（车辆工程专业论文）cng汽车obd—Ⅱ系统开发——失火和氧传感器诊断.pdf

西华大学硕士学位论文 c n g 汽车o b d i i 系统开发 失火和氧传感器诊断 车辆工程专业 研究生王康康指导教师唐岚 随着汽车的增多，大气污染越来越严重，2 0 0 5 4 1 5 我国发布了轻型汽车污 染物排放限值及测量方法( 国i 、国) ，标准明确了加装车载诊断( o b d ) 系 统的要求。o b d 系统监控与汽车排放相关的部件，一旦故障发生，会马上发出 警示，故障指示器( m i l ) 或检查发动机警告灯亮，同时发动机控制单元e c u 将 故障信息存入存储器，通过接口可以从e c u 将故障码中读出。根据故障码的提 示，维修人员能够迅速、准确地确定故障的性质和部位。 本文对o b d 系统的诊断策略进行了分析，介绍了o b d 系统对发动机失火、 氧传感器、催化转化器和排放相关部件的监测原理。对发动机失火和氧传感器 老化的监测进行了重点分析和研究。采用曲轴转速波动法作为本文的失火诊断 策略。采用监测氧传感器信号电压和频率来判断氧传感器是否老化。针对诊断 策略设计开发了基于l a b v i e w 和n i 板卡的失火故障信号发生器和氧传感器故 障信号发生器。在不采用真实发动机的情况下，通过故障信号发生器生成逼真 的发动机信号验证开发的诊断代码和策略是否有效。最后在发动机台架上验证 了算法、测得了相关数据。 诊断系统的开发中采用故障信号发生器既安全又节省了开发时间和费用。 最后台架试验测得的数据表明策略的有效，可以用于判断故障，分析数据后， 还得到失火粗暴度限值表。 关键词：o b d ，失火诊断，氧传感器诊断，故障信号发生器 西华大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o b d - - i is y s t e mo fc o m p r e s sn a t u r a l m i s 行r e g a sv e h i c l e a n do x y g e ns e n s o rd i a g n o s i s v e h i c l ee n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w a n gk a n g k a n g t u t o r ：t a n gl a n b e c a u s eo fi n c r e a s e so fv e h i c l e s ，a i rp o l l u t i o nb e c a m em o r es e v e r e c h i n a i s s u e d “l i m i t sa n dm e a s u r e m e n tm e t h o d sf o re m i s s i o n sf r o ml i g h t d u t yv e h i c l e s ( p h a s el l i ，i v ) g b18 3 5 2 3 2 0 0 5 ”o na p r i l15 t h ，2 0 0 5 t h i ss t a n d a r da s k sa d do b d s y s t e mt ov e h i c l e o n b o a r dd i a g n o s i s ( o b d ) s y s t e mm o n i t o r st h ee m i s s i o n r e l a t e d c o m p o n e n t s a ss o o na sa m a l f u n c t i o nd e t e c t e d ，t h eo b ds y s t e mw i l l i n d i c a t e st o d r i v e r s ，am a l f u n c t i o ni n d i c a t o rl i g h to ra ne n g i n ec h e c kl i g h tw i l lb ei l l u m i n a t e d s u b s e q u e n t l yad i a g n o s t i ct r o u b l ec o d ew i l lb ew r i t t e nt ot h ee p r o m o ft h ee c u t h r o u g h i n t e r f a c ed i a g n o s t i ct r o u b l ec o d e sc a nb e r e a do u tf r o mt h ee c u a c c o r d i n g t o d i a g n o s t i c t r o u b l ec o d e s ，t h ep a r t sa n dt h ec h a r a c t e r so ft h e m a l f u n c t i o nc a nb em a d es u r er a p i d l ya n da c c u r a t e l y t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed i a g n o s i ss t r a t e g i e so fo b d i n t r o d u c ep r i n c i p l e so ft h e m i s f i r ed i a g n o s i s ，o x y g e ns e n s o rd i a g n o s i s ，c a t a l y s td i a g n o s i sa n de m i s s i o n 。