張 岳，周文華，楊騰飛，郭修其

（浙江大學(xué) 能源工程學(xué)系，浙江杭州310027）

0 引言

與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有熱效率高、燃油消耗率低和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，小型客車和轎車柴油化是一種發(fā)展趨勢(shì)。盡管電控柴油機(jī)具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，但是國(guó)內(nèi)將其真正應(yīng)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(jī)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(jī)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(guó)的排放法規(guī)要求，更能提高我國(guó)車輛的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，將對(duì)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(jī)OBD系統(tǒng)，分析電控柴油機(jī)OBD 系統(tǒng)的監(jiān)控需求，并對(duì)電控高壓共軌ECU 對(duì)OBD系統(tǒng)的各個(gè)實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行描述，在柴油機(jī)高壓油泵電磁閥上完成實(shí)際的故障診斷實(shí)驗(yàn)。

1 柴油機(jī)OBD 系統(tǒng)的監(jiān)控需求

1.1 催化轉(zhuǎn)化器效率

對(duì)于催化轉(zhuǎn)化器效率的評(píng)價(jià)主要包括空燃比特性和起燃特性。其中，實(shí)際空燃比是通過使用寬域氧傳感器測(cè)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(cè)取轉(zhuǎn)化率的起燃溫度特性（Light-off-Temperature）和測(cè)算催化器達(dá)到50%轉(zhuǎn)化率所需要的時(shí)間的起燃時(shí)間特性（Light-off-Time）［3］。

1.2 氧傳感器故障

發(fā)動(dòng)機(jī)每次工作循環(huán)的噴油量是由PCM（動(dòng)力總成模塊）根據(jù)氧傳感器反饋來的信號(hào)來控制，以達(dá)到燃燒最完全。如果它的信號(hào)失真會(huì)引發(fā)混合氣空燃比失控，從而導(dǎo)致排放升高。對(duì)于氧傳感器故障的檢測(cè)方法包括：傳感器的信號(hào)電壓是否超出可能范圍；信號(hào)電壓響應(yīng)速度是否過低；信號(hào)電壓跳變時(shí)間比是否超出規(guī)定范圍；信號(hào)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(dòng)電路的斷路、各種短路、可靠性故障以及機(jī)械結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期磨損造成的可靠性等故障。對(duì)于柴油機(jī)電磁閥故障的檢測(cè)與診斷，主要方法有：監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，通過軟件間接檢測(cè)到故障狀態(tài)；監(jiān)測(cè)電磁閥開啟和關(guān)閉時(shí)碰撞聲音的時(shí)間間隔來判斷故障［7］；或者利用卡爾曼濾波器結(jié)合相應(yīng)的檢測(cè)算法完成電磁閥柱塞堵塞等機(jī)械故障診斷［8］等。

1.4 其他與排放相關(guān)部件的監(jiān)測(cè)

首先，OBD系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)失效后導(dǎo)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(guān)的動(dòng)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(jìn)氣支管壓力（以及實(shí)現(xiàn)這些功能相關(guān)的傳感器）的系統(tǒng)或部件。其次，還需要監(jiān)測(cè)整個(gè)后處理系統(tǒng)中所有與排放相關(guān)的部件的故障，如進(jìn)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(guān)，且與電控單元相連接的動(dòng)力系統(tǒng)部件的電路連通狀態(tài)也應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 共軌ECU 對(duì)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(jìn)行靈活控制，用高速電磁閥或壓電式噴油器對(duì)高壓燃油實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)，能夠自由實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)噴油量、噴油率形狀和噴油時(shí)間，并在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次受控噴射，使柴油機(jī)的性能得到了實(shí)質(zhì)性的提高［9］。下面就電控高壓共軌ECU對(duì)OBD系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行描述。

人們攝入過量的精制谷物和甜飲料。為了對(duì)抗這場(chǎng)“災(zāi)難”，專家建議立刻把重心放在改善飲食上，因?yàn)閿?shù)據(jù)顯示人們“吃得不好”。專家說，無(wú)論收入水平如何，學(xué)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(yīng)該重視這種情況，尤其是青少年應(yīng)該被格外關(guān)照，因?yàn)樗麄冋幱谛枰~外補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)的年紀(jì)。

2.1 電路連接故障的監(jiān)測(cè)

