基于SCR后處理系統的國V柴油機OBD系統設計

陳大偉 王小龍 王丹丹

摘要：本0BD系統是在匹配國V柴油機的SCR電控單元上實現的。其通過發動機電控單元發送的DM1報文和SCR電控單元硬件的自診斷驅動芯片及電路，實現了所有OBD法規要求及其它相關外設的自動診斷，并根據診斷事件狀態對故障指示器（MI）和扭矩限制器進行管理，同時為UDS診斷服務和OBD認證服務提供接口服務，使用戶可以通過標準診斷儀讀取存儲的故障代碼和凍結幀數據等。經驗證，所設計的OBD系統滿足OBD法規要求。

關鍵詞：SCR后處理;OBD系統;診斷事件管理

前言

當今的汽車尾氣排放污染已經成為一個突出而嚴峻的問題。為了有效地控制尾氣排放而造成的大氣污染，我國環保部于2008年6月發布了標準HJ437-2008從技術上對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時監測技術，OBD系統能夠很好地監測在用車的排放，實施OBD是重型汽車國Ⅳ、國V成功實施的有力保障^[2]。

OBD系統對發動機及后處理系統進行在線監測和診斷，當出現相關故障時，OBD系統對其狀態位進行管理，觸發故障應對策略，并存儲故障代碼、存儲凍結幀和擴展數據，依據法規要求激活MI或扭矩限制器，并能通過標準診斷儀讀取存儲的故障代碼及凍結幀數據。

1 SCR系統

本OBD系統是在國V柴油機SCR電控單元上實現的，SCR系統組成如圖l所示，主要包括添藍罐、計量噴射泵、液位傳感器、溫度傳感器、催化器進出口溫度傳感器、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，其硬件設計中包含自診斷驅動芯片及電路，再配合軟件開發，實現了所有傳感器和執行器的白診斷功能。SCR電控單元設計有3路CAN通信，分別為動力CAN（實現與發動機、行駛記錄儀等電控單元的信息交互）、后處理系統專用CAN（實現后處理相關電控單元之間的信息交互）和標定CAN（實現診斷通信、標定和Bootloader）。3路CAN通信的設計方式降低了整車動力CAN的總線負載，提高了整車動力CAN通信的可靠性。

2 0BD系統外部接口拓撲

OBD系統外部接口拓撲如圖2所示，其通過CAN總線接收發動機電控單元發送的DM1報文，并從中提取發動機相關的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現。診斷事件管理模塊以這些故障診斷結果為輸入，對其狀態進行管理，并根據OBD法規實現診斷事件相關故障碼和凍結幀數據的存儲或擦除，激活MI或扭矩限制器，同時為UDS診斷服務和OBD認證服務模塊提供服務接口。

3 0BD系統設計

本OBD系統由故障診斷及應對模塊、診斷事件管理模塊、UDS診斷服務模塊和OBD認證服務模塊組成。由于UDS診斷服務和OBD認證服務模塊僅只需按照IS0 15765和IS0 15031協議進行設計即可，未牽涉到具體策略的開發，所以本文對這兩個模塊的設計不再做詳細介紹。

3.1故障診斷及應對策略

根據OBD法規及SCR電控單元所連接的外設及相關功能，歸納、定義故障定義列表。其故障項包括發動機相關OBD故障和SCR自診斷故障。OBD系統通過發動機發送的DM1報文解析出發動機相關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、環境溫度傳感器故障、尿素罐相關故障、催化器相關故障、尿素泵內部故障、尿素管路相關故障、排放超標故障、降扭信號篡改故障和CAN報文及信號故障等。每個故障的定義均包括故障碼、故障診斷條件、故障確認條件、故障恢復條件、故障確認恢復條件、故障確認前后的安全策略、故障等級、MI狀態和故障存儲及清除條件等內容，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上進行故障診斷及應對策略的開發。

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，對其狀態進行管理，存儲或擦除診斷事件相關的故障碼、凍結幀和擴展數據;其次，根據診斷事件狀態激活故障應對策略，并依據法規要求激活或關閉MI或扭矩限制器;最后則需要根據J1939協議通過DMI報文輸出故障相關信息，同時為UDS診斷服務和OBD認證服務模塊提供服務接口，其架構如圖3所示：

