劉 波，黃 鵬，王素梅，孫文強(qiáng)，孫選建，劉玉偉，楊永春

基于正交試驗(yàn)法的重型柴油車(chē)OBD診斷影響因素分析

劉 波，黃 鵬，王素梅，孫文強(qiáng)，孫選建，劉玉偉，楊永春

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法GB 17691—2018中對(duì)于重型商用柴油車(chē)提出了車(chē)載診斷系統(tǒng)（OBD）實(shí)際監(jiān)測(cè)頻率（IUPR）的監(jiān)測(cè)要求，屬于同一OBD系族的不同廠家、不同車(chē)型、不同里程的IUPR率要滿(mǎn)足法規(guī)要求。研究表明發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度、廢氣體積流量和廢氣質(zhì)量流量是影響OBD診斷釋放的關(guān)鍵因素。文章通過(guò)正交試驗(yàn)的方法，分析不同廠家整車(chē)匹配的背壓、進(jìn)氣阻力與中冷壓降的邊界對(duì)排溫、廢氣體積流量以及廢氣質(zhì)量流量的影響，識(shí)別影響權(quán)重及規(guī)律，探索整車(chē)匹配關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，對(duì)后續(xù)的整車(chē)匹配提供標(biāo)準(zhǔn)。

IUPR；排氣溫度；廢氣體積流量；廢氣質(zhì)量流量

車(chē)載診斷系統(tǒng)[1]（On-Board Diagnostic, OBD）是一個(gè)非常復(fù)雜的自診斷系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測(cè)影響汽車(chē)排放的零部件和系統(tǒng)故障[2]。面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的法規(guī)要求與地方標(biāo)準(zhǔn)，在節(jié)能的同時(shí)，對(duì)重型柴油機(jī)的排放控制技術(shù)提出了更高的要求。

重型商用車(chē)主要依靠后處理系統(tǒng)采用高效氧化型催化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）+顆粒物捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）+選擇性催化還原器（Selective Catalytic Reduction, SCR）的方案來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的污染排放[3]。法規(guī)要求OBD系統(tǒng)對(duì)后處理能否正常工作做出診斷，如果系統(tǒng)存在失效等故障，需對(duì)駕駛員進(jìn)行提示，以此來(lái)保證后處理能夠正常工作。面對(duì)國(guó)內(nèi)多樣的地理環(huán)境、復(fù)雜的工況，要想使OBD系統(tǒng)有效且合理地工作，并且能夠準(zhǔn)確判斷出整車(chē)排放已經(jīng)超過(guò)閾值，就要求在整車(chē)匹配時(shí)，匹配的技術(shù)指標(biāo)能夠兼顧對(duì)OBD的影響[4]。目前對(duì)于整車(chē)的OBD匹配應(yīng)用已經(jīng)成為重型商用柴油機(jī)整車(chē)匹配中的難點(diǎn)。

研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)后處理排氣溫度、廢氣體積流量與廢氣質(zhì)量流量是影響OBD系統(tǒng)故障診斷的關(guān)鍵因素，進(jìn)氣阻力、中冷壓降與排氣背壓是影響發(fā)動(dòng)機(jī)后處理排氣溫度、廢氣體積流量和廢氣質(zhì)量流量的重要因素。排氣溫度與排氣背壓正相關(guān)，與進(jìn)氣阻力與中冷壓降負(fù)相關(guān)；廢氣體積流量與中冷壓降正相關(guān)，與排氣背壓、進(jìn)氣阻力負(fù)相關(guān)；廢氣質(zhì)量流量與排氣背壓、進(jìn)氣阻力正相關(guān)，與中冷壓降負(fù)相關(guān)。

針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)正交識(shí)別進(jìn)氣阻力、中冷壓降與排氣背壓對(duì)于排氣溫度、廢氣體積流量與廢氣質(zhì)量流量的影響程度。該研究為進(jìn)一步規(guī)范重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)整車(chē)匹配的技術(shù)指標(biāo)提供了理論參考[5]。

首先將各廠家、各車(chē)型的配套邊界進(jìn)行收集匯總，通過(guò)對(duì)配套邊界的范圍進(jìn)行劃分，識(shí)別出極限邊界與中值邊界[6]。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

研究對(duì)象為某重型商用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能需滿(mǎn)足國(guó)家第六階段污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)燃機(jī)國(guó)家可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)功機(jī)臺(tái)架[7]，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)設(shè)備信息如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目技術(shù)參數(shù) 進(jìn)氣方式增壓中冷排放標(biāo)準(zhǔn)國(guó)六 氣缸數(shù)/個(gè)直列6缸進(jìn)氣阻力/kPa-3 排量/L12.9中冷壓降/kPa8 爆壓/MPa19排氣背壓/kPa30 額定功率/kW412

