王建波

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢4300）

《京V輕型車污染物排放限值及測量方法》在2013年1月5日發(fā)布，其中有部分要求在第二階段2014年9月1日開始實施（簡稱京V二階段）。要求車輛在現(xiàn)有的京V標準上，增加IUPR功能和車載診斷（OBD）系統(tǒng)具有檢測NOx污染物來判斷催化器轉(zhuǎn)化效率下降的功能。IUPR尚未在神龍汽車有限公司某1.6L汽油機原OBD系統(tǒng)中實現(xiàn)，需要新開發(fā)該功能；NOx污染物判斷催化器效率的功能也需重新標定調(diào)校。本文通過技術(shù)分析，實現(xiàn)這兩項功能在OBD系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 IUPR功能開發(fā)

1.1 IUPR模型、運算規(guī)則及運算的實現(xiàn)

IUPR（In Use Performance Ratio）是 OBD 系統(tǒng)實際監(jiān)測頻率。京V規(guī)定企業(yè)應(yīng)申報IUPR值且不得小于0.1。IUPR在歐洲限值參考為歐ⅤIUPR≥0.1，歐ⅥIUPR≥0.336。

其中：分子為檢測到的已經(jīng)完成各個診斷項目的診斷次數(shù)；分母為車輛完成的標準運行工況次數(shù)。前者在一個駕駛循環(huán)內(nèi)，能夠診斷出故障所有的條件是否滿足，如果滿足，則在條件滿足后增加1，且每個駕駛循環(huán)至多增加1次。后者在一個駕駛循環(huán)內(nèi)，如果通用分母駕駛循環(huán)定義的標準滿足，則分母加1；如果分母還有特殊的增加要求，需在同時滿足特殊需求后才能增加1。

認定車型某診斷滿足IUPR限值要求的條件：1）IUPR的平均值大于或等于對應(yīng)的最小限值；2）超過50%的該車型車輛IUPR大于或等于最小限值。上述兩項須同時滿足。

IUPR有利于污染物排放的監(jiān)控。其一，監(jiān)督車輛以及時發(fā)現(xiàn)與車輛排放相關(guān)的故障，IUPR越高，那么監(jiān)測越及時；其二，通過對IUPR功能進行限值要求，即可表征同一個OBD族類的大多數(shù)汽車OBD系統(tǒng)在污染物排放上有類似診斷效率。因此IUPR限值要求越高，則對污染物排放控制越有利。診斷功能、IUPR功能及診斷輸出之間的關(guān)聯(lián)如圖1所示。

圖1 診斷功能、IUPR功能及診斷輸出之間的關(guān)聯(lián)

以分母為例解釋模型圖。分母增加的邏輯：如果駕駛循環(huán)內(nèi)通用分母條件被滿足，同時對應(yīng)診斷條件被滿足且未被抑制，則分母累計增加（最多不超過1）。須說明，對一些特殊診斷（如顆粒捕集器的相關(guān)診斷）目前尚無明確法規(guī)規(guī)定，因此暫未被計入IUPR統(tǒng)計中。

1.2 IUPR模型相關(guān)計數(shù)器的運算規(guī)則

每個IUPR診斷都存在一個分子和分母，并保存在EEPROM中。大部分OBD功能診斷與IUPR有關(guān)［1］。

在一個循環(huán)工況里，分子分母最多增加1。

分子可以在一個駕駛循環(huán)內(nèi)增加，而分母在相同的循環(huán)內(nèi)有可能不增加。所以IUPR可能大于1。每個IUPR診斷都有自己的分子和分母，這些IUPR診斷進行分類成IUPR組。IUPR組的分子和分母等于組內(nèi)具有最低比例值的分子和分母。

點火循環(huán)計數(shù)器：點火循環(huán)計數(shù)代表車輛已經(jīng)發(fā)生過的點火次數(shù)，在一個駕駛循環(huán)內(nèi)點火計數(shù)最多增加不超過1。

分母計數(shù)器增加有兩類要求：一類是一般分母（或稱通用分母）計數(shù)器增加的要求，另一類是特定診斷的分母增長要求。

對于一般分母計數(shù)器來說，如果滿足以下條件則可增加1：自發(fā)動機起動的累積時間大于或等于600s，車速等于或高于40km／h的累積時間大于或等于300s，連續(xù)怠速時間（即駕駛員釋放加速踏板和車輛速度小于或等于1.6km／h）大于或等于30 s；海拔低于2 440m和環(huán)境溫度大于或等于－7℃。上述每一個條件都要滿足。如果在一般的分母定義周期內(nèi)（如車速、海拔、怠速時間和運轉(zhuǎn)時間）檢測到零部件故障，則OBD系統(tǒng)應(yīng)該禁止所有IUPR診斷的分子、分母的進一步增加。

對于特定診斷的分母增長來說，除了特殊定義的分母診斷要求外，以下額外的分母增加情況需要被考慮：VVT可變氣門正時的分母在該部件執(zhí)行完兩次相應(yīng)的指令（如“啟動”“打開”“關(guān)閉”“鎖止”）之間的持續(xù)時間大于或等于2s，或者累積時間大于等于10s，以駕駛循環(huán)內(nèi)上述兩個條件以先到者為準。

