SCR国Ⅳ柴油机的OBD实现策略

（同济大学，上海200092）

SCR国Ⅳ柴油机的OBD实现策略

汪荣会

（同济大学，上海200092）

介绍了采用SCR技术路线达到国Ⅳ排放柴油机的OBD实现方法。发动机和SCR系统由发动机电控单元（ECU）和SCR电控单元（DCU）分别控制，提供了一种实现OBD的解决方案。

柴油机国ⅣSCROBDCAN总线

1 前言

电子技术应用于发动机管理系统，除燃料喷射和点火功能等基本功能外，还有OBD功能（On-Board Diagnostic System，即车载诊断）。当系统出现故障时，故障灯（MIL,Malfunction Indicator Lamp）或检查发动机警告灯（Check Engine）激活，同时电控单元（ECU）将故障信息存入存储器，通过故障诊断仪可以将故障码从ECU中读出。根据故障码的提示，维修人员可以迅速而准确地确定故障的性质和部位。有针对性地去检查相关部位、元件和线路，将故障排除。

2008年6月，国家环保部发布了HJ437“车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断（OBD）系统技术要求”（以下简称HJ437），所有达到GB 17691－2005中第IV阶段（以下简称国Ⅳ）排放水平的压燃式发动机和装用压燃式发动机汽车都应配备车载诊断系统（OBD），国Ⅳ阶段需满足法规中规定的OBD1+NOx控制（俗称OBD1.5）[1]。

SC9DF是一款采用高压共轨+SCR技术路线的国Ⅳ柴油机，在排放满足国Ⅳ标准的情况下，如何组建其OBD架构是项目开发过程中十分关键和重要的工作。

2 SC9DF国Ⅳ柴油机OBD开发目标

2.1 SC9DF国Ⅳ柴油机的结构

SC9DF柴油机的整体结构如图1所示，发动机采用高压共轨电控燃油系统，后处理采用SCR系统，燃油系统由发动机电控单元（ECU）控制，SCR后处理系统由后处理电控单元（DCU）控制。DCU通过CAN总线读取发动机的运行状态（发动机转速等）和环境参数（如环境温度），并结合台架上的标定结果，实时控制并调节尿素喷射量，以使尾气中的NOx含量不超出法规限制[2]。

2.2 法规对于OBD的要求

HJ437对于国Ⅳ的要求概述如下：

（1）在一定的环境下（如环境温度，海拔高度等），实时监测尾气中的NOx。当NOx含量＞5.0 g/(kW·h)时，与排放相关的故障灯应激活；当NOx含量＞7.0g/kWh时，除了激活故障灯，还要激活扭矩限制器，降低发动机输出功率，以督促驾驶员对发动机进行检修。

（2）电控系统应对排放监测系统进行监测，一旦确定排放控制监测系统存在故障，系统应立即激活故障指示器来警告驾驶员。如果故障在发动机运行至50 h后仍未得到修复，应自动激活扭矩限制器。

（3）当故障灯激活后，在电控单元内存储导致故障灯激活故障的故障码和冻结帧。

（4）在三个连续的操作循环后，或在发动机运转时间为24 h内没有再监测到已造成故障灯激活的故障，且没有监测出其他会单独激活的故障灯的故障之后，故障灯可以解活（熄灭）。

（5）OBD系统应能通过标准的诊断串行接口，读取系统及故障信息，并在条件允许的情况下清除故障代码。

图1 SC9DF国Ⅳ柴油机结构示意图

2.3 SC9DF国Ⅳ柴油机OBD面临的问题

SC9DF国Ⅳ柴油机的燃油系统和后处理系统分别由Denso和Tenneco两家公司提供，燃油系统和后处理系统均拥有独立的OBD系统，如何有效集成这两套系统，使之成为一套完整的OBD系统，成为SC9DF国Ⅳ柴油机开发过程中的一项关键工作。

对照HJ437中的相关条款，系统集成中的主要问题如下：（1）ECU和DCU的通讯如何实现？（2）排放如何监测？（3）故障代码如何管理？（4）如何控制故障灯及启动扭矩限制器？

SC9DF国Ⅳ柴油机要满足HJ437的要求，就必须解决上述问题，因此需要提出一个完善的架构方案以使两家公司分工实现。

3 SC9DF国Ⅳ柴油机OBD架构备选方案

为了解决系统集成问题，全面实现OBD1.5，并具备支持OBD2及以上的潜力，开发人员提出3个备选方案供选择。

3.1 方案1

方案1的OBD架构如图2所示，总体思路是由ECU负责整个OBD系统，DCU负责尿素喷射和SCR系统的诊断，故障码的管理（包括存储、删除等）均由ECU负责，故障灯及扭矩限制器也由ECU控制，诊断仪只需访问ECU即可。本方案的优点是系统架构简单，但ECU软件改动较大。

3.2 方案2

方案2的OBD架构如图3所示，该结构的主要特点是由发动机和SCR系统相对独立，ECU和DCU分别拥有独立的OBD系统，分别负责各自系统中的诊断及故障处理，故障灯和扭矩限制器也各自根据需要独立控制。该系统的特点是发动机本体和SCR系统相对独立各司其职，供应商可以独立开发各自系统，缺点是ECU和DCU均对故障灯和扭矩限制器进行控制，不利于整体协调。

