輕型車不同燃油系統故障的排放影響研究*

孫國斌 劉 樂 耿培林 王力輝 鄒雄輝

（1-廣汽本田汽車有限公司 廣東 廣州 510700 2-中國汽車技術研究中心有限公司）

引言

美國在20 世紀80 年代為車輛在實際運行過程中發生的故障對尾氣排放的影響制定了輕型車OBD排放標準，要求對輕型車排放控制系統中的相關部件一般電路性故障進行實時診斷并顯示，形成了OBDⅠ排放標準。美國在20 世紀90 年代又增加了對排放控制系統中具體系統功能和零部件的合理性、功能性故障的診斷要求，形成了OBDⅡ排放標準[1-3]。OBD 排放標準的加嚴，使OBD 診斷技術取得了巨大進步，推動了美國政府在用車排放監管和汽車維修技術的巨大進步。

2000 年左右，歐洲、中國開始研究制定輕型車排放標準，其中就包括OBD 標準。參照美國OBDⅡ標準，基于不同故障類型對車輛尾氣排放的影響程度，選取了少數診斷項目作為OBD 標準要求的項目[4-6]，在診斷項目數量和標準要求嚴格程度上都比OBDⅡ標準寬松。

國五OBD 排放標準中，對催化器、失火、氧傳感器3 個診斷項目提出了明確的診斷要求，但對于燃油系統，只在“其他排放系統”[7]中提出了籠統、模糊的要求。在十幾年的標準實施過程中，標準的不足越來越明顯。每個汽車生產企業的車輛OBD 系統診斷水平差異較大，在政府的監管中，很難判定是否滿足標準，因此執行困難。

針對上述問題，本文對美國OBDⅡ標準中燃油系統故障進行試驗研究，研究不同類型故障對汽車尾氣排放的影響程度和具體的試驗方法，為汽車生產企業的診斷技術開發和政府的監管提供基礎。

1 美國和歐州、中國OBD 標準差異

美國和歐洲、中國OBD 標準的差異見表1[1，7]。

表1 美國和歐盟、中國OBD 標準差異

2 試驗設備及車輛

2.1 試驗設備

進行車輛OBD 故障診斷試驗所需使用的汽車整車排放試驗室相關測試設備包括轉鼓、全流式尾氣排放分析儀。除此之外，還需采用故障診斷儀和故障信息讀取設備等工具讀取并記錄車輛故障時的各種狀態參數。相關設備的基本參數見表2。

表2 OBD 試驗相關測試設備

2.2 試驗車輛

美國OBDⅡ標準要求獨特，診斷項目明確、具體，只有滿足OBDⅡ標準的車輛才會有燃油系統的特殊診斷。

因此，本文作者與2 家日本汽車企業和一家美國汽車企業進行了合作，從這3 家企業分別引進一臺符合OBDⅡ標準要求的車輛作為本文研究的試驗用車，車輛相關參數如表3 所示。

表3 試驗用車參數表

3 試驗方法

3.1 故障植入方法

OBDⅡ標準要求的故障類型多，故障的模擬方式也多種多樣，但只要使車輛狀態參數達到故障狀態即可，采用任何一種模擬方式都是可以達到相同效果。通常的故障模擬方法分為3 類：硬件法、電子模擬法和軟件法。燃油系統故障由于故障模式復雜，故障件難以制作，通常采用軟件法，但也可以通過制作具有更大或更小噴孔直徑的噴油器進行故障模擬。本文的模擬方法見表4。

表4 不同故障植入方式

3.2 試驗程序

燃油系統中存在多種故障類型，每個故障都有對應的故障診斷條件。比如冷卻液溫度、進氣量等車輛狀態參數，只有這些參數都達到了故障診斷測試要求的狀態后，才會觸發故障診斷程序的運行，并能保證故障診斷的準確性。為了滿足所有的診斷條件，需要采用不同的駕駛循環和特定的程序運行車輛[1，8-10]。本文所試驗的3 輛車不同故障的試驗程序見表5。

通常情況下，預處理循環是UDDS，試驗循環是FTP75。對于一些特殊診斷項目，OBDⅡ標準中允許汽車企業根據自身的診斷邏輯，在通常方法的基礎上靈活制定試驗程序。比如，在預處理循環中，為了穩定排放或診斷策略，增加HWFET、US06 等循環。還有部分故障在FTP75 循環中無法激活MIL，也允許汽車企業增加UC 循環，先激活MIL，之后在帶故障的情況下運行FTP75 排放測試程序，驗證OBD 排放符合性。表5 中，“—”表示沒有進行該項試驗。

