繁體中文
23
發佈於 技術通報

2017年寶馬新5系 動力傳遞系統-新技術剖析(四)

2017年寶馬新5系 動力傳遞系統-新技術剖析(四)

(一) 概覽

SCR系統

選擇性催化劑還原3(SCR3)是寶馬採用的第3代SCR。尿素與水的混合物(AdBlue®)裝在1或2個罐內,隨車攜帶。容量足夠確保較長可達里程。該系統的簡化圖示如圖1所示:

圖1
圖1:SCR系統簡化圖示 (G30)
1.被動罐 2.帯液位傳感器和溫度傳感器的被動罐法蘭 3.傳輸管路 4.加注介面 5.細濾器 6.傳輸泵 7.主動罐 8.主動罐和罐法蘭塊加熱裝置 9.泵 10.計量管路加熱裝置 11.主動液位傳感器/尿素與水的混合物(AdBlue®)質量傳感器和溫度傳感器 12.液位傳感器 13.主動罐法蘭模塊 14.計量管路 15.計量閥 16.排氣裝置 17.SCR 催化轉換器

根據車型使用 2 個SCR罐的原因在於,受結構空間所限可提供的安裝空間不同。因此可輸送所需容積,從而使要求的加注週期能夠確保每次加注之間行駛較長距離。由於尿素與水的混合物(AdBlue®)在-11℃時結冰,因此會額外加熱主動罐。不對被動罐進行加熱。這樣不必對所攜帶的全部尿素與水的混合物(AdBlue®)進行加熱,從節省能量。

尿素與水的混合物(AdBlue®)從主動罐處通過罐法蘭模塊輸送至計量模塊。該管路也進行加熱。非加熱罐為被動罐。傳輸泵確保定期將尿素與水的混合物(AdBlue®)從被動罐輸送至主動罐。本檔部分介紹和展示了帶雙罐的系統型號。對於帶單罐的型號、功能基本相同。在單罐系統中可能會取消雙罐系統所需的附加組件。

  1. 安裝位置
    安裝位置如圖2所示。在配發動機型號B47D20O0發動機和B57D30O0發動機的G30上使用一個容積12.5L的主動罐(位於車輪後右後側地板內)和一個8·5L的被動罐(位於車輪前右後地板內)。僅在配備B47D20O0發動機的520ed上使用一個容積12.5L的主動罐(位於車輪後右後地板內)。尿素與水的混合物(AdBlue®)加注接囗位於右後側(柴油)燃油加注口旁的燃油箱蓋板。
  2. 系統概覽細節
    系統概覽細節如圖3所示。
  3. 系統電路圖
    系統電路圖如圖4所示。
圖2
圖2:SCR 3 安裝位置
1.帯罐蓋的尿素與水的混合物(AdBlue®)加注介面 2.計量模塊 3.SCR催化轉換器前的氮氧化物傳感器 4.氧傳感器 5.氮氧化物存儲式催化轉換器和柴油顆粒過濾器 6.柴油顆粒過濾器後的廢氣溫度傳感器 7.SCR催化轉換器 8.SCR催化轉換器後的氮氧化物傳感器 9.被動罐 10.傳輸泵 11.主動罐 12.SCR控制單元
圖3
圖3:系統概覽
1. 被動罐 2. 帶液位傳感器和溫度傳感器的被動罐罐法蘭 3. 罐通風管路 4. 加注管路 5. 傳輸管路 6. 傳輸泵 7. 過濾器 8. 帶液壓系統丶液位傳感器丶質量傳感器、加熱裝置和度傳器的主動罐法蘭 9. 主動罐 10. 加熱裝置 11. 截止閥(裝有泵時打開) 12. 泵 13. 冰壓緩沖器 14. 蓄壓器 15. 壓力傳感器/溫度傳感器 16. 計量管路加熱裝置 17. 計量閥 18. SCR 催化轉換器前的氮氧化物傳感器 19. 柴油顆粒過濾器後的廢氣溫度傳感器 20. SCR催化轉換器 21. SCR催化轉換器後的氮氧化物傳感器
圖4
圖4:系統電路圖
1. 數字式柴油機電子系(DDE) 2. 計量模塊 3. 計量管路 4. PT—CAN連接器 5. 計量管路加熱裝置 6. 帶霍耳傳感器的泵電機 7. 罐法蘭模塊加熱裝置 8. 液位傳感器和質量傳感器 9. 溫度傳感器和壓力傳感器 10. 主動罐法蘭模塊 11. SCR控制單元 12. SCR 控制單元供電保險絲 13. 被動罐 14. 被動罐液位傳感器和溫度傳感器 15. 被動罐分折單元 16. 傳輸泵 17. SCR催化轉換器前的氮氧化物傳感器 18. 廢氣溫度傳感器 19. SCR催化轉換器後的氮氧化物傳感器
圖5
圖5:SCR控制
1. 數字式柴油機電子系統 DDE 2. SCR 控制 3. 計量策衉 4. SCR 控制單元 5. 計量系統控制 6. 計量模塊及計量管路內的加熱裝置 7. 傳輸泵 8. 主動罐法蘭內的泵 9. 主動罐法蘭內的加熱裝置 10. 主動罐法蘭內的液位傳感器、質量傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器 11. 被動罐法蘭內的液位傳感器和溫度傳感器 12. 車外溫度傳感器 13. SCR 催化轉換器前的氮氧化物傳感器 14. SCR催化轉換器後的氮氧化物傳感器 15. 廢氣溫度傳感器