3.2.1.操作循環管理

本OBD系統設計了三種操作循環：鑰匙上電循環、駕駛循環和暖機循環。

鑰匙上電循環是從T15上電到下電的時間過程，其主要用于故障監測和下電存儲;駕駛循環由發動機啟動、運轉、停機，一直到下次發動機肩動的時間過程，其主要用于確定熄滅MI的工況循環;暖機循環為發動機經充分運轉，使冷卻液溫度比發動機啟動時上升至少22K，并到達最低溫度343K的過程，其主要用于OBD故障碼、凍結幀及相關擴展數據的自動清除。

3.2.2 DTC狀態管理

DTC狀態管理是指OBD系統基于故障診斷算法提供的故障診斷結果，實現DTC狀態位的跳轉邏輯（如圖4所示，DTC各狀態位含義見表2）的過程，同時向用戶提供DTC狀態位的接口^[3]。

3.2.3診斷內存管理

診斷內存管理模塊依據開發需求對診斷內存進行規劃，并指定專用的非易失性內存區。每個診斷事件的存儲內容均應包括該診斷事件的ID、DTC狀態位、事件相關的凍結幀和擴展數據。

由于每個診斷事件需存儲的數據較多，且非易失性內存資源有限，一般情況下不能為每一個診斷事件分配各自的專用診斷存儲區域，因此診斷內存中同時存儲的診斷事件的數目是受限的，所以本OBD系統同時提供了內存溢出檢測及發生溢出后依據診斷事件優先級的替換存儲管理機制。

3.2.4診斷事件存儲管理

診斷事件存儲管理是指基于OBD所支持的診斷內存規劃方案，在已指定的用于存儲診斷事件記錄的非易失性內存中增加、更新和移除診斷事件記錄（包括該診斷事件的ID、DTC狀態位、事件相關的凍結幀和擴展數據），并根據所有診斷事件的狀態，對MI和扭矩限制器進行管理。

3.2.5與其它模塊的接口服務

OBD系統向DM1模塊提供故障相關信息，最終通過儀表顯示以及時提醒駕駛員車輛故障信息;同時OBD系統也為UDS診斷服務^[4]（采用ISO15765協議）和OBD認證服務^[5]（采用IS0 15031協議）模塊提供接口服務，最終使用戶可以通過標準診斷儀讀取存儲的故障代碼和凍結幀數據等。

4試驗驗證

本OBD系統目前已在匹配國V柴油機的SCR電控單元上實現，經發動機臺架試驗、整車功能試驗和三高試驗驗證，均能正常工作。下面對發動機臺架試驗結果進行簡要說明。

在發動機臺架上，連接OBD診斷工具ScanTool讀取實時數據，通過人為制造故障對本系統進行測試。

首先，將Scan Tool與OBD診斷接口連接，確認可以正常通訊。請求Mode 9讀取當前車輛信息（軟件標定識別號碼、汽車型式核準時OBD所能達到的要求等信息），結果如圖5所示，符合HJ437標準要求。

然后，人為制造尿素罐加熱電磁閥驅動端短路到電源故障，在故障未確認前，使用Scan Tool請求Mode7讀取待定故障數據如圖6所示，待定故障被報出。

使用Scan Tnnl請求Mode 3讀取OBD故障，顯示故障指示燈點亮，一個故障已保存，如圖7所示：

使用Scan Tool請求Mode 2讀取凍結幀數據，凍結幀數據顯示正常，如圖8所示：

發動機臺架試驗結果表明，本OBD系統可以準確地對后處理系統進行實時監測、診斷，并按照法規要求對故障信息作出相應處理，滿足OBD法規要求。

5結論

本OBD系統是在匹配同V柴油機的SCR電控單元上實現的，能夠實時監測后處理系統相關故障，并依據OBD法規對Ml和扭矩限制器進行管理，同時為UDS診斷服務和OBD認證服務提供接口服務，使用戶可以通過標準診斷儀讀取存儲的故障代碼和凍結幀數據等。經驗證，所設計的OBD系統滿足OBD法規要求。

參考文獻：

[1]國家環境保護部.HJ437-2008車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車車載診斷（OBD）系統技術要求[S]. 2008

[2]卜建國.用于柴油機SCR系統的OBD-Ⅱ新構型的設計[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