柴油機OBD系統設計

陸瑤成，張 波，趙振良，高 飛，徐艷波，劉雪松，尤麗華

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

OBD是英文On-Board Diagnostics的縮寫，即車載診斷系統[1]。該系統可根據發動機的運行狀況隨時監測發動機尾氣排放是否超標以及相關零部件是否異常，一旦檢測到尾氣排放超標或者有零部件異常，它會點亮故障燈，并記錄故障碼和故障發生時的車輛狀態，同時通過限制扭矩等方式限制車輛持續行駛[2]。因此車輛不會在排放超標和有故障的情況下長期運行，減少環境污染的同時排除了車輛本身的安全隱患。OBD記錄的故障碼和故障發生時的車輛信息，可以通過儀器讀出，供維修人員參考，這樣就大大方便了車輛的檢修過程。

目前，OBD已經成為出廠新車的標配，國外的OBD技術已經發展到第二代，簡稱OBDII，并建立一整套標準。而國內對OBD的研究還處于起步階段，在開發OBD系統時需遵循國外標準。

1 OBDII標準簡介

OBDII標準規定了發動機與汽車排氣污染物限值及其檢測途徑，檢測項目，故障處理及指示，故障代碼的定義，故障診斷模塊與外部試驗裝置之間的通訊，診斷連接器等內容。國內同等引用的標準名稱為HJ 437-2008《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車車載診斷系統（OBD）技術要求》和GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法 （中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》。OBDII車載診斷系統的主要特點體現在以下幾個方面：

1）具有同一形式的16腳診斷接口，診斷接口位置限定在儀表盤附近[3]；

2）具有統一的數值傳輸協議；

3）統一了故障代碼，規范了自定義故障代碼；

4）比較全面檢測項目；

5）故障信息可以通過外接設備直接讀取與擦除；

6）具有黑匣子（駕駛記錄儀）功能。

2 高壓共軌系統介紹

本文的研究對象為高壓共軌系統，其組成原理如圖1所示。系統工作原理如下：油箱中的低壓油被高壓油泵加壓，進入共軌管，共軌管內的油壓通過壓力調節閥的調節維持在某一比較穩定的值，噴油器直接接到共軌管。當某一缸需要噴油時，通過給噴油器電磁閥通一定脈寬的電平信號實現噴油定時、定量、預噴射和后噴射，同時，由于軌壓被控制在某個確定的值，噴油也可以實現定壓[4]。

本系統需要診斷的項目包括發動機端的冷卻液溫度傳感器、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、機油壓力傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、軌壓傳感器等傳感器；發動機端的噴油器、軌壓調節閥等執行器；SCR端的催化器上游氧傳感器、上游溫度傳感器、下游氧傳感器、下游溫度傳感器、添藍液位傳感器、添藍溫度傳感器等傳感器；SCR端的添藍泵、添藍電磁閥、添藍加熱器等執行器；整車端的車速傳感器、油門踏板傳感器、制動踏板傳感器等傳感器。

圖1 系統組成原理圖Fig．1 System composing frame

3 OBDII診斷過程一般邏輯

電控系統在運行過程中，可能會出現偶發性故障。如果偶然出現一次不正常信號，就點亮故障燈和進行失效處理，這將會給維修帶來不便[5-6]，也是駕乘人員所不能忍受的。為了確認錯誤信號是否是真實的故障，需要對故障信號進行真實性判定。故障判定過程是一種消抖處理過程，一般有時間消抖法、事件消抖法、加減時間消抖法和加減事件消抖法等。為了簡化錯誤信息的處理過程，本故障診斷系統采用時間消抖法。

時間消抖法是通過啟用定時器來實現的，當缺陷信號出現時定時加，缺陷信號消失時定時減，時間累計超過一定的閾值時，該事件成立，否則不成立。缺陷信號經過“定時加”消抖過程后得到確認變成“初級故障”，未達到初級故障標準的錯誤信號稱為偶發故障，過程如圖2所示。

圖2 初級故障確診過程Fig．2 Validation of primary failure

當初級故障滿足一定的觸發條件后變為終極故障。觸發條件為連續3個運轉循環或者連續3個暖機循環等，具體觸發條件視傳感器而定。當連續的3個觸發條件下都檢測到某個初級故障時，那么OBD可以確認此故障為終級故障。如果故障計數過程中，初級故障消失，那么故障計數器清零，初級故障出現時重新計數。其過程如圖3所示。

圖3 終級故障確診過程Fig．3 Validation of final failure

4 典型傳感器的故障診斷設計

冷卻液溫度傳感器是現代電控系統不可缺少的傳感器之一，其敏感元件一般是具有負溫度系數的熱敏電阻[7]。在柴油機所有阻性傳感器中具有一定的典型性，因此選擇此傳感器進行故障診斷研究，可為其它傳感器的診斷提供一定的經驗。

4.1 診斷電路設計

本系統采用的NTC測溫范圍為-50～150℃，對應的電阻值為 20～0．2 kΩ，精度為 0．01 ℃/kΩ。在精度足夠高的情況下，采用的電路越簡單，工作越可靠，成本越低。由于其電阻變化范圍比較大，且是連續變化的，采用簡單的分壓電路即可換算出溫度值。另外為了濾除干擾信號，采用一階低通濾波電路；為了防止瞬時高電壓對主芯片造成沖擊，在單片機信號輸入端口裝兩個肖特基二極管以滿足汽車電子苛刻的工作條件。連接電路如圖4所示。電路中無需特殊的診斷附屬電路，診斷時復用信號采集端口AN4即可。