表5 不同故障測試程序

從表5 可以看出，燃油系統缸間不均勻、燃油系統混合氣稀、燃油系統混合氣濃故障由于其診斷策略的需要，都需要使用HWFET、US06 或UC 循環來使車輛狀態達到故障診斷條件。在中國最新的國六OBD 標準中引入了類似的做法，方便了汽車企業采用更加靈活多樣的診斷原理以滿足標準要求。

4 試驗結果分析

在進行燃油系統故障診斷時，不同的汽車企業所采用的故障診斷方式會有差異。另外，由于車輛燃油系統中噴油器、氧傳感器等硬件配置不同，最終燃油系統的故障碼也不同。但通常情況下，燃油系統故障包括如表6 所示的幾類。

4.1 混合氣濃故障排放

本文對日系車2 和美系車分別進行了燃油系統混合氣濃的故障試驗（對應故障碼P0172）。日系車2更換了特制的具有更大噴油孔的4 個噴油器，使得在噴油控制信號相同的情況下，實際噴入每個氣缸的燃油比正常情況下多30%，從而模擬燃油系統混合氣濃的故障。美系車則是通過直接修改發動機控制器中的燃油噴射參數，使得實際噴入每個氣缸的燃油增加30%。

表6 燃油系統常用故障碼

試驗結果如圖1～圖4 所示。

圖1 日系車2 混合氣濃故障排放結果

圖2 日系車2 混合氣濃故障排放惡化程度

圖3 美系車混合氣濃故障排放結果

圖4 美系車混合氣濃故障排放惡化程度

從圖1～圖4 可以看出，由于故障造成氣缸內的混合氣變濃，燃燒不充分，使得車輛排放的污染物中CO 和NMHC 變多，日系車2 和美系車的CO 排放分別增加了3.6 倍和1.8 倍，NMHC 排放分別增加了5倍和3.8 倍。由于燃燒所需的氧氣不足，2 輛車的NOx排放變化不大。

4.2 混合氣稀故障排放

混合氣稀故障一般是由于發動機噴油器發生堵塞或者前氧傳感器發生故障等原因造成的，當這些故障發生時，實際噴入氣缸的燃油比正常情況下要少，而進氣量沒有變化，使得混合氣變稀。本文對日系1 和美系車采用了相同的故障模擬方法，通過修改控制器中的燃油噴射控制參數來模擬故障，使得混合氣濃度都比正常情況下降低30%。

試驗結果如圖5～圖8 所示。

圖5 日系車1 混合氣稀故障排放結果

圖6 日系車1 混合氣稀故障排放惡化程度

圖7 美系車混合氣稀故障排放結果

從圖5～圖8 可以看出，日系車1 和美系車的NOx排放分別增加了5 和3 倍，是排放惡化最嚴重的污染物。日系車1 和美系車的CO 排放分別增加了2.5倍和1.8 倍，NMHC 排放分別增加了0.7 倍和1.4 倍。之所以存在這樣的污染物排放變化現象，是因為在發生混合氣稀故障時，空燃比偏離了理論空燃比，催化器的轉化效率降低，污染物排放增加。同時，氣缸內混合氣中的氧氣充足，混合氣能夠進行充分燃燒，造成NOx排放增加更多。

圖8 美系車混合氣稀故障排放惡化程度

4.3 缸間不均勻故障排放

燃油系統中的缸間混合氣不均勻故障是一種對不同氣缸間混合氣濃度不一致故障的監控。當僅有某個氣缸中的噴油器堵塞，或者當排氣管的長度設計不合理，或者當氧傳感器位置布置不合理時，都會造成由氧傳感器實際測量的各缸空燃比存在較大差異，出現缸間不均勻故障。

