（光学工程专业论文）汽油机车载诊断系统的故障诊断策略研究.pdf

the diagnostic strategies of on board diagnostics system for gasoline engines a dissertation submitted for the degree of master candidate：wang lianggang supervisor：prof. wu kegang changan university, xian, china ii 摘 要 随着近年来我国汽车工业的快速发展， 去年 9 月我国汽车保有量达到 1 亿从而成为 全球汽车保有量第二的国家。这种快速发展给环境带来很大的压力，随着民众环保意识 的增强，汽车排放物受到越来越严格的法规限制。国家环保总局也在采取严格的控制排 放的手段，2005 年 4 月 15 日，国家环保总局发布了 gb18352.3-2005轻型汽车污染物 排放限值及测量方法(中国、阶段) ，在此基础上逐渐形成了一套比较完善的汽车排 放标准管理体系。而后又规定从 2006 年 12 月 1 日起在北京销售的所有车辆必须装有 obd(on-board diagnostics，车载自诊断)系统，并规定全国开始实施该法规的日期是 2008 年 7 月 1 日。 obd 系统用于排放控制，它有诊断故障区域和故障类型的功能，当与排放有关的 部件或系统出现故障而导致排放物超过 obd 规定的极限值时，故障指示灯会以特定的 方式点亮提醒驾驶员，同时将相应的故障代码储存在存储器内。维修人员可以通过诊断 工具读取故障信息，从而方便对故障进行检修，减少车辆由于故障而引起的排放。 在 gb18352.3-2005 中规定，对于点燃式发动机，obd 系统需要检测三元催化转换 器效率，发动机失火，氧传感器劣化这些与排放相关的系统性故障；另外还要对传感器 和执行器性能及电路进行诊断。本课题论述了车载诊断系统的基本组成，诊断原理。在 此基础上，阐述了传感器以及执行器的工作原理和特性，硬件方面针对不同传感器设计 了信号处理电路以及执行器驱动电路，使用专用芯片和 mcu 完成 obd 系统硬件电路 的设计。依据车载诊断系统的硬件，主要研究了传感器和执行器故障的诊断策略，并且 对主控制器的监控进行了策略研究。 同时该课题还对影响排放的系统性故障诊断策略做了研究，如失火故障、催化转换 器失效故障、氧传感器劣化故障。该课题对车载诊断系统做了较全面的原理分析和较深 入的策略研究，对国内汽车企业在 obd 系统硬件和软件方面的实际开发工作具有一定 的实际指导意义。 关键词：obd；排放；传感器；执行器；诊断策略 iii abstract with the rapid development of automobile industry in recent years，the car ownership in china reached 100 millions in september last year, thus becoming the second largest ownership of car country in the global. but the rapid development of chinas auto industry is bringing a great deal of pressure to the environment, with more and more people aware of environmental, vehicle emissions are limited by increasingly strict regulation. sepa (state environmental protection administration) also adopt strict emission control laws. on april 15,2005, sepa published the gb18352.3-2005-limits and measurement methods for emissions from light-duty vehicles(, ).on this basis, we gradually formed a relatively complete management system of car emission standards. from or after that time, sepa issued regulation that all vehicles in beijing must be equipped with the obd (on board diagnostics) system from december 1, 2006 and asked all other areas began to implement the regulation from july 1, 2008. the obd system is