（车辆工程专业论文）车载自诊断系统的部件监控及认证试验流程.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国和世界其他国家一样，随着汽车工业的迅速发展，环境污染越来越严重， 因此我国实施了更为严格的欧3 排放法规，而欧3 法规和欧2 法规的最大不同 是车载自诊断系统( 0 b d ) 的引入。 车载自诊断系统具有识别可能存在故障的区域的功能，并以故障代码的方式 将该信息存储在电控单元存储器内。当系统或部件出现故障时，故障指示灯就 会点亮，同时故障信息储存在存储器中，连接诊断工具就可以读取故障码和冻 结帧信息。维修人员根据故障码的提示，就能方便快捷地找出故障的所在，在 最短的时间内完成车辆的维修。 车载自诊断系统监控的系统或部件有：三元催化转化器、氧传感器、失火、 废气再循环、燃油系统、燃油蒸发控制系统监控、二次空气系统监控、油箱通 风系统监控、氧传感器加热器监控、曲轴箱通风系统监控、发动机冷却系统监 控、冷起动排放减少系统监控、可变气门正时系统监控等。当监控系统发现故 障后，会采取一些故障应急措施，勉强将车开到维修站去进行维修。 在车辆认证试验中，引入了车载自诊断系统认证试验。在认证试验中，必须 进行试验的三个项目是：氧传感器失效验证、三元催化转化器失效验证和失火 验证。此外，还要进行一个断线试验，一般选择碳罐断线试验。在试验过程中， 故障指示灯点亮并且排放没有超过o b d 限值，车辆通过认证。经过实车0 8 d 验证已获得认证的车型，在满足扩展条件时可以向其它车型扩展。 要保证车载自诊断系统在我国的顺利实施，首先要解决的是开发成本问题， o b d 对于我国来说是个新事物，在研发方面可能需要投入很多的时间和金钱； 其次是生产成本问题，车辆的软硬件都需要升级；再次是油品问题，如果油品 达不到标准，就会导致车载自诊断系统的传感器失效，不仅无法对尾气进行监 控，还可能损坏车辆。基于这些原因，o b d 的实施分为四步走：提高燃油质量： 鼓励实施有限的o b d 作为过渡；建立仅控制排放限值的法规，而不控制o b d ； 当全国的燃油质量合适时，开始逐步实施0 b d 法规。 关键词：车载自诊断系统，故障指示灯，诊断故障代码，冻结帧 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ha u t o m o b i l ei n d u s t r yr a p i dd e v e l o p m e n t ，o u rc o u m r yl i k et h e o t h e rc o u n t r i e s ，f a c i n gm o r es e r i o u sa i rp o l l u t i o np r o b l e m t h e r e f o r e ，t h eg r e a t s t d c t e re m i s s i o nr e g u l a t i o n s - e u r 0 3w i l li m p l e m e n ts o o na l lo v e rc h i n a t h e g r e a t e s td i f f e r e n tb e t w e e ne u r 0 3a n dt h ee u r 0 2e m i s s i o nr e g u l a t i o n si s i n t r o d u c et h eo n b r o a dd i a g n o s t i c ss y s t e m o n b o a r dd i a g n o s t i cs y s t e mm u s th a v et h ec a p a b i l 时o fi d e n t i f y i n gt h e l i k e l ya r e ao fm a l f u n c t i o nb ym e a n so ff a u l tc o d e ss t o r e di nc o m p u t e rm e m o r y t h em a f f u n c t i o ni n d i c a t o rm u s ta c t i v ei nt h ee v e n to fam a l f u n c t i o no fa n y e m i s s i o n - r e l a t e dc o m p o n e n to rs y s t e m ，a tt h es a m et i m e ，t h em a l f u n c t i o n i n f o r m a t i o nw a ss t o r e di nt h ec o m p u t e rm e m o r y d i a g n o s t i ct r o u b l ec o d e s a n df r e e z ef r a m ec a nb er e a db ys c a n t 0 0 1 r e p a i r e rc a nd e t e c tt h e m a l f u n c t i o nq u i c k l ya n dr e