于津濤 周 濤 張 凡
(1-中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 北京 100176 2-濰柴動(dòng)力股份有限公司)
2018年7月國(guó)家生態(tài)環(huán)境部正式發(fā)布了GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱重型國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)),與之前的重型國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)相比,該標(biāo)準(zhǔn)不但在測(cè)試循環(huán)、排放限值、耐久要求等方面進(jìn)行了變更和加嚴(yán),同時(shí)在車載診斷系統(tǒng)OBD上也有了重大變化[1]。本文通過(guò)研究國(guó)六階段OBD與國(guó)五階段要求的區(qū)別,并采用試驗(yàn)驗(yàn)證,提出國(guó)六OBD試驗(yàn)對(duì)檢測(cè)的新要求。
2008年6月,我國(guó)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了HJ437-2008《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載診斷(OBD)系統(tǒng)技術(shù)要求》,規(guī)定了我國(guó)國(guó)四、國(guó)五階段重型車OBD系統(tǒng)采用SAE J1939或ISO 15765的協(xié)議,而重型國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定可以采用如下標(biāo)準(zhǔn)[2-3]:
a)基于 ISO15765-4 的 ISO 27145(基于 CAN);
b)基于 ISO13400 的 ISO27145(基于 TCP/IP);
c)SAE J1939-73。
對(duì)應(yīng)于OSI七層模型,重型國(guó)五和國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)允許的通訊標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。
表1 重型國(guó)五和國(guó)六OBD標(biāo)準(zhǔn)與OSI 7層對(duì)應(yīng)關(guān)系
ISO 27145標(biāo)準(zhǔn)全稱為“道路車輛——實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)統(tǒng)一的車載診斷系統(tǒng)(WWH-OBD)通訊要求”,該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了基于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的車載到非車載的有線通訊的規(guī)定,TCP/IP協(xié)議為業(yè)界提供了更快的數(shù)據(jù)傳輸速度,也為將來(lái)的無(wú)線傳輸?shù)於嘶A(chǔ),這也與某些締約方的道路傳輸?shù)恼吣繕?biāo)相符。我國(guó)作為《1998年協(xié)定書(shū)》締約國(guó)積極將該法規(guī)轉(zhuǎn)化為國(guó)內(nèi)法規(guī)予以實(shí)施[4]。但由于車輛通訊平臺(tái)復(fù)雜,因此在本全球性技術(shù)法規(guī)中采用步進(jìn)式的方法來(lái)使用這個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)。即在底層協(xié)議上,接受ISO 27145-4(基于 CAN)和 ISO 13400(基于 TCP/IP)的使用,而在高端層面使用ISO 27145協(xié)議(如表1所示)。
上汽商用車朱正禮等人已對(duì)重型國(guó)五商用車OBD協(xié)議的各層進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和比較[5],補(bǔ)充說(shuō)明的是重型國(guó)六的ISO 27145各層并不是單獨(dú)的一個(gè)協(xié)議規(guī)定,而是在原有的協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行制定或直接等效引用,比如表示層(Layer 6),ISO 27145-2中就參照了SAE J1930-DA、SAE J 1939 (SPN)、SAE J 1939-73:2010 附錄 A(FMI)、SAE J1979-DA 和 SAE J2012-DA,其余各層也是如此[6]。
國(guó)六重型標(biāo)準(zhǔn)的附錄F對(duì)OBD系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行了規(guī)定。隨著國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步,本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)OBD提出了更加嚴(yán)格的要求,在參考?xì)W六法規(guī)(6C階段)的OBD要求基礎(chǔ)上,參考美國(guó)法規(guī)增加了永久故障代碼要求,并比歐六法規(guī)增加了超OBD限值限速限扭的規(guī)定[7]。依據(jù)國(guó)六標(biāo)準(zhǔn),OBD應(yīng)具備下列功能:a)診斷影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的故障;b)在故障發(fā)生時(shí)通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)顯示;c)通過(guò)存儲(chǔ)在電控單元存儲(chǔ)器中的信息確定可能的故障區(qū)域并提供信息離線通訊。本文將從以下幾方面分析國(guó)六OBD的主要變化。
