基于SCR后处理系统的国V柴油机OBD系统设计

陈大伟 王小龙 王丹丹

摘要：本0BD系统是在匹配国V柴油机的SCR电控单元上实现的。其通过发动机电控单元发送的DM1报文和SCR电控单元硬件的自诊断驱动芯片及电路，实现了所有OBD法规要求及其它相关外设的自动诊断，并根据诊断事件状态对故障指示器（MI）和扭矩限制器进行管理，同时为UDS诊断服务和OBD认证服务提供接口服务，使用户可以通过标准诊断仪读取存储的故障代码和冻结帧数据等。经验证，所设计的OBD系统满足OBD法规要求。

关键词：SCR后处理;OBD系统;诊断事件管理

前言

当今的汽车尾气排放污染已经成为一个突出而严峻的问题。为了有效地控制尾气排放而造成的大气污染，我国环保部于2008年6月发布了标准HJ437-2008从技术上对OBD功能作了明确说明^[1]。OBD是一种能有效控制汽车尾气排放污染的实时监测技术，OBD系统能够很好地监测在用车的排放，实施OBD是重型汽车国Ⅳ、国V成功实施的有力保障^[2]。

OBD系统对发动机及后处理系统进行在线监测和诊断，当出现相关故障时，OBD系统对其状态位进行管理，触发故障应对策略，并存储故障代码、存储冻结帧和扩展数据，依据法规要求激活MI或扭矩限制器，并能通过标准诊断仪读取存储的故障代码及冻结帧数据。

1 SCR系统

本OBD系统是在国V柴油机SCR电控单元上实现的，SCR系统组成如图l所示，主要包括添蓝罐、计量喷射泵、液位传感器、温度传感器、催化器进出口温度传感器、NOx传感器、压缩空气电磁阀、冷却水电磁阀和SCR电控单元等。

SCR电控单元采用Freescale MPC5604B为主控芯片，其硬件设计中包含自诊断驱动芯片及电路，再配合软件开发，实现了所有传感器和执行器的白诊断功能。SCR电控单元设计有3路CAN通信，分别为动力CAN（实现与发动机、行驶记录仪等电控单元的信息交互）、后处理系统专用CAN（实现后处理相关电控单元之间的信息交互）和标定CAN（实现诊断通信、标定和Bootloader）。3路CAN通信的设计方式降低了整车动力CAN的总线负载，提高了整车动力CAN通信的可靠性。

2 0BD系统外部接口拓扑

OBD系统外部接口拓扑如图2所示，其通过CAN总线接收发动机电控单元发送的DM1报文，并从中提取发动机相关的OBD故障，其它故障的自诊断则通过SCR的故障诊断算法模块实现。诊断事件管理模块以这些故障诊断结果为输入，对其状态进行管理，并根据OBD法规实现诊断事件相关故障码和冻结帧数据的存储或擦除，激活MI或扭矩限制器，同时为UDS诊断服务和OBD认证服务模块提供服务接口。

3 0BD系统设计

本OBD系统由故障诊断及应对模块、诊断事件管理模块、UDS诊断服务模块和OBD认证服务模块组成。由于UDS诊断服务和OBD认证服务模块仅只需按照IS0 15765和IS0 15031协议进行设计即可，未牵涉到具体策略的开发，所以本文对这两个模块的设计不再做详细介绍。

3.1故障诊断及应对策略

根据OBD法规及SCR电控单元所连接的外設及相关功能，归纳、定义故障定义列表。其故障项包括发动机相关OBD故障和SCR自诊断故障。OBD系统通过发动机发送的DM1报文解析出发动机相关OBD故障，而SCR自渗断故障则包括电控单元供电故障、传感器供电故障、环境温度传感器故障、尿素罐相关故障、催化器相关故障、尿素泵内部故障、尿素管路相关故障、排放超标故障、降扭信号篡改故障和CAN报文及信号故障等。每个故障的定义均包括故障码、故障诊断条件、故障确认条件、故障恢复条件、故障确认恢复条件、故障确认前后的安全策略、故障等级、MI状态和故障存储及清除条件等内容，以SCR电控单元供电电压过高故障为例，其故障定义如表1所示。然后在此故障定义列表的基础上进行故障诊断及应对策略的开发。

3.2诊断事件管理

诊断事件管理模块以故障诊断事件为处理对象，对其状态进行管理，存储或擦除诊断事件相关的故障码、冻结帧和扩展数据;其次，根据诊断事件状态激活故障应对策略，并依据法规要求激活或关闭MI或扭矩限制器;最后则需要根据J1939协议通过DMI报文输出故障相关信息，同时为UDS诊断服务和OBD认证服务模块提供服务接口，其架构如图3所示：

