（动力机械及工程专业论文）汽油机电子控制系统车载诊断策略研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 早在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初世界大多数汽车制造商就开始使用电子 手段来控制发动机各部件功能以及诊断发动机故障，以满足环保部门对汽车排 放标准的监测和故障诊断的需要。从2 0 0 6 年1 2 月3 0 日起，所有在北京销售的 汽车必须带e o b d 。全国实施的日期是2 0 0 8 年7 月1 日。本文以电控汽油机车 载诊断系统为研究内容，详细论述了汽油机电子控制系统的基本控制策略，车 载诊断系统的组成、原理、主要特点、诊断对象以及故障管理器。在此基础上， 对车载诊断系统的失火诊断、氧传感器诊断和催化器诊断进行了深入的研究。 建立了基于曲轴转速波动的失火诊断算法，即点火气缸从上止点到下止点 的时间波动大于阈值即发生失火。为了确定失火阈值和对失火诊断策略进行试 验验证，开发了失火发生器。进行低油位驾驶和颠簸路面驾驶等试验，确定了 失火诊断的使能条件和诊断延迟条件。通过利用失火发生器对车辆进行i 型排 放试验循环测试，能够点亮m i l ( 故障灯) ，验证了本研究提出的失火诊断策略 的可靠性。 结合氧传感器的失效形式，开发了氧传感器故障模拟器。通过模拟氧传感 器的不同失效形式，研究氧传感器失效对排放的影响，并深入分析了造成这些 影响的原因。设计了氧传感器诊断策略，把氧传感器诊断分为输出电压诊断和 响应特性诊断。进行了高寒、高温和高原试验，验证了氧传感器诊断门槛值的 合理性。通过利用氧传感器故障模拟器对车辆进行i 型排放试验循环测试，能 够点亮m i l ，验证了本研究中氧传感器诊断策略的可靠性。 分析了催化器的失效形式以及催化器的诊断方法，指出了各种诊断方法的 优劣及适用性。测量了新鲜催化器、8 万公里老化催化器和极限催化器的o s c ( 储氧能力) 时间，碍出了结论：o s c 时问与催化器转化能力之间有很好的对 应关系。基于此，建立了以o s c 时间为评价指标的催化器诊断方法。通过利用 安装极限催化器的车辆进行i 型排放试验循环测试，能够点亮m i l ，验证了本 研究提出的催化器诊断策略的可靠性。 失火诊断、氧传感器诊断以及催化器诊断是我国国标准中o b d 的核心内 容，本文中研究的诊断策略能有效地诊断出失火故障、氧传感器劣化故障以及 催化器老化故障，能够通过排放认证试验。 关键词：o b d 、失火诊断、氧传感器诊断、催化器诊断、策略 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b yt h el a t e l 9 7 0 sa n dt h ee a r l y1 9 8 0 s ，m o s to ft h ev e h i c l em a n u f a c t u r e r sh a d b e g u nu s i n ge l e c t r o nt e c h n o l o g yt oc o n t r o le n g i n es y s t e ma n dd e t e c tm a l f u n c t i o no f t h e 饥西n ep a r t s ，t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n tf o re m i s s i o nm o n i t o ra n dm a l f u n c t i o n d i a g n o s i so fv e h i c l e sf r o mt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e p a r t m e n t f r o m3 0 t h d e c e m b e r , 2 0 0 6 ，a l lt h ea u t o m o b i l e ss o l di nb e i j i n gm u s tb ee q u i p p e dw i t he o b d i t w i l lb ee x e c u t e dt h r o u g h o u tt h ec o u n t r yf r o m1 “j u l y ，2 0 0 8 t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e s o b ds y s t e mo ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o lg a s o l i n ee n g i n ea st h er e s e a r c hc o n t e n t , d i s s e r t a t e si nd e t a i lt h eb a s i cc o n t r o ls t r a t e g yo ft h eg a s o l i n ee n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m