基于SCR后處理系統(tǒng)的國V柴油機(jī)OBD系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳大偉 王小龍 王丹丹

摘要：本0BD系統(tǒng)是在匹配國V柴油機(jī)的SCR電控單元上實(shí)現(xiàn)的。其通過發(fā)動機(jī)電控單元發(fā)送的DM1報(bào)文和SCR電控單元硬件的自診斷驅(qū)動芯片及電路，實(shí)現(xiàn)了所有OBD法規(guī)要求及其它相關(guān)外設(shè)的自動診斷，并根據(jù)診斷事件狀態(tài)對故障指示器（MI）和扭矩限制器進(jìn)行管理，同時(shí)為UDS診斷服務(wù)和OBD認(rèn)證服務(wù)提供接口服務(wù)，使用戶可以通過標(biāo)準(zhǔn)診斷儀讀取存儲的故障代碼和凍結(jié)幀數(shù)據(jù)等。經(jīng)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的OBD系統(tǒng)滿足OBD法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：SCR后處理;OBD系統(tǒng);診斷事件管理

前言

當(dāng)今的汽車尾氣排放污染已經(jīng)成為一個(gè)突出而嚴(yán)峻的問題。為了有效地控制尾氣排放而造成的大氣污染，我國環(huán)保部于2008年6月發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)HJ437-2008從技術(shù)上對OBD功能作了明確說明^[1]。OBD是一種能有效控制汽車尾氣排放污染的實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，OBD系統(tǒng)能夠很好地監(jiān)測在用車的排放，實(shí)施OBD是重型汽車國Ⅳ、國V成功實(shí)施的有力保障^[2]。

OBD系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測和診斷，當(dāng)出現(xiàn)相關(guān)故障時(shí)，OBD系統(tǒng)對其狀態(tài)位進(jìn)行管理，觸發(fā)故障應(yīng)對策略，并存儲故障代碼、存儲凍結(jié)幀和擴(kuò)展數(shù)據(jù)，依據(jù)法規(guī)要求激活MI或扭矩限制器，并能通過標(biāo)準(zhǔn)診斷儀讀取存儲的故障代碼及凍結(jié)幀數(shù)據(jù)。

1 SCR系統(tǒng)

本OBD系統(tǒng)是在國V柴油機(jī)SCR電控單元上實(shí)現(xiàn)的，SCR系統(tǒng)組成如圖l所示，主要包括添藍(lán)罐、計(jì)量噴射泵、液位傳感器、溫度傳感器、催化器進(jìn)出口溫度傳感器、NOx傳感器、壓縮空氣電磁閥、冷卻水電磁閥和SCR電控單元等。

SCR電控單元采用Freescale MPC5604B為主控芯片，其硬件設(shè)計(jì)中包含自診斷驅(qū)動芯片及電路，再配合軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了所有傳感器和執(zhí)行器的白診斷功能。SCR電控單元設(shè)計(jì)有3路CAN通信，分別為動力CAN（實(shí)現(xiàn)與發(fā)動機(jī)、行駛記錄儀等電控單元的信息交互）、后處理系統(tǒng)專用CAN（實(shí)現(xiàn)后處理相關(guān)電控單元之間的信息交互）和標(biāo)定CAN（實(shí)現(xiàn)診斷通信、標(biāo)定和Bootloader）。3路CAN通信的設(shè)計(jì)方式降低了整車動力CAN的總線負(fù)載，提高了整車動力CAN通信的可靠性。

2 0BD系統(tǒng)外部接口拓?fù)?/p>

OBD系統(tǒng)外部接口拓?fù)淙鐖D2所示，其通過CAN總線接收發(fā)動機(jī)電控單元發(fā)送的DM1報(bào)文，并從中提取發(fā)動機(jī)相關(guān)的OBD故障，其它故障的自診斷則通過SCR的故障診斷算法模塊實(shí)現(xiàn)。診斷事件管理模塊以這些故障診斷結(jié)果為輸入，對其狀態(tài)進(jìn)行管理，并根據(jù)OBD法規(guī)實(shí)現(xiàn)診斷事件相關(guān)故障碼和凍結(jié)幀數(shù)據(jù)的存儲或擦除，激活MI或扭矩限制器，同時(shí)為UDS診斷服務(wù)和OBD認(rèn)證服務(wù)模塊提供服務(wù)接口。

