電控柴油機OBD系統(tǒng)監(jiān)控需求及管理研究

張 岳，周文華，楊騰飛，郭修其

（浙江大學 能源工程學系，浙江杭州310027）

0 引言

與汽油發(fā)動機相比，柴油發(fā)動機具有熱效率高、燃油消耗率低和使用壽命長等優(yōu)點，因此，小型客車和轎車柴油化是一種發(fā)展趨勢。盡管電控柴油機具有較為明顯的優(yōu)勢，但是國內(nèi)將其真正應用于乘用車上還有很多工作需要完成，而開發(fā)電控柴油機的故障自診斷系統(tǒng)就是其中之一［2］。正因如此，在電控柴油機的ECU電子控制單元中加入OBD系統(tǒng)，不僅能節(jié)約能源、控制污染、滿足我國的排放法規(guī)要求，更能提高我國車輛的經(jīng)濟性與可靠性，將對現(xiàn)代汽車的發(fā)展起到非常重要的作用。

本研究基于電控柴油機OBD系統(tǒng)，分析電控柴油機OBD 系統(tǒng)的監(jiān)控需求，并對電控高壓共軌ECU 對OBD系統(tǒng)的各個實現(xiàn)過程進行描述，在柴油機高壓油泵電磁閥上完成實際的故障診斷實驗。

1 柴油機OBD 系統(tǒng)的監(jiān)控需求

1.1 催化轉(zhuǎn)化器效率

對于催化轉(zhuǎn)化器效率的評價主要包括空燃比特性和起燃特性。其中，實際空燃比是通過使用寬域氧傳感器測量廢氣中的氧濃度獲取的。催化轉(zhuǎn)換器的起燃特性包括通過改變催化器入口溫度測取轉(zhuǎn)化率的起燃溫度特性（Light-off-Temperature）和測算催化器達到50%轉(zhuǎn)化率所需要的時間的起燃時間特性（Light-off-Time）［3］。

1.2 氧傳感器故障

發(fā)動機每次工作循環(huán)的噴油量是由PCM（動力總成模塊）根據(jù)氧傳感器反饋來的信號來控制，以達到燃燒最完全。如果它的信號失真會引發(fā)混合氣空燃比失控，從而導致排放升高。對于氧傳感器故障的檢測方法包括：傳感器的信號電壓是否超出可能范圍；信號電壓響應速度是否過低；信號電壓跳變時間比是否超出規(guī)定范圍；信號電壓跳變頻率是否過低；氧傳感器是否活性不足；其加熱器是否加熱過慢［4］。

1.3 燃油噴射系統(tǒng)故障

燃油噴射系統(tǒng)故障主要包括噴油器電磁閥以及高壓油泵電磁閥的故障等［5-6］。電磁閥故障包括驅(qū)動電路的斷路、各種短路、可靠性故障以及機械結(jié)構(gòu)長期磨損造成的可靠性等故障。對于柴油機電磁閥故障的檢測與診斷，主要方法有：監(jiān)測發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速，通過軟件間接檢測到故障狀態(tài)；監(jiān)測電磁閥開啟和關閉時碰撞聲音的時間間隔來判斷故障［7］；或者利用卡爾曼濾波器結(jié)合相應的檢測算法完成電磁閥柱塞堵塞等機械故障診斷［8］等。

1.4 其他與排放相關部件的監(jiān)測

首先，OBD系統(tǒng)需要監(jiān)測失效后導致排氣污染物超過限值的其他排放控制部件或系統(tǒng)，或與電控單元相連并與排放有關的動力系統(tǒng)部件或系統(tǒng)，如空氣質(zhì)量流量、空氣容積流量（和溫度）、增壓壓力和進氣支管壓力（以及實現(xiàn)這些功能相關的傳感器）的系統(tǒng)或部件。其次，還需要監(jiān)測整個后處理系統(tǒng)中所有與排放相關的部件的故障，如進氣質(zhì)量閉環(huán)控制系統(tǒng)、SCR系統(tǒng)、EGR 系統(tǒng)、共軌壓力監(jiān)控系統(tǒng)以及增壓壓力控制系統(tǒng)等。最后，其他任何與排放有關，且與電控單元相連接的動力系統(tǒng)部件的電路連通狀態(tài)也應進行監(jiān)測。

