（动力机械及工程专业论文）汽油机氧传感器劣化模拟装置的研究与开发.pdf

摘要 2 0 0 7 年7 月1r 全国将会实施国i 排放法规，车载诊断系统( o b d ) 是实 施国i i i 、国i v 排放标准的核心内容，也是技术难点之一。o b d 系统将在汽车 发动机运行时监控与汽车排放相关的零部件和控制子系统，一旦某些部件或系 统发生故障导致汽车排放超标，会马上点亮故障灯( m i l ) ，同时动力总成控制 模块( p c m ) 将故障信息存入存储器，记录诊断故障码。维修人员通过扫描工 具可以将故障码从p c m 中读出，根据故障码的提示，能够迅速、准确地确定故 障的性质和部位，并对故障车辆进行修理。 氧传感器劣化的诊断是车载诊断系统( o b d ) 的重要功能之一。本课题开 发了一套可应用于o b d 型式认证试验和o b d 系统开发的汽油机氧传感器劣化 模拟装置，该装置可以模拟氧传感器信号电压偏移、响应延迟等不同故障，并 且可以对劣化程度进行调节，以此验证车辆的o b d 系统是否工作正常。因此， 本装置的开发对于国i 排放法规在全国范围内的顺利实施有很大意义。 本文对o b d 系统的诊断策略进行了分析，研究了e o b d ( e u r o p eo n b o a r d d i a g n o s t i c s ) 系统对发动机失火、氧传感器、催化转化器及其他相关子系统进行 监测的原理；还研究了各种氧传感器的结构、工作原理，分析了氧化锆氧传感 器故障产生的原因，为氧传感器劣化模拟装置的开发提供了理沦基础。 开发的氧传感器劣化模拟装置连接在e c u 和氧传感器中间，氧传感器信号 不输入e c u 而直接输入到氧传感器劣化模拟发生器中。氧传感器劣化模拟发生 器使用a d 转换器对氧传感器信号进行采样，然后对此信号进行叠加处理，最后 利用d a 转换器将此处理后的信号输出给e c u 。同时，设计了一套简便易操作 的控制软件，可以控制模拟氧传感器劣化的模式和程度，同时可以对劣化后的 信号进行直观监测，为试验提供了方便的操作环境。 利用氧传感器劣化模拟装置在发动机台架进行了相关试验，得出了氧传感 器不同劣化模式、不同劣化程度下发动机排放情况。进行了实车测试，验证了 装置的工作性能。依据该模拟装置申请了国家发明专利。 关键字：车载诊断系统( o b d ) ，国i i i ，氧传感器，劣化，模拟装置 a b s t r a c t s t a g ei i ie m i s s i o ns t a t u t ew i l lb ec a r r i e do u ts i n c ej u l y1s t ，2 0 0 7t h r o u g h o u tt h e c o u n t r y o n b o a r dd i a g n o s t i c s ( o b d ) s y s t e mt e s ti st h ec o r ea n do n eo ft e c h n i c a l d i f f i c u l t i e so ft h ei m p l e m e n t a t i o no fs t a g ei i i o b ds y s t e mm o n i t o r st h e e m i s s i o n r e l a t e dc o m p o n e n t sa n dc o n t r o ls u b s y s t e m sw h e nt h ea u t o m o b i l ee n g i n ei s r u n n i n g o n c et h em a l f u n c t i o n so fs o m ec o m p o n e n t so rs u b s y s t e m sm a yb r i n ga b o u t e m i s s i o n se x c e e d i n gt h el i m i t so f s t a n d a r d ，m a l f u n c t i o ni n d i c a t o rl i g h t ( m i l ) w i l l b ea c t i v a t e d ，p o w e rc o n t r o lm o d u l e( p c m )w i l ls t o r et h ei n f o r m a t i o no f m a l f u n c t i o ni nm e m o r ya n dr e c o r dt h ed i a g n o s t i ct r o u b l ec o d e ( d t c ) a tt h es a m e t i m e t h ed t cc o u l db et a k e no u tf r o mp c m b ym e a n so fs c a n n i n ge q u i p m e n t ，b y w h i c ht h em a i n t e n a n c em a nc o u l dj u d g et h ec h a r a c t e ra n dp o s i t i o no fm a l f