a n dt h ec o m p o s i n g ，p r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c ，d i a g n o s i s o b j e c t s a n d m a l f u n c t i o nm a n a g e ro fo b d b a s e do nt h i s ，a ni n d e p t hr e s e a r c ho nm 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 sa n dc a t a l y s tc o i l v e r t e rd i a g n o s i si sm a d e b a s e do nt h ef h i e m a n tc r a n k s h a f tr o t a t es p e e d ，t h em i s f i r ed i a g n o s i sa l g o r i t h mi s d e v e l o p e d i ft h et i m ew h e nt h ef i r i n gc y l i n d e rm o v e sf r o mt d c t ob d ci sl o n g e r t h a nt h et h r e s h o l dv a l u e ，m i s f i r es h o u l db et a k e np l a c e i no r d e rt of i xt h em i s f i r e t h r e s h o l dv a l u ea n dv a l i d a t et h em i s f i r ed i a g n o s i ss t r a t e g y , w eh a v ed e v e l o p e dt h e m i s f i r eg e n e r a t o r e x p e r i m e n t ss u c ha sg a s o l i n e l e v e l l o w - d r i v ea n dr o u g h r o a d - d r i v e a l em a d et od e t e r m i n ee n a b l e dc o n d i t i o n sa n dd e l a yc o n d i t i o n so fm i s f i r ed i a g n o s i s v e h i c l e se q u i p p e dw i t ht h em i s f i r eg e n e r a t o rc a ni l l u m i n a t et h em i li nt h et y p ei e m i s s i o nt e s t , w h i c hp r o v e sd e p e n d a b i l i t yo ft h em i s f i r ed i a g n o s i ss t r a t e g yi nt h i s d i s s e r t a t i o n a i m i n ga ti n v a l i d a t i o n so ft h eo x y g e ns e n s o r , w eh a v ed e v e l o p e dt h eo x y g e n s e n s o rm a l f u n c t i o ns i m u l a t o r s i m u l a t et h ei n v a l i d a t i o nm o d e so ft h eo x y g e ns e n s o r t or e s e a r c hi n f l u e n c et oe m i s s i o nc a u s e db yi n v a l i d a t i o n ，t h e nm a k ea ni n d e p t h a n a l y s i so nt h ec a u s e so ft h ei n f l u e n c e d e s i g nt h eo x y g e ns e n s l y fd i a g n o s i ss t r a t e g y d i v i d eo x y g e ns e n s o rd i a g n o s i si n t ov o l t a g ed i a g n o s i sa n dr e s p o n s ed i a g n o s i s m a k e e x p e r i m e n t si nc o l d ，h o ta n da l t i p l a n oc o n d i t i o n st ov a l i d m et h er a t i o n a l i t yo ft h e t h r e s h o l dv a l u e si no x y g e ns