國六車載診斷系統(tǒng)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)監(jiān)測離線標(biāo)定技術(shù)應(yīng)用研究

蘇海龍 陳國棟 任亞為 陳國星 王謀舉

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

1 前言

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)監(jiān)測為國六車載診斷（On-Board Diagnostic，OBD）系統(tǒng)新增檢測項，主要包括2 個部分的內(nèi)容：一是對裝有節(jié)溫器的車輛，要求監(jiān)測節(jié)溫器的工作狀態(tài)是否正常；二是要求監(jiān)測發(fā)動機(jī)冷卻液溫度傳感器電路連續(xù)性，以及是否出現(xiàn)數(shù)值超范圍的情況和合理性故障[1]。為滿足國六OBD 系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的監(jiān)測要求，本文基于某發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計2 路水溫監(jiān)測模型：一路是節(jié)溫器故障監(jiān)測模型，用于判斷節(jié)溫器工作狀態(tài)是否正常；另一路是水溫合理性監(jiān)測模型，用于判斷水溫傳感器信號數(shù)值是否合理。為保證OBD 系統(tǒng)的兩路水溫模型盡量在所有符合監(jiān)測條件的工況下都能準(zhǔn)確判斷冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)，需對發(fā)動機(jī)的兩路水溫模型進(jìn)行標(biāo)定，通過優(yōu)化水溫模型的標(biāo)定參數(shù)，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)的判定。

2 診斷原理及標(biāo)定目標(biāo)

標(biāo)定冷卻系統(tǒng)監(jiān)測模型前，需要根據(jù)模型的診斷原理確定標(biāo)定工況和標(biāo)定目標(biāo)，冷卻系統(tǒng)監(jiān)測模型標(biāo)定邏輯如圖1所示。

圖1 水溫模型標(biāo)定邏輯框圖

2.1 診斷原理

通常，車輛冷起動結(jié)束后，為了降低污染物排放量，需要快速暖機(jī)，此時節(jié)溫器應(yīng)保持常閉狀態(tài)，如果節(jié)溫器在常開位置卡住，會導(dǎo)致暖機(jī)時間過長，排放量增加。

本文的故障節(jié)溫器是指處于常開狀態(tài)的節(jié)溫器，節(jié)溫器故障監(jiān)測模型利用常開節(jié)溫器給暖機(jī)時間帶來的影響判斷節(jié)溫器故障。如圖2 所示，從冷起動開始，發(fā)動機(jī)水溫將持續(xù)上升，如果發(fā)動機(jī)實際水溫在首次達(dá)到標(biāo)定閾值1 時高于模型水溫，則節(jié)溫器快速通過判定，如果節(jié)溫器未能快速通過判定，則將T0時刻的實際水溫與圖2 中的標(biāo)定閾值2進(jìn)行比較，若高于閾值2 則通過判定，若低于閾值2則節(jié)溫器故障報警。其中，T0時刻由模型水溫達(dá)到節(jié)溫器工作溫度（本文設(shè)為80 ℃，可標(biāo)定）時刻和最大檢測時間共同決定，閾值1 為暖機(jī)階段的水溫經(jīng)驗值（本文設(shè)為68 ℃，可標(biāo)定），閾值2 為模型和節(jié)溫器故障監(jiān)測的安全閾度常量之差。

圖2 節(jié)溫器故障監(jiān)測原理示意

對于水溫傳感器的信號合理性監(jiān)測，水溫傳感器信號正常條件下，在診斷時刻實際水溫與模型水溫之差應(yīng)在[-A,B]區(qū)間內(nèi)，其中，A為容許的實際水溫低于模型水溫的下限（本文為50 ℃，可標(biāo)定），B為容許的實際水溫高于模型水溫的上限（本文為35 ℃，可標(biāo)定），如果實際水溫與模型水溫偏差超出該區(qū)間，即診斷時刻的實際水溫在如圖3 所示的高、低閾值區(qū)間外，則判定水溫信號不合理。