所有計數(shù)器：相關(guān)條件滿足時，每個駕駛循環(huán)只能加1。

分子和分母的停止：分子分母必須同時停止；對特定的診斷，出現(xiàn)導(dǎo)致該診斷停止的故障或處于動力輸出模式；出現(xiàn)停止通用分母的故障。一旦跳出了動力輸出模式，則分子分母恢復(fù)增長。

1.3 IUPR運算的實現(xiàn)

在該1.6L發(fā)動機系統(tǒng)中采用新C30軟件，并集成了診斷IUPR功能。C30軟件由BOSCH開發(fā)，增加為IUPR的運算模塊，優(yōu)化部分功能以節(jié)省RAM空間，以滿足IUPR必要的運行空間。該軟件的載體為新的ME745＋系統(tǒng)硬件。圖2以某診斷IUPR功能實現(xiàn)的周期圖來說明其計算規(guī)則。

圖2 某診斷IUPR功能實現(xiàn)的周期圖

第一行：指系統(tǒng)供電和ECV啟動信號，系統(tǒng)供電后，ECU隨即啟動。跳躍一次即指發(fā)生一次。

第二行：指某診斷進行與否，置“0”指該診斷條件未滿足或者被抑制未進行，置“1”則該代表診斷進行。

第三行：分母的條件狀態(tài)，置“0”指條件未滿足，置“1”則該代表條件滿足應(yīng)該被分母累計。

第四行：分子，跳躍即代表駕駛循環(huán)內(nèi)累加。第五行：分母，跳躍即代表駕駛循環(huán)內(nèi)累加。

第六行：IUPR值，其中起始點值置為8，由于開始分母為“0”，不能被除，系統(tǒng)策略將其默認為8，從第2s時刻起，IUPR開始計算后便恢復(fù)為實際值。

從圖中可以看出，時間點1s時，分子增長，時間點2s時，分母增長，分子與分母并不嚴格同步，這與法規(guī)所描述的分子增長條件的邏輯不一致，因為判斷分子和分母的系統(tǒng)時間不可能完全同步，但是不影響一個駕駛循環(huán)輸出的正確性。

1.4 IUPR道路驗證

IUPR的表現(xiàn)與駕駛工況和駕駛風(fēng)格相關(guān)，不同駕駛者在車輛運行時發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負荷、轉(zhuǎn)速和負荷的動態(tài)關(guān)系、冷啟動的次數(shù)、行駛距離、車速等存在較大差異。因此，IUPR相關(guān)計數(shù)器的表現(xiàn)可能因不同的車型和駕駛員而存在差異。IUPR還需考慮中國環(huán)境特征因素的差異，如：溫度、海拔、濕度、油品、冷熱啟動、交通狀況等。

道路試驗路徑選取要考慮其特征性和代表性。路徑規(guī)劃主要考慮原則：1）IUPR最基本需求，海拔低于2 440m，環(huán)境溫度高于－7℃，車輛持續(xù)運行時間超過600s，行駛車速高于40km／h的累計時間超過300s，連續(xù)怠速時間大于30s。2）結(jié)合目標市場特點、經(jīng)常使用的道路類型、各種道路限速、冷啟動和熱機頻率、早晚高峰、怠速次數(shù)和時間、車速高于40km／h的路段長短、環(huán)境溫度等。

路徑選取舉例見表1。

表1 路況選取

道路試驗后對數(shù)據(jù)進行采集和整理，除去存在故障的駕駛循環(huán)數(shù)據(jù)和存在異常情況下（如熄火等）的數(shù)據(jù)。通過采集的數(shù)據(jù)，分析潛在風(fēng)險并根據(jù)特征建立數(shù)據(jù)庫，為模擬IUPR率提供依據(jù)。

1.5 公告演示

企業(yè)需向國家認可的檢測機關(guān)演示IUPR相關(guān)分子和分母的增長，如演示通過，檢測機構(gòu)出具報告描述被檢測車輛具有IUPR功能。

IUPR分母驗證：滿足規(guī)定的運行條件時（海拔、溫度、工況），無特殊要求的一般分母計數(shù)器（如催化轉(zhuǎn)化器、氧傳感器等）應(yīng)增加1?？稍贠BD試驗樣車上進行，也可在另一輛車上進行，由檢測機構(gòu)選擇。

IUPR分母驗證：當完成規(guī)定的運轉(zhuǎn)循環(huán)時，催化轉(zhuǎn)化器、氧傳感器等的分子計數(shù)器應(yīng)增加1?？稍贠BD試驗樣車上進行，也可在另一輛車上進行，由檢測機構(gòu)選擇。

2 檢測NOx來診斷催化器效率的功能開發(fā)