designed to control emissions. it can diagnostic malfunction by fault area and fault type, when the emissions exceeding the obd limit emission because of component or system failure. malfunction indicator lamp is lighted to alert the driver, at the same time, the corresponding fault code is stored in the memory .the maintenance staff can use diagnostic tool to read the fault information, so as to repair the fault easily and quickly, thus reduce the emissions caused by malfunctions. the gb18352.3-2005 order, obd systems need to detect the emission-related systemic failure such as three-way catalytic converter malfunction, the engine fire malfunction, oxygen sensor malfunction; also the performance and circuit diagnosis of the sensors and actuators. this topic discusses the basic composition and diagnostic principle of obd systems, on this basis, we analyzed the working principle and characteristics of the sensors and actuators, designed the hardware for different sensor signal processing circuit and the actuator drive circuit, using the dedicated chips and mcu to complete the hardware circuit of obd system, on the basis of these hardware, we complete the circuit diagnostic work of the sensors and actuators, and monitor the mcu. iv this subject also study diagnostic strategies of systematic fault that affect emissions, such as misfire, catalytic converter failure malfunction, oxygen sensor deterioration failure. the subject do a comprehensive analysis research on the on-board diagnostic system, providing guiding significance for todays auto companies in the actual hardware and software development work of obd system. key words：obd; emission; sensors; actuators; diagnostic strategies v 目目 录录 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外 obd 研究工作的发展 . 2 1.2.1 obd 在美国的发展 . 2 1.2.2 eobd 在欧洲的发展 . 2 1.2.3 obd 在中国的发展 . 3 1.3 本课题研究方向 . 3 1.4 本课题重点工作 . 5 1.5 本章小结 . 6 第二章 车载诊断系统诊断原理介绍 . 7 2.1 obd 的诊断方案设计 . 7 2.2 故障代码及故障分类 . 8 2.3 故障诊断逻辑分类 . 10 2.3.1 通断性诊断逻辑 . 10 2.3.2 合理性诊断逻辑 . 11 2.4 故障诊断部件分类 . 11 2.4.1 传感器及其电路故障诊断 . 11 2.4.2 执行器及其驱动电路故障的诊断 . 12 2.5 本章小结 . 12 第三章 系统性故障诊断策略研究 . 13 3.1 失火故障诊断策略 . 13 3.1.1 失火的定义 . 13 3.1.2 催化转换器损坏型失火的危害 . 