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(lái)越嚴(yán)格，SCR系統(tǒng)在電控柴油機(jī)排放后處理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。同時(shí)，CAN總線作為目前唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)性和靈活性，在機(jī)械自動(dòng)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(guò)具體的電控柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，研究柴油機(jī)電控單元與后處理SCR系統(tǒng)之間的CAN總線通訊機(jī)制。

關(guān)鍵詞：電控柴油機(jī);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(jī)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(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)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(chǎng)總線，主要應(yīng)用于汽車內(nèi)部檢測(cè)以及控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信[2]。SAE J1939協(xié)議由美國(guó)SAE制定，并將CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)作為網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議，將CAN總線數(shù)據(jù)幀進(jìn)行封裝的同時(shí)，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(jí)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(biāo)準(zhǔn)化高速網(wǎng)絡(luò)連接，能在不同的ECU間實(shí)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(hù)性[3]。

本文試驗(yàn)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(duì)已經(jīng)完善匹配的電控柴油機(jī)及SCR系統(tǒng)的CAN總線通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞和響應(yīng)規(guī)律，為進(jìn)一步研發(fā)具有自主知識(shí)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(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用的試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電控柴油機(jī)（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(lán)罐（包含添藍(lán)溫度傳感器、添藍(lán)液位傳感器、添藍(lán)過(guò)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(jī)。

1.2 試驗(yàn)過(guò)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(guò)故障指示燈讀取系統(tǒng)故障。排除所有影響系統(tǒng)正常運(yùn)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(shí)，PC機(jī)通過(guò)USBCAN II調(diào)試器開始實(shí)時(shí)采集CAN通訊數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)功機(jī)啟動(dòng)柴油機(jī)，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(biāo)定轉(zhuǎn)速和扭矩（2500rpm和470Nm）。柴油機(jī)保持標(biāo)定轉(zhuǎn)速和扭矩運(yùn)行直至SCR系統(tǒng)開始向尾氣中噴射添藍(lán)，保持整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行30分鐘后停止實(shí)驗(yàn)。

系統(tǒng)發(fā)生故障狀態(tài)：通過(guò)人為制造某一特定的影響SCR系統(tǒng)正常工作的故障，本實(shí)驗(yàn)中將催化器進(jìn)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(dòng)柴油機(jī)，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(shí)驗(yàn)工況，但轉(zhuǎn)速和扭矩的上升得到限制，無(wú)法上升至標(biāo)定工況，柴油機(jī)保持低速低扭矩運(yùn)行。試驗(yàn)中定量給料單元一直沒有正常工作。PC機(jī)記錄從系統(tǒng)上電至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(bào)文路由中，CAN2.0B沒有使用節(jié)點(diǎn)地址，而是對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。J1939網(wǎng)絡(luò)的定義中使用了節(jié)點(diǎn)地址，以防止多個(gè)節(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)CAN標(biāo)識(shí)符。本實(shí)驗(yàn)中的SCR系統(tǒng)的中央控制模塊DCU已經(jīng)與柴油機(jī)ECU整合在一起，在CAN總線上的節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)：定量給料單元的節(jié)點(diǎn)地址為0x3D，氮氧化物傳感器的節(jié)點(diǎn)地址為0x52。