OBD 排放限值即 OTLs(OBD Threshold Limits),在國(guó)五階段當(dāng)排放超過(guò)OTLs但不超1.2倍OTLs時(shí),OBD系統(tǒng)就要做出響應(yīng),點(diǎn)亮故障指示燈MI。而在國(guó)六階段則根據(jù)排放是否超過(guò)排放限值以及是否超過(guò)OTLs劃分為不同級(jí)別的故障,同時(shí)OBD系統(tǒng)響應(yīng)方式(MI指示方式、DTC存儲(chǔ)等)也根據(jù)級(jí)別不同而做出區(qū)分。不同階段OTLs和排放限值如表2所示,國(guó)六階段NOx、PM的OTLs分別是發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC限值的2.6倍和2.5倍。
表2 不同階段OTLs和排放限值mg/(kW·h)
相比于國(guó)五階段,國(guó)六OBD系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)或部件也有了大幅增加,且在標(biāo)準(zhǔn)附件FC中有了詳細(xì)規(guī)定。從監(jiān)測(cè)對(duì)象方面來(lái)看國(guó)六OBD監(jiān)測(cè)類型分為排放限值監(jiān)測(cè)、功能監(jiān)測(cè)、嚴(yán)重功能性故障或部件監(jiān)測(cè)。將其分類的目的在于試驗(yàn)時(shí)對(duì)于排放限值監(jiān)測(cè)需要在發(fā)動(dòng)機(jī)上驗(yàn)證獲得與循環(huán)比排放的相關(guān)性,而其它3種類型檢測(cè)則不要求獲取實(shí)際排放相關(guān)性。
國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)按照故障的嚴(yán)重性,即與OTLs和排放限值相比,將故障分為A、B1、B2和C四個(gè)等級(jí)。其中A類是超過(guò)OTLs,B1是有超過(guò)OTLs的可能性,B2是影響排放,但沒(méi)有超過(guò)OTLs的可能性,C是影響排放,但不超過(guò)排放限值。不同級(jí)別的故障發(fā)生時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)不同,最明顯的就是故障指示燈MI顯示策略不同,以提示司機(jī)故障的嚴(yán)重程度,而以往國(guó)四、五標(biāo)準(zhǔn)OBD故障沒(méi)有采用差異化顯示方式,只要診斷出故障MI就會(huì)常亮。
OBD故障指示燈MI在國(guó)六以前的點(diǎn)亮方式比較簡(jiǎn)單,只有常亮和常滅兩種狀態(tài),而國(guó)六MI燈的點(diǎn)亮方式與以前相比有了很大變化,如表3所示不但用連續(xù)閃爍次數(shù)區(qū)分出連續(xù)、短暫、按需和無(wú)故障四種模式,同時(shí)在車輛啟動(dòng)前通過(guò)故障燈的頻率還能反應(yīng)就緒代碼狀態(tài)、故障等級(jí)等信息,確保駕駛?cè)藛T在第一時(shí)間了解車輛狀態(tài)。表格中最后一列則對(duì)應(yīng)了圖1中顯示數(shù)字區(qū)域。
表3 國(guó)五國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MI規(guī)定的比較
圖1 國(guó)六MI指示燈點(diǎn)亮方式
輕型車在國(guó)五階段已經(jīng)采用在用車監(jiān)測(cè)頻率指標(biāo)IUPR來(lái)衡量EOBD系統(tǒng)工作狀況,它反映了隨車輛運(yùn)行的EOBD系統(tǒng)對(duì)某一監(jiān)測(cè)項(xiàng)的監(jiān)測(cè)頻率[8]。國(guó)六重型標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)整車IUPR進(jìn)行了規(guī)定,所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)的最低實(shí)際監(jiān)測(cè)頻率為0.1,且OBD系族所有檢測(cè)的車輛IUPR平均值和50%車輛的IUPR都大于0.1。
國(guó)六OBD標(biāo)準(zhǔn)還參考美國(guó)法規(guī)提出了永久故障代碼的要求,即不能通過(guò)外部診斷工具(診斷儀)清除的故障代碼。在目前的歐六法規(guī)當(dāng)中,OBD系統(tǒng)中所有的故障代碼和相關(guān)信息都可以被診斷儀人為清除,這樣不利于機(jī)動(dòng)車的排放監(jiān)管。而本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的永久故障代碼,是指一些較為嚴(yán)重的故障,比如超過(guò)OBD限值或可能超過(guò)限值但長(zhǎng)時(shí)間未得到修復(fù)的故障,作為“永久故障碼”存儲(chǔ)。當(dāng)OBD系統(tǒng)確認(rèn)該故障不存在時(shí),OBD系統(tǒng)則自動(dòng)清除該故障代碼。永久故障代碼對(duì)于在用機(jī)動(dòng)車的排放監(jiān)管具有重要作用,通過(guò)檢查若發(fā)現(xiàn)車輛存在永久故障代碼,督促車主及時(shí)地維修排放方面的故障,確保車輛在實(shí)際使用中排放達(dá)標(biāo);而不是在故障未修復(fù)前,人為地擦除故障代碼,以通過(guò)檢查。與國(guó)五中不可擦除的故障代碼區(qū)別如表4所示。
