基于CAN總線的SCR系統仿真平臺的開發

劉 軍,唐齊新，袁 俊，蔡駿宇

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

基于CAN總線的SCR系統仿真平臺的開發

劉 軍,唐齊新，袁 俊，蔡駿宇

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

設計了柴油車SCR系統CAN仿真平臺。該平臺主要包括計量泵調試模塊、計量泵信息反饋模塊、發動機監控模塊、OBD(on-board diagnostic)仿真控制模塊、SCR(selective catalytic reduction)系統環境監測模塊、虛擬DCU(dosing control unit)模塊、DTC(diagnostic trouble code)監測模塊。搭建了半實物仿真平臺，以驗證柴油車SCR系統CAN仿真平臺各模塊功能的正確性。仿真結果表明：該CAN仿真通用平臺功能完善、響應速度快、軟件運行穩定可靠。柴油車SCR系統CAN仿真平臺設計合理，滿足了SCR系統開發需求。

CAN總線；SCR系統；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,其優點是對硫不敏感、油耗低、技術可持續性好[1]。CAN(controller area network)總線作為一種實時性強、可靠性高、性能突出的新型現場總線，應用范圍極廣[2]。本文所開發的基于CAN總線的SCR系統仿真平臺是基于筆者所在前期課題組所開發的尿素噴射控制單元(dosing control unit,DCU)設計的。本研究搭建了SCR系統的半實物仿真平臺以驗證CAN仿真平臺的功能及其準確性。

1 SCR系統的組成及工作原理

SCR系統一般由四大部分組成[3]：① 尿素罐總成；② 尿素供給系統；③ 催化消聲器總成；④ SCR系統電子控制單元(DCU)。SCR系統架構如圖1所示。

圖1 SCR系統架構

DCU通過CAN總線接收來自柴油車ECU傳來的發動機轉矩、油門負荷、循環油量等信息，然后查詢MAP圖獲取此工況下的數據，并根據這些數據和SCR的化學反應方程對添藍基本需求量進行計算，接著根據NOx的轉化效率進行穩態修正。在此基礎上再根據排氣溫度進行瞬態修正，獲得最終添藍需求量。將計算好的最終添藍噴射量通過CAN總線發送給尿素計量泵，并控制尿素計量泵將32.5%的添藍定量噴入排氣管中。添藍在高溫下熱解和水解產生氨氣，在催化劑的作用下，氨氣和NOx發生化學反應，轉化成無公害的N2和水。當SCR系統停止工作后，為了防止添藍在管道中結晶造成管道的堵塞，DCU應具有斷電延時吹掃的功能。當環境溫度低于添藍的凝固點時，DCU還應具有啟動冷卻水加熱閥的功能，對添藍進行化冰處理。同時，根據HJ437—2008的要求，DCU必須具備OBD診斷功能，可實時對SCR系統進行故障檢測與診斷，并進行報警[4]。

2 SCR系統CAN網絡架構

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：一是獲取發動機ECU相關信息；二是將通過穩態和瞬態修正后的添藍噴射量發送給尿素計量泵，從而完成添藍的噴射。所有CAN總線通訊遵循SAE J1939協議。

此外， DCU中的相關診斷信息是通過CAN總線與發動機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系統發生故障，OBD模塊檢測到故障后，根據SAE J1939的規定，DCU就會以激活狀態故障代碼(DM1)的方式向CAN總線網絡中發送故障信息。 SCR系統的CAN網絡架構如圖2所示。通過SCR系統CAN仿真平臺模擬虛擬節點，對網絡整體進行規劃設計。

圖2 SCR系統CAN網絡架構

3 SCR系統添藍控制策略

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

3.1 添藍基本噴射量計算

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

根據NOx反應的化學原理，理想狀態下各個反應均是完全反應，從而計算出添藍基本噴射量，其計算原理如圖3所示。

圖3 添藍基本需求量計算原理

3.2 添藍噴射量修正

在實際運行中，發動機的工況復雜多變，需對基本噴射量進行修正。本文從穩態和瞬態兩個方面修正添藍噴射量。

3.2.1 穩態修正

發動機的實際運行情況比較復雜，排氣溫度對于NOx的轉化效率有很大的影響。添藍噴射量的穩態修正就是根據發動機轉速和循環供油量查詢NOx轉化效率MAP圖，獲得穩態修正系數，再在基本噴射量的基礎上乘以穩態修正系數。

3.2.2 瞬態修正

穩態修正是以發動機穩定工況為前提計算出添藍噴射量，但僅僅依靠穩態修正顯然不能滿足要求，所以設計了基于催化器溫度的尿素噴射量瞬態修正。根據發動機當前工況對應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節瞬態修正系數，通過在穩態修正的基礎上乘以瞬態修正系數得到最終所需的添藍噴射量。

4 柴油車SCR系統CAN仿真平臺

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

4.1 計量泵調試模塊

計量泵調試模塊模擬DCU控制計量泵進行狀態轉換。當計量泵處于噴射狀態時按給定噴射率進行定量噴射，以此觀察計量泵能否根據DCU的控制命令實時進行相應動作。計量泵調試模塊設計如圖4所示。

圖4 計量泵調試

4.2 計量泵信息反饋模塊

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

圖5 計量泵反饋信息

4.3 發動機監控模塊

DCU通過CAN總線接收發動機ECU中扭矩及轉速等相關信號。柴油車SCR系統CAN仿真平臺可以模擬發動機的ECU，并將相關數據發送給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，直接將上述報文發送給DCU，實現SCR系統半實物仿真。