e n s o rd i a g n o s i s v e h i c l e se q u i p p e dw i t l lt h eo x y g e n s e n s o rm a l f u n c t i o ns i m u l a t o rc a ni l l u m i n a t et h em i li nt h et y p eie m i s s i o nt e s t , w h i c hp r o v e sd e p e n d a b i l i t yo ft h eo x y g e ns e n s o r d i a g n o s i ss t r a t e g y i n t h i s n 武汉理工大学硕士学位论文 d i s s e r t a t i o n a n a l y z ei n v a l i d a t i o n so ft h ec a t a l y s tc o n v e r t e ra n dt h ed e t e c t i n gm e t h o d s i n d i c a t ea d v a n t a g e ，d i s a d v a n t a g ea n da p p l i c a b i l i t yo ft h em e t h o d s m e a s u r et h eo s c t i m e so ft h en e wc a t a l y s tc o n v e r t e r ，t h ea g e dc a t a l y s tc o n v e r t e ra n dt h et h r e s h o l d c a t a l y s tc o n v e r t e lb ya n a l y z i n g , m a k ec o n c l u s i o nt h a tt h e r ei sc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n b e t w e e no s ct i m ea n dw o r kc a p a c i t yo ft h ec a t a l y s tc o n v e r t e r t h e nd e v e l o pt h e c o n v e r t e rd i a g n o s i sm e t h o db a s e do no s ct i m e v e h i c l e se q u i p p e dw i t l lt h et h r e s h o l d c a t a l y s tc o n v e r t e rc a ni l l u m i n a t et h em i li nt h et y p e ie m i s s i o nt e s t , w h i c hp r o v e s d e p e n d a b i l i t yo f t h em i s f i r ed i a g n o s i ss t r a t e g yi nt h i sd i s s e r t a t i o n m i s f i r ed i a g n o s i s ，o x y g e ns e u s o rd i a g n o s i sa n dc a t a l y s tc o n v e r t e rd i a g n o s i sa r e t h ek e yc o n t e n t so ft h es t a g ei i i b yt h ee m i s s i o nt e s t s , t h ed i a g n o s i ss t r a t e g y r e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc a l le f f i c i e n t l yd i a g n o s em i s f i r em a l f u n c t i o n , o x y g e n s e n s o rm a l f u n c t i o na n dc a t a l y s tc o n v e r t e rm a l f u n c t i o n k e y w o r d s ：o b d ，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 t c o n v e r t e rd i a g n o s i s ，s t r a t e g y i i i 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面使用过 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： 关于论文使用授权的说明 日期：塑i ：f 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) 签名：导师签名：乏谜 日期：坦毕毕 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 汽车，作为当今世界最主要的陆上交通工具，对人类的生活和经济发展有 着不可替代的作用。