图2 方案1

图3 方案2

3.3 方案3

方案3的OBD架构综合了前2个方案的特点，保留两个系统的相对独立性，各自的诊断和控制由自己的电控单元（分别为ECU和DCU）负责，ECU统一对故障灯和扭矩限制器进行输出，DCU只向ECU反馈诊断结果，ECU结合发动机的实际运行状况做出最终判断，是否需要激活故障灯或扭矩限制器，如图4所示。

4 SC9DF国Ⅳ柴油机OBD解决方案

经过相关各方的讨论，综合考虑各种方案的利弊，再结合成本与开发周期的因素，最终SC9DF国Ⅳ柴油机选取了第三种方案，其详细控制策略如图5所示。

图4 方案3

采用以上结构的OBD策略完全满足HJ437的要求，以下分述其具体实现方法。

4.1 ECU和DCU的通信实现

ECU和DCU的通信采用国际通用的SAE J1939协议，它们之间的CAN通信结构如图6所示。DCU通过AMB、EEC1、EEC3等报文获取发动机的运行状态及环境状态，并用于尿素喷射控制及NOx排放的检测。DCU通过DM1报文将SCR系统的OBD检测结果反馈给ECU，共有3种状态：系统正常，激活故障灯，启动扭矩限制器。

4.2 排放的监测

尾气中NOx的监测由DCU完成，NOx传感器通过线束与DCU连接。当NOx传感器开始工作时，DCU就能收到尾气中NOx浓度值，再结合CAN总线上ECU发过来的排气流量，DCU就能计算出NOx的浓度（单位为g/(kW·h)），如果浓度低于5.0 g/(kW·h)，DCU就告诉ECU此时系统正常；如果浓度超过5.0 g/(kW·h)，DCU就告诉ECU激活故障灯；如果浓度超过7.0 g/(kW·h)，DCU就通知ECU启动扭矩限制器。ECU收到DCU发来的DM1后，结合发动机及整车的运行状态，做出相应的系统反应。

4.3 故障代码的管理

在SC9DF国Ⅳ柴油机的OBD系统中，发动机和SCR系统的故障代码分别由ECU和DCU独立管理。当系统出现故障后，ECU和DCU就产生相应的故障代码和冻结帧，并存储到各自的EEPROM中。支持ISO 15765协议的故障诊断仪可以通过标准的故障诊断接口（如图7所示）读取故障代码和冻结帧，当故障代码满足可删除的条件时，通过诊断仪可以将其删除[3～4]。

图5 SC9DF国Ⅳ柴油机OBD架构

图6 SC9DF国Ⅳ柴油机CAN通讯结构

图7 诊断接口[5]

除诊断仪读取外，ECU和DCU还可将当前故障代码通过DM1发送到CAN总线上，车上其它CAN设备可以读取并实时显示，以及时提醒驾驶员。

4.4 故障灯控制及扭矩限制器的启动

在SC9DF国Ⅳ柴油机的OBD系统中，故障灯及扭矩限制器由ECU控制。当ECU检测到燃油系统的故障，或收到DCU发过来的DM1中需要激活故障灯或启动扭矩限制器时，ECU根据实际情况做出判断，最终产生相应的系统反应。

DCU对于SCR系统的故障判断及系统反应需求的策略如图8所示。

在某些情况下，即使DCU发来DM1要求ECU激活故障灯或启动扭矩限制器，ECU也可能不动作，这是因为可能存在如下情况：（1）当前车辆所处的环境，法规不要求进行限制，如低温地区和高原地区；（2）发动机的状态不满足激活故障灯或启动扭矩限制区的条件，如水温低；（3）车辆的运行状态不能满足扭矩限制器的启动条件，如车辆正在进行PTO作业或者车辆在行驶过程中，若启动扭矩限制器可能会发生危险。

当ECU确定需要激活故障灯后，通过ECU引脚或向CAN总线发送DM1报文（根据整车仪表任选其一），即可点亮仪表上表示故障灯的符号片。

5 结束语

SC9DF国ⅣSCR电控柴油机的OBD策略能有效监测整个电控系统的故障，完全满足现行OBD法规HJ437的要求，并具备升级的潜力，满足更高阶段的法规要求，其OBD架构可作为其它SCR国Ⅳ柴油机开发的参考。

图8 SCR系统OBD策略

1 HJ437，车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断（OBD）系统技术要求，2008.

2 SAE J1939-71，CAN总线车辆应用层协议，2006.

3 ISO 15765-4:2005,Road vehicles--Diagnostics on Controller Area Networks(CAN)--Part4: Requirements for em issions-related systems,2005.

4 SAE J1939-73，CAN总线车辆诊断服务，2006.

5 ISO 15031-3:2004,Road vehicles-Communication between vehicle and externalequipment for em issions-related diagnostics-Part3:Diagnostic connectorand related electricalcircuits,specification and use，2004.

OBD Strategy for China Stage4 Diesel Enginewith SCR System

Wang Ronghui
（TongjiUniversity,Shanghai200092,China）

OBD is required forallChina IV compliantengines.An OBD strategy isdesigned for SC9DF engine,a China IV compliantenginewith SCR system.The fuel system and SCR system of the engine are designed to be independent and controlled by engine control unit(ECU)and SRC control unit(DCU) respectively,which proves tobea practicalsolution for the implementation ofOBD.

diesel engine,ChinaIVemissionregulation,SCR,OBD,CANbus

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.04.003

来稿日期：2010-08-30

汪荣会（1982），男，工程师，主要研究方向为电控柴油机性能及OBD研究。