13 3.1.3 排放超标型失火的危害 . 14 3.1.4 汽油机失火诊断策略研究 . 14 3.2 三元催化转换器故障诊断策略 . 18 3.2.1 三元催化转换器的工作原理 . 18 3.2.2 催化转化器故障诊断策略研究 . 19 3.3 氧传感器劣化失效诊断策略 . 22 3.3.1 氧传感器劣化检测原理 . 22 3.3.2 氧传感器响应速度的监控 . 22 3.3.3 氧传感器输出电压的监控 . 23 3.4 本章小结 . 24 vi 第四章 传感器的故障诊断 . 25 4.1 传感器在汽车上的应用 . 25 4.2 氧传感器的故障诊断策略 . 25 4.2.1 氧传感器的工作原理 . 25 4.2.2 氧传感器的故障诊断方法 . 27 4.3 进气压力温度传感器的故障诊断策略 . 27 4.3.1 进气压力温度传感器的工作原理 . 27 4.3.2 进气压力温度传感器的特性 . 28 4.3.3 进气温度压力传感器的故障诊断 . 29 4.4 电子节气门位置传感器故障诊断策略 . 30 4.4.1 电子节气门位置传感器的工作原理 . 30 4.4.2 电子节气门位置传感器的特性 . 31 4.4.3 电子节气门位置传感器的故障诊断 . 32 4.5 加速踏板位置传感器的故障诊断策略 . 33 4.5.1 加速踏板位置传感器的工作原理 . 33 4.5.2 加速踏板位置传感器的特性 . 34 4.5.3 加速踏板位置传感器的故障诊断 . 35 4.6 爆震传感器的故障诊断策略 . 35 4.6.1 爆震传感器的工作原理 . 35 4.6.2 爆震传感器的特性 . 36 4.6.3 爆震传感器的故障诊断 . 36 4.7 相位传感器的故障诊断策略 . 37 4.7.1 相位传感器的工作原理和特性 . 37 4.7.2 相位传感器的故障诊断 . 39 4.8 本章小结 . 39 第五章 执行器的故障诊断 . 41 5.1 专用芯片的介绍 . 41 5.1.1 l9709 芯片的介绍 . 41 5.1.2 l9958 芯片的介绍 . 44 5.1.3 l9825 芯片的介绍 . 44 5.2 喷油器驱动电路故障诊断 . 45 5.2.1 喷油器的工作原理 . 45 5.2.2 喷油器驱动电路的故障诊断策略 . 47 5.3 点火线圈电路的故障诊断 . 48 5.3.1 点火线圈的工作原理和特性 . 48 5.3.2 点火线圈电路的故障诊断策略 . 49 5.4 故障指示灯的故障诊断 . 51 vii 5.4.1 故障指示灯的介绍 . 51 5.4.2 指示灯驱动电路的故障诊断策略 . 51 5.5 继电器的电路故障诊断 . 52 5.6 氧传感器加热电路的故障诊断 . 54 5.6.1 加热型氧传感器的工作原理 . 54 5.6.2 氧传感器加热电路故障诊断策略 . 54 5.7 电子节气门驱动电路的故障诊断 . 55 5.7.1 电子节气门的驱动原理 . 55 5.7.2 电机驱动电路的故障诊断策略 . 56 5.8 本章小结 . 57 第六章 主控制器的监控原理 . 59 6.1 控制器的介绍 . 59 6.2 主控制器的监控策略研究 . 60 6.3 本章小结 . 61 结论与展望 . 62 结论 . 62 展望 . 63 参考文献 . 64 致谢 . 66 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 汽车工业的发展给世界经济带来活力的同时也给社会带来诸多负面影响， 其中最值 得关注的问题之一是汽车尾气的排放给人民生活带来的危害， 例如汽车排放气体中含有 的 hc, co 以及 nox。其中 hc 化合物是形成光化学烟雾的主要原因，co 是一种公认 的对心脏病和呼吸道疾病有危害的危险物，而 nox则是一种毒性很强的气体。为了减 少汽车尾气排放， 世界各大汽车公司在技术方面都做了很大改进， 比如 pcv(proportional control valve，比例控制阀)、egr(exhaust gas recirculation，排气再循环)技术的应用。 但是这些努力还不够，在我国的很多重要城市，由于机动车辆数量近几年的迅速增加， 城市的空气质量变差，有些城市空气污染物已经危害到居民的健康。所以相关环保部门 已经把针对汽车制定更加严格的排放法规提上议程， 希望通过提高汽车排放标准的办法 强制降低汽车尾气排放， 环保部门通过逐年加强对车辆排放限制手段以及生产一致性管 理力度，形成了一套逐步完善的汽车排放标准管理体系并逐步与国际接轨。2005 年 4 月 15 日，国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局联合发布了 gb18352.3-2005轻 型汽车污染物排放限值及测量方法(中国、 阶段) ， 在里面明文规定了obd(on-board diagnostics，车载自诊断系统)的技术要求。 obd 系统的意义在于：当汽车零部件和系统的故障引起排放超过法规的限值时， obd 系统就会点亮故障指示灯提醒驾驶员，同时故障信息被动力总成控制模块存储起 来。