点燃式发动机车载诊断系统(OBD)概述

发动机电子控制系统十分复杂,系统中的任何一个元件出了故障,或者出现导线折断、针脚松脱或接触不良等,都会使得整个系统发生故障,导致污染物排放的急剧增加。仅仅依靠传统的检测工具是很难达到这一目的。所以现代发动机电子控制系统都配备了自诊断系统,称为车载诊断系统(OBD),即On-Board Diagnosis系统。

点燃式发动机OBD涵义

车载诊断系统(OBD)的要点是:不断监测系统各种数据的异常,从中找出故障信息,一方面采取临时补救措施,另一方面将故障信息送往ECU中的RAM,记录在案,等待维修人员调阅并查明故障原因后处置,必要时还通过故障指示器MI(Malfunction Indicator)通知驾驶者。也有将故障指示器称为故障指示灯MIL(Malfunction Indicator Lamp)。

OBD与传统的汽车发动机故障诊断之间最重要的差别在于,后者的目的仅仅在于找出故障、恢复其使用功能,有意无意地忽略排放的问题;OBD则在此基础上保证不因发动机故障而使排放恶化。

对OBD应该从几个方面去理解:一方面,它是一项排放控制的技术;另一方面,它是一种排放控制的功能;OBD的中心任务是排放控制。OBD不仅对于新车型式认证,而且对于在用车的排放控制都非常重要。

但是,OBD并不是万能的。事实上,OBD技术的许多方面还有待完善和发展。这是因为某一种污染物排放的超标可以由许多种原因引起:首先是控制方面的原因,例如HC和CO排放超标可能是因为起动控制不佳,或者缺火,或者可变气门系统控制失效,或者蒸发排放物控制失常,或者二次空气系统控制失灵等。其次,这些问题可能是由于电子元器件故障,或者导线或接插件接触不良,或者短路和断路引起。第三,也可能是由于机械故障,如可变气门系统的机械故障,活塞、活塞环和气缸壁磨损过度,曲轴箱强制通风系统故障或者润滑系统的分离器失效等纯粹机械方面的原因,甚至可能是由于三效催化转化器失效引起。所以,现场情况将会非常复杂,至少目前的OBD系统还没有办法直接将某一种污染物排放的超标与某一个故障一一对应地联系起来。它充其量只能在满足一定条件的情况下根据监测到的故障信息推测发动机的哪些区域可能有问题,然后依靠知识和经验,通过按部就班的人工检查去发现和解决问题。由此可见,利用OBD查找发动机排放超标的原因,这是一个复杂的过程,其中既有严密的逻辑性,又有相当的不确定性;既有必然性,又有偶然性。不过,只要使整个发动机的各个系统都恢复了正常工作,那么排放超标的问题自然就会迎刃而解。

OBD发展历史

OBD的概念最早是由美国通用汽车公司(GM)于1982年引入的。美国加利福尼亚州空气资源局(CARB)于1985年采纳了汽车工程师协会(SAE)所制定的标准,要求从 1988 车型年起,所有在加州销售的车辆都必须具有基本的车载诊断功能。之后,美国环保署(EPA) 要求自1991年起所有在美国销售的新车必须满足相关的车载诊断技术要求,这就是后来所说的OBDⅠ,是OBD发展的初级阶段。 OBDⅠ只能监控部分部件的工作和一些与排放相关的电路故障,其诊断功能较为有限。此外,获取车载诊断信息的数据通讯协议以及连接外部设备和ECU的诊断接口并未被标准化。

后来,汽车工程师协会(SAE)在OBDⅠ的基础上对通讯协议、诊断接口等技术细节进行了标准化,发展成为第二代车载诊断系统,即OBDⅡ。美国加利福尼亚州空气资源局(CARB)为了满足从1992年开始执行的更为严格的排放法规,要求从1994车型年开始在加州销售的部分轿车,从1996车型年开始在加州销售的全部轿车,必须采用OBDⅡ,又称CARB-OBDⅡ。CARB的管辖范围仅限于加利福尼亚州,所以CARB-OBDⅡ只在美国加利福尼亚州推行。美国环保署(EPA)的管辖范围则遍及整个美国,它从1996车型年开始在全美推行EPA-OBDⅡ。目前美国实施的是OBDⅡ的改进版。

与OBDⅠ相比,OBDⅡ作为整合于发动机电子控制系统的一部份,连续地监测与排放有关的系统和元件的各种数据。OBDⅡ规定:重大故障或超常排放值的发生都要通过故障指示器向驾驶者显示;故障信息储存在RAM中的故障信息存储器中,必要时还须自动修正;废气进入三效催化转化器之前的有害有毒物质浓度不得超过FTP限值的1.5倍。

与OBDⅠ相比,OBDⅡ在诊断功能和标准化方面都有较大的进步。故障指示器、诊断接口、外部设备和ECU之间的通讯协议以及故障代码都通过相应的标准进行了规范化。此外,OBDⅡ可以提供更多的数据让外部设备读取,这些数据包括故障代码、一些重要信号或指标的实时数据,以及冻结帧信息等,见表1。