圖3 水溫合理性監(jiān)測示意

2.2 標(biāo)定工況

為充分發(fā)揮冷卻系統(tǒng)監(jiān)測模型的邏輯策略功能，保證標(biāo)定結(jié)果在不同工況下的延展性，本文選擇怠速、低車速（30 km/h）、中車速（70 km/h）和高車速（130 km/h）4 個代表性車速，-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、15 ℃和40 ℃5 個代表性溫度以及暖風(fēng)開啟、關(guān)閉2種狀態(tài)作為水溫模型的標(biāo)定工況。在怠速、低車速、中車速工況下標(biāo)定后，水溫模型標(biāo)定參數(shù)已趨于成熟，再進(jìn)行高車速下故障節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉和正常節(jié)溫器暖風(fēng)開啟工況測試。

在基于130 km/h 條件下的故障節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉和正常節(jié)溫器暖風(fēng)開啟的實測數(shù)據(jù)完成節(jié)溫器故障監(jiān)測模型標(biāo)定的同時，發(fā)現(xiàn)水溫合理性模型基于此實測數(shù)據(jù)離線仿真未出現(xiàn)合理性故障報警的問題，結(jié)合在怠速、低車速和中車速下優(yōu)化確定的合理性監(jiān)測模型報警閾值分析得出130 km/h 條件下的正常節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉和故障節(jié)溫器暖風(fēng)開啟不會再觸發(fā)水溫合理性故障，因此高車速條件下不需要再進(jìn)行正常節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉和故障節(jié)溫器暖風(fēng)開啟工況的測試，正常節(jié)溫器/故障節(jié)溫器條件下具體標(biāo)定況如表1所示。

表1 冷卻系統(tǒng)監(jiān)測模型典型標(biāo)定工況

2.3 標(biāo)定目標(biāo)

在表1 所示的標(biāo)定工況下，確定冷卻系統(tǒng)模型的標(biāo)定目標(biāo)。通常，同種工況下正常節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉、正常節(jié)溫器暖風(fēng)開啟、故障節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉、故障節(jié)溫器暖風(fēng)開啟條件下的4 條暖機(jī)水溫曲線之間無交叉，如圖4 所示，目標(biāo)是在暖機(jī)階段將節(jié)溫器故障監(jiān)測模型輸出曲線標(biāo)定至低于正常節(jié)溫器暖風(fēng)開啟曲線5~10 ℃，且高于故障節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉曲線，如果正常節(jié)溫器暖風(fēng)開啟的暖機(jī)水溫曲線在故障節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉曲線之下，將節(jié)溫器故障監(jiān)測模型輸出曲線設(shè)置為低于正常節(jié)溫器關(guān)暖風(fēng)曲線5~10 ℃，但須在故障節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉曲線之上。節(jié)溫器監(jiān)測模型的輸出按上述要求強(qiáng)制標(biāo)定后，即可用于監(jiān)測節(jié)溫器狀態(tài)，如果冷起動后暖機(jī)達(dá)到一定時長，實際水溫仍低于模型水溫且低于當(dāng)前工況下的故障判定閾值，即判斷節(jié)溫器故障，如圖5 所示。

圖4 不同節(jié)溫器狀態(tài)水溫曲線示意

圖5 節(jié)溫器故障監(jiān)測模型標(biāo)定曲線示意

本文水溫合理性模型的標(biāo)定目標(biāo)是盡量統(tǒng)一地將模型輸出標(biāo)定在正常節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉、正常節(jié)溫器暖風(fēng)開啟、故障節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉、故障節(jié)溫器暖風(fēng)開啟的4 條暖機(jī)水溫曲線之間，然后根據(jù)曲線偏差確定基于水溫合理性監(jiān)測模型的水溫可信區(qū)間，若實際水溫與模型水溫之差超出此區(qū)間，即判定水溫信號不合理，如圖6所示。

圖6 水溫合理性模型標(biāo)定過程示意

3 標(biāo)定方法選擇

控制器內(nèi)模型類模塊的標(biāo)定方法包括傳統(tǒng)標(biāo)定方法和基于模型的離線標(biāo)定方法。

3.1 傳統(tǒng)標(biāo)定方法

傳統(tǒng)標(biāo)定方法是指利用實車在線標(biāo)定，工作流程如圖7所示，對于每個工況點(diǎn)，標(biāo)定工程師根據(jù)試驗結(jié)果與目標(biāo)的偏差憑借經(jīng)驗調(diào)整標(biāo)定參數(shù)，通過反復(fù)迭代直至模型輸出值滿足要求，此種方法屬于試探性調(diào)參，即使是經(jīng)驗豐富的標(biāo)定工程師，每個工況點(diǎn)一般也需要2次以上的迭代，共需3次以上測試。