2.1 檢測NOx來診斷催化器效率的原理

車載診斷系統(tǒng)（OBD）具有通過檢測NOx污染物來判斷催化器效率低下的功能，即當催化器系統(tǒng)性能退化到NOx排放超過極限值（0.3g／km）時，系統(tǒng)認為有故障，OBD就應(yīng)亮指示燈警示三元催化器相關(guān)部件失效。

由于NOx傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率不高以及成本原因，一般車輛上并沒有NOx傳感器和記錄分析儀來顯示NOx排放水平。采用OBD系統(tǒng)監(jiān)控催化器效率的方法主要有3種：雙氧傳感器法、雙碳氫傳感器法、雙溫度傳感器法。其中采用雙氧傳感器應(yīng)用較為廣泛，其主要的邏輯原理見圖3。

圖3 雙氧傳感器主要邏輯原理

如圖3所示，判斷催化器老化的最終指標是催化器的儲氧能力。選擇一個NOx在MEVG排放循環(huán)中達到OBD報警臨界值的催化劑，獲取其后氧的濃度信息作為標定基準，ECU通過比較實際惡化催化劑與臨界催化劑的后氧濃度信息，來判斷催化劑效率低下時是否達到門檻值，作為報警與否的判斷依據(jù)。

2.2 OBD臨界催化器標本樣件選擇

OBD臨界催化器是一個重要實物標桿，可以驗證標定中設(shè)定門檻值的有效性。催化器老化至臨界狀態(tài)可以采用發(fā)動機臺架老化或者保溫爐老化，考慮到經(jīng)濟成本，大多數(shù)情況采用保溫爐高溫燒制老化，其流程見圖4。一般保溫爐高溫燒制時，爐膛溫度高于實際車輛上工作溫度（約1200℃），其目的為加快其老化。

圖4 保溫爐高溫燒制老化流程

表2反映的是一個經(jīng)過實際老化后催化劑檢測結(jié)果：NOx未達門檻值±20%范圍，需要提高一個溫度梯度繼續(xù)燒制老化樣件，直至選出最終門檻目標樣件。需要說明的是，樣件排放結(jié)果需考慮法規(guī)對NMHC的限制要求，京V規(guī)范以NMHC或NOx二者誰先達到極限值時為準，一般情況下NOx先達到限值。

表2 老化催化器實測排放結(jié)果

選擇到排放達到門檻目標的催化劑后，需測量儲氧量（OSC）。儲氧量信息臨界催化劑的一個重要參考特征，后氧延遲法是目前普遍采用的儲氧量測量方法，其計算模型可以在一個貧氧變富氧的短促變化周期內(nèi)完成，其簡化公式［2］：

T0和T1是指前、后氧采樣時間點；CON是在特定穩(wěn)態(tài)工況下，與發(fā)動機排氣流量、溫度、壓力相關(guān)?？珊喕癁槌Ａ浚籉ront A／F為前氧傳感器濃度；Rear A／F為后氧傳感器濃度。

截取INCA（德國ETAS公司的發(fā)動機控制數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和標定的工具）讀取的實際典型圖樣（圖5）。

圖5 INCA實際典型圖樣

在一個穩(wěn)定的工況中，通過制造一個短促氧濃度的貧富變化，根據(jù)圖5曲線對應(yīng)數(shù)據(jù)信息，便可以計算出OSC。

最終根據(jù)后氧波形的特征信息、OSC信息以及實際測得排放結(jié)果三者來最終確認一個合格的臨界催化樣件。

2.3 OBD臨界值報警標定

該發(fā)動機OBD系統(tǒng)應(yīng)用了雙氧傳感器法，通過對比氧信號振幅來判斷催化器是否老化。其系統(tǒng)實現(xiàn)診斷的原理如圖6所示。

圖6 雙氧傳感器法診斷原理

由圖6可知，當燃燒廢氣未經(jīng)過催化器時，前氧傳感器獲取氧離子波形特征信息，得到此刻的空燃比λ值，通過極限催化器氧氣存儲模型模擬出后氧特征信息。模擬的后氧特征信息經(jīng)過氧氣探測器模型后，形成模擬的波形特征，此模擬特征與另一路由后氧傳感器實際測得的波形特征進行比較，經(jīng)過過濾處理后，如果振幅特征一致或?qū)崪y波形振幅大于模擬極限振幅，則MIL被點亮。

指定的循環(huán)工況須監(jiān)控發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣管壓力、發(fā)動機負荷、空氣流量、水溫、氧傳感器信號，并自學(xué)習(xí)。

按試驗條件（京V法規(guī)4.3.7條款），在指定車輛上更換老化后催化器，催化器故障指示燈亮，此時測得NOx污染物在門檻值的±20%范圍，說明催化器效率監(jiān)控符合國家法規(guī)。

［1］ 北京市環(huán)境保護局，北京質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB11／946－2013.輕型汽車點燃式污染物排放限值及測量方法（北京，V階段）［S］.2013.

［2］ 陳領(lǐng)平.汽油機車載診斷（OBD）技術(shù)及催化器監(jiān)控開發(fā)試驗研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.