基于CAN總線的SCR系統(tǒng)仿真平臺的開發(fā)

劉 軍,唐齊新，袁 俊，蔡駿宇

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于CAN總線的SCR系統(tǒng)仿真平臺的開發(fā)

劉 軍,唐齊新，袁 俊，蔡駿宇

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

設(shè)計了柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺。該平臺主要包括計量泵調(diào)試模塊、計量泵信息反饋模塊、發(fā)動機監(jiān)控模塊、OBD(on-board diagnostic)仿真控制模塊、SCR(selective catalytic reduction)系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測模塊、虛擬DCU(dosing control unit)模塊、DTC(diagnostic trouble code)監(jiān)測模塊。搭建了半實物仿真平臺，以驗證柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺各模塊功能的正確性。仿真結(jié)果表明：該CAN仿真通用平臺功能完善、響應(yīng)速度快、軟件運行穩(wěn)定可靠。柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺設(shè)計合理，滿足了SCR系統(tǒng)開發(fā)需求。

CAN總線；SCR系統(tǒng)；仿真平臺

目前選擇性催化還原法(selective catalytic reduction,SCR)是我國重型柴油車后處理的主流技術(shù),其優(yōu)點是對硫不敏感、油耗低、技術(shù)可持續(xù)性好[1]。CAN(controller area network)總線作為一種實時性強、可靠性高、性能突出的新型現(xiàn)場總線，應(yīng)用范圍極廣[2]。本文所開發(fā)的基于CAN總線的SCR系統(tǒng)仿真平臺是基于筆者所在前期課題組所開發(fā)的尿素噴射控制單元(dosing control unit,DCU)設(shè)計的。本研究搭建了SCR系統(tǒng)的半實物仿真平臺以驗證CAN仿真平臺的功能及其準(zhǔn)確性。

1 SCR系統(tǒng)的組成及工作原理

SCR系統(tǒng)一般由四大部分組成[3]：① 尿素罐總成；② 尿素供給系統(tǒng)；③ 催化消聲器總成；④ SCR系統(tǒng)電子控制單元(DCU)。SCR系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SCR系統(tǒng)架構(gòu)

DCU通過CAN總線接收來自柴油車ECU傳來的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、油門負(fù)荷、循環(huán)油量等信息，然后查詢MAP圖獲取此工況下的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)和SCR的化學(xué)反應(yīng)方程對添藍(lán)基本需求量進行計算，接著根據(jù)NOx的轉(zhuǎn)化效率進行穩(wěn)態(tài)修正。在此基礎(chǔ)上再根據(jù)排氣溫度進行瞬態(tài)修正，獲得最終添藍(lán)需求量。將計算好的最終添藍(lán)噴射量通過CAN總線發(fā)送給尿素計量泵，并控制尿素計量泵將32.5%的添藍(lán)定量噴入排氣管中。添藍(lán)在高溫下熱解和水解產(chǎn)生氨氣，在催化劑的作用下，氨氣和NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成無公害的N2和水。當(dāng)SCR系統(tǒng)停止工作后，為了防止添藍(lán)在管道中結(jié)晶造成管道的堵塞，DCU應(yīng)具有斷電延時吹掃的功能。當(dāng)環(huán)境溫度低于添藍(lán)的凝固點時，DCU還應(yīng)具有啟動冷卻水加熱閥的功能，對添藍(lán)進行化冰處理。同時，根據(jù)HJ437—2008的要求，DCU必須具備OBD診斷功能，可實時對SCR系統(tǒng)進行故障檢測與診斷，并進行報警[4]。

2 SCR系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

DCU的通訊手段采用CAN總線。從DCU的功能可知，DCU 中CAN通訊的主要作用如下：一是獲取發(fā)動機ECU相關(guān)信息；二是將通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)修正后的添藍(lán)噴射量發(fā)送給尿素計量泵，從而完成添藍(lán)的噴射。所有CAN總線通訊遵循SAE J1939協(xié)議。