据统计，全球汽车保有量超过8 亿辆。2 0 0 6 年全球主要汽 车生产国的的汽车产量为：日本1 1 4 8 万量，美国1 1 2 6 万量，中国7 2 8 万量， 德国5 8 2 万量。 据分析，汽车已经成为最大的空气污染源，在大气的全部污染物中4 3 来 自汽车；在大中城市中，7 0 的空气污染来自汽车【”。另据我国环保部门的研究 结果，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 0 4 0 。 一方面，汽车给人类生活带来极大的便利，对世界经济的发展起着不可替 代的作用，使人类越来越依靠汽车；另一方面，汽车排放对大气的严重污染， 又危害着人类的身体健康和长远发展，促使环保部i q f n 定越来越严格的法规限 制汽车的上市和使用。汽车的这种双重性，推动了现代汽车发动机电子控制技 术的迅速发展。发动机电子控制技术的发展，使汽车发动机的性能大大提高， 使车辆本身具备了自诊断功能，也为排放法规的提升提供了空间。 1 1 汽油机电子控制技术发展及现状 早在1 9 5 3 年，美国b e n d i x 公司的研究人员开始进行汽油喷射电控系统的开 发。7 0 年代初，微处理机的问世为发动机控制提供了一个理想的手段，采用以 微处理机为主的控制系统，实现对发动机的数字控制，具有控制精确度高、响 应速度快和控制自由度大等优点。与此同时，在美国、日本和欧洲等工业发达 国家，环境污染问题日趋严重，为此制定了严格的法规限制汽车的排放。能源 危机的出现，使节能也成为迫切需要解决的问题。但研究结果表明，要同时获 得这两方面性能改善的预期目标是十分困难的。因为有些排气净化措施会引起 燃料经济性的恶化，而有些提高发动机燃料经济性的方法又受到限制排放污染 的制约。而采用微机控制发动机的方法，则是解决这个问题的有效途径。正因 为如此，自7 0 年代中期开始，这些国家相继积极地进行汽油机微机控制的研究 武汉理e 大学硕士学位论文 工作。自1 9 7 7 年美国通用汽车公司将其研制成功的m s a r ( m i c r o c e s s e d ，s e n d i n g a n da u t o m a t i cr e g u l a t o r ) 微处理机点火控制系统作为正式产品用于汽车上之后 【2 】，各种微机控制系统便陆续装车使用。1 9 8 4 年福特公司在国内销售的汽车已 全部装有电控系统。上世纪9 0 年代，美国采用电控系统发动机的轿车总量达8 0 以上，日本达5 0 以上，欧洲3 5 以上。上世纪9 0 年代末到本世纪初，美 国、欧洲和日本汽车发动机几乎全部实现电控p j 。 现代汽油机电子控制系统都有自诊断功能，称为车载诊断系统( o n - b o a r d d i a g n o s t i c 缩写为o b d ) 。o b d 的要点是不断监测系统的异常之处，发现故障 后，一方面采取l 临时补救措旋，使汽车勉强能行驶，另一方面将存储故障信息， 必要时还通过故障灯警示驾驶人员1 2 j 。 1 2 国内外排放法规的发展及现状州町 目前，美国、日本、欧洲的汽车排放法规代表着世界汽车排放的三个主要 体系。其他国家在不同程度上借鉴或采用了这些法规。美国是世界上执行排放 法规最早、排放控制指标最多、排放法规最严格的国家。日本从1 9 6 6 年起开始 控制排放污染。欧渊经济委员会( e c e ) 1 9 6 0 年颁布实施第1 项e c e 法规，至今已 形成1 0 9 项排放法规，包括安全、环保、节能3 大领域的汽车排放法规体系。 我国机动车污染控制工作始于1 9 7 9 年颁布的中华人民共和国环境保护法 ( 试行) 。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，2 0 0 4 年7 月 1 日起在全国实施等效于欧i i 排放 法规的g b1 8 3 5 2 2 2 0 0 1 9 轻型汽车 污染物排放限值及测量方法( ) 。 2 0 0 5 年4 月2 7 日国家环保总局公 布了轻型汽车污染物排放限值及0 40 2 2 3 3 2 测量方法。我国分别将于2 0 0 7h c 舯c o 舯 年7 月1 日和2 0 1 0 年7 月1 日开始 图1 1e o b d 限值与欧i i i 限值的区别 在全国实施国、国( 相当于欧 2 武汉理工大学硕十学位论文 、欧i v ) 排放标准。 欧i 与欧1 i 相比，除了排放限制加严外，法规规定的形式认证试验程序发 生了明显的变化( 如表1 1 ) ，其中最引入关注的部分是欧i h 增加了欧洲车载 诊断系统( e u r o p e a no n b o a r dd i a g n o s t i c ，缩写为e o b d ) 。该系统是一种排放 控制监测系统，具有鉴别可能出现故障区域的能力，与排放相关的部件或系统 失效导致排放量超过e o b d 限值时，e o b d 系统出现警示。