（动力机械及工程专业论文）针对obd系统的汽车失火发生装置研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 牮载诊断( o b d ) 系统测试是实施国i i i 、国i v 排放标准的核心内容，也是 难点之一。o b d 系统将从汽攀发动机的运行状况随时黢控与汽车排放楣关的部 佟，一墨菜些酃佟发生薮障会警致攘放怒豁，会马主发国警示。当系统崮现敌 障时，故障指示器( m d 或检赢发动机警告灯亮，同时动力总成控制模块( p c m ) 将故障信息存入存储器，通过定的程序可以将故障码从p c m 中读出。根据故 獐璐戆提示，缀修入瑟缒够恣速、准确建确定赦漳魏投缓窝帮使，麸瓣霉喜效 控制在用车因排放净化装置故障或其他原因造成排放超标的情况。 发动机失火诊断是车载诊断( o b d ) 系统重要功能之一。由于o b d 对发动 机失火监控，可放射发现发动税失火故障，静及时鼹决放簿，保证镁他转化器 使用寿命，保诱在用车不会嚣为发动梳失火造成捧藏怒标。本谍蘑开发了一套 针对o b d 型式认证试验的汽油机失火发生装置，该装置w 以设置不同的失火率， 使发动机失火，以此判断满足豳i i i 标准车辆的o b d 系统是否正常。因此，本 装鼗浆舞发霹予o b d 系绞型凌获证试验潋及嚣珏l 在仝瓣范垂内瑕澍实施寿缀 大意义。 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、 氧倦感爨窝催化转化器的蓝测琢理，其中对发动枧失火类型进行了鬟点分辑和 研究，介绍了几种发动辊失火潮断方法，详细说骥了魏轴转速波动法静失火诊 断篇略，为发动机失火故障模拟装置的开发提供了一定的理论依据。 设计开发了发动机失火故障发生装置。该装置根据e c u 发出的点火控制信 号诗粪窭熹文次数，圭圭控攀篾穰发出失火缮令，羼菠簿菜些点火穆号，造藏 发动机失火。同时，设计一鬃简便易操作的控制软件，可以控制发动机失火率、 失火模式，并可以实时观察失火缸号，为试验提供了方便的操作环境。 裂弼失火发生装置，分别在发动机台絮彝实车在疯焱测功极上进行了提关 试验，得出了必火时的趋轴转速波动情况，以及不同失火率下发动瓤帮车辆懿 排放情况。 关键字：汽车，攀载诊錾，嚣l 嚣，失犬发生装置 武汉理工大学硬士学位论文 a b s t r a c t o n - b o a r dd i a g n o s t i c ( o b d ) s y s t e mt e s ti st h ek e yc o n t e n ta n dd i f f i c u l t yo ft h e i m p l e m e n to fs t a g e 疆a n ds t a g ei v 。o b ds y s t e mm o n i t o r st h ee m i s s i o a - r e l a t e d c o m p o n e n t sf r o mt h ep e r f o r m a n c eo f t h ee n g i n ea ta n ym o m e n t o n c et h e m a l f u n c t i o n so fs o m ec o m p o n e n t sm a yr e s u l t si ne m i s s i o n se x c e e d i n gt h et h r e s h o l d l i m i t s ，m a l f u n c t i o ni n d i c a t o rw i l lb ea c t i v a t e w h e nm a l f u n c t i o n aa r ef o u n d , t h e m a l f n n c t i o bi n d i c a t o rl i g h to rd 燃e n g i 瓣u g h tw i l li l l u m i n e ia n dp o w e rc o n t r o l m o d u l e ( p c m ) w i l ts t o r et h em a l f u n c t i o ni n f o r m a t i o ni nm e m o r i z e rs i m u l t a n e o u s l y t h r o u g hc e r t a i np r o c e d u r e s f a u l tc o d e sc a r lb er e a df r o mp c m a c c o r d i n gt ot h e i n d i c a t i o no ff a u l tc e d e s , 张塾妇黜c 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 f m a l f u n c t i o nr a p i d l ya n dp r e c i s e l