（动力机械及工程专业论文）基于obd的在用车排放管理研究.pdf

摘要 随经济的发展和城市居民生活水平的提高，我国机动车保有量正在急剧增长。机动 车污染已成为城市空气污染的主要来源之一。针对机动车污染，环保部门通过制定排放 法规和制定管理方案来降低机动车污染物对环境的影响。我国机动车第三、四阶段排放 标准对车辆的达标使用提出了严格的要求。 车辆的排放控制系统出现故障时，及时针对车辆出现的故障进行维修，是在用车排 放监管的关键问题。车载自诊断系统( o b d ) 能够实时监测汽车尾气排放控制系统的工 作状况，是目前国际上针对在用车排放管理最有效的技术手段之一。 国内外的经验证明，检查与维护制度( i m ) 能有效控制在用车的排放水平。将o b d 技术与i m 制度两者有机结合的解决方案可带来很好的效益。建立一套适合中国国情的 在用车排放管理制度将对改善中国的汽车排放现状具有建设性的意义。 基于上述对于在用车排放控制的理论，本研究主要针对轻型在用汽油车的基于 o b d 的排放监管进行研究和探讨。 本文研究了o b d 系统的发展历程和组成结构，总结分析了美国广泛采用的o b d 系统与欧洲采用的e o b d 系统的差异性。对o b d 系统的监控诊断原理进行了探析，重 点分析了o b d 对三元催化器、氧传感器及发动机失火的诊断原理。归纳总结并系统地 提出了基于o b d 技术的在用车管理领域应当包含的内容，其中包括：故障指示器、故 障诊断仪、诊断代码、冻结帧信息以及系统的就绪码状态等信息。 解析了美国的o b d - i m 检查制度，详细分析了其实施历程( 建立背景) ，检查的具 体内容以及判定检查合格与否的评判标准。分析了威斯康辛州的o b d i m 检查的数据 资料，并进行归纳总结，得出以下重要结论：就绪码状态检查是o b d 检查中不可缺失 的部分，对未就绪码的数量要进行合理的规定以对故障状态做出准确判断；m i l 的点亮 频率与车辆的行驶里程相关，并成正比关系；o b d i i i 技术是今后的发展趋势，基于o b d m 技术的o b d i m 检查若可实施，将会对在用车排放监管做出巨大贡献。 本文以北京市一个具体研究为例，探索建立我国的o b d i m 检查制度。开展了车 辆o b d 系统检查并分析了检查结果。最后，结合实际检查工作中遇到的问题，综合分 析检查结果，对我国整体实施o b d i f m 检查给出了初步实施建议如下：督促车辆生产 商规范车辆的诊断接口位置：加强车检人员的o b d 系统知识培训；开发针对我国法规 要求检查项的故障诊断仪；政府的有关责任部门加强对o b d 检查的监管；加深数据的 收集力度，从而准确的分析o b d i m 实施效果。 关键词：在用车，o b d ，排放管理，i m a b s t r a c t c h i n a sv e h i c l ep r o d u c t i o na n dh o l d i n g sa r eg r o w i n gb yl e a p sa n db o u n d s m o t o r v e h i c l ep o l l u t i o nh a sb e c o m eam a j o rs o u r c eo fu r b a na i rp o l l u t i o n a g a i n s tm o t o rv e h i c l e p o l l u t i o n ，e v e r yc o u n t r yi nt h ew o r l da r ea c t i v e l yt a k i n gm e a s u r e st h r o u g ht h ed e v e l o p m e n t o fe m i s s i o nr e g u l a t i o n sa n db yf o r m u l a t i n ga p p r o p r i a t es t r a t e g i e st or e d u c et h ee n v i r o n m e n t a l i m p a c to fm o t o rv e h i c l ep o l l u t a n t s i ti ss i g n i f i c a n tt oa l e r tt h ed r i v e rt om a i n t a i nt h em a l f u c t i o n e ds y s t e mw h e nf a i l u r e o c c u r r e d c o n s i d e r i n gt h i s , l o t so fr e s e a r c h e sw e r ed e v e l o p e du p o no b d ( o nb o a r d d i a g n o s t i c s ) w h i c hc a ni n s p e c tt h er e a l t i m ew o r ks t a t eo fe m i s s i o nc o n t r o ls y s t e m i n s p e c t i o na n dm a i n t e n