图l l 显示了e o b d 限值与欧限值的区别，表l 一2 给出了我国国m 规定的o b d 限值。 表1 1 欧i i 和欧1 1 1 型式认证试验项目对比 欧i i欧i i i 测试循环 4 0 s 后开始检测发动机起动即开始检测 燃油蒸发排放 l 小时昼间换气损失2 4 小对昼间换气损失 1 小时热浸损失1 小时热浸损失 低温排放 无要求在一7 和市区运转循环工况下的 h c c 0 排放 车载诊断系统 无要求电控车载诊断系统e o b d 耐久性要求8 00 0 0 k m8 00 0 0k m 在用车排放检测无要求超过1 50 0 0 k m ，低于8 00 0 0 k m 表1 2 国i 法规规定的o b d 排放限值 基准质量 一氧化碳质量碳氢化合物质量氮氧化物质量 ( r m ) k g ( c o ) l 1 g ( t h c ) l 2 ，g ( n o x ) l 3 g k mk m k m 级 类别汽油柴油汽油柴油汽油柴油 别 第一 类车 全部3 2 03 2 0 0 4 00 4 0o 6 01 2 0 ir m 1 3 0 53 2 03 2 0 0 4 00 4 0o 6 01 2 0 第二1 3 0 5 类车 h5 8 04 0 0 o 5 0 o 5 0 o 7 01 6 0 r m 冬1 7 6 0 m1 7 6 0 r m7 3 04 8 00 6 00 6 0o 8 01 9 0 注：对于燃用l p g 和n g 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2 5 0 0 k g 的m 1 类车。 第二类车：指o b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 适用范围内除第一类车以外的其他所有轻 型汽车。 武汉理工大学硕七学位论文 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【1 0 】i 川。从2 0 0 6 年1 2 月3 0 日起，所有 在北京销售的车必须带o b d 。全国实施的日期是2 0 0 8 年7 月1 日【1 3 l 。中华人民 共和国国家标准g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 中规定的0 8 d 系统是第二代车载诊断系统 e o b d 12 】。 1 3 国内外车载诊断技术的发展及现状 早在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，世界大多数汽车制造商就开始使用电子 手段来检测和控制发动机各部件功能以及诊断发动机故障【1 4 】，以满足环保部门 对汽车排放标准的监测和故障诊断的需要。表1 3 显示了各国对o b d 系统的 要求。 表1 3 各国对o b d 的要求 年份 1 9 8 81 9 9 21 9 9 41 9 9 82 0 0 0 l 2 0 0 42 0 0 52 0 0 8 i 2 0 1 0 美国 o b di o b d i l附加要求 欧盟无要求等效o b d i i 限值标准改变 日本 无要求等效于修改的o b d i先进o b d o b d 最早起源于美国，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 di ，即第一代车载诊断系统。o b di 存在很多不足，功能相对简单， 主要是诊断与排放有关的零部件的完全失效，无法对由于部件老化、部分失效 引起的排放超标进行诊断。o b di 没有统一的标准，o b d 连接器插口、故障代 码、通讯协议等形式内容大都不同，给电控汽车的故障诊断和维修带来了诸多 不型1 卯。 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 ( 即第二代车载诊断系统) 的标准提供统一的诊断模式。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，都有一个通用的诊断数据接口( d a t al i n kc o n n e c t o r ， 4 武汉理t 大学硕士学位论文 缩写为d l c ) 。 因为美国和欧洲采用了两种不同的排放法规体系，所以第二代车载诊断系 统有o b d i i 、e o b d 两种形式。e o b d 类似于美国的o b d i i ，但e o b d 故障检 测的排放限值是固定值，不要求蒸发系统的泄漏检查等。从根源上来说，美国 的o b d i i 系统实施得更早，标准更严格【l6 j 。美国环保局规定1 9 9 6 年以后生产的 轿车和轻型卡车( 载重在6 5 吨以下) 的电控系统都要求配置o b d i i 系统，并 在2 0 0 0 年1 月1 日开始所有汽车制造商生产的轿车及轻型卡车都必须配置 o b d i i 系统l l ”。加拿大于1 9 9 8 年开始实施o b d i i 系统。欧洲则从2 0 0 0 年开始 逐步实施e o b d 系统，2 0 0 1 年欧洲所有新生产的轿车( 载重2 5 吨以下) 仅限 于汽油发动机配置e o b d 系统。