電控系統(tǒng)通過硬件電路的設(shè)計(jì)可以檢測(cè)并區(qū)分對(duì)地短路、對(duì)電源短路、開路和信號(hào)不可信等4種電路連接故障類型。針對(duì)不同的電路連接故障類型，電控系統(tǒng)可以根據(jù)其對(duì)排放的實(shí)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(shè)定可信的物理范圍或通過其他與其他傳感器信息的對(duì)比，可以識(shí)別不可信故障信號(hào)。

2.2 子系統(tǒng)可信度監(jiān)測(cè)

OBD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、空氣質(zhì)量可信性監(jiān)測(cè)、軌壓可信性監(jiān)測(cè)、水溫可信性監(jiān)測(cè)、增壓壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。廢氣再循環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過比較實(shí)際測(cè)量的進(jìn)氣量與理論計(jì)算得出的進(jìn)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(cè)可以通過測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下測(cè)得的空氣質(zhì)量判斷空氣質(zhì)量信號(hào)是否可信。軌壓可信性監(jiān)測(cè)可以通過比較發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前或停機(jī)后一段時(shí)間測(cè)量的軌壓值與大氣壓力值判斷軌壓信號(hào)是否可信。水溫可信性監(jiān)測(cè)可以根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)的水溫是否升高并達(dá)到一定的溫度判斷水溫信號(hào)是否可信。增壓壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過比較一定發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的進(jìn)氣壓力值和理論計(jì)算得出的壓力值，判斷增壓壓力信號(hào)是否可信。

2.3 故障確認(rèn)的一般流程及存儲(chǔ)管理

故障管理系統(tǒng)是指ECU 在監(jiān)測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障以后，對(duì)監(jiān)測(cè)到的故障進(jìn)行后續(xù)處理如熄滅發(fā)動(dòng)機(jī)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(rèn)和故障存儲(chǔ)。

ECU 對(duì)故障確認(rèn)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(gè)部件對(duì)應(yīng)一個(gè)故障路徑。當(dāng)某一故障路徑第一次失效時(shí)，該故障路徑在ECU 下電前存入EEPROM。存儲(chǔ)在EEPROM中的故障路徑根據(jù)該故障出現(xiàn)的次數(shù)會(huì)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(dòng)機(jī)故障指示燈）的激活

首先，汽車點(diǎn)火開關(guān)已經(jīng)打開，而發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)，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(cè)要求時(shí)，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(gè)運(yùn)作循環(huán)都監(jiān)測(cè)到導(dǎo)致排放超限的故障，則MIL 在第3個(gè)駕駛循環(huán)激活；第三，對(duì)于需要兩個(gè)以上運(yùn)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(píng)價(jià)，以充分證明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能同樣有效及時(shí)地監(jiān)測(cè)部件的劣化；第四，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)失火達(dá)到制造廠規(guī)定的水平，可能引起催化器損壞時(shí)，MIL必須在獨(dú)特的警告模式下工作，如指示燈閃爍；第五，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，如果先前沒有檢測(cè)到故障，MIL 應(yīng)熄滅；第六，如果可能損壞催化器的發(fā)動(dòng)機(jī)失火率不再存在，則MIL 應(yīng)切換至激活以前的狀態(tài)，相應(yīng)的故障代碼和存儲(chǔ)的凍結(jié)幀狀態(tài)可被清除；最后，對(duì)于其他所有故障，在3 個(gè)連續(xù)的運(yùn)作循環(huán)期間，如果負(fù)責(zé)激活MIL 的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不再監(jiān)測(cè)到故障，且沒有檢測(cè)出其他會(huì)單獨(dú)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(chǔ)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(dú)的狀態(tài)代碼，以便正確識(shí)別起作用的排放控制系統(tǒng)，以及需要進(jìn)一步運(yùn)轉(zhuǎn)汽車，才能全面評(píng)價(jià)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(rèn)模式引起MIL 激活，則必須儲(chǔ)存能識(shí)別相應(yīng)故障類型的故障代碼。

OBD相關(guān)故障發(fā)生后，電控系統(tǒng)自動(dòng)將當(dāng)前故障發(fā)生時(shí)的車輛狀態(tài)凍結(jié)幀存儲(chǔ)到EEPROM 中。存儲(chǔ)的故障信息包括：凍結(jié)幀、環(huán)境變量、故障發(fā)生時(shí)的車輛里程數(shù)等。其中，系統(tǒng)凍結(jié)幀可以支持最多達(dá)64種故障信息的存儲(chǔ)，且支持故障存儲(chǔ)的優(yōu)先級(jí)別。同時(shí)，凍結(jié)幀格式滿足法規(guī)要求和國(guó)內(nèi)柴油車的配置實(shí)際，可以輸出包括：計(jì)算的負(fù)荷值、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、冷卻液溫度、燃油壓力和故障代碼；同時(shí)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(jìn)氣質(zhì)量等。

