电控柴油机OBD系统监控需求及管理研究

电控柴油机OBD系统监控需求及管理研究

刘少博

广西玉柴机器股份有限公司  广西玉林市537000

摘要：本文分析了电控柴油机OBD系统的监控需求，提出了柴油机电控系统OBD监测的主要内容和故障灯的管理，并设计了故障确认状态机的转化机制，阐述了故障冻结帧存储内容。

关键词：电控柴油机；OBD系统；监控需求；管理

柴油发动机具有热效率高、油耗低、使用寿命长的优点，所以小型客车与轿车的柴油化是一种发展趋势。尽管电控柴油机具有明显优势，但在我国将其应用于乘用车仍有许多工作要做，而电控柴油机故障自诊断系统的开发就是其中之一。正因如此，将OBD系统加入到电控柴油机的ECU电子控制单元中，能节约能源，控制污染，满足我国排放法规要求，还可以高汽车经济性和可靠性，这将对现代汽车的发展起到重要作用。

一、OBD系统概述

OBD系统是一种为汽车故障诊断而延伸出来的一种检测系统，将从发动机的运行状况随时监控汽车是否尾气超标，一旦超标，会马上发出警示。当系统出现故障时，故障灯或检查发动机警告灯亮，同时动力总成控制模块将故障信息存入存储器，通过一定程序可将故障码从PCM中读出。根据故障码的提示，维修人员能迅速准确地确定故障性质及部位。其能实时监测发动机、催化转化器、氧传感器、排放控制系统、燃油系统、EGR等系统与部件。

二、柴油机OBD系统的监控需求

1、催化转化器效率。其评价包括空燃比、起燃特性，其中，实际空燃比通过使用宽域氧传感器测量废气中氧浓度来获得。催化转换器的起燃特性包括通过改变催化转化器入口温度测取转化率的起燃温度特性、测算转化器达到50%的转化率所需时间的起燃时间特性。

2、氧传感器故障。发动机每次工作循环的喷油量由PCM(动力总成模块)根据氧传感器反馈的信号控制，以实现最完全的燃烧。若其信号失真，混合气的空燃比将失控，从而导致更高的排放。氧传感器故障的检测方法包括：传感器的信号电压是否超出可能范围；信号电压响应速度是否过低；信号电压跳变时间比是否超过规定范围；信号电压跳变频率是否过低；氧传感器是否活性不足；加热器加热是否太慢。

3、燃油喷射系统故障。燃油喷射系统故障包括喷油器电磁阀和高压油泵电磁阀故障。电磁阀故障包括驱动电路断路、各种短路、可靠性故障和机械结构长期磨损导致的可靠性故障。对于柴油机电磁阀故障的检测和诊断，主要方法有：监测发动机的瞬时转速，通过软件间接检测故障状态；监测电磁阀启闭时碰撞声的时间间隔来判断故障；或使用卡尔曼滤波器结合相应检测算法，完成电磁阀柱塞堵塞等机械故障诊断。

4、其他与排放相关部件的监测。①OBD系统需监测失效后导致排气污染物超过限值的其他排放控制部件或系统，或连接到电控单元并与排放相关的动力系统部件或系统，如空气质量流量、空气容积流量(和温度)、增压压力与进气支管压力(以及与实现这些功能相关的传感器)系统或部件。②要监测整个后处理系统中所有与排放相关部件的故障，如进气质量闭环控制系统、SCR系统、EGR系统、共轨压力监控系统和增压压力控制系统。③还应监测连接至电控单元的任何其他排放相关动力系统部件的电路连接状态。

三、共轨ECU对OBD系统的管理

1、电路连接故障监测。电控系统通过硬件电路的设计，能检测和区分对地短路、对电源短路、开路及信号不可信等故障类型。对于不同的电路连接故障类型，电控系统可根据其对排放的实际影响来确定是否激活故障指示灯。其中，系统可通过设置可信物理范围或通过与其他传感器信息进行比较来识别不可信故障信号。

2、子系统可信度监测。OBD监测系统包括废气再循环监测系统、空气质量可信度监测、轨压可信度监测、水温可信度监测、增压压力监测系统等。废气再循环监测系统可通过比较实际测量的进气量和理论计算的进气量间差值来判断废气再循环系统是否存在故障。空气质量可信度监测可通过测量发动机停机时测量的空气质量来确定空气质量信号是否可信。轨压可信度监测可通过将发动机启动前或停机后测得的轨压值与大气压力值比较来判断轨压信号是否可信。水温可信度监测可根据水温是否在一定时间内上升并达到一定温度来判断水温信号是否可信。增压压力监测系统可通过将一定发动机工况下的进气压力值与理论计算压力值比较来判断其是否可信。

