汽油機(jī)國六OBD標(biāo)定方法的研究

王宜非

摘要：根據(jù)GB18352.6_2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》法規(guī)要求，基于汽油機(jī)整車的車載診斷系統(tǒng)（OBD）介紹了失火診斷系統(tǒng)、氧傳感器系統(tǒng)、催化器系統(tǒng)的診斷原理和標(biāo)定方法。

關(guān)鍵詞：OBD;標(biāo)定;失火;氧傳感器;催化器

引言

車載診斷系統(tǒng)（OnBoardDiagnostics，OBD）是發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)（EngineManagement-System，EMS）的重要組成部分，用于排放控制系統(tǒng)相關(guān)故障的監(jiān)測。當(dāng)其監(jiān)測到與排放相關(guān)的任何傳感器、執(zhí)行器或部件發(fā)生故障時，OBD系統(tǒng)應(yīng)能正確判別其故障，并將當(dāng)前循環(huán)的未決故障及下一個循環(huán)的確認(rèn)故障存儲在發(fā)動機(jī)控制單元（ElectronicControlUnit，ECU）中。在存儲確認(rèn)故障的同時點亮車載儀表的故障指示燈（MalfunctionIndicatorLamp，MIL），以此對駕駛員進(jìn)行提醒使其安全駕駛和及時處置出現(xiàn)的故障。為滿足國標(biāo)第六階段關(guān)于OBD診斷的要求，整車廠家或者電控單元供應(yīng)商需針對汽油機(jī)和整車配置的傳感器、執(zhí)行器以及排放相關(guān)零件進(jìn)行OBD匹配標(biāo)定，使其滿足OBD法規(guī)和主機(jī)廠開發(fā)需求。OBD如何有效且合理的工作需要通過標(biāo)定，其主要目的是當(dāng)車輛有故障時如何準(zhǔn)確判斷排放已經(jīng)超標(biāo)。避免車輛已經(jīng)超過排放閾值仍然在駕駛，同時也需要避免未達(dá)到排放閾值時OBD誤報警造成不必要的維修[1]。這部分的工作需要針對每一個故障結(jié)合法規(guī)中的Ⅰ型試驗和OBD系統(tǒng)試驗進(jìn)行標(biāo)定。本文基于某型2.0TGDI汽油機(jī)和德爾福電控系統(tǒng)對OBD公告認(rèn)證項中的失火檢測診斷、氧傳感器劣化診斷、催化器診斷的診斷原理和標(biāo)定方法進(jìn)行介紹，并對標(biāo)定中出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究。

1標(biāo)定前準(zhǔn)備

OBD診斷的大部分標(biāo)定工作需基于新鮮后處理排放和老化后處理排放合格及數(shù)據(jù)固化后進(jìn)行，老化排放合格的要求是原則是不超過但是接近法規(guī)要求的Ⅰ型試驗排放閾值（第一類車：國六b標(biāo)準(zhǔn)為一氧化碳（CO）0.5g/km、非甲烷碳?xì)洌∟MHC）0.05g/km，碳?xì)浠衔铮═HC）0.05g/km，氮氧化合物 （Nox）0.035g/km，微粒物排放量（PM）0.003g/km，顆粒數(shù)量（PN）6.0×1011），最佳狀態(tài)為排放閾值的80%-90%之間，最好不要超過100%。主要通過排放I型試驗結(jié)果來標(biāo)定各系統(tǒng)診斷閾值的大小。其中氧傳感器診斷、失火診斷及其他排放相關(guān)零部件的診斷標(biāo)定需在均在裝有合格老化后處理（老化后處理為整車20萬公里耐久試驗后的后處理，且Ⅰ型排放滿足要求）的車輛上進(jìn)行。催化器診斷是在裝有臨近后處理的整車上進(jìn)行，臨界后處理為失效后處理，排放結(jié)果滿足OBD法規(guī)限值的80%-90%（第一類車國六b法規(guī)OBD閾值標(biāo)準(zhǔn)為一氧化碳（CO）1.9g/km、非甲烷碳?xì)洌∟MHC）+碳?xì)浠衔铮═HC）0.260g/km，微粒物排放量（PM）0.012g/km）[2]。本文中的老化后處理（前TWC1000℃10h，后cGPF980℃10h）和臨界后處理（前TWC1200℃30h，后cGPF1200℃30h）均采用后處理供應(yīng)商提供的爐子老化方法制備，