u n c t i o n r a p i d l ya n dp r e c i s e l y , a n dm a k er e p a i r st ot h ev e h i c l e t h ed i a g n o s i so fo x y g e ns e n s o ri so n eo ft h ei m p o r t a n tf u n c t i o n so fo b d t h i s p a p e rd e v e l o p sa s u i to fm a l f u n c t i o ns i m u l a t o rf o ro x y g e ns e n s o r , w h i c hc a r lb eu s e d i nt h ef u n c t i o na p p r o v e dt e s to f o b ds y s t e mo rt h ed e v e l o p m e n to f o b ds y s t e m t h e d e v i c ec o u l ds i m u l a t et h ed i f f e r e n tm a l f u n c t i o na i m e da tt h es e n s o r ss i g n a l ，t a k i n g t h ee x c u r s i o no fu p p e ro rd o w n m o s tl i m i ta n dt h er e s p o n s ed e l a ya se x a m p l e s t h e r e f o r e ，t h i sd e v e l o p m e n ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h es m o o t hi m p l e m e n t a t i o no f s t a g ei l ie m i s s i o ns t a t u t en a t i o n w i d e t h ep a p e rm a k er e s e a r c h e so nt h eo b ds y s t e m sd i a g n o s i ss t r a t e g y , i n t r o d u c e s t h em o n i t o rp r i n c i p l e so fe n g i n em i s f i r e ，o x y g e ns e n s o r , c a t a l y t i cc o n v e g e ra n do t h e r a s s i s t a n ts y s t e m s t h ep a p e rs t i l le l a b o r a t e so nt h ec o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n g p r i n c i p l e so f d i f f e r e n to x y g e ns e n s o r s ，a n da n a l y s e st h er e a s o n so fm a l f u n c t i o na b o u t t h eo x y g e ns e n s o r ( z r 0 2 ) ，w h i c hp r o v i d e ss o m eg r o u n d sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e e q u i p m e n t t h em a l f u n c t i o ns i m u l a t o ri sc o n n e c t e di nt h em i d d l eo f e c ua n do x y g e ns e n s o e t h es i g n a lo fs e n s o rd o e s n t i n p u te c u ，b u ti n p u t st h e s i m u l a t o rd i r e c t l y t h e s i m u l a t o rc o l l e c t st h eo x y g e ns e n s o r ss i g n a lt h r o u g ht h ee m p l o y m e n to fa d s w i t c h i n gm o d u l e ，a n dt h e nt h es i g n a li sd i s p o s e d l a s t l yt h es i m u l a t o ru s e st h ea d i i s w i t c h i n gm o d u l eo u t p u tt h ed i s p o s e ds i n g l et oe c u s i m u l t a n e o u s l ya s u i to fc o n t r o l s o f t w a r ei sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h em a l f u n c t i o ns t y l ea n de x t e n t ，w h i c hc o u l dm o n i t o r t h es i m u l a t i n gs i g n a lt h r o u g ht h ec o m p u t e ra n ds u p p l y ac o n v e n i e n to p e r a t i o n e n v i r o n m e n t t h ee m i s s i o ni sa n a l y z e dw i t ht h eh e l po ft e s tr e s u l t so fe n g i n e sb ys i m u l a t o l b e s i d e s ，t h ef u n c t i o no fe q u i p m e n ti st e s t e da n dv e r i f i e dt h r o u g hu s i n gt h ed e v i c eo n v e h i c l e f i n a l l y , w ea p p l yap a t e n to f i n v e n t i o na c c o r d i n gt ot h es i m u l a t o r - k e yw o r d s ：o n b o a r dd i a g n o s t i c s ( o b d ) ，s t a g ei i i ，o x y g e ns e n s o r ，m a l f u n c t i o n s i m u l a t o r i i i 武汉理工大学硕士论文 本文英文缩写 o b d ( o n - b o a r dd i a g n o s t i c s ) m i l ( m a l f u n c t i o ni n d i c a t o rl i g h t ) d t c ( d i a g n o s t i ct r o u b l ec o d e ) p c m ( p o w e rc o n t r o lm o d u l e ) e o b d ( e u r o p eo n - b o a r dd i a g n o s t i c s ) p c v ( p o s i t i v ec r a i l k c a s ev e n t i l a t i o n ) c a r b ( c a l i f o m i a a i rr e s o u r c e sb o a r d ) 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 ) f t p ( f e d e r a lt e s tp r o c e d u r e ) s a e ( s o c i e t yo f a u t o m o t i v ee n 西n e e r s ) e c e ( e c o n o m i cc o m m i s s i o nf o re u r o p e ) t l e v ( t r a n s i f i o n a ll o we m i s s i o nv 如i c l e s ) l e v ( l o we m i s s i o nv e h i c l e s ) u l e v ( u l t r al o we m i s s i o n 、，e l l i d e s ) s u l e v ( s u p e ru l t r al o w e m i s s i o nv e h i c l e s ) z e v ( z e r oe m i s s i o nv e h i c l e s ) e u d c ( e x t r au r b a nd r i v i n gc y e t e ) i ，m 程序( 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 ) i s 0 ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) e c u ( e 1 e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) i m e p ( i n d i c a t em e a ne f f e c t i v ep r e s s u r e ) o s c ( o x y g e ns t o r a g ec o m p o n e n t ) e g r ( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) e g o ( e x h a u s tg a so x y g e ns e n s o r ) d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 