2.2 報(bào)文格式

實(shí)驗(yàn)中各節(jié)點(diǎn)用J1939報(bào)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(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，然后按照“實(shí)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(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)采集的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信息，PDU格式（PF）和特定PDU（PS）組成一個(gè)參數(shù)組編號(hào)（PGN），用來(lái)指示一組發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行或控制參數(shù)，便于節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)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J(rèn)1939協(xié)議應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文解釋規(guī)則，第1字節(jié)表示發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)系統(tǒng)正常工作時(shí)，SCR控制單元的輸入量包括柴油機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門位置信號(hào)，添藍(lán)罐溫度、液位，催化器進(jìn)出口溫度，氮氧化物傳感器采集的NOx濃度信號(hào)[4]。SCR控制單元的輸出量包括：催化劑供給量，冷啟動(dòng)尿素溫度加熱電磁閥。其中催化器進(jìn)出口溫度信號(hào)的采集以及冷啟動(dòng)尿素溫度加熱電磁閥的控制并不在CAN總線上進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)將向總線上發(fā)送PGN為65242（0x00FEDA）的軟件應(yīng)答請(qǐng)求幀，請(qǐng)求SCR控制單元識(shí)別，SCR控制單元識(shí)別成功將通過(guò)CAN總線的應(yīng)答機(jī)制，向總線上目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送1個(gè)顯性位作為應(yīng)答，來(lái)完成通訊準(zhǔn)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(duì)于采用J1939協(xié)議的電控柴油機(jī)及SCR系統(tǒng)，對(duì)部件進(jìn)行編碼是按DTC編號(hào)的，DTC是標(biāo)準(zhǔn)化的診斷故障代碼，同時(shí)含有部件號(hào)辨別號(hào)SPN、故障模式FMI、可疑參數(shù)編號(hào)的轉(zhuǎn)化方式CM和故障發(fā)生次數(shù)OC。DTC具體由4個(gè)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(hào)為65226（0x00FECA）。當(dāng)CAN總線上一個(gè)DM1參數(shù)組不能包含全部的DTC時(shí)，這個(gè)參數(shù)組將會(huì)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(bào)文的協(xié)調(diào)下進(jìn)行多幀傳輸。由于長(zhǎng)度大于8字節(jié)的報(bào)文無(wú)法用單個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀來(lái)裝載，因此必須被拆分為若干個(gè)小的數(shù)據(jù)包，然后使用單個(gè)的數(shù)據(jù)幀對(duì)其進(jìn)行逐一傳送。接收方必須能夠接收這些單個(gè)的數(shù)據(jù)幀，然后解析各個(gè)數(shù)據(jù)包并重組成原始的信息。CAN數(shù)據(jù)幀包含一個(gè)8字節(jié)的數(shù)據(jù)域。由于組成長(zhǎng)信息的單個(gè)數(shù)據(jù)包必須能被識(shí)別出來(lái)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(hào)。每個(gè)數(shù)據(jù)包都會(huì)被分配一個(gè)從1到255的序列編號(hào)。因此，多幀傳輸最大的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是255包×7字節(jié)/包=1785個(gè)字節(jié)。連接管理報(bào)文不同功能的實(shí)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(diǎn)適時(shí)使用相應(yīng)功能的連接管理報(bào)文來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸控制。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送連接管理報(bào)文幀時(shí)，總線上相應(yīng)的支持識(shí)別該P(yáng)GN號(hào)的節(jié)點(diǎn)就開始準(zhǔn)備接受相應(yīng)的多幀報(bào)文，從第一幀到最后一幀，直到所有這些信息包陸續(xù)到達(dá)它們的目的節(jié)點(diǎn)，它們才可以被重組并解譯，用來(lái)裝載多幀消息的報(bào)文是PGN為60160（0x00EB00）的數(shù)據(jù)傳輸報(bào)文。

系統(tǒng)非正常運(yùn)行后打開故障診斷開關(guān)，通過(guò)閃碼診斷共監(jiān)測(cè)到三個(gè)閃碼故障信號(hào)分別為3144、3147和3151，查閱相應(yīng)的故障碼表可知三個(gè)故障分別為SCR催化劑進(jìn)出口溫度傳感器溫差超過(guò)一個(gè)限定值，SCR催化劑出口溫度傳感器信號(hào)小于檻值和SCR催化劑出口溫升時(shí)間小于檻值。同時(shí)，在SCR系統(tǒng)的故障診斷方面，目前已實(shí)現(xiàn)的故障診斷功能包括兩部分，一是計(jì)量泵故障：由計(jì)量泵自行診斷，通過(guò)CAN總線上的狀態(tài)信息幀發(fā)送出來(lái);二是各傳感器故障：由ECU進(jìn)行檢測(cè)診斷，將故障診斷信息通過(guò)CAN總線發(fā)送出來(lái)。通過(guò)采集實(shí)驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)CAN總線上的通訊數(shù)據(jù)可知：系統(tǒng)非正常運(yùn)行時(shí)ECU采用多幀傳輸機(jī)制不斷廣播報(bào)告現(xiàn)行故障。表3為系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)所得到的故障診斷信息。

兩個(gè)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(bào)警和保護(hù)燈滅。第2字節(jié)FF為保留位。之后12個(gè)字節(jié)組成三個(gè)故障代碼，每4個(gè)字節(jié)組成一個(gè)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(hào)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(jìn)出口溫度傳感器溫差超過(guò)一個(gè)限定值。經(jīng)同樣計(jì)算得兩個(gè)故障的SPN和FMI分別為4363、4和4794、31。查表可知，與閃碼報(bào)告的故障信息完全吻合。這三個(gè)故障均為立即限制扭矩的系統(tǒng)嚴(yán)重故障，進(jìn)而出現(xiàn)試驗(yàn)中柴油機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的上升受到限制的情況。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)研究了柴油機(jī)后處理SCR系統(tǒng)的控制中應(yīng)用的J1939通訊協(xié)議，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的CAN通訊技術(shù)進(jìn)行了深入的探討，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中CAN總線上報(bào)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(duì)基于J1939協(xié)議的柴油機(jī)及SCR系統(tǒng)工作過(guò)程具體實(shí)現(xiàn)情況的理解。通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)柴油機(jī)及其后處理SCR系統(tǒng)的CAN通訊機(jī)制的更加深入的解析。

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