a n c ep r o g r a m ( n v oc a nc o n t r o lv e h i c l ee m i s s i o ne f f e c t i v e l y , w h i c hh a sb e e np r o v e db yt h ei m p l e m e n t i n gi nf o r e i g nc o u n t r i e s c o n s e q u e n t l y , t h e c o m b i n a t i o no fo b da n di mc o u l dd og r e a tf o re m i s s i o nc o n t r 0 1 a b o v ea l l ，t h eb u i l d i n go f i n - u s ev e h i c l eo b d 划p r o g r a mi nc h i n aw o u l db r i n gh u g cb e n e f i tf o rt h ei m p r o v e m e n to f i n - u s ev e h i c l ee m i s s i o nc o n t r 0 1 t h i sp a p e rs t u d i e st h eo b d 埘p r o g r a mf o rl i g h t d u t yg a s o l i n ev e h i c l e t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e v e l o p m e n to fo b d ，a n dd i s c u s s e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e n o b d i ia n de o b d t h e n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ep r i n c i p l eo fo b ds y s t e m o nt h eb a s eo f t h ea b o v es t a t e m e n t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em i ls t a t u s ，d t c s ，r e a d yc o d es t a t u sa n d d i a g n o s e st o o l s t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h eo b d 一蹦p r o g r a mo fa m e r i c a n ，l a b o r st h ed e v e l o pc o u r s e ， i n s p e c t i o nc o n t e n ta n dj u d g ec r i t e r i o n a f t e rt h a t ，a n a l y z e st h ei n s p e c t i o nd a t ac o l l e c t e df r o m w i s c o n s i ni na m e r i c a n t h ec o n c l u s i o n sa r el i s t e db e l o w ：r e a d yc o d es t a t u sc h e c ki sq u i t e s i g n i f i c a n ti nt h eo b d 删p r o g r a m ：t h e r ei sk i n do fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i l s t a t u sa n d v e h i c l em i l e a g e ：o b d i i ii st h ed e v e l o pt r e n df o ro b d i mc h e c k a tl a s t ，a l s ot h em o s ti m p o r t a n t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo b d mp r o g r a mo fb e i j i n g , w h i c hi n c l u d e st h er e g u l a t i o nf o ri n s p e c t i o n ，i n s p e c t i o nc o n t e n ta n dt h et e s tr e s u l ta n a l y s e f i n a l l y , g i v e st h ei m p l e m e n ts u g g e s t i o nf o ro b d 删p r o g r a mo fc h i n al i s t e db e l o w ： e s t a b l i s ht h es p e c i f i cs t a n d