y , w h i c hc o u l dp r e v e n ti n - u s ev e h i c l e sf r o m e x c e e d i n ge m i s s i o ns t a n d a r db e c a u s eo ft h em a l f u n c t i o no fs o m 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 e n g i n em i s f i r ei so 懿o f t h em o s ti m p o r t a n tf t l n c 螽o n s a st h eo b dm o n i t o ro f e n g i n em i s f i r e , d r i v e r sc o u l df m dt h em i s f i r ef a u l ta n ds o l v et h ep r o b l e mi m m e d i a t e l y a n de n s u r et h eu s a g et i m eo fc a t a i y t i cc o n v e n e ra n dt h ei n u s ev e h i c l e sw i l ln o t e x c e e dt h ee m i s s i o ns t a n d a r d 。骶p r o j 撼d e v e l o p sas u i to fm i s f i r eg e n e r a t o rf o rt h e f u n c t i o n a la p p r o v a lt e s to fo b d s f s t e m t 毯sd e v i c ec o u l ds e tm i s f i r er o t e , a n dm a k e t h ee n g i n em i s f i r ed e l i b e r a t e l yi no r d e rt oj u d g ei ft h eo b ds y s t e mo ft h ev e h i c l e s m e e t i n gs t a g e1 1 1e m i s s i o ns t a n d a r di sf u n c t i o n a l t h e r e f o r e , t h i sd e v e l o p m e n ti s s i g n i f i c a n tf o rt h eo b df u n c t i o n a la p p r o v a lt e s ta n dt h ei m p l e m e mo fs t a g e 珏l n a t i o n w i d e t h i sp a p e ra n a l y z e st h eo b d s y s t e md i a g n o s t i cs t r a t e g i e s ；i n t r o d u c et h em o n i t o r p 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 c u s o ra n dc a t a l y t i cc o n v e r t e r t h ee n g i n e m i s f i r et y p e sa l ef o c u s e do n , a n ds e v e r a lm i s f i r e 拍d g i n gm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d o b d d i a g n o s t i cs t r a t e g i e so fc r a n k s h a f ts p e e df l u c t u a t i o na r ee l a b o r a t e d ，w h i c ho f f e r t h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to fm i s f i r eg e n e r a t o r t h ed e s i g no fm i s f i r eg e n e r a t o rb a s e so nt h ei g n i t i o nc o n t r o ls i g n a l sf r o me c u 武汉理工大学硕士学位论文 t oc a l c u l a t ei g n i t i o nt i m e s ，a n dc o n t r o ls i n g l e - c h i ps e n dm i s f i r eo r d e r st os h i e l ds o m e i g n r i o ns i g n a l sa