樊永勝 倪驍驊 蔣家鑫 施輝武 張淼

摘 要：隨著排放法規(guī)的越來越嚴格，SCR系統(tǒng)在電控柴油機排放后處理中的應(yīng)用越來越廣泛。同時，CAN總線作為目前唯一有國際標準的現(xiàn)場總線，與其它通信總線相比，其數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，在機械自動化控制等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。本文以SAE J1939協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合SCR系統(tǒng)的閉環(huán)控制策略，通過具體的電控柴油機臺架試驗，研究柴油機電控單元與后處理SCR系統(tǒng)之間的CAN總線通訊機制。

關(guān)鍵詞：電控柴油機;SCR系統(tǒng);J1939協(xié)議;CAN總線

SCR技術(shù)作為一種高效的柴油機尾氣后處理技術(shù)，可高效降低因燃燒優(yōu)化而升高的NOx排放[1]。SCR系統(tǒng)要和柴油機電控系統(tǒng)進行通訊匹配需要總線的支持。CAN總線是由BOSCH公司推出一種現(xiàn)場總線，主要應(yīng)用于汽車內(nèi)部檢測以及控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信[2]。SAE J1939協(xié)議由美國SAE制定，并將CAN2.0B標準作為網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議，將CAN總線數(shù)據(jù)幀進行封裝的同時，明確規(guī)定了汽車內(nèi)部各ECU的名稱、地址、通訊協(xié)議、優(yōu)先級等，還使用多路復(fù)用技術(shù)為車輛各傳感器、執(zhí)行器和控制器提供建立在CAN總線基礎(chǔ)上的標準化高速網(wǎng)絡(luò)連接，能在不同的ECU間實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)共享，提高車輛電控系統(tǒng)的靈活性、可靠性、可維護性[3]。

本文試驗系統(tǒng)將CAN總線作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊媒介以及J1939協(xié)議作為系統(tǒng)的通訊協(xié)議;對已經(jīng)完善匹配的電控柴油機及SCR系統(tǒng)的CAN總線通訊數(shù)據(jù)進行采集，分析系統(tǒng)中各節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞和響應(yīng)規(guī)律，為進一步研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SCR控制系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備

本文采用的試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電控柴油機（滿足SAE J1939協(xié)議）、催化器（包含催化器入口溫度傳感器、催化器出口溫度傳感器）、定量給料單元、噴嘴、添藍罐（包含添藍溫度傳感器、添藍液位傳感器、添藍過濾器）、壓縮空氣調(diào)節(jié)閥、壓縮空氣濾清器、冷卻液電磁閥、線束、管路以及用于CAN總線數(shù)據(jù)采集的USBCAN II調(diào)試器和PC機。

1.2 試驗過程

正常工作狀態(tài)：將系統(tǒng)接通電源，打開OBD故障診斷開關(guān)，通過故障指示燈讀取系統(tǒng)故障。排除所有影響系統(tǒng)正常運行的故障后關(guān)閉電源和OBD故障診斷開關(guān)重新接通系統(tǒng)電源。同時，PC機通過USBCAN II調(diào)試器開始實時采集CAN通訊數(shù)據(jù)。通過測功機啟動柴油機，經(jīng)怠速穩(wěn)定5分鐘后開始逐步升高轉(zhuǎn)速和扭矩至標定轉(zhuǎn)速和扭矩（2500rpm和470Nm）。柴油機保持標定轉(zhuǎn)速和扭矩運行直至SCR系統(tǒng)開始向尾氣中噴射添藍，保持整個系統(tǒng)正常運行30分鐘后停止實驗。

系統(tǒng)發(fā)生故障狀態(tài)：通過人為制造某一特定的影響SCR系統(tǒng)正常工作的故障，本實驗中將催化器進出口溫度傳感器從催化器上拔出置于空氣中。關(guān)閉OBD故障診斷開關(guān)將系統(tǒng)上電后，啟動柴油機，同樣經(jīng)怠速穩(wěn)定5分鐘后開始嘗試升高轉(zhuǎn)速和扭矩至實驗工況，但轉(zhuǎn)速和扭矩的上升得到限制，無法上升至標定工況，柴油機保持低速低扭矩運行。試驗中定量給料單元一直沒有正常工作。PC機記錄從系統(tǒng)上電至實驗結(jié)束時的CAN總線通訊數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地址信息