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

2.6 OBD系統(tǒng)認(rèn)證時(shí)可模擬的故障

對(duì)于催化轉(zhuǎn)化器故障，需要完全移除催化轉(zhuǎn)化器后進(jìn)行I型試驗(yàn)，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(cè)。對(duì)于燃油計(jì)量及噴油正時(shí)故障，系統(tǒng)中燃油計(jì)量單元的短路、開路，軌壓傳感器的短路、開路均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)，故模擬這些故障后無(wú)法進(jìn)行I 型試驗(yàn)（常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)），此時(shí)MI點(diǎn)亮；試驗(yàn)中可以拔掉一缸噴油器電路，模擬噴油器開路故障進(jìn)行I 型試驗(yàn)。關(guān)于其他與電控系統(tǒng)相關(guān)的部件或系統(tǒng)故障：實(shí)驗(yàn)中可通過拔掉水溫傳感器、空氣質(zhì)量流量傳感器、EGR 閥、預(yù)熱塞電路模擬相應(yīng)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(dòng)態(tài)不可信、空氣質(zhì)量流量信號(hào)不可信、軌壓信號(hào)偏差故障。通過模擬故障可以檢驗(yàn)系統(tǒng)OBD 在各方面的監(jiān)測(cè)能力和準(zhǔn)確性。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在燃油噴射系統(tǒng)的整個(gè)工作壽命中，電磁閥開關(guān)上億次，因此，其可靠性是電控系統(tǒng)的重要性能之一。該實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)高壓油泵電磁閥對(duì)電源短路故障時(shí)，OBD系統(tǒng)的故障診斷策略進(jìn)行了具體的參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析。電磁閥對(duì)電源短路故障診斷的流程如圖3所示。

圖3 對(duì)電源短路故障的診斷流程圖

油泵電磁閥在正常工作時(shí)，要求驅(qū)動(dòng)電流一級(jí)維持為15 A，二級(jí)維持為6 A。因此，本研究設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流I達(dá)到22 A 時(shí)電磁閥發(fā)生短路故障。柴油機(jī)采用直列式泵控制閥高壓油泵，實(shí)驗(yàn)設(shè)定轉(zhuǎn)速為800 r/min，柴油機(jī)飛輪轉(zhuǎn)一圈作為一個(gè)工作循環(huán)。油泵電磁閥正常工況的驅(qū)動(dòng)電流波形如圖4所示。

圖4 油泵電磁閥正常工況的驅(qū)動(dòng)電流波形圖

在不同延時(shí)數(shù)下，模擬電磁閥對(duì)電源短路故障如圖5所示。ECU能采集故障檢測(cè)及診斷信號(hào)。由圖5（a）表明，在發(fā)生對(duì)電源短路時(shí)，ECU 能夠及時(shí)檢測(cè)到診斷反饋信號(hào)的電壓變化，延時(shí)計(jì)數(shù)為2時(shí)，由于未達(dá)到最小次數(shù)（4次），ECU判斷電磁閥為臨時(shí)性故障，停止當(dāng)次電磁閥驅(qū)動(dòng)，以排除臨時(shí)性故障或其他信號(hào)干擾引發(fā)的誤判等情況。由圖5（b）表明，延時(shí)計(jì)數(shù)達(dá)到最小次數(shù)時(shí)，ECU 確認(rèn)電磁閥發(fā)生對(duì)電源短路故障，則永久停止電磁閥驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，OBD 系統(tǒng)會(huì)立即點(diǎn)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(jìn)行后續(xù)維修。

圖5 對(duì)電源短路故障診斷信號(hào)波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

首先，本研究分析了電控柴油機(jī)OBD系統(tǒng)的監(jiān)控需求，針對(duì)國(guó)內(nèi)柴油機(jī)電控系統(tǒng)提出了OBD監(jiān)測(cè)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(rèn)的一般流程，設(shè)計(jì)了故障確認(rèn)狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)化機(jī)制，并對(duì)故障凍結(jié)幀存儲(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述。最后，本研究通過模擬高壓油泵電磁閥對(duì)電源短路故障，驗(yàn)證了ECU 能夠通過OBD 系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)相關(guān)部件進(jìn)行故障診斷與管理。

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

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