3、故障确认的一般流程和存储管理。故障管理系统是指ECU监测到发动机故障后，发动机熄灭或跛行回家等一系列工作。故障管理系统包括故障确认与存储。

ECU将故障路径的概念引入到故障确认的一般方法中，故障路径包含四种故障，通常一个部件对应一个故障路径。当某一故障路径第一次失效时，在ECU下电前，故障路径存储在EEPROM中，而且存储在EEPROM的故障路径将根据故障发生次数处于不同状态。

4、故障灯的激活与熄灭

①MIL(发动机故障指示灯)激活。若汽车点火开关打开且发动机未启动，MIL也必须激活。另外，一旦排放超过OBD限值，或OBD系统不能满足OBD系统的监测要求，则必须激活MIL。

②MIL的熄灭。a.故障灯状态切换图如图1所示。若排放低于欧Ⅲ限值，即灰色区域，MIL不应激活；若排放在欧Ⅲ与OBD限值之间，即白色区域，制造厂可选择是否激活MIL；若排放超过OBD限值，即黑色区域，则必须激活MIL；b.若在连续三个运作循环中监测到导致排放超限的故障，则MIL将在第三个驾驶循环激活；c.对需两个以上运作循环才能激活MIL的方案，制造厂必须提供数据或工程评价，以证明监测系统能同样有效和及时地监测部件的劣化；d.一旦发动机失火达到制造厂规定水平，这可能会对催化器造成损坏，MIL必须以独特的警告模式工作，如闪烁指示灯；e.发动机启动后，若之前未检测到故障，MIL应熄灭；f.若可能损坏催化器的发动机失火率不再存在，MIL应切换到激活前状态，相应的故障代码及存储的冻结帧状态可被清除；g.对于所有其他故障，在三个连续运作循环期间，若负责激活MIL的监测系统不再监测到故障，且未检测到其他会独立激活MIL故障后，则MIL可熄灭。

图1   故障灯状态切换图

5、故障存储管理。OBD系统必须记录表明排放控制系统状态的代码，并且必须使用单独状态代码，以便正确识别起作用的排放控制系统，以及需进一步运转汽车，以便全面评价排放控制系统。若MIL因劣化、故障或永久排放默认模式而激活，则必须存储可识别相应故障类型的故障代码。

发生OBD相关故障后，电控系统自动将当前故障时的车辆状态冻结帧存储在EEPROM中。存储的故障信息包括：冻结帧、环境变量、故障时的车辆里程等。其中，系统冻结帧可支持存储多达64种故障信息，并支持故障存储的优先级。同时，冻结帧格式符合法规要求及柴油车实际配置，可输出计算负荷值、发动机转速、车速、冷却液温度、燃油压力、故障代码；同时，增加了一些便于有效修理的数据，如油门踏板大小、电池电压、大气压力、进气质量。

此外，系统还可为不同故障配置多达五种不同的环境变量，以便有效修理故障。应注意，故障代码的标定与OBD法规要求的国际标准故障代码一致。

6、OBD系统认证时可模拟的故障。对催化转化器故障，应在完全移除催化转化器后进行I型试验，排放结果表明，完全移除催化转化器后排放仍在OBD限值内，因此无需监测。对于燃油计量和喷油正时故障，系统中燃油计量单元的短路和开路以及轨压传感器的短路与开路将导致系统停机，因此在模拟这些故障后无法进行I型测试?(常温冷启动后的排气污染物排放试验)，此时MI点亮；试验时可拔掉一缸喷油器电路，并模拟喷油器的开路故障进行I型试验。对于与电控系统相关的其他部件或系统故障：在实验中，可通过拔掉水温传感器、空气质量流量传感器、EGR阀、预热塞电路模拟相应开路故障，还可通过软件模拟大气压力传感器、EGR系统偏差、水温动态不可信、空气质量流量信号不可信、轨压信号偏差故障。通过模拟故障，检验系统OBD在各方面的监测能力及准确性。

参考文献：

[1]卜建国.基于OBD技术的轻型柴油车DPF系统诊断策略的研究[J].汽车工程，2016，33(03):203-207.