自2000年1月1日起,所有在欧盟成员国内上市销售的新定型的汽油车必须满足欧洲车载诊断系统(EOBD),即European On Board Diagnosis的规定。EOBD的要求较为宽松,例如不对燃油箱蒸发排放物泄漏进行诊断。值得一提的是,通过了CARB-OBDⅡ认证的汽车可以被执行EOBD的国家和地区所接受;但是,通过了EOBD认证的汽车却不能被执行CARB-OBDⅡ的国家和地区所接受。

EOBD系统只要求重点监测CARB-OBDⅡ九种故障监测功能的前4项(发动机缺火、氧传感器、催化转化器和蒸发排放物控制系统监测),同时监测动力总成中与计算机相连接的、可能在整车型式认证试验的Ⅰ型排放试验中导致排放超过下列EOBD限值的所有零部件和系统:

CO:3.2g/km

HC:0.4g/km

NOX:0.6g/km

此外还要监测与计算机连接并涉及排放的所有零部件和系统,至少要监测电路的连接状态。具体的监测对象因各个系统的构造而异。

正在开发中的新一代OBD系统即OBDⅢ系统能够利用车载小型无线收发系统,通过无线蜂窝通信、卫星通信以及全球定位系统GPS将车辆的故障和所在位置等信息自动通知管理部门。管理部门可根据这些信息对其发出指令责成其进行维修,如逾期不修,可对其进行处罚。

车载诊断在我国起步较晚。中国的排放法规中笼统地称之为OBD,并没有区分OBDⅠ和OBDⅡ。但是,中国的排放法规基本上借用欧盟的排放法规,所以中国的OBD系统几乎等同于EOBD系统。

2005年4月5日,国家环保总局颁布了GB 18352.3-2005标准《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》,自2007年7月1日起对上市销售的新定型车型实施该标准,而OBD是国Ⅲ、国Ⅳ阶段排放法规必须执行的内容,故由此明确了我国对OBD功能的相关要求。此项标准的OBD部分基本上照搬了欧盟的标准,与EOBD并无二样。至此,OBD作为强制性要求首次出现在我国的法规标准中。

目前我国新生产的轿车都装有OBD系统。需要注意的是,这些国产轿车上的OBD系统未必全都开通了该车上所有可能实现的OBD功能。

OBD相关的法规

我国关于轻型汽车发动机OBD的法律依据是GB 18352.3-2005标准《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》。

GB 18352.3-2005标准规定,OBD系统指的是用于排放控制的车载诊断系统,它必须能识别可能存在故障的区域,能以故障代码的方式将该信息储存在电控单元存储器内,并能通过用于标准诊断连接的串行接口从OBD系统获取所有与排放相关的故障诊断数据,包括与汽车排放有关的零部件检查、诊断、维护或修理时的所有故障代码。

该标准还规定了排放控制诊断系统必须符合的一系列ISO和/或SAE标准。这些标准涉及数字信息交换、数据通讯网接口、排放相关系统、诊断连接接头和相关电路、诊断故障代码的定义等。

OBD的故障监测和判定标准

1.故障监测的任务

OBD的工作以故障监测为基础。故障监测的任务有四个方面:

(1)监测电子控制系统本身的硬件如各种传感器和执行器是否有故障,包括电路的断路或短路等。

(2)监测虽不属于电子控制系统,但却是电子控制系统服务对象的、与排放密切相关的硬件如三效催化转化器是否有故障。

(3)监测发动机工作过程是否正常,如是否有缺火发生等。

(4)监测发动机机械状况是否正常,如机油油位是否太低,冷却液是否太少等。

2.故障监测范围

CARB-OBDⅡ规定的点燃式发动机故障监测范围如下:

(1)发动机缺火监测

(2)氧传感器监测

(3)三效催化转化器监测

(4)蒸发排放物控制系统监测

(5)燃油喷射系统监测

(6)对发动机元件如传感器和执行器进行监测(其中一部分在OBDⅠ中也监测)

(7)排气再循环系统监测

(8)二次空气系统监测

(9)空调系统(氟氯碳致冷剂)监测。

由此可见,CARB-OBDⅡ监测的对象除了空调系统(致冷剂)以外都直接与发动机有关。

EOBD系统只要求重点监测上述CARB-OBDⅡ九种故障监测功能的前4项(发动机缺火、氧传感器、三效催化转化器和蒸发排放物控制系统监测),同时对动力总成中与计算机相连接的、可能在整车型式认证试验的Ⅰ型排放试验中导致排放超过EOBD限值的所有零部件和系统实施监测。

3.OBD系统对故障判定标准

在OBD系统看来,如果ECU根据各种传感器信号推断,当时与排放有关的部件或系统的失效已经是导致排放污染物超过表2所列的限值,或OBD系统不能满足基本的诊断要求,则认为发生了故障。对于燃用液化石油气LPG或天然气NG的车辆,采用与汽油车相同的排放污染物极限值。