而对于柴油发动机轿车要求到2 0 0 4 年必须强制 配置e o b d 系统。 第二阶段o b d i i 、e o b d 除了对排放有关的部件完全失效诊断外，还要对 由于部件老化、部分失效引起的排放超标进行诊断。因此，o b di i 、e o b d 系 统才是真正意义上的实现对在用车整个使用寿命范围内的排放控制。 0 b d i i 诊断系统在汽车排放控制方面具有良好的实时性，但对故障的及时 检测和维修不具备强制性。往往与排放系统有关的元件出现故障时，可能不影 响发动机的正常工作。如果车主不去及时地检修，并且处于两次检查维护( i m ) 检测之间，则该车仍处于严重超标排放状态l l j 。 鉴于此种情况，同时出于简化汽车检测程序和节省检修费用的考虑，目前 加州空气资源局( c a l i f o m i aa i rr e s o u r c e sb o a r d ，缩写为c a r b ) 正在考虑一 种更加复杂的车载诊断系统旬b d i i i 提案田】。它能够做且前o b dl i 系统所能 做的全部事情，同时在原有o b di i 诊断系统的基础上增加遥感测控装置【。9 1 1 2 0 1 。 通过一个无线电收发装置，可以将汽车的牌号( v e h i c l ei d e n t i f i c a t i o nn u m b e r ， 缩写为v i n ) 和排放情况实时地报告给排放管理机构。排放管理机构然后给排 放系统有故障的车主寄去说明排放问题的通知书，告诉他必要的修理和测试， 甚至还可以向车主提供相关维修站信息以及查阅此种年代车型维修史的网站， 并要求其限期对汽车进行维修。通过识别带排放问题的汽车，能够显著增加遵 守排放法规的汽车，并且能够大幅度地减少定期i m 检测所花费的费用和时间。 换句话说，只有带排放问题的汽车才会被通知进行i m 检修。 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 武汉理工大学硕士学位论文 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o 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， 才能把资金有效的用于提高国家空气质量上。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽油机电控系统及其车载诊断技术介绍 2 1 汽油机电子控制系统介绍 汽油机电控系统通过对汽油喷射系统、进气系统、排放控制系统、电子点 火系统等进行优化控制，使发动机工作在最佳工况，达到提高性能、安全、节 能、降低尾气排放的目的。汽油机电子控制系统主要包括：燃油喷射控制、点 火系统控制、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、失效控制、后备控 制、诊断系统等。 2 1 1 汽油机电子控制系统的组成及原理 与一般的电子控制系统一样，汽油机电子控制系统也是由三部分组成的， 即传感器，电子控制单元和执行器，图2 - 1 为汽油机电子控制系统示意图。 ( 1 ) 传感器 传感器的功能是将传递发动机状态信息的各种非电量物理量转变成电信号 输送给电子控制单元。 ( 2 ) 电子控制单元 电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，缩写为e c u ) 的功能是通过采集各 种传感器输入信号，并将信号迸行调理，根据发动机管理控制算法进行运算， 然后输出控制信号并进行功率放大，最后传给执行器。 ( 3 ) 执行器 执行器的功能是执行e c u 发出的指令，主要包括喷油器、点火控制模块、 怠速空气控制阀以及各种电磁阀等。 汽油机电子控制系统是以e c u 为控制核心，利用安装在发动机不同部位的 各种传感器测得发动机的各种工作参数，按照e c u 中事先设定的控制程序和参 数，精确地控制喷油量、点火提前角，使发动机在各种工况下都能以最佳状态 工作。其控制过程大体上如图2 - 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 一l 汽油机电子控制系统示意图 开环控制 f 负荷传感嚣卜_ 叫燃油定量执行器卜_ 一 l 转速传感器卜 电子拧制 叫点火正时执行器卜一 发动机 单元e c u i 笤燃“l 叫其他各种执行器i i 亦- 肚成骣l 一 j ! i 一! 三旦孥删! r 丽砷一：| ! i l j 曼孽照塑下丽丽磊一- l i 熊竖鎏盟丫磊鬲孙一一j 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 。1 2 汽油机电控策略分析 ( 1 ) 燃油喷射控制与空燃比控制 发动机的油耗需求变化非常大。在冷起动时，混合气被有意设置得非常浓， 来保证足够多的气化燃油到达气缸内部，保证燃烧。当发动机内温度升高，气 化燃油增加，空燃比可被逐渐增加至一个额定的值。在热车后的稳定状态运行 期间，空燃比被控制在理论空燃比附近，这样有助于改善发动机的排放。在急 加速期间，混合气被设置得较浓使功率最大化并降低排气温度。浓混合气还可 用来降低催化器温度。