国六电控柴油机SCR 系统故障诊断策略研究*

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

引言

改善柴油机的燃油经济性的同时，需要更高的燃烧温度，由此导致了3 倍以上的氮氧化物的排放。国六法规要求降低90%的排气尾管的NOx的排放[1]。中华人民共和国国家环境保护标准-车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与车载诊断系统（OBDII）系统技术要求，即HJ437-2008 标准明确要求发动机必须具备后处理系统，以保证汽车尾气排放中有害物质降到最低，达到国家相关排放法规。CN6 法规同时对OBD作了这样的描述：“OBD”是一种车载诊断系统，用于排放控制系统监测。当与排放相关的任何零部件发生故障时，OBD 系统的监测应显示出现故障。目前柴油机后处理系统中普遍采用SCR 模块。由于SCR良好的经济性、耐久性以及对燃料中硫不敏感，同时SCR 系统能有效地降低NOx因此SCR 成为首选的后处理模块，被优先用于柴油机尾气排放系统[2]。

1 SCR 系统工作原理

当发动机工作时，尿素泵从尿素储液罐中抽取尿素，ECU 依据传感器所采集的信息计算出相应尿素量，同时与一定的空气压缩，进而形成尿素混合气。尿素混合气经喷雾器喷入排气管与汽车尾气进行化学反应。其化学反应由2 部分组成：生成还原剂部分与NOx还原部分。

生成还原剂：首先，尿素液在加热的状态下分解成氨气（NH3）和氰酸（HNCO）。然后，氰酸（HNCO）和水反应生成NH3和CO2。具体如反应式（1）所示：

NOx还原：NH3与NOx在催化剂的作用下生成无污染的N2和水蒸气（H2O）。具体如反应式（2）所示：

2 诊断策略

因SCR 系统结构较为复杂，控制系统精密，产生故障率较高。同时结合法规考虑，对SCR 系统进行故障检测与诊断，能有效地避免因尾气排放系统故障而造成的排放超标，造成环境污染。根据SCR 系统的结构，针对出现其发生故障所产生的问题，从诊断监控和诊断管理角度出发，提出SCR 系统故障诊断策略[3]。图1 所示为诊断策略框图。

图1 诊断策略框图

3 SCR 诊断任务确定

在保证排放达标的情况下，尿素的喷射量必须要与NOx的浓度相匹配。尿素的喷射量少，则不能满足催化还原要求。尿素的喷射量多，则会使额外的NH 排入大气，造成新的污染。如果，高灵敏度的NOx浓度传感器以及相应的高精度尿素喷射装置一旦出现故障，将直接导致排放加重，因此发动机OBD 诊断系统必须及时处理来自SCR 诊断系统的故障信息。

因SCR 系统结构复杂，所以系统故障诊断由2部分完成。首先，SCR 系统中的OBD 诊断模块对系统中的传感器、尿素液、NOx、喷雾器等做出相应故障诊断[4]。然后，如果出现故障信息，SCR 系统将故障信息通过CAN 总线通信传送给发动机ECU 中故障诊断系统。发动机故障诊断系统故障监控模块采用预消抖模块对故障信息进行鉴定，对于偶发故障，一般不作处理。如果确定为最终故障，将生成故障代码并同时闪烁故障灯。对于最终故障，诊断协调模块将做出相应的故障处理模式。诊断任务具体如图2 所示。

图2 诊断任务分类框图

4 故障监控

4.1 故障检测

4.1.1 温度传感器检测

SCR 系统中温度传感器的输出电压范围为0.3～4.8 V，因此当传感器输出电压小于0.3 V 或大于4.8 V 时，SCR 中OBD 系统通过CAN 总线将故障信息传输给发动机OBD 系统，此时发动机OBD 系统闪烁故障灯且树立故障位为1。图3 所示为SCR 温度传感器诊断策略流程图。

图3 温度传感器诊断策略流程图

4.1.2 NOx传感器检测汽车尾气NOx排放第1 次限值P1 为1.2，第二次限值P2 为7.0 g/（kW·h），SCR 中OBD 模块通过CAN 总线将故障相关信息发送给发动机故障诊断系统，当排放超过P1 时，相关故障灯闪烁。当排放超过P2 时，故障灯闪烁且树立故障位为1。图4 所示为NOx传感器诊断策略流程图。

