1、摘 要I本科毕业论文（20 届）公交车后处理系统尿素喷射测试系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要近年来，随着我国国民经济的快速增长，人民生活水平的提高，汽车数量的急剧增加，汽车尾气对环境也造成了严重的污染。由于尾气的污染的日益严重，国家对尾气排放的标准也日益严格。为应对排放法规，SCR 技术将成为减少柴油机尾气排放的主流措施。本文对 SCR 的技术背景作了简单的介绍，主要介绍了尿素喷射系统的组成及其工作过程，设计了尿素喷射电控单元。尿素喷射单元的设计主要包括硬件设计和软件设计。其中硬件设计包括单片机的选择、信号采集电路的设计、电
2、源模块、驱动电路和通讯电路等五个部分。软件设计主要包括尿素喷射的控制策略、CAN 总线设计和上位机软件设计。本文研究的结果，对开发公交车的尾气处理系统有着重要的参考价值，对降低公交车的尾气排放，减少大气污染有着重要的意义。关键词：SCR，柴油机，尿素喷射AbstractIIIAbstractRecent years,with the rapid growth of Chinas national economy and the improvement of peoples living standards,the number of cars increased dramatically,ca
3、using serious pollution of the automobile exhaust.The state is increasingly strict on the emission standards as a result of the exhaust pollution is increasingly serious.The SCR technology will become the popular measure to reduce diesel emission due to the emission regulations.The article makes a b
4、rief introduction of SCR technology background ,the composition of the urea jet system and its working process.Then design a urea jet electronic control unit,which includes hardware and software design.The hardware design includes the selection of MCU,the signal acquisition circuit design,power modu
5、les,drive circuit and the communication circuit.The software design includes urea jet strategy,the CAN bus and PC software design.The result of this study has an important reference value to the develop of bus exhaust gas treatment system,and has an important significance to reduce air pollution.Key
6、 words:SCR;diesel engine;urea jet目 录IV目 录摘 要 .IABSTRACT.I目 录 .II第一章 绪论 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 SCR 技术的发展现状 .21.3 本文的主要研究内容 .2第二章 SCR 系统介绍 .32.1 SCR 系统的基本原理 .32.2 SCR 系统的构成 .32.2.1 尿素罐 .32.2.2 喷嘴 .32.2.3 催化消声器 .42.2.4 计量喷射单元 .52.2.5 传感器 .72.3 SCR 系统的工作原理 .72.3.1 尿素加料器的自检 .72.3.2 系统预注 .72.3.3 等待加料 .72.2.
7、4 系统加料 .82.2.5 系统排空 .8第三章 尿素喷射测试系统硬件电路的设计 .93.1 尿素喷射测试系统的功能需求 .93.2 尿素喷射测试系统的硬件设计 .93.2.1 单片机的选择 .103.2.2 信号采集电路 .10目 录V3.2.2.1 温度传感器 .103.2.2.2 尿素液位传感器 .123.2.2.3 压力变送器 .123.2.2.4 A/D 转换电路的设计 .133.2.3 驱动电路的设计 .133.2.4 电源电路 .143.2.5 通讯接口设计 .153.2.5.1 CAN 总线介绍 .153.2.5.2 CAN 总线的设计 .183.2.5.3 RS232 串口
8、通信接口设计 .193.3 外围电路与 MCU 的连接图 .20第四章 尿素喷射测试系统的软件设计 .214.1 尿素喷射测试系统的结构图 .214.2 尿素喷射测试系统的流程图 .224.3 基于组态王的上位机的软件设计 .234.3.1 组态王软件概况 .234.3.2 定义 I/O 设备 .244.3.3 构建数据库 .254.3.4 监控画面的设计 .254.3.5 组态软件的运行画面 .26结 论 .29参考文献 .30致 谢 .32附 录 .33第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 课题的背景和意义如今汽车已经成为人们的重要交通工具，随着我国国民经济的发展，人民生活水平快速