a r df o rd i a g n o s ec o n n e c t i n gp o r t e n h a n c et h et r a i n i n gf o r t e c h n i c i a n si nv e h i c l ec h e c kf i e l d d e v e l o pt h es u i t a b l ed i a g n o s et o o l sb a s e do nc h i n a r e g u l a t i o n s s t r e n t h e n st h em a n a g e m e n to no b d mp r o g r a m c o l l e c tm o r ee f f e c t i v ec h e c k d a t a b u i l dt h ed a t a b a s ef o ro b dc h e c k k e y w o r d s ：i n u s ev e h i c l e s ，o b d ( o nb o a r dd i a g n o s t i c s ) ，e m i s s i o nm a n a g e m e n t ，i m u 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：堡鱼：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 毕慨 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 机动车排放现状 第1 章绪论 近年来，随着我国人口的增长和经济的快速发展，我国汽车产量及保有量 一直呈高速增长态势，自2 0 0 2 年1 0 月以来，我国汽车产量平均增长率超过3 7 ， 2 0 0 8 年，我国超过法国、德国，成为继美国和日本之后的世界第3 大汽车制造 国。2 0 0 3 年，我国机动车保有量为2 3 8 3 万辆【l l ，另据中国汽车工业协会的数据 显示，2 0 0 9 年，中国汽车产销分别为1 3 7 9 1 0 万辆和1 3 6 4 4 8 万辆，同比增长 4 8 3 0 和4 6 1 5 ，中国已成为世界第一大汽车产销国。截至2 0 0 9 年8 月底， 我国机动车保有量已超过1 8 亿辆。据分析人员指出，这种快速增长的趋势还 将继续维持一段时期。图1 1 所示为我国汽车销量的增长情况。 r v 棚 馨 我国汽车销量增长 图1 1 我国汽车销量增长 我国城市机动车的快速发展，在推动经济增长和改善人民生活的同时，也 带来了交通、能源和环境等方面的诸多问题。由于我国机动车的污染控制水平 普遍相对落后，同时，配套的交通基础设施建设和交通规划管理却未能与机动 车的高速增长同步发展，造成目前许多大城市机动车的日平均车速较低，城市 一，蕊蕊&蕊蕊心蕊蕊蕊蝴 1 一 2 嫩蕊瀑蕊蕊鋈嗽：|拂蕊蕊蕊芰嬲 磁惑惑蕊蕊惑姗 哪蕊薰|1 姘蕊董撇 啪董撇一 5；，；让，一 |9蕊蕊撇一 拼蕊撇 撇蕊砌 m 舢 枷 瑚 嘲 啪 啪 啪 瑚 。 武汉理丁大学硕士学位论文 中心区许多重要道路长时间处于饱和状态，加速、减速、怠速等不利工况频繁 发生，导致机动车排放状况不容乐观。在中国的许多城市，机动车排放污染已 经成为城市污染的主要来源之一。有研究表明，汽车排放的尾气对大气的污染 及其严重，其所占大气污染的比例可达到6 0 t 2 1 。目前，虽然我国城市中汽车的 保有量相对比发达国家还处于较低的水平，但我国汽车排放污染的分担率却十 分高。在我国的大城市中，机动车污染占大气污染的分担率要比欧美发达国家 的某些城市高出许多【3 l 。通过对国内主要大城市污染源分担率的调查，机动车 排放对颗粒物的贡献为4 0 5 0 ，氮氧化物4 0 - 8 0 ，c o 大于8 0 。 国家环境保护部，国家统计局和农业部于2 0 1 0 年2 月9 日发布的第一次 全国污染源普查公报显示，机动车氮氧化物排放量占排放总量的3 0 ，对城 市空气污染影响很大。此次普查的时期为2 0 0 7 年度【4 】。 机动车的主要排放污染物c o 、h c 、n o x 、p m 等对人体健康和大气环境 都有重大影响。 c o 与人体血液中输送氧的载体血红蛋白化合生成碳氧血红蛋白，削弱了 血红蛋白向人体组织输送氧的能力，导致不同程度的中毒症状。 h c 化合物包括未燃烧和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化 产物，如烷烃、烯烃、环烷烃、芳烃、醛、酮、有机酸等多种成分。烯烃有麻 醉作用，对粘膜有刺激，它与氮氧化物是形成光化学烟雾的主要因素。芳烃毒 性很大。多环芳烃及其衍生物有致癌作用。醛类刺激眼粘膜、喉和支气管，对 血液有毒害。 机动车排放的n o x 绝大部分是n o ，少量的是n 0 2 。高浓度的n o 能引起 人体神经中枢障碍，n o 会在人体内生成亚硝酸盐，与血液中的血红蛋白结合， 引起组织缺氧：n 0 2 是刺激性很强的有毒气体，进入人体支气管和肺部后会生 成腐蚀性很强的硝酸或硝酸盐，引起气管炎、肺炎、甚至肺气肿，n 0 2 与h c 在阳光作用下发生化学反应生成一种称之为“光化学烟雾”的有毒气体，对人 眼和呼吸器官造成损害，引发眼病、咽喉炎、哮喘、肺气肿及其它慢性疾病， 并可能导致心脏产生损害，严重时危及人的生命。