在報文路由中，CAN2.0B沒有使用節(jié)點地址，而是對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。J1939網(wǎng)絡(luò)的定義中使用了節(jié)點地址，以防止多個節(jié)點使用同一個CAN標識符。本實驗中的SCR系統(tǒng)的中央控制模塊DCU已經(jīng)與柴油機ECU整合在一起，在CAN總線上的節(jié)點地址為0x0。SCR系統(tǒng)的定量給料單元和氮氧化物傳感器為CAN總線上的兩個節(jié)點：定量給料單元的節(jié)點地址為0x3D，氮氧化物傳感器的節(jié)點地址為0x52。

2.2 報文格式

實驗中各節(jié)點用J1939報文數(shù)據(jù)域收發(fā)的原始數(shù)據(jù)并不是直觀的物理數(shù)據(jù)，而是需要先將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制，然后按照“實際物理數(shù)值=原始總線傳輸數(shù)值×比例系數(shù)+偏移量”的公式將其換算成直觀的物理數(shù)據(jù)。表1是實驗中實時采集的發(fā)動機溫度信息，PDU格式（PF）和特定PDU（PS）組成一個參數(shù)組編號（PGN），用來指示一組發(fā)動機運行或控制參數(shù)，便于節(jié)點進行識別管理和程序控制。表2所示數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域，按照J1939協(xié)議應(yīng)用層標準的報文解釋規(guī)則，第1字節(jié)表示發(fā)動機冷卻液溫度，比例系數(shù)為1℃/bit，偏移量為-40℃。因此，冷卻液溫度為：（72）16→（114）10→114×1-40=74℃。

2.3 系統(tǒng)閉環(huán)通訊

整個系統(tǒng)正常工作時，SCR控制單元的輸入量包括柴油機機轉(zhuǎn)速、油門位置信號，添藍罐溫度、液位，催化器進出口溫度，氮氧化物傳感器采集的NOx濃度信號[4]。SCR控制單元的輸出量包括：催化劑供給量，冷啟動尿素溫度加熱電磁閥。其中催化器進出口溫度信號的采集以及冷啟動尿素溫度加熱電磁閥的控制并不在CAN總線上進行通訊。系統(tǒng)上電以后，定量給料單元和氮氧化物傳感器兩個節(jié)點將向總線上發(fā)送PGN為65242（0x00FEDA）的軟件應(yīng)答請求幀，請求SCR控制單元識別，SCR控制單元識別成功將通過CAN總線的應(yīng)答機制，向總線上目標節(jié)點發(fā)送1個顯性位作為應(yīng)答，來完成通訊準備。按SCR系統(tǒng)輸入和輸出信息分類，SCR控制單元的輸入幀消息由表2所示。

2.4 故障診斷代碼與多幀傳輸

對于采用J1939協(xié)議的電控柴油機及SCR系統(tǒng)，對部件進行編碼是按DTC編號的，DTC是標準化的診斷故障代碼，同時含有部件號辨別號SPN、故障模式FMI、可疑參數(shù)編號的轉(zhuǎn)化方式CM和故障發(fā)生次數(shù)OC。DTC具體由4個字節(jié)組成，故障代碼DTC的傳送采用激活的故障診斷代碼DM1信息體，其PGN參數(shù)組編號為65226（0x00FECA）。當(dāng)CAN總線上一個DM1參數(shù)組不能包含全部的DTC時，這個參數(shù)組將會要求使用多幀傳輸參數(shù)組。J1939的多幀傳輸是在連接管理報文的協(xié)調(diào)下進行多幀傳輸。由于長度大于8字節(jié)的報文無法用單個CAN數(shù)據(jù)幀來裝載，因此必須被拆分為若干個小的數(shù)據(jù)包，然后使用單個的數(shù)據(jù)幀對其進行逐一傳送。接收方必須能夠接收這些單個的數(shù)據(jù)幀，然后解析各個數(shù)據(jù)包并重組成原始的信息。CAN數(shù)據(jù)幀包含一個8字節(jié)的數(shù)據(jù)域。由于組成長信息的單個數(shù)據(jù)包必須能被識別出來以便正確重組，因此把數(shù)據(jù)域的首字節(jié)定義為數(shù)據(jù)包的序列編號。每個數(shù)據(jù)包都會被分配一個從1到255的序列編號。因此，多幀傳輸最大的數(shù)據(jù)長度是255包×7字節(jié)/包=1785個字節(jié)。連接管理報文不同功能的實現(xiàn)依賴于其數(shù)據(jù)域中第1字節(jié)控制字的值，根據(jù)系統(tǒng)的控制策略，節(jié)點適時使用相應(yīng)功能的連接管理報文來進行數(shù)據(jù)傳輸控制。當(dāng)某節(jié)點向總線上發(fā)送連接管理報文幀時，總線上相應(yīng)的支持識別該PGN號的節(jié)點就開始準備接受相應(yīng)的多幀報文，從第一幀到最后一幀，直到所有這些信息包陸續(xù)到達它們的目的節(jié)點，它們才可以被重組并解譯，用來裝載多幀消息的報文是PGN為60160（0x00EB00）的數(shù)據(jù)傳輸報文。