图4 NOx传感器诊断策略流程图

4.1.3 尿素液位检测

国六标准规定，尿素箱中装载量上限不超过90%，下限不低于10%，因此当出现液面低于10%或高于90%时，SCR 中OBD 模块通过CAN 总线将故障信息传输给发动机OBD 系统。此时发动机OBD系统闪烁故障灯且树立故障位为1。图5 为尿素液面诊断策略流程图。

图5 尿素液面诊断策略流程图

4.2 故障鉴定

当SCR 中诊断模块经CAN 总线将相关故障信息发送给发动机故障诊断系统时，发动机诊断系统中诊断监控模块中故障鉴定模块采用预消抖的方式对故障信息进行鉴定。消抖法是通过启用定时器来实现的，当错误信号出现时，定时器开始定时累加，时间的累加超过一定的阈值时（本系统设置为2 s），偶发故障确定为最终故障。对于SCR 电控系统在运行过程中，由于电磁干扰，可能会出现偶发性故障，偶发性故障只需采用上一循环的值。若出现最终故障要进行相应故障处理，以提醒驾驶员尽快维修车辆，避免因尾气超标造成环境污染。图6 所示为时间预消抖检测控制模型图。

图6 时间预消抖控制模型图

5 故障管理

5.1 路径管理

当SCR 系统出现故障时，SCR 中OBD 系统通过CAN 总线将故障信息传输给发动机故障系统，对于NOx超出P1 的故障信息，发动机诊断系统中监控模块做完故障鉴定，故障管理模块中故障信息管理只闪烁MIL，不储存故障冻结帧和故障代码。当NOx超出P2 的故障信息，此时生成故障代码P2001 并限制喷油。当尿素液面超限信息，当液面低于10%时，生成故障代码P203F 并点亮MIL，当尿素液面高于90%时，生成故障代码P203F 并点亮故障灯MIL。当尿素液温度传感器出现故障时，并且确定为最终故障时，此时生成温度传感器主故障码P0053。当温度传感器对地短路时，生成故障代码P205D。当温度传感器对电源短路时，此时生成故障代码P205C。当温度传感器开路时，此时生成故障代码P205B。

5.2 诊断协调

发动机诊断系统中监控模块做完故障鉴定，故障管理模块中故障信息管理模块闪烁MIL，储存故障冻结帧和故障代码并且喷油量进行限制输出以达到限制转矩输出的目的。在故障恢复过程中，采用斜坡函数的方式，有效地避免了故障恢复时发动机转速突变[5-7]。图7 所示为SCR 故障处理模块控制图。

图7 故障处理模块控制图

6 模型仿真

针对SCR 中OBD 系统通过CAN 总线传输给发动机故障系统将故障信息进行仿真[8]，利用MATLAB/Simulink 及StateFlow 工具编写了策略框图[9]，Signal Builder 作为超限偶发故障输入，Repeating Sequence Interpolated 模块作为喷油量值输入进行诊断系统仿真。

SCR 相关故障信息通过CAN 总线传送发动机ECU 中。ECU 中故障监控模块和故障管理模块对故障进行鉴定和处理。由图8 的仿真结果分析可知，发动机OBD 系统从1 s 开始接收到故障信息，在3 s 时再次接受到故障信息并且这一故障一直持续超过故障鉴定时间2 s。因此被确定为最终故障，此时由当前喷油量下降到12.5 mg，发动机进入喷油量限制模式。

图8 仿真结果1

由图9 的仿真结果2 分析可知，发动机OBD 系统从1 s 开始接收到故障信息，并且一直持续到6 s时结束。故障从3 s 开始被鉴定为最终故障，此时发动机当前喷油量被限制为12.5 mg。在6 s 时故障开始消失，且持续超过2 s 没有再次出现，此时鉴定为故障恢复。因此，在8 s 时故障以一定斜率恢复到当前喷油。

图9 仿真结果2

7 结论

基于SCR 系统的工作原理，建立了其诊断模块的MATLAB/simulink 及Stateflow 的控制策略模型，并通过建模仿真对整个过程进行了测试，结果表明：

1）通过故障检测和时间预消抖模块可以检测出故障的类型和属性。通过时间预消抖的方式，能准确地检测出偶发故障和最终故障，避免了偶发故障出现时的不必要检测，降低了维修的成本。

2）采用路径管理和诊断协调模块能决定何时点亮故障灯以及储存故障代码，同时分析处理故障。通过斜坡函数处理故障，成功解决了发动机转速的突变问题。

3）在SCR 系统出现故障的过程中，针对于偶发故障和最终故障提供了相应的诊断策略，有效地避免了发动机因尾气超标而造成排放污染。