SCR系統(tǒng)故障診斷策略研究

吳衛(wèi)國 余國成 王再興 劉屹

摘要：國六重型柴油機選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)能有效的降低尾氣中的NOx排放，若發(fā)生故障導致SCR系統(tǒng)無法正常運行，便會加劇對環(huán)境的影響。為了保證SCR系統(tǒng)可持續(xù)性的工作，需對SCR系統(tǒng)增加故障診斷系統(tǒng)OBD，其中故障診斷系統(tǒng)包含監(jiān)控和管理，系統(tǒng)的診斷管理包含故障識別、故障反應、故障的存儲及讀取。通過MATLAB/Simlink軟件建立仿真模型，使用SourceInsight工具將模型生成代碼，并寫入ACU（尿素噴射控制單元）中，構(gòu)成控制系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明：診斷系統(tǒng)可以檢測出SCR系統(tǒng)中的相關(guān)故障，并觸發(fā)相應的故障反應，有效的避免發(fā)動機由于SCR系統(tǒng)問題導致尾氣超標。

Abstract： Selective catalytic reduction （SCR） system for heavy-duty diesel engines can effectively reduce NOx emission in exhaust gas. Failure of SCR system will aggravate the impact on the environment. In order to ensure the sustainable work of SCR system， it is necessary to add the fault diagnosis system OBD to SCR system， in which the fault diagnosis system includes monitoring and management， and the diagnosis management of the system includes fault identification， fault response， fault storage and reading.MATLAB/Simlink software was used to build the simulation model. SourceInsight tool was used to generate the code of the model and write it into the ACU（urea injection control unit） to form the control system. The test results show that the diagnosis system can detect the related faults in the SCR system and trigger the corresponding fault response， effectively avoiding the engine exhaust emission due to SCR system problems.

關(guān)鍵詞：柴油機;SCR;故障識別;故障管理;ACU;OBD

Key words： diesel engine;SCR;fault recognition;fault management;ACU;OBD

中圖分類號：TK421.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0136-03

0? 引言

隨著排放法規(guī)的升級，國六的要求更嚴苛，GB17691-2018要求生產(chǎn)企業(yè)確保所有的發(fā)動機和整車都具備OBD系統(tǒng)，且描述“OBD”是一種車載診斷系統(tǒng)，用于排放系統(tǒng)監(jiān)測，當排放系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，OBD系統(tǒng)能進行識別?，F(xiàn)階段柴油機所使用的后處理采用SCR系統(tǒng)，是由于SCR系統(tǒng)有良好的耐久性、經(jīng)濟性，且SCR系統(tǒng)是當今世界公認降低NOx排放最有效的技術(shù)之一。

1? SCR系統(tǒng)工作原理

在SCR系統(tǒng)中發(fā)生的復雜的物理和化學反應包括：①在排氣中通過尿素噴射系統(tǒng)噴入尿素溶液（水溶液濃度為32.5%±0.5%），通過尿素水解產(chǎn)生氨氣作為還原物質(zhì)，將NOx還原為N2和H2O。尿素水溶液，雖然無毒不易著火、無爆炸危險，但有腐蝕性，固使用特殊的容器存儲。②尿素噴射量與NOx的濃度要相匹配。尿素噴射量低于NOx的濃度相匹配值，則達不到法規(guī)要求的處理水平，尿素噴射量高于NOx的濃度相匹配值，則會產(chǎn)生的氨氣，導致新的污染。③為保證SCR正常的工作，則需要車載診斷系統(tǒng)（OBD），及時提醒用戶處理故障，以保障SCR系統(tǒng)的正常運行，使排放達標。

2? 診斷策略要求

HJ437-2008的法規(guī)規(guī)定，對于壓燃式發(fā)動機，OBD需要至少包括：①尾氣排放超標時顯示相關(guān)對應故障，并觸發(fā)駕駛員提醒系統(tǒng)。②發(fā)動機電控系統(tǒng)（EECU）與ACU通訊完整性。③尿素噴射系統(tǒng)的電器元的電路連續(xù)性（即開路和短路）和總功能性故障。④監(jiān)測發(fā)動機電控單元相連的部件或系統(tǒng)、且與后處理系統(tǒng)與排放相關(guān)的。⑤電控單元連接的后處理排氣的部件或系統(tǒng)應進行電路短路監(jiān)測。本次著重研究SCR系統(tǒng)相關(guān)的OBD故障診斷策略。根據(jù)上述OBD系統(tǒng)需要監(jiān)測的信息，開發(fā)診斷系統(tǒng)時把OBD的診斷策略分為四個階段：故障識別，故障反應，故障的存儲及讀取（圖1）。

3? SCR系統(tǒng)常見故障的診斷策略

根據(jù)診斷類型分為三種：傳感器類故障診、執(zhí)行器類故障診斷、CAN總線通訊類故障診斷。

3.1 傳感器類的故障診斷? 傳感器是將信號傳遞給后處理ACU，信號的即時性和準確性直接能看出策略的完善程度，OBD系統(tǒng)主要對傳感器的失效、裂化、信號合理性等故障進行檢測和診斷，依據(jù)相應的診斷與控制策略，確保傳感器處于正常工作中。簡單來說，傳感器的診斷可分為開短路診斷與合理性診斷，開短路診斷主要判斷傳感器信號值是否在標定的上下邊界值范圍內(nèi)，故障主要是傳感器開路和短路;合理性診斷，在某些情況下傳感器的輸出值雖然在標定的上下邊界值范圍內(nèi)，但與當前的發(fā)動機工況及其他傳感器信號值不匹配，在這種情況下對傳感器的診斷稱之為合理性診斷。