圖7 傳統(tǒng)標(biāo)定方法流程

由表1 可以看出，冷卻系統(tǒng)監(jiān)測模型標(biāo)定需進(jìn)行35 個工況點(diǎn)的測試，每個工況點(diǎn)均需測試正常節(jié)溫器和故障節(jié)溫器，按照每個工況點(diǎn)測試3 次計算，共需210 次測試。同時，每次測試后需要將發(fā)動機(jī)水溫冷卻至環(huán)境溫度，因此一天內(nèi)一般只能進(jìn)行3 次測試，完成所有測試至少需要70 天，標(biāo)定成本高、周期長。

3.2 離線標(biāo)定方法

控制器內(nèi)含有許多具備實物傳感器功能特性的模型，在整車開發(fā)期間可以通過標(biāo)定手段提升模型精度，使其能夠?qū)崟r精準(zhǔn)地計算反饋控制器所需的各種信息，但是這類模型通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可標(biāo)定參數(shù)間的耦合性也較強(qiáng)，采用基于實車的傳統(tǒng)標(biāo)定方法優(yōu)化參數(shù)難度較大。

基于模型的離線標(biāo)定方法是控制器內(nèi)具備模型性質(zhì)類模塊的一種高效標(biāo)定方法，主要應(yīng)用于輸入條件完全確定但需反復(fù)優(yōu)化輸出的標(biāo)定模塊。相比傳統(tǒng)標(biāo)定方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省標(biāo)定時間、降低標(biāo)定成本。目前，模型離線標(biāo)定方法已經(jīng)在顆粒捕集器的碳載模型標(biāo)定[2-3]、充氣模型標(biāo)定、排氣溫度模型標(biāo)定以及失火診斷等模塊標(biāo)定中應(yīng)用，并且取得了顯著的效果。

模型離線標(biāo)定方法原理如圖8 所示，首先將控制器內(nèi)的實時模型轉(zhuǎn)移至計算機(jī)，標(biāo)定前每個工況點(diǎn)采集1 次有效實測試驗數(shù)據(jù)，以實測數(shù)據(jù)作為輸入，通過調(diào)試保證離線模型輸出與控制器的實際輸出一致，最后根據(jù)期望輸出調(diào)整標(biāo)定參數(shù)，在計算機(jī)上通過離線模型仿真完成標(biāo)定參數(shù)優(yōu)化，本文冷卻系統(tǒng)監(jiān)測模型采用離線標(biāo)定方法。

圖8 模型離線標(biāo)定方法原理

4 標(biāo)定準(zhǔn)備

標(biāo)定目標(biāo)和標(biāo)定方法確認(rèn)后，需準(zhǔn)備試驗車輛和模型，并完成模型的離線調(diào)試。

4.1 車輛準(zhǔn)備及試驗要求

標(biāo)定冷卻系統(tǒng)監(jiān)測模型首先需要制造故障節(jié)溫器件，將裝有正常節(jié)溫器和故障節(jié)溫器的試驗車分別置于配有底盤測功機(jī)的環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行預(yù)置，當(dāng)試驗車狀態(tài)達(dá)到表1 規(guī)定的試驗條件時對其進(jìn)行測試，對于暖風(fēng)開啟的工況，試驗前將暖風(fēng)開到最大，駕駛車輛在工況點(diǎn)車速附近上下浮動即可（模擬用戶實際道路駕駛），速度可在20~40 km/h、60~80 km/h 范圍內(nèi)浮動。每次試驗都需發(fā)動機(jī)實際水溫達(dá)到當(dāng)前狀態(tài)最高水溫為止，保存試驗記錄。

