適應京V二階段某汽油機OBD系統升級

王建波

（神龍汽車有限公司技術中心，湖北 武漢4300）

《京V輕型車污染物排放限值及測量方法》在2013年1月5日發布，其中有部分要求在第二階段2014年9月1日開始實施（簡稱京V二階段）。要求車輛在現有的京V標準上，增加IUPR功能和車載診斷（OBD）系統具有檢測NOx污染物來判斷催化器轉化效率下降的功能。IUPR尚未在神龍汽車有限公司某1.6L汽油機原OBD系統中實現，需要新開發該功能；NOx污染物判斷催化器效率的功能也需重新標定調校。本文通過技術分析，實現這兩項功能在OBD系統的應用。

1 IUPR功能開發

1.1 IUPR模型、運算規則及運算的實現

IUPR（In Use Performance Ratio）是 OBD 系統實際監測頻率。京V規定企業應申報IUPR值且不得小于0.1。IUPR在歐洲限值參考為歐ⅤIUPR≥0.1，歐ⅥIUPR≥0.336。

其中：分子為檢測到的已經完成各個診斷項目的診斷次數；分母為車輛完成的標準運行工況次數。前者在一個駕駛循環內，能夠診斷出故障所有的條件是否滿足，如果滿足，則在條件滿足后增加1，且每個駕駛循環至多增加1次。后者在一個駕駛循環內，如果通用分母駕駛循環定義的標準滿足，則分母加1；如果分母還有特殊的增加要求，需在同時滿足特殊需求后才能增加1。

認定車型某診斷滿足IUPR限值要求的條件：1）IUPR的平均值大于或等于對應的最小限值；2）超過50%的該車型車輛IUPR大于或等于最小限值。上述兩項須同時滿足。

IUPR有利于污染物排放的監控。其一，監督車輛以及時發現與車輛排放相關的故障，IUPR越高，那么監測越及時；其二，通過對IUPR功能進行限值要求，即可表征同一個OBD族類的大多數汽車OBD系統在污染物排放上有類似診斷效率。因此IUPR限值要求越高，則對污染物排放控制越有利。診斷功能、IUPR功能及診斷輸出之間的關聯如圖1所示。

圖1 診斷功能、IUPR功能及診斷輸出之間的關聯

以分母為例解釋模型圖。分母增加的邏輯：如果駕駛循環內通用分母條件被滿足，同時對應診斷條件被滿足且未被抑制，則分母累計增加（最多不超過1）。須說明，對一些特殊診斷（如顆粒捕集器的相關診斷）目前尚無明確法規規定，因此暫未被計入IUPR統計中。

1.2 IUPR模型相關計數器的運算規則

每個IUPR診斷都存在一個分子和分母，并保存在EEPROM中。大部分OBD功能診斷與IUPR有關［1］。

在一個循環工況里，分子分母最多增加1。

分子可以在一個駕駛循環內增加，而分母在相同的循環內有可能不增加。所以IUPR可能大于1。每個IUPR診斷都有自己的分子和分母，這些IUPR診斷進行分類成IUPR組。IUPR組的分子和分母等于組內具有最低比例值的分子和分母。

點火循環計數器：點火循環計數代表車輛已經發生過的點火次數，在一個駕駛循環內點火計數最多增加不超過1。

分母計數器增加有兩類要求：一類是一般分母（或稱通用分母）計數器增加的要求，另一類是特定診斷的分母增長要求。

對于一般分母計數器來說，如果滿足以下條件則可增加1：自發動機起動的累積時間大于或等于600s，車速等于或高于40km／h的累積時間大于或等于300s，連續怠速時間（即駕駛員釋放加速踏板和車輛速度小于或等于1.6km／h）大于或等于30 s；海拔低于2 440m和環境溫度大于或等于－7℃。上述每一個條件都要滿足。如果在一般的分母定義周期內（如車速、海拔、怠速時間和運轉時間）檢測到零部件故障，則OBD系統應該禁止所有IUPR診斷的分子、分母的進一步增加。

對于特定診斷的分母增長來說，除了特殊定義的分母診斷要求外，以下額外的分母增加情況需要被考慮：VVT可變氣門正時的分母在該部件執行完兩次相應的指令（如“啟動”“打開”“關閉”“鎖止”）之間的持續時間大于或等于2s，或者累積時間大于等于10s，以駕駛循環內上述兩個條件以先到者為準。