r e l a t e d c o m p o n e n t sd i a g n o s i s s t u d yo nm i s f i r ed i a g n o s i sa n do x y g e ns e n s o rd e t e r i o r a t i o n d i a g n o s i s t h em e t h o do fs p e e df l u c t u a t i o no fc r a n ks h a f tw a su s e di nt h em i s f i r e d i a g n o s i s i no x y g e ns e n s o rd e t e r i o r a t i o nd i a g n o s i s ，e c um o n i t o r st h ev o l t a g e sa n d t h e f r e q u e n c i e so ft h eo x y g e ns e n s o r a c c o r d i n g t ot h e d i a g n o s i ss t r a t e g i e s ， m a l f u n c t i o ns i g n a lg e n e r a t o r sw e r ed e v e l o p e dw h i c hb a s e do nl a b v i e wa n dn i c a r d ss y s t e m t h r o u g ht h em a l f u n c t i o ns i g n a lg e n e r a t o r s ，l i v i n gs i g n a l so ft h ee n g i n e 2 c a l lg a i n e d ，e v e nw i t h o u tr e a le n g i n e 。a n dt h e s es i g n a l sc a nb eu s e d i nd e v e l o p m e n t s o ft h ed i a g n o s i sc o d e sa n dv a l i d a t e dt h ed i a g n o s i ss t r a t e g i e s a tl a s tt h e s ed i a g n o s i s c o d e sa n dd i a g n o s i ss t r a t e g i e sw i l lb ev a l i d a t e do nt h er e a le n g i n e ，i nt h et e s to nt h e f r a m el o t so fd a t aw e r er e c o r d e d i nt h ed e v e l o p m e n to ft h ed i a g n o s i ss y s t e m ，t h em a l f u n c t i o ns i g n a lg e n e r a t o r s c a nb r i n gl o t so fb e n e f i t s ，s e c u r i t ya sw e l l a s s a v i n gt i m e a n df a r eo ft h e d e v e l o p m e n t d a t ad e r i v ef r o mt h ef r a m et e s ti n d i c a t et h ed i a g n o s i ss t r a t e g i e st a k e e f f e c ta n dc a l lb e u s e di nm a l f u n c t i o nd e t e c t i o n t h et a b l eo fe n g i n er o u g h n e s sl i m i t s d e r i v e df r o mt h er e c o r d e dd a t a k e y w o r d s ：o b d ，m i s f i r e d i a g n o s i s ，o x y g e ns e n s o rd i a g n o s i s ，m a l f u n c t i o ns i g n a l g e n e r a t o r s 3 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位 论文或证书所使用过的材料。