(二) 功能

SCR控制

SCR控制功能集成在SCR控制單元內和數字式柴油機電子系統DDE內,如圖5所示,SCR控制功能分為計量系統控制(由SCR控制單元實現)和計量策略(由數字式柴油機電子系統DDE確定)。在此,SCR控制單元執行以下功能:

  • CAN通信和網絡管理系統功能
  • 控制尿素與水的混合物(AdBlue®)泵送、計量管路加注/計量管路排空以及建立壓力/降低壓力
  • 控制尿素與水的混合物(AdBlue®)計量模塊、執行數字式柴油機電子系統DDE的計量規定
  • 控制尿素與水的混合(AdBlue®)加熱裝置
  • 分析液位傳感器和溫度傳感器
  • 分析尿素與水的混合物(AdBlue®)質量傳感器
  • 監控功能
  • 車載診斷系統OBD監控
  • 控制主動罐和計量管路內的加熱裝置
  • 控制從被動罐(如果安裝)至主動罐的泵送功能

在此,數字式柴油機電子系統DDE執行以下功能:

  • 分析氮氧化物傳感器
  • 分析廢氣溫度傳感器
  • 計算尿素與水的混合物(AdBlue®)量並通過PT-CAN將資訊傳輸至SCR控制單元
  • 控制關閉情況

1). 計量策略

圖6
圖6:氮氧化物與氨排放圖
A. 氮氧化物傳感器輸出值 B. 尿素與水的混合物(AdBlue®)噴入量 1. 尿素與水的混合物(AdBlue®)噴入量過少 2. 尿與水的混合物(AdBlue®)噴入正確 3. 尿素與水的合物(AdBlue®)噴入量過多

數字式柴油機電子系統DDE內的計量策略作為SCR控制的組成部分計算何時噴入多少尿素與水的混合物(AdBlue®),如圖6所示。
在正常運行模式下根據SCR催化轉換器前氮氧化物傳感器的信號計算出所需量。該傳感器探測廢氣中的氮氧化物含量並將數值發送至數字式柴油機電子系統DDE。但氮氧化物傳感器必須達到其運行溫度才能開始測量。根據車外溫度這一過程最長可能需要15min。直至數字式柴油機電子系統DDE計算出一個替代值,從而確定廢氣中的氮氧化物含量。為了對系統進行監控,在SCR催化轉換器後還有一個氮氧化物傳感器。該傳感器探測廢氣中是否還含有氮氧化物。如果仍然含有,則調節尿素與水的混合物(AdBlue®)噴射量。但氮氧化物傳感器不僅測氮氧化物而且還測量氨,無法對二者進行區分,如果此時噴入尿素與水的混合物(AdBlue®)過多,雖然可使氮氧化物完全還原,但出現“氨洩漏”的風險較高,即氨從SCR催化轉換器內溢出。這樣會使氮氧化物傳感器測量值增大。因此需要盡可能降低傳感器數值在此,進行長期凋節而非短期調節,因為SCR催化轉換器具有氨存儲功能。