2 共軌ECU 對OBD 系統(tǒng)的管理

電控高壓共軌燃油系統(tǒng)由電控單元ECU 進行靈活控制，用高速電磁閥或壓電式噴油器對高壓燃油實現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)，能夠自由實時地調(diào)節(jié)噴油量、噴油率形狀和噴油時間，并在一個工作循環(huán)內(nèi)實現(xiàn)多次受控噴射，使柴油機的性能得到了實質(zhì)性的提高［9］。下面就電控高壓共軌ECU對OBD系統(tǒng)的實現(xiàn)過程進行描述。

人們攝入過量的精制谷物和甜飲料。為了對抗這場“災難”，專家建議立刻把重心放在改善飲食上，因為數(shù)據(jù)顯示人們“吃得不好”。專家說，無論收入水平如何，學齡兒童、青少年和成人都在攝入過量的精制谷物、含糖食物和甜飲料，相反，水果、蔬菜、豆類和粗糧這類的健康食物攝取量很不足。所以人們應該重視這種情況，尤其是青少年應該被格外關照，因為他們正處于需要額外補充營養(yǎng)的年紀。

2.1 電路連接故障的監(jiān)測

電控系統(tǒng)通過硬件電路的設計可以檢測并區(qū)分對地短路、對電源短路、開路和信號不可信等4種電路連接故障類型。針對不同的電路連接故障類型，電控系統(tǒng)可以根據(jù)其對排放的實際影響分別確定其是否激活故障指示燈。其中，系統(tǒng)通過設定可信的物理范圍或通過其他與其他傳感器信息的對比，可以識別不可信故障信號。

2.2 子系統(tǒng)可信度監(jiān)測

OBD監(jiān)測系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)、空氣質(zhì)量可信性監(jiān)測、軌壓可信性監(jiān)測、水溫可信性監(jiān)測、增壓壓力監(jiān)測系統(tǒng)等。廢氣再循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)可以通過比較實際測量的進氣量與理論計算得出的進氣量的差值，判斷廢氣再循環(huán)系統(tǒng)是否有故障?？諝赓|(zhì)量可信性監(jiān)測可以通過測量發(fā)動機停機狀態(tài)下測得的空氣質(zhì)量判斷空氣質(zhì)量信號是否可信。軌壓可信性監(jiān)測可以通過比較發(fā)動機啟動前或停機后一段時間測量的軌壓值與大氣壓力值判斷軌壓信號是否可信。水溫可信性監(jiān)測可以根據(jù)一定時間內(nèi)的水溫是否升高并達到一定的溫度判斷水溫信號是否可信。增壓壓力監(jiān)測系統(tǒng)可以通過比較一定發(fā)動機工況下的進氣壓力值和理論計算得出的壓力值，判斷增壓壓力信號是否可信。

2.3 故障確認的一般流程及存儲管理

故障管理系統(tǒng)是指ECU 在監(jiān)測到發(fā)動機出現(xiàn)故障以后，對監(jiān)測到的故障進行后續(xù)處理如熄滅發(fā)動機或者跛行回家等一系列工作。故障管理系統(tǒng)主要包括故障確認和故障存儲。

ECU 對故障確認的一般方法引入了故障路徑這一概念，故障路徑包含4種故障，一般一個部件對應一個故障路徑。當某一故障路徑第一次失效時，該故障路徑在ECU 下電前存入EEPROM。存儲在EEPROM中的故障路徑根據(jù)該故障出現(xiàn)的次數(shù)會處于不同的狀態(tài)，筆者在此用故障路徑入口狀態(tài)來描述其狀態(tài)的改變，故障路徑狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖1所示。