p a i rt h ev e h i c l ea ss o o na sp o s s i b l et h r o u g ht h e i n d i c a t i o no fd i a g n o s t i ct r o u b l ec o d e t h e r ea r em a n ym o n i t o r si no b d ：c a t a l y s te f f i c i e n c ym o n i t o eo x y g e n s e n s o rm o n i t o r , m i s f i r em o n i t o r , e g rm o n i t o r , r u e i s y s t e mm o n i t o r , e v a p o r a t i v es y s t e mm o n i t o r , s e c o n d a r ya i rs y s t e mm o n i t o et a n kv e n t i l a t i o n m o n i t o r , o x y g e ns e n s o rh e a t e rm o n i t o r , p o s i t i v ec r a n k c a s ev e n t i l a t i o ns y s t e m m o n i t o r , e n g i n ec o o l i n gs y s t e mm o n i t o ec o l ds t a r te m i s s i o nr e d u c t i o ns t r a t e g y m o n i t o r , v a r i a b l ev a l v et i m i n ga n d o rc o n t r o ls y s t e mm o n i t o ra n ds oo n w h i l e t h em o n i t o rs y s t e md e t e c t e dm a l f u n c t i o n nw o u l dt a k es o m ee m e r g e n c y p r o c e d u r e st om a k ev e h i c l ed r i v et om a i n t e n a n c es t a t i o nr e l u c t a n t l y t h e t y p e - a p p r o v a lo fo b dh a s b e e ni n t r o d u c e di n t ov e h i c l et y p e a p p r o v a l p r o c e d u r e s t h et e s to fo b ds y s t e mc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gi t e m s ：o x y g e n s e n s o rd e t e r i o r a t i o nt e s t ，c a t a l y s te f f i c i e n c yd e f e c t i v et e s t ，m i s f i r et e s ta n d e l e c t r i c a ld i s c o n n e c t i o nt e s to ft h ee l e c t r o n i ce v a p o r a t i v ep u r g ec o n t r o ld e v i c e t h ev e h i c l ei sa p p r o v e d ft h em ii sa c t i v a t e da n de m i s s i o n sc a n te x c e e dt h e l i m i t so fo n b o a r dd i a g n o s t i c t h ev e h i c l et y p ew h i c hh a so b t a i n e do b d c e r t i f i c a t i o n ，w h e ns a t i s f i e st h ee x p a n s i o nc o n d i t i o nm a ye m e n dt oo t h e r j l 武汉理工大学硕士学位论文 v e h i c l et y p e t og u a r a n t e eo n b r o a dd i a g n o s t i c ss y s t e mi m p l e m e n ts u c c e s s f u l l yi n o u rc o u n t r y , w em u s ts o l v et h er e s e a r c hc o s tf i r s t i tm a yn e e df o rm u c ht i m e a n dm o n e yi nr e s e a r c h i n g ，b e c a u s eo b di san e wt h i n gt oo u rc o u n t r y s e c o n d l yi t i st h ep r o d u c t i o nc o s t ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ev e h i c l e s a l ln e e du p g r a d i n g f i n a l l yi ti st h ef u e lq u a l i t y i fc a nn o ta c h i e v et os t a n d a r d 。