汽车发动机排放的n o x 多集 中于城市、工业区等人口稠密地区，量大集中，危害严重【5 l 。 p m 的主要成分是碳。粒径较小的颗粒物可进入人体肺部，导致肺炎、气 喘、肺功能下降等呼吸系统疾病。p m 除了对人体健康有危害以外，也是导致 大气能见度降低和全球气候变化等环境问题的重要因素。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 排放法规的发展 针对机动车污染，世界各国都在采取措施来控制机动车污染。目前，主要 通过对排放法规的不断加严，来控制机动车的尾气排放；另外，各国环保部门制 定相应管理方案以规范车辆排放。 我国轻型汽车采用的排放标准主要借鉴参考欧洲的模式。目前我国实施的 排放法规为g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( 中国i 、 阶段) 。在世界排放标准体系中，欧洲法规在标准的排放限值、技术要求以及道 路交通情况等方面相对较适用于我国的实际情况。下面简要介绍欧洲排放法规 的发展历程。 欧洲经济委员会从1 9 7 0 年开始以e c er 1 5 法规的形式对轻型汽油车排放污 染物进行控制，排放标准每3 - 4 年进行更新，严格排放法规的限制。1 9 7 5 年前 法规只对c o 和t h c 的排放进行限制，1 9 7 7 年法规开始增加了对n o x 排放的 限值要求。 为控制n o x 排放，1 9 8 2 t 9 8 5 年实施的e c er 1 5 0 4 将t h c 和n o x 的总量 作为一个限值来控制；从1 9 8 8 年起排放法规细分为e c er 8 3 ( 8 8 7 6 e e c ) 和e c e r 1 5 0 4 两部分，其中e c er 8 3 适用于最大总质量不大于2 5 0 0 k g 或定员6 人以 下的汽车，e c er 1 5 0 4 适用于最大总质量大于2 5 0 0 k g 而小于3 5 0 0 k g 的汽车。 为了达到e c er 8 3 法规要求，1 9 8 9 年起e c e 开始使用无铅汽油。 e c e 在1 9 9 1 年对e c er 8 3 法规进行了修改，制订了欧i 排放法规，考查 道路交通情况的变化，对测试规范进行修改，欧i i 测试规范在欧i 测试规范基 础上加入城郊工况e u 】蔸构成，1 9 9 6 年起开始执行。 欧i 排放法规在2 0 0 0 年起开始执行，在欧i i 基础上将t h c 和n o x 的限值 降低1 2 。且在发动机启动的前4 0 秒也开始采样。因大量研究表明7 0 0 0 的t h c 都是在起动后1 2 5 秒内生成的，原来的方法使冷启动时约有3 0 的排放污染物 未能测到。欧i i i 排放法规还新增加车载诊断系统( o n - b o a r dd i a g n o s i t i c ，o b d ) 功能检查试验、8 万公里内的在用车工况法排放一致性检查、替代用催化器的 认证试验等项目，确保在用车排放量的持续达标要求。 我国在充分吸收欧美的经验后，形成了中国排放法规体系。中国轻型汽车 排放标准发展历程如表1 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 我国轻型汽车排放标准发展历程 不断加严的排放标准的实施，缩短了我国与国外汽车污染物排放标准的差 距。我国在逐步严格新车排放标准的同时，也制定了一些政策策略。如实施公 交优先战略、加强在用车管理、加快更新淘汰老旧车辆、提高车用油品质量、 倡导绿色出行、车辆限行等，机动车尾气污染控制取得显著成效。 1 2 研究现状 从排放控制的角度看，控制机动车尾气排放的最终目的是减少在用车使用 阶段的污染物排放量。目前我国排放标准体系中关于新生产机动车的型式核准 ( t y p e a p p r o v a l ) 及生产一致性审查( c o n f o r m i t yo f p r o d u c t i o n ) 已经比较成熟， 但在用车符合性( i n - u s ec o m p l i a n c e ) 的检查还需要大幅度加强。由于用户在 实际使用过程中对车辆排放造成的影响等诸多因素复杂，而且用于在用车年检 的测试手段和限值过于宽松，管理上也存在一定漏洞，我国目前市场上的在用 车排放状况不容乐观。 国家环境保护总局和国家质量技术监督检验检疫总局于2 0 0 5 年5 月3 0 日 联合发布了g b l8 2 5 2 2 0 0 5 点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法 ( 双怠速法及简易工况法) 。法规中对在用车的排放的检测方法进行了规定【6 l 。 这对我国整个汽车行业提出了新的挑战。我国的车用燃油质量与欧美等发达国 家有一定差距，驾驶员的驾驶习惯、路面质量等也对车辆排放有较大影响。另 外，在用车辆维修保养的正规程度等因素也同样对在用车排放水平有着至关重 要的影响。 