重型車OBDⅢ遠程排放管理車載終端在線數(shù)據(jù)一致性研究*

孫一龍 郭 勇 王長園

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300)

引言

柴油機具有經(jīng)濟性好、耐久性好、動力性強等優(yōu)點，在世界各地，大量用戶選擇柴油機作為陸地和海上交通工具的動力源。同時，在尾氣排放中，柴油燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳排放量較低，平均二氧化碳排放量比汽油低30%。在歐洲，超過一半的車輛由柴油發(fā)動機提供動力。然而，柴油機在使用過程中存在很多缺點，比如較高的NOx排放和顆粒物排放[1]。

由于重型車尾氣排放產(chǎn)生大量的CO、CO2、NOx等污染物，因此，近年來，全世界各個國家的排放標(biāo)準(zhǔn)逐步加嚴(yán)。為此，各整車生產(chǎn)企業(yè)都采用先進的技術(shù)來減少車輛尾氣排放。

近年來，從歐Ⅲ到歐Ⅳ階段，為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，CRS+SCR系統(tǒng)在歐洲得到廣泛應(yīng)用，目的是為了減少壓縮點火（CI）發(fā)動機的排放。同時，EGR+DPF系統(tǒng)也很受歡迎。隨著全球排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，以重型車排放標(biāo)準(zhǔn)為例，與歐Ⅲ排放法規(guī)相比，歐Ⅵ排放法規(guī)中，重型車的HC、CO、NOx和PM排放限值分別加嚴(yán)了75%、56%、90%和90%。到了歐Ⅵb階段，HC、CO、NOx和PM排放限值分別為130 mg/（kW·h）、1 500 mg/（kW·h）、460 mg/（kW·h）和10 mg/（kW·h）[2]。自歐洲進入歐Ⅴ、歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)以及美國EPA發(fā)布最新重型柴油機標(biāo)準(zhǔn)，CRS+SCR+DPF和CRS+SCR+EGR+DPF技術(shù)路線的應(yīng)用越來越成熟。中國環(huán)保主管部門自2015年起開始進行《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（簡稱重型車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)）的制修訂工作。

盡管重型車排放標(biāo)準(zhǔn)在不斷加嚴(yán)，但我國從實施國Ⅱ到國Ⅳ，部分地區(qū)開始實施重型車國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)以來，重型車的關(guān)鍵污染物尤其是NOx和PM排放仍未得到有效控制，滿足型式核準(zhǔn)的車型，在實際道路中通過車載排放設(shè)備進行排放測試的結(jié)果遠高于排放法規(guī)的限值要求。在某些特殊工況及低溫條件下，SCR等降低氮氧化物后處理系統(tǒng)不能正常運行。滿足國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的重型車，NOx排放達到300×10-6～700×10-6；HC和CO排放基本滿足排放限值要求。造成實際道路排放超標(biāo)的主要原因是發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)運行循環(huán)工況調(diào)整標(biāo)定數(shù)據(jù)，以達到型式核準(zhǔn)通過要求。而在實際道路使用過程的全工況范圍內(nèi)，并不能做到全工況點的詳細標(biāo)定。

鑒于此，中國在重型車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)制修訂過程中，參照歐洲的先進理念，直接將重型車的PMES加入到國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中。伴隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及無線技術(shù)的普及，通過無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)汽車遠程監(jiān)測與故障診斷，達到國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中提到的整車需配置遠程排放管理車載終端的要求[3]。因此，滿足OBDⅢ的遠程排放管理車載終端應(yīng)運而生。該遠程排放管理車載終端不僅能讀取OBD和NOx控制系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)，還能通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送這些數(shù)據(jù)[4-5]。通過遠程排放管理車載終端，環(huán)保監(jiān)管機構(gòu)可實時了解車輛的排放狀況[6]，整車及發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)也可以對車輛的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控并及時對車輛問題作出判斷和處理，在不需要進行現(xiàn)場試驗的條件下，就可實現(xiàn)對車輛狀態(tài)及OBD功能進行初步判斷。產(chǎn)品應(yīng)用成熟后，將實現(xiàn)重型車排放的實時監(jiān)控[7]，同時也奠定了重型車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)為世界上重型車最嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的地位。