n dc a u s em i s f i r e s i m u l t a n e o u s l y as u i to fc o n t r o ls o f t w a r ei s d e s i g n e dt oc o n t r o lt h em i s f i r er a t e ，m i s f i r es 耋y l e ，a n dc o u l do b s e r v em i s f i r ec y l i n d e r n u m b e rr e a l t i m e l y , w h i c hs u p p l yac o n v e n i e n to p e r a t i o ne n v i r o n m e n t 。 w i t ht h em i s f i r eg e n e r a t o r , t e s to ne n g i n eb e n c ha n dc h a s s i sd y n a m o m e t e ra l e c a r r i e do u t , t h er e s u l t so fc r a n k s h a f ts p e e df l u c t u a t i o na n de m i s s i o no fv e h i c l e sw i t h d i f f e r e l 睦m i s f i f 。r a t ea r ef o u n d 。 k e yw o r d s ：v e h i c l e ，o n - b o a r dd a g n o s t i c s , s t a g ei 珏m i s f i r eg e n e r a t o r 珏l 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： 至覆e t 期：递! ! ：! 墨 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、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：至定导师签名：豸亟如期：型：堡哆 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 弓i 言 第1 章概论 骜今氆赛务溺城索纯送纛豹栽模是爨史上靛来弯过静。舅2 0 2 5 每，藿秀上 将裔2 3 的人口居住在城市。这意味着有受多的人要在城市中生活和工作，还 意昧着更多的人和更多的货物凝在城市中或城市间进行遮输，而且是长距离的。 规动车保毒量的增长毙人日静增长抉缛多。在1 9 5 0 年，全世界只蠢5 0 0 0 万辆 汽率，大约每l o 入仅有2 辆汽车；到2 0 0 5 年，全球激经拥有s 。5 亿耩汽车， 平均1 0 0 人拥有1 3 辆汽车：根据目前的估计，2 0 1 0 年之前全世界机动率的数量 可熊达到9 亿辆l l 】，如图l 一1 。 图1 1 世界汽车保肖量增长趋势 近年来，我嚣城帝瑗代豫进程愈来愈莰，汽车傈奏爨蹭长菲鬻逐遴，截止 到2 0 0 5 年底，我国汽车保有量就已达到3 1 6 0 万辆，仅这一年的增长率就为1 7 2 9 ，如图1 2 为中国汽车保有艟增长图，预计到2 0 1 0 年将达到5 0 0 0 万辆左右， 其零增长率霹这1 6 - 2 0 。瑚5 年瑟车产爨为5 7 4 5 万辍，增长率巍4 6 。1 ， 武汉理工大学硕士学位论文 如图1 - - 3 ，我国汽车产量在世界排名由2 0 0 1 年的第7 位上升到2 0 0 4 年的第4 位。随着汽车保有量和产量的增加，我国汽车污染物排放总量也日趋上升。据 统计，2 0 0 5 年我国机动车尾气排放在城市大气污染中的分担率将达到7 9 左右， 城市污染也将从煤烟型污染向汽车尾气型污染转化1 2 j 。 万辆 中国汽车保有量 1 9 9 r 睥1 9 9 7 t f1 9 9 8 年1 9 9 9 年2 0 0 0 年2 0 0 t 年2 0 0 2 年2 0 0 3 年z 0 0 4 年2 0 0 5 年 年份 图1 2 中国汽车保有量增长趋势 2 看言 啪 枷 啪 善； 咖 毳量 o 3 3 2 2 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 由于汽车尾气污染日趋严重，各大城市的空气质量严重恶化，尤其是汽车 工业发达、交通稠密的国家更是如此。于是许多国家纷纷制定机动车排放法规 来克服这一问题。排放法规的逐步严格，给汽车和发动机制造商提出了巨大的 挑战和新的发展机遇，一些实力强大的汽车制造商和开发机构也不断推出满足 新排放法规的产品。当前，国际上通常是依靠采用先进的发动机控制技术，辅 之以完善的后处理系统来达到削减汽车污染物排放的目的。 我国新生产车中排放水平较好的是轿车，但其排放污染物实测值约为美国轿 车的8 倍，加之我国汽车使用稳定性较差，车辆管理存在诸多问题，在用车的 排放污染物水平更差。