此外， DCU中的相關(guān)診斷信息是通過CAN總線與發(fā)動機ECU進行通訊，所以基于CAN總線的故障診斷就顯得非常必要。如果SCR系統(tǒng)發(fā)生故障，OBD模塊檢測到故障后，根據(jù)SAE J1939的規(guī)定，DCU就會以激活狀態(tài)故障代碼(DM1)的方式向CAN總線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送故障信息。 SCR系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。通過SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺模擬虛擬節(jié)點，對網(wǎng)絡(luò)整體進行規(guī)劃設(shè)計。

圖2 SCR系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 SCR系統(tǒng)添藍(lán)控制策略

添藍(lán)噴射控制策略的制定對催化器的轉(zhuǎn)化效率及排氣中NOx排放是否達標(biāo)將產(chǎn)生很大的影響。本研究在虛擬DCU模塊中采用的添藍(lán)噴射控制策略為開環(huán)控制[5-6]。開環(huán)控制就是添藍(lán)噴射量不根據(jù)氨傳感器或NOx傳感器反饋的信號進行調(diào)整。開環(huán)控制的難度較小，且對國IV排放法規(guī)足夠適用。

3.1 添藍(lán)基本噴射量計算

SCR反應(yīng)主要分為3個步驟：第1步是添藍(lán)的熱分解[7]；第2步是NH3的吸附與解吸附；最后是NOx的還原。

根據(jù)NOx反應(yīng)的化學(xué)原理，理想狀態(tài)下各個反應(yīng)均是完全反應(yīng)，從而計算出添藍(lán)基本噴射量，其計算原理如圖3所示。

圖3 添藍(lán)基本需求量計算原理

3.2 添藍(lán)噴射量修正

在實際運行中，發(fā)動機的工況復(fù)雜多變，需對基本噴射量進行修正。本文從穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩個方面修正添藍(lán)噴射量。

3.2.1 穩(wěn)態(tài)修正

發(fā)動機的實際運行情況比較復(fù)雜，排氣溫度對于NOx的轉(zhuǎn)化效率有很大的影響。添藍(lán)噴射量的穩(wěn)態(tài)修正就是根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和循環(huán)供油量查詢NOx轉(zhuǎn)化效率MAP圖，獲得穩(wěn)態(tài)修正系數(shù)，再在基本噴射量的基礎(chǔ)上乘以穩(wěn)態(tài)修正系數(shù)。

3.2.2 瞬態(tài)修正

穩(wěn)態(tài)修正是以發(fā)動機穩(wěn)定工況為前提計算出添藍(lán)噴射量，但僅僅依靠穩(wěn)態(tài)修正顯然不能滿足要求，所以設(shè)計了基于催化器溫度的尿素噴射量瞬態(tài)修正。根據(jù)發(fā)動機當(dāng)前工況對應(yīng)的溫度與催化器前端和后端溫度傳感器所測得的溫度之差來調(diào)節(jié)瞬態(tài)修正系數(shù)，通過在穩(wěn)態(tài)修正的基礎(chǔ)上乘以瞬態(tài)修正系數(shù)得到最終所需的添藍(lán)噴射量。

4 柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺

為了驗證所開發(fā)DCU程序的正確性，自主開發(fā)了柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺，通過該平臺可以驗證添藍(lán)噴射模塊中程序設(shè)計的正確性，驗證OBD功能，觀察CAN通訊能否滿足通訊的正常要求。此外，本研究還設(shè)計了虛擬DCU模塊，模擬添藍(lán)噴射控制策略。

4.1 計量泵調(diào)試模塊

計量泵調(diào)試模塊模擬DCU控制計量泵進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)計量泵處于噴射狀態(tài)時按給定噴射率進行定量噴射，以此觀察計量泵能否根據(jù)DCU的控制命令實時進行相應(yīng)動作。計量泵調(diào)試模塊設(shè)計如圖4所示。

圖4 計量泵調(diào)試

4.2 計量泵信息反饋模塊

計量泵狀態(tài)信息包含計量泵工作狀態(tài)、計量泵噴射率以及相關(guān)診斷信息。計量泵信息反饋模塊能實時顯示計量泵的工作狀態(tài)，包括添藍(lán)量、計量泵狀態(tài)及相關(guān)診斷信息。圖5為某時刻計量泵反饋信息。

