基于CAN總線仿真軟件的SCR系統半實物仿真驗證

劉軍　袁所賢　熊明路　程偉　袁俊

（江蘇大學，鎮江212013）

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基于CAN總線仿真軟件的SCR系統半實物仿真驗證

劉軍袁所賢熊明路程偉袁俊

（江蘇大學，鎮江212013）

【摘要】研究與制定了尿素噴射控制單元（DCU）的控制策略，包括尿素噴射控制策略和OBD診斷策略。搭建了SCR系統的半實物仿真平臺，自主開發了CAN總線仿真軟件，包括CAN初始化設置、CAN網絡環境創建、數據發送及接收模塊、用于擴展的信息解析模塊等。基于CAN總線仿真軟件對DCU的尿素噴射控制及OBD功能進行半實物仿真分析，結果表明，本文尿素噴射控制程序及OBD模塊程序設計正確。

1　前言

選擇性催化還原法（SCR）因其對硫不敏感、油耗低、技術可持續性好等優點[1]，成為我國目前重型柴油車后處理的主流技術。尿素噴射控制單元（DCU）是SCR系統的電子控制單元，用來對SCR系統進行控制和監測。本設計所開發的DCU是基于前期課題組所開發的尿素計量泵之上，該尿素計量泵采用空氣輔助方式進行噴射。基于此對DCU硬件和軟件進行設計，集成了尿素計量泵控制、尿素噴射量計算及OBD診斷功能。自主開發了CAN總線仿真軟件，并基于該軟件搭建了SCR系統的半實物仿真平臺。

2　DCU控制策略的研究與制定

2.1尿素噴射控制策略

尿素噴射控制：首先通過CAN總線獲取發動機ECU中發動機轉速和扭矩等信息，然后調用插值算法構建原機NOx排放MAP圖和排氣質量流量MAP圖；根據這兩個MAP圖結合SCR化學反應機理計算出尿素基本噴射量，然后查詢發動機在不同工況下的NOx轉化效率MAP圖，進行穩態修正；最后基于發動機排氣溫度計算得到瞬態修正系數，在穩態基礎上進行瞬態修正得到實際需要的尿素噴射量。總體控制原理如圖1所示。

圖1　尿素溶液基本需求量控制原理

2.1.1尿素基本需求量計算

尿素基本噴射量是根據SCR化學反應機理計算出的理論尿素噴射量：式中，m表示尿素的基本噴射量；fNOx表示NOx的體積濃度；M表示排氣的摩爾質量，因選取的是32.5 %的尿素水溶液，故尿素溶液的摩爾質量取184.6 g/mol。

2.1.2穩態及瞬態修正

理論尿素噴射量公式計算出的僅是理論上將排氣中NOx全部反應所需的尿素噴射量，但隨著發動機工況的變化，噴入的尿素溶液不能完全與NOx反應，所以必須對尿素溶液的基本噴射量加以修正。

NOx轉化率MAP圖如圖2所示，由圖2可見，發動機的最小轉速工況點轉速為800 r/min，所以當發動機轉速在800 r/min以下時，查詢到的NOx轉化率精度會受到一定影響，但是考慮到發動機低速時排氣溫度較低，尿素不噴射，所以對整個尿素噴射控制來說無影響。

在尿素基本噴射量的基礎上乘以NOx轉化率，就可完成對尿素基本噴射量的穩態修正。

圖2　NOx轉化率MAP圖

獲取瞬態修正系數MAP圖同樣要在原機上進行試驗，試驗工況選取如下：轉速范圍是800～ 2 200 r/min，步長為200 r/min，發動機負荷按照0—100 %—0，25 %—100 %—25 %，50 %—100 %—50 %，75 %—100 %—75 %的規律改變，在每個工況點下記錄轉速、NOx排放濃度、循環油量和發動機排溫等參數，計算出瞬態修正系數，最后將計算出來的數據匯總，完成瞬態修正系數MAP圖，如圖3所示。