与我一起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谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明! 学位论文作者签名：丑乐倍辟亏月日 厶够 导师签名弘和柝厂月衫日 7 1 西华大学硕士学位论文 1 绪论 重型燃气发动机e c u 的开发是国家8 6 3 项目代用燃料汽车专用装置 关键技术开发的子课题，8 6 3 项目编号为2 0 0 6 a a l l a l c l 。主要由中国汽车 工程研究院国家燃气汽车工程技术中心承担。作者在本课题中主要负责故障信 号发生器开发和诊断软件设计及调试。 1 1o b d 简介 1 1 1 概念 汽车因大量采用计算机控制系统变得越来越复杂，各控制系统之间联系也 更为紧密。当某个部分出现故障时，可能导致整个控制系统甚至多个控制系统 不能正常工作，如果对故障情况不能及时发现和妥善处理，可能会导致故障进 一步扩大，严重地损害汽车使用性能【3 1 。 现代汽车计算机控制系统的控制单元具有对整个系统状况进行监测和评估 的功能，这就是o b d ( o nb o a r dd i a g n o s i s ) ，即车载诊断系统。o b d 是集成 在发动机管理系统中能够连续监测影响废气排放部件工作状态的诊断系统。 1 1 2 为什么需要o b d 系统 人类对大气层的各种活动正在改变地球。除非我们大大降低和控制机动车 污染物的排放和采取其他措施，否则这些活动会给地球的生态环境带来严重后 果。发动机管理系统可以有效的改进车辆的排放水平，减少污染物的排放。同 时，发动机管理系统部件的故障或损坏会导致污染物排放的急剧增加，而这些 部件的效能在车辆使用过程中会不断降低甚至损坏。及时检测这些部件的性能 并提示驾驶员相关故障信息使车辆及时得到养护和维修成为可能，这种想法的 实现就是车载诊断功能。 o b d 系统可以连续监控污染物的排放水平，及时地显示故障，其提供的故 障相关信息便于故障的定位和修复。o b d 系统的这些优点可以有效的控制在用 西华大学硕士学位论文 车排放水平，为车辆的保养和维修提供了便利的手段，通过其提供的实时数据 为爱好者提供了乐趣。 1 1 3o b di i 车载自诊断系统( o b d ) 利用安装在汽车内各个部位的传感器，自动检测 系统故障，发现故障后通过仪表板上的故障指示器通知驾驶员，并以故障代码 形式显示并将故障信息存入电子控制单元e c u 中，这些信息通过相应的设备， 即扫描工具( 诊断仪) ，或者安装了相应软件的计算机连接到车载诊断接口读取， 在维修车辆时，维修人员能调出故障代码，找出故障部位。o b di i 除了对电子 控制系统检测外，还对与排放有关的系统监测，更注重绿色环保问题【4 1 。 1 2 国外o b d 目前国际上，按不同国家和地区研制、生产和装用o b d 情况，当前已形 成3 大种类o b d ，美国o b d ( o b d i i ) 、欧洲o b d ( e o b d ) 和日本o b d ( j o b d ) 。 其中，装用最多的是e o b d ，我国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) 标准中就是参考采用的e o b d 技术体系。 1 2 1o b d 的历史 o b d 的概念最早是由通用汽车( q 讧) 于1 9 8 2 年引入的，其目的是监测排放 控制系统。一旦发现故障，o b d 系统会点亮仪表板上的一个指示灯以通知驾驶 员，同时在车载计算机( 通常称作发动机控制单元或模块，即e c u ) 记录一个 代码，这个代码可通过相应设备获取以便于故障排除。 通用汽车使用了一个内部标准来实现外部设备与电控单元之间的通讯，这 个通讯标准被称之为a s s e m b l yl i n ec o m m u n i c a t i o n sl i n k ( a l c l ) ，之后更名为 a s s e m b l yl i n ed i a g n o s t i c sl i n k ( a l d l ) 。最初的a l c l 协议通过p w m 信号以 1 6 0 波特率进行通讯。1 9 8 6 年，a l d l 的升级版本出现，它通过半双工u 伽玎 信号以8 1 9 2 波特率进行通讯，此协议被命名为g mx d e 一5 0 2 4 b 。 2 西华大学硕士学位论文 1 2 2o b d - i 通用汽车提出这一概念引起加州空气资源委员会( c 6 衄) 的重视。c a r b 于1 9 8 5 年采用了s a e 所制定的标准，要求从m y l 9 8 8 起所有在加州销售的车 辆都必须具有一些基本的o b d 功能。之后，美国环保局( e p a ) 要求自1 9 9 1 年 起所有在美国销售的新车必须满足相关o b d 技术要求，这就是后来所说的 o b d i 。o b d 1 只能监控部分部件的工作和一些排放相关的电路故障，其诊断 功能较为有限。此外，获取o b d 信息的数据通讯协议以及连接外部设备和e c u 的接口仍然未被标准化。 