基于不同發(fā)動機控制系統(tǒng)的量產(chǎn)車輛評估測試（PVE）方法比對分析*

鄒雄輝 王亞飛 耿培林 王力輝 劉 樂 李菁元

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

隨著我國機動車保有量的持續(xù)增長，機動車污染物排放量快速增加。通過加嚴(yán)機動車排放標(biāo)準(zhǔn)，可有效限制單車污染物排放量，降低對環(huán)境的污染?！笆飞献顕?yán)的”輕型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)[1]于2016 年12月23 日正式發(fā)布，2020 年7 月1 日在全國范圍內(nèi)實施。與輕型車國五排放標(biāo)準(zhǔn)[2]相比，輕型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)（簡稱國六標(biāo)準(zhǔn)）的排放限值和測試方法全面加嚴(yán)[3]，同時對量產(chǎn)車提出了量產(chǎn)車輛評估測試（PVE）的要求。

基于國六標(biāo)準(zhǔn)，本文從冷卻系統(tǒng)監(jiān)測、氧傳感器監(jiān)測和綜合部件監(jiān)測的角度，分別列舉了一個故障碼，對比分析了不同發(fā)動機控制系統(tǒng)下故障診斷原理和故障植入方法的差異。

1 OBD 系統(tǒng)的PVE 測試要求

OBD 系統(tǒng)具有完善的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，但不同國家和地區(qū)采取的協(xié)議不同。歐洲的ISO 標(biāo)準(zhǔn)和美國的SAE 標(biāo)準(zhǔn)對于底層協(xié)議的要求在一定程度上是等效的，從而形成了全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化OBD 系統(tǒng)。1988年，SAE 發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)化的車載診斷協(xié)議；1991 年，CARB（加州空氣資源委員會）發(fā)布了OBDⅠ標(biāo)準(zhǔn)；1994-1996 年，CARB 階段性引入了OBDⅡ標(biāo)準(zhǔn)[4]，經(jīng)過2002、2006、2012 年的不斷修訂，逐漸形成了現(xiàn)今廣泛使用的OBDⅡ標(biāo)準(zhǔn)。國六標(biāo)準(zhǔn)中的OBD 相關(guān)要求均參照美國的OBDⅡ標(biāo)準(zhǔn)。歐洲從2000 年開始形成了自己的EOBD 標(biāo)準(zhǔn)體系[5]，經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，不斷向美國的OBDⅡ標(biāo)準(zhǔn)靠近。

OBD 系統(tǒng)定義了未決、確認(rèn)和永久故障碼，形成了一套完整的故障監(jiān)測條件、激活閾值、故障碼生成、點亮MIL 燈、故障恢復(fù)的故障診斷機制。每一個部件和系統(tǒng)通過各自的診斷邏輯檢查自身的功能是否正常。一旦發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生，OBD 系統(tǒng)會經(jīng)過一系列步驟直至點亮MIL 警示駕駛員。

量產(chǎn)車輛評估測試（PVE）是國六標(biāo)準(zhǔn)中OBD 認(rèn)證新增的要求。PVE 測試包括3 個部分，分別是J1標(biāo)準(zhǔn)化驗證、J2 監(jiān)測要求驗證、J3 在用監(jiān)測性能驗證。其中，J1 測試主要是驗證車輛能夠和掃描工具正常通訊以及OBD 系統(tǒng)滿足SAE J1979-1997《E/E Diagnostic Test Modes》[6]的相關(guān)協(xié)議要求；J2 測試要求驗證車輛的所有OBD 故障碼，OBD 系統(tǒng)應(yīng)能夠監(jiān)測到故障、點亮MIL 燈并存儲相應(yīng)的確認(rèn)和永久故障碼；J3 測試主要為在用監(jiān)測性能追蹤數(shù)據(jù)（IUPR）的收集。

國六標(biāo)準(zhǔn)要求生產(chǎn)企業(yè)在每年4 月1 日前提交年度PVE 測試計劃，并在車型量產(chǎn)后3 個月內(nèi)完成J1 的標(biāo)準(zhǔn)化驗證，6 個月內(nèi)完成J2 的基礎(chǔ)要求驗證，12 個月內(nèi)完成在用監(jiān)測性能的驗證和報告。每一年度，生產(chǎn)企業(yè)的PVE 各項測試不應(yīng)少于3 個車型。J1和J3 測試原則上應(yīng)涵蓋測試年度的所有新增OBD系族，當(dāng)年生產(chǎn)的所有系族，測試組少于3 個時，可以少于3 個車型，但不能少于測試組數(shù)量。