3 0BD系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本OBD系統(tǒng)由故障診斷及應(yīng)對模塊、診斷事件管理模塊、UDS診斷服務(wù)模塊和OBD認(rèn)證服務(wù)模塊組成。由于UDS診斷服務(wù)和OBD認(rèn)證服務(wù)模塊僅只需按照IS0 15765和IS0 15031協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)即可，未牽涉到具體策略的開發(fā)，所以本文對這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)不再做詳細(xì)介紹。

3.1故障診斷及應(yīng)對策略

根據(jù)OBD法規(guī)及SCR電控單元所連接的外設(shè)及相關(guān)功能，歸納、定義故障定義列表。其故障項(xiàng)包括發(fā)動機(jī)相關(guān)OBD故障和SCR自診斷故障。OBD系統(tǒng)通過發(fā)動機(jī)發(fā)送的DM1報(bào)文解析出發(fā)動機(jī)相關(guān)OBD故障，而SCR自滲斷故障則包括電控單元供電故障、傳感器供電故障、環(huán)境溫度傳感器故障、尿素罐相關(guān)故障、催化器相關(guān)故障、尿素泵內(nèi)部故障、尿素管路相關(guān)故障、排放超標(biāo)故障、降扭信號篡改故障和CAN報(bào)文及信號故障等。每個(gè)故障的定義均包括故障碼、故障診斷條件、故障確認(rèn)條件、故障恢復(fù)條件、故障確認(rèn)恢復(fù)條件、故障確認(rèn)前后的安全策略、故障等級、MI狀態(tài)和故障存儲及清除條件等內(nèi)容，以SCR電控單元供電電壓過高故障為例，其故障定義如表1所示。然后在此故障定義列表的基礎(chǔ)上進(jìn)行故障診斷及應(yīng)對策略的開發(fā)。

3.2診斷事件管理

診斷事件管理模塊以故障診斷事件為處理對象，對其狀態(tài)進(jìn)行管理，存儲或擦除診斷事件相關(guān)的故障碼、凍結(jié)幀和擴(kuò)展數(shù)據(jù);其次，根據(jù)診斷事件狀態(tài)激活故障應(yīng)對策略，并依據(jù)法規(guī)要求激活或關(guān)閉MI或扭矩限制器;最后則需要根據(jù)J1939協(xié)議通過DMI報(bào)文輸出故障相關(guān)信息，同時(shí)為UDS診斷服務(wù)和OBD認(rèn)證服務(wù)模塊提供服務(wù)接口，其架構(gòu)如圖3所示：

3.2.1.操作循環(huán)管理

本OBD系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種操作循環(huán)：鑰匙上電循環(huán)、駕駛循環(huán)和暖機(jī)循環(huán)。

鑰匙上電循環(huán)是從T15上電到下電的時(shí)間過程，其主要用于故障監(jiān)測和下電存儲;駕駛循環(huán)由發(fā)動機(jī)啟動、運(yùn)轉(zhuǎn)、停機(jī)，一直到下次發(fā)動機(jī)肩動的時(shí)間過程，其主要用于確定熄滅MI的工況循環(huán);暖機(jī)循環(huán)為發(fā)動機(jī)經(jīng)充分運(yùn)轉(zhuǎn)，使冷卻液溫度比發(fā)動機(jī)啟動時(shí)上升至少22K，并到達(dá)最低溫度343K的過程，其主要用于OBD故障碼、凍結(jié)幀及相關(guān)擴(kuò)展數(shù)據(jù)的自動清除。

3.2.2 DTC狀態(tài)管理

DTC狀態(tài)管理是指OBD系統(tǒng)基于故障診斷算法提供的故障診斷結(jié)果，實(shí)現(xiàn)DTC狀態(tài)位的跳轉(zhuǎn)邏輯（如圖4所示，DTC各狀態(tài)位含義見表2）的過程，同時(shí)向用戶提供DTC狀態(tài)位的接口^[3]。

3.2.3診斷內(nèi)存管理

診斷內(nèi)存管理模塊依據(jù)開發(fā)需求對診斷內(nèi)存進(jìn)行規(guī)劃，并指定專用的非易失性內(nèi)存區(qū)。每個(gè)診斷事件的存儲內(nèi)容均應(yīng)包括該診斷事件的ID、DTC狀態(tài)位、事件相關(guān)的凍結(jié)幀和擴(kuò)展數(shù)據(jù)。