圖1 故障路徑狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖1 中的5 種狀態(tài)分別具有不同的含義，具體描述如表1所示。

表1 狀態(tài)描述

2.4 故障燈的激活與熄滅

2.4.1 MIL（發(fā)動機故障指示燈）的激活

首先，汽車點火開關已經(jīng)打開，而發(fā)動機未啟動，MIL 也必須激活。其次，排放一旦超過OBD 限值，或OBD系統(tǒng)不能滿足OBD系統(tǒng)的監(jiān)測要求時，MIL必須激活。

2.4.2 MIL的熄滅

首先，故障燈狀態(tài)切換圖如圖2所示。如果排放低于歐III限值，即灰色區(qū)域，則MIL不得激活；如果排放介于歐III和OBD限值之間，即白色區(qū)域，制造廠可以選擇是否激活MIL，如果排放超過OBD 限值，即黑色區(qū)域，則MIL 必須激活；第二，如果在連續(xù)的3 個運作循環(huán)都監(jiān)測到導致排放超限的故障，則MIL 在第3個駕駛循環(huán)激活；第三，對于需要兩個以上運作循環(huán)才能激活MIL的方案，制造廠必須提供數(shù)據(jù)或工程評價，以充分證明該監(jiān)測系統(tǒng)能同樣有效及時地監(jiān)測部件的劣化；第四，一旦發(fā)動機失火達到制造廠規(guī)定的水平，可能引起催化器損壞時，MIL必須在獨特的警告模式下工作，如指示燈閃爍；第五，發(fā)動機啟動后，如果先前沒有檢測到故障，MIL 應熄滅；第六，如果可能損壞催化器的發(fā)動機失火率不再存在，則MIL 應切換至激活以前的狀態(tài)，相應的故障代碼和存儲的凍結(jié)幀狀態(tài)可被清除；最后，對于其他所有故障，在3 個連續(xù)的運作循環(huán)期間，如果負責激活MIL 的監(jiān)測系統(tǒng)不再監(jiān)測到故障，且沒有檢測出其他會單獨激活MIL 的故障之后，MIL可以熄滅。

圖2 故障燈狀態(tài)切換圖

2.5 故障存儲管理

OBD 系統(tǒng)必須記錄表示排放控制系統(tǒng)狀態(tài)的代碼，而且必須使用單獨的狀態(tài)代碼，以便正確識別起作用的排放控制系統(tǒng)，以及需要進一步運轉(zhuǎn)汽車，才能全面評價那些排放控制系統(tǒng)［10］。如果由于劣化、發(fā)生故障或永久排放默認模式引起MIL 激活，則必須儲存能識別相應故障類型的故障代碼。

OBD相關故障發(fā)生后，電控系統(tǒng)自動將當前故障發(fā)生時的車輛狀態(tài)凍結(jié)幀存儲到EEPROM 中。存儲的故障信息包括：凍結(jié)幀、環(huán)境變量、故障發(fā)生時的車輛里程數(shù)等。其中，系統(tǒng)凍結(jié)幀可以支持最多達64種故障信息的存儲，且支持故障存儲的優(yōu)先級別。同時，凍結(jié)幀格式滿足法規(guī)要求和國內(nèi)柴油車的配置實際，可以輸出包括：計算的負荷值、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、冷卻液溫度、燃油壓力和故障代碼；同時還增加了一些便于有效修理的數(shù)據(jù)如：油門踏板大小、蓄電池電壓、大氣壓力和空氣進氣質(zhì)量等。

另外，系統(tǒng)還可針對不同的故障配置不同的多達5 種的環(huán)境變量，便于對故障的有效修理。需要注意的是，故障代碼的標定與OBD法規(guī)要求的國際標準故障代碼一致。