4.2 模型準(zhǔn)備及調(diào)試

本文應(yīng)用Simulink搭建節(jié)溫器故障監(jiān)測模型和水溫合理性監(jiān)測模型，并進(jìn)行模型調(diào)試，其核心任務(wù)是確保離線仿真結(jié)果與控制器輸出結(jié)果一致。由于發(fā)動機(jī)控制器內(nèi)的運(yùn)算任務(wù)結(jié)構(gòu)形式不同，前者在發(fā)動機(jī)控制器內(nèi)是正常的100 ms 任務(wù)（每隔100 ms模型整體運(yùn)行1次），而后者模型內(nèi)部同時含有發(fā)動機(jī)活塞上止點(diǎn)（Top Dead Center，TDC）計算任務(wù)，即模型不僅每隔100 ms運(yùn)行1次，活塞每次運(yùn)動到上止點(diǎn)，模型內(nèi)部分計算也會被觸發(fā)1 次，圖9所示為水溫合理性監(jiān)測模型的Simulink 邏輯封裝圖，邏輯前半部分Triggered Subsystem 2即為TDC 任務(wù)模塊。

圖9 水溫合理性監(jiān)測模型

水溫合理性監(jiān)測模型中的特殊計算任務(wù)組合決定了在進(jìn)行表1所示的試驗時，2個觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)條件須采用較高的采樣頻率，否則會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)TDC 任務(wù)觸發(fā)事件捕捉不全，且采集記錄中會增加TDC 任務(wù)和100 ms任務(wù)重疊機(jī)率，從而使離線模型計算過程與實際控制器內(nèi)模型計算過程不一致的機(jī)率增加，降低離線模型精度。以初始溫度-10 ℃、車速30 km/h、暖風(fēng)開啟工況為例，分別以10 Hz、100 Hz 和1 000 Hz 采樣頻率進(jìn)行采樣，得到的離線仿真結(jié)果與實際控制器內(nèi)模型輸出對比結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 節(jié)溫器故障監(jiān)測模型離線仿真結(jié)果

從圖10 和圖11 中可以看出，只要節(jié)溫器監(jiān)測溫度模型采樣間隔時間不超過模塊自身計算任務(wù)時間100 ms，模型精度就能得到保證，但水溫合理性模型需采用1 000 Hz 采樣頻率，才可保證離線模型輸出與實際控制器模型輸出全程偏差小于1 ℃，離線模型達(dá)到目標(biāo)精度。

5 離線標(biāo)定實現(xiàn)

離線模型調(diào)試完畢后即可對冷卻系統(tǒng)監(jiān)測模型進(jìn)行離線標(biāo)定。將一次試驗實際采集的.MDF 記錄文件轉(zhuǎn)化成.mat 文件導(dǎo)入MATLAB，同時將實際試驗時所用的.DCM 數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化成.m 文件一同導(dǎo)入MATLAB，離線運(yùn)行冷卻系統(tǒng)監(jiān)測模型，觀察對比模型輸出與實測水溫偏差。

5.1 節(jié)溫器故障監(jiān)測模型離線標(biāo)定

以30 km/h 穩(wěn)速工況、初始溫度為-10 ℃的冷起動為例，標(biāo)定前節(jié)溫器故障監(jiān)測模型輸出與實測水溫對比如圖12 所示，可以看出，暖機(jī)階段的節(jié)溫器故障監(jiān)測模型輸出已經(jīng)超過了正常節(jié)溫器暖風(fēng)開啟時的實際水溫，易導(dǎo)致OBD 系統(tǒng)誤判節(jié)溫器故障，離線標(biāo)定后，相同試驗工況下，節(jié)溫器故障監(jiān)測模型輸出曲線低于正常節(jié)溫器暖風(fēng)開啟暖機(jī)水溫曲線約10 ℃，且高于故障節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉曲線，達(dá)到了該工況下節(jié)溫器故障監(jiān)測模型的期望輸出，如圖13所示。