据估计，我国1 0 0 万辆的机动车相当于国外8 0 0 万辆以 上的排放水平。根据有关资料显示，除少数车辆年检排放污染物合格率还可以 外，大多数车辆排放状况不佳，年检合格率较低。另外，研究人员还对9 4 0 辆 新汽油车怠速污染物排放状况进行了抽样调查，发现污染物排放在c o 2 5 、 h c 4 0 0 p p m 范围的车辆只占3 1 8 ，由此可见，加强对我国在用车污染物排放 的控制和治理非常必要和迫切 3 1 。车载诊断( o b d ) 系统是国际上在用车排放管 理的最有效手段之一，同时也是我国实施第三、四阶段排放标准过程中的重点 和难点。o b d 技术可以很好的控制在用车的排放，对在用车排放管理有很大帮 助。 1 2 国内外o b d 技术的发展现状 2 0 世纪5 0 年代以来，汽车技术与电子技术开始结合以来电子技术在汽车上 的应用范围越来越广，并提供了速度快捷、功能强大、性能可靠、成本低廉的 汽车电子控制系统，极大地提高了汽车的动力性、经济性、安全性和舒适性。 然而由于汽车控制的电子化，给汽车维修工作带来了越来越多的困难。针对这 种情况，在进行汽车电子控制系统设计的同时，增加了车载诊断系统，它能在 汽车运行过程中不断监测电子控制系统各组成部分的工作情况，如有异常，根 据特定的算法判断出具体的故障，并以代码形式存储下来，同时起动相应故障 运行模块功能，使有故障的汽车能够及时得到修理，维修人员可以利用汽车故 障自诊断功能调出故障码，快速对故障进行定位和修复。 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 o 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 3 武汉理工大学硕士学位论文 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 i 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接口，简称d l c 。 d e 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 记录并存入车载电控单元存储器内，不管何时发生影响排气质量的故障时都能 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 除存储在车载电控单元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，以及诊断工具之间诊断 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 9 6 2 、s a ej 2 0 1 2 、s a ej 1 9 3 0 和 s a l e j l 9 7 8 标准，并根据欧共体e 1 1 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。第2 阶段o b d i i 、e o b d 系统则非常复杂，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。美国的o b d i i 系统实 施得更早、标准更严格。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1 4 j - 1 8 】。加州及美国环保署规定 4 武汉理工大学硪士学位论文 1 9 9 6 年就开始蜜施o b d - i i ，歃盟煲b 从2 0 0 0 年开始逐步宓施e o b d 。( 注：本文 中不加i 、h l 的o b d 均为e o b d ) 。 o b d - i i 和e o b d 两者的通讯携议及监控殿理基本相似，当发现敞障对，就 会蔗亮故障指承器提示驾驶受，僵是驾驶受会不会接受警告去进行维修，藏是 另回事了。o b d 诊断系统谯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 戆誉影穗发动瓿熬歪霉工终。鼹栗车圭不袭及簿建检修，并且娃予薅次检查，维 护( 撇) 检测之间，则该车仍处于严重超标排放状态。 目前加州空气资源局( a 讯b ) 正在考虑一种o b d ，i i i 提案。撮襞现在正在 考嫩一个更加复杂的隧车诊龋系统，它能够锻嚣翦o b d 1 l 系统所能傲豹全部事 僚，霞时在原有o b d - i i 诊鞭系统的基磷上增鸯日遥感溅羧装置。通过一个无线电 收发装置，可以将汽车的牌号( v i n ) 和排放情况实时地报告给排放管理机构。 同时也能够接受摊放管理机构的髓机查询，劳将排放情况及时地反馈绘排放管 理狡穆。菸敦繁遴疑 鸯然螽绘撵敖系统鸯敬簿熬车圭毒去嚣唆耩藏翊麓豹逶觳 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 敦潮题鹣汽车，筏够显著增蕊遵守撄效法蛾熬汽车，势艇戆够大螟菠缝减少定 麓i m 检测所筏赞的费用和时间。