2.6 OBD系統(tǒng)認證時可模擬的故障

對于催化轉(zhuǎn)化器故障，需要完全移除催化轉(zhuǎn)化器后進行I型試驗，排放結(jié)果證明，完全移除催化轉(zhuǎn)化器后排放依然在OBD限值內(nèi)，則不需要監(jiān)測。對于燃油計量及噴油正時故障，系統(tǒng)中燃油計量單元的短路、開路，軌壓傳感器的短路、開路均會導致系統(tǒng)停機，故模擬這些故障后無法進行I 型試驗（常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗），此時MI點亮；試驗中可以拔掉一缸噴油器電路，模擬噴油器開路故障進行I 型試驗。關于其他與電控系統(tǒng)相關的部件或系統(tǒng)故障：實驗中可通過拔掉水溫傳感器、空氣質(zhì)量流量傳感器、EGR 閥、預熱塞電路模擬相應的開路故障，還可以通過軟件方式模擬大氣壓力傳感器、EGR 系統(tǒng)偏差、水溫動態(tài)不可信、空氣質(zhì)量流量信號不可信、軌壓信號偏差故障。通過模擬故障可以檢驗系統(tǒng)OBD 在各方面的監(jiān)測能力和準確性。

3 實驗驗證

在燃油噴射系統(tǒng)的整個工作壽命中，電磁閥開關上億次，因此，其可靠性是電控系統(tǒng)的重要性能之一。該實驗主要針對高壓油泵電磁閥對電源短路故障時，OBD系統(tǒng)的故障診斷策略進行了具體的參數(shù)設計和結(jié)果分析。電磁閥對電源短路故障診斷的流程如圖3所示。

圖3 對電源短路故障的診斷流程圖

油泵電磁閥在正常工作時，要求驅(qū)動電流一級維持為15 A，二級維持為6 A。因此，本研究設定驅(qū)動電流I達到22 A 時電磁閥發(fā)生短路故障。柴油機采用直列式泵控制閥高壓油泵，實驗設定轉(zhuǎn)速為800 r/min，柴油機飛輪轉(zhuǎn)一圈作為一個工作循環(huán)。油泵電磁閥正常工況的驅(qū)動電流波形如圖4所示。

圖4 油泵電磁閥正常工況的驅(qū)動電流波形圖

在不同延時數(shù)下，模擬電磁閥對電源短路故障如圖5所示。ECU能采集故障檢測及診斷信號。由圖5（a）表明，在發(fā)生對電源短路時，ECU 能夠及時檢測到診斷反饋信號的電壓變化，延時計數(shù)為2時，由于未達到最小次數(shù)（4次），ECU判斷電磁閥為臨時性故障，停止當次電磁閥驅(qū)動，以排除臨時性故障或其他信號干擾引發(fā)的誤判等情況。由圖5（b）表明，延時計數(shù)達到最小次數(shù)時，ECU 確認電磁閥發(fā)生對電源短路故障，則永久停止電磁閥驅(qū)動。同時，OBD 系統(tǒng)會立即點亮故障燈，并記錄故障的故障碼和引起該故障碼的凍結(jié)幀數(shù)據(jù)，以便維修人員進行后續(xù)維修。

圖5 對電源短路故障診斷信號波形圖

4 結(jié)束語

首先，本研究分析了電控柴油機OBD系統(tǒng)的監(jiān)控需求，針對國內(nèi)柴油機電控系統(tǒng)提出了OBD監(jiān)測的主要內(nèi)容及故障燈的管理。其次，本研究提出了故障確認的一般流程，設計了故障確認狀態(tài)機的轉(zhuǎn)化機制，并對故障凍結(jié)幀存儲內(nèi)容進行了簡單闡述。最后，本研究通過模擬高壓油泵電磁閥對電源短路故障，驗證了ECU 能夠通過OBD 系統(tǒng)對柴油機相關部件進行故障診斷與管理。

該研究比較全面地給出了共軌ECU 對OBD 系統(tǒng)的管理過程，為電控柴油機各個部件的故障診斷策略提供了參考依據(jù)。

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