圖12 標(biāo)定前節(jié)溫器監(jiān)測模型輸出（30 km/h）

圖13 標(biāo)定后節(jié)溫器監(jiān)測模型輸出（30 km/h）

在70 km/h 穩(wěn)速、初始溫度為0 ℃的工況條件下，標(biāo)定前節(jié)溫器故障監(jiān)測模型輸出同樣超過了正常節(jié)溫器暖風(fēng)開啟的實際水溫，如圖14 所示，不符合模型期望目標(biāo)輸出，容易導(dǎo)致誤判，經(jīng)離線標(biāo)定后，模型輸出控制在低于正常節(jié)溫器暖風(fēng)開啟暖機(jī)水溫曲線約10 ℃，通過離線標(biāo)定模型參數(shù)使節(jié)溫器故障監(jiān)測模型達(dá)到了可靠識別節(jié)溫器故障的期望輸出，如圖15所示。

圖14 標(biāo)定前節(jié)溫器監(jiān)測模型輸出（70 km/h）

圖15 標(biāo)定后節(jié)溫器監(jiān)測模型輸出（70 km/h）

5.2 水溫合理性監(jiān)測模型標(biāo)定

以初始溫度為-10 ℃的冷起動后怠速工況為例，標(biāo)定前水溫合理性監(jiān)測模型輸出與實測水溫對比如圖16 所示，可以看出，部分區(qū)域的水溫合理性模型輸出高于正常節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉曲線，這與其他工況試驗測得的模型與實際水溫的位置關(guān)系不一致，不滿足開始標(biāo)定時針對所有工況制定的模型與實際水溫關(guān)系的統(tǒng)一性要求。經(jīng)離線標(biāo)定，水溫合理性模型輸出曲線處于正常節(jié)溫器暖風(fēng)關(guān)閉和故障節(jié)溫器暖風(fēng)開啟之間，達(dá)到了標(biāo)定目標(biāo)，如圖17所示。

圖16 標(biāo)定前合理性模型輸出（怠速）

圖17 標(biāo)定后合理性模型輸出（怠速）

6 標(biāo)定結(jié)果驗證

本文所研究試驗車輛的水溫模型應(yīng)用模型離線方法標(biāo)定完成后，將離線優(yōu)化后的水溫模型參數(shù)直接刷寫進(jìn)整車發(fā)動機(jī)控制器，在初始溫度為-7 ℃、25 ℃，暖風(fēng)關(guān)閉、開啟4 種組合條件下，分別對正常節(jié)溫器和故障節(jié)溫器試驗車輛在WLTC 工況下進(jìn)行了試驗驗證，正常節(jié)溫器試驗車全程未發(fā)生水溫系統(tǒng)故障誤報警，故障節(jié)溫器試驗車輛在測試中針對節(jié)溫器故障報警。圖18 所示為正常節(jié)溫器試驗車25 ℃暖風(fēng)開啟試驗全程實際水溫和節(jié)溫器故障監(jiān)測模型狀態(tài)對比，暖機(jī)階段實測水溫首次達(dá)到判定閾值68 ℃時高于模型水溫，因此節(jié)溫器快速通過判定，節(jié)溫器故障監(jiān)測模型在此時刻后停止計算。圖19 所示為故障節(jié)溫器試驗車初始溫度為-7 ℃、暖風(fēng)關(guān)閉試驗全程實際水溫和節(jié)溫器故障監(jiān)測模型水溫狀態(tài)對比，故障節(jié)溫器的實測水溫全程低于模型水溫，且低于當(dāng)前工況的故障判定閾值，在第1 753 s 時OBD 系統(tǒng)針對節(jié)溫器故障報警。

圖18 正常節(jié)溫器試驗車WLTC工況驗證

圖19 故障節(jié)溫器試驗車WLTC工況驗證

通過上述實車驗證，離線優(yōu)化的水溫模型參數(shù)可直接應(yīng)用于實車支撐OBD 系統(tǒng)水溫相關(guān)故障監(jiān)測和診斷。

7 結(jié)束語

本文將基于模型的離線標(biāo)定方法應(yīng)用于國六OBD 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)監(jiān)測標(biāo)定過程，通過一次實車測試即可在離線環(huán)境下完成所有標(biāo)定工作，標(biāo)定成本和標(biāo)定周期減少2/3 以上，標(biāo)定結(jié)果經(jīng)過實車驗證并滿足開發(fā)目標(biāo)要求。