通常用來診斷缸間不均勻故障的方法有2 種：一種是通過A/F 傳感器進行診斷。由于不同氣缸混合氣燃燒是分時進行的，每個氣缸混合氣燃燒后到達A/F 傳感器的時間是分開的，通過辨別A/F 信號中對應每個氣缸的部分，并對信號進行處理，就可以分析出存在缸間不均勻故障的氣缸。另一種是通過分析曲軸信號來判斷故障是否存在。當某個氣缸混合氣異常時，對應的曲軸信號會出現異常。由于診斷原理的不同，2 種方法的準確性存在差異。第一種方法由于能夠對混合氣進行精確的測量，因此能夠分別診斷缸間不均勻濃和缸間不均勻稀2 種故障。第二種方法由于原始信號是曲軸轉速信號，在混合氣稀時該信號下降，存在故障特征，但在混合氣濃時該信號變化很小，故障特征不明顯。為了增加診斷的精確程度，通常2 種方法會同時使用，缸間不均勻稀時2 種方法同時使用，缸間不均勻濃時僅采用第一種方法，本文的2 個試驗車輛都采用這樣的策略。

試驗結果如圖9～圖12 所示。

從圖9～圖12 可以看出，美系車模擬了缸間不均勻濃故障，由于催化器轉化效率降低和燃燒不充分等原因，CO 和NMHC 排放分別增加了3 倍和2.6倍，NOx排放增加了2.5 倍。日系車2 模擬了缸間不均勻稀故障，由于催化器轉化效率降低和燃燒溫度高等原因，NOx排放增加了7.5 倍，CO 和NMHC 均有一定程度的增加，分別增加了2.4 倍和1 倍。

圖9 美系車缸間不均勻故障排放結果

圖10 美系車缸間不均勻故障排放惡化程度

圖11 日系車2 缸間不均勻故障排放結果

圖12 日系車2 缸間不均勻故障排放惡化程度

由于缸間不均勻故障的復雜性和對發動機結構設計存在很高的要求，因此在輕型車國六排放標準中沒有引入該故障的診斷要求。但由于其對排放有較大影響，應該在技術水平基本滿足要求后及時引入該診斷要求。采用A/F 傳感器方法診斷時，所有影響每個氣缸進氣、排氣、排放氧濃度測量的因素如進氣歧管的長度、排氣管的長度、氧傳感器安裝位置等，都會影響診斷的精度，一般汽車企業需要2～5 年的研發時間才能滿足OBD 標準對缸間不均勻故障的診斷要求。汽車企業從發動機結構設計初期開始就要考慮該故障診斷的需要，合理設計各種結構和參數，提高故障診斷的技術水平。

除了上述3 類燃油系統故障外，所有燃油系統中涉及到的傳感器、執行器等發生故障都會造成燃油系統中混合氣濃度出現偏差，使發動機排放惡化。在OBD 標準中，應該有對這些故障都進行診斷的要求，汽車企業在進行OBD 診斷系統開發時，應盡可能做到診斷的全面性和發現車輛故障存在的及時性，從而使任何影響排放的車輛故障都能盡早發現，降低對環境的污染。

5 結論

本文通過對OBDⅡ標準進行研究以及基于美國試驗車輛的OBDⅡ標準中燃油系統故障診斷項目對尾氣排放的試驗研究，得出如下結論：

1）混合氣濃故障和缸間不均勻濃故障主要造成CO 和NMHC 污染物排放惡化，NOx排放也有一定程度的惡化。混合氣濃故障使CO、NMHC、NOx排放分別增加了1.8～3.6 倍、3.8～5.0 倍、1.1～1.5 倍。缸間不均勻濃故障使CO、NMHC、NOx排放分別增加了3.0倍、2.6 倍、2.5 倍。排放增加的主要原因是催化器轉化效率降低和燃燒不充分。

2）混合氣稀故障和缸間不均勻稀故障主要造成NOx排放惡化，CO 和NMHC 排放也有一定程度的惡化。混合氣稀故障使CO、NMHC、NOx排放分別增加了1.8～2.5 倍、0.7～1.4 倍、3.0～5.0 倍，缸間不均勻稀故障使CO、NMHC、NOx排放分別增加了2.4 倍、1.0倍、7.5 倍。排放增加的主要原因是催化器轉化效率降低和燃燒溫度高。

3）OBD 系統本身無法實現減排的作用，只是在車輛發生故障造成排放增加時發現故障并點亮MIL燈，提示及時維修車輛。如果使用者對故障不維修，則起不到控制排放的作用。因此，在優化OBD 標準要求的同時，應加強OBD 系統實際使用情況的有效監管，比如I/M、路檢、抽查等方法，才能使OBD 系統真正起到控制排放的目的。