1 2 3o b d i i 和e o b d 汽车工程师协会( s a e ) 对诊断接口、通讯方式等技术细节进行了进一步标 准化工作，o b d i 在此基础上发展成为第二代o b d ，即o b d i i 。美国环境保 护局( e v a ) 采用了这些新的技术标准，并于1 9 9 0 修订了清洁空气法( c l e a r a i ra c t ) ，要求自1 9 9 6 年1 月1 日起所有在美国市场销售的新车必须符合o b d i i 所定义的技术要求。 与o b d i 相比，o b d i i 在诊断功能和标准化方面都有较大的进步。故障 指示灯、诊断连接口、外部设备和e c u 之间的通讯协议以及故障码都通过相应 标准进行了规范。此外，o b d i i 可以提供更多的数据被外部设备读取。这些数 据包括故障码、一些重要信号或指标的实时数据，以及冻结帧信息等。表1 1 为o b d i 与o b d i i 诊断功能的比较。 e o b d ：1 9 9 8 年1 0 月1 3 日，欧共体通过了指令e ud i r e c t i v e9 8 6 9 e c 。 该指令要求自2 0 0 0 年1 月1 日起，在所有在欧盟成员国内销售的新上市的汽油 机车必须满足相关规定，被称为e o b d 。与o b d i i 相比，e o b d 的要求较为 宽松，比如不对油箱泄露进行诊断等等。表1 2e o b d 排放限。表1 3 为e o b d 和o b d i i 排放法规比较。 西华大学硕士学位论文 表1 1o b d i 与o b d i i 诊断功能的比较 t a b l e1 1c o m p a r eo b d qw i t ho b d - i i 诊断项目o b d i 中的诊断o b d i i 中的诊断项目 项目 催化转化器劣化 失火单缸多缸失火 氧传感器不活跃，电路诊断劣化( 不正常的电压、响应) ，不活跃， 电路诊断 e g re g r 流量下降e g r 流量过高或过低 供油系统过浓或过稀过浓或过稀 二次空气系统功能电路诊断 蒸发控制系统系统泄露不良冲洗 排放相关电子部电路诊断功能性诊断( 对无功能性诊断的部件进 件行电路诊断) 表1 2 e o b d 排放限 t l b l e1 2t h r e s h o l do fe o b d 基准质量一氧化碳总碳氢化合氮氧化物颗粒物 ( 王m ) ( c o )物( t h c )( n o x )( p m ) k g( g k m )( g p l c m ) ( g k m )( g k m ) 类别级别汽油柴油汽油柴油汽油柴油柴油 第一全部 3 2 0 3 2 00 4 00 4 0o 6 01 2 0o 1 8 类车 ir m s l 3 0 53 2 03 2 00 4 00 4 0o 6 01 2 0o 1 8 第二i i1 3 0 5 r m5 8 04 0 0o 5 0o 5 0o 7 01 6 0 o 2 3 类车 1 7 6 0 i1 7 6 0 剐m7 3 04 8 00 6 0o 6 00 8 0 1 9 0o 2 8 对于燃用l p g 或n o 的车辆，极限值与汽油车相同。 4 西华大学硕士学位论文 表1 3e o b d 和o b d i i 排放法规比较 t a b l e1 3c o m p a r ee o b dw i t ho b d - i i e o b do b d i i 小于等于3 5 吨，小于等于9所有小于等于1 2 座的乘 有效范围座的轻型车用车及小于等于6 3 5 吨 的轻型卡车 m i l 灯亮：2 个错误驾驶循2 个错误驾驶循环后 环后( 最大1 0 个) m 灯 m i l 灯灭：3 个无错误驾驶3 个无错误驾驶循环后 循环后 绝对排放限值：相对限值：1 5 x 标准限值 报警限值c oh cn o x 3 2 9 k mo 4 9 k mo 6 9 k m 在正扭矩和发动机转速小于在正扭矩和直到发动机 失火探测 4 5 0 0 r p m 时工作 最大转速nm a x 的所有 转速范围内工作 1 9 9 6 年型车起始，不允 许泄露量超过相当于 l m m 孔径的泄露量：2 0 0 0 油箱系统泄露探测没有要求 年型车起始，不允许泄露 量超过相当于0 5 m m 孔 径的泄露量 传感器测试线路的连续性测试信号的合理性 储存自m i l 灯亮后的行驶距没有要求 错误存储 离 西华大学硕士学位论文 1 3 国内o b d 1 3 1 我国的o b d 要求 2 0 0 5 年4 月5 日，国家环保总局发布批准轻型汽车污染物排放限值及测 量方法( 中国i i i 、阶段) ( g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 ) 等五项标准为国家污染物排 放标准。o b d 作为强制性要求首次出现在我国的法规标准中。 此项标准是通过修改采用欧盟( e u ) 对7 0 2 2 0 e e c 指令进行修订的 9 8 6 9 e c 指令以及随后截止至2 0 0 3 7 6 e c 的各项修订指令的有关技术内容产 生的。主要的修改内容包括包含m 1 和m 2 类车型的分组、燃料的技术要求等 5 个方面，而o b d 部分基本照搬了欧盟的标准。 