董秀云，張濤，劉剛，高翠，楊揚(yáng)，楊秀花

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061; 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

汽車尾氣污染環(huán)境，有關(guān)部門(mén)制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和管理?xiàng)l例，加強(qiáng)對(duì)機(jī)動(dòng)車排放污染物和車載診斷(on board diagnostics,OBD)系統(tǒng)的監(jiān)管，加大對(duì)不合規(guī)企業(yè)的處罰，隨著重型柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)OBD控制系統(tǒng)提出了更高的要求[1-4]。

本文中基于OBD試驗(yàn)循環(huán)，選擇不同廠家、排量、車型、整車綜合速比的車輛進(jìn)行OBD數(shù)據(jù)采集，分析OBD系統(tǒng)故障診斷的關(guān)鍵因素以及整車載質(zhì)量、整車綜合速比、排氣管長(zhǎng)度對(duì)商用車OBD系統(tǒng)關(guān)鍵因素的影響。

1 試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)路線

整車OBD系統(tǒng)試驗(yàn)路線與循環(huán)嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[1]的要求。不同類型的車輛，測(cè)試運(yùn)行道路組成如表1

表1 不同類型車輛測(cè)試道路占比組成 %

所示。試驗(yàn)開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間海拔高度差不得超過(guò)100 m，并且試驗(yàn)車輛的累計(jì)正海拔高度增加量應(yīng)不大于1200 m/(100 km)。車輛試驗(yàn)路線包括市區(qū)、市郊和高速路線，按市區(qū)—市郊—高速行駛順序連續(xù)進(jìn)行。車輛市區(qū)路段平均車速為15～30 km/h；市郊路段平均車速為45～70 km/h，N1類車輛的平均車速為60～90 km/h；高速路段平均行駛車速大于70 km/h，N1類車輛的平均行駛速度大于90 km/h。第一個(gè)出現(xiàn)車速超過(guò)55 km/h的短行程記為市郊路的開(kāi)始(N1類車輛為70 km/h)，第一個(gè)出現(xiàn)車速超過(guò)75 km/h的短行程記為高速路的開(kāi)始(N1類車輛為90 km/h)。最短測(cè)試時(shí)間應(yīng)當(dāng)滿足：測(cè)試車輛的累計(jì)功達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)循環(huán)(world harmonized transient cycle,WHTC)功的4～7倍。

1.2 最佳OBD區(qū)域分析

選取不同類型多種配置參數(shù)的整車進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)車輛配置如表2所示。

表2 試驗(yàn)車輛配置

選擇表2中的部分車型，整車載質(zhì)量為車輛最大載質(zhì)量(滿載質(zhì)量與整備質(zhì)量之差)的75%，進(jìn)行OBD循環(huán)試驗(yàn)，將采集數(shù)據(jù)通過(guò)Uniplot繪制萬(wàn)有特性曲線[5-7]，結(jié)果表明，排氣溫度和廢氣流量是影響OBD系統(tǒng)故障診斷的關(guān)鍵因素，排氣溫度上、下限和廢氣流量上、下限包圍的區(qū)域?yàn)镺BD最佳控制區(qū)間，如圖1所示，紅色曲線表示排氣溫度，下限為250 ℃，上限為410 ℃，黑色曲線表示廢氣流量，下限為600 kg/h,上限為1500 kg/h。該區(qū)間為商用車常用運(yùn)行工況區(qū)，在該區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配最佳，NOx排放控制穩(wěn)定。若整車不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行在最佳匹配區(qū)間，便存在OBD風(fēng)險(xiǎn)[8-10]。

圖1 排氣溫度和廢氣流量最佳匹配區(qū)間

不同車型排氣溫度和廢氣流量不同，最佳匹配區(qū)間的限值略有差異，但排氣溫度和廢氣流量的走勢(shì)基本一致，且每輛車均存在OBD最佳匹配區(qū)間。

不同車型的OBD系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素不同，牽引車的OBD風(fēng)險(xiǎn)因素主要是廢氣流量??；載貨車的OBD風(fēng)險(xiǎn)因素主要是排氣溫度低；自卸車、起重機(jī)及水泥攪拌車的OBD風(fēng)險(xiǎn)因素主要是排氣溫度低，廢氣流量大；客車的OBD風(fēng)險(xiǎn)因素主要是排氣溫度低、廢氣流量小[11-12]。

2 OBD控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素分析

2.1 整車載質(zhì)量

結(jié)合萬(wàn)有特性曲線，測(cè)量某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1000、1200、1400 r/min時(shí)，不同轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的渦后排氣溫度，結(jié)果如表3所示。

由表3可知：同等轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩越高，發(fā)動(dòng)機(jī)渦后排氣溫度越高；同等轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速越高，發(fā)動(dòng)機(jī)渦后排氣溫度越低。同等轉(zhuǎn)速下，車輛載質(zhì)量越高，整車轉(zhuǎn)矩越高，因此，隨著整車載質(zhì)量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)渦后排氣溫度升高。

表3 3種轉(zhuǎn)速下不同轉(zhuǎn)矩工況對(duì)應(yīng)的渦后排氣溫度測(cè)量結(jié)果 ℃

表4 某牽引車不同載質(zhì)量的平均排氣溫度和廢氣質(zhì)量流量

某牽引車，整備質(zhì)量為9 t，滿載質(zhì)量49 t，整車載質(zhì)量分別為最大載質(zhì)量的10%、50%和100%，即分別為4、20、40 t，記為試驗(yàn)1、2、3；按照OBD試驗(yàn)循環(huán)，記錄高速段的平均排氣溫度、廢氣流量，所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)要求環(huán)境溫度接近(相差不超過(guò)10 ℃)，測(cè)量結(jié)果如表4所示。其中，除試驗(yàn)1排氣溫度未進(jìn)入匹配區(qū)間，其余試驗(yàn)排氣溫度、廢氣流量均進(jìn)入匹配區(qū)間。

