基于CAN总线仿真软件的SCR系统半实物仿真验证

刘军　袁所贤　熊明路　程伟　袁俊

（江苏大学，镇江212013）



基于CAN总线仿真软件的SCR系统半实物仿真验证

刘军袁所贤熊明路程伟袁俊

（江苏大学，镇江212013）

【摘要】研究与制定了尿素喷射控制单元（DCU）的控制策略，包括尿素喷射控制策略和OBD诊断策略。搭建了SCR系统的半实物仿真平台，自主开发了CAN总线仿真软件，包括CAN初始化设置、CAN网络环境创建、数据发送及接收模块、用于扩展的信息解析模块等。基于CAN总线仿真软件对DCU的尿素喷射控制及OBD功能进行半实物仿真分析，结果表明，本文尿素喷射控制程序及OBD模块程序设计正确。

1　前言

选择性催化还原法（SCR）因其对硫不敏感、油耗低、技术可持续性好等优点[1]，成为我国目前重型柴油车后处理的主流技术。尿素喷射控制单元（DCU）是SCR系统的电子控制单元，用来对SCR系统进行控制和监测。本设计所开发的DCU是基于前期课题组所开发的尿素计量泵之上，该尿素计量泵采用空气辅助方式进行喷射。基于此对DCU硬件和软件进行设计，集成了尿素计量泵控制、尿素喷射量计算及OBD诊断功能。自主开发了CAN总线仿真软件，并基于该软件搭建了SCR系统的半实物仿真平台。

2　DCU控制策略的研究与制定

2.1尿素喷射控制策略

尿素喷射控制：首先通过CAN总线获取发动机ECU中发动机转速和扭矩等信息，然后调用插值算法构建原机NOx排放MAP图和排气质量流量MAP图；根据这两个MAP图结合SCR化学反应机理计算出尿素基本喷射量，然后查询发动机在不同工况下的NOx转化效率MAP图，进行稳态修正；最后基于发动机排气温度计算得到瞬态修正系数，在稳态基础上进行瞬态修正得到实际需要的尿素喷射量。总体控制原理如图1所示。

图1　尿素溶液基本需求量控制原理

2.1.1尿素基本需求量计算

尿素基本喷射量是根据SCR化学反应机理计算出的理论尿素喷射量：式中，m表示尿素的基本喷射量；fNOx表示NOx的体积浓度；M表示排气的摩尔质量，因选取的是32.5 %的尿素水溶液，故尿素溶液的摩尔质量取184.6 g/mol。

2.1.2稳态及瞬态修正

理论尿素喷射量公式计算出的仅是理论上将排气中NOx全部反应所需的尿素喷射量，但随着发动机工况的变化，喷入的尿素溶液不能完全与NOx反应，所以必须对尿素溶液的基本喷射量加以修正。

NOx转化率MAP图如图2所示，由图2可见，发动机的最小转速工况点转速为800 r/min，所以当发动机转速在800 r/min以下时，查询到的NOx转化率精度会受到一定影响，但是考虑到发动机低速时排气温度较低，尿素不喷射，所以对整个尿素喷射控制来说无影响。

在尿素基本喷射量的基础上乘以NOx转化率，就可完成对尿素基本喷射量的稳态修正。

图2　NOx转化率MAP图

获取瞬态修正系数MAP图同样要在原机上进行试验，试验工况选取如下：转速范围是800～ 2 200 r/min，步长为200 r/min，发动机负荷按照0—100 %—0，25 %—100 %—25 %，50 %—100 %—50 %，75 %—100 %—75 %的规律改变，在每个工况点下记录转速、NOx排放浓度、循环油量和发动机排温等参数，计算出瞬态修正系数，最后将计算出来的数据汇总，完成瞬态修正系数MAP图，如图3所示。