车载自诊断系统 故障指示灯 诊断故障代码 动力控制模块 欧洲车载自诊断系统 曲轴箱强制通风系统 加州空气资源局 美国环保署 联邦测试循环 美国汽车工程学会 欧洲经济委员会 过渡低排放车 低排放车 超低排放车 极超低排放车 零排放车 市郊循环 检查维护制度 国际标准化组织 电子控制模块 平均指示有效压力 氧存储能力 废气再循环 氧传感器 数字信号处理 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：啦日期：童葺妞 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、进 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) 签名 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 进入2 1 世纪以来，随着我国国民经济的持续快速发展，汽车工业也得到了 迅猛发展。2 0 0 5 年国内汽车产量达到了5 7 0 8 万辆，2 0 0 6 年更是达到了7 2 7 9 7 万辆。与此同时我国汽车的保有量也在迅猛增加，截止到2 0 0 6 年底，我国汽车 保有量已达到3 7 0 0 万辆，预计到2 0 1 0 年将达到5 0 0 0 万辆左右，年均增长率可 达1 6 - - 2 0 。 随着汽车保有量的不断增加，汽车尾气排放已成为城市大气环境的主要污 染源，许多大中城市的空气污染有五成以上来源于汽车所排出的废气，如根据 环保部门研究，北京市机动车排放对大气污染物中c o 、h c 、n o x 的分担率分 别为6 3 4 、7 3 5 和4 6 ；上海市中心地区机动车排放对大气中c o 、h c 、 n o x 的分担率分别为8 6 、9 6 和5 6 i ”。 汽车尾气中的有害成分主要有燃料不完全燃烧时产生的一氧化碳( c o ) ( 尾 气中含量约为1 2 ) 、未燃烧的碳氢化合物( 尾气中含量约为5 0 0 1 0 0 0 m g m 3 ) 和氮氧化物( n o x ) ( 尾气中约为1 0 0 3 0 0 0 m g m 3 ) ，还有硫的氧 化物、铅的氧化物、黑色烟尘微粒和油雾等 2 1 。这些污染物对人体的危害简述如 下【3 1 ： 1 ) 一氧化碳c o 。c o 是一种无色无味的气体，它和血液中输送氧的载体血 红蛋白的亲和力是氧的2 4 0 倍，c o 与血红蛋白结合生成碳基血红蛋白，就剥夺 了血红蛋白对人体组织的供氧能力。空气中c o 的体积分数超过o 1 时就会导 致人体中毒，超过o 3 时，则可在3 0 r a i n 内使人致命。 2 ) 碳氢化合物h c 。h c 包括未燃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、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。烷烃基本 上无味，对人体健康不产生直接影响；烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有 刺激，经代谢转化会变成对基因有毒的氧化衍生物。烯烃是与氮氧化物一起在 太阳光的紫外线作用下形成有毒的“光化烟雾”的罪魁祸首之一；芳香烃对血 液和神经系统有害，特别是多环芳香烃( p a h ) 及其衍生物有致癌作用；醛类是 刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。 3 ) 氮氧化物。内燃机排放的氮氧化物绝大部分是一氧化氮n o ，少量是二 氧化氮n 0 2 ，般用n o x 表示。n o 是无色气体，本身毒性不大，但在大气中 武汉理工大学硕士论文 会缓慢氧化成n 0 2 。n 0 2 呈褐色，具有强烈的刺激味，被吸入人体后与水分结合 形成硝酸，会引起咳嗽、气喘，甚至肺气肿和心肌损害。n o x 也是在地面附近 形成含有毒臭氧的光化烟雾的主要因素之一。 4 ) 微粒p m 。柴油机所排放p m 的主要成分是碳，粒度大多小于o 3um ， 可长期悬浮在大气中而不沉降，会深入人肺深部造成机械性超负荷，损伤肺内 各种通道的自净机制，促进其他污染物的毒害作用。碳粒还吸附硫酸盐及多种 有机物质，吸附物中有多种p a h ，具有不同程度的诱变和致癌作用。 1 1 国内外汽车排放控制的发展及现状 美国、日本和欧洲的汽车排放法规形成当今世界3 大汽车排放法规体系， 我国的汽车排放法规主要参照欧洲。下面对国内外排放法规的发展情况进行简 要介绍【4 l 【5 】1 6 】。 1 美国 美国的汽车排放法规分为联邦排放法规即环境保护署( e p a ) 排放法规和加利 福尼亚州( 以下简称加州) 空气资源局( c a r b ) 排放法规，联邦排放法规一般落 后于加州排放法规1 2 年。 美国加州1 9 6 0 年开始立法控制汽车排放污染物；1 9 6 3 年美国政府颁布大 气净化法，同年加州开始控制曲轴箱燃油蒸发物排放；1 9 6 6 年加州颁布实施“7 工况法”汽车排放法规，两年后联邦采用“7 工况法”控制汽车排放；1 9 7 0 年 加州开始控制轿车燃油蒸发物排放，美国联邦政府也从1 9 7 0 年开始制定一系列 车辆排放控制法规( 见表l 一1 ) 。