所有計數器：相關條件滿足時，每個駕駛循環只能加1。

分子和分母的停止：分子分母必須同時停止；對特定的診斷，出現導致該診斷停止的故障或處于動力輸出模式；出現停止通用分母的故障。一旦跳出了動力輸出模式，則分子分母恢復增長。

1.3 IUPR運算的實現

在該1.6L發動機系統中采用新C30軟件，并集成了診斷IUPR功能。C30軟件由BOSCH開發，增加為IUPR的運算模塊，優化部分功能以節省RAM空間，以滿足IUPR必要的運行空間。該軟件的載體為新的ME745＋系統硬件。圖2以某診斷IUPR功能實現的周期圖來說明其計算規則。

圖2 某診斷IUPR功能實現的周期圖

第一行：指系統供電和ECV啟動信號，系統供電后，ECU隨即啟動。跳躍一次即指發生一次。

第二行：指某診斷進行與否，置“0”指該診斷條件未滿足或者被抑制未進行，置“1”則該代表診斷進行。

第三行：分母的條件狀態，置“0”指條件未滿足，置“1”則該代表條件滿足應該被分母累計。

第四行：分子，跳躍即代表駕駛循環內累加。第五行：分母，跳躍即代表駕駛循環內累加。

第六行：IUPR值，其中起始點值置為8，由于開始分母為“0”，不能被除，系統策略將其默認為8，從第2s時刻起，IUPR開始計算后便恢復為實際值。

從圖中可以看出，時間點1s時，分子增長，時間點2s時，分母增長，分子與分母并不嚴格同步，這與法規所描述的分子增長條件的邏輯不一致，因為判斷分子和分母的系統時間不可能完全同步，但是不影響一個駕駛循環輸出的正確性。

1.4 IUPR道路驗證

IUPR的表現與駕駛工況和駕駛風格相關，不同駕駛者在車輛運行時發動機轉速與負荷、轉速和負荷的動態關系、冷啟動的次數、行駛距離、車速等存在較大差異。因此，IUPR相關計數器的表現可能因不同的車型和駕駛員而存在差異。IUPR還需考慮中國環境特征因素的差異，如：溫度、海拔、濕度、油品、冷熱啟動、交通狀況等。

道路試驗路徑選取要考慮其特征性和代表性。路徑規劃主要考慮原則：1）IUPR最基本需求，海拔低于2 440m，環境溫度高于－7℃，車輛持續運行時間超過600s，行駛車速高于40km／h的累計時間超過300s，連續怠速時間大于30s。2）結合目標市場特點、經常使用的道路類型、各種道路限速、冷啟動和熱機頻率、早晚高峰、怠速次數和時間、車速高于40km／h的路段長短、環境溫度等。

路徑選取舉例見表1。

表1 路況選取

道路試驗后對數據進行采集和整理，除去存在故障的駕駛循環數據和存在異常情況下（如熄火等）的數據。通過采集的數據，分析潛在風險并根據特征建立數據庫，為模擬IUPR率提供依據。

1.5 公告演示

企業需向國家認可的檢測機關演示IUPR相關分子和分母的增長，如演示通過，檢測機構出具報告描述被檢測車輛具有IUPR功能。

IUPR分母驗證：滿足規定的運行條件時（海拔、溫度、工況），無特殊要求的一般分母計數器（如催化轉化器、氧傳感器等）應增加1。可在OBD試驗樣車上進行，也可在另一輛車上進行，由檢測機構選擇。

IUPR分母驗證：當完成規定的運轉循環時，催化轉化器、氧傳感器等的分子計數器應增加1。可在OBD試驗樣車上進行，也可在另一輛車上進行，由檢測機構選擇。

2 檢測NOx來診斷催化器效率的功能開發

2.1 檢測NOx來診斷催化器效率的原理

車載診斷系統（OBD）具有通過檢測NOx污染物來判斷催化器效率低下的功能，即當催化器系統性能退化到NOx排放超過極限值（0.3g／km）時，系統認為有故障，OBD就應亮指示燈警示三元催化器相關部件失效。