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1狀態(tài)確認(rèn)

首先，選取某一機(jī)型為研究對(duì)象，按照要求完成磨合試驗(yàn)[8]，然后進(jìn)行后處理激活與預(yù)處理實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行一條完整的外特性數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)量設(shè)備的狀態(tài)。將磨合完成的發(fā)動(dòng)機(jī)控制邊界與開(kāi)發(fā)狀態(tài)一致，進(jìn)行100 r/min的步長(zhǎng)運(yùn)行萬(wàn)有特性試驗(yàn)，完成萬(wàn)有特性試驗(yàn)后，確認(rèn)排放、煙度、油耗、爆壓等在偏差范圍內(nèi)[9]。

1.2.2工況點(diǎn)的選取

在萬(wàn)有特性MAP不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷條件下選取26個(gè)工況點(diǎn)作為本次試驗(yàn)的工況點(diǎn)，選點(diǎn)要求轉(zhuǎn)速、扭矩盡可能均布[10]，盡可能覆蓋整張MAP，工況點(diǎn)選擇完畢后將該26點(diǎn)的工況編程為試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design Of Experiment, DOE）程序，每個(gè)工況點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間運(yùn)行6分鐘。

試驗(yàn)工況點(diǎn)按照非道路工況、車(chē)機(jī)工況和專(zhuān)用車(chē)工況進(jìn)行選擇，具體選擇原則如下：

1）非道路工況：選取標(biāo)定轉(zhuǎn)速和相鄰轉(zhuǎn)速（標(biāo)定轉(zhuǎn)速-100 r/min），按照高（100%負(fù)荷）、中（80%負(fù)荷、40%負(fù)荷）、低（20%負(fù)荷）三個(gè)區(qū)域分別選點(diǎn)，共8個(gè)點(diǎn)。除滿(mǎn)負(fù)荷外，其他負(fù)荷以四舍五入的方法，以中間50 Nm作為分割點(diǎn)，負(fù)荷按整百Nm處理，比如：236 Nm按照200 Nm處理、276 Nm按照300 Nm處理，最終將8個(gè)點(diǎn)的均值作為非道路工況數(shù)據(jù)；

2）車(chē)機(jī)工況：選取大扭矩最低轉(zhuǎn)速、大扭矩中間轉(zhuǎn)速和大扭矩最高轉(zhuǎn)速，按照高（100%負(fù)荷）、中（70%負(fù)荷）、低（20%負(fù)荷）三個(gè)區(qū)域分別選點(diǎn)，共9個(gè)點(diǎn)。除了滿(mǎn)負(fù)荷外，其他負(fù)荷點(diǎn)采取非道路工況負(fù)荷的處理方法，最終將9個(gè)點(diǎn)的均值作為車(chē)機(jī)工況數(shù)據(jù)；

3）專(zhuān)用車(chē)工況：選取最低三個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)（按照100 r/min遞減至怠速），按照高（100%負(fù)荷）、中（70%負(fù)荷）、低（20%負(fù)荷）三個(gè)區(qū)域分別選點(diǎn)，共9個(gè)點(diǎn)。除了滿(mǎn)負(fù)荷外，其他負(fù)荷點(diǎn)采取非道路工況負(fù)荷的處理方法，按照9個(gè)點(diǎn)的均值作為專(zhuān)用車(chē)工況數(shù)據(jù)。選點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1 萬(wàn)有數(shù)據(jù)選點(diǎn)方法

1.2.3試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

將整車(chē)匹配的進(jìn)氣阻力、中冷壓降、排氣背壓設(shè)定為影響OBD系統(tǒng)運(yùn)行的A、B、C三個(gè)主要因素，將各因素設(shè)定不同的三個(gè)水平，進(jìn)氣阻力極限和中值設(shè)為-4.5 kPa、-3 kPa、-1.5 kPa三個(gè)水平；中冷壓降極限和中值設(shè)為4 kPa、8 kPa、12 kPa三個(gè)水平；排氣背壓極限和中值設(shè)為25 MPa、30 MPa、35 MPa三個(gè)水平。正交試驗(yàn)因素和水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素 單位：kPa