从具体差异来看，e o b d 和o b d i i 有明显的区别，而我国的国、法 规中的o b d 部分与e o b d 并无二致。虽然我国在具体实施中的尺度可能与欧 盟有所不同，但说我国实施的是e o b d 仍然更为贴切。 1 3 2 我国的o b d 状况 北京：2 0 0 5 年1 2 月2 3 日，北京环保局和北京市质量技术监督局发布公告 【京环发( 2 0 0 5 ) 2 1 4 号】，宣布自2 0 0 5 年1 2 月3 0 日起，在北京市销售新定型 车型( 包括全新产品及产品扩展与更改) 须安装车载诊断( o b d ) 系统，2 0 0 5 年1 2 月3 0 日前已定型上市销售并通过国家第三阶段排放标准审核的车型可延 迟安装o b d 系统；2 0 0 6 年1 2 月1 日后，停止在北京销售未安装o b d 系统的 新车。2 0 0 6 年1 月1 2 日，北京环保局公布了【京环发( 2 0 0 6 ) 4 号】第一批达到 国i i i 排放标准，且带o b d 功能的轻型车目录。2 0 0 6 年1 1 月1 5 日，北京环保 局再次发布公告【京环发( 2 0 0 6 ) 2 1 4 号】，重申半个月后的1 2 月1 日起，北京 市将停止销售未安装车载诊断系统( o b d ) 的国i i i 轻型汽车。 广州：2 0 0 6 年8 月3 1 日，广州环保局随后发布公告【穗环( 2 0 0 6 ) 8 1 号】， 规定“自2 0 0 6 年9 月1 日起，在市行政区域内登记的轻型汽车和重型汽车，应 当符合g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 、g b l 7 6 9 1 - 2 0 0 5 中的第三阶段排放控制要求，列入国 家环境保护总局发布的达标公告的轻型汽车车型( 包括全新产品及产品扩展与 更改) 需安装车载诊断系统( o b d ) 。 6 西华大学硕士学位论文 深圳：2 0 0 7 年5 月2 4 日，深圳政府印发“关于执行国家第三阶段机动车污 染物排放标准的环保车型目录的通告”( 【深府办 2 0 0 7 1 8 2 号】) ，规定从2 0 0 7 年7 月1 日起执行国三排放法规。从2 0 0 8 年1 月1 日起，轻型汽油车车型( 包 括全新产品及产品扩展和更改) 需安装车载诊断系统( o b d ) 。 1 3 3 我国的o b d 技术能力 我国，目前o b d 基本为博世、德尔福、电装、西门子等外资或它们在中 国的合资企业生产的产品。2 0 0 5 年日产汽车公司与中国国家环境保护总局在钓 鱼台共同签署( o b d 技术与在用车排放管理研究项目合作备忘录。此项目旨 在推动中国国内排放标准体系的建立。日产汽车公司将为该项目提供研究经费 和相应的技术支持。 中国国家环保总局将利用日产汽车公司在o b d 系统研究方面多年的研究 经验和领先的技术，与日产汽车公司就o b d 技术与在用车排放管理方面开展 合作，以建立适合中国情况的排放标准体系，规范国内汽车排放标准。 这次合作将在五个项目中展开，包括低排放车辆o b d 监测原理，欧洲法 规对o b d 系统的技术要求，o b d 功能性演示试验失效零部件或模拟器的研制， o b d 试验认证程序制订和o b d 与在用车排放管理、排放缺陷召回等制度方面 的相关研究。 目前，国内能够提供o b d 方案的基本上是合资企业或外商独资企业，就 是说o b d 技术没有本土产品。自主研发o b d 的企业更是少。2 0 0 7 年，天津一 汽在澳大利亚开始了o b d 技术的整车试验。o b d 技术在国内远落后与国外技 术。 1 4 未来的o b d i o b d i i 虽然可以诊断出排放相关故障，但是无法保证驾驶者接受m i l 的 警告并对车辆故障及时修复。为此以无线传输故障信息为主要特征的新一代 o b d 系统，即o b d 正在发展当中。图1 - 1 o b d i i i 系统能够利用小型车载无 7 西华大学硕士学位论文 线收发系统，通过无线蜂窝通信，卫星通信或者g p s 系统将车辆的v i n ，故障 码及所在位置等信息自动通告管理部门。管理部门根据该车辆排放问题的等级 对其发出指令，包括去何处维修的建议，解决排放问题的时限等。这些信息可 在相关法规的基础上对维护不当从而造成过多排放污染的车辆惩罚。 o b d - 1 1 i 的不仅需要相关通讯技术、标准和法规的不断成熟，对o b d 系统 诊断功能本身的准确性和可靠性也是一个更高的要求。目前o b d i i i 仍然处于 发展阶段【3 3 1 j 。 f i 9 1 1o b d - i i i ( w i r e l e s so b d ) 图1 1o b d i i i ( 无线o b d ) l 。5o b d 系统的诊断功能、原理简介 g b1 8 3 5 2 3 2 0 0 5 对o b d 的定义为：o b d 指用于排放控制的车载诊断系统， 它必须具有识别可能存在故障区域的能力，并以故障代码的方式将该信息储存 在电控单元存储器内。车载诊断( o b d ) 系统在车辆使用过程中诊断与排放相关 的、可能导致排放超限值的执行机构、传感器、开关量等部件和系统。