当发动机的转速超过系统中设定的最高转速时，系统将 切断供油，来控制转速继续上升，以保护发动机，防止“飞车”；当转速回落到 系统规定的最高转速限制以下后，系统立即恢复供油。发动机正常运转过程中， 驾驶员松开油门踏板，车辆滑行并反拖发动机，此时，汽车不需要发动机提供 动力；而由于节气门完全关闭后，进气量很小，发动机因燃烧不良而造成有害 排放物增加，因此，系统在此时将切断供油，这样可以大大降低发动机有害排 放物的生成，同时改善燃油经济性。燃油控制子系统被设计用来识别这些变化 不同的车辆运行条件，并为发动机的不同运行工况确定和传送正确的空燃比。 ( 2 ) 点火控制 汽油机点火系统电子控制可以分为点火线圈充磁控制、点火提前角控制和 爆震控制。点火线圈充磁时间决定了火花塞的点火能量，太长的充磁时间会损 害线圈或线圈驱动器，太短会导致失火。点火提前角的控制是汽油机点火系统 电子控制核心问题。点火提前角控制系统是由e c u 根据负荷和转速传感器提供 的信息从r o m 中调出最优化的点火提前角数据，通过程序运行修正，实旌控制。 点火控制中对爆震的控制，是利用减小点火提前角的方法来消除爆震。当爆震 完全消失后并在若干循环内不再出现，e c u 会逐渐将点火角增大，直至恢复爆 震前的水平，并重新开始正常的点火控制。 ( 3 ) 怠速控制 怠速转速控制的目的在于：怠速时，若发动机负载变化可以防止发动机停 机并维持稳定的发动机转速：节气门由开到关或由关到开过渡时，转速过渡平 顺。怠速控制主要是对怠速空气量的控制。怠速控制的方式包括开环与闭环控 制两种。一般来说，在起动、暖机、急减速等工况时多采用开环控制，而在稳 定怠速工况，多采用闭环控制，所用的反馈信号为发动机转速信号。 9 武汉理l = 大学硕士学位论文 ( 4 ) 排放控制 发动机电子控制的主要目的之一就是要解决排放问题。排放控制就是在排 放法规试验规定车辆运行的范围内，采用闭环控制精确调整最初所作的开环燃 油标定数据，并结合三元催化转化器，以优化车辆的排放特性。闭环控制系统 必须配有氧传感器才能起作用。氧传感器安装在排气歧管与三元催化转化器之 间，监测排气中的氧含量。电脑闭环控制对氧传感器信号作出响应，修改控制 变量，以达到最佳空燃比控制的目的，改善车辆排放。 ( 5 ) 诊断控制 诊断控制要求自诊断系统能够对传感器、执行器和连接线路进行不断地监 测。当汽车排放超过法规规定值和汽车电子控制系统出现故障时，故障灯闪亮 告知驾驶员汽车电控系统出现故障或排放超标【 l ，并将故障以代码的形式存储 在汽车电控系统的r a m 中，为汽车维修人员诊断和排除故障提供依据，同时还 要切换到相应的缺损模式，从而保证车辆在无法获得正确输入信号时仍然可以 维持基本的驾驶功能【1 6 1 。 2 2 车载诊断技术介绍 2 2 1 车载诊断系统的组成及原理 o b d 系统在功能上由软件和硬件共同实现。o b d 的软件包括故障诊断控制 策略代码和标定，与发动机控制部分一起构成整个发动机控制系统的软件包。 o b d 的硬件主要由各传感器、e c u 、连接器插口、故障灯( m a l f u n c t i o n si n d i c a t o r l i g h t ，缩写为m i l ) 、执行器及线路等与发动机排气控制相关的子系统组成【2 l 】。 当电控系统电路的信号出现异常且超出了正常的变化范围，并且这一异常 现象在一定时间( 一个或多个连续行程) 内不会消失，e c u 则判断为这一部分 出现故障，故障灯点亮，同时监测器把这一故障以代码的形式存入内部r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ：随机存储器) i z ”，被存储的故障代码在检修时可以 通过故障灯或o b d 扫描仪来读取( 如图2 3 所示) 。如果故障不再存在，监 控器在连续3 次未接收到相关信号后，将指令故障灯熄灭【2 5 】。故障灯熄灭后， 发动机暖机循环4 0 次均未出现该故障，则故障代码会自动从存储器中被清除掉。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 电路连续性诊断 传感器 l 空气流量计f i 水温传感器i i 1 执行器 l 喷油器 i 怠速执行器i 1 功能性诊断故障管理 失火 故障确认l 供油系统 卜、 y 一孽障灯，a 氧传感器信号 m i l 控制 y it m l lj x y 催化器效率 。 卜 故障内存管理 控制单元诊断 e p r o m 检查l 卜 扫描_ ：具接口 g = = 爿扫描工具旷 e e p r o m 检查l 图2 3o b d 系统示意图 o b d 系统以相应的程序管理监测诊断过程，每个监测过程必须在特定的运 行条件下完成。诊断管理程序确定故障诊断检测的次序，当正确的运行条件具 备时，决定检测的持续时间。如果条件和时间不满足要求，管理软件将等待时 机运行适当的监测诊断程序俐。 