1 9 7 2 年采用l a 一4 c ( f 1 卫一7 2 ) 测试循环，并 增加对n o x 的控制，1 9 7 5 年改用l a - - 4 c h ( f t p - - 7 5 ) n 试循环；1 9 7 5 年起到8 0 年代，美国排放法规大幅度加严，特别是强化了对n o x 的限值，同时提高了对 h c 和c o 的控制。1 9 9 0 年美国国会对大气净化法做了重大修订，对汽车排 放提出了更高的要求；1 9 9 4 年加州制定的低污染汽车排放法规( 见表l - - 2 ) ， 将轻型车分为过渡低排放车( t l e v ) 、低排放车( l e v ) 、超低排放车( u l e v ) 和零 排放车( z e v ) ，并且规定从1 9 9 8 年起销售到加州的轻型车应有2 为零排放，2 0 0 1 年为5 ，2 0 0 3 年达到1 0 ；同时计划在2 0 0 4 年进一步强化汽车排放法规 f s u l e v ) ，限值为u l e v 的1 4 。 2 武汉理工大学硕士论文 表l 一1 美国联邦政府制定的车辆排放控制标准( g k m ) 年限 h cc o n o x 1 9 7 06 5 8 85 2 2 0 62 5 4 8 1 9 7 0 1 9 7 22 5 4 82 1 1 3 1 无规定 1 9 7 3 1 9 7 41 8 6 51 7 4 0 21 9 2 7 1 9 7 5 1 9 8 0 0 9 3 29 2 3 21 9 2 7 1 9 8 l 一1 9 9 4 0 2 5 52 1 1 31 6 2 2 1 9 9 5 2 0 0 50 1 5 52 1 1 30 2 4 9 2 0 0 5 0 0 7 81 0 5 7o 1 2 4 表1 - - 21 9 9 4 年加州制定的低污染汽车排放法规( g k m ) 分类n m o g n o x c o 1 9 9 3 年车辆排放标 0 1 5 50 2 4 92 1 1 3 准 过渡低排放车辆 0 0 7 80 2 4 92 】1 3 低排放车辆 0 0 4 7o 1 2 42 1 1 3 超低排放车辆 0 0 2 50 。1 2 41 0 5 7 零排放车辆 0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 相当零排放车辆 0 0 0 20 0 1 20 1 0 6 注n m o g 非甲烷有机气体( n o n - - m e t h a n eo r g a n i cg a s e s ) 2 日本 日本从1 9 6 6 年起开始控制汽车排放污染，对新车进行“4 工况法”检测， 规定控制c o 小于3 ，1 9 6 9 年加严到2 5 ；1 9 7 1 年规定小型车c o 小于1 5 ， 轻型车c o 小于3 ；1 9 7 3 年采用“1 0 工况法”，增加h c 和n o x 作为排放控制 指标；1 9 8 6 年对柴油轿车排放进行控制，对在用车实旌定期车检法规；1 9 9 1 年 起新车采用l o 1 5 工况法试验，排放限值不变；1 9 9 3 年开始对所有柴油车排放 进行控制。 日本汽车排放法规限值有最高值和平均值2 种，每一辆车的排放量不得超 过最高值，而每一季度测得的各辆车的平均值不得超过排放法规规定的平均值 限值。 3 欧洲 欧洲经济委员会( e c e ) 从1 9 7 0 年开始以e c e r l 5 法规的形式对轻型汽油车 武汉理工大学硕士论文 排放污染物和曲轴箱污染物排放进行控制，每3 4 年修订一次，形成了e c e r l 5 - - 0 1 ( 1 9 7 5 ) 、e c er 1 5 - - 0 2 ( 1 9 7 7 ) 、e c er 1 5 - - 0 3 ( 1 9 7 9 ) 系列排放法规。在1 9 7 5 年前执行的e c er 1 5 和e c er 1 5 0 1 法规只限制c o 和h c 的排放量，从1 9 7 7 年的e c er 1 5 - - 0 2 法规开始增加了对n o x 的限值要求。 为控制n o x 的排放，1 9 8 2 年一1 9 8 5 年实施的e c e r l 5 一0 4 法规对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 er 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 人以下的燃油( 含铅汽油、无铅汽油、柴油) 汽车，e c e r l 5 一0 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 开始要求使用无铅汽油。 e c e 在1 9 9 1 年修改了e c er 8 3 - - 0 0 法规，制定了欧i 排放法规，从1 9 9 2 年开始实施，该法规积极向美国排放法规靠拢，大大加严了排放限值；1 9 9 6 年 起执行欧i i 排放法规，排放法规限值已接近美国过渡低污染车( t l e v ) 的限值水 平，而且生产一致性检查时排放限值与型式认证的限值相同。