SCR系统故障诊断策略研究

吴卫国 余国成 王再兴 刘屹

摘要：国六重型柴油机选择性催化还原（SCR）系统能有效的降低尾气中的NOx排放，若发生故障导致SCR系统无法正常运行，便会加剧对环境的影响。为了保证SCR系统可持续性的工作，需对SCR系统增加故障诊断系统OBD，其中故障诊断系统包含监控和管理，系统的诊断管理包含故障识别、故障反应、故障的存储及读取。通过MATLAB/Simlink软件建立仿真模型，使用SourceInsight工具将模型生成代码，并写入ACU（尿素喷射控制单元）中，构成控制系统。试验结果表明：诊断系统可以检测出SCR系统中的相关故障，并触发相应的故障反应，有效的避免发动机由于SCR系统问题导致尾气超标。

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.

关键词：柴油机;SCR;故障识别;故障管理;ACU;OBD

Key words： diesel engine;SCR;fault recognition;fault management;ACU;OBD

中图分类号：TK421.5                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）18-0136-03

0  引言

随着排放法规的升级，国六的要求更严苛，GB17691-2018要求生产企业确保所有的发动机和整车都具备OBD系统，且描述“OBD”是一种车载诊断系统，用于排放系统监测，当排放系统出现故障时，OBD系统能进行识别。现阶段柴油机所使用的后处理采用SCR系统，是由于SCR系统有良好的耐久性、经济性，且SCR系统是当今世界公认降低NOx排放最有效的技术之一。

1  SCR系统工作原理

在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括：①在排气中通过尿素喷射系统喷入尿素溶液（水溶液浓度为32.5%±0.5%），通过尿素水解产生氨气作为还原物质，将NOx还原为N2和H2O。尿素水溶液，虽然无毒不易着火、无爆炸危险，但有腐蚀性，固使用特殊的容器存储。②尿素喷射量与NOx的浓度要相匹配。尿素喷射量低于NOx的浓度相匹配值，则达不到法规要求的处理水平，尿素喷射量高于NOx的浓度相匹配值，则会产生的氨气，导致新的污染。③为保证SCR正常的工作，则需要车载诊断系统（OBD），及时提醒用户处理故障，以保障SCR系统的正常运行，使排放达标。

2  诊断策略要求

HJ437-2008的法规规定，对于压燃式发动机，OBD需要至少包括：①尾气排放超标时显示相关对应故障，并触发驾驶员提醒系统。②发动机电控系统（EECU）与ACU通讯完整性。③尿素喷射系統的电器元的电路连续性（即开路和短路）和总功能性故障。④监测发动机电控单元相连的部件或系统、且与后处理系统与排放相关的。⑤电控单元连接的后处理排气的部件或系统应进行电路短路监测。本次着重研究SCR系统相关的OBD故障诊断策略。根据上述OBD系统需要监测的信息，开发诊断系统时把OBD的诊断策略分为四个阶段：故障识别，故障反应，故障的存储及读取（图1）。

3  SCR系统常见故障的诊断策略

根据诊断类型分为三种：传感器类故障诊、执行器类故障诊断、CAN总线通讯类故障诊断。

3.1 传感器类的故障诊断  传感器是将信号传递给后处理ACU，信号的即时性和准确性直接能看出策略的完善程度，OBD系统主要对传感器的失效、裂化、信号合理性等故障进行检测和诊断，依据相应的诊断与控制策略，確保传感器处于正常工作中。简单来说，传感器的诊断可分为开短路诊断与合理性诊断，开短路诊断主要判断传感器信号值是否在标定的上下边界值范围内，故障主要是传感器开路和短路;合理性诊断，在某些情况下传感器的输出值虽然在标定的上下边界值范围内，但与当前的发动机工况及其他传感器信号值不匹配，在这种情况下对传感器的诊断称之为合理性诊断。