本文選取一臺滿足國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的重型車進行遠程排放管理車載終端在線數(shù)據(jù)一致性研究，試驗在重型底盤測功機上進行，車輛安裝了中國汽車技術(shù)研究中心有限公司自行開發(fā)的重型車OBDⅢ遠程排放管理車載終端設(shè)備，實現(xiàn)遠程監(jiān)控ECU的功能。具有GPS/BD定位監(jiān)控、GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸、高速CAN通訊、超低功耗等特點。試驗完成了通過遠程排放管理車載終端獲取的整車OBD信息和發(fā)動機動力系統(tǒng)數(shù)據(jù)與整車生產(chǎn)企業(yè)標(biāo)定數(shù)據(jù)的對比；同時進行了遠程排放管理車載終端獲取的NOx瞬態(tài)排放值與通過CVS全流排放分析儀測得的NOx排放值對比試驗。

1 試驗樣車

試驗樣車技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗樣車參數(shù)

2 試驗設(shè)備

試驗在重型底盤測功機上進行，試驗設(shè)備主要包括3個系統(tǒng)：測功系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗測試系統(tǒng)和CVS排放測試系統(tǒng)。圖1為整個試驗系統(tǒng)示意圖。

圖1 重型底盤測功機及CVS全流排放測試系統(tǒng)

試驗使用德國MAHA公司生產(chǎn)的重型轉(zhuǎn)鼓。該轉(zhuǎn)鼓為四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓，滾筒直徑為1.83 m，前后轉(zhuǎn)鼓軸距可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為3.2～8 m，可模擬的最高整車質(zhì)量為 49 t，能滿足 4×4、6×6、8×8 等驅(qū)動類型車輛的測試需求。底盤測功機中包含非常靈敏的控制系統(tǒng)和電子慣量模擬裝置，使動態(tài)測試變得可能，可模擬3 500～49 000 kg的整車慣量。排放物測量采用符合2005/55/EC規(guī)定的MEXA-7000系列排氣測量系統(tǒng)，包括用于測量 THC、NO/NOx、CO、CO2、O2等成分的動態(tài)量程分析單元。

3 遠程排放管理車載終端及在線監(jiān)控平臺

遠程排放管理車載終端如圖2所示。

圖2 遠程排放管理車載終端

圖3 為遠程排放管理系統(tǒng)功能圖。

圖3 遠程排放管理系統(tǒng)功能圖

從圖3可知，遠程排放管理車載終端可以更直接地服務(wù)于環(huán)保主管部門對在用車的監(jiān)管，通過遠程排放管理車載終端，可以獲取如下信息：

1）超標(biāo)車輛識別。基于OBD報警信息識別超標(biāo)車輛；基于發(fā)動機數(shù)據(jù)流發(fā)現(xiàn)排放和OBD數(shù)據(jù)篡改問題；進行OBD故障實時監(jiān)控。

2）超標(biāo)車輛位置定位。基于地理信息系統(tǒng)定位超標(biāo)車輛。

3）車輛非正常使用監(jiān)控。監(jiān)控車輛是否按照要求進行整車維修、保養(yǎng)和加油。

4）疑似NOx排放不合格、尿素消耗異常等導(dǎo)致車輛排放超標(biāo)監(jiān)測。

5）在用符合性抽檢。對監(jiān)控車輛進行統(tǒng)計分析，為環(huán)保主管部門提供在用符合性監(jiān)管對象。

遠程排放管理監(jiān)控技術(shù)平臺如圖4所示。

圖4 遠程排放管理監(jiān)控技術(shù)平臺

4 試驗方案

試驗根據(jù)國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)對重型車遠程監(jiān)控的要求，結(jié)合整車底盤測功機測量方法，對安裝遠程排放管理車載終端的車輛，比對實際車輛運行的OBD信息和數(shù)據(jù)流信息與通過遠程排放監(jiān)控終端傳輸?shù)竭h程排放管理監(jiān)控技術(shù)平臺的信息是否一致。

遠程排放管理車載終端通過整車OBD接口與車輛進行通信，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，將遠程排放管理車載終端獲取的整車信息發(fā)送到遠程排放管理監(jiān)控技術(shù)平臺，同時，車輛實際輸出的數(shù)據(jù)則是通過CVS全流排放分析儀以及轉(zhuǎn)鼓測試系統(tǒng)進行同時記錄。將2組數(shù)據(jù)進行一致性對比。