2.2 OBD诊断策略

OBD的作用是提醒驾驶员在发动机或排放后处理系统出现故障时进行检查维修。根据HJ437要求，DCU必须具备OBD诊断功能，能对SCR系统进行实时在线诊断。排放法规执行阶段不同，也会对OBD系统及限值进行调整。根据现在国IV排放标准，采用的是OBD1+NOx控制，规定ETC试验时NOx的排放限值是5.0 g/kW·h，超过该限值时点亮故障指示灯（MIL）；规定ESC试验NOx的排放限值是7.0 g/kW·h，超出该限值后扭矩限制器动作。

图3　瞬态修正系数MAP图

OBD诊断中通常用到的方法有值域分析法、时域分析法、功能判别法和逻辑判别法等，一般将这几种方法结合起来会达到比较好的效果。本文所设计OBD模块主要是对传感器、电磁阀、通讯及NOx排放进行诊断。

3　半实物仿真平台搭建

3.1半实物仿真介绍

半实物仿真是在对一些特定系统（如SCR）的研究当中，通过计算机接口将实物与仿真软件进行通讯，仿真软件模拟虚拟节点，实物作为实际节点，是更接近实际情况的一种仿真技术。

3.2半实物仿真平台的总体设计

半实物仿真平台的总体结构设计如图4所示。从图4中可以看出，半实物仿真平台由尿素计量泵、DCU、USB-CAN模块、尿素计量泵调试平台、CAN总线仿真软件、相关传感器及电磁阀组成。尿素计量泵和DCU作为CAN网络中的实际节点，CAN仿真软件模拟发动机ECU作为CAN网络中的虚拟节点，两者之间的通讯通过USB-CAN模块进行。首先利用尿素计量泵调试平台将标定数据烧入主控芯片的DFlash中存储起来，然后CAN仿真软件发送一个尿素计量泵喷射命令，使整个SCR系统运行；这时CAN仿真软件模拟发动机各种工况将扭矩和循环油量等信息通过USB-CAN模块发送给DCU，DCU接收到这些信息后，根据制定的控制策略控制尿素计量泵喷射尿素，尿素喷射量通过计量泵调试平台在PC机上显示，观察尿素喷射量是否会随着发动机工况的改变而改变。最后模拟SCR故障，验证OBD模块是否能对SCR系统进行在线诊断。

图4　半实物仿真平台总体设计

半实物仿真平台中所使用的尿素计量泵集成了供给电机、计量单元、液侧和气侧稳压单元、旁通排气和排液单元、加热单元等，有集成度高、工作稳定、计量精准的特点。串口-CAN模块可实现CAN与串口之间的转换，通过串口转USB线与PC机相连，实现PC机与DCU之间的通讯。该模块支持1 200～115 200 bps范围的串口通讯速率，5 kbps～1 Mbps范围的CAN总线通讯速率，工作电源为+5 V，适应温度为-40～+125℃，满足汽车级电子产品的要求。

4　CAN总线仿真软件的开发

4.1开发工具

CAN总线仿真软件用到的开发工具是VisualStu⁃dio2010。VisualStudio2010可有效应用IDE对项目软件和解决方案进行管理；具有更加易于阅读代码的代码编辑器；提供的VB.NET代码编辑器功能强大，提供单步执行代码的断点调试功能，在输入错误时还会有更正错误的提示等[2]。

4.2 CAN总线仿真软件的总体构架

CAN总线仿真软件具有CAN初始化设置、CAN网络环境创建、数据发送模块、数据接收模块、信息解析模块等功能模块。CAN总线仿真软件的总体构架如图5所示。

图5　CAN总线仿真软件的总体构架

5半实物仿真结果分析

5.1尿素喷射控制的半实物仿真结果分析

虚拟节点报文信息如图6所示。为了观测尿素计量泵的喷射量变化，采用课题组前期开发尿素计量泵时所开发的计量泵调试平台。该计量泵调试平台除了观测尿素喷射流量的变化，还要为DCU烧入标定数据。此外，还应在计量泵调试平台上标定烧入包括混合腔压力上下限、液压腔压力上下限、占空比、尿素计量泵电机设置等一系列标定数据，如图7所示。若要看标定数据是否正确，可点击“读标定数据”按钮，就会在上方空白图框中显示标定数据。