1 2 1 在用车排放管理l m 制度 道路上行驶的车辆平均污染排放量一般要比新车允许排放法规的限值高3 到4 倍，污染排放严重车辆的增长比例随着车辆使用年限的增长而增岁7 1 。大 致上，3 0 使用了5 年的车辆，其排放都超出规定的限值标准；使用了7 年的 4 武汉理工大学硕士学位论文 车辆中有5 5 的高排放车。由于车辆排放系统的问题往往对车辆的驾驶性能没 有明确的影响，因此，建立i m 制度，即在用车排放检测与维护制度( i n s p e c t i o n a n dm a i n t e n a n c ep r o g r a m ) ，对机动车进行定期或不定期的监测是控制和削减车 辆污染排放的非常重要手段，成为机动车污染排放治理的重要措施之一【8 j 。 一个完好的u m 计划可以使机动车各个污染控制系统得到鉴别，使之能够 及时保养或淘汰，有效地减少和降低在用车污染排放对城市空气环境的影响。 国内外调查研究证实，在用车中有1 0 * , - 1 5 排放严重超标的车辆【9 l ，其排气污 染物排量占所在地区在用车的污染物排量的5 0 6 0 ，如果能准确地找出这些 排气污染严重的车辆，并通过相应的维护和修理，使其恢复到接近出厂时的排 放水平，就能够削减大量排放污染物，达到事半功倍的排放控制效果。 上世纪7 0 年代末，机动车排放污染造成的城市大气环境的污染引起了人们 极大的关注，美国、日本等一些发达国家开始加强机动车的污染排放控制，美 国首先对环境空气质量不达标的地区，实行定期机动车排气排放检测计划，这 就是，也称检查与维修制度、i m 制度。 国内从上世纪8 0 年代起关注机动车的污染排放控制，北京、上海、广州、 深圳、重庆等一些大城市采用了多种污染防治措施。自9 0 年代后期，开始重视 对i m 制度的研究，北京市从2 0 0 0 年起开始实施在用车i m 制度，成为我国实 践i m 制度最早的城市。北京市加强了公众的环境保护觉悟，使公众认识到了 机动车污染防治的重要性，并能主动参与车辆环保检测，使北京市大气环境质 量得到明显改善 1 0 - 1 3 l 。 一个完善的i m 制度包括建立在车辆数据信息收集网络系统或车辆数据信 息库的基础上，与排气监测网络系统、排放控制维修保养网络系统组成的一个 统一运行系统【l 舢。以最低成本建立科学有效的监测与维护系统，通过对在用车 进行定期或不定期的排放监测，找出排放超标的在用车辆，从而促进机动车的 正常维护，达到保持车辆清洁运行的目的。在用车i m 制度的特点是检测与维 修分开，重点在对车辆的排放监测。 1 2 2 在用车l m 排放检测方法 作为最早开始实施在用车i m 制度的国家，美国具体规定了基本型和加强 型在用车i m 制度的规范，确定了严格的新车型式认证排放标准和车辆排放缺 陷召回制度。基本型i m 检测内容包括：怠速试验、油箱盖压力检查和目测车 武汉理工大学硕士学位论文 辆外观；加强型i m 检测主要包括：简易瞬态工况试验( 蹦2 4 0 ) 、燃油蒸发系 统的检测、目测以及车载诊断系统( o b d ) 的检查【i 列。 与此同时，美国环保局，即e p a ( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ) 对在 用车i m 的检测方法进行了规定【i6 1 。具体的检测方法有：稳态无负载工况检测 法( 如怠速及双怠速排放检测法 、稳态加载等速模拟工况检测法a s m ，简易 瞬态加载工况检测法i m 2 4 0 、遥感检测法( r e m o t es e n s o rd a t a ) 即路边排放检测。 图1 2 所示为在用车排放检测的检测过程示意图。 图1 2 在用车排放检测示意图 应当来说，我国在用车的i m 检测制度才刚刚开始实行，且仅限于北京、 上海等少数几个大城市。同时，我国在用车的排放检测方法正由怠速法过渡到 工况法，北京目前广泛采用的是稳态加载模拟工况法a s m ，而上海则采用简易 瞬态工况法v m a s 。但大部分城市和地区仍采用怠速和双怠速法作为在用车排 放的检测方法。a s m 检测法检测设备成本低，操作简单，更适合我国的国情， 而双怠速法应被逐渐淘汰【1 7 l 。图1 3 所示为a s m 的检测工况。 6 武汉理工大学硕七学位论文 4 0 2 5 乍造( 姒) a s 、1 2 5 使逸硷齑! 弓。 a s m 2 5 4 0 工况 j 一触1 5 2 5 。 恢德婚齑 改 。 a s 强1 5 0 2 5i 提 - v 钿5 1 5 s2 5 s她0 s 兔i s , 2 5 s9 0 s埘嘲l 图1 3 a s m 简易工况法示意图 表1 1 所示为a s m 简易工况法的工况说明。两个等速工况中，5 0 2 5t 况 平均速度为2 5 k m h ，按5 0 的负荷加载；2 5 4 0 工况平均速度为4 0 k m h ，按2 5 的负荷加载。 表1 1a s m 简易工况法工况说明 1 2 3 基于0 b d 技术的在用车排放检测 车载诊断系统( o b d ) 的主要功能是监督车辆上与排放控制有关的装置和 零部件的工作状况，及时发现与车辆排放相关部件的异常工作状况，并以此来 降低在用车的排放【1 8 】。