4.4 虛擬DCU模塊

本研究開發了虛擬DCU仿真模塊，根據制定的添藍噴射控制策略結合發動機相關參數進行仿真。虛擬DCU模塊主要包括以下幾個功能：上傳MAP數據；確定基礎噴射量；修正添藍噴射量；設置工作條件。

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生和多個故障發生的仿真實驗。通過發送DM1信息的方式來模擬故障的發生。

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

圖6 SCR系統故障仿真模塊

4.6 DTC監測模塊

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

至此，整個柴油車SCR系統CAN仿真平臺設計完畢。通過該平臺可以模擬發動機節點負載突增突減；模擬DCU節點對尿素計量泵進行控制，并檢測尿素計量泵當前狀態以及內部環境信息；模擬尿素計量泵故障，以驗證DCU的OBD功能；模擬添藍噴射控制策略；同時可以對整個SCR系統環境及故障信息進行監測。運行界面如圖7所示。

圖7 柴油車SCR系統CAN仿真平臺運行界面

5 CAN仿真平臺試驗驗證

5.1 CAN仿真平臺試驗設備

5.1.1 SCR系統DCU

本文采用的DCU[10]為筆者所在課題組前期自主開發設計的。DCU先根據發動機ECU傳來的數據調用插值算法[11]對發動機原機排氣流量、NOx排放、NOx轉化率、瞬態系數等MAP圖進行存儲。其次根據上述MAP圖計算添藍基本需求量，并對其進行穩態、瞬態修正，獲得最終添藍噴射量。最后將添藍需求量發送給計量泵，控制計量泵及其相關電磁閥動作，完成噴射。OBD故障診斷可實時對SCR系統部件進行故障診斷，通過CAN總線發送故障碼。SCR系統DCU實物如圖8所示。

圖8 柴油車SCR系統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定量噴入排氣后處理系統內。計量的依據是DCU通過CAN總線發出的指令。尿素計量泵共有5個狀態：初始化、泵關閉、準備狀態 、噴射狀態 、吹掃狀態。首先DCU發送指令使尿素計量泵進入準備狀態，此時計量泵處于建壓狀態；當建壓完成后計量泵即可進入噴射狀態，并根據DCU發送的噴射量定量噴射；當噴射結束后，為防止添藍結晶導致計量泵堵塞，需對其進行吹掃，計量泵進入吹掃狀態；吹掃完畢后計量泵停止工作，進入泵關閉狀態。計量泵的控制和信息反饋均通過CAN總線實現。計量泵實物及各狀態之間的轉換如圖9所示。

圖9 計量泵實物及計量泵狀態轉換

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

圖10 SCR系統半實物仿真平臺總體設計

5.2.2 添藍噴射控制策略試驗驗證

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

現模擬發動機工況突變。首先模擬發動機在扭矩273 N·m、轉速836 r/min工況下運行。再突然升高發動機的扭矩，變為1 008 N·m，轉速仍為836 r/min。該工況下經過穩態修正后添藍噴射量為646.243 g/h，此時的理論瞬態修正系數為0.671 2。通過觀察計量泵信息反饋模塊，發現實際添藍噴射量從433.75 g/h緩慢過渡到646.24 g/h。此時瞬態修正系數為0.671 1，實際結果與理論相一致。

圖11 穩態修正計量泵反饋信息

再調整發動機工況：將扭矩設為441 N·m，轉速同樣保持不變。該工況下對應的穩態修正后添藍噴射量為664.152 g/h，理論瞬態修正系數為1.388。通過對計量泵信息反饋模塊觀察，發現實際添藍噴射量從開始的921.84 g/h逐漸過渡到664.15 g/h。此時瞬態修正系數為1.387 9，實際結果與理論相一致。

通過模擬發動機穩態工況和瞬態工況試驗，證明了虛擬發動機模塊和模擬DCU模塊尿素噴射控制策略程序設計是正確的。

5.2.3 DTC監測模塊功能試驗

為了驗證DCU中OBD模塊功能的正確性，模擬SCR系統中可能發生的故障，利用DTC監測模塊觀察數據接收情況，查看接收故障信息與模擬故障是否一致。如一致，則說明DTC監測模塊能實時分析SCR系統故障。DTC監測模塊半實物仿真平臺總體設計如圖12所示。

現模擬SCR系統多個故障的發生。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監測模塊接收數據情況，解析結果如圖13所示。 可以看出DTC監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計

圖13 多個故障仿真結果

通過故障模擬的半實物仿真試驗可以看出:DTC監測模塊程序設計正確，能實時監測SCR系統中所有故障的發生。

6 結束語

本研究根據柴油車SCR系統的實際需求，開發了基于SAEJ1939協議的柴油車SCR系統CAN仿真平臺。該仿真平臺實現了SCR系統半實物仿真測試，借此可以驗證尿素噴射模塊中程序設計是否正確，系統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，驗證了自主開發的CAN總線仿真平臺各部分功能。同時搭建了SCR系統半實物仿真平臺，通過模擬發動機穩態工況和瞬態工況、SCR系統各類故障，驗證了柴油車SCR系統CAN仿真平臺的有效性。

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

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(責任編輯 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、汽車主動安全技術、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系統仿真平臺的開發[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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