在对汽车故障检查和排除的过程中，工作人员可以通过专门的工具将故障信息从 pcm 中读出。通过故障信息就可以方便准确地确定有故障的零部件以及故障性质，从 而有针对性地检查相关零部件和线路，达到尽快排除故障减少排放的目的1。 我国研究 obd 来控制汽车排放的相关内容和技术的时间较晚，在汽车排放相关的 法规方面，北京市于 2005 年 12 月 30 日率先实施国排放标准，随后，从 2007 年 7 月 1 日起在全国范围实施国排放标准，并规定自 2006 年 12 月 1 日起所有在北京销售的 汽车必须装有 obd 系统。2011 年年初，环保局要求所有销售的轻型汽油车从 2011 年 7 月 1 日实施国排放标准，由于油品的问题，对于柴油车的国标准推迟两年实施。国 排放标准相对国排放标准在尾气污染物排放方面有更严格的要求， 这一系列针对汽 车限排法规的出台，无疑给国内各大车企在研究 obd 的过程中带来更高的技术要求。 第一章 绪论 2 本课题通过对影响排放的重要传感器，执行器的电路故障在一定硬件支持的基础 上，根据它们的工作原理和特性进行合理的诊断策略研究。另外对发动机在不同工况直 接影响排放的失火故障、 三元催化转换器失效以及氧传感器劣化这些系统性故障的故障 诊断策略进行了研究。不仅可以丰富汽车电控技术在该领域的研究成果，而且将对国内 汽车企业对 obd 技术的研究和在用车阶段排放控制技术研究具有一定的指导意义。 1.2 国内外 obd 研究工作的发展 1.2.1 obd 在美国的发展 早在 1982 年，通用汽车公司为了监控排放控制系统，引入 obd 这个概念，当时的 构想是当影响排放的系统出现故障时，obd 会点亮一个指示灯提醒驾驶员，同时车载 存储器会记录这次故障代码， 工作人员可通过相应设备获取这个代码以便于迅速排除故 障。加州空气资源委员会(carb)注意到通用汽车这个有创意的想法，出于对环境保护 的考虑，carb 在 1985 年按照 sae 的相关法规标准，规定从 1988 年起所有在加州销 售的车辆都具备 obd 的基本功能。而后，美国环保局(epa) 规定从 1991 年起所有在美 国销售的新车必须有 obd 技术装置，这就是 obd-i。obd-i 的相关技术和标准还不是 很完善，它只能监控和诊断部分零部件的工作状况和电路故障，而且，在获取 obd 故 障信息方面，数据通讯协议以及外部设备和 ecu 之间的接口定义没有得到完全统一。 后来，汽车工程师协会对通讯方式、诊断接口等技术标准进行了进一步的统一，obd-ii 就是在这样的基础上发展起来的。美国环境保护局在 1990 修订了清洁空气法 ，要求 从 1996 年 1 月 1 日起在美国市场所有销售的新车必须符合 obd-ii 的相关技术要求2， obd 技术率先在美国得到发展和完善。 1.2.2 eobd 在欧洲的发展 1998 年 10 月 13 日，欧共体通过了指令 eu directive 98/69/ec。该指令要求：所有 在欧盟成员国上市的汽车，从 2000 年 1 月 1 日起，都要求必须满足这个指令的法规， 在这个法规的基础上，这些相关技术和标准就逐步发展为现在比较成熟的 eobd。与 obd-ii 相比，eobd 在排放物限值方面与 obd-ii 有一些差别，另外，在一些基本功能 上面，eobd 和 obd-ii 也有部分不同的地方，比如增加了对三元催化器 nox转换劣化 的检测，取消了对燃油箱及燃油系统泄漏的诊断，诊断发动机失火故障的发动机转速只 长安大学硕士学位论文 3 到达 4500r/min。 而且 eobd 使用的通讯协议是 iso 9141-2，不同于 obd-ii 使用的通讯 协议 sae j1850。 1.2.3 obd 在中国的发展 2005 年 4 月 5 日，国家环保总局发布了 gb18352.3-2005轻型汽车污染物排放限 值及测量方法(中国、阶段)等五项标准作为国家污染物排放标准。在这个标准里 面，obd 在我国的法规中被第一次被强制性要求。而这项标准其实是根据欧盟 (eu)70/220/eec 条例中的 98/69/ec 指令和随后的 2003/76/ec 的各项修订指令修改而 成的。在该法规标准中，主要的修改内容有 m1 和 m2 类车型的分组，燃料的技术要求 等 5 个方面，而 obd 部分基本参照了 eobd 的内容，所以我国的 obd 实际上无异于 eobd，只是我国在具体实施中的尺度方面不同于欧盟3,4。 obd 是用于监控影响汽车尾气排放的系统和零部件故障的诊断系统。采用 obd 技 术的目的就是诊断有没有子系统或零部件发生故障， 因为这些故障容易造成尾气排放超 出极限值。现在，在我国生产的合资品牌或者国产车辆都是直接使用国外的 obd 技术 产品， 或者与国外有技术背景的公司合作研发 obd 产品。 尽管现在国内研究 obd 技术 方面存在局限性，但它作为目前真正意义上用于车辆控制排放的系统，并且这种控制伴 随车辆的整个使用周期，其重要性不可替代。