i t w i l lc a u s et h es e n s o ro fo b ds y s t e md e t e r i o r a t e n o to n l yu n a b l et o m o n i t o r i n gt h ev e h i c l ee m i s s i o n ，b u ta l s op o s s i b l yd a m a g e st h ev e h i c l e s b a s e do nt h e s er e a s o n s ，t h ei m p l e m e n t a t i o no f0 b dr e g u l a t i o n sd i v i d e si n t o f o u rs t e p ：i m p r o v e st h ef u e lq u a l i t y , e n c o u r a g et oi m p l e m e n to b dr e g u l a t i o n l i m i t e da st r a n s i t i o n ，e s t a b l i s he m i s s i o nr e g u l a t i o n sw i t h o u to b d ，w h e nt h e n a t i o n a lf u e lq u a l 时i sa p p r o p r i a t e ，i m p l e m e n tt h eo b dr e g u l a t i o n sg r a d u a l l y k e yw o r d ：o n b o a r dd i a g n o s t i c s m a l f u n c t i o ni n d i c a t o r d i a g n o s t i c t r o u b l ec o d ef r e e z ef r a m e i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 汽车工业的发展给世界经济带来了重大机遇和活力，但是同时也带给人类 社会很多的负面影响，特别是对大气的污染越来越严重了，因此世界各国都致 力于大气污染的防治工作。 在我国的一些城市，随着机动车数量的日益增加，空气污染日趋严重，这 不是只有我国才面临的问题，世界上很多国家也正面临着空气污染严重的问题。 所以人类正不断地采取各种措施来减少大气的污染，比如制定越来越严格的排 放法规，每次提高汽车排放标准都会降低汽车尾气排放。目前，国外实施的汽 车排放标准主要有欧洲标准、美国标准和日本标准三种体系，其中以欧洲标准 应用较广。泰国、印度、韩国等地于1 9 9 9 年和2 0 年先后实施了欧2 标准或 相当于欧2 水平的标准。我国也是借鉴欧洲标准，再结合我国的国情来制定适 合中国自己的排放法规。我国2 0 0 0 年开始实施的轻型汽车污染物排放限值及 测量方法( 1 ) 等效于欧1 标准，在2 0 0 4 年7 月又实施轻型汽车污染物排放 限值及测量方法( 2 ) 等效于欧2 标准。国标的实施给我国带来的变化是有目 共睹的，一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和颗粒物等都有了明显的减少。 近年来我国汽车业发展迅速，现在已经成为世界上汽车第四大生产国和第 三大消费国，随着机动车的大幅度增长，我国的污染排放量也大大的增加。所 以在我国迫切地需要尽快地实施相当于欧3 标准的国3 标准。国3 标准和国2 标准的区别不只是排放限值的收紧，还包括以下5 个方面的差别： 取消了发动机起动后4 0 秒怠速不采样的规定。国1 和国2 标准的测试 循环中，在发动机起动后的4 0 秒怠速阶段对排气不予采集，国3 标准则取消了 这规定，从发动机起动就开始采集废气样本。 单独考核氮氧化物的排放。国1 和国2 标准对h c 和n o x 的排放合在 一起考核，对两者之和制定一个限值标准，不超过0 5 9 k m ，但是国3 标准分别 规定了两者的排放限值，h c 的限值标准为o 2 9 k m ，n o x 的限值标准为 o 1 5 9 k m 。对于车辆来说，分别考核，车辆达标的难度更大。 新增了型试验。型试验也就是一7 以下的环境进行的冷起动试验， 这是国3 标准新增的一项试验。 武汉理工大学顼士学位论文 耐久性要求的进一步提高。国3 标准对排放控制装置的耐久性要求更加 严格，要求捧放控制装置在行驶了5 年或8 万公里之后，仍能满足型式认证的 排放要求。 