2.2 OBD診斷策略

OBD的作用是提醒駕駛員在發動機或排放后處理系統出現故障時進行檢查維修。根據HJ437要求，DCU必須具備OBD診斷功能，能對SCR系統進行實時在線診斷。排放法規執行階段不同，也會對OBD系統及限值進行調整。根據現在國IV排放標準，采用的是OBD1+NOx控制，規定ETC試驗時NOx的排放限值是5.0 g/kW·h，超過該限值時點亮故障指示燈（MIL）；規定ESC試驗NOx的排放限值是7.0 g/kW·h，超出該限值后扭矩限制器動作。

圖3　瞬態修正系數MAP圖

OBD診斷中通常用到的方法有值域分析法、時域分析法、功能判別法和邏輯判別法等，一般將這幾種方法結合起來會達到比較好的效果。本文所設計OBD模塊主要是對傳感器、電磁閥、通訊及NOx排放進行診斷。

3　半實物仿真平臺搭建

3.1半實物仿真介紹

半實物仿真是在對一些特定系統（如SCR）的研究當中，通過計算機接口將實物與仿真軟件進行通訊，仿真軟件模擬虛擬節點，實物作為實際節點，是更接近實際情況的一種仿真技術。

3.2半實物仿真平臺的總體設計

半實物仿真平臺的總體結構設計如圖4所示。從圖4中可以看出，半實物仿真平臺由尿素計量泵、DCU、USB-CAN模塊、尿素計量泵調試平臺、CAN總線仿真軟件、相關傳感器及電磁閥組成。尿素計量泵和DCU作為CAN網絡中的實際節點，CAN仿真軟件模擬發動機ECU作為CAN網絡中的虛擬節點，兩者之間的通訊通過USB-CAN模塊進行。首先利用尿素計量泵調試平臺將標定數據燒入主控芯片的DFlash中存儲起來，然后CAN仿真軟件發送一個尿素計量泵噴射命令，使整個SCR系統運行；這時CAN仿真軟件模擬發動機各種工況將扭矩和循環油量等信息通過USB-CAN模塊發送給DCU，DCU接收到這些信息后，根據制定的控制策略控制尿素計量泵噴射尿素，尿素噴射量通過計量泵調試平臺在PC機上顯示，觀察尿素噴射量是否會隨著發動機工況的改變而改變。最后模擬SCR故障，驗證OBD模塊是否能對SCR系統進行在線診斷。

圖4　半實物仿真平臺總體設計

半實物仿真平臺中所使用的尿素計量泵集成了供給電機、計量單元、液側和氣側穩壓單元、旁通排氣和排液單元、加熱單元等，有集成度高、工作穩定、計量精準的特點。串口-CAN模塊可實現CAN與串口之間的轉換，通過串口轉USB線與PC機相連，實現PC機與DCU之間的通訊。該模塊支持1 200～115 200 bps范圍的串口通訊速率，5 kbps～1 Mbps范圍的CAN總線通訊速率，工作電源為+5 V，適應溫度為-40～+125℃，滿足汽車級電子產品的要求。

4　CAN總線仿真軟件的開發

4.1開發工具

CAN總線仿真軟件用到的開發工具是VisualStu?dio2010。VisualStudio2010可有效應用IDE對項目軟件和解決方案進行管理；具有更加易于閱讀代碼的代碼編輯器；提供的VB.NET代碼編輯器功能強大，提供單步執行代碼的斷點調試功能，在輸入錯誤時還會有更正錯誤的提示等[2]。

4.2 CAN總線仿真軟件的總體構架

CAN總線仿真軟件具有CAN初始化設置、CAN網絡環境創建、數據發送模塊、數據接收模塊、信息解析模塊等功能模塊。CAN總線仿真軟件的總體構架如圖5所示。

圖5　CAN總線仿真軟件的總體構架

5半實物仿真結果分析

5.1尿素噴射控制的半實物仿真結果分析

虛擬節點報文信息如圖6所示。為了觀測尿素計量泵的噴射量變化，采用課題組前期開發尿素計量泵時所開發的計量泵調試平臺。該計量泵調試平臺除了觀測尿素噴射流量的變化，還要為DCU燒入標定數據。此外，還應在計量泵調試平臺上標定燒入包括混合腔壓力上下限、液壓腔壓力上下限、占空比、尿素計量泵電機設置等一系列標定數據，如圖7所示。若要看標定數據是否正確，可點擊“讀標定數據”按鈕，就會在上方空白圖框中顯示標定數據。