国内汽车企业面对日益严格的排放法规， 对 obd 产品的研发工作正在进行， 研发性能良好的 obd 技术满足日后更加严格的排放 法规更是成为重点。 1.3 本课题研究方向 人类的各种活动正在改变地球的大气层，其中汽车的使用给大气造成很大的危害。 我们只有加大力度控制汽车污染物的排放， 才能尽量避免这些活动给地球生态环境造成 更加严重的后果。 电控技术和发动机管理系统在汽车上的运用可以有效的控制和减少汽 车污染物的排放，直接影响了汽车的性能和排放水平。但是，汽车在使用过程中，这些 系统和部件的效能会不断降低，有的会出现损坏，这些故障会直接导致污染物排放的增 加。obd 系统的设计就是用来及时检测这些部件的性能的，当监测到故障时，提示驾 驶员相关故障信息，它可以不间断的监测汽车污染物的排放水平，还能监测影响排放的 零部件和系统的工作状态，及时地显示故障，其提供的故障相关信息便于故障的检修。 图 1.1 是 eobd 的硬件结构图，与 obd 在硬件上不同的是，eobd 的发动机管理系统 第一章 绪论 4 新增的硬件有后氧传感器(用于监视催化器转换效率)， 弱加速度传感器(用于检测坏路从 而关闭失火检测)，油箱压力传感器(用于当油位低时关闭受影响的诊断功能，不使用也 合法)。 图图 1.1 eobd 的硬件结构图的硬件结构图 表 1.1 是规定的因为失效而导致的各污染物排放的极限值， 当排放污染物超过表 1.1 中的极限值时，obd 需要提醒并且记录与排放有关的失效系统或部件的故障。 gb18352.03-2005 i.3.3.3 中规定车载诊断系统至少需要监测下面的系统与零件5,9。 监测 hc 污染物来判断催化器转化器的效率是否下降。 监测发动机转速在 4500r/min 以下发动机失火的发生。 监测氧传感器的劣化。 失效后将导致排气排放物超过 obd 限值的其它排放控制部件或系统， 或与计算机相 连并与排放有关的动力系部件或系统。 与计算机连接的动力系部件，包括任何能实现监测功能的相关的传感器，都必须监 测其电路的连通状态。 长安大学硕士学位论文 5 表表 1.1 排放污染物的极限值表排放污染物的极限值表 基准质量(rm)kg 一氧化碳 总碳氢化合物 氮氧化物 颗粒物 (co). l1 (g/km) (thc). l2 (g/km) (nox). l3 (g/km) (pm). l4 (g/km) 类别 级别 汽油 柴油 汽油 柴油 汽油 柴油 柴油 第一类车 全部 3.20 3.20 0.40 0.40 0.60 1.20 0.18 第二类车 rm1305 3.20 3.20 0.40 0.40 0.60 1.20 0.18 1305rm1760 5.80 4.00 0.50 0.50 0.70 1.60 0.23 1760rm 7.30 4.80 0.60 0.60 0.80 1.90 0.28 附注 1：对于燃油 lpg 或 ng 的车辆，极限值与汽油车相同。第一类车：指包括驾驶员座位在 内，座位数不超过六座，且最大总质量不超过 2500kg 的 m1 类汽车。第二类车：指 gb 18352 3-2005 适用范围内除第一类车以外的其他所有轻型汽车6。 1.4 本课题重点工作 本课题针对引起排放增多的监测分为零部件故障诊断和系统性故障诊断， 零部件包 括了传感器、执行器、控制器，它们与控制器有着直接的输入和输出关系。而系统性诊 断主要是针对不同类型失火、催化转换器失效、氧传感器劣化，因为这三种系统性故障 对汽车排放的影响最直接，本课题重点工作如下： 对一些典型的系统性故障，例如失火、三元催化转换器、氧传感器失效这些直接 影响汽车排放的系统性故障提出了合理的诊断策略。 对零部件的故障诊断中，对传感器的信号进行滤波限流等电路的设计，根据它 们的工作原理和特性提出了合理的电路通断性和信号合理性故障的诊断策略。 对执行器则使用专用芯片进行驱动电路的设计，并且使用这些专用芯片完成了 执行器的驱动电路的故障诊断策略研究。 设计使用安全微处理器和主控制进行实时 spi 通讯的方法，设计相关电路图， 并对主控制的故障监控提出合理的策略。 这些故障诊断策略的研究对于设计 obd 系统的硬件电路和软件设计思路提供理论 依据和指导。 第一章 绪论 6 1.5 本章小结 本章阐述了中国汽车行业的飞速发展给公众生活带来了影响， 国家环保总局为了减 少尾气排放， 要求车辆必须安装控制排放的 obd 系统， 国排放标准的出台， 使得 obd 的研发成为国内各大车企研究的重点。本章所作的工作重点如下： 查阅相关资料文献，结合实际数据分析了中国汽车工业的飞速发展给环境带来 的种种危害，间接阐明了发展控制汽车排放的 obd 技术的必然性。 详细的介绍了 obd 技术在欧美的发展过程，介绍了 obd 在中国的发展过程， 分析了 obd 技术在国内的不成熟性，从而说明了本课题的研究意义和实用性。 结合 gb18352.03-2005 相关文件，阐述了本课题关于车载诊断系统诊断策略研 究的基本方向和研究内容。 长安大学硕士学位论文 7 第二章 车载诊断系统诊断原理介绍 2.1 obd 的诊断方案设计 车载诊断系统是由相应的硬件电路和软件程序组成，硬件电路是指由相应的传