2). 計量系統控制

SCR控制內的計量系統控制為執行部分。它執行計量策略提出的要求。其中包括計量尿素與水的混合物(AdBlue®)噴入量以及提供尿素與水的混合物(AdBlue®)。下面列出了正常運行模式下計量系統控制的任務:

[1]-計量尿素與水的混合物(AdBlue®)

  • 執行所要求的尿素與水的混合物(AdBlue®)規定量
  • 反饋所執行的尿素與水的混合物(AdBlue®)實際量

[2]-提供尿素與水的混合物(AdBlue®)

  • 在相應環境條件(溫度)下具計量能力(加注管路並建壓力)
  • 在繼續運行期間排空管路
  • 控制加熱裝置

提供尿素與水的混合物(ADBLUE®)

選擇性催化劑還原SCR功能要求提供尿素與水的混合物(AdBlue®)。為此必須將這種介質存儲在車內並確保可在所有環境條件迅速提供。在此"提供"表示尿素與水的混合物(AdBlue®)以規定壓力存在於計量閥處。

計量尿素與水的混合物(ADBLUE®)

通過計量策略確定所需尿素與水的混合物(AdBlue®)噴入量。此時計系統控制功能負責執行這個要求該功能的一部分是計量控制,用於確定計量閥實際開啟。計量閥根據發動機負荷點和車速以0.55~20Hz頻率噴入。為了確保噴入量正確,計量控制功能計算出:

  • 計量閥調節器的占空因數,從而確定噴入持續時間
  • 控制延遲,從而補償計量閥慣性

計量系統控制功能還計算實際計量量並將其反饋給計量策略。計量量也需要在較長時間內進行確定。加注時將這個長時間探測復位。執行這些任務時需要不同功能參與,下面將進行介紹。

加熱裝置

由於尿素與水的混合物(AdBlue®)在-11℃溫度時結冰,因此必須對系統進行加熱。在此加熱裝置執行以下任務:

  • 監控主動罐內的溫度和環境溫度
  • 解凍足量尿素與水的混合物(AdBlue®)以及系統啟動時計量所需的組件
  • 防止相關組件在運行期間結冰
  • 監控加熱系統組件,對以下組件進行加熱:
    1. 主動罐通過罐法蘭模塊
    2. 計量管路(從主動罐至計量模塊)

根據主動罐內的溫度和環境溫度對主動罐加熱裝置進行調節。根據車外溫度以及尿素與水的混合物(AdBlue®)溫度當前數值,對計量管路加熱裝置和罐法蘭模塊加熱裝置進行所需控制。加熱循環回路由一個半導體開關供電。功率半導體採用高壓側開關設計,直接由控制單元進行切換。SCR控制單元通過測量分流器確定流過加熱元件的當前電流。這樣,SCR控制單元也可對加熱循環回路進行功能檢查,從而識別出可能出現的故障並將其存儲在故障碼存儲器內。在此使用一個溫度模型進行組件加熱,從而建立計量準備就緒狀態。在此使用一個溫度模型進行組件加熱,從而建立計量準備就緒狀態。使用溫度模型時設置以下3個基本參數,從而達到計量準備就緒狀態,以下數值由立法機構規定,必須遵守:

  • -25℃時在45min後達到計量準備就緒狀態
  • -15℃時在20min後達到計量準備就緒狀態
  • -9℃時在3min後達到計量準備就緒狀態

取決於溫度的計量準備就緒狀態,如圖7所示。

主動罐內的溫度低於-9℃時就會延遲計量準備就緒,即等待規定時間後才開始嘗試建立壓力。在-9~-16.5℃條件下該時間恒定,因為無法確定尿素與水的混合物結冰程度。低於-16.5℃時加熱時間延長,直至開始嘗試建立壓力。通常情況下計量管路的加熱速度明顯更快,因此主動罐內的溫度是決定建立壓力所需時間的主要因素。但環境溫度明顯低於主動罐內的溫度時,可能會出現計量管路加熱時間較長的情況。然後根據環境溫度延遲計量準備就緒狀態。

圖7
圖7:計量準備就緒溫度