圖6　虛擬節點報文定義

由圖6可知，先將發送區的1～8號報文定義為發動機虛擬節點報文，9號報文為計量泵的啟動噴射指令。DCU上電后，計量泵首先發過來一個SCR地址聲明，ID 為0x18EEFF3D，標志著SCR系統已經準備完畢，可以開始工作。發動機虛擬節點報文所定義的發動機工況是轉速為1 640 r/min，油門為96 %，扭矩為1 048 N·m，發動機冷卻液溫度為90℃，機油溫度為85℃。根據查詢原機NOx排放MAP圖及排氣質量流量MAP圖，可以得到理論基本尿素噴射量，然后查詢NOx轉化率MAP圖得到該工況下的NOx轉化率；理論上得到通過穩態修正后的尿素噴射量應為3 886.672 g/h，因為發動機排溫是固定值，不需要通過瞬態修正，此時瞬態修正系數為1。觀察到尿素計量泵調試平臺上所接收到的尿素噴射量為3 886.67 g/h，與理論計算結果一致，說明穩態修正部分程序設計正確，也驗證了穩定工況下瞬態修正系數計算的正確性。

為了驗證瞬態修正控制程序的正確性，按圖7所示方法，同樣在CAN仿真軟件中定義好這些報文，區別是這次要求發動機的工況發生變化，觀察計量泵調試平臺，看噴射量是否能夠按照控制策略的要求進行調整。當發動機從低扭矩向高扭矩工況變化時，發動機排氣溫度不會立即升高，而是緩慢過渡到高扭矩工況下對應的排氣溫度，所以此時的瞬態修正系數應該小于1，否則會造成氨泄漏。相反，當發動機從高扭矩向低扭矩工況變化時，瞬態修正系數應大于1，否則會造成NOx排放超標。先定義發動機的工況為扭矩273 N·m，轉速836 r/min。該工況下穩態修正后尿素的噴射量為331.813 g/h，再升高發動機的扭矩到1 008 N·m，轉速同樣是836 r/min，該工況下穩態修正后的尿素噴射量為646.243 g/h，理論修正系數為0.671 2。觀察計量泵調試平臺接收到的尿素噴射量為433.75 g/h，最后緩慢過渡到646.24 g/h，如圖8a所示，此時瞬態修正系數為0.671 1，與理論結果一致。然后將發動機的工況調整為扭矩441 N·m，轉速同樣為836 r/min。工況調整后，該工況下對應的穩態修正后的尿素噴射量為664.152 g/h，理論瞬態修正系數為1.388。觀察計量泵調試平臺接收到的尿素噴射量為921.84 g/h，最后緩慢過渡到664.15 g/h，如圖8b所示，此時瞬態修正系數為1.387 9，與理論結果一致，說明瞬態修正控制程序正確。

圖7　穩態修正計量泵調試平臺數據接收情況

5.2 OBD的半實物仿真結果分析

OBD的故障類型分為單個故障和多個故障，單個故障只需要將故障碼發送出來即可，多個故障要先發送一條連接管理消息，里面包含BAM的相關信息（如發送包數量等），然后再發送數據傳送消息，里面包含故障碼。

將尿素箱液位傳感器信號線與地相連，模擬的是尿素箱液位傳感器對地短路故障，尿素箱液位傳感器的SPN為1761，對地短路的FMI為4，點亮MIL燈為0x40，這里令故障發生1次，所以OC為1，CM取0。故DCU應發送故障信息報文DM1，ID為0x18FECA3D，報文數據為0x4000E1060401FFFF。觀察CAN仿真軟件所接收的數據如圖9所示。從圖9可以看出數據的接收情況，DCU發送的故障碼與理論值相吻合，故單個故障的OBD診斷功能有效，驗證了OBD診斷模塊單個故障診斷程序設計的正確性。