图6　虚拟节点报文定义

由图6可知，先将发送区的1～8号报文定义为发动机虚拟节点报文，9号报文为计量泵的启动喷射指令。DCU上电后，计量泵首先发过来一个SCR地址声明，ID 为0x18EEFF3D，标志着SCR系统已经准备完毕，可以开始工作。发动机虚拟节点报文所定义的发动机工况是转速为1 640 r/min，油门为96 %，扭矩为1 048 N·m，发动机冷却液温度为90℃，机油温度为85℃。根据查询原机NOx排放MAP图及排气质量流量MAP图，可以得到理论基本尿素喷射量，然后查询NOx转化率MAP图得到该工况下的NOx转化率；理论上得到通过稳态修正后的尿素喷射量应为3 886.672 g/h，因为发动机排温是固定值，不需要通过瞬态修正，此时瞬态修正系数为1。观察到尿素计量泵调试平台上所接收到的尿素喷射量为3 886.67 g/h，与理论计算结果一致，说明稳态修正部分程序设计正确，也验证了稳定工况下瞬态修正系数计算的正确性。

为了验证瞬态修正控制程序的正确性，按图7所示方法，同样在CAN仿真软件中定义好这些报文，区别是这次要求发动机的工况发生变化，观察计量泵调试平台，看喷射量是否能够按照控制策略的要求进行调整。当发动机从低扭矩向高扭矩工况变化时，发动机排气温度不会立即升高，而是缓慢过渡到高扭矩工况下对应的排气温度，所以此时的瞬态修正系数应该小于1，否则会造成氨泄漏。相反，当发动机从高扭矩向低扭矩工况变化时，瞬态修正系数应大于1，否则会造成NOx排放超标。先定义发动机的工况为扭矩273 N·m，转速836 r/min。该工况下稳态修正后尿素的喷射量为331.813 g/h，再升高发动机的扭矩到1 008 N·m，转速同样是836 r/min，该工况下稳态修正后的尿素喷射量为646.243 g/h，理论修正系数为0.671 2。观察计量泵调试平台接收到的尿素喷射量为433.75 g/h，最后缓慢过渡到646.24 g/h，如图8a所示，此时瞬态修正系数为0.671 1，与理论结果一致。然后将发动机的工况调整为扭矩441 N·m，转速同样为836 r/min。工况调整后，该工况下对应的稳态修正后的尿素喷射量为664.152 g/h，理论瞬态修正系数为1.388。观察计量泵调试平台接收到的尿素喷射量为921.84 g/h，最后缓慢过渡到664.15 g/h，如图8b所示，此时瞬态修正系数为1.387 9，与理论结果一致，说明瞬态修正控制程序正确。

图7　稳态修正计量泵调试平台数据接收情况

5.2 OBD的半实物仿真结果分析

OBD的故障类型分为单个故障和多个故障，单个故障只需要将故障码发送出来即可，多个故障要先发送一条连接管理消息，里面包含BAM的相关信息（如发送包数量等），然后再发送数据传送消息，里面包含故障码。

将尿素箱液位传感器信号线与地相连，模拟的是尿素箱液位传感器对地短路故障，尿素箱液位传感器的SPN为1761，对地短路的FMI为4，点亮MIL灯为0x40，这里令故障发生1次，所以OC为1，CM取0。故DCU应发送故障信息报文DM1，ID为0x18FECA3D，报文数据为0x4000E1060401FFFF。观察CAN仿真软件所接收的数据如图9所示。从图9可以看出数据的接收情况，DCU发送的故障码与理论值相吻合，故单个故障的OBD诊断功能有效，验证了OBD诊断模块单个故障诊断程序设计的正确性。