换句话说，只有带摊放问题的汽窜才会被遂 知避 行i m 检修。 鉴于此种情况，同时出予简化汽车检测程序和节省检修费用的考虑，国外 燕致力于蔻技零豹舜发，宅豹优点就是效率离、成本低。在瑷在豹梭溺系统下， 一年或两年一次的年检中，3 0 的车辆有摊放故障。但题安装o b d - i i i 的车辆可 以通过车载遥感勘测来进行邀距离监控，这样就可以取消定期的年梭了，只有 被援告毒捧敷敖潞豹车辆才去进行车捡。遮糖舞车主掇供了方便，黪磐省了车 梭的成本。只裂他们的车辆没有报告有摊放放障，那么弑不必去徽播放试验。 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 门骢主要目的。只有把精力集中在那些实际引起污染阅题豹车辆上，才能把资 衾纛效弱用予掇褒鏊家空气痰塞上。藏瑷程豹车捡傣系，冒缝有缀多蠢l 霏藏运 题的车辆会逃过检查和维修，特别是在一姥根本没有率检的地区，檄本不能发 现这类有问题的车辆，但是o b d i i i 就可以改变这种问题1 9 1 。 潜内豹o b d 技本兹礤究戆步比较晚，整发震缀块。在购年代疯，已经有 5 武汉理工大学硕士学位论文 一批料研机构涉足o b d 相关技术的研究，鞭得了一定的成巢。随着阑m 排放 标准在全国范围内逐步实施，o b d 技术的研究已经全面展开，包括低排放车辆 o b d 蕊测原理，敬溯法援对o b d 系统豹技术要求，o b d 功毙性演承试验失效 零鄢件或模羧器的研锚，o b d 试验认证程序制订和o b d 与在用车撵藏警理、捧 放缺陷召回等制度方面的相关研究。模拟器研制部分是o b d 技术研究中的重要 一环，只有设计搿发出有自主知识产权的o b d 故障模拟器，才可能检验目前国 内终举露汽车垒厂家戆o b d 系统是否簿会鏊珏l 熬要求，对手国l l l 在謦内懿 顺利实施有重太实际意义。 王3 国h l 与o b d 技术的实施关系研究 o b d 系统将由发动机的运行状况随时般控与排放相关的部件，来判断汽车 是甭尾气超标，旦某些部件发生故障会鼯致排放超标，系统会马上发出警示， 毅跨糖示器( m 1 ) 或捡查发动搬( c h e e ke n g i n e ) 警告秘尧，露辩p c m 将兹跨 信息存入存储器，通过一定的程序可以将故障码从p c m 中读出。根据故障码的 撮承，维修人员能迅速准确她确定故障的性质和部位 1 。3 i 国珏l 黉 艘法规毒o b d 系统认诞试验 北京市环境僳护局和北京市质量技术般督局在2 0 0 5 年1 2 月2 3 目发布“关于 魏裘枣实蓬鏊家帮分第三、嚣羚羧瓤动车澎染粝搏敖耘壤豹公告”，簧求自2 0 0 5 年1 2 月3 0 日越，拟在北京市销售并列入围家达标公省的新定型车型( 包括全 新产品及产品扩膨与更改) 须发装o b d 系统，在2 0 0 5 年1 2 月3 0 网前已定型 上谚销售并通避翻家第三阶段摊放标准型式核准豹车型可延迟安装o b d 系统， 鑫2 0 0 6 年1 2 嚣l 弱起，箨受程能京链售采安装o b d 系统的薪车。2 0 0 6 年9 胃 1 网广州也提前开始实施国l l i 排放标准，广州市政府将加装车载诊断系统o b d 的期限延至2 0 0 6 年1 2 月3 l 网。全国实鸯敷的日期是2 0 0 8 年7 月1e j 。我国排 放标准滔爱致溯豹蓑 敦# 系，因筵羁终实麓豹o b d 法麓每鼗溅静e o b d 提嚣， 实施的标准是欧盟车载诊断系统1 1 0 l 。 国i i i 排放试验包括常温下冷启动后排气污染物排放试验( i 型试验) 、双怠 速试验、出辘籀污染耪捧放试验( i i i 型试验) 、蒸发污染物排放试验( 1 v 型试 鑫 武汉理工大学硕士学位论文 验) 、污染控制装置耐久性试骏( v 型试验) 、低温下冷扁动后捧气巾c o 和h c 排放试验( v l 型试验) 以及o b d 型式认诫试验。汽车排放从国到国l i i ，不 是像国l 到国l l 郑样技术麓肇，两是上了一个台阶，鬟爱三项技术。蕾先是增 蕊了对车辆冷扁动对莽 放运标翡要求。实验进程要求车辆在零下摄茨7 度静低 温条件下搁景六小时以上，点火着车之后，立刻测量率辆排放，达到标准。这 项技术要求是国i i 标准中没肖的。它提高了对尾气净化催化剂的要求，也是适 会鬻嚣标准戆馕纯荆这不裂鹣。其次是在攀辆瓣电控系统孛壤热了专门篷测捧 放控制系统工作状态功能的o b d 系统。它能够随时监测与汽车尾气排放相关的 部件运行状况，旦出现故障会导致排放越标，会做出提示。第三项是针对厂 家掇出豹，要对攀载诊断系统宥傈修措麓。在美国，要求厂家对捺放系统有8 万公里的质傈期，并作为汽率露回项霹中豹项驻“。 国i 排放法规中规定的o b d 系统是第二代车载诊断系统e o b d 。o b d 排 放黻值在国i 巾的规定是固定值，如表l 一1 所示。