國六電控柴油機SCR 系統(tǒng)故障診斷策略研究*

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西 咸陽 712000）

引言

改善柴油機的燃油經(jīng)濟性的同時，需要更高的燃燒溫度，由此導致了3 倍以上的氮氧化物的排放。國六法規(guī)要求降低90%的排氣尾管的NOx的排放[1]。中華人民共和國國家環(huán)境保護標準-車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與車載診斷系統(tǒng)（OBDII）系統(tǒng)技術要求，即HJ437-2008 標準明確要求發(fā)動機必須具備后處理系統(tǒng)，以保證汽車尾氣排放中有害物質(zhì)降到最低，達到國家相關排放法規(guī)。CN6 法規(guī)同時對OBD作了這樣的描述：“OBD”是一種車載診斷系統(tǒng)，用于排放控制系統(tǒng)監(jiān)測。當與排放相關的任何零部件發(fā)生故障時，OBD 系統(tǒng)的監(jiān)測應顯示出現(xiàn)故障。目前柴油機后處理系統(tǒng)中普遍采用SCR 模塊。由于SCR良好的經(jīng)濟性、耐久性以及對燃料中硫不敏感，同時SCR 系統(tǒng)能有效地降低NOx因此SCR 成為首選的后處理模塊，被優(yōu)先用于柴油機尾氣排放系統(tǒng)[2]。

1 SCR 系統(tǒng)工作原理

當發(fā)動機工作時，尿素泵從尿素儲液罐中抽取尿素，ECU 依據(jù)傳感器所采集的信息計算出相應尿素量，同時與一定的空氣壓縮，進而形成尿素混合氣。尿素混合氣經(jīng)噴霧器噴入排氣管與汽車尾氣進行化學反應。其化學反應由2 部分組成：生成還原劑部分與NOx還原部分。

生成還原劑：首先，尿素液在加熱的狀態(tài)下分解成氨氣（NH3）和氰酸（HNCO）。然后，氰酸（HNCO）和水反應生成NH3和CO2。具體如反應式（1）所示：

NOx還原：NH3與NOx在催化劑的作用下生成無污染的N2和水蒸氣（H2O）。具體如反應式（2）所示：

2 診斷策略

因SCR 系統(tǒng)結(jié)構較為復雜，控制系統(tǒng)精密，產(chǎn)生故障率較高。同時結(jié)合法規(guī)考慮，對SCR 系統(tǒng)進行故障檢測與診斷，能有效地避免因尾氣排放系統(tǒng)故障而造成的排放超標，造成環(huán)境污染。根據(jù)SCR 系統(tǒng)的結(jié)構，針對出現(xiàn)其發(fā)生故障所產(chǎn)生的問題，從診斷監(jiān)控和診斷管理角度出發(fā)，提出SCR 系統(tǒng)故障診斷策略[3]。圖1 所示為診斷策略框圖。

圖1 診斷策略框圖

3 SCR 診斷任務確定

在保證排放達標的情況下，尿素的噴射量必須要與NOx的濃度相匹配。尿素的噴射量少，則不能滿足催化還原要求。尿素的噴射量多，則會使額外的NH 排入大氣，造成新的污染。如果，高靈敏度的NOx濃度傳感器以及相應的高精度尿素噴射裝置一旦出現(xiàn)故障，將直接導致排放加重，因此發(fā)動機OBD 診斷系統(tǒng)必須及時處理來自SCR 診斷系統(tǒng)的故障信息。

因SCR 系統(tǒng)結(jié)構復雜，所以系統(tǒng)故障診斷由2部分完成。首先，SCR 系統(tǒng)中的OBD 診斷模塊對系統(tǒng)中的傳感器、尿素液、NOx、噴霧器等做出相應故障診斷[4]。然后，如果出現(xiàn)故障信息，SCR 系統(tǒng)將故障信息通過CAN 總線通信傳送給發(fā)動機ECU 中故障診斷系統(tǒng)。發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)故障監(jiān)控模塊采用預消抖模塊對故障信息進行鑒定，對于偶發(fā)故障，一般不作處理。如果確定為最終故障，將生成故障代碼并同時閃爍故障燈。對于最終故障，診斷協(xié)調(diào)模塊將做出相應的故障處理模式。診斷任務具體如圖2 所示。

圖2 診斷任務分類框圖

4 故障監(jiān)控

4.1 故障檢測

4.1.1 溫度傳感器檢測

SCR 系統(tǒng)中溫度傳感器的輸出電壓范圍為0.3～4.8 V，因此當傳感器輸出電壓小于0.3 V 或大于4.8 V 時，SCR 中OBD 系統(tǒng)通過CAN 總線將故障信息傳輸給發(fā)動機OBD 系統(tǒng)，此時發(fā)動機OBD 系統(tǒng)閃爍故障燈且樹立故障位為1。圖3 所示為SCR 溫度傳感器診斷策略流程圖。

圖3 溫度傳感器診斷策略流程圖

4.1.2 NOx傳感器檢測汽車尾氣NOx排放第1 次限值P1 為1.2，第二次限值P2 為7.0 g/（kW·h），SCR 中OBD 模塊通過CAN 總線將故障相關信息發(fā)送給發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)，當排放超過P1 時，相關故障燈閃爍。當排放超過P2 時，故障燈閃爍且樹立故障位為1。圖4 所示為NOx傳感器診斷策略流程圖。