图8　瞬态修正计量泵调试平台数据接收情况

图9　单个故障发送情况

为了验证多个故障的OBD诊断报文发送情况，将尿素计量泵的喷射口堵住，模拟尿素喷射阀常闭故障，将尿素箱温度传感器信号线与电源相连，模拟尿素箱温度传感器对电源短路故障。尿素喷射阀的SPN为3489，常闭的FMI为18，设故障发生1次，则OC为1，CM 为0，点亮故障灯为0x40。尿素箱温度传感器的SPN为3031，对电源短路的FMI为3，设故障发生1次，则OC为1，CM=0。当出现多个故障时，OBD诊断模块会先发送1个广播公告消息（BAM），ID为0x1CEC003D，该条报文包含的内容为控制字节（1byte）、报文消息的长度（2～ 3byte）、全部数据包的数量（4byte）、保留给CATARC设定使用的字节（5byte）和打包消息的参数组编号（6～8byte）。然后发送数据传送消息，采用多包发送的方式，数据传送消息的ID为0x1CEB003D，传送消息的数据页位第1位是数据包的序列号，其他字节为诊断故障码（DTC）。所以针对尿素喷射阀常闭和尿素箱温度传感器对电源短路这两个故障，所发送的BAM报文数据为0x200A0002FFCAFE00，接下来第1个数据包的数据为0x014000100DA101D7，第2个数据包的数据为0x020B0304FFFFFFFF。观察CAN仿真软件接收的数据情况如图10所示。从图10可以看出，DCU发送的报文及数据与理论值相吻合，故多个故障的OBD诊断功能有效，验证了OBD诊断模块多个故障诊断程序设计的正确性。

图10　多个故障发送情况

通过单个故障和多个故障的半实物仿真可以看出，OBD模块程序设计正确，能够实现OBD诊断功能，可以实时在线诊断SCR系统。

6　结束语

制定了DCU尿素喷射控制策略和OBD模块诊断策略，确定了基本尿素喷射量公式，从理论上对基本尿素喷射量进行了稳态修正和瞬态修正，以解决NOx转化效率和发动机排气温度对尿素喷射量的影响。采用自主开发的CAN总线仿真软件，在SCR系统的半实物仿真平台上对DCU的尿素喷射控制及OBD功能进行了半实物仿真及分析，验证了尿素喷射控制程序及OBD模块程序设计的正确性。

本设计所使用的半实物仿真系统属于实时仿真系统，精确模拟了SCR系统中DCU的尿素喷射控制及OBD功能的运行状态，与其他类型的仿真相比精度更高、可靠性更好。

参考文献

1 Sitshebo S, Tsolakis A, Theinnoi K. Promoting hydrocarbon-SCR of NOxin diesel engine exhaust by hydrogen and fuel reforming. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34（18）: 7842 ～7850.

2李龙传.基于Visual Stdio 2010的SINOVATION编译与GUI自动化测试的研究：[学位论文].济南:山东大学, 2014.

3张鑫峰.柴油车SCR系统的OBD开发：[学位论文].无锡:江南大学, 2012:12～19

4张伟，徐正飞，邓成林，等.柴油机SCR系统OBD功能的诊断策略研究.汽车工程，2011, 33（1）：23～25.

5胡静,赵彦光,陈婷等.重型柴油机尿素SCR后处理系统的控制策略研究.内燃机工程, 2011 322:1～5.

6Stefano Barone, Paolo D'Ambrosio, Pasquale Erto，et al. A Statistical Monitoring Approach for Automotive On- board Diagnostic Systems.Quality and Reliability Engineering In⁃ternational, 2007, 23（5）:565-575.DOI:10.1063/1.362003.

7曹晓昂，龚淑娟. SCR技术的持续创新者-访德国欧博耐尔公司董事总经理.汽车制造业, 2011（7）:14～17.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为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

中图分类号:U463.6

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）01-0024-05

主题词:SCR系统DCU CAN总线半实物仿真