以及被 西华大学硕士学位论文 指定的特殊零件和系统，包括三效催化转换器和失火诊断。与发动机控制器相 连的所有与排放相关部件至少应当有电路连续性监测。如出现故障，故障代码 必须储存。并且应在2 至9 个运转循环时激活故障指示灯( m i l ) ，不接受需要平 均1 0 个以上运转循环才能激活m i l 灯的方案。一个运转循环包括发动机起动、 运转工况和发动机熄火【2 1 。 1 5 1 法规要求【2 】 o b d 系统的监测范畴取决于法规要求、发动机管理系统的功能以及车辆制 造厂和电喷系统供应商的要求。 法规要求：o b d 系统的诊断范畴至少会满足法规的最低要求。不同的法规 对o b d 系统的监测要求是不同的。我国对汽油机o b d 系统的监测要求见 g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 中的i 3 3 3 ，对柴油机o b d 系统的监测要求见g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 中的i - 3 3 4 。 诊断功能的扩展：为了便于车辆的维护、修理以及使用的安全，o b d 系统 的功能往往要高于法规的要求。具体的要求往往由各个车辆生产厂和电喷系统 供应商决定。 这主要表现在两方面： 一方面，一些部件的损坏或者失效虽然不会引起排放超过o b d 限值，但 是也会被o b d 系统诊断出来。事实上，这种部件的损坏或者失效对o b d 系统 来说不能称之为“故障”，对o b d 系统而言，“故障”是指那些会导致排放超过 e o b d 排放限值，或者影响其它诊断功能的失效。比如空调驱动电路( 如果由 发动机管理系统控制) 和制动增压泵的损坏虽然不会引起排放超标，但为了及 时得到维修，这些故障也往往会被监测。 另一方面，在法规不做强制要求的监测条件下，只要o b d 系统能够进行 可靠的监测，其诊断功能往往被打开。比如失火诊断区域由法规g bl 8 3 5 2 3 - 2 0 0 5 中的i 3 3 3 2 确定，但是只要可靠，失火监测功能在高于4 5 0 0r p m 时 也是工作的。 9 西华大学硕士学位论文 1 5 2o b d 诊断原理【3 】 o b d 系统对象包括微处理器及其相关外围设备、传感器和执行器等。自诊 断的方法是通过运行监测和诊断程序对微处理器及其外设、传感器和执行器的 各种实际参数进行监测，并将监测到的数据与存储的标准数据进行比较，对比 较的结果进行逻辑分析，进而判定系统或部件的状态。如果存在异常，系统故 障灯亮，存故障码。图1 2 汽车故障诊断和保护功能图。 传感器e c u执行器 f i 9 1 2v e h i c l eo b d f u n c t i o n 图1 2 汽车故障诊断功能 控制单元自诊断：在控制单元上电初始化的过程中，都要对微处理器及其 存储器( r a m ) 和集成电路等外围器件的功能进行检测，检测包括对程序功能 和校正变量进行校验，对随机存储器进行读写检查。 传感器诊断原理：在发动机工况固定情况下，传感器的信号都在一定范围 之内，发动机通过各种传感器确定工况，并对各传感器在所处工况下输出信号 的合理性进行逻辑判断，并根据合理性判定传感器的状态。 执行器诊断原理：控制单元可以对执行器的电路状态进行检测来实现对执 行器的诊断；也可以在一定条件下根据向执行器发出控制指令后根据被控系统 的反馈情况对执行器的状态进行判定。以发动机喷油嘴为例子，在独立喷射的 发动机中，喷嘴工作正常的话，发动机燃烧均匀，发动机不会出现异常，如爆 1 0 西华大学硕士学位论文 震等现象：如果有一缸的喷油嘴堵塞或损坏，则发动机会因为某气缸没有燃烧 产生爆震，所以可以判定喷油嘴有故障【2 2 1 。 系统检测原理：满足系统诊断条件时，微处理器通过判断与系统相关的传 感器信号是否正常，来判断系统的正常与否。所以在进行系统监测之前，需要 微处理器首先检测传感器的工作状态，如果传感器有故障，将不对系统进行监 测。 故障处理与保护：当发动机控制单元检测到异常信号时( 特别是关键信号： 如进气压力、节气门位置、冷却液温度) ，控制单元无法让发动机运转在最佳状 态，一个设定的值将替代传感器信号，保证汽车可以开到维修站。 1 5 - 3o b d 系统的主要诊断功能 不同发动机管理系统的o b d 功能和诊断策略可能不同，以下是一些典型 的诊断功能：综合部件诊断( 执行器和传感器) 、三元催化转化器诊断、燃油蒸 发系统诊断、失火诊断、废气再循环系统诊断和二次空气系统诊断【4 】。 1 6 本文的主要工作 美国、德国、日本等汽车发达国家，o b d 技术成熟，汽车上基本都配备了 o b d ，而且有统一的协议和数据诊断接口。他们已经开始o b d i i i 的开发。国 内从2 0 0 5 开始对o b d 做出要求，目前，国内没有自主成熟的产品。 本文主要工作是为国家燃气汽车工程技术中心承担的国家8 6 3 项目代用 燃料汽车专用装置关键技术开发开发部分o b d ，主要开发氧传感器诊断、失 火诊断及其故障模拟器。 1 7 本章小结 本章分析了o b d 的诊断方法和国内外的状况，提出了本文的研究内容。 