如朦l 一4 为e o b d 、e u 3 ( 敬3 ) 霹e u 4 ( 获4 ) 蔽缓魄较，e o b d 懿鬟 藏限毽灏滋e u 3 要褰穗3 9 餮 3 0 0 ，可见e o b d 的排放限德要比e u 3 、e u 4 宽松的多，适合用于强用车的管 理。o b d 1 1 规定的c o 、h c 、n o x 排放限值是联邦测试循环( f r p ) 法规规定 豹冬污染麴撵敖籀标豹l 。5 嵇。 表1 1 国i i l 法规规定的o b d 排放限值 一氧化碳质总碳氯化合物氮氧化物质 基准矮爨爨。矮蠡量 ( r m ) 酶 ( c o ) 1 1 ( t h c ) l 2 g ( n o x ) 1 _ 3 g k i n k m g k i n 类羯缀麓 汽蘧 綮漓 汽洼 柒洼 汽淫紫油 篇一 全部3 2 03 2 00 4 00 4 00 6 01 2 0 炎雄 lr 酝= 1 3 0 53 。约3 麴0 4 00 。4 0o 。l 。鞠 第二 i i 1 3 0 5 r m = 1 7 6 05 8 0 4 o oo 5 0o 5 0o 7 0l 。6 0 类牮 1 i i1 7 6 0 lr 献刊圳吲 一 f 一 一 l+叫邻，1万甲t 登。 一 一 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章o b d 系统的工作原理研究 3 1 发动机失火监测 发动机失火故障是指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。多缸汽油机失火故障因不易觉察而普遍存在，对环境 和车辆特别是采用催化转换器的车辆造成了巨大危害，因此，及时准确地诊断 发动机失火故障具有非常重要的意义。 3 1 1 失火原因及其危害 失火原因主要包括以下几点：点火系统的导线、线圈和火花塞故障；进气 系统( 包括曲轴箱强制通风系统和e g r 阀等) 密封性不好及空气流量传感器提 供虚假的小流量信息造成混合气过稀；燃油系统的燃油泵和滤清器堵塞、压力 调节器和喷油器等故障引起喷油压力过低等造成混合气过稀；氧传感器因长时 间怠速或短距离运行引起表面硅污染，提供虚假的浓混合气信息；燃油含有水、 酒精或其它污染物，这些污染物稀释了混合气。 o b d 法规中规定对两种失火危害进行监测，分别是失火造成的催化剂损害 和排放超标。由于上述原因造成发动机持续失火，会导致催化剂温度大幅度升 高，从而引起严重的热失效，对催化剂造成损害。m a n i l lk l e n k 等人研究了失火 对催化剂温度及h c 、c o 、n o x 排放的影响1 1 “。发动机转速和负荷不同，失火 率对催化剂损害程度也不同。当发动机处于高速大负荷无失火时，催化剂温度 可升到9 5 0 ，因此可确定1 0 0 0 为催化剂温度极限来判断催化剂是否损害。 如图3 1 所示，试验用6 缸2 5 l 发动机在高速大负荷时，5 的失火率就会使 催化剂温度超过限值。低速小负荷时，失火率2 5 以上才会使温度超过限值。 发动机失火会使h c 排放大幅度上升，2 的失火率就会使h c 排放超过标准( 美 国9 4 年标准) 的1 5 倍，如图3 2 所示。另外c o 、n o x 排放量主要依据氧传 感器类型，废气中大量的氧会使氧传感器输出持续性低电压，从而使混合气持 续加浓。氧传感器表面催化活性不同所引起的混合气加浓量也不同，因而c o 的 增加量及n o x 的减少量也不同。 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 6 缸2 s l 发动机 图3 1 失火对催化剂造成的损害图3 2 失火率对排放的影响 3 1 2 曲轴转速波动法 3 i 2 1 监测方法 发动机失火监测方法有很多，有曲轴转速波动法、离子电流法和宽域氧传 感器法等。目前比较常用的是曲轴转速波动法，该方法是利用曲轴飞轮信号来 评估发动机转速波动检测失火l 。 发动机净转矩肘，负载转矩形，角加速度d o j l d t ，j 表示发动机转动惯量。 由于失火导致的发动机转矩突然降低，d 出为负值。d 出与发动机转动能 量输出成正比。 m w + j d w d t d l m c o n s t x d n 2 d a ( 3 1 ) ( 3 2 ) n ：是f 缸的发动机转速，a 是曲轴转角。d n 2 d a 值很大表示发动机失火。 感应式传感器扫描6 0 - - 2 齿的飞轮，信号经过p c m 处理，可以确定发动机转速。 把一次气缸做功之间的间隔分为一段，通过曲轴转角信号计算出分段时问t s ；。 t s i 指f 缸做功冲程相应曲轴转角所用时间。 砰叫一2 毪产 c s 吲 武汉理工大学硕士学位论文 发动机运行粗暴度值r 可由( 3 4 ) 式计算，其中豫表示动态补偿时间， 用来修正分段时间。 r - 半 3 12 2 诊断原理 ( 3 4 ) 根据平均转速和发动机负荷( 油门位置) 以及冷却水温度等修正值判断出 失火韵发动机运行粗暴度参考阀值，然后与计算出对应各发火气缸的发动机运 行粗暴度进行比较，大于参考阀值就说明发生了失火，最后通过一个故障计数 器计数，当失火达到一定程度时，点亮故障指示器( m 1 ) ，如图3 3 所示。