2 0 0 0 年执行的欧 i 排放法规，对h c 和n o x 分别给出限值，在欧i i 排放法规的基础上将其限值 再又降低1 2 ，排气测量也改为发动机起动后立即采样，同时加严对h c 、c o 的 限制。并新增如低温冷起动排放试验、o b d 系统功能检查、l p g n g 汽车排放 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等项目， 确保在用车排放持续达标的要求。在欧m 排放法规的基础上欧盟于2 0 0 5 年开始 实施欧排放法规。表1 3 为以汽油发动机m 1 类车为例的欧洲汽车排放限值 表l 一3 以汽油发动机m i 类车为例的欧洲汽车排放限值 ( 单位g k m ) 法规欧洲i 号欧洲i i 号 欧洲i i i 号欧洲号 执行日期 1 9 9 2 7 11 9 9 6 1 12 0 0 0 1 0 12 0 0 5 1 0 1 c o2 7 22 22 31 0 h c + n o x 0 9 70 5 无要求无要求 h c 无要求无要求 0 20 1 n o x无要求无要求 o 1 50 0 8 p m无要求无要求无要求无要求 4 武汉理工大学硕士论文 4 中国 我国于1 9 8 1 年开始制定汽车排放标准。1 9 8 3 年颁布了g b 3 8 4 2 3 8 4 7 - - 8 3 ， 即：g b 3 8 4 2 - - 8 3 汽油车怠速污染物排放标准、g b 3 8 4 3 - - 8 3 柴油车自由加速度 烟度排放标准、g b 3 8 4 4 - - 8 3 汽车柴油机全负荷烟度排放标准、g b 3 8 4 5 - - 8 3 汽 油车怠速污染物测量方法、g b 3 8 4 6 - - 8 3 柴油车自由机加速烟度测量方法、 g b 3 8 4 7 - - 8 3 汽车柴油机全负荷烟度测量方法。1 9 8 9 年制定了参照e c e l 5 - - 0 3 和e c e l 5 - - 0 4 法规的g b l l 6 4 1 1 1 6 4 2 8 9 轻型汽车污染物排放标准。1 9 9 4 年5 月起实施g b l 4 7 6 1 1 1 4 7 6 1 7 9 3 等7 项汽车排放标准，对汽油车怠速污染物、 柴油车自由加速烟度和全负荷烟度等排放限值有所加严。 1 9 9 9 年国家颁布了4 项等效采用欧洲排放法规的g b 3 8 4 7 - - 1 9 9 9 压燃式发 动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法、g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 汽车排放污染物限值及测试方法、g b l 7 6 9 1 - - 1 9 9 9 压燃式发动机和装 用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法、g b t1 7 6 9 2 1 9 9 9 汽车 用发动机净功能测试方法标准。1 9 9 9 年1 月1 日北京率先实施了相当于欧i 法规限值的g b1 l 1 0 5 1 9 9 8 轻型汽车排气污染物排放标准，2 0 0 0 年1 月1 日在全国实施了相当于欧i 限值的g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 标准，后来该标准于2 0 0 1 年4 月1 6 日被等效于欧i i 排放法规的g b l 8 3 5 2 1 - - 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放 限值及测量方法( i ) 代替，并已于2 0 0 4 年7 月1 日起在全国实施。2 0 0 5 年4 月 2 7 日，国家环保总局公布了五项机动车污染物排放新标准，其中g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 轻型车第1 阶段标准自2 0 0 7 年7 月1 日起实施( 北京已于2 0 0 5 年1 2 月 3 0 日开始实施) ，第阶段标准将于2 0 1 0 年7 月1 日开始实施。 此外，我国从2 0 0 0 年1 月1 且起还实施了g b l 7 9 3 0 - - 1 9 9 9 车用无铅汽油 标准。同时，国家除对定型和新生产车实施强制性排放标准外，还从2 0 0 1 年7 月1 日起实施了g b l 8 2 8 5 - - 2 0 0 0 在用汽车污染物排放限值及测量方法，进一 步加强了对汽车排放的控制。 g b l 8 3 5 2 1 - - 2 0 0 1 等排放标准的实施，明显缩短了我国与国外汽车污染物排 放标准的差距，使我国的汽车污染物排放标准达到欧洲2 0 世纪9 0 年代的水平； 但是欧洲从2 0 0 0 年已开始实施更加严格的欧m 排放法规，2 0 0 5 年实施欧排放 法规，与此相比我国现行的汽车污染物排放标准仍落后欧洲8 l o 年左右。 武汉理工大学硕士论文 1 2 轻型汽车污染物排放限值及测量方法中国、阶 段的特点 轻型汽车污染物排放限值及测量方法，中国i i i 、阶段主要具有以下特点： 1 适用范围i l i 】 按照g b t 1 5 0 8 9 - - 2 0 0 1 机动车辆及挂车分类标准的规定，轻型汽车指 最大总质量不超过3 5 0 0 k g 的m 1 类、m 2 类和n 1 类汽车。