西华大学硕士学位论文 2o b d i i 系统诊断方法研究 车载诊断o b d i i 系统诊断功能主要为零部件诊断( 执行器和传感器) 、三 元催化转换器诊断、失火诊断等三部分。也可以分成系统诊断和零部件传感器 诊断。本文重点研究失火诊断和氧传感器诊断【4 】。 2 1 失火诊断 发动机失火是指点燃式发动机由于没有发火、混合燃料浓度过稀、压缩压 力太低或其它原因导致气缸内燃料不能燃烧。就车载诊断( o b d ) 系统检测而 言，它是指失火次数占总点火次数的百分比( 由制造厂申报的) ，当达到或超 过该百分比时，将导致污染物超过i 3 3 2 的限值( 如表1 2 ) ，或者导致一个 或多个排气催化转化器因过热而造成不可逆的损坏。2 的失火率会导致排放增 加5 0 ，如果失火率增加到1 7 ，催化器会损坏【2 亿l 。 2 1 1 发动机失火监测方法 目前主流的方法有：曲轴传感器监测转速波动法、离子电流监测法和排气 压力检测法。正在研究中的方法有：缸内压力传感器【1 4 1 、曲轴磁磁致伸缩分析 法【2 9 1 。 曲轴传感器监测转速波动法：发动机失火检测基于对发动机转速波动的评 估。为检测任一气缸的失火，通过测量两个点火事件之间的时间，评估每个气 缸转矩的变化，也就是测量发动机角速度的变化。正常情况下，发动机压缩、 做功，先是减速后是加速，属于正常现象。当发动机失火时，除了发动机压缩 期间瞬时转速有所减缓，由于发动机失火，缺乏做功时的加速，因此，发动机 缺火时的转速波动极大。发动机控制单元可以通过安装在曲轴上的转速传感器 来感知瞬时的角速度变化情况，从而确定哪一气缸出现失火【n 1 21 7 】。图2 1 曲轴 传感器位置。 影响该失火监测方法准确性的因素有：曲轴传感器信号分析算法、低负荷 高速运行情况、路面情况和驾驶情况( 离合器的吸合、分开频率) 等等。图2 2 发动机失火检测系统工作原理【2 6 】。 1 2 西华大学硕士学位论文 f i 9 2 1c r a n k s h a f ts e n s o r 图2 1 曲轴传感器 匦盈囫 r 嚆 ql 矿圈 发动机失火检测系统工作掰c 理 f i 酡2p r i n c i p l eo f m i s f i r em o n i t o ro f e n g i n e 图2 2 发动机失火检测系统工作原理、 火花塞离子电流法【3 4 ”1 ：这种方法利用发动机自身的火花塞作传感器，外 加一个偏置电压，使火花塞间的离子在外加电场的作用下形成定向流动，从而 1 3 阜梆皂；战 小一一薪。 ， 西 西华大学硕士学位论文 产生所谓的火花塞离子电流，火花塞离子电流包含大量发动机燃烧和运转的信 息，通过信号采集和处理，提取我们所关心的发动机运行参数，包括失火信息。 离子电流的大小直接反映燃烧室内离子和电子的多少。当发动机点火成功，燃 气有效燃烧时，由于产生了大量的燃气离子，因而通过火花塞电极间隙的离子 电流就较大：反之，当发动机失火时，由于缸内气体与氧气未能充分发生反应或 者根本就无法发生反应，产生的离子数量就大大减少，或者没有离子产生，此 时通过电极的离子电流也相应地发生变化。因此，通过测量火花塞电极之间的 离子信号就能准确地判断出发动机是否有效点火和燃烧。 九传感器法【1 2 】：如果发动机有一个气缸或多个气缸的喷射出现问题而没有 燃烧，将导致排气中空燃比的变化，这样就会引起九传感器信号的变化，九传 感器会急剧下降，并且会有高频的杂波信号。所以通过传感器急剧下降或高频 的杂波信号来判断失火【1 2 】。 排气压力检测法【1 4 】：采用缸内压力传感器，由于发动机气缸内的压力与燃 烧有直接的关系，因此可以通过检测缸内压力的变化来判断失火。这种方法的 特点是在高速、大负荷条件下，失火时的气缸压力与正常燃烧时的气缸压力有 很大的差异，失火比较容易检测；而在低速、小负荷时，这种差异可能就不明 显，因而不能直接应用气缸压力差异判断失火。可以通过缸内压力计算出平均 指示压力( m m p ) ，将此值与正常燃烧时的平均指示压力进行比较，就可以得 出燃烧的状况，判断是否发生了失火。 其他方法还有曲轴磁磁致伸缩分析法等。本文采用曲轴传感器转速的波动 方法。 2 1 2 法规对失火监测的要求【2 】 2 1 1 1 失火监测区域 法规g b l 8 3 5 2 3 - 2 0 0 5 中i 3 3 3 2 发动机运转时的失火监测区域由下列边 界条件确定： ( a ) 最高转速为4 5 0 0 r m i n 或比i 型试验【2 1 ( 常温下冷起动后排气污染物排 放试验) 期间出现的最高转速高1 0 0 0 r m i n ，两者中的较小者： ( b ) 变速箱在空档时发动机的扭矩曲线； 1 4 西华大学硕士学位论文 ( c ) 发动机下述运转点的连线：( b ) 中扭矩线上3 0 0 0 r m i n 的点，与( a ) 中最高 转速线上发动机进气管真空度比( b ) 中扭矩线低1 3 3 3 k p a 的点。通过发动机进气 压力传感器来判断进气管真空度。失火诊断区域如图2 3 。 载荷删冀t r o k o 满载荷 o2 0 0 0 柏 转速 f i 9 2 3m i s f i r ed i a g n o s i sa l g a 图2 3 失火诊断区域 2 1 1 2 失火监测功能的关闭条件 由于当前技术水平的限制，通常使用的失火监测方法很难确保在车辆和发 动机运转的所有工况下，发动机失火都能够被准确可靠的诊断出来。 