圖4 冷卻液溫度傳感器診斷電路Fig．4 Diagnostic circuit of coolant temperature sensor

4.2 診斷策略設計

1）超限診斷

①冷卻液溫度傳感器信號電壓值高于標定上限值；

②冷卻液溫度傳感器信號電壓值低于標定下限值。

當接線端口（I_A_CTS）對地短路時，相當于單片機信號端口經過一個電阻接到地線，因此輸入電壓為0采樣值也為0；當接線端口（I_A_CTS）對電源短路時，相當于單片機信號端口經過一個電阻接到電源，因此輸入電壓為電源電壓5 V采樣值也為滿量程1 023。當接線端口（I_A_CTS）與傳感器沒有連接時，那么電源電壓經過兩個確定的電阻分壓后經過濾波電路進入信號采集端口，因此輸出電壓為固定的分壓值（5/（1．5+39））×39=4．81 V，相應的采用值為（1 024/（1．5+39））×39=986。超限故障診斷的判斷參考值列于表1。

表1 冷卻溫度傳感器超限故障測量值表Tab.1 Coolant temperature sensor overrun failure m easure value

2）合理性故障診斷

①冷起動時，比較冷卻液溫度、進氣溫度和燃油溫度的數值，如果差值超過標定值，可判定冷卻傳感器發生故障。

②發動機起動后在超過標定的輸出功率下運行規定時間內，冷卻液溫度沒有升高到標定的限值，可判定發生故障[8]。

3）跛行回家控制策略

在起動工況下，當冷卻液溫度傳感器出現故障且進氣溫度傳感器無故障時，采用進溫度減去5℃作為缺省值，進行噴油；若冷卻液溫度傳感器和進氣溫度傳感器均出現障時，采用-40℃時的油量起動發動機，從而保證順利起動發動機。

在怠速或運行工況下，當冷卻液溫度傳感器出現故障時，系統按照冷卻液溫度40℃時的量噴油；若無進氣溫度傳感器故障，則此時按照傳感器采樣的AD值對應的油量噴射。

當冷卻液溫度超過100℃時，進行冷卻液溫度超高報警，同時系統限制燃油噴射量，限制系數由冷卻液溫度超高的限制曲線決定。

當冷卻液溫度傳感器發生開路或短路故障時，外特性油量限制在正常值的40%，此時的噴油量取當前油量和40%的外特性油量的較小值。

4.3 診斷策略仿真及臺架試驗

1）仿真研究

利用MATLBA SIMULINK對故障診斷策略建立仿真模型，運行得到圖 5，圖6。

圖5 冷卻液溫度傳感器故障確認Fig．5 Validation of coolant temperature sensor

從圖5可以看出，在AD采樣值出現超上限故障后的3個時間單位建立故障確認標志位，AD采樣值恢復正常后的3個時間單位，故障確認標志位復原。故障計數器在AD值出現異常后立即開始計數減，在AD恢復正常時，立即開始計數增，不過增減速度不同。超上限標識位在AD超上限時立即標記，在AD恢復時立即復原。

從圖6可以看出，當啟動“跛行回家”模式后，油溫值隨著故障的發生與恢復而變化，但是油量啟用默認值。

圖6 跛行回家模式油量限制Fig．6 Gas restriction in limp homemode

2）臺架試驗

通過仿真模型自動生成程序代碼，下載到ECU中。通過發動機臺架的標定系統可讀出故障信息，如圖7、圖8所示。

圖7 起動工況下冷卻液溫度傳感器正常Fig．7 Coolant temperature sensor okay at start state

圖8 起動工況下冷卻液溫度傳感器開路故障Fig．8 Coolant temperature sensor open circuit at start state

設定發動機轉速為200 r/min，標定軟件監控冷卻液溫度、進氣溫度、冷卻液溫度傳感器故障標志位以及進氣溫度傳感器故障標志位。

起動工況下，在進氣溫度傳感器無故障時，將冷卻液溫度傳感器對地開路，對照圖8和圖7，可以看出，故障后的冷卻液溫度值（62℃）取進氣溫度（67℃）減去5℃作為缺省值；噴油量取缺省溫度對應油量和外特性40%的油量較小值，從正常的7 710變為現在的8 445；軌壓維持不變，同為325；冷卻液溫度傳感器故障標志位置位1。

起動工況下，設定冷卻液溫度為32℃，進氣溫度為27℃，冷卻液溫度傳感器在63 s時出現開路故障，此時的冷卻液溫度取進氣溫度減去5℃作為缺省值，即22℃，噴油量取當前油量和外特性40%的油量最小值噴油。從圖9中可以看出，當開路故障發生后，噴油量和水溫曲線都有突變，從其變化值可以看出故障診斷策略得到了執行。圖中，故障發生后，噴油量不減反而增加是因為缺省值比實際值減小了。（圖中的冷卻液溫度有40℃的偏移量）

圖9 起動工況下冷卻液溫度傳感器開路故障對油量的限制Fig．9 Gas restriction at coolant temperature sensor open circuit

5 結 論

臺架試驗證明論文設計的故障診斷方法簡單可靠，系統能夠在故障出現后給出準確的故障判斷，并進入跛行回家狀態。該診斷方法具有一定的典型性，可以為系統中的其它傳感器執行器的診斷提供相應的參考。

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