其中：m i 类车是指 包括驾驶员座位在内的座位数不超过9 座的载客汽车；m 2 类车是指包括驾驶员 座位在内的座位数超过9 座，但最大设计总质量不超过5 0 0 0 k g 的载客汽车；n 1 类车是指最大设计总质量不超过3 5 0 0 k g 的载货汽车。而按照g b t 1 3 7 3 0 1 2 0 0 1 汽车和挂车类型的术语和定义标准规定：乘用车是指在其设计和技术 特性上主要用于载运乘客及其随身行李和临时物品的汽车，包括驾驶员座位在 内最多不超过9 个座位；商用车是指在其设计和技术特性上用于运送人员和货 物的汽车，并且可以牵引挂车。因此轻型汽车类车型既属于乘用车的范畴，也 属于商用车的范畴。 此外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) 还对轻型汽车的燃料种类作了特别规定：不仅适用于汽油车、柴油车， 还包括燃用l p g ( 液化石油气) 或n g ( 天然气) 的单一气体燃料车和两用燃料 车。作为独立的技术总成、拟安装在轻型汽车上的替代用催化转化器，在污染 物排放方面也采用此标准。 2 排放标准国i i i 与排放标准国i i 之间的差异【7 】【8 】【9 】1 1 0 1 从国i 到国i i 的实施，虽然说排放限值有所趋严，相对来说还比较容易实 现。国h i 的难点不仅在于排放限值收紧( 从数值上看，汽车常温下的国i 排放 物限值比国i i 排气排放物限值全面下降3 0 ) ，更进一步的说从国i i 到国i i i 是一 个质的飞跃，两者的主要差别在于以下几点： 1 ) i 型试验中取消发动机起动后不采样的4 0 秒钟怠速：国i i i 规定从发动 机开始起动就采集废气样本。 2 ) 氮氧化物的排放单独考核：在国i 和国i i 排放法规中，将碳氢化合物和 氮氧化物的排放量合在一起考核，只对两者之和制订一个限值标准，但是在国 i 排放法规中分别规定碳氢化合物和氮氧化物的限值。 3 ) 与国i i 标准相比，除保留原有的低怠速c o 检测外，又增加了高怠速工 6 武汉理工大学硕士论文 况时的c o 检测，即组成了双怠速试验。该试验是在i 型试验结束后立即进行的， 一是测定常规怠速下的c o 和h c 的排放；二是测定高怠速( 发动机的转速在 2 0 0 0 r m i n 以上) 下的c o 、h c 和c 0 2 的排放，并计算 值。 4 ) 在型试验一蒸发污染物排放试验中，国排放标准增加了试验时间和 模拟可变环境温度，使试验程序更贴近实际使用工况。型试验的限值不变， 仍为2 9 , h 武验，最主要的变化是昼问呼吸运转试验由l h 的均匀加热油箱变为2 4 h 的模拟实际情况的密闭室环境温度变化。 5 ) 增添了一7 以下的冷起动试验。国增添了一项在一7 以下的环境 中进行的冷起动试验，一方面考虑我国冬天严寒地区汽车实际排放情况，从而 可以对低温条件下汽车排放严重超标情况进行有效监控；另一个方面也是要求 汽车排放控制系统在最短的时间内正常工作，转化有害气体。 6 ) 引入了e o b d 系统。从国i i i 开始要求引入欧洲车载诊断技术- - e o b d ， 分阶段执行相关的法规( 一般在国i 标准实施后一年施行) ，并要求进行o b d 系统功能测试。法规要求车辆在设计、制造有关排放的零部件时确保它们能够 有效的工作，保证每辆车使用时排放达标。 7 ) 新增了在用车符合性检验。在有国i i i 之前排放法规只对出厂新车做强制 性排放要求，国i i i n 要求污染物已通过型式核准的车型，制造厂还必须采取适 当措施，确保在正常使用条件下和汽车正常寿命期内，污染控制装置始终保持 其功能；同时要求在5 年或8 万公里内( 以先达到者为准) ，对这些措施进行检 查。 3 国i i i 排放标准对燃油的要求更严格 要实旌更严格的排放标准，汽车技术是一个方面，质量良好的燃油也很重 要。在国i 排放标准中引入了e o b d 系统，使用不合格的油品会导致汽车排放 超标或与排放有关的关键部件失效，o b d 系统会自动报警。这种情况下将会导 致o b d 系统的m i l ( 故障指示灯) 频繁点亮，使客户对汽车形成质量差的印象， 也会导致o b d 系统的可信度下降，以至于客户学会忽略m i l 。这样本已非常复 杂的o b d 系统就失去了应该具有的意义，因此困i i i 排放标准的顺利实施也需要 国内石油、石化企业提高燃油质量来大力配合。 7 武汉理亡大学硕士论文 1 3 课题的来源、工作的意义及内容 1 3 1 课题来源 本课题来自于国家环保总局的项目一 o b d 技术与在用车排放管理研究， 其中o b d 故障模拟装置( 发动机失火模拟装置和氧传感器劣化模拟装置) 的研 究和开发由武汉理工大学承担。 1 3 2 课题研究的目的、意义 1 课题研究的目的： 研制一套关于氧传感器劣化的模拟装置，并使该套装置能够成为型式认证 机关对车辆( 超过新车型型式认证的v 型耐久性试验里程的) 进行o b d 系统认 证和汽车厂家进行o b d 系统开发的试验装置。 