2失火診斷標(biāo)定

失火檢測通過評估來自曲軸飛輪信號的發(fā)動機(jī)速度波動來判斷是否發(fā)生了失火。以四缸機(jī)為例，正常情況下每缸燃燒產(chǎn)生的扭矩對曲軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動作用按照曲軸轉(zhuǎn)角劃分為180度。如下圖所示

在無失火發(fā)生時，曲軸轉(zhuǎn)過對應(yīng)的180度所用的時間（分段時間）應(yīng)該相同。分段時間對應(yīng)于兩次點火之間的間隔。在某缸發(fā)生失火的時候，對應(yīng)的分段時間會明顯延長。通過監(jiān)測分段時間的變化可以判斷是否發(fā)生了失火。

根據(jù)連續(xù)幾個分段時間可以計算出評價發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動的指標(biāo)，即發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)不平度，它反映了轉(zhuǎn)速的加速度。

當(dāng)某一缸發(fā)生失火時曲軸旋轉(zhuǎn)速度會降低，系統(tǒng)通過監(jiān)測曲軸旋轉(zhuǎn)速度的變化來判定是否有失火發(fā)生，系統(tǒng)會根據(jù)曲軸旋轉(zhuǎn)的加速度實時計算失火index值，如果發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，計算得到的index較小，曲軸旋轉(zhuǎn)速度突然降低，會計算得到一個較大的index值，如果index超過標(biāo)定的限值，則認(rèn)為發(fā)生了失火

由于在不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷點處發(fā)生失火的時候，發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)不平度的大小也不同，因此判斷失火的閥值也不同。所以失火診斷的標(biāo)定必須覆蓋整個檢測區(qū)域。

3氧傳感器劣化診斷標(biāo)定

氧傳感器是汽油機(jī)燃油閉環(huán)控制的重要一環(huán)，氧傳感器響應(yīng)的及時性和時效性是空燃比控制的關(guān)鍵，直接影響著排放的好壞，因此發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)需時刻監(jiān)測氧傳感器的信號，以防止因為氧傳感器信號的惡化而導(dǎo)致排放的超標(biāo)。同時能準(zhǔn)確及時的識別出氧傳感器劣化造成的排放相關(guān)的故障。氧傳感器診斷功能包括：前后氧傳感器線路故障檢測，前后氧傳感器老化檢測，前后氧傳感器加熱功能檢測。本文主要對前氧傳感器的老化診斷標(biāo)定進(jìn)行介紹，前氧傳感器劣化診斷分為響應(yīng)延遲和響應(yīng)延緩，氧傳感器響應(yīng)延遲的劣化方式是對氧信號響應(yīng)的一種延遲，它并不改變氧信號濃稀轉(zhuǎn)變的時間，改變的是氧信號保持在濃（?。┑臅r間。下圖中前氧信號保持濃狀態(tài)的時間明顯大于保持在稀的時間。

與響應(yīng)延遲的劣化方式不同，前氧傳感器信號響應(yīng)延緩的劣化方式是改變氧信號濃稀轉(zhuǎn)換的時間。如下圖：

響應(yīng)延遲標(biāo)定方法：使用前氧傳感器模擬器造前氧傳感器延遲用于模擬前氧傳感器延遲故障（比如設(shè)置前氧延遲0.8s，該值一般為經(jīng)驗值），車輛冷起動運行WLTC工況并測排放，采集前氧傳感器停留在濃區(qū)以及稀區(qū)的平均時間，根據(jù)排放結(jié)果（對比OBD閾值，使其排放結(jié)果滿足OBD閾值的80%-90%），更改響應(yīng)延遲時間重復(fù)標(biāo)定過程，直至排放結(jié)果滿足要求并設(shè)置合理的診斷閾值。