圖5 計量泵反饋信息

4.3 發(fā)動機監(jiān)控模塊

DCU通過CAN總線接收發(fā)動機ECU中扭矩及轉(zhuǎn)速等相關(guān)信號。柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺可以模擬發(fā)動機的ECU，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給DCU進行尿素噴射量的計算。

此種模式是在帶有實體DCU的情況下進行的，直接將上述報文發(fā)送給DCU，實現(xiàn)SCR系統(tǒng)半實物仿真。

4.4 虛擬DCU模塊

本研究開發(fā)了虛擬DCU仿真模塊，根據(jù)制定的添藍(lán)噴射控制策略結(jié)合發(fā)動機相關(guān)參數(shù)進行仿真。虛擬DCU模塊主要包括以下幾個功能：上傳MAP數(shù)據(jù)；確定基礎(chǔ)噴射量；修正添藍(lán)噴射量；設(shè)置工作條件。

4.5 OBD仿真控制模塊

利用OBD仿真控制模塊[8-9]可以進行尿素計量泵單個故障發(fā)生和多個故障發(fā)生的仿真實驗。通過發(fā)送DM1信息的方式來模擬故障的發(fā)生。

SCR系統(tǒng)故障仿真模塊如圖6所示。單擊圖中的“Send”按鈕可模擬單個故障發(fā)生。多個故障發(fā)生的模擬過程為：先后點擊界面上的兩個“Send”按鈕，產(chǎn)生2個故障。以此類推，即可產(chǎn)生多個故障。模擬計量泵向CAN 總線發(fā)送多包故障信息。

圖6 SCR系統(tǒng)故障仿真模塊

4.6 DTC監(jiān)測模塊

DTC監(jiān)測模塊主要用于監(jiān)測SCR系統(tǒng)故障。DCU中的OBD功能為對SCR系統(tǒng)各部件進行故障監(jiān)測。通過該模塊可以實時獲得當(dāng)前SCR系統(tǒng)中存在的每一個故障信息及其對應(yīng)的診斷故障代碼(DTC)，并對其進行解析，從而獲得故障發(fā)生的部位、故障發(fā)生的種類以及故障發(fā)生次數(shù)。

至此，整個柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺設(shè)計完畢。通過該平臺可以模擬發(fā)動機節(jié)點負(fù)載突增突減；模擬DCU節(jié)點對尿素計量泵進行控制，并檢測尿素計量泵當(dāng)前狀態(tài)以及內(nèi)部環(huán)境信息；模擬尿素計量泵故障，以驗證DCU的OBD功能；模擬添藍(lán)噴射控制策略；同時可以對整個SCR系統(tǒng)環(huán)境及故障信息進行監(jiān)測。運行界面如圖7所示。

圖7 柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺運行界面

5 CAN仿真平臺試驗驗證

5.1 CAN仿真平臺試驗設(shè)備

5.1.1 SCR系統(tǒng)DCU

本文采用的DCU[10]為筆者所在課題組前期自主開發(fā)設(shè)計的。DCU先根據(jù)發(fā)動機ECU傳來的數(shù)據(jù)調(diào)用插值算法[11]對發(fā)動機原機排氣流量、NOx排放、NOx轉(zhuǎn)化率、瞬態(tài)系數(shù)等MAP圖進行存儲。其次根據(jù)上述MAP圖計算添藍(lán)基本需求量，并對其進行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)修正，獲得最終添藍(lán)噴射量。最后將添藍(lán)需求量發(fā)送給計量泵，控制計量泵及其相關(guān)電磁閥動作，完成噴射。OBD故障診斷可實時對SCR系統(tǒng)部件進行故障診斷，通過CAN總線發(fā)送故障碼。SCR系統(tǒng)DCU實物如圖8所示。

