EVAP系統PVE檢證方法的研究及應用

聶爽 羅偉填 何偉 梁仲彬 陳治平 吳建帆

摘 要：PVE測試是國VI法規中新增的主要項目之一，也是國內首次開展量產車的評估測試，其中PVE J2的測試項目是各大企業、研究機構所面臨的最大難題。文章根據現有經驗，對OBD系統及PVE測試做出了全面性介紹，同時對EVAP系統進行了針對性研究，闡述了國VI標準下該系統的技術更新和工作機制，通過對雙PCS閥門故障模擬的分析和說明，具體化了EVAP系統故障碼模擬的思路和方法，對PVE測試項目的推進起到了重要的作用和意義。

關鍵詞：OBD;PVE測試;EVAP系統;故障模擬

Abstract： PVE testing is one of the major new items in the China VI regulations， which is also the first evaluation test of a production car in China. The PVE J2 test project is the biggest problem faced by major companies and research institutions. Based on the previous data， this article is going to make a comprehensive introduction to the OBD system and PVE test， in the meantime， conduct the targeted research on the EVP system， demonstrating the technical update and working mechanism of the system under the China VI standard. Through the analysis about the fault simulation of the double PCS valve， the EVAP system fault code will be materialized， which plays an important role and significance in advancing the PVE test project.

Keywords： OBD; PVE testing; EVAP system; Fault code simulation

前言

隨著我國經濟的不斷快速發展，機動車數量不斷增多，促使我國的環境污染問題日趨嚴重，所以在環境保護方面，國家法規要求也越來越嚴格。因此，于2016年12月23日，國家針對排放問題頒布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》的最嚴新規。

相對于國V來說，國VI將NEDC工況更改為WLTC工況，降低了蒸發污染物的排放限值并且增加了加油污染物排放限值的相關要求[1];同時OBD（On-aboard Diagnostics，車載診斷系統）結合了歐VI和美國LEV III的特點，在排放污染物限值和監測方面作出了相應的變化[2]，其中就包括針對汽車燃油蒸發系統（Evaporative Emissions System，EVAP）診斷問題的相關要求。為了保障油箱及各管路泄漏問題的及時發現，避免燃油蒸汽的泄漏對大氣的污染，國VI要求OBD系統應同時檢測EVAP系統的脫附流量和整個系統的完整性，在發現問題時及時反饋，點亮MIL（Malfunction Indicator Light，故障指示器）。

針對EVAP系統，國內外學者對其做了大量的研究及改善。林玉彪結合密閉系統和泄漏系統的相關案例，進一步分析了EVAP系統泄漏診斷邏輯及DMTL工作過程的原理[3]。何彥彬等通過更改油箱、碳罐結構，調配碳粉組合，調整閥門材質，有效地控制了燃油系統的HC化合物的蒸發從而滿足了國VI中對整車THC排放的限值要求[4]。袁衛通過改進和優化整車燃油系統的材料及設計、發動機的標定，降低了EVAP系統蒸發和加油污染物的排放，同時降低了碳罐的溢出排放，達到了更加優化的排放水平[1]。Yang等研究表明，通過對車載傳感器中包含的各類信息進行監督分類統計，可有效增強對整車初期EVAP小泄漏的診斷，并且只要有車輛數據更新，該分類統計模型算法就運用于不同整車模型[5]。但隨著國VI新法規的頒布，OBD生產一致性成了最新的熱點和難點，由于對OBD控制原理、策略的認知匱乏，使得各大生產企業在進行J2 PVE（Production Vehicle Evaluation，量產車評估）檢證工作過程中遇到重重難題，特別是針對單個系統的具體PVE檢證方法的研究。

本文將從EVAP系統的PVE檢證工作進行展開，闡述其工作原理及新、舊法規標準下對應的變化點，同時對主要的故障代碼進行分析，研究其故障診斷機制得到相應的故障模擬方法，形成一套可跨車系的PVE檢證思路及方法。