e o b d 的引入。国3 标准最大的变化就是引入了o b d ( o nb o a r d d i a g n o s t i c s ) 系统，即车载自诊断系统。 实施国3 标准的重点和难点是车载诊断系统，只有将欧3 和o b d 同步实施 才能最大程度的降低大气污染。但是根据我国的实际情况，在全国同时实施欧3 ， 且o b d 同欧3 同步实施是不可能的。2 0 0 5 年1 2 月，北京率先实施了国3 标准， 但是因诸多原因o b d 推迟一年实施，而广州也紧随其后，在2 0 0 6 年实施国3 标准，计划2 7 年在全国范围内实施。 1 2 车载自诊断系统简介 o b d 是车载自诊断系统，是o nb o a r dd i a g n o s t i c s 的简称。它是指捧放控 制用车载诊断系统，它具有识别可能存在故障的区域的功能，并以故障代码的 方式将该信息存储在电控单元存储器内。当系统或部件出现故障时，故障指示 灯( m i ) 就会点亮，同时动力总成控制模块( p c m ) 就会将故障信息储存在存 储器中，连接诊断工具就可以读取故障码，维修人员根据故障码的提示，就能 方便快捷地找出故障的所在，在最短的时间内完成车辆的维修。 1 2 1o b d 系统的作用及意义 随着世界各国汽车保有量的不断增加及全球环保意识的加强，汽车污染物 排放正受到前所未有的关注，有关排放法规也越来越苛刻。在用车检测与维护 ( i m ) 程序在汽车工业发达国家早已实施，这不但降低了在用车的排放水平， 同时对汽车排放控制系统也提出了更高的要求，车载自诊断系统应运而生。o b d 系统有很多优点，例如：能够改善车辆的排放性能，快速对车辆的排放性能进 行诊断，更能改善车辆的维修服务，能够提示驾驶员注意故障警告，避免车辆 的进一步损坏。 o b d 的出现带给维修人员、国家和地区环保部门、车主和车辆制造厂极大 方便的同时，也对他们提出了更高的要求。 对于维修人员来说，o b d 系统可以提供简单，快捷和有效的方式诊断车辆 的问题来辅助维护和修理车辆。在问题还未扩大以前及时进行修理，再者o b d 武汉理工大学硕士学位论文 向维修人员提供了更精确，更及时的故障信息，提高了工作效率。因此，维修 人员的知识和技能要求有进一步的提高。 对于国家和地区环保部门来说，o b d 系统在环境保护方面做出了很大的贡 献。通过向技术人员提供及时、准确的排放信息，帮助车主更有效的保养他们 的车辆，减少了空气污染，达到国家空气质量标准。 对于车主来说，安装了o b d 可以节省时间和金钱，当车上的故障指示灯点 亮时，提示驾驶员有故障，应进行检查，在小问题变成大问题以前，及时进行 修理，可以节约维修费用。在维修站进行修理时，安装了o b d 使得维修人员更 快的发现问题所在，节省了时间。车主在发现故障指示灯点亮时，要尽快到维 修部门进行修理，不要对故障指示灯视而不见，使得故障扩大，最终造成排放 超标。 对于车辆制造厂来说，现在国家要求在轻型车辆和卡车上安装o b d ，不久 在重型车辆上也要求安装，所以车辆制造厂必须了解o b d 技术，进行o b d 技 术的研发。 1 2 2o b d 的发展史 o b d 最早起源于美国八十年代，美国加州环保局1 9 8 5 年立法，1 9 8 8 年开 始实施，称为o b d i 。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 系都有自己一套检测专用工具，这给维修检测带来很大的不便。初期的o b d 对 本身数据无法自检，使得维修后的汽车常达不到原厂的技术要求。 二十世纪九十年代一种比o b d 更先进的o b d i i 产生了，它实行标准的检 测程序，不必使用专用的特殊工具。1 9 9 4 年美国汽车工程师协会( s a e ) 制定 了一套标准规范，要求各汽车制造企业按照o b d i i 的标准提供统一的诊断模 式，做到只要有一台仪器就可通过统一的插座对各种汽车进行检测。为此各大 汽车制造企业改变了电控系统的许多方面，在9 0 年末期，进入北美市场的汽车 都按照新标准设置车载诊断系统。按照新标准，汽车上的相关连接器、位置、 代码都实行标准化，不再各行其是。都有一个通用的标准诊断测试连接器，简 称d l c 。d l c 位于仪表盘的下面，有一个1 6 针的插头，连接标准的检测仪器 就可以读取汽车的参数；对电控系统的所有零部件使用一套标准的术语、缩写 和定义，不管什么品牌的车显示的故障代码符号和含义是一样的；当车辆发生 故障时能够记录并存入车载电脑存储器内，不管何时发生影响排气质量的故障 武汉理工大学硬士学位论文 时都能够存储代码，车辆识别信号能自动传输到检测仪器上，检修后检测仪器 能够删除存储在车载电脑存储器内的故障代码；使用标准化协议，使用相同的 多路通信语言，进行p c m 与其传感器和执行器问的通信，以及诊断工具之闯诊 断信息的发送与接收。 