o b d 系统主要监测发动机是否失火以及氧传感器和三元 催化转化器是否有异常工作等，当排放控制性能劣化到一定程度时，o b d 系统 7 武汉理工大学硕士学位论文 会向驾驶者发出警告，同时存储故障代码，供检测使用。关于o b d 系统的组成 及具体工作原理等，这里不再赘述，下文将重点介绍。 f m 检测一般定期对车辆进行检修，且频率多为一年一次或两年一次，这 就无法对车辆的车况进行及时确认。即使某些车辆的排放出现了故障，也会因 为此故障几乎不影响车辆的正常行驶而不进行维修。另外，定期检查无法避免 有些车主为应付排放检查而采取作弊行为。o b d 系统可以克服以上不足，因其 具有良好的排放实时监控性，近年来将o b d 系统与f m 检查有机结合的做法 倍受关注。 由此可知，o b d 检查是在用车i m 检查制度中不可缺少的环节。通过实施 o b d 检查，可以十分快捷并准确的对车辆的排放故障进行定位，并与排放检测 相结合，缩短排放检测的时间及提高检测的准确性。目前，国际上把此种将o b d 系统与蹦检查二者有机结合的做法定义为o b d - i m 检查。 作为在用车排放i m 检查的先行国家，美国对o b d - i f m 检查制度已经进 行了大量的研究，其o b d - f m 检查的实施现状对我国具有很好的借鉴功用。 在1 9 9 0 年修订的清洁空气法案( c a a ) 中，美国e p a 就为在用车i m 制 度制定了相应的指导方针，以便各州能按此要求采取合适的i m 计划。由于基 本型和加强型i m 制度之间存在区别，e p a 制定的指导方针必须能让各州都能 满足c a a 法案的最低要求。其中，无论是基本型，还是加强型的i f m 制度，都 要将o b d 系统检查作为定期检查中必不可少的一部分。e p a 在2 0 0 1 年4 月5 日对o b d i m 的检查要求进行了修订，并通过( f e d e r a lr e g i s t e r ) ) 发布了一个 最终标准【1 9 l 。 我国对于o b d i m 的检查的研究，还处于初始研究方案的阶段。北京及上 海等在用车治理比较发达的城市，已经率先做出了一些尝试。目前，我国的总 体方案正在通过不断地试验及研究来进行最终的确定。 1 3 研究意义 近年来，随着城市交通拥堵问题的日益突出，面对全球环境污染问题日益 严峻的现状，国内外都开始重视对在用车的排放污染的控制。 基于o b d i m 的检查制度的在用车排放控制策略必将是今后全球汽车行 业针对于在用车排放的核心技术手段。随着该检查与维护制度的不断完善，必 将为全球环境问题的治理做出巨大的贡献。 武汉理工大学硕士学位论文 美国已经针对o b d i m 的检查制度作了大量的探索直至正式施行，而国内 目前尚没有统一全面的整体策略。技术设施的落后及我国的国情是其主要原因。 受中国环保产业协会机动车污染防治委员会委托任务，本文拟通过研究向政府 主管部门提供管理建议，以规范排放控制系统，确保在用车排放持续达标。本 课题基于这一点出发，研究了o b d 系统的基本工作原理，将o b d 系统的与在 用车排放控制相结合的应用情况，通过对美国o b d v m 检查制度的探究，并与 在汽车检测厂的实际检测工作所得到的检测现状相结合，为我国的o b d i m 检 查的发展指明方向。 1 4 研究内容 本研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 深入认识o b d 系统的工作原理及相关应用 通过对文献的解析，了解分析o b d 系统的工作原理和组成机构，及其针对 各排放部件的诊断及监控方法，详尽分析将o b d 应用到排放控制中的具体内 容。 ( 2 ) 分析国外( 美国) o b d i m 制度的相关内容 分析美国o b d - i m 制度的实施时间，实施方法及其他具体操作。通过分析 美国o b d i m 检查获取的数据，得出将o b d 应用到在用车排放管理的具体意 义，分析美国在用车排放管理的实质。 ( 3 ) 建立适于中国国情的在用车排放管理方案 通过上文对国外在用车排放管理的研究，进行分析，借鉴到中国相关管理 方案的制定中。同时，结合在中国检测过程中遇到的具体情况，具体分析出适 于中国目前汽车产业发展现状和国家环境保护现状的切实可行的基于o b d 技 术的在用车管理方案。 9 武汉理1 = 大学硕士学位论文 第2 章0 b d 系统概述 o b d 系统可监督在用车上与排放控制有关的装置和零部件的工作情况，及 时发现与车辆排放相关部件的异常工作状况，提醒驾驶者对车辆进行维修，以 此降低在用车的排气污染量。 本章主要介绍o b d 系统的发展历程，诊断工作原理，故障诊断码与诊断仪 等技术指标。 2 10 b d 系统的发展历程及组成结构 第一代车载诊断系统o b d i 诞生于上世纪8 0 年代的美国。此版本的车载 系统无法探测某些发动机的系统部件问题，例如三元催化器失效、失火故障以 及燃油蒸发系统故障等1 2 0 l 。此外，第一代o b d 系统没有建立起标准化的故障 码、通讯协议以及诊断模式等。世界各大汽车厂商自己匹配的o b d 系统随其 发动机管理系统不同而各不相同，给车辆的检修造成了诸多不便。 