圖8 柴油車SCR系統(tǒng)DCU實物

5.1.2 尿素計量泵

計量泵是一個高精度單元，用來將所需要的添藍(lán)定量噴入排氣后處理系統(tǒng)內(nèi)。計量的依據(jù)是DCU通過CAN總線發(fā)出的指令。尿素計量泵共有5個狀態(tài)：初始化、泵關(guān)閉、準(zhǔn)備狀態(tài) 、噴射狀態(tài) 、吹掃狀態(tài)。首先DCU發(fā)送指令使尿素計量泵進入準(zhǔn)備狀態(tài)，此時計量泵處于建壓狀態(tài)；當(dāng)建壓完成后計量泵即可進入噴射狀態(tài)，并根據(jù)DCU發(fā)送的噴射量定量噴射；當(dāng)噴射結(jié)束后，為防止添藍(lán)結(jié)晶導(dǎo)致計量泵堵塞，需對其進行吹掃，計量泵進入吹掃狀態(tài)；吹掃完畢后計量泵停止工作，進入泵關(guān)閉狀態(tài)。計量泵的控制和信息反饋均通過CAN總線實現(xiàn)。計量泵實物及各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖9所示。

圖9 計量泵實物及計量泵狀態(tài)轉(zhuǎn)換

5.2 柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺功能測試

5.2.1 半實物仿真試驗方案

柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺半實物仿真試驗的方案設(shè)計如圖10所示。該平臺由尿素計量泵、柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺、USB轉(zhuǎn)CAN模塊以及24V直流電源組成。柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺作為虛擬節(jié)點模擬DCU中添藍(lán)噴射控制策略和發(fā)動機ECU，通過USB轉(zhuǎn)CAN模塊與實際節(jié)點的尿素計量泵相連。先通過柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺的發(fā)動機監(jiān)控模塊模擬發(fā)動機各工況，同時發(fā)送一條計量泵啟噴命令，使整個SCR系統(tǒng)運行。然后根據(jù)虛擬DCU模塊中相應(yīng)的控制策略計算出最終噴射量，并通過USB轉(zhuǎn)CAN模塊控制計量泵噴射尿素。尿素噴射量通過柴油車SCR系統(tǒng)CAN總線仿真平臺中的計量泵反饋信息模塊示，觀察添藍(lán)噴射量隨著發(fā)動機工況變化而變化的情況。

圖10 SCR系統(tǒng)半實物仿真平臺總體設(shè)計

5.2.2 添藍(lán)噴射控制策略試驗驗證

當(dāng)發(fā)送完計量泵的啟動指令后，整個系統(tǒng)便進入工作狀態(tài)。本研究發(fā)動機監(jiān)控模塊定義的工況為：機油溫度為85 ℃，轉(zhuǎn)速為1 640 r/min，油門開度為96%，冷卻液溫度為90 ℃，扭矩為1 048 N·m。根據(jù)添藍(lán)噴射控制策略，該工況下通過穩(wěn)態(tài)修正后的理論尿素噴射量應(yīng)為3 886.672 g/h，然后查詢NOx轉(zhuǎn)化率MAP圖，獲得該工況下的NOx轉(zhuǎn)化率。因為報文發(fā)送的工況就是穩(wěn)定情況，所以發(fā)動機排氣溫度是不變的，無需進行瞬態(tài)修正。通過觀察計量泵信息反饋模塊，發(fā)現(xiàn)接收的尿素計量泵實時反饋的噴射量為3 886.67 g/h，與理論結(jié)果一致。仿真結(jié)果如圖11所示。

現(xiàn)模擬發(fā)動機工況突變。首先模擬發(fā)動機在扭矩273 N·m、轉(zhuǎn)速836 r/min工況下運行。再突然升高發(fā)動機的扭矩，變?yōu)? 008 N·m，轉(zhuǎn)速仍為836 r/min。該工況下經(jīng)過穩(wěn)態(tài)修正后添藍(lán)噴射量為646.243 g/h，此時的理論瞬態(tài)修正系數(shù)為0.671 2。通過觀察計量泵信息反饋模塊，發(fā)現(xiàn)實際添藍(lán)噴射量從433.75 g/h緩慢過渡到646.24 g/h。此時瞬態(tài)修正系數(shù)為0.671 1，實際結(jié)果與理論相一致。

圖11 穩(wěn)態(tài)修正計量泵反饋信息

再調(diào)整發(fā)動機工況：將扭矩設(shè)為441 N·m，轉(zhuǎn)速同樣保持不變。該工況下對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)修正后添藍(lán)噴射量為664.152 g/h，理論瞬態(tài)修正系數(shù)為1.388。通過對計量泵信息反饋模塊觀察，發(fā)現(xiàn)實際添藍(lán)噴射量從開始的921.84 g/h逐漸過渡到664.15 g/h。此時瞬態(tài)修正系數(shù)為1.387 9，實際結(jié)果與理論相一致。