圖4 NOx傳感器診斷策略流程圖

4.1.3 尿素液位檢測

國六標準規(guī)定，尿素箱中裝載量上限不超過90%，下限不低于10%，因此當出現(xiàn)液面低于10%或高于90%時，SCR 中OBD 模塊通過CAN 總線將故障信息傳輸給發(fā)動機OBD 系統(tǒng)。此時發(fā)動機OBD系統(tǒng)閃爍故障燈且樹立故障位為1。圖5 為尿素液面診斷策略流程圖。

圖5 尿素液面診斷策略流程圖

4.2 故障鑒定

當SCR 中診斷模塊經(jīng)CAN 總線將相關故障信息發(fā)送給發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)時，發(fā)動機診斷系統(tǒng)中診斷監(jiān)控模塊中故障鑒定模塊采用預消抖的方式對故障信息進行鑒定。消抖法是通過啟用定時器來實現(xiàn)的，當錯誤信號出現(xiàn)時，定時器開始定時累加，時間的累加超過一定的閾值時（本系統(tǒng)設置為2 s），偶發(fā)故障確定為最終故障。對于SCR 電控系統(tǒng)在運行過程中，由于電磁干擾，可能會出現(xiàn)偶發(fā)性故障，偶發(fā)性故障只需采用上一循環(huán)的值。若出現(xiàn)最終故障要進行相應故障處理，以提醒駕駛員盡快維修車輛，避免因尾氣超標造成環(huán)境污染。圖6 所示為時間預消抖檢測控制模型圖。

圖6 時間預消抖控制模型圖

5 故障管理

5.1 路徑管理

當SCR 系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，SCR 中OBD 系統(tǒng)通過CAN 總線將故障信息傳輸給發(fā)動機故障系統(tǒng)，對于NOx超出P1 的故障信息，發(fā)動機診斷系統(tǒng)中監(jiān)控模塊做完故障鑒定，故障管理模塊中故障信息管理只閃爍MIL，不儲存故障凍結(jié)幀和故障代碼。當NOx超出P2 的故障信息，此時生成故障代碼P2001 并限制噴油。當尿素液面超限信息，當液面低于10%時，生成故障代碼P203F 并點亮MIL，當尿素液面高于90%時，生成故障代碼P203F 并點亮故障燈MIL。當尿素液溫度傳感器出現(xiàn)故障時，并且確定為最終故障時，此時生成溫度傳感器主故障碼P0053。當溫度傳感器對地短路時，生成故障代碼P205D。當溫度傳感器對電源短路時，此時生成故障代碼P205C。當溫度傳感器開路時，此時生成故障代碼P205B。

5.2 診斷協(xié)調(diào)

發(fā)動機診斷系統(tǒng)中監(jiān)控模塊做完故障鑒定，故障管理模塊中故障信息管理模塊閃爍MIL，儲存故障凍結(jié)幀和故障代碼并且噴油量進行限制輸出以達到限制轉(zhuǎn)矩輸出的目的。在故障恢復過程中，采用斜坡函數(shù)的方式，有效地避免了故障恢復時發(fā)動機轉(zhuǎn)速突變[5-7]。圖7 所示為SCR 故障處理模塊控制圖。

圖7 故障處理模塊控制圖

6 模型仿真

針對SCR 中OBD 系統(tǒng)通過CAN 總線傳輸給發(fā)動機故障系統(tǒng)將故障信息進行仿真[8]，利用MATLAB/Simulink 及StateFlow 工具編寫了策略框圖[9]，Signal Builder 作為超限偶發(fā)故障輸入，Repeating Sequence Interpolated 模塊作為噴油量值輸入進行診斷系統(tǒng)仿真。

SCR 相關故障信息通過CAN 總線傳送發(fā)動機ECU 中。ECU 中故障監(jiān)控模塊和故障管理模塊對故障進行鑒定和處理。由圖8 的仿真結(jié)果分析可知，發(fā)動機OBD 系統(tǒng)從1 s 開始接收到故障信息，在3 s 時再次接受到故障信息并且這一故障一直持續(xù)超過故障鑒定時間2 s。因此被確定為最終故障，此時由當前噴油量下降到12.5 mg，發(fā)動機進入噴油量限制模式。

圖8 仿真結(jié)果1

由圖9 的仿真結(jié)果2 分析可知，發(fā)動機OBD 系統(tǒng)從1 s 開始接收到故障信息，并且一直持續(xù)到6 s時結(jié)束。故障從3 s 開始被鑒定為最終故障，此時發(fā)動機當前噴油量被限制為12.5 mg。在6 s 時故障開始消失，且持續(xù)超過2 s 沒有再次出現(xiàn)，此時鑒定為故障恢復。因此，在8 s 時故障以一定斜率恢復到當前噴油。

圖9 仿真結(jié)果2

7 結(jié)論

基于SCR 系統(tǒng)的工作原理，建立了其診斷模塊的MATLAB/simulink 及Stateflow 的控制策略模型，并通過建模仿真對整個過程進行了測試，結(jié)果表明：

1）通過故障檢測和時間預消抖模塊可以檢測出故障的類型和屬性。通過時間預消抖的方式，能準確地檢測出偶發(fā)故障和最終故障，避免了偶發(fā)故障出現(xiàn)時的不必要檢測，降低了維修的成本。

2）采用路徑管理和診斷協(xié)調(diào)模塊能決定何時點亮故障燈以及儲存故障代碼，同時分析處理故障。通過斜坡函數(shù)處理故障，成功解決了發(fā)動機轉(zhuǎn)速的突變問題。

3）在SCR 系統(tǒng)出現(xiàn)故障的過程中，針對于偶發(fā)故障和最終故障提供了相應的診斷策略，有效地避免了發(fā)動機因尾氣超標而造成排放污染。