圖8　瞬態修正計量泵調試平臺數據接收情況

圖9　單個故障發送情況

為了驗證多個故障的OBD診斷報文發送情況，將尿素計量泵的噴射口堵住，模擬尿素噴射閥常閉故障，將尿素箱溫度傳感器信號線與電源相連，模擬尿素箱溫度傳感器對電源短路故障。尿素噴射閥的SPN為3489，常閉的FMI為18，設故障發生1次，則OC為1，CM 為0，點亮故障燈為0x40。尿素箱溫度傳感器的SPN為3031，對電源短路的FMI為3，設故障發生1次，則OC為1，CM=0。當出現多個故障時，OBD診斷模塊會先發送1個廣播公告消息（BAM），ID為0x1CEC003D，該條報文包含的內容為控制字節（1byte）、報文消息的長度（2～ 3byte）、全部數據包的數量（4byte）、保留給CATARC設定使用的字節（5byte）和打包消息的參數組編號（6～8byte）。然后發送數據傳送消息，采用多包發送的方式，數據傳送消息的ID為0x1CEB003D，傳送消息的數據頁位第1位是數據包的序列號，其他字節為診斷故障碼（DTC）。所以針對尿素噴射閥常閉和尿素箱溫度傳感器對電源短路這兩個故障，所發送的BAM報文數據為0x200A0002FFCAFE00，接下來第1個數據包的數據為0x014000100DA101D7，第2個數據包的數據為0x020B0304FFFFFFFF。觀察CAN仿真軟件接收的數據情況如圖10所示。從圖10可以看出，DCU發送的報文及數據與理論值相吻合，故多個故障的OBD診斷功能有效，驗證了OBD診斷模塊多個故障診斷程序設計的正確性。

圖10　多個故障發送情況

通過單個故障和多個故障的半實物仿真可以看出，OBD模塊程序設計正確，能夠實現OBD診斷功能，可以實時在線診斷SCR系統。

6　結束語

制定了DCU尿素噴射控制策略和OBD模塊診斷策略，確定了基本尿素噴射量公式，從理論上對基本尿素噴射量進行了穩態修正和瞬態修正，以解決NOx轉化效率和發動機排氣溫度對尿素噴射量的影響。采用自主開發的CAN總線仿真軟件，在SCR系統的半實物仿真平臺上對DCU的尿素噴射控制及OBD功能進行了半實物仿真及分析，驗證了尿素噴射控制程序及OBD模塊程序設計的正確性。

本設計所使用的半實物仿真系統屬于實時仿真系統，精確模擬了SCR系統中DCU的尿素噴射控制及OBD功能的運行狀態，與其他類型的仿真相比精度更高、可靠性更好。

參考文獻

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7曹曉昂，龔淑娟. SCR技術的持續創新者-訪德國歐博耐爾公司董事總經理.汽車制造業, 2011（7）:14～17.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2015年10月1日。

Semi-physical Simulation Verification of SCR System based on CAN Bus Simulation Software

Liu Jun, Yuan Suoxian, XiongMinglu, Cheng Wei, Yuan Jun （Jiangsu University, Zhenjiang 212013）

【Abstract】The control strategy of software of urea dosing control unit (DCU), including urea injection control strategy and OBD diagnosis strategy, is studied and developed. The SCR system semi-physical simulation platform is structured, and CAN bus simulation software, which includes CAN initialization settings, CAN network environment creation, data transmission and receiving module, information analysis module for extension, etc., is developed independently. Finally semi-physical simulation analysis is made to urea dosing control and OBD function based on CAN bus simulation software, the results show that urea injection control and OBD module programming is a correct design.

Key words:SCR System, DCU, CAN Bus, Semi-physical Simulation

中圖分類號:U463.6

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）01-0024-05

主題詞:SCR系統DCU CAN總線半實物仿真