由表4可知：平均排氣溫度與試驗(yàn)加載質(zhì)量正相關(guān)，加載質(zhì)量低導(dǎo)致排氣溫度無(wú)法進(jìn)入匹配區(qū)間；廢氣流量隨加載質(zhì)量的增加而增加，但加載質(zhì)量越低，對(duì)廢氣流量影響越小，且加載質(zhì)量的變化未影響廢氣流量進(jìn)入匹配區(qū)間。

2.2 整車綜合速比

選取6種載貨車，滿載質(zhì)量均為31 t，輪胎相同，變速箱和后橋配置不同，對(duì)比6種車輛常用擋位(最高12擋、次高11擋)綜合速比，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 不同載貨車綜合速比

由表5可知，車輛1～6，同擋位綜合速比依次增大。通過(guò)仿真計(jì)算，分別繪制11擋和12擋的等速線，得到排氣溫度、廢氣流量的最佳匹配區(qū)間，如圖2所示。圖中1車12擋、1車11擋、2車12擋、2車11擋、3車12擋、3車11擋、4車12擋、4車11擋、5車12擋、5車11擋、6車12擋、6車11擋用1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12分別表示。

圖2 6種載貨車排氣溫度和廢氣流量最佳匹配區(qū)間

由圖2可知，中間黃色區(qū)域?yàn)镺BD最佳匹配區(qū)間。同一擋位，隨著綜合速比增加，排氣溫度依次降低，廢氣流量依次升高。1車12擋排氣溫度最高，6車11擋最低，綜合速比過(guò)大導(dǎo)致排氣溫度無(wú)法達(dá)到最佳匹配區(qū)間；6車11擋的廢氣流量最大，1車12擋的最小，綜合速比小的車能達(dá)到的最大廢氣流量小于綜合速比大的車，按照此趨勢(shì)，綜合速比過(guò)小導(dǎo)致廢氣流量無(wú)法達(dá)到最佳匹配區(qū)間。

選取同一車型、不同綜合速比的自卸車進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，3車均使用最高擋位且滿載運(yùn)行，最高擋綜合速比分別為4.900、5.262、5.920，滿載質(zhì)量分別為25、25、31 t。按照OBD試驗(yàn)循環(huán)運(yùn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 某自卸車不同綜合速比試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，滿載質(zhì)量相同時(shí)，綜合速比越高，排氣溫度降低，廢氣流量增加。與表4對(duì)比可知，綜合速比對(duì)排氣溫度的影響弱于滿載質(zhì)量。綜合速比對(duì)廢氣流量的影響大于對(duì)排氣溫度的影響。

2.3 排氣管長(zhǎng)度

排氣管也是影響排氣溫度的關(guān)鍵因素之一[13]，排氣管長(zhǎng)度、包裹影響排氣管的散熱或保溫能力，從而影響排氣溫度。目前排氣管包裹已全面實(shí)施，文中主要考慮排氣管長(zhǎng)度。

排氣管長(zhǎng)度對(duì)排氣溫度的影響可利用仿真方法計(jì)算，模擬環(huán)境溫度為-10 ℃和30 ℃時(shí)，排氣管不同位置的溫降情況。選擇排氣管長(zhǎng)度為3 m，渦后設(shè)置為測(cè)試點(diǎn)0，1.25 m處為測(cè)試點(diǎn)1，之后每隔0.25 m設(shè)置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，3 m處為測(cè)試點(diǎn)8，設(shè)置9個(gè)測(cè)試點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 排氣管測(cè)試點(diǎn)示意圖

測(cè)試不同環(huán)境溫度下每個(gè)測(cè)試點(diǎn)與上一個(gè)點(diǎn)之間的溫降，結(jié)果如表7所示。

表7 排氣管不同測(cè)試點(diǎn)的溫降 ℃

由表7可知：環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，排氣管長(zhǎng)度每增加0.25 m，排氣溫度降低約4.0～5.5 ℃；環(huán)境溫度為-10 ℃時(shí)，排氣管長(zhǎng)度每增加0.25 m，排氣溫度降低約3.0～4.5 ℃。排氣管長(zhǎng)度與排氣溫度負(fù)相關(guān)，排氣管長(zhǎng)度每增加1 m，排氣溫度降低約12～20 ℃。設(shè)計(jì)排氣管時(shí)，應(yīng)盡量使用短排氣管，并對(duì)排氣管采取良好的保溫措施[14]。

3 結(jié)論

1)整車載質(zhì)量與排氣溫度正相關(guān)，加載質(zhì)量低會(huì)導(dǎo)致排氣溫度無(wú)法進(jìn)入匹配區(qū)間。

2)隨著綜合速比增加，排氣溫度依次降低，廢氣流量依次升高；綜合速比過(guò)大會(huì)導(dǎo)致排氣溫度無(wú)法達(dá)到最佳匹配區(qū)間，綜合速比過(guò)小會(huì)導(dǎo)致廢氣流量無(wú)法達(dá)到最佳匹配區(qū)間。

3)排氣管長(zhǎng)度與排氣溫度負(fù)相關(guān)，設(shè)計(jì)排氣管時(shí)，應(yīng)盡量使用短排氣管。