系統(tǒng)非正常運行后打開故障診斷開關(guān)，通過閃碼診斷共監(jiān)測到三個閃碼故障信號分別為3144、3147和3151，查閱相應(yīng)的故障碼表可知三個故障分別為SCR催化劑進出口溫度傳感器溫差超過一個限定值，SCR催化劑出口溫度傳感器信號小于檻值和SCR催化劑出口溫升時間小于檻值。同時，在SCR系統(tǒng)的故障診斷方面，目前已實現(xiàn)的故障診斷功能包括兩部分，一是計量泵故障：由計量泵自行診斷，通過CAN總線上的狀態(tài)信息幀發(fā)送出來;二是各傳感器故障：由ECU進行檢測診斷，將故障診斷信息通過CAN總線發(fā)送出來。通過采集實驗中發(fā)動機CAN總線上的通訊數(shù)據(jù)可知：系統(tǒng)非正常運行時ECU采用多幀傳輸機制不斷廣播報告現(xiàn)行故障。表3為系統(tǒng)發(fā)生故障時所得到的故障診斷信息。

兩個數(shù)據(jù)幀中的信息經(jīng)整合后為50 FF 08 11 02 03 0B 11 04 03 BA 12 1F 05，其中第1字節(jié)值為5016→01010000，表示紅停指示燈和故障指示燈亮，報警和保護燈滅。第2字節(jié)FF為保留位。之后12個字節(jié)組成三個故障代碼，每4個字節(jié)組成一個故障代碼：08 11 02 03→0000 1000 0001 0001 0000 0010 0000 0011。其中前19位為故障代碼的SPN，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)解釋規(guī)則：0000 1000 0001 0001 000→000 0001 0001 0000 1000→436010;之后的5位表示故障代碼的FMI：0 0010→210;之后1位為可疑參數(shù)編號的轉(zhuǎn)化方式CM：0;最后7位為故障的發(fā)生次數(shù)OC：000 0011→310。即該故障的SPN為4360，F(xiàn)MI為2。據(jù)此查表即可知故障信息，為SCR催化劑進出口溫度傳感器溫差超過一個限定值。經(jīng)同樣計算得兩個故障的SPN和FMI分別為4363、4和4794、31。查表可知，與閃碼報告的故障信息完全吻合。這三個故障均為立即限制扭矩的系統(tǒng)嚴重故障，進而出現(xiàn)試驗中柴油機扭矩和轉(zhuǎn)速的上升受到限制的情況。

3 結(jié)論

本文詳細研究了柴油機后處理SCR系統(tǒng)的控制中應(yīng)用的J1939通訊協(xié)議，對整個系統(tǒng)的CAN通訊技術(shù)進行了深入的探討，通過對實驗中CAN總線上報文的傳輸格式和方式的研究，并結(jié)合SCR系統(tǒng)的閉環(huán)控制策略，加深了對基于J1939協(xié)議的柴油機及SCR系統(tǒng)工作過程具體實現(xiàn)情況的理解。通過實驗實現(xiàn)了對柴油機及其后處理SCR系統(tǒng)的CAN通訊機制的更加深入的解析。

參考文獻

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