通過模擬發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況試驗，證明了虛擬發(fā)動機模塊和模擬DCU模塊尿素噴射控制策略程序設(shè)計是正確的。

5.2.3 DTC監(jiān)測模塊功能試驗

為了驗證DCU中OBD模塊功能的正確性，模擬SCR系統(tǒng)中可能發(fā)生的故障，利用DTC監(jiān)測模塊觀察數(shù)據(jù)接收情況，查看接收故障信息與模擬故障是否一致。如一致，則說明DTC監(jiān)測模塊能實時分析SCR系統(tǒng)故障。DTC監(jiān)測模塊半實物仿真平臺總體設(shè)計如圖12所示。

現(xiàn)模擬SCR系統(tǒng)多個故障的發(fā)生。堵住計量泵的噴射口，模擬噴射閥常閉故障。將尿素箱溫度傳感器信號線與地相連，模擬尿素箱溫度傳感器對地短路故障。觀察DTC監(jiān)測模塊接收數(shù)據(jù)情況，解析結(jié)果如圖13所示。 可以看出DTC監(jiān)測模塊對多個故障的解析與理論相吻合。

圖12 DTC半實物仿真平臺總體設(shè)計

圖13 多個故障仿真結(jié)果

通過故障模擬的半實物仿真試驗可以看出:DTC監(jiān)測模塊程序設(shè)計正確，能實時監(jiān)測SCR系統(tǒng)中所有故障的發(fā)生。

6 結(jié)束語

本研究根據(jù)柴油車SCR系統(tǒng)的實際需求，開發(fā)了基于SAEJ1939協(xié)議的柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺。該仿真平臺實現(xiàn)了SCR系統(tǒng)半實物仿真測試，借此可以驗證尿素噴射模塊中程序設(shè)計是否正確，系統(tǒng)OBD功能、CAN通訊是否正常。搭建了基于CAN總線的半實物仿真平臺，驗證了自主開發(fā)的CAN總線仿真平臺各部分功能。同時搭建了SCR系統(tǒng)半實物仿真平臺，通過模擬發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況、SCR系統(tǒng)各類故障，驗證了柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺的有效性。

本研究對于柴油車SCR系統(tǒng)CAN仿真平臺中虛擬DCU模塊只針對開環(huán)控制策略進行模擬仿真，今后可以考慮集成閉環(huán)控制策略，使得該平臺功能更加完善。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Development of SCR System Simulation Platform Based on CAN Bus

LIU Jun，TANG Qi-xin, YUAN Jun, CAI Jun-yu

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The diesel vehicle SCR system CAN simulation platform is designed. It mainly includes the metering pump debugging module, metering pump information feedback module, engine monitoring module, OBD (on-board diagnostic) simulation control module, SCR (selective catalytic reduction) system environment monitoring module, virtual DCU (dosing control unit)module, DTC (diagnostic trouble code) detection module. The semi-physical simulation platform has been set up to verify the correctness of the diesel vehicle SCR system CAN simulation platform. The results show that the CAN simulation common platform’s response speed is fast, software function is perfect, and operation is stable and reliable. The design of diesel vehicle SCR system CAN simulation platform is reasonable and meets the development demand of SCR system.

CAN bus; SCR system; simulation platform

2016-08-26 基金項目：江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目(13KJA580001)

劉軍(1967—)，男，江蘇人，博士，教授，主要從事汽車測量與控制技術(shù)、汽車主動安全技術(shù)、汽車污染控制研究，E-mail:Liujun@ujs.edu.cn。

劉軍,唐齊新，袁俊，等.基于CAN總線的SCR系統(tǒng)仿真平臺的開發(fā)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(3):20-26.

format：LIU Jun，TANG Qi-xin, YUAN Jun, et al.Development of SCR System Simulation Platform Based on CAN Bus[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(3):20-26.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.03.003

U463.6

A

1674-8425(2017)03-0020-07