故 障计数器是防止偶发的不正常工作影响诊断结果，而且如果没有计数器，诊断 系统报警会过于频繁，对用户而言会对诊断系统失去信任。由于转速波动的影 响因素众多，所以在进行失火检测的时候要尽量避免其它因素的干扰。设置了 诊断无效条件来过滤其它的影响因素，只有满足这些条件，才能进行失火检测， 这样就保证了诊断结果的准确性。失火诊断条件包括发动机转速、冷却水温、 蓄电池电压等。 图3 3 失火诊断信号流程图 即使对转角进行修正，在失火和正常燃烧之间发动机运行粗暴度极限区别 很小，特别是在高速低负荷情况下。由于转速波动的影响因素众多，所以在进 行失火检测的时候要尽量避免其它因素的干扰。设置了一些条件来过滤其它的 影响因素，只有满足这些条件，才能进行失火检测，这样就保证了诊断结果的 一无件一 一槲一要 曰 一 一褥一 一 回 一 一何圈圈菡摺 涮一 铴一 一借幽幽煎 武汉理工大学硕士学位论文 准确性【”】。诊断无效的条件包括以下几条： 条件一发动机转速要在一定的范围内。发动机转速过低会因为油与气的 混合不良存在失火现象，但这属于正常现象，如：起动过程就存在失火，但此 时不能把这种失火认定为故障。发动机转速过高( 特别是小负荷的情况) 会因 为飞轮的惯性力大而使失火气缸转速下降的比例变小，这增加了诊断的难度。 为了确保诊断结果的准确，应限制诊断的发动机转速范围( 不同的机型需标定) 。 条件二发动机冷却水温度要在一定的范围内，如：2 0 1 0 0 ( 可标定) 。 条件三蓄电池电压大于1 8 v 。 条件四在无相关故障发生的情况下进行，如：无曲轴和凸轮轴角度传感 器故障，无增压压力、冷却水温、油门位置传感器故障等。 条件五失火诊断仅在平滑路面上进行，侦测到粗糙路面时退出失火诊断。 侦测粗糙路面有两种办法：第一种方法是采用车辆上的a b s 系统的轮速传感器 来识别粗糙路面，这种方法的识别精度高，但车辆要求安装有a b s 防抱死系统； 第二种方法是采用软件的办法来识别粗糙路面与失火造成的转速波动，粗糙路 面引起的转速波动通常是循环间的转速波动，即循环平均转速波动，而失火情 况下的转速波动只是循环内的波动，即每个气缸发火期间的瞬态转速波动，可 以根据平均转速变化来识别粗糙路面运行工况，这种方法的粗糙路面识别精度 比第一种方法低，但对于还未匹配有a b s 系统的车辆而言这种方法易于实现。 整个诊断流程最关键的就是失火参考阀值的确定。由于诊断的原理是通过 对应各个气缸问的转动粗暴度差异来进行的，这种差异与当时的瞬时转矩和转 速有关，因为产生的转矩越大，发火气缸产生的加速度就越大，发火气缸与失 火气缸之间的角加速度差异自然就会越大；转速越高，那么曲轴具有的惯性就 越大，发火气缸与失火气缸间的差异就越小，所以失火参考阀值是由转速和油 门位置( 表征负荷) 决定的一个三维m a p 图。失火参考阀值的变化规律大致是 随着负荷的增大而增大，随转速的升高而减小，反之亦然。具体参考值需要根 据具体的机型进行试验标定1 1 7 1 。 3 2 2 3 故障处理方法 针对不同的失火效果( 排放增加和催化剂损坏) ，有两种单独的故障处理程 序。第一种，对于排放超过o b d 排放标准的1 2 倍的失火累加计数。第二种， 在实际发动机运行情况，根据可能对催化剂损坏累计失火次数1 1 6 1 1 ”】_ 【加1 。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 针对捧放增加的故障处理 一旦发生失火，每个气缸相应的故障计数器就会累加。同时，除了在失火 诊断无效条件情况下，所有发动机循环都有计算在内，当循环累加达到1 0 0 0 个 曲轴循环时，每缸计数器就会重置。当故障计数超过一定的限值时，储存故障 代码，表示排放相关的失火频率，如图3 4 所示。针对排放增加的故障处理采 用二步逻辑检测。当失火故障第一次被检测到时，暂时储存在p c m 的存储器中， 故障指示器不亮。如果第二次行车时，在相同的情况下再次检测到同一故障， 则“c 盹c ke n g 玳e ，指示器将发亮，并设置一个故障码。在第一步和第二步检 测之间必须断开点火开关。 ( 2 ) 针对催化剂损坏的故障处理 另一个单独的故障计数器监视失火率对催化剂的损坏。失火时，发动机转 速和负载值加到相应气缸的计数器上。当循环累进到2 0 0 个曲轴循环时，每缸 的故障计数器就会重置。如图3 4 ，如果故障计数超过一定的限值，表示已达 到催化剂损坏的失火频率，故障指示器立刻闪烁，在p c m 存储故障代码。 排放增加催化剂损坏 故障累计 总数 催化剂损坏 相关的失火频率 图3 4 失火故障计数器工作原理 重置 m i 闪烁 比较罄 l 控制笑朗 ：呈鲨 一 一 一 一 一寓 一劢件 + 一 呈墨 一_。