1）驗證通過遠程排放管理車載終端讀取的整車OBD信息是否與整車生產(chǎn)企業(yè)提供的信息相一致，驗證相關(guān)故障是否與整車生產(chǎn)企業(yè)在試驗前提供的故障代碼清單相對應(yīng)；

2）測試過程中，對比ECU的實際輸出動力系統(tǒng)信息是否與通過遠程排放管理車載終端獲取的數(shù)據(jù)相一致；

3）對通過遠程排放管理車載終端獲取的轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機實際輸出轉(zhuǎn)矩進行一致性驗證；

4）對通過遠程排放管理車載終端獲取的燃油消耗量與ECU的實際燃油消耗量進行一致性驗證；

5）對通過遠程排放管理車載終端獲取的NOx排放值與CVS全流排放分析儀測得的結(jié)果進行一致性驗證。

5 試驗內(nèi)容及試驗結(jié)果

5.1 OBD信息驗證

在采用OBD診斷儀對整車OBD系統(tǒng)和NOx控制系統(tǒng)進行測試時，應(yīng)同時采用遠程排放管理監(jiān)控技術(shù)平臺來檢測遠程排放管理車載終端發(fā)送的OBD信息是否與國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信息相同，并且驗證模擬故障時通過診斷儀讀取的故障代碼是否與通過遠程排放監(jiān)控終端傳送到遠程排放管理監(jiān)控技術(shù)平臺的故障代碼相同。

5.1.1 整車信息驗證

整車信息驗證主要是通過遠程排放管理車載終端獲取整車信息，如圖5所示。

圖5 整車OBD信息

經(jīng)比較確認，通過遠程排放管理車載終端獲取的整車信息與車輛生產(chǎn)企業(yè)提供的信息一致。

5.1.2 模擬故障驗證

此次模擬的故障是拔掉進氣中冷后進氣溫度傳感器時，中冷后進氣溫度傳感器開路的故障。

圖6為車輛生產(chǎn)企業(yè)標(biāo)定的中冷后進氣溫度傳感器故障。

圖6 中冷后進氣溫度傳感器故障（車輛生產(chǎn)企業(yè)標(biāo)定）

圖7 為通過遠程排放管理車載終端獲取的中冷后進氣溫度傳感器故障。

通過遠程排放管理車載終端獲取如下信息：

1）故障代碼：P0098；

2）故障等級：B1類故障；

3）MI燈點亮規(guī)則：MI燈閃爍3次，間隔5 s。

圖7 中冷后進氣溫度傳感器故障（通過遠程排放管理車載終端獲?。?/p>

從圖6和圖7可知，故障代碼、故障等級及MI燈點亮規(guī)則與車輛生產(chǎn)企業(yè)提供的一致。

5.2 ECU數(shù)據(jù)一致性驗證

按照重型車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，重型車在國Ⅵb階段必須安裝遠程排放監(jiān)控終端，并上傳數(shù)據(jù)至遠程排放管理監(jiān)控技術(shù)平臺。在進行底盤測功機排放試驗時，同時讀取車輛自帶的遠程排放管理車載終端發(fā)送的符合重型車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)以及試驗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行一致性驗證。

5.2.1 車速一致性驗證

將通過遠程排放管理車載終端獲取的車速與通過底盤測功機測試出的實際車速進行相關(guān)性分析，如圖8所示。。

圖8 車速相關(guān)性分析

分析結(jié)果如圖9和圖10所示。圖中，實測車速為底盤測功機測試出的實際車速；終端獲取車速為遠程排放管理車載終端獲取的車速（即圖8中的Vehicle Speed-Remote）；終端獲取車速線性擬合為遠程排放管理車載終端獲取的車速線性擬合。

從圖9和圖10可以看出，通過遠程排放管理車載終端獲取的車速與底盤測功機測試出的實際車速相關(guān)性R2=0.997 25，車速數(shù)據(jù)驗證結(jié)果一致性好。

5.2.2 ECU轉(zhuǎn)矩信號一致性驗證

圖9 車速對比

圖10 車速線性分析

按照重型車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，采用比對最大轉(zhuǎn)矩的方法，對遠程排放管理車載終端獲取的發(fā)動機ECU轉(zhuǎn)矩信號一致性進行檢查。如圖11所示。在整車C-WTVC循環(huán)測試期間，某一工況點的最大轉(zhuǎn)矩能達到發(fā)動機轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線上的最大基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩。通過遠程排放管理車載終端能獲取發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩相關(guān)參數(shù)，將結(jié)果進行比較分析，一致性較好。