OBD系统的功能

OBD系统的功能就是对发动机电子控制系统实施监测和诊断。监测和诊断的范围取决于法规要求、发动机电子控制系统的功能以及汽车制造厂和发动机电子控制系统供应商的要求。

1.OBD系统主要的监测和诊断功能

即使是满足同样的法规要求,不同厂商制造的OBD系统的监测和诊断功能与策略也不尽相同。以下是一些典型的监测和诊断功能:

(1)电子器件综合监测

监测所有在OBD系统框架内与排放相关的传感器、执行器和功率输出级的功能。OBD系统从以下方面对电子器件进行监测:

● 输入和输出信号的可信度

● 是否对地短路

● 是否对电源正极短路

● 是否断路。

(2)氧传感器监测

● 前氧传感器电压特性偏移和自适应值监测

● 氧传感器加热监测

● 前氧传感器响应时间监测

● 后氧传感器控制限值监测

● 后氧传感器动态特性监测

(3)三效催化转化器监测

当今对所有催化转化器的监测都是基于对储氧能力的监测。为此,必须在催化转化器的前面和后面各设置一个氧传感器。

(4)蒸发排放物控制系统监测

包括对蒸发排放物控制系统炭罐清洗阀故障和系统泄漏故障的监测,至少必须监测其电路的连通状态。

(5)缺火监测

缺火指的是点燃式发动机由于火花塞没有打火、燃油计量不准、压缩压力太低或其它任何原因,导致气缸内的混合气未能燃烧。

缺火可由多种原因引起,涉及燃油、空气和点火等多方面的问题,例如混合气过稀或过浓,火花塞烧损或电触点故障等。缺火会使大量的HC通过排气岐管进入三效催化转化器并在那里燃烧,产生大量的热量,足以通过物理方式(熔融)或化学方式损坏催化转化器。此外,这种未燃混合气一旦排出机外,对环境也是一种额外的污染。即使是孤立的几次缺火都会引起很高的HC排放。经验表明,缺火率达到2%时,HC排放将从原先满足法规限值的水平提高到超过法规限值达50%,见图1。如果发动机缺火的时间超过17%,催化转化器将会损坏。所以电子控制单元必须能进行缺火监测。缺火监测是OBDⅡ区别于OBDⅠ的重要标志。

(6)排气再循环(EGR)系统监测

包括对EGR阀流量不足故障和EGR阀销位置传感器电路故障等的监测。

(7)电子节气门监测

(8)CAN数据总线监测

(9)二次空气流量监测

(10)进气岐管绝对压力限值监测

2.OBD系统监测功能的扩展

OBD系统的监测范围至少要满足法规的最低要求。GB 18352.3-2005有关这方面的要求都是围绕着排放控制而提出的。但是为了便于车辆的维护、修理以及使用的安全,OBD系统的实际功能往往超出了法规的要求。这主要表现在两个方面:

第一,监测对象比法规要求的更多。发动机的零部件可以分成两大类:第一类是,其损坏或者失效会引起排放超过OBD限值或者引起其它监测功能失效的零部件;第二类是,其损坏或者失效不会引起排放超过OBD限值或者引起其它监测功能失效的零部件。法规只规定OBD系统必须能够监测第一类零部件,却并没有要求对第二类零部件也实施监测。但是OBD系统实际的监测范围往往覆盖了一部分第二类零部件。

第二,实施监测的条件比法规的要求更宽松。法规只要求在特定的条件下才启动OBD系统的监测功能。实际上,即使超出了条件规定的范围,但只要OBD系统能够进行可靠的监测,往往照样会启动其监测功能。比如法规GB 18352.3-2005明确规定:缺火监测的最高转速为4500r/min或比新车型式认证中的Ⅰ型排放测试期间出现的最高转速高出1000r/min的转速这两者中的较小者。但是只要OBD系统能够可靠地进行缺火监测,该监测功能即使在转速超出规定范围时也不会关闭。

3.OBD系统功能的临时关闭

在下列情况下OBD系统可以全部或部分地临时关闭OBD功能:

(1)当燃油箱液面未达到燃油箱名义容量的20%时,制造厂可以关闭OBD功能。

(2)当在环境温度低于-7℃或海拔高于2500m的条件下起动发动机时实施的监测是不可靠的,则制造厂可以在这些条件下关闭OBD功能。

(3)在超出一定数值的环境温度下起动发动机时会导致误诊断,则制造厂也可以要求在这些条件下关闭OBD功能。

(4)路面凹凸不平达到一定程度、变速器换档时,关闭缺火监测。

(5)装有动力输出装置的汽车,当动力输出装置正在工作且影响监测系统时,允许关闭受到影响的监测系统。

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发布日期:2019年03月10日  所属分类:汽车电子