由于每個(gè)診斷事件需存儲的數(shù)據(jù)較多，且非易失性內(nèi)存資源有限，一般情況下不能為每一個(gè)診斷事件分配各自的專用診斷存儲區(qū)域，因此診斷內(nèi)存中同時(shí)存儲的診斷事件的數(shù)目是受限的，所以本OBD系統(tǒng)同時(shí)提供了內(nèi)存溢出檢測及發(fā)生溢出后依據(jù)診斷事件優(yōu)先級的替換存儲管理機(jī)制。

3.2.4診斷事件存儲管理

診斷事件存儲管理是指基于OBD所支持的診斷內(nèi)存規(guī)劃方案，在已指定的用于存儲診斷事件記錄的非易失性內(nèi)存中增加、更新和移除診斷事件記錄（包括該診斷事件的ID、DTC狀態(tài)位、事件相關(guān)的凍結(jié)幀和擴(kuò)展數(shù)據(jù)），并根據(jù)所有診斷事件的狀態(tài)，對MI和扭矩限制器進(jìn)行管理。

3.2.5與其它模塊的接口服務(wù)

OBD系統(tǒng)向DM1模塊提供故障相關(guān)信息，最終通過儀表顯示以及時(shí)提醒駕駛員車輛故障信息;同時(shí)OBD系統(tǒng)也為UDS診斷服務(wù)^[4]（采用ISO15765協(xié)議）和OBD認(rèn)證服務(wù)^[5]（采用IS0 15031協(xié)議）模塊提供接口服務(wù)，最終使用戶可以通過標(biāo)準(zhǔn)診斷儀讀取存儲的故障代碼和凍結(jié)幀數(shù)據(jù)等。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

本OBD系統(tǒng)目前已在匹配國V柴油機(jī)的SCR電控單元上實(shí)現(xiàn)，經(jīng)發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)、整車功能試驗(yàn)和三高試驗(yàn)驗(yàn)證，均能正常工作。下面對發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡要說明。

在發(fā)動機(jī)臺架上，連接OBD診斷工具ScanTool讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過人為制造故障對本系統(tǒng)進(jìn)行測試。

首先，將Scan Tool與OBD診斷接口連接，確認(rèn)可以正常通訊。請求Mode 9讀取當(dāng)前車輛信息（軟件標(biāo)定識別號碼、汽車型式核準(zhǔn)時(shí)OBD所能達(dá)到的要求等信息），結(jié)果如圖5所示，符合HJ437標(biāo)準(zhǔn)要求。

然后，人為制造尿素罐加熱電磁閥驅(qū)動端短路到電源故障，在故障未確認(rèn)前，使用Scan Tool請求Mode7讀取待定故障數(shù)據(jù)如圖6所示，待定故障被報(bào)出。

使用Scan Tnnl請求Mode 3讀取OBD故障，顯示故障指示燈點(diǎn)亮，一個(gè)故障已保存，如圖7所示：

使用Scan Tool請求Mode 2讀取凍結(jié)幀數(shù)據(jù)，凍結(jié)幀數(shù)據(jù)顯示正常，如圖8所示：

發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)結(jié)果表明，本OBD系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地對后處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、診斷，并按照法規(guī)要求對故障信息作出相應(yīng)處理，滿足OBD法規(guī)要求。

5結(jié)論

本OBD系統(tǒng)是在匹配同V柴油機(jī)的SCR電控單元上實(shí)現(xiàn)的，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測后處理系統(tǒng)相關(guān)故障，并依據(jù)OBD法規(guī)對Ml和扭矩限制器進(jìn)行管理，同時(shí)為UDS診斷服務(wù)和OBD認(rèn)證服務(wù)提供接口服務(wù)，使用戶可以通過標(biāo)準(zhǔn)診斷儀讀取存儲的故障代碼和凍結(jié)幀數(shù)據(jù)等。經(jīng)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的OBD系統(tǒng)滿足OBD法規(guī)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家環(huán)境保護(hù)部.HJ437-2008車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車車載診斷（OBD）系統(tǒng)技術(shù)要求[S]. 2008

[2]卜建國.用于柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的OBD-Ⅱ新構(gòu)型的設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2010，32，11，1002 100520

[3]IS0 14229. Road vehicles-Unified diagnostic： services（UDS）-Specification and requirements[S].ISO， 2006.

[4]IS0 15765. Road Vehicles-Diagnostics on ControllerArea Networks （CAN） [S]. ISO， 2001-2006.

[5]IS0 15031. Road Vehicles-Communication BetweenVehicle and External Equipment for Emissions-RelatedDiagnostics [S].ISO， 2001-2006