圖11 ECU轉(zhuǎn)矩信號一致性檢查

5.2.3 燃油消耗量一致性驗證

利用CVS全流排放分析儀通過碳平衡的方法計算出燃油消耗量的瞬時值與通過遠程排放管理車載終端獲取的發(fā)動機燃油消耗量進行相關(guān)性分析。如圖12所示。

圖12 發(fā)動機燃油消耗量相關(guān)性分析

分析結(jié)果如圖13和圖14所示。圖中，實測燃油消耗量為實際燃油消耗量；終端獲取燃油消耗量為遠程排放管理車載終端獲取的燃油消耗量（即圖12中的OBD_CAN_Fuel rate）；終端獲取燃油消耗量線性擬合為遠程排放管理車載終端獲取的燃油消耗量線性擬合。

圖13 發(fā)動機燃油消耗量對比

圖14 發(fā)動機燃油消耗量線性分析

從圖13和圖14可以看出，通過遠程排放管理車載終端獲取的燃油消耗量與實際燃油消耗量相關(guān)性R2在0.9以上，數(shù)據(jù)一致性較好。

5.2.4 NOx排放一致性驗證

采用CVS全流排放分析儀測量NOx排放，利用該測試設(shè)備將所測NOx濃度按稀釋比修正成原始排放的NOx濃度。按照重型車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的線性回歸方法，對遠程排放管理車載終端獲取的NOx排放與所測NOx排放進行相關(guān)性分析。如圖15所示。

圖15 NOx排放相關(guān)性分析

分析結(jié)果如圖16和圖17所示。圖中，實測NOx排放為CVS全流排放分析儀測得的NOx瞬時排放；終端獲取NOx排放為遠程排放管理車載終端獲取的NOx排放（即圖 15 中的 NOx－Remote）；終端獲取 NOx排放線性擬合為遠程排放管理車載終端獲取的NOx排放線性擬合。

圖16 NOx排放對比

圖17 NOx排放線性分析

從圖16和圖17可以看出，總體來講，通過遠程排放管理車載終端獲取的NOx排放值與CVS全流排放分析儀測得的NOx瞬時排放值趨勢一致，但由于重型車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中的NOx排放值很小，基本上在250×10-6以下，NOx傳感器的測試精度誤差較大（通常NOx傳感器本身的測量誤差在10%左右），因此部分NOx瞬時排放數(shù)據(jù)誤差較大。

由于NOx傳感器精度及相應(yīng)時間限制等原因，NOx瞬時排放值的一致性偏差較大。因此，在進行NOx相關(guān)性分析時，剔除C-WTVC循環(huán)中城市工況的前500 s瞬態(tài)工況誤差較大的數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

1）通過遠程排放管理車載終端獲取的整車OBD信息能夠滿足重型車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）滿足重型國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的整車，在OBD報警的情況下，可通過遠程排放管理車載終端獲取相應(yīng)的故障信息，并將故障信息發(fā)送至遠程排放管理監(jiān)控技術(shù)平臺。

3）通過對遠程排放管理車載終端獲取的車速數(shù)據(jù)與通過轉(zhuǎn)鼓測出的車速數(shù)據(jù)進行比較計算，2組數(shù)據(jù)的相關(guān)性達到了0.997 25，一致性非常好。

4）遠程排放管理車載終端可以通過“比對最大轉(zhuǎn)矩的方法”進行ECU轉(zhuǎn)矩信號一致性檢查。

5）遠程排放管理車載終端獲取的發(fā)動機燃消耗量數(shù)據(jù)與實際測出的燃油消耗量數(shù)據(jù)相關(guān)性為0.94146，一致性較好。

6）為避免由NOx傳感器精度及相應(yīng)時間限制引起較大誤差，在進行NOx排放相關(guān)性分析時，剔除C-WTVC循環(huán)中城市工況的前500 s瞬態(tài)工況誤差較大的數(shù)據(jù)，遠程排放管理車載終端獲取的NOx排放值與所測NOx排放值相關(guān)性為0.919 45，一致性較好，能滿足遠程排放監(jiān)控的要求。