l r，l鬻 一翘件 + 一 一一一一；型； + 一 短锉 一一一一；惶； 缸哒 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 其它失火诊断方法 3 1 3 1 离子电流法 3 1 3 i 1 基本原理 离子电流法是利用火花塞作为电离传感器，加上一个比点火电压低的多的 偏压，使火花塞电极间的离子在外加电场作用下形成离子电流。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予，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【2 1 1 嘲。 发动机工作时，点火线圈将点火能量传入火花塞并使可燃混合气燃烧，燃 气与氧气发生作用并产生大量的离子和电子。其基本反应式为： 瞩+ m + 书4 m c o ：+ 2 h 2 0 + q 典型的化学反应为 c h + 0 - - 伽+ + e c l i o + 日2 0 呻h 3 0 + + c o + p c h + c 2 h 2 一c 毋0 + e ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 燃烧中还还将产生c h 3 + 、c h 3 0 + 、c t l 3 t 1 3 + 、i - 1 3 0 + 、n o + 等离子。由式( 3 - - 5 ) 一( 3 8 ) 可以看出可燃混合气燃烧产生大量的离子和自由电子。在整个 缸内，离子和自由电子的浓度随着火焰燃烧过程的变化而不断变化。在火花塞 正、负极之间加上的偏置电压，一般在几百伏左右。在气缸内，可燃混合物在 燃烧过程中所生成和形成的离子和自由电子在偏置电压的作用下发生平移，在 火花塞正、负极两端间形成持续的离子电流。用离子电流信号对发动机的多个 运行参数进行检测，来实现对发动机运行状况的实时监控。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 1 2 诊断方法 在火花塞上加适当的直流电压，使其电极两端产生一定的电势差，当燃气 燃烧时，燃气离子通过电极间隙产生离子电流，其波形和幅值与发动机是否成 功点火有直接的关系。离子信号的检测电路如图3 5 所示。图中电容c 为火花 塞提供8 0 v 的直流电压，以保证当发动机燃烧时，燃气离子能有效通过火花塞 电极间隙并形成离子电流：使用数字示波器采集和记录离子信号；高压二极管 d 2 和电阻r 2 用于防止点火高压对检测信号的干扰；r 1 为检测电阻，离子电流 经电阻r 1 后转换成电压信号；失火控制开关k 用于控制所检测气缸中火花塞与 高压点火系统的通断。 图3 5 离子信号检测电路 3 1 3 2 宽域氧传感器法 3 1 3 2 1 基本原理 宽域氧传感器安装在各缸排气歧管的交汇点处，用来测量排气的氧浓度， 根据氧传感器的输出波形判断是否有气缸发生失火，加上相位传感器信号就可 以确定失火的气缸。 3 1 3 2 2 诊断方法 图3 6 是诊断系统示意图。试验用直列四缸无分电器式发动机气缸1 、4 共用一个点火线圈，气缸2 、3 共用一个点火线圈。失火发生器以一定的区间屏 蔽从e c u 发到点火线圈的点火信号引发失火，同时控制失火发生率。失火信号 也被传送给数据采集系统，数据采集系统对氧传感器信号、相位传感器信号等 数据进行处理后传给e c u ，由e c u 判断失火。快速响应h c 分析仪和宽域氧传 感器安装在同一位置，用来监测氧传感器的响应速度是否足以达到判断失火【冽。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 6 诊断系统示意图 3 2 氧传感器劣化监测 3 2 1 氧传感器工作原理 氧传感器主要用于电子控制汽油喷射系统的闭环控制，它安装在发动机排 气管上，用来检测排气中氧的浓度，并将其转换成电压信号。排气中氧浓度取 决于混合气的空燃比，当混合比浓于化学计量空燃比( 即空燃比小于1 4 7 ) 时， 在燃烧过程中氧全部耗尽，排气中没有氧；当混合比稀于化学计量空燃比( 即 空燃比大于1 4 7 ) 时，在燃烧过程中氧没有全部耗尽，排气中含有氧。混合气越 稀，排气中的氧浓度就越大。因此，氧传感器的信号可以间接的反映混合气的 空燃比。e c u 按照氧传感器发出的反馈信号，对喷油量的计算结果进行修正， 使混合气空燃比更接近理论空燃比，从而实现了汽油喷射系统的闭环控制f 2 7 】( 如 图3 7 ) 。 i 氧传感器 输出电压低- 判断混合气 增加喷油量一1 捧气中氧含量减 过稀 一l 少( 浓混合气) jl l 排气中氧含量增 减少喷油量 判断混合气 输入电压高j 氧茗；器 l 加( 稀混合气)过浓 图3 7 闭环控制过程 武汉理工大学硕士学位论文 采用闭环控制可以使混合气空燃比在化学计量空燃比附近的一个狭小的范 围内波动，通常氧传感器输出电压在0 1 一o 8 v 之间不断变化。氧传感器的电压 每跳动一次，都会激起空燃比闭环控制参数向相反方向交化一次( 如图3 8 ) 。 对稀混合气的反应是加浓，反之亦然。 高 耋i 低 饕 置! 誓 喜 售 向浓变化 n 八 生v 高 封 低 图3 8 闭环