SCR系統故障診斷策略研究

吳衛國 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）系統能有效的降低尾氣中的NOx排放，若發生故障導致SCR系統無法正常運行，便會加劇對環境的影響。為了保證SCR系統可持續性的工作，需對SCR系統增加故障診斷系統OBD，其中故障診斷系統包含監控和管理，系統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，構成控制系統。試驗結果表明：診斷系統可以檢測出SCR系統中的相關故障，并觸發相應的故障反應，有效的避免發動機由于SCR系統問題導致尾氣超標。

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

隨著排放法規的升級，國六的要求更嚴苛，GB17691-2018要求生產企業確保所有的發動機和整車都具備OBD系統，且描述“OBD”是一種車載診斷系統，用于排放系統監測，當排放系統出現故障時，OBD系統能進行識別。現階段柴油機所使用的后處理采用SCR系統，是由于SCR系統有良好的耐久性、經濟性，且SCR系統是當今世界公認降低NOx排放最有效的技術之一。

1? SCR系統工作原理

在SCR系統中發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噴入尿素溶液（水溶液濃度為32.5%±0.5%），通過尿素水解產生氨氣作為還原物質，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（OBD），及時提醒用戶處理故障，以保障SCR系統的正常運行，使排放達標。

2? 診斷策略要求

HJ437-2008的法規規定，對于壓燃式發動機，OBD需要至少包括：①尾氣排放超標時顯示相關對應故障，并觸發駕駛員提醒系統。②發動機電控系統（EECU）與ACU通訊完整性。③尿素噴射系統的電器元的電路連續性（即開路和短路）和總功能性故障。④監測發動機電控單元相連的部件或系統、且與后處理系統與排放相關的。⑤電控單元連接的后處理排氣的部件或系統應進行電路短路監測。本次著重研究SCR系統相關的OBD故障診斷策略。根據上述OBD系統需要監測的信息，開發診斷系統時把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系統常見故障的診斷策略

根據診斷類型分為三種：傳感器類故障診、執行器類故障診斷、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，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，但與當前的發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傳感器發送PPM值、氧氣濃度給后處理系統（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 執行器故障診斷策略? 在控制系統中，執行器通過接收ACU控制信號執行相應的命令，但執行結果并沒有反饋信息。故對執行器的監測分為兩種情況：一是通過添加額外硬件反饋信號直接監測;另外一種是通過關聯的傳感器信號來間接監測反饋執行器的工作狀態。

3.2.1 尿素計量泵的診斷策略? OBD系統對計量泵驅動電路的電氣連接故障進行持續循環地檢測，故障包括短路、開路障。錯誤檢測是在ACU內部進行，診斷系統對故障檢測進行評估并進行故障處理。在上電的情況下驅動電路進行對地短路故障的檢測：監測驅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;然后系統診斷系統對故障進行處理。上電的情況下驅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，則檢測出開路故障;然后系統診斷系統對故障進行處理（圖5）。

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

故障檢測是在ACU內部進行，診斷函數對錯誤檢測結果進行評估并進行故障處理。

在上電的情況下驅動電路進行對地短路故障的檢測：檢測驅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;然后系統診斷系統對故障進行處理。

上電的情況下驅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，則檢測出開路故障;然后系統診斷系統對故障進行處理（圖6）。

3.3 CAN總線通訊故障診斷策略

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

當CAN總線無故障的狀態下，其他電控器件發生與CAN總線通訊中斷故障。如：發動機EECU、NOx傳感器、尿素噴射控制器ACU等會持續的發送各自的報文數據到CAN總線上，OBD系統會連續的監控接收這些報文，若在診斷時間內，OBD系統始終未接收到某一部件的報文數據，則判定CAN通訊故障（圖7）。

4? 結論

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

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

參考文獻：

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