3.1.1 NOx传感器诊断诊断策略  氮氧传感器通过CAN通讯与ACU进行通讯，包括ACU或EECU释放加热信号给NOx传感器及NOx传感器发送PPM值、氧气浓度给后处理系统（图2）。

NOx传感器的可信度检查：NOx传感器可信度检查为信号变化范围不合理的检查，主要检查NOx传感器信号是否可信，也可以防止使用虚假NOx传感器。（图3）。

3.1.2 尿素液位传感器的诊断  尿素液位传感器合理性监控通过比较一定累积喷射量情况下，通过尿素液位传感器测量到的尿素消耗量与SCR系统理论喷射量的偏差。当偏差超过一定的范围，则认为尿素液位传感器信号不可信（图4）。

3.2 执行器故障诊断策略  在控制系统中，执行器通过接收ACU控制信号执行相应的命令，但执行结果并没有反馈信息。故对执行器的监测分为两种情况：一是通过添加额外硬件反馈信号直接监测;另外一种是通过关联的传感器信号来间接监测反馈执行器的工作状态。

3.2.1 尿素计量泵的诊断策略  OBD系统对计量泵驱动电路的电气连接故障进行持续循环地检测，故障包括短路、开路障。错误检测是在ACU内部进行，诊断系统对故障检测进行评估并进行故障处理。在上电的情况下驱动电路进行对地短路故障的检测：监测驱动电路实际输出电流，如果高于最高限值，则检测到对地短路故障;然后系统诊断系统对故障进行处理。上电的情况下驱动电路还对开路故障进行检测：检测实际输出电压，如果电压在预定的范围内，则检测出开路故障;然后系统诊断系统对故障进行处理（图5）。

3.2.2 空气阀的诊断策略  OBD系统对尿素泵空气阀驱动电路的电气连接故障进行持续循环地检测，故障包括开路、短路故障。

故障检测是在ACU内部进行，诊断函数对错误检测结果进行评估并进行故障处理。

在上电的情况下驱动电路进行对地短路故障的检测：检测驱动电路实际输出电流，如果高于最高限值，则检测到对地短路故障;然后系统诊断系统对故障进行处理。

上电的情况下驱动电路还对开路故障进行检测：检测实际输出电压，如果电压在预定的范围内，则检测出开路故障;然后系统诊断系统对故障进行处理（图6）。

3.3 CAN总线通讯故障诊断策略

CAN总线工作是非常稳定的，低概率会出现CAN故障，当出现CAN故障，ACU将会接收不到相关信号。由于整车运行的颠簸振动，需要考虑可能出现的屏蔽层损坏或导线的绝缘层破损的故障、电线的接头触点及短路故障。

当CAN总线无故障的状态下，其他电控器件发生与CAN总线通讯中断故障。如：发动机EECU、NOx传感器、尿素喷射控制器ACU等会持续的发送各自的报文数据到CAN总线上，OBD系统会连续的监控接收这些报文，若在诊断时间内，OBD系统始终未接收到某一部件的报文数据，则判定CAN通讯故障（图7）。

4  结论

①随着排放法规的日益严格，保证排放系统的正常工作，车载诊断系统是不可或缺的组成部分，它实时监控柴油机的运行工况及后处理系统的工作状态，当发现有可能引起尾气排放超标的情况，会进行警示提醒。

②SCR系统 对NOx排放的有效手段，本文详细介绍SCR系统相关故障诊断策略及流程，采用以上诊断策略，在SCR系统出现以上故障时，能够准确报出故障，及时提醒车辆使用者及时维护，保证SCR系统的正常工作。

参考文献：

[1]环境保护部.HJ 437-2008车用压燃式、气体燃料点燃式发动与汽车车载诊断（OBD）系统技术要求.中国环境科学出版社，2008.

[2]陈凌云.重型柴油机SCR系统控制策略及其故障诊断功能研究[D].江苏大学，2013.

[3]蔡永祥，金华标，喻方平.基于SCR控制器的国Ⅳ柴油机OBD系统设计[J].车用发动机，2010（1）.