9、提高，汽车的数量也急剧增加，在方便人们出行的同时，汽车所排放出的尾气对人类生活的环境造成了巨大污染。根据有关专家统计，汽车的尾气污染占到了大气污染的 30%到 60%。随着机动车的不断增加，尾气污染变得越来越严重，各个国家的居民已经成为了汽车尾气污染的直接受害者。汽车排放污染物 90%来自与汽车排气尾管排出的废气，主要是由于汽车燃料燃烧不完全所致。主要成分为一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、二氧化碳、铅、微粒等 1。其中，氮氧化物的排放对人体健康和生态环境的危害最大。它不仅危害人体健康，而且还是破坏环境、形成酸雨和光化学烟雾的重要物质。氮氧化物会刺激人的肺部，使人难以抵抗一些呼吸系统类的疾病，而
10、呼吸系统有问题的人会比较容易受到二氧化氮影响。据相关研究表明，氮氧化物的长期吸入可能会引起非结构的变化。以一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因 2。汽车排放出的碳氢化合物和氮氧化物在紫外线照射下起化学反应生成污染物,称为光化学烟雾。光化学烟雾具有特殊的气味,会损害人和动物的健康，影响植物生长，降低大气的能见度。而且,氮氧化物能够和空气中的水反应然后生成硝酸和亚硝酸，它们是形成酸雨的主要原因。随着汽车尾气污染的日益严重，那么势必要建立相应的排放法规来抑制这一趋势。早在六、七十年代有些国家就对汽车尾气的排放建立了一些相关的排放法规，目的在于通过严格的法规的约束以促进
11、汽车尾气排放控制技术的进步，而随着汽车排放控制技术的不断提高，又使更高标准的制订成为可能。 公交车所用的柴油机其主要排放污染物是氮氧化物和颗粒物。目前各大汽车厂商应对国排放法规主要措施通常是机内与机外相结合，机外采用增加后处理器的方式。其中 SCR 技术路线是重点选择，通过机内优化燃烧，机外采用SCR 尿素喷射控制系统降低氮氧化物的尾气排放，最终达到国的排放法规。第一章 绪 论- 2 -目前 SCR 技术在欧美已经得到较为广泛的应用，也已经比较成熟 ，但是国内才刚刚对 SCR 技术开始研究。目前 SCR 的主要技术仍旧被国外所掌握，而国内的厂商只能依靠国外的技术，因此必须要开展 SCR 技术的
12、研究。1.2 SCR 技术的发展现状SCR 技术发明于 1959 年，SCR 技术可以将发动机排放尾气中的氮氧化物还原，有效的减少尾气排放的污染，从而这项 SCR 技术被认为是能够达到欧 IV和欧 V 排放标准的最佳选择。欧洲重型汽车协会宣布将采用 Urea-SCR 技术作为打到欧 IV 以上排放标准的技术路线 3。SCR 作为一种新型的后处理技术，能有效地降低氮氧化物的排放，但是这项技术距离大规模应用还有很长的路要走，目前 SCR 系统存在以下几点问题：（1）汽车的起步阶段，由于排气温度较低，氮氧化物与氨的反应效率较低，因此在正常情况下，氮氧化物的排放量很难达到预期的目标。（2）系统的成本较
13、高，这占到了车辆成本的 3%到 5%左右。除了在较高的初期投入外，还需要日后的维护，另外还要加一套较为复杂的控制系统。（3）在实际的应用中，传感器的检测精度难以达到理想的状态，反应的速率，尿素的喷射量也受到其他因素的制约。所以可能会造成氨气的泄露，造成对环境的污染。1.3 本文的主要研究内容本文设计尿素喷射测试系统是 SCR 技术应用中的一部分。它主要用来来检测 SCR 喷射功能是否准确。依据系统的功能需求，制定出测试系统的设计方案，然后设计出尿素喷射测试系统的硬件和软件部分。第二章 SCR 系统介绍- 3 -第二章 SCR 系统介绍2.1 SCR 系统的基本原理SCR 是 Selective
14、（选择性） 、Catalytic（催化） 、Reduction（还原）的英文缩写，又称选择性催化还原系统。SCR 技术其内部工作的基本原理是在催化剂的作用下，利用氨气作为还原剂，将柴油机尾气中的氮氧化物还原成氮气。在这里，采用 32.5%的尿素水溶液，尿素在高温下分解成氨气和二氧化碳。尿素分解成的氨气为 SCR 系统提供还原剂。其主要反应如下：2322 CONHOCNH 高 温 (2-1)23644 催 化 剂 (2-2)22 催 化 剂 (2-3)231786催 化 剂 (2-4)OHNHNO24 催 化 剂 (2-5)为防止发动机整个使用寿命过程中氨气的泄露，SCR 催化器后设有氨催化器，
15、在这个催化器中氨气和氧气反应生成氮气和水： 22364 （2-6）2.2 SCR 系统的构成SCR 系统主要是由尿素罐、喷嘴、催化消声器、计量喷射单元以及各种传感器构成。如图 2-1 所示2.2.1 尿素罐尿素罐用于存储 32.5%的尿素水溶液，通常由塑料构成，内有尿素液位传感器和温度传感器，主要用于尿素罐液位和温度检测。如图 2-2 所示第二章 SCR 系统介绍- 4 -2.2.2 喷嘴尿素喷嘴是一个不锈钢的喷射器，安装在排气管上，作用是将计量喷射泵送来的尿素与空气混合物顺流喷入排气管，并使喷出的尿素均匀雾化 4。图 2-1 SCR 系统结构组成图 2-2 尿素罐第二章 SCR 系统介绍-
16、5 -2.2.3 催化消声器 催化消声器的主要作用是催化氮氧化物的还原反应、防止氨气泄露和降低发动机的噪声，是 SCR、氮气催化器和发动机排气消声器的集成体4。2.2.4 计量喷射单元计量喷射单元包括尿素泵、滤清器、加热器、计量控制器。尿素泵是尿素喷射系统的动力元件，柴油机正常工作时，尿素泵把尿素从尿素箱吸出。当柴油机停止，不需使用尿素时，尿素泵可以把尿素管和喷嘴中的尿素回抽至尿素箱中。在寒冷季节，可以控制加热器和过滤器自动加热，以实现化冰功能。尿素泵有四个液体/空气接头和两个电器机头，从顶部顺时针依次为：压缩空气入口、喷嘴接口、尿素溶液入口、回液口。如图 2-3图 2-3 尿素泵上述的尿素泵也可以称为尿素加料器，此尿素加料器的性能：（1）可以由数字式电子控制使得可以极快速地达到所需的流量，即在稳定标准条件下，泵送标定为 20环境和液体温度、流量的误差为 1%。