随后，欧共体也相应要求欧洲各国汽车制造商生产的轿车都相应配置欧洲电 控汽车微机故障诊断系统，即e o b d ，其采用的故障诊断连接插座、故障代码、 结构单元，系统名称故障代码显示都相应采用s a ej 1 2 、s a ej 2 0 1 2 、s a e j 1 9 3 0 和s a ej 1 9 7 8 标准，并根据欧共体e u - r i c h t l i n l e l 9 9 9 1 0 2 ，e g 条文规定， 2 0 0 1 年欧洲所有新生产的轿车( 载重小于2 5 吨，仅限于汽油发动机) 都配置 e o b d 系统，而对于柴油发动机轿车要求在2 0 0 4 年强制配置e o b d 系统。配 置该系统的目的就是用以经常监控发动机的废气排放，监控各部件及子系统、 汽车底盘、车身附属装置和设备及部件的工作状况，同时还可用作汽车故障诊 断及网络故障诊断。 o b d 和e o b d 两者的通讯协议及监控原理基本相似，当发现故障时，就 会点亮故障指示灯提示驾驶员，但是驾驶员会不会接受警告去进行维修，就是 另一回事了。因此，一种更先进的o b d i i i 产生了，这种技术在国外已经有所发 展。 o b d i i i 主要目的是使汽车的检测、维护和管理合为一体，以满足环境保护 的要求。o b d 系统会分别进入发动机、变速箱、a b s 等系统的e c u 中去读 取故障码和其它相关数据，并利用小型车载通讯系统，例如g p s 导航系统或无 线通讯方式使车辆的身份代码、故障代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，包括去哪里维修的建议， 解决排放问题的时限等，还可对超出时限的违规的车辆发出禁行指令。因此， 0 b d i i 系统不仅能对车辆排放问题向驾驶员发出警告，而且还能对违规者进行 惩罚。 国外正致力于此技术的开发，它的优点就是效率高、成本低。在现在的检 测系统下，一年或两年一次的年检中，3 0 的车辆有排放故障。但是安装o b d i i i 的车辆可以通过车载遥感勘测来进行远距离监控，这样就可以取消定期的年检 了，只有被报告有排放故障的车辆才去进行车检。这样为车主提供了方便，并 节省了车检的成本。只要他们的车辆没有报告有排放故障，那么就不必去做排 放试验。另一方面，如果发现了排放问题，很难使0 b d 系统不发出报告，这也 是环保部门的主要目的。只有把精力集中在那些实际引起污染问题的车辆上， 4 武汉理工大学硕士学位论文 才能把资金有效的用于提高国家空气质量上。就现在的车检体系，可能有很多 有排放问题的车辆会逃过检查和维修，特别是在一些根本没有车检的地区，根 本不能发现这类有问题的车辆，但是0 b d i i 就可以改变这种问题。 1 2 - 3e o b d 与o b d - 的区别 e o b d 其实起源于0 b d i i ，要求与0 b d - i i 基本相似，其主要区别有： 排放限值不同。o b d i i 规定设置故障的c 0 、h c 、n o x 排放限值是f t p ( 美国联邦试验规范) 规定的各污染物排放指标的1 5 倍，而e o b d 规定设 置故障的c o 、h c 、n o x 排放限值分别是欧3 标准规定的1 4 倍、2 0 倍和 4 0 倍。 内容不同。o b d - i i 规定对燃油蒸发排放部分，应该诊断出燃油蒸发排放 系统中任何直径大于0 5 m m 的泄漏，而e o b d 系统只要求诊断蒸发控制电 路部分的故障。 1 3 课题研究内容及研究意义 随着汽车保有量的增加，机动车污染排放已经成为很多城市污染的主要来 源。目前北京，上海和广州等大城市机动车排放的一氧化碳和碳氢化合物的已 占城市排放总量的8 0 。控制污染，减少汽车尾气排放已成为当前的热门话题。 车载诊断系统有助于发现并修复车辆排放系统的故障，使车辆始终保持最佳排 放控制水平，减少了空气污染，在环境保护方面做出了很大的贡献。 本文详细介绍了车载自诊断系统中的几个主要部件监控原理，例如：催化剂 监控，失火监控，氧传感器监控，废气再循环系统等等，这几项也是车辆在做 认证试验时必须要做试验的。当0 b d 系统发现故障后，会在p c m 中存储故障 代码，本文对故障的读取、含义及清除等都做了介绍。车辆在做型式认证时， 0 b d 系统的认证是欧3 标准中新增加的一项试验，本文介绍了认证试验流程， 包括生产厂家提交权利机关的认证申请资料，车辆的预处理，失效模拟等，并 结合实际说明了故障代码和冻结帧的含义。在文章的最后，简要概述了0 b d 与 在用车管理方面的内容，分析了我国研发0 b d 系统所面临的难点和重点，以及 0 b d 系统在我国的发展水平，在国外的发展水平。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章车载自诊断系统的部件监控原理 车载自诊断系统( o b d ) 是发动机管理系统中的一个部分。它在发动机传 统管理系统的基础上增加了一些传感器，改进控制策略，完成监控功能。o b d 系统监测的对象是电控汽车上的各种传感器、电子控制系统自身及各种执行元 件，汽车在行驶过程中监测上述三种对象的输入信息，当某一信号超出了预设 的范围值，并且这一现象在一定时间内不会消失，则判断为这一信号对应的电 路或元件出现故障，并把这一故障以代码的形式存入内部存储器，同时点亮仪 表盘上的故障指示灯。