1 OBD系統

車載在線診斷（On-Board Diagnostics，OBD）系統是一種為診斷汽車或發動機故障的一種在線檢測系統，用于排放控制系統檢測。OBD系統按照特定的監測機制監測排放相關的各個傳感器及相應部件的工作狀況，當檢測到排放超過限值的情況時，對比系統已有的標準值做出故障診斷，當出現排放故障時，ECU將儲存相應的故障代碼（Diagnostic Trouble Code，DTC），并點亮MIL向駕駛員發出警告[2]。

國VI法規規定OBD的生產一致性檢查和試驗須按照附件JA.7來執行，JA.7中規定了生產一致性的量產車輛評估（PVE）測試，其作為生產車輛OBD系統生產一致性自我檢查的重要組成部分，在車輛正式量產之后，企業需提交PVE測試計劃和報告，并接受監督檢查。PVE測試包括三個方面：標準化驗證（J1）、監測要求驗證（J2）和在用監測性能的驗證和報告（J3）[6]。其中工作量最大、最為復雜的當屬J2試驗，國VI標準要求，在量產后六個月內，生產企業必須按照OBD系族劃分，抽查相應的車輛進行OBD系統的全面評估，即利用故障模擬再現J2試驗中所包含的所有故障代碼，使OBD系統檢測到故障、點亮MIL并儲存確認和永久故障代碼。OBD系統根據不同故障代碼的監測參數和對應閾值來判斷整車是否存在故障，從而報出相應故障代碼。在OBD監測的各大系統中，根據故障監測閾值條件的不同，其故障再現的難易程度也不盡相同。一些故障碼的再現只需要判斷電路的通斷即可;另外一些相對復雜的系統，如EVAP系統、EGR系統及氧傳感器等，OBD系統必須判斷其對應系統部件的老化或故障程度是否導致排放值超過系統設定閾值，進而使得再現的困難程度進一步提升[7]。

2 PVE測試

在國VI法規要求汽車生產企業所對應的國VI車型在量產3個月內、6個月內和12個月內分別完成標準化驗證（J1）、監測要求驗證（J2）和在用性能驗證（J3）對應的PVE測試，并將相應的測試結果按照要求上傳到國環部官網，其具體流程如圖1所示。進行PVE測試時，國VI法規要求企業國VI車型須根據附件JB（表1）的要求進行OBD系族分類，之后再根據系族的優先度關系選擇該年度的PVE測試車輛，每年至少需要完成3個系族的PVE測試，具體選擇原則如表2所示。

J2測試作為PVE測試中工作量最大，技術要求最高的項目，其主要工作內容是根據車輛OBD故障碼的產生機理，結合其觸發條件和故障閾值，通過專用設備及老化零件設計故障模擬試驗，再現OBD系統所有故障代碼，從而驗證車型開發與量產階段的一致性。而如何設計故障模擬方法是PVE測試中的重難點問題之一。

PVE測試中故障模擬的主要設計思路如下：

a）分析故障碼的原理，獲取檢知條件和故障閾值，分析檢知條件和閾值的達成方法。

b）根據步驟a）中分析得到的故障檢知條件和閾值達成方法，設計對應故障碼的再現試驗方案。

c）利用專用設備及老化零件連接試驗車輛，按照步驟b）中的試驗方案進行人為再現對應故障代碼。

3 EVAP系統的PVE檢證試驗

3.1 EVAP系統

EVAP系統主要由EVAP炭罐、碳罐凈化閥、蒸汽分離閥、泄露檢查單元、油箱蓋和管路等組成，在防止燃油蒸氣（HC）泄漏排放的同時，由于產生的熱量及燃油蒸氣使得油箱壓力增加，促使燃油蒸氣被回收到EVAP碳罐中;EVAP將收集的燃油蒸氣適時地送入進氣歧管中讓其與新鮮空氣混合進入發動機燃燒，使得燃油得到充分利用。