2 2 2 车载诊断系统的主要特点 所有0 b d i i 或e o b d 装备的汽车都必须包括以下标准化的硬件和软件：诊断 术语( s a e 4 1 9 3 0 ) 、诊断数据连接器及其排列( s a e j l 9 6 2 ) 、诊断测试模式 ( s a e - j 2 1 9 0 ) 、诊断故障代码( s a e j 2 0 1 2 ) 、通信协议标准( s a e j 1 8 5 0 ) 和 诊断扫描仪器( s a e j 1 9 9 7 ) 1 2 6 1 。 2 2 2 1 标准化的诊断术语和缩写词 第二代车载诊断系统的程序设计要求避免系统之间的混淆，因此该系统对 所涉及到的诊断术语、定义和缩写作了严格的要求和标准化的规定。 2 2 2 2 标准化的诊断数据连接器 美国和欧洲的车载诊断系统的诊断连接器结构都是一样的，都采用统一的 1 6 引脚诊断数据连接器( 如图2 4 所示) ，但o b d i i 和e o b d 的诊断数据连接 武汉理i ：大学硕士学位论文 器的引脚的定义不尽相同：引脚1 、3 、4 、5 、 其中引脚4 为底盘搭铁，引脚5 为信 号搭铁，引脚1 6 接蓄电池正极，其 它预留给制造商使用。 0 b d i i 用引脚2 、6 、1 0 、1 4 作 为数据传输引脚，其中引脚2 、l o 为 s a ej 1 8 5 0 通讯数据传输引脚。如果 8 、9 、l l 、1 2 、1 3 、1 6 定义相同， 图2 4 诊断数据连接器 在汽车电控系统中使用了c a n 总线技术，则引脚6 、1 4 被定义为c a n 数据总 线传输引脚，它们分别与c a n 总线的两条信号线c a nh i g h 和c a nl o w 相连， 引脚7 、1 5 预留给制造商使用。如果未用c a n 总线，则引脚6 、7 、1 4 、1 5 预 留给制造商使用。 e o b d 用引脚7 、1 5 作为i s o9 1 4 1 2 或i s o ，d i s1 4 2 3 0 通讯数据传输引脚。 根据通讯协议要求，汽车电子控制单元( e c u ) 通过诊断连接器与故障扫描仪进行 通讯时，可以用单线( k 线) 通讯，也可以用双线( k 线和l 线) 通讯。使用单线通 讯时，引脚7 和k 线相连，引脚1 5 预留给制造商使用；使用双线通讯时，引脚 7 和k 线相连，引脚1 5 和l 线相连。引脚2 、6 、1 0 、1 4 预留给制造商使用。 2 2 2 3 通用的诊断测试模式 使用故障扫描仪可进行o b di i 和e o b d 的诊断测试模式的测试。共有9 种 测试模式，如表2 - - l 所示。 表2 一lo b d i i 和e o b d 的诊断测试模式 测试模式测试内容 检索汽车诊断数据：模拟参数的输入和输出( 如发动机冷却水温度) ； 测试模式一数字参数的输入和输出( 如怠速开关) ：系统状态信息( 如辛烷值代 码) ；当前的计算值( 如喷射时间) 测试模式二 从测试模块一中检索出贮存在车内的故障代码数据和运行条件，如发动 机转速，冷却液温度和发动机负荷 测试模式三 检索所有的故障代码 测试模式四消除和复位故障代码和贮存在车内的数据 测试模式五 监视氧传感器。显示 传感器试验值信号过程 测试模式六检索特定监测的0 b d 测试结果，如油箱通风设备和第二次空气循环系统 测试模式七检索排放相关的待确认的诊断故障码 测试模式八监测系统和结构部件功能状态显示，如油箱通风设备的控制阀 测试模式九汽车信息数据的显示 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 4 标准化的故障诊断代码 标准中规定的故障代码由5 位数组成，如图2 5 所示。第1 位为英文字母， 后面4 位为阿拉伯数字。 ，。 代码i 为系统代码。当前分ttttt 配的字母有4 个；p 代表动力系 lff b 磊百。 统，b 代表车身，c 代表底盘，uiii i 銮拭舀i v 代表网络。 l l 垦幽塑旦_ i i i 代码i i 为s 删s o 或厂家定 ll 型黑署幽? 义的代码，当前分配的数字字符 一1 有o 、l 、2 、3 。 图2 - 5 故障代码的组成 代码的字符可从o _ _ 9 中选择。对于动力系统，它代表故障范围：o 一代表 燃油、空气流量计或辅助排放控制系统故障，l ，2 代表燃油或空气流量计故障， 3 一代表点火系统故障或发动机失火，4 - - - 代表辅助排放控制系统故障障，5 一代 表车速，怠速控制或辅助输入系统故障，6 - - - 代表微机或辅助输出系统故障， 7 ，8 ，9 一代表变速器控制系统故障。当代码i i 取2 或3 时，代码i i i 中数字4 _ - 9 为 s a e i s o 预留。对于车身、底盘和网络部分，代码i h 尚无明确定义。 代码和代码v 由0 肛- 9 9 间的数组成，表示触发故障代码的条件。 2 2 ，2 5标准的通讯协议 第二代车载诊断系统必须使用相同的多路通讯语言，进行e c u 与其传感器 和执行器间的通讯，以及与诊断工具之间诊断信息的发送与接收。o b d i i 标准 使用的通讯协议有3 个；s a ej 1 8 5 0 p w m ( 脉冲宽度调节) ，波特率为4 1 6 x 1 0 3 b s ， 诊断数据连接器中所用的引脚是2 、4 、5 、l o 、1 6 ；s a ej 1 8 5 0 v p w ( 可变脉冲 宽度调节) ，波特率为1 0 4 x 1 0 3 b s