響應(yīng)延緩標(biāo)定方法：前氧傳感器模擬器設(shè)置響應(yīng)延遲系數(shù)（比如設(shè)置0.07，該值為經(jīng)驗值）造前氧傳感器響應(yīng)延緩故障。車輛冷起動運行WLTC工況并測排放，采集前氧傳感器電流由稀到濃與由濃到稀平均時間、根據(jù)采集的電流由稀到濃與由濃到稀平均時間及排放結(jié)果優(yōu)化診斷閾值。優(yōu)化后的閾值見下表：

以上標(biāo)定工作較繁瑣，且耗時較大，需根據(jù)經(jīng)驗來設(shè)置前氧傳感器模擬器的響應(yīng)參數(shù)，并結(jié)合排放結(jié)果來優(yōu)化閾值，否則會造成標(biāo)定資源浪費及標(biāo)定閾值不夠精細(xì)。

4臨界催化器標(biāo)定

德爾福電控系統(tǒng)診斷方法：基于檢測催化器的儲氧能力（OSC）;需要在催化器上、下游各安裝一個氧傳感器，通過比較上游和下游氧傳感器的輸出值，EOBD系統(tǒng)從而探測催化器的轉(zhuǎn)換效率;德爾福的診斷方法是在怠速工況下，改變空燃比（減稀、加濃），觀測下游氧傳感器對空燃比的反應(yīng)時間。如時間過短，則轉(zhuǎn)換器已喪失儲氧能力。

診斷過程標(biāo)定：催化器診斷閾值的標(biāo)定前需打開催化器診斷的作動條件，保證催化器診斷只在熱機(jī)穩(wěn)態(tài)怠速工況下進(jìn)行，檢查一下監(jiān)測量：發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時間、怠速轉(zhuǎn)速、水溫、進(jìn)氣溫度、催化器溫度、進(jìn)氣流量等。所有條件均滿足設(shè)定的作動條件。催化器診斷能夠在每次怠速只做一次診斷，通過兩個階段的作動來計算出儲氧時間（第一階段——空燃比減稀，給催化器充氧;第二階段——空燃比加濃，測量儲氧時間）。

診斷閾值標(biāo)定：在裝有合格后臨界后處理（儲氧時間小于2s，排放結(jié)果滿足OBD閾值要求）路試多次測儲氧時間，待儲氧時間穩(wěn)定后上整車轉(zhuǎn)轂進(jìn)行WLTC循環(huán)工況測試，調(diào)整優(yōu)化診斷作動條件使其在每個駕駛循環(huán)完成兩次診斷，根據(jù)測試到的儲氧時間優(yōu)化診斷閾值，使其兩個駕駛循環(huán)后報出故障并點亮MIL燈，該過程需反復(fù)測試優(yōu)化標(biāo)定閾值，直至診斷作動條件滿足診斷需求，閾值設(shè)定合理，排放結(jié)果滿足法規(guī)需求。

5標(biāo)定遇到的問題

問題描述：催化器診斷是通過空燃比的減稀加濃來計算儲氧時間的，其中空燃比變化速率的標(biāo)定是最容易出現(xiàn)問題的部分?？杖急茸兓俾蕵?biāo)定過大容易造成發(fā)動機(jī)怠速波動，造成怠速儲氧時間計算失敗;空燃比變化速率標(biāo)定過小，雖然發(fā)動機(jī)怠速穩(wěn)定，但又容易使空燃比爬升的時間太長，會延長ICMD診斷試驗所需時間，也會造成怠速儲氧時間計算失敗。根據(jù)經(jīng)驗：通?？杖急扰郎龝r間不宜超過200ms?？杖急茸兓市枳裱韵鹿剑?/p>

空燃比變化幅度=空燃比爬升時間/空燃比變化速率×1.56ms.

解決方法：關(guān)閉所有附件使發(fā)動機(jī)怠速進(jìn)氣流量最小，調(diào)整空燃比變化速率進(jìn)行ICMD診斷試驗，評估診斷試驗從第一階段變化到第二階段時發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速波動。在轉(zhuǎn)速波動可接受的前提下盡量取空燃比變化速率的較大值。

6結(jié)束語

本文根據(jù)法規(guī)需求并結(jié)合工作經(jīng)驗，總結(jié)了催化器、失火和前氧響應(yīng)的診斷原理及基本標(biāo)定方法，并就具體遇到的標(biāo)定問題進(jìn)行經(jīng)驗分析并提出具體的解決方法。

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