0 b d 系统的典型硬件组成如图2 1 所示： 图2 10 b d 系统典型硬件组成 1 活性碳罐；2 一活性碳罐关闭阀；3 一活性碳罐净化阀：4 一进气歧管压力传感 器；5 一燃油压力调节器；6 一喷油器；7 一压力执行器：8 一点火线圈：9 一凸轮 轴位置传感器；1 0 一二次空气喷射泵：”一空气；1 2 一二次空气喷射阀；1 3 一 下游氧传感器；1 4 一上游氧传感器；1 5 一汽车加速度传感器；1 6 一冷却液温度 传感器；1 7 一曲轴位置传感器；1 8 一磁阻抗器；1 9 一爆震传感器：2 0 一燃油滤 清器；2 1 一e g r 阀；2 2 一差压传感器：2 3 一燃油泵；2 4 一燃油箱：2 5 一进气温 度传感器；2 6 一怠速控制阀；2 7 一故障指示灯；2 8 一数字链路连接器；2 9 一发 6 武汉理工大学硕士学位论文 动机控制模块；3 0 一节气门位置传感器；3 1 一空气；3 2 一空气流量传感器 o b d 系统的各个子系统和部件的控制策略大致分为以下几种： 某传感器信号电压的数值超出了可能的范围，或者虽没有超出可能的范 围，但出现不应出现的工况，判断为不可信。例如车速在9 0 k n l ，h 、发动机 转速为3 0 0 0 r ，m i n 时，进气歧管绝对压力6 5 k p a 时出现2 的节气门开度， 这显然是错误。 可同时根据几个已判断为无故障的传感器的信号计算出一个物理量，若 某传感器的计算结果与此结果不一致，判断该传感器有故障，例如车速 9 0 k m h 、发动机转速3 0 0 0 r ，m i n ，进气歧管绝对压力6 5 k ：p a 是准确的，由 这三个参数确定的空气流量与空气流量传感器测定值不一致，可判断空气 流量传感器有故障。 根据某传感器( 如发动机转速传感器、冷却液温度传感器和氧传感器) 信号变动所经历的时间和幅度来判断系统是否存在某些方面的故障，例如， 异常的转速波动判断为缺火故障。 2 1 三元催化转化器监控 2 1 1三元催化转化器的工作原理 三元催化转化器是一种可以同时净化处理排气中的c o 、h c 和n o x 的装置。 它能将排气中污染物经过一系列的氧化、还原反应过程，最终形成c 0 2 、h 2 0 和n 2 等无害物质。三元催化转化器的外面用双层不绣钢板制成筒形，在双层薄 板夹层中装有绝热材料一石棉纤维毡，以保持排气温度的稳定。在转化器中间 是多孔蜂窝陶瓷载体，孔多而壁薄，废气通过时与载体有很多接触机会，又不 形成较大的排气背压。载体材料一般是高纯度的堇青石，具有适当的吸水性， 以便催化剂的涂附，并有极低的热膨胀系数，以使在反复承受热冲击的情况下， 不产生大的应力变化和疲劳破损。载体表面涂有很薄的催化剂涂层，其中铂族 贵金属( 例如铂p t 、铑r h 和钯p d ) 起催化作用，稀土材料铈c e 和镧l a 的氧 化物因具有储氧功能，用来辅助催化。将上述多种材料按一定的比例制成催化 剂，能收到最佳的催化效果。 当废气通过催化器时，在钯、铂催化剂的作用下，h c 、c o 和氧气发生氧 武汉理工大学硕士学位论文 化反应生成无污染的c 0 2 和水，反应方程式如下： h c - i - 0 2 包c d 2 + 日2 d c d + 0 2 c d 2 式2 - 1 式2 - 2 在铑、铂催化剂的作用下，n o 。、h c 和c o 发生还原反应，生成无污染的 n 2 、c 0 2 、0 2 和水，反应方程式如下： 仇+ h c 吐丛_ 2 + c 0 24 - h 2 d n o x + c d 卫l 堕2 + c 0 2 n o x 措_ n 2 + 0 2 从图2 - 2 空燃比和催化转化效率的关 系图上我们可以看出，只有当空燃比在， 1 4 7 附近很小的范围内，三元催化转化器薄 才能对尾气中的n o x 、h c 和c o 三种有登 害物质的净化效率同时达到最高。因此， 孥 为了精确的控制空燃比的范围，在电控系+ 统中普遍采用氧传感器来测量排气中的 氧浓度来为控制装置提供反馈信号，以控 制空燃比收敛于理论值。发动机的e c u 式2 - 3 式2 - 4 式2 - 5 1 3 01 4 01 4 t1 5 0 1 6 0 空然比 图2 - 2 空燃比和催化转化效率的关系 根据氧传感器信号，对由进气流量传感器信号确定的燃油喷射量进行校正，以 确保发动机进行在理论空燃比附近，这样就可以使三元催化转化器始终工作在 高转化率的区域，从而达到有效降低排气中c o 、h g 和n o x 的目的。 2 1 2 三元催化转化器监控系统 三元催化转化器监控系统是为了及时的发现催化器的故障，并提示驾驶员进 行必要的检修，寻找催化器工作效率下降的原因，从而保证催化器始终具有较 高的净化效率。在汽车上直接使用废气分析仪装置检测三元催化转化器的转化 效率是不切实际的，即使可以这样成本也是相当高的。因此，世界各大生产厂 家及研究机构都致力于寻求种间接评价催化器工作效率的方法，期望在一些 武汉理工大学硕士学位论文 较为容易测得的参数与催化器工作效率之间建立一种关系，通过对这些参数的 测量来评价催化器的净化效率。目前世界上广泛采用，而且相关的技术也相对 较成熟的是双氧传感器法。双氧传感器法就是在催化器的下游也安装一个氧传 感器，通过比较两个氧传感器信号来监控催化器的性能。 