，运算放大器N8的输出端连接电阻R35、电阻R40、电容C24。
5.如权利要求1所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置，其特征在于，所述功率驱动模块(107)包括带闭环检测功率控制电路和冷却水电磁阀控制电路；所述带闭环检测功率控制电路采用控制芯片(N5)，控制芯片(N5)连接二极管N19、电阻R61、电阻R62、电阻R63、电阻R64、电阻R65、电容R66、电阻R67；所述冷却水电磁阀控制电路采用控制芯片(N6)，控制芯片(N6)连接二极管N19、电阻R68、电阻R69、电阻R70、电阻R71。
6.如权利要求1所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置，其特征在于，所述发动机CAN接口(110)、计量泵NOX CAN接口(111)、仪表诊断CAN接口(112)的CAN总线电路包括CAN收发器(N11)、共模抑制器(N9)、保护器(N10)，共模抑制器(N9)连接电阻R41、电阻R42，共模抑制器(N9) 通过电阻R43、电阻R44连接CAN收发器(N11)，保护器(N10)通过电阻R45连接CAN收发器(N11)。
7.如权利要求1所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置，其特征在于，所述存储模块(108)包括存储器(N4)，存储器(N4)连接电阻R80、电阻R90、电阻R91、电容C35。
8.如权利要求1所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置，其特征在于，所述时钟模块(109)包括时钟芯片(N17)、电源管理电路芯片(N16)，时钟芯片(N17)的振荡电路包括电容C46、电容C47、晶体源(G2)，时钟芯片(N17)连接电容C48、电容C49、电阻R57、电阻R58、电阻R59。
9.如权利要求1所述的一种柴油发动机后处理SCR控制装置，其特征在于，所述仪表输出模块(113)包括仪表显示电路和报警电路；所述仪表显示电路包括开关二极管VT10以及与开关二极管VT10连接的电阻R75、电阻R76、电阻R77、电阻R78、电阻R79、电阻R80、电阻R81、电容C48、电容C49；所述报警电路包括二极管VT11、二极管VT12，二极管VT11连接电阻R90、电阻R91、电阻R92、电阻R93、电阻R94，二极管VT11与二极管VT12连接。
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| CN201520336997.8U CN204738862U (zh) | 2015-05-22 | 2015-05-22 | 一种柴油发动机后处理scr控制装置 |
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|---|---|---|---|---|
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2015
- 2015-05-22 CN CN201520336997.8U patent/CN204738862U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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Granted publication date: 20151104 Effective date of abandoning: 20180213 |
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