2 课题研究的意义： 2 0 0 5 年1 2 月3 0 日起北京已经率先在国内实施国i 排放标准( 其中o b d 系 统推迟一年实施) ，而2 0 0 7 年7 月1 日全国将会实行国i i i 排放法规。国i i 到国 i i i 的一个重要差别就在于：从国m 开始要求引入欧洲车载诊断技术e o b d ，并 分阶段执行相关的法规。 在o b d 法规中一项重要的内容就是型式认证主管机关除了对新车型进行型 式认证以外，还要对已经行驶了超过新车型型式认证的v 型耐久性试验里程的 车辆，进行o b d 系统的型式认证，该项试验在v 型耐久性试验结束时进行。进 行这类试验时，制造商必须提供有缺陷的零部件或用于失效模拟的电气装置。 应当试验的失效模式包括：将催化转化器替换为劣化或有缺陷的催化转化器， 或模拟相应失效模式的电气装置；符合发动机失火监测要求的发动机失火工况 范围；将氧传感器替换为劣化或有缺陷的氧传感器，或模拟相应失效模式的电 气装置；断开蒸发物排放控制系统清洗电子控制装置( 如果装有的话) 的电路， 对于这种特定的失效模式，不得进行i 型测试；断开其它任何与排放有关、跟 动力系统管理计算机相连的零部件的电路 i l l 。在众多的认证项目中，有三个项 目是规定必须进行认证的，即：氧传感器失效验证、催化转化器失效验证和失 火验证，这三个项目必须进行i 型试验循环。因此本课题的研究将对国i i i 排放法 规的实施和e o b d 系统的成功应用具有重要的意义。 8 武汉理工大学硕士论文 1 3 3 研究的内容及期望成果 研究内容：e o b d 系统监测原理，包括氧传感器劣化、发动机失火、催化转 化器劣化以及与排放有关的其它零部件或子系统失效的监控原理；开发汽车用 氧传感器劣化的模拟装置，用v i s u a l b a s i c 6 0 对故障模拟装置系统操作软件的设 计；利用劣化模拟装置上进行测试试验，验证装置的性能，结合试验数据分析 并研究故障对车辆排放的影响。 研究成果：深入掌握o b d 系统监测原理；开发出产品化的氧传感器劣化模 拟装置。利用开发的装置完成了o b d 功能性认证试验的相关项目，通过对试验 数据的分析和研究，验证了开发装置的实用性、稳定性以及可靠性。 9 武汉理工大学硕士论文 第2 章0 b d 技术研究 美国环保署( e p a ) 调查发现，轻型汽车排出的废气中6 0 的h c 是从2 0 的 排放控制系统有故障或者性能降低的汽车中排出的1 1 2 】。这些故障可能不会显著 地影响汽车其他方面的性能，驾驶员也就不会意识到问题的存在，因此要想满 足国i i i 排放法规除了采用电子控制技术对汽车进行精确控制外，还需要加入一 套欧洲车载诊断系统即e o b d 系统对汽车的排放控制系统及相关的部件进行有 效监控。 o b d 系统就是一种有效监测影响汽车排放的零部件和子系统故障的手段。 当系统出现故障时，汽车上的故障灯( m i l ) 或检查发动机( c h e c ke n g i n e ) 警 告灯亮，同时动力总成控制模块( p c m ) 将故障信息以故障码的形式存入存储 器。维修人员用一定的方法和仪器可以将故障码从p c m 中读出，根据故障码的 提示，维修人员能迅速准确地确定故障的性质和部位，有针对性地去检查有关 部位、元件和线路，将故障排除，因此引入o b d 技术也有助于更好的实施在用 车i h d 制度。 2 10 b d 技术简介 2 1 1 第一代车载诊断系统( 0 b di ) o b d 系统的出现是因为环保机构要求用更精确的方法探测造成排放上升的 发动机性能问题。o b d 的起源要回溯到美国加州空气资源部( c a r b ) 为1 9 8 8 和后来的加州汽车制定的排放法规。从2 0 世纪八十年代起，美国、日本、欧洲 等各大汽车制造企业开始在电喷发动机汽车上配备车载诊断系统o b d 。o b d 系 统不会代替定期的排放测试，只是会起随车排放监测器的作用。 o b di 存在很多不足。一方面由于各大主要汽车制造企业的o b d 系统因其 发动机管理系统的不同而各不相同，各自采用自行设计的诊断座及自定义的故 障码，每一种车系都有自己的一套检测专用工具，例如专用的解码器，这给维 修及售后服务带来很大的不便。另一个方面是监测功能不强，有些故障o b d 无 法监测。如催化转换器完全失效或己被去除、发动机失火及燃油蒸发污染的排 放问题。况且，o b d i 仅当系统或者部件的失效已经发生时才点亮m i l 灯，它 i o 武汉理工大学硕士论文 无法监测到与排放相关部件的渐进损坏情况【1 3 1 。在这种情况下更精密、更标准 的车载诊断系统o b di i 和e o b d 应运而生。 2 1 2 第二代车载诊断系统( 0 b d i i 和e o b d ) 之所以有o b d i i 和e o b d 两种形式主要是因为美国和欧盟采用了两种不同 的排放法规体系，美国实施o b d i i ，而采用欧盟排放法规的国家则实施e o b d 系统。加州及美国环保署规定1 9 9 6 年开始实施o b d i i 1 4 l ，欧盟则从2 0 0 0 年开 始逐步实施e o b d ”】。世界其他国家则根据本国排放法规的制定和实施情况决 定采用o b d i 或e o b d 系统。 1 9 9 4 年，美国汽车工程师学会( s a e )