利用催化器上游的氧传感器的输出信号来控制燃油的喷射，使得空燃比在理 论空燃比附近，但是由于系统的响应延迟( 主要是废气的流动和传感器的响应 延迟) 导致实际的空燃比总是以一定的频率在理论值附近波动，因此在三元催 化转化器中添加了氧化铈( c e 0 2 ) ，它能储存和释放氧气，当空燃比较大时，氧 化铈就会吸收废气中的多余的氧气，当空燃比较小时，就会释放所吸收的氧气 参与废气在催化器中的氧化反应，如图2 - 3 所示。因此，当车辆在相对稳定的转 速和负荷下运转时，如果三元催化器工作正常，那么其下游废气中氧含量将会 很小，反之，如果催化器的工作效率及氧存储能力下降，则其下游废气中氧含 量会很高。 藉霉爹气弓 过浓捧气亡 氧气少 释放氧气 图2 - 3 催化器储氧示意图 双氧传感器方法就是基于上述原理设计的，通过对氧传感器的信号分析来确 定催化器的工作状态。正常运行的催化转化器有很高的储氧能力，这样就使得 下游氧传感器的电压的频率和振幅都比前氧传感器低，当催化器恶化而导致储 氧能力降低后，就会使得下游氧传感器的电压的频率和振幅增大，几乎接近上 游氧传感器。图2 4 是一个完好的催化器和一个失效的催化器的上下游氧传感器 的电压输出信号曲线。 9 尹遍| l q 名 ，r-卜r，。，卜 武汉理工大学硕士学位论文 正常的催化嚣劣化的催化嚣 图2 4 氧传感器性能 根据发动机排列及缸数的不同，下游氧传感器的安装位置也有所不同。一 般地，在直列发动机上有两个传感器，v 型发动机上有四个氧传感器，都是一个 下游氧传感器和一个上游氧传感器相配套。有些v 型发动机的排气管路上只有 一个催化器，通常是一个下游氧传感器配两个上游氧传感器，这种形式称为y 型系统。在这种系统中两个上游氧传感器的信号经过处理，成为一个信号作为 上游氧传感器的信号，下游氧传感器取真实值，这两个值进行比较来监控催化 器性能。此外，有些车辆采用的是部分监控策略，后氧传感器不是位于排气歧 管上，而是置于催化器内，只监控催化剂的前半部分，因为它离发动机最近， 最先恶化，这样的监控更敏感。 双氧传感器方法也有它的缺点： 氧传感器是通过内外侧氧的流动产生电子从而在外回路中形成电压，由 于各种因素的影响可能导致响应的延迟和随机性。 通过对催化转化器上游和下游氧传感器的输出信号的对比来监控催化器 的工作效率，这种监控方法主要是基于催化器的储氧能力，但是，催化器储 氧功能的丧失不能完全等同于催化器工作效率的下降，因为在铑、铂催化剂 的作用下，n o x 、h c 和c o 还会发生还原反应，降低排放。 氧传感器的工作温度相对较高，一般大于2 5 0 c ，虽然有的氧传感器加装 了加热器，但是使氧传感器达到工作温度也需要一段时间，因此在冷起动阶 段，加热型和非加热型传感器都不能准确检测催化器的工作效率。 由于积碳、机油、高温等原因很容易造成传感器的损坏使其测量的准确 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 性下降直至失效。 氧传感器的工作原理、评价程序相对较复杂，对e c u 的负载较大，相关 设备的成本较高。 采用双氧传感器法来监控三元催化转化器的工作效率尽管存在上述一些不 足，但是目前仍是车载诊断三元催化转化器的工作效率运用最广泛的一种方法， 因为氧传感器的技术已经发展的比较成熟，且测量的较准确。但是对于 l e v u l e v ( 低排放车，超低排放车) 汽车上的应用，各国都在致力于开发更精 确的监控系统，将来双温度传感器监控技术成熟后，将会使三元催化转化器监 控系统的成本更低，精度更高，耐久性更好。 2 2 氧传感器监控 2 2 1氧传感器结构及工作原理 氧传感器安装在排气歧管或前排气管内，用来检测排气中的氧气浓度，并 不断地把“稀薄状态”转变为电信号输入e c u ，以控制空燃比收敛于理论值。目 前汽车上广泛采用的氧传感器是氧化锆型( 结构如图2 5 ) ，其基本元件是专用 o ： j 鼍i 。 图2 5 氧传感器结构 陶瓷体，即氧化锆固体电解质，陶瓷体制成试管式的管状，亦称锆管。锆管安 装在带有安装螺钉的固体套中，锆管内外表面都覆盖着一层多孑l 性的铂膜作为 电极，锆管内表面电极与大气相通，外表面则与废气相接触。为了防止废气中 的杂质腐蚀铂膜，在锆管的外表面铂膜上覆盖着一层多孔的氧化铝保护层，并 加装了一个防护套管，套管上还丌有槽口，这样既可以防止废气腐蚀电极，又 武汉理工大学硕士学位论文 可以保护废气渗进保护层和电极接触。传感器的接线端有一个金属护套，其上 开有一孔，用于锆管内表面与大气相通，导线将锆管内表面铂极经绝缘套从传 感器引出。 氧化锆是一种具有氧离子传导性的固体电解质。氧化锆在高温下具有这样 的一种特性，即内外侧氧浓度差较大时会产生电动势。大气一侧和汽车排出废 气一侧的氧气浓度，即氧气分压是不同的，氧离子从氧气分压高的一侧( 大气 侧) 向氧气分压低的一侧( 汽车排出废气侧) 移动，结果在电极之间产生电动 势，电动势大小由下式确定： e 。丝4 f l n 等p式2 - 6 02 h - o 式2 击中o e 电动势r ：气体常数t ：绝对温度f ：法拉第常 数 p o , z ，p o z 。：汽车排出废气和大气中的氧气分压 电动势与氧气分压的对数成比例，氧传感器表面的氧浓度差越大，电动势 也越大。但是在实际情况下，即使是用理论空燃比的混合气燃烧时，汽车排气 中还是多少存在有些氧气的，所以并不能产生足够的电动势。