為滿足國VI更嚴的排放要求，在原有發動機技術和性能指標不變的前提下，通過在后處理方式的新技術應用，實現了排放標準的升級，國V、國VI燃油系統的設計差異如圖2、3所示。

其主要技術更新包括：

1）碳罐的技術更新

a）擴大了碳罐的容量，使其更好地吸收排出的蒸汽，如圖4所示;

b）對活性炭的規格做出了部分調整，如表3所示;

c）增加了碳罐過濾器，可以在油氣進入碳罐前對其進行過濾;

d）增加了蒸發泄漏感應系統，通過感應油壓變化來檢測是否存在泄漏，并對駕駛員發出相應的警示信息。該系統主要零件包括：PELCM（Pressure Evapo Leak Check Moudle，絕對壓力傳感器）、CCV（Conversion Control valve，轉換閥）、Ref節流孔、葉片泵。其壓力變化檢測原理如圖5所示，通過對比系統內的壓力變化，來判定是否存在泄漏。

2）燃料箱的技術更新

頸部軟管材料由原來的FKM氟橡膠材料改為帶PVDF的氟橡膠材料，有效地降低了HC的透過量。

3）燃油泵的技術更新

墊片材料由PE更改為POM材料，從而增加了燃料的通過性能，并追加墊圈來降低HC透過量。

4）供油管路的技術更新

a）追加止回閥，供油時控制油箱內蒸汽的循環量;

b）國五車型的供油口處連通外部空氣，而國六車型由于碳罐體積增大，供油系統中壓力損失增加，油箱內壓上升，導致供油時汽油無法進入燃料箱中。為了降低其壓力損失，確保供油的穩定性，可通過降低供油管路能源流入的損耗，或者提升供油時流入的能源來對應。其具體方法是通過調整燃油管的形狀和長度，使油箱更加靠近供油口來達到系統要求。

5）燃油加注口塞的技術更新

墊圈和閥門使用的材料由NBR更改為FKM氟橡膠材料，降低了HC的透過量。

6）觸媒及催化劑

調整了催化器中貴金屬的含量，如表4所示。

3.2 EVAP系統的PVE測試試驗

3.2.1 EVAP系統啟動機制

EVAP系統作為發動機15大系統中最復雜的監測系統之一，研究其工作原理對于開展相應的PVE測試試驗具有極其重要的意義。通過對本司車型該系統的多次試驗探索，現總結如下四個方面：

a）EVAP系統的啟動必須滿足以下條件：車輛油箱油量小于80 %且第一水溫傳感器溫度小于35℃;發動機啟動后怠速持續時間需大于30 s，車輛跑行過程中車速需大于40 km/h且跑行時間大于300 s，整個過程中發動機的累計啟動時間需大于600 s，并且不存在熄火現象。完成上述操作后浸車5 h（浸車過程中不能IG ON，不能打開油箱蓋）。

b）EVAP系統啟動后，需經過四個監測階段，分別為大氣壓力燃油箱內部壓力測量、真空泵預熱參考壓力測量、系統減壓測量和參考壓力重新測量，如圖6所示。

整個監測過程共耗時1125 s且僅啟動一次，所以在進行EVAP系統的PVE檢證試驗時，需在1125 s內完成相應試驗。若在該時間段內無法模擬所需故障或出現其他無關故障碼，需重復a）中所述的啟動條件重新啟動EVAP系統，再進行相關試驗測試。

c）EVAP系統啟動期間，系統會在上述四個監測階段分別進行不同的故障檢測，如圖7所示。因此在進行相關的故障模擬時，需在對應故障檢知的時間點植入相應故障。若植入過早，系統會檢測到無關故障碼;植入太晚，系統將無法檢測到對應故障碼。

d）故障的植入除了需要精確的時間點外，還需要精確的輸入信號。由于EVAP系統主要是通過傳感器氣壓的變化來實現對系統的監控，所以在試驗時必須明確電壓與氣壓間的關系以實現試驗氣壓對應電壓值的精確選擇。表5為某車企車型電壓、氣壓的采集數據及對應的線性方程，其中P為氣壓值，U為電壓值。