3.1.1 NOx傳感器診斷診斷策略? 氮氧傳感器通過CAN通訊與ACU進行通訊，包括ACU或EECU釋放加熱信號給NOx傳感器及NOx傳感器發(fā)送PPM值、氧氣濃度給后處理系統(tǒng)（圖2）。

NOx傳感器的可信度檢查：NOx傳感器可信度檢查為信號變化范圍不合理的檢查，主要檢查NOx傳感器信號是否可信，也可以防止使用虛假NOx傳感器。（圖3）。

3.1.2 尿素液位傳感器的診斷? 尿素液位傳感器合理性監(jiān)控通過比較一定累積噴射量情況下，通過尿素液位傳感器測量到的尿素消耗量與SCR系統(tǒng)理論噴射量的偏差。當偏差超過一定的范圍，則認為尿素液位傳感器信號不可信（圖4）。

3.2 執(zhí)行器故障診斷策略? 在控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器通過接收ACU控制信號執(zhí)行相應的命令，但執(zhí)行結(jié)果并沒有反饋信息。故對執(zhí)行器的監(jiān)測分為兩種情況：一是通過添加額外硬件反饋信號直接監(jiān)測;另外一種是通過關(guān)聯(lián)的傳感器信號來間接監(jiān)測反饋執(zhí)行器的工作狀態(tài)。

3.2.1 尿素計量泵的診斷策略? OBD系統(tǒng)對計量泵驅(qū)動電路的電氣連接故障進行持續(xù)循環(huán)地檢測，故障包括短路、開路障。錯誤檢測是在ACU內(nèi)部進行，診斷系統(tǒng)對故障檢測進行評估并進行故障處理。在上電的情況下驅(qū)動電路進行對地短路故障的檢測：監(jiān)測驅(qū)動電路實際輸出電流，如果高于最高限值，則檢測到對地短路故障;然后系統(tǒng)診斷系統(tǒng)對故障進行處理。上電的情況下驅(qū)動電路還對開路故障進行檢測：檢測實際輸出電壓，如果電壓在預定的范圍內(nèi)，則檢測出開路故障;然后系統(tǒng)診斷系統(tǒng)對故障進行處理（圖5）。

3.2.2 空氣閥的診斷策略? OBD系統(tǒng)對尿素泵空氣閥驅(qū)動電路的電氣連接故障進行持續(xù)循環(huán)地檢測，故障包括開路、短路故障。

故障檢測是在ACU內(nèi)部進行，診斷函數(shù)對錯誤檢測結(jié)果進行評估并進行故障處理。

在上電的情況下驅(qū)動電路進行對地短路故障的檢測：檢測驅(qū)動電路實際輸出電流，如果高于最高限值，則檢測到對地短路故障;然后系統(tǒng)診斷系統(tǒng)對故障進行處理。

上電的情況下驅(qū)動電路還對開路故障進行檢測：檢測實際輸出電壓，如果電壓在預定的范圍內(nèi)，則檢測出開路故障;然后系統(tǒng)診斷系統(tǒng)對故障進行處理（圖6）。

3.3 CAN總線通訊故障診斷策略

CAN總線工作是非常穩(wěn)定的，低概率會出現(xiàn)CAN故障，當出現(xiàn)CAN故障，ACU將會接收不到相關(guān)信號。由于整車運行的顛簸振動，需要考慮可能出現(xiàn)的屏蔽層損壞或?qū)Ь€的絕緣層破損的故障、電線的接頭觸點及短路故障。

當CAN總線無故障的狀態(tài)下，其他電控器件發(fā)生與CAN總線通訊中斷故障。如：發(fā)動機EECU、NOx傳感器、尿素噴射控制器ACU等會持續(xù)的發(fā)送各自的報文數(shù)據(jù)到CAN總線上，OBD系統(tǒng)會連續(xù)的監(jiān)控接收這些報文，若在診斷時間內(nèi)，OBD系統(tǒng)始終未接收到某一部件的報文數(shù)據(jù)，則判定CAN通訊故障（圖7）。

4? 結(jié)論

①隨著排放法規(guī)的日益嚴格，保證排放系統(tǒng)的正常工作，車載診斷系統(tǒng)是不可或缺的組成部分，它實時監(jiān)控柴油機的運行工況及后處理系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)有可能引起尾氣排放超標的情況，會進行警示提醒。

②SCR系統(tǒng) 對NOx排放的有效手段，本文詳細介紹SCR系統(tǒng)相關(guān)故障診斷策略及流程，采用以上診斷策略，在SCR系統(tǒng)出現(xiàn)以上故障時，能夠準確報出故障，及時提醒車輛使用者及時維護，保證SCR系統(tǒng)的正常工作。

參考文獻：

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