試驗(yàn)因素進(jìn)氣阻力中冷壓降排氣背壓 水平1-4.5425 水平2-3830 水平3-1.51235

1.2.4試驗(yàn)步驟

運(yùn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)工況，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)無(wú)異常，通過(guò)設(shè)置最大功率點(diǎn)的進(jìn)氣阻力、中冷壓降、排氣背壓分別為-4.5 kPa、4 kPa、25 kPa，運(yùn)行程控，試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)記錄排溫、排氣流量、體積流量等參數(shù)，根據(jù)正交試驗(yàn)方案，完成9組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照表3方案進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到發(fā)動(dòng)機(jī)不同邊界下的排溫、體積流量、廢氣流量的原始數(shù)據(jù)，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)查看數(shù)據(jù)有效性，最終有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)為24組，方差分析結(jié)果能預(yù)估誤差大小，使直觀分析更具有科學(xué)性。利用方差分析法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用正交試驗(yàn)處理方法計(jì)算值方差，其中正交實(shí)驗(yàn)法中值越大代表因素影響越顯著，通過(guò)查表確定進(jìn)氣阻力、中冷壓降與排氣背壓對(duì)后處理排溫、廢氣體積流量與廢氣質(zhì)量流量的影響關(guān)系[11]。

表3 試驗(yàn)方案 單位：kPa

序號(hào)進(jìn)氣阻力系數(shù)A中冷壓降B排氣背壓C 1-4.5425 2-4.5830 3-4.51235 4-3425 5-3830 6-31235 7-1.5425 8-1.5830 9-1.51235

2.2 影響性分析

根據(jù)試驗(yàn)因素及因素水平，確定正交表為9(33)，通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)中的值，得到排溫結(jié)果影響分析，如圖1所示。

由圖2可知，排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理排溫有一定影響，進(jìn)氣阻力、中冷壓降對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理排溫影響較小，各因素對(duì)排溫的顯著性順序?yàn)榕艢獗硥海具M(jìn)氣阻力＞中冷壓降，其中值分布中排氣背壓共24組試驗(yàn)，其中六組值超過(guò)9（即6/24超過(guò)9）；進(jìn)氣阻力2/24超過(guò)9；中冷壓降1/24超過(guò)9。根據(jù)方差分析，排氣背壓對(duì)SCR上游溫度有一定影響；進(jìn)氣阻力和中冷壓降標(biāo)記為非顯著因素。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)排溫結(jié)果影響F值分析

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流量影響F值分析

由圖3可知，排氣背壓、進(jìn)氣阻力、中冷壓降對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流量影響較小，各因素對(duì)廢氣體積流量的顯著性順序?yàn)橹欣鋲航担具M(jìn)氣阻力＞排氣背壓，其中值分布中僅1/24排氣背壓的值超過(guò)9，根據(jù)方差分析，三種因素均標(biāo)記為非顯著因素。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)體積流量影響F值分析

由圖4可知，排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)體積流量有一定影響，各因素對(duì)廢氣質(zhì)量流量的顯著性順序?yàn)檫M(jìn)氣阻力＞排氣背壓＞中冷壓降，根據(jù)值方差分析，進(jìn)氣阻力和排氣背壓5/24超過(guò)9；中冷壓降3/24超過(guò)9，進(jìn)氣阻力對(duì)體積流量有一定影響。

3 結(jié)論

目前整車(chē)排氣背壓、中冷壓降和進(jìn)氣阻力匹配的范圍內(nèi)，中冷壓降對(duì)排氣溫度、廢氣體積流量與質(zhì)量流量影響較??；進(jìn)氣阻力對(duì)廢氣體積流量有一定影響，對(duì)排氣溫度與質(zhì)量流量影響較小；排氣背壓對(duì)排氣溫度有一定影響，對(duì)廢氣體積流量與質(zhì)量流量影響較小。當(dāng)前的整車(chē)匹配范圍滿(mǎn)足OBD診斷釋放的要求。

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Analysis of Influencing Factors for OBD Diagnosis of Heavy Diesel Vehicles Based on Orthogonal Test Method

LIU Bo, HUANG Peng, WANG Sumei, SUN Wenqiang, SUN Xuanjian, LIU Yuwei, YANG Yongchun

( Weichai Power Company Limited, Weifang 261000, China )

Emission limits for heavy diesel vehicles and measurement methods GB17691－2018 set out the monitoring requirements for on-board diagnostic's (OBD) in-use performance ratio (IUPR) for heavy commercial diesel vehicles. The IUPR rates for different manufacturers, models and mileage belonging to the same OBD family are required to meet the regulatory requirements.The results show that engine exhaust temperature, exhaust volume flow rate and exhaust mass flow rate are the key factors affecting the diagnostic release of OBD.Through the method of orthogonal test, this paper analyzes the influence of the boundary between the back pressure, intake resistance and middle cold pressure drop of different manufacturers on exhaust temperature, volume flow of exhaust gas and mass flow of exhaust gas, identifies the influence weight and rule, explores the key technical indicators of vehicle matching, and provides standards for the subsequent vehicle matching.

IUPR; Exhaust temperature; Exhaust gas volume flow rate; Exhaust gas mass flow rate

TF054

A

1671-7988(2023)11-164-05

劉波（1993－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)性能開(kāi)發(fā)，E-mail:liubo19930325@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.030