綜上分析，在進行EVAP系統相關的PVE檢證試驗時，必須嚴格按照其啟動過程機理進行故障植入，這樣才能保障故障模擬的成功率及效率。

3.2.2 雙PCS閥門的PVE測試

PCS閥門是EVAP系統中的重要組成部件。通過PCS閥門的開閉可以調節燃油蒸汽的分布以達到經濟燃燒的效果。根據車型的不同，其配備的PCS閥門數量也不盡相同。目前所接觸車型的PCS閥門配置有兩種類型，即單PCS閥門和雙PCS閥門，其中最具代表性的為雙PCS閥門。

雙PCS閥門為并列分布結構，每個PCS閥門可以單獨控制總管內部的壓力變化，如圖8所示。由于EVAP系統無法辨別總管內的壓力變化受到哪個PCS閥門的影響，所以兩個PCS閥門的相互干擾導致在測試過程中難以控制故障模擬的走向。

因此，如何避免PCS閥門間的相互干擾成為該PVE測試能否成功的關鍵因素。通過對該系統工作原理的研究，明確了每個PCS閥門的檢知條件和檢知順序，如表6所示，根據其檢知條件和順序來選取每個PCS閥門的測試時機。根據大量的試驗數據，確定了系統內氣壓值與壓力傳感器電壓之間的關系，如表7所示。通過適時調整壓力傳感器電壓的數值來達到故障閾值要求，從而觸發故障。

綜上分析，利用CAN通訊檢測工具，如EMX2、Canalyzer、GL1000等，來監控PCS流量情況以及各個PCS檢知情況，在適當時機調整壓力傳感器電壓，以達到故障閾值，實現故障模擬，其具體流程如圖9所示。

3.3 PVE測試過程中的注意事項

PVE測試是一項工作量大，技術要求非常高的工作。每臺車的測試時間一般預計需要5個月完成。測試過程中需要對車輛的多個控制系統進行拆解，如EVAP系統、PCV系統、VVT系統及GPF系統等;混動車型還會涉及到高電壓部分的拆解，如PCU單元和BCM單元。同時在模擬過程中也會對各大控制單元輸入各種信號，如電壓、電流、電阻等，由于信號取值對車輛可能造成損傷，因此，基于現有的試驗經驗，提出以下四點注意事項：

a）短路測試時需謹慎操作，避免燒毀保險絲或車輛部件，如PCM儲備器電源、PCU電源等。

b）變速箱測試時使用額定電流大于5 A的電阻，避免因試驗電流過高燒毀電阻，或者因電阻過熱引發火災或人員燙傷

c）傳感器輸入高電壓測試時，電壓盡量不超過7 V，避免燒壞相關傳感器，如ECT（有特殊電壓要求的除外）。

d）開展混動車型PVE檢證試驗的人員需具備國家認可的低壓電工證，具備一定的低壓作業知識，穿戴絕緣手套和絕緣鞋，避免觸電。

4 總結

1）PVE測試主要是根據OBD故障碼的產生機理，結合故障觸發條件及閾值，通過外部作用重現發動機系統所有的故障碼，從而驗證車型開發與量產階段的一致性。

2）國VI標準下的EVAP系統主要包括碳罐、燃料箱、燃油泵、供油管路、燃油加注口塞、觸媒及催化劑等方面的技術更新。

3）在進行EVAP系統相關的PVE檢證試驗時，必須嚴格按照其啟動過程機理進行故障植入，保障EVAP系統故障模擬的成功率及效率。

4）雙PCS閥門的PVE測試過程中，需明確每個PCS閥門的檢知條件和檢知順序以避免PCS閥門間的相互干擾，根據實驗數據，適時調整壓力傳感器電壓的數值以達到故障閾值要求，從而觸發故障。

5）PVE測試過程中需充分考慮試驗條件和危險因素，避免對人員及車輛造成不必要的損傷。

參考文獻

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