g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 中沿用e o b d 法规的定义，在i 3 2 中对允许关闭失火诊断功 能的情况做了如下定义： i 3 2 车载诊断( o b d ) 系统应在设计、制造和汽车安装上，确保其在正常 使用条件以下符合本附录的各项要求。 i 3 2 1 车载诊断( o b d ) 系统的临时中断： i 3 2 1 1 如果车载诊断( o b d ) 系统的监测能力受燃油箱低液面的影响， 制造厂可以中断车载诊断( o b d ) 系统。当燃油箱液面超过燃油箱名义容量2 0 时，不得出现中断。 i 3 2 1 2 如果制造厂提交的数据和或工程评价能够充分证明，当在环境温 度低于2 6 6 k ( 一7 ) 或海拔高于2 5 0 0 m 的条件下起动发动机时，监测是不可 - 靠的，制造厂可以在这些条件下中断车载诊断( o b d ) 系统。如果制造厂向型 l5 啪 珊 瑚 狮 御 妇 西华大学硕士学位论文 式核准机关提交的数据和或工程评价能够证明，在其它环境温度下起动发动机 时，会导致误诊断，制造厂也可以要求在这些条件下中断车载诊断( o b d ) 系 统。 i 3 2 1 3 对装有动力输出装置的汽车，只有当动力输出装置工作且影响监 测系统时，才允许中断被影响的监测系统。 i 3 2 2 发动机失火( 仅对装点燃式发动机汽车) ： i 3 2 2 1 若制造厂能向型式核准机关证明，在发动机特定转速和负荷工况 下，低失火率的监测不可靠，制造厂可以采用高于申报的失火故障百分率。 i 3 2 2 2 当制造厂能向型式核准机关证明较高失火百分率监测仍行不通， 或无法辨别失火与其它因素( 如：坏路、换档、发动机起动后等) 的影响，则 在这些条件下，可以中断失火监测系统。 2 1 1 3 失火故障指示器的激活 i 3 5 2 对于需要两个以上运转循环才能激活m i l ( 故障指示灯) 的方案， 制造厂必须提供数据和或工程评价，以充分证明该监测系统能同样有效和及时 地监测部件的劣化。不接受需要平均1 0 个以上运转循环才能激活m i l 的方案。 一旦超过i 3 3 2 给出的排放限值，发动机控制将进入永久排放默认模式，或者 车载诊断( o b d ) 系统不能满足i 3 3 3 或i 3 3 4 的基本诊断要求时，m 几也必 须激活。一旦发动机失火达到制造厂规定的水平，可能引起催化转化器损坏时， m i l 必须在独特的警告模式下工作，如指示灯闪烁。当汽车点火开关已打开， 而发动机尚未起动或转动，m i l 也必须激活。发动机起动后，如果先前没有检 查到故障，m i l 应熄灭。 根据以上内容，如果发动机的失火率会导致排放超过e o b d 限值之前， m 应该被点亮。如果失火程度会导致催化器损坏，那么m 几应该闪烁以警告 驾驶员立即采取措施。 2 1 1 3 失火故障码存储 g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 中规定如下： i 3 6 2 对于装点燃式发动机的汽车，如果储存了一个独特的单缸或多缸失 1 6 西华大学硕士学位论文 火故障代码，可不必识别具体的失火气缸。虽然根据标准，在出现失火故障的 时候仅报出p 0 3 0 0 即可，但是为了便于维修，一般的o b d 系统都会同时报出 对应失火缸的故障码。 2 2 氧传感器诊断 电喷发动机控制系统中的氧传感器是汽车中一个非常重要的传感器，用来 监测发动机排气中氧的含量。并根据所测得的数据输出一个信号电压，反馈给 e c u ，从而控制喷油量的大小。e c u 根据氧传感器输入的信号，不断地对喷油 脉宽进行修正，使混合气浓度保持在理想范围内，实现空燃比的反馈控制，即 闭环控制【5 61 6 】。为降低排气污染，目前汽车发动机的排气管上普遍安装了三元 催化转化器，它能净化排气中的c o 、c h 和n o3 种有害气体的成分，但三元 催化转化器只有在空燃比接近理论值( a f = 1 4 7 ：1 ) 的范围内起净化作用。当排 气管中装入氧传感器后，根据检测排气中的氧浓度信号，e c u 控制空燃比，使 三元催化转化器更有效地起净化作用【5 j 。因此对氧传感器的监测至关重要。 氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液 的作用。在一定条件下( 如高温和铂催化) ，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差， 产生电位差，而且浓度差越大，电位差越大【6 】。o b d 】i 在发动机运行过程中持 续不断地监控氧传感器的工作灵敏度、氧传感器信号电压以及氧传感器的预热 器1 5 】。当氧传感器老化后，我们将会观察到氧传感器的电压周期大大增加或者 氧传感器的信号电压将变得平直。图2 4 为前氧传感器老化或中毒时发动机电 脑的诊断曲线。氧传感器的电压从高到低，从低到高变化，信号的频率被用来 诊断故障，跳变频率和发动机转速、载荷都有关系，当频率小于一定值后，氧 传感器就认为有故障 2 6 1 。