3.2.1.操作循环管理

本OBD系统设计了三种操作循环：钥匙上电循环、驾驶循环和暖机循环。

钥匙上电循环是从T15上电到下电的时间过程，其主要用于故障监测和下电存储;驾驶循环由发动机启动、运转、停机，一直到下次发动机肩动的时间过程，其主要用于确定熄灭MI的工况循环;暖机循环为发动机经充分运转，使冷却液温度比发动机启动时上升至少22K，并到达最低温度343K的过程，其主要用于OBD故障码、冻结帧及相关扩展数据的自动清除。

3.2.2 DTC状态管理

DTC状态管理是指OBD系统基于故障诊断算法提供的故障诊断结果，实现DTC状态位的跳转逻辑（如图4所示，DTC各状态位含义见表2）的过程，同时向用户提供DTC状态位的接口^[3]。

3.2.3诊断内存管理

诊断内存管理模块依据开发需求对诊断内存进行规划，并指定专用的非易失性内存区。每个诊断事件的存储内容均应包括该诊断事件的ID、DTC状态位、事件相关的冻结帧和扩展数据。

由于每个诊断事件需存储的数据较多，且非易失性内存资源有限，一般情况下不能为每一个诊断事件分配各自的专用诊断存储区域，因此诊断内存中同时存储的诊断事件的数目是受限的，所以本OBD系统同时提供了内存溢出检测及发生溢出后依据诊断事件优先级的替换存储管理机制。

3.2.4诊断事件存储管理

诊断事件存储管理是指基于OBD所支持的诊断内存规划方案，在已指定的用于存储诊断事件记录的非易失性内存中增加、更新和移除诊断事件记录（包括该诊断事件的ID、DTC状态位、事件相关的冻结帧和扩展数据），并根据所有诊断事件的状态，对MI和扭矩限制器进行管理。

3.2.5与其它模块的接口服务

OBD系统向DM1模块提供故障相关信息，最终通过仪表显示以及时提醒驾驶员车辆故障信息;同时OBD系统也为UDS诊断服务^[4]（采用ISO15765协议）和OBD认证服务^[5]（采用IS0 15031协议）模块提供接口服务，最终使用户可以通过标准诊断仪读取存储的故障代码和冻结帧数据等。

4试验验证

本OBD系统目前已在匹配国V柴油机的SCR电控单元上实现，经发动机台架试验、整车功能试验和三高试验验证，均能正常工作。下面对发动机台架试验结果进行简要说明。

在发动机台架上，连接OBD诊断工具ScanTool读取实时数据，通过人为制造故障对本系统进行测试。

首先，将Scan Tool与OBD诊断接口连接，确认可以正常通讯。请求Mode 9读取当前车辆信息（软件标定识别号码、汽车型式核准时OBD所能达到的要求等信息），结果如图5所示，符合HJ437标准要求。

然后，人为制造尿素罐加热电磁阀驱动端短路到电源故障，在故障未确认前，使用Scan Tool请求Mode7读取待定故障数据如图6所示，待定故障被报出。

使用Scan Tnnl请求Mode 3读取OBD故障，显示故障指示灯点亮，一个故障已保存，如图7所示：

使用Scan Tool请求Mode 2读取冻结帧数据，冻结帧数据显示正常，如图8所示：

发动机台架试验结果表明，本OBD系统可以准确地对后处理系统进行实时监测、诊断，并按照法规要求對故障信息作出相应处理，满足OBD法规要求。

5结论

本OBD系统是在匹配同V柴油机的SCR电控单元上实现的，能够实时监测后处理系统相关故障，并依据OBD法规对Ml和扭矩限制器进行管理，同时为UDS诊断服务和OBD认证服务提供接口服务，使用户可以通过标准诊断仪读取存储的故障代码和冻结帧数据等。经验证，所设计的OBD系统满足OBD法规要求。

参考文献：

[1]国家环境保护部.HJ437-2008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[S]. 2008

[2]卜建国.用于柴油机SCR系统的OBD-Ⅱ新构型的设计[J].汽车工程，2010，32，11，1002 100520

[3]IS0 14229. Road vehicles-Unified diagnostic： services（UDS）-Specification and requirements[S].ISO， 2006.

[4]IS0 15765. Road Vehicles-Diagnostics on ControllerArea Networks （CAN） [S]. ISO， 2001-2006.

[5]IS0 15031. Road Vehicles-Communication BetweenVehicle and External Equipment for Emissions-RelatedDiagnostics [S].ISO， 2001-2006