表4 不可擦除故障代碼和永久故障代碼區(qū)別
NOx控制系統(tǒng)要求,在國(guó)四、國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)中已有相關(guān)規(guī)定,OBD是對(duì)生產(chǎn)廠家的要求,而NOx控制的目的是約束用戶,督促其及時(shí)添加合格的尿素,確保SCR正常工作以削減NOx排放。當(dāng)檢測(cè)到反應(yīng)劑液位低、反應(yīng)劑質(zhì)量異常、反應(yīng)劑消耗量低或存在故障時(shí),如果不及時(shí)糾正會(huì)激活駕駛性能限制系統(tǒng)。駕駛性能限制系統(tǒng)分2級(jí),取決于該故障多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有被修復(fù)。初級(jí)限制,會(huì)導(dǎo)致在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩降低25%;嚴(yán)重限制,車輛將只能以最高20 km/h的速度行駛。相比較國(guó)五標(biāo)準(zhǔn),國(guó)六OBD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NOx控制規(guī)定得更加詳細(xì),比如對(duì)尿素報(bào)警和限制的最低液位、反應(yīng)劑最低濃度(CDmin)、反應(yīng)劑低溫運(yùn)行都有了具體的量化指標(biāo),而且對(duì)于NOx控制應(yīng)設(shè)置單獨(dú)的駕駛員報(bào)警系統(tǒng),而不能和OBD的故障指示器MI混用。
本文針對(duì)某企業(yè)生產(chǎn)的國(guó)六開(kāi)發(fā)樣機(jī)依據(jù)GB17691-2018進(jìn)行OBD及NOx控制檢驗(yàn),以驗(yàn)證其是否符合要求。樣品及試驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)如表5所示。
表5 用于試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和設(shè)備基本參數(shù)
OBD功能驗(yàn)證主要進(jìn)行故障分類的驗(yàn)證和OBD系統(tǒng)性能驗(yàn)證,可以分別進(jìn)行也可以用同一測(cè)試驗(yàn)證。本文分別選取了12個(gè)故障進(jìn)行分類驗(yàn)證和性能驗(yàn)證,首先設(shè)置故障并根據(jù)情況進(jìn)行排放測(cè)試,通過(guò)OBD設(shè)備讀取故障代碼及廠家分類(如圖2所示),并結(jié)合排放結(jié)果判定分類是否正確;第二步根據(jù)廠家提供劣化件或設(shè)置故障類型,通過(guò)熱態(tài)WHTC循環(huán)驗(yàn)證OBD響應(yīng)即MI點(diǎn)亮方式是否正確,以及WHTC循環(huán)是否不超過(guò)1.2倍的OTLs限值,結(jié)果如表6所示。
圖2 通過(guò)OBD設(shè)備讀取的故障代碼及分類
表6 OBD故障分類和功能驗(yàn)證
從表中可以看出:
1)對(duì)于所設(shè)置的故障或劣化件,從OBD讀取到的ECU內(nèi)部分類和通過(guò)排放測(cè)試得到的分類方式相符(A類故障無(wú)需驗(yàn)證),該機(jī)型OBD分類驗(yàn)證通過(guò);
2)按照法規(guī)選擇不同檢測(cè)類型的劣化件或故障設(shè)置,在3個(gè)WHTC循環(huán)內(nèi)均可使MI按不同分類激活,同時(shí)劣化件并沒(méi)有使排放超過(guò)OTLs的1.2倍(功能監(jiān)測(cè)、嚴(yán)重功能性故障或部件監(jiān)測(cè)類無(wú)需驗(yàn)證排放),該機(jī)型OBD功能性驗(yàn)證符合法規(guī)要求。
按照法規(guī)要求選擇4次報(bào)警系統(tǒng)激活測(cè)試、2次限扭激活和2次限速激活測(cè)試,并驗(yàn)證1次限扭比例實(shí)測(cè)和1次限速實(shí)測(cè),其中對(duì)于反應(yīng)劑不足的項(xiàng)目對(duì)報(bào)警、限扭、限速測(cè)試可連續(xù)進(jìn)行,結(jié)果如表7所示。
表7 NOx控制實(shí)際測(cè)試結(jié)果
1)國(guó)六OBD標(biāo)準(zhǔn)無(wú)論與之前國(guó)五還是歐6 OBD標(biāo)準(zhǔn)相比,都有了很大變化,要求更加嚴(yán)格細(xì)致。
2)國(guó)六OBD標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)過(guò)程更為復(fù)雜,需要對(duì)故障分類、MI激活方式、故障計(jì)數(shù)器工作、報(bào)警系統(tǒng)激活、限扭激活和限速激活等多方面內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試。
3)國(guó)六OBD發(fā)動(dòng)機(jī)部分試驗(yàn)周期更長(zhǎng),需要企業(yè)提供的材料、劣化件也更多,國(guó)六OBD相比國(guó)五增加NOx報(bào)警系統(tǒng),需要發(fā)動(dòng)機(jī)及整車廠同步升級(jí)。