o b d - i i 系统的应用开始于1 9 9 4 年，由美国汽车工程学会( s a e 的研究 人员研发，并通过了美国环保署( e p a ) 和加州大气环境资源局( c 剐陋) 的认 证。o b ml i 系统与o b d i 系统的不同之处在于其严格的排放针对性。当汽车 尾气排放中的一氧化碳( c o 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 或燃油蒸 发污染量超过设定的限值时，车辆仪表盘中的故障指示灯就会点亮报警【2 。也 就是说，当车辆排放异常但行驶性能正常时，报警指示灯也会点亮。虽然o b d i i 系统对排放监测十分有效，但驾驶员是否接受警告并对车辆进行维修，o b d i i 系统无能为力，不具备维护强制性。 考虑到o b d i l 系统无法强制车辆进行维修，经过改进，在2 0 0 5 年前后， 美国出现了比o b d i i 系统更为先进的o b d i l l 系统。与之前的车载诊断系统 相比，o b d i i i 系统的最主要改进便是加强了驾驶员维修的强制性。该系统可使 汽车的检测、维护和排放监管融为一体，以满足排放法规和环境保护的要求【2 2 j 。 o b d i i i 系统在监控车辆排放相关部件的同时，利用车载通讯系统或无线通信方 式将车辆的车架号( v i n ) 、故障码( d t c ) 以及其他所需信息发送给环境管 理部门。管理部门则根据该车辆排放问题的等级对其发出指令。此外，地方交 管部门还可以借助o b d i i i 系统对超出维修时限的排放超标车辆发出禁行指令。 l o 武汉理1 = 大学硕士学位论文 因此，o b d i i i 系统不仅能就车辆排放问题向驾驶者发出警告，而且还能对违规 者进行相应的惩罚。这样，o b d i i i 系统就很大程度解决了车辆驾驶者是否主动 对问题车辆进行维修的问题。 o b d 系统由软件和硬件共同组成1 2 孔。o b d 系统的软件部分包括故障诊断 控制代码和标定文件，以及发动机控制单元。o b d 的硬件系统主要由各类传感 器、电子控制单元e c u 、o b d 系统的诊断接口、故障指示器、执行器及线路等 与发动机废气控制相关的子系统组成【2 4 1 。典型的o b d 的硬件系统如下图2 1 所示。 催化器 图2 1o b d 系统的硬件系统 欧洲采用的o b d 技术( e o b d ) 源自美国的o b d 技术，两者在监控原理 上一致，但在监控范围和监控深度上存在差异。美国o b di i 技术的严格程度要 强于e o b d 。美国o b d 监控的目的在于发现排放控制系统的隐患，从而控制高 排放车辆的出现；而欧洲e o b d 监控的目的在于发现高排放车辆。我国的排放 法规多是参考欧洲法规而制定，我国采用的o b d 技术，自国三阶段起等效采用 武汉理t 大学硕士学位论文 欧洲e o b d 系统的相关规定。 表4 。1 所述为e o b d 技术与o b di i 技术的功能比较【2 5 】，有表可知，两者在 诊断细节上存在差异。 表4 1e o b d 技术与o b d i i 技术比较 功能项目o b d i ie o b d 燃油箱及燃油系统的泄漏试验进行不进行 探测发动机失火的转速范围至最大转速 至4 5 0 帆m i n o b d 故障限值f t p 法规的1 5 倍规定的数值 用故障指示灯显示故障里程 不显示显示 考虑到e o b d 技术与o b di i 技术的诊断的机理一致，下文主要介绍o b d i i 技术的诊断机理。 2 20 b d 系统的监控原理 现阶段，我国已全面进入轻型汽油车的国i i i 排放阶段，今年将进入国排 放控制阶段。o b d 系统作为法规要求的国i i i 轻型车的必备部件，是及其重要的。 目前，o b d 系统主要监控的有：三元催化转化器工作效率；氧传感器劣化；发 动机失火故障；燃油蒸发控制系统故障；燃油系统故障以及废气再循环( e g r ) 丘盘 专乎。 需要指出的是，o b d 系统并非直接测量排放数值，而是通过问接算法来建 立一种对应关系。这种对应关系反映监测信号与排放测量结果之间的相互关联， 当信号发生异常时，o b d 系统对可能对车辆排放水平产生的影响异常情况作出 准确判断并报警。 国i 排放法规( g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 ) 中规定：o b d 认证中的三个必检项目为： 催化转化器失效验证，氧传感器失效验证以及失火验证【2 。下文将重点介绍针 对这三种失效诊断的监控原理。 2 2 1 催化转化器监控原理 催化转化器( t w c ) 可使汽车尾气排放中的c o 、h c 和n o x 有效降低。 目前，为降低车辆废气的排放量，催化转化器技术已经在汽油车上广泛使用。 但由于催化转化器长时间处于恶劣的工作环境，会导致催化剂活性的大幅降低， 催化转化器转化效率下降。在国i i i 阶段，要求当o b d 系统对催化转化器劣化进 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 行监控，要求催化转换器的劣化造成h c 超过排放限值时，必须点亮故障指示 器并记录故障码。维修人员可使用故障诊断仪对车辆进行故障诊断。 