由于NOx傳感器結構復雜，效率不高以及成本原因，一般車輛上并沒有NOx傳感器和記錄分析儀來顯示NOx排放水平。采用OBD系統監控催化器效率的方法主要有3種：雙氧傳感器法、雙碳氫傳感器法、雙溫度傳感器法。其中采用雙氧傳感器應用較為廣泛，其主要的邏輯原理見圖3。

圖3 雙氧傳感器主要邏輯原理

如圖3所示，判斷催化器老化的最終指標是催化器的儲氧能力。選擇一個NOx在MEVG排放循環中達到OBD報警臨界值的催化劑，獲取其后氧的濃度信息作為標定基準，ECU通過比較實際惡化催化劑與臨界催化劑的后氧濃度信息，來判斷催化劑效率低下時是否達到門檻值，作為報警與否的判斷依據。

2.2 OBD臨界催化器標本樣件選擇

OBD臨界催化器是一個重要實物標桿，可以驗證標定中設定門檻值的有效性。催化器老化至臨界狀態可以采用發動機臺架老化或者保溫爐老化，考慮到經濟成本，大多數情況采用保溫爐高溫燒制老化，其流程見圖4。一般保溫爐高溫燒制時，爐膛溫度高于實際車輛上工作溫度（約1200℃），其目的為加快其老化。

圖4 保溫爐高溫燒制老化流程

表2反映的是一個經過實際老化后催化劑檢測結果：NOx未達門檻值±20%范圍，需要提高一個溫度梯度繼續燒制老化樣件，直至選出最終門檻目標樣件。需要說明的是，樣件排放結果需考慮法規對NMHC的限制要求，京V規范以NMHC或NOx二者誰先達到極限值時為準，一般情況下NOx先達到限值。

表2 老化催化器實測排放結果

選擇到排放達到門檻目標的催化劑后，需測量儲氧量（OSC）。儲氧量信息臨界催化劑的一個重要參考特征，后氧延遲法是目前普遍采用的儲氧量測量方法，其計算模型可以在一個貧氧變富氧的短促變化周期內完成，其簡化公式［2］：

T0和T1是指前、后氧采樣時間點；CON是在特定穩態工況下，與發動機排氣流量、溫度、壓力相關。可簡化為常量；Front A／F為前氧傳感器濃度；Rear A／F為后氧傳感器濃度。

截取INCA（德國ETAS公司的發動機控制數據實時監控和標定的工具）讀取的實際典型圖樣（圖5）。

圖5 INCA實際典型圖樣

在一個穩定的工況中，通過制造一個短促氧濃度的貧富變化，根據圖5曲線對應數據信息，便可以計算出OSC。

最終根據后氧波形的特征信息、OSC信息以及實際測得排放結果三者來最終確認一個合格的臨界催化樣件。

2.3 OBD臨界值報警標定

該發動機OBD系統應用了雙氧傳感器法，通過對比氧信號振幅來判斷催化器是否老化。其系統實現診斷的原理如圖6所示。

圖6 雙氧傳感器法診斷原理

由圖6可知，當燃燒廢氣未經過催化器時，前氧傳感器獲取氧離子波形特征信息，得到此刻的空燃比λ值，通過極限催化器氧氣存儲模型模擬出后氧特征信息。模擬的后氧特征信息經過氧氣探測器模型后，形成模擬的波形特征，此模擬特征與另一路由后氧傳感器實際測得的波形特征進行比較，經過過濾處理后，如果振幅特征一致或實測波形振幅大于模擬極限振幅，則MIL被點亮。

指定的循環工況須監控發動機轉速、進氣管壓力、發動機負荷、空氣流量、水溫、氧傳感器信號，并自學習。

按試驗條件（京V法規4.3.7條款），在指定車輛上更換老化后催化器，催化器故障指示燈亮，此時測得NOx污染物在門檻值的±20%范圍，說明催化器效率監控符合國家法規。

［1］ 北京市環境保護局，北京質量技術監督局.DB11／946－2013.輕型汽車點燃式污染物排放限值及測量方法（北京，V階段）［S］.2013.

［2］ 陳領平.汽油機車載診斷（OBD）技術及催化器監控開發試驗研究［D］.上海：上海交通大學，2007.