因此，根据实际 空燃比产生的电动势来正确测量理论空燃比是很困难的。但是用具有催化作用 的铂作为电极，就可使电动势以理论空燃比为界，发生突变。如图2 6 所示。浓 混合气燃烧时排出的气体，当碰到铂时，由于铂的催化作用，残留的低浓度氧 气便和排出气体中的h c 和c o 发生反应，使铂表面的氧气几乎消失，因此氧传 感器表面的氧浓度差就变得非常大，可产生约l v 的电动势。稀混合气燃烧时排 出气体中，氧浓度高，c o 和h c 浓度低，即使发生反应仍有残余氧气存在，因 此氧浓度差小，几乎不产生电动势。如图2 7 所示。 浓 瓣姚 稀 v 鬣镗媾器 图2 - 6 过量空气系数和输出电压的关系图2 - 7 浓厢混合气和电压的关系 武汉理工大学礤士学位论文 由于氧传感器表面铂电极很容易被铅或其他杂质毒害，降低铂片表面催化 作用，引起传感器灵敏度下降；陶瓷元件的损坏、加热器电阻丝的烧断也会使 氧传感器失效；传感器产生的弱电信号，线路接触不良会对信号有很大的影响； 信号进入控制装置后，要进行差分放大，信号方向正确与否也十分重要：线路 断路或短路现象在车辆行驶中也常发生。所以o b d 系统要对氧传感器的性能进 行监控。 2 2 2 氧传感器监控 氧传感器用于检测捧气中的氧含量，并将其转化为电压信号反馈给e c u ， e c u 根据此信号来控制喷油量的增减，控制空燃比。但是当氧传感器有故障时， 输出的电压值不正常，e c u 就不能精确控制空燃比了，导致废气排放增加。氧 传感器监控系统就是对氧传感器的输出电压和响应速度的监控，来判断氧传感 器是否工作正常的。 响应速度监控：当氧传感器响应速度降低，也就是输出电压的转化周期 ( 图2 8 所示) 变长时，空燃比控制能力就会变差，结果导致废气排放增加，所 以将氧传感器输出电压的转换周期的平均值作为氧传感器响应的诊断参数，当 此值大于某一极限值时，判断为氧传感器故障。但是，此监控并不是连续性监 控，只有在高进气量区域( 比如高于7 0 k n l h ) 才会激活监控系统，因为即使相 同的氧传感器，在较低进气量区域，周期也会较长。 0 6 v 0 4 5 v 0 3 , v l l i 【 li夕、【歹 、- ， 卜个愚期一个j 嘲 图2 - 8 响应速度监控 输出电压监控：持续监控最浓和最稀处的电压，如果电压超过标准的浓 和烯极限值判断为传感器f 常。如果车辆运行一段时间后，电压还没有超过极 限值，那么空燃比就会一直处于过浓或过稀侧，导致废气排放增加。正常氧传 感器和失效氧传感器的电压输出曲线如图2 - 9 所示，图a 中氧传感器工作正常， 武汉理工大学硕士学位论文 电压值在最大值和最小值之间不断转换，从而控制空燃比在理论空燃比附近： 图b 是异常浓的输出，电压值一直处于浓侧，e c u 接收到混合气过浓的信息后， 减小了喷油器开启的时间，减少喷油量，造成空燃比大于理论空燃比，排放增 加；图c 是异常稀的输出，情况和图b 正好相反；在图d 中，输出电压在很长 的时间内都没有超过上下极限值。当氧传感器监控系统监测到上述三种波形时， 判断为氧传感器故障。 o 6 o 4 5 7 0 3 v 、 、， a t i ”、i v j _ j _ ，。 、，1 ， 图2 - 9 氧传感器电压输出特性 此外，一些车辆还会监控氧传感器的最高电压，如果最高电压超过1 5v 就 判断为故障并储存诊断故障代码( d t c ，d i a g n o s t i ct r o u b l ec o d e ) 。过高的 电压是由于传感器加热器或蓄电池和传感器信号线之间的短路造成的。 2 3 失火监控 2 3 1失火的原因及危害 失火是指在发动机工作过程中，由于各种原因造成的混合气在气缸内不能 正常燃烧的现象。根据不正常燃烧的程度分为部分失火和完全失火。部分失火 是指混合气在气缸内燃烧不完全造成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 平均指示有效压力) 达不到j 下常值的现象；完全失火是指混合气在气缸内燃烧 不足或基本没有燃烧，造成i m e p 小于零的现象。根据工作过程中出现的频率， 1 4 哳 ! 善! 姗 m ! 砉| 0 m o n n 武汉理工大学硕士学位论文 失火又可以分为连续失火和单次失火。连续失火是指在发动机工作过程中，失 火气缸连续发生失火的现象。单次失火是指在发动机工作过程中，失火气缸有 时正常工作、有时失火的现象。失火率就是用来评价部分失火和单次失火的失 火严重程度的，它是指部分失火造成的i m e p 的下降值与正常值的百分比，或单 次失火中失火循环占总循环的百分比。 导致失火的原因有很多：点火系故障导致失火，由于火花塞缺火或点火提 前角不当造成混合气在气缸内不能正常燃烧；燃料供给系故障导致失火，是由 于可燃混合气过浓或过稀造成混合气在气缸内不能正常燃烧：配气机构故障导 致失火，是由于可燃混合气进气不畅或废气排气不彻底造成混合气在气缸内不 能正常燃烧；气缸密封不良导致失火，是由于气缸密封不良引起压缩过程和压 缩终了可燃混合气的温度和压力降低，影响可燃混合气的着火性能。 失火时，未燃烧的燃料经气缸进入排气系统，从而加速了催化转化器的失 效，使排放污染加剧。失火率越高，对催化剂的