在车辆上直接使用排气分析仪来检测h c 的排放量，进而判断其是否超过 排放限值是无法实现的。解决方案是间接评价催化器的转化效率。首先测得在 一些较易测量的参数，再将其数值与催化器的转化效率建立起联系。目前而言， 世界上广泛采用的是双氧传感器法，具体布置形式详见图2 1 。目前，该技术的 应用成熟度较高。 上游氧佟憋器 下游氧传感器 图2 1 催化转化器的双氧传感器监控法 三元催化转化器中配备有能储存和释放氧的氧化铈( c 。0 2 ) ，其储氧能力 o s c ( o x y g e ns t o r a g ec a p a c i t y ) 是诊断的核心。空燃比较大时，氧化铈吸收尾 气中多余的氧气，空燃比较小时，氧化铈释放出氧气并对废气进行氧化【2 丌。车 辆正常运转时，如果催化器工作正常，那么下游氧传感器检测到废气中的氧含 量将会很低；如果催化器的工作异常，则其下游氧传感器检测到废气中的氧含 量会很高。 双氧传感器法即通过对催化器上游和下游的氧传感器信号的对比分析来确 定催化器是否正常工作。当催化转化器工作正常时，储氧能力较高，下游氧传 感器的电压的频率和振幅都比上游氧传感器低，当催化转化器工作异常时，下 游氧传感器的电压的频率和振幅几乎接近上游氧传感器，如图2 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 bab a 催化转化器正常b 催化转化器不正常 图2 - - 3 催化转化器前后氧传感器信号对比 上图所示为某正常工作的催化转化器和某个工作异常的催化转化器的前后 氧传感器的电压信号对比。其中，a 为上游氧传感器，b 为下游氧传感器。催 化转化器工作正常时，下游氧传感器检测到的氧浓度比上游氧传感器低很多， 此时转化效率较高。而催化转化器工作异常时，下游氧传感器检测到的氧浓度 比上游氧传感器基本一致，说明此时转化效率非常低，三元催化转化器发生了 工作故障。 2 2 2 氧传感器监控原理 汽车上的氧传感器用于电控喷油系统的闭环控制。氧传感器安装在发动机 排气管上，用于检测排气中的氧离子浓度，并将其转换成电压信号反馈给e c u 。 混合气的空燃比决定了尾气中的氧浓度。空燃比较小时，燃烧过程中氧全部消 耗掉，排气中没有氧；空燃比较大时，在燃烧过程中氧没有全部耗尽，在排气 中将会检测到氧。因此，可通过氧传感器的信号得到混合气的空燃比情况【2 8 1 。 e c u 按氧传感器发出的反馈信号，对喷油量进行修正，实现对燃油喷射系统的 闭环控制。 o b d 系统对氧传感器的监控包括对输出电压及响应速度的监测。下文将简 要概述其监控原理。 输出电压的监控原理如下。当氧传感器输出电压低于或者是超出设定的限 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 值时，o b d 系统会显示“稀”或“浓 ，如果其输出电压达不到限值，进而导 致氧传感器不能输出，抑或是氧传感器的输出电压变换期过长，o b d 系统就诊 断氧传感器输出电压故障，具体见图2 4 。 厂、 | v v v 赫的时闻对* 厂、 vv 睦f 6 h t + 伺j 寺j ，、7 ， 、， 、 0 3 - o 6 v 图2 4 氧传感器电压监控 如上图所示，当最高输出电压无法达到时，记录为浓失效；同理，当最低 输出电压无法实现时，记为稀失效；此外，当氧传感器的输出电压信号变换周 期过长时，记录为输出电压失效。o b d 系统内置的计量单元会累加失效故障的 记录结果，当失效记录的数量达到一定数值时，记录一个未决故障，并同时在 e c u 中保存此故障码。在车辆的接下来一次运转时，如果e c u 在仍然检测到 该故障码，确定此故障并点亮故障指示器m i 。 响应速度监控原理如下文所述。o b d 系统首先判断出氧传感器输出由稀变 浓和由浓变稀的时间，以此确定氧传感器的响应速度。当氧传感器电压信号的 由稀变浓或是由浓变稀的平均时间大于设定的时间阀值时，系统会自动判定氧 传感器的响应时间延迟故障。另外，如果氧传感器的输出电压信号波形发生偏 移而总体趋势没有发生变化，o b d 系统就不诊断为响应时间延迟故障。具体情 况如图2 5 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 一 靓7 7 k 一- 、 l 漱喝厂奈、二 ， f；j ， ， 1i ， i | “心 ， r 叭! j 正常的浓 世u 边 一稀时段 ， l 、 ， 图2 5 氧传感响应速度监控 关于氧传感器的劣化监控，当o b d 系统第一次检测到某个故障时，系统暂 时将其储存在e c u 中，不点亮故障指示灯。若第二次行车时，在相同的行驶条 件下，系统再次检测到同一故障，则点亮故障指示灯，并储存故障代码。即为 二步逻辑判定原则。应当注意，在第一步和第二步检测之间要断开被检车辆的 点火开关。 2 2 3 失火监控原理 发动机失火是指在发动机工作过程中，混合气在气缸内无法正常燃烧的现 象。汽油机多缸一起参与做功，从而失火故障不易觉察。由于发动机各部件的 老化，此种故障普遍存在于在用车中。失火对环境和车辆会造成巨大危害。o b d 系统可及时而准确地诊断出发动机是否发生失火，对车辆进行维护，这对在用 车的排放控制具有非常重大的现实意义。 o b d 系统工