2 故障測試對比分析

當(dāng)前，國內(nèi)主流的發(fā)動機控制系統(tǒng)由德爾福（Delphi）、聯(lián)電（UAES）和博世（Bosch）3 家公司提供。本文基于發(fā)動機控制系統(tǒng)的差異，從冷卻系統(tǒng)監(jiān)測、氧傳感器監(jiān)測和綜合部件監(jiān)測的角度，分別列舉一個故障碼，對比分析3 種發(fā)動機控制系統(tǒng)下的故障診斷原理和故障植入方法。

2.1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)監(jiān)測

OBD 系統(tǒng)應(yīng)監(jiān)測發(fā)動機冷卻液溫度（ECT）傳感器電路連續(xù)性、數(shù)值超范圍和合理性故障。如果電路開路或者數(shù)值超出范圍，OBD 系統(tǒng)應(yīng)檢測出故障。

表1 給出了3 種發(fā)動機控制系統(tǒng)下，P0116 故障碼的描述及模擬方法對比。根據(jù)SAE J2012-2007《(R)Diagnostic Trouble Code Definitions》[7]給出的診斷故障碼定義，P0116 為發(fā)動機冷卻液溫度傳感器1電路范圍和性能故障（engine coolant temperature sensor 1 circuit range/performance）。

表1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)監(jiān)測故障P0116 對比

由表1 可知，不同控制系統(tǒng)對故障的描述存在一定差異，但UAES 系統(tǒng)和Bosch 系統(tǒng)的描述相同，都是冷卻液溫度傳感器信號不合理（粘滯）。ECT 傳感器信號粘滯測試是檢測ECT 傳感器粘滯在一定范圍內(nèi)。在經(jīng)過特定的駕駛工況后，ECT 應(yīng)該有一定的變化，如果這段時間ECT 最大值和最小值的差小于標(biāo)定閾值，報出故障碼。診斷原理簡圖如圖1 所示。

圖1 UAES 系統(tǒng)和Bosch 系統(tǒng)P0116 故障診斷原理簡圖

Delphi 系統(tǒng)的故障描述是冷卻液溫度傳感器信號鉗制。在發(fā)動機工況變化較大時，監(jiān)測冷卻液溫度傳感器輸出的變化幅度，如果變化幅度低于閾值，則檢測到故障。診斷原理簡圖如圖2 所示。

圖2 Delphi 系統(tǒng)P0116 故障診斷原理簡圖

Delphi 系統(tǒng)的P0116 故障需要發(fā)動機在冷起動狀態(tài)下診斷，UAES 系統(tǒng)和Bosch 系統(tǒng)沒有這個要求。發(fā)動機控制系統(tǒng)不同，對同一個故障碼的定義會產(chǎn)生差異，導(dǎo)致診斷策略不同。即使相同的發(fā)動機控制系統(tǒng)，發(fā)動機結(jié)構(gòu)和零部件的差異會導(dǎo)致觸發(fā)診斷的閾值發(fā)生變化，故障的植入方法將隨之發(fā)生變化。

2.2 氧傳感器監(jiān)測

國六標(biāo)準(zhǔn)中，要求OBD 系統(tǒng)對前后氧傳感器的輸出電壓、活性和響應(yīng)速率等故障進行監(jiān)測。對于加熱型氧傳感器，OBD 系統(tǒng)應(yīng)對加熱器性能進行監(jiān)測。對于其他類型的傳感器，也需要如氧傳感器同樣的要求進行監(jiān)測。

表2 給出了3 種控制系統(tǒng)下發(fā)動機的P2195 故障碼的描述及模擬方法。SAE J2012-2007 定義P2195 為氧傳感器信號向稀偏移/粘滯故障（O2sensor signal biased/stuck lean）。

表2 發(fā)動機前氧傳感器監(jiān)測故障P2195 對比

UAES 系統(tǒng)的P2195 故障是前氧傳感器沾滯偏稀故障，即前氧傳感器信號持續(xù)偏低故障。前氧傳感器信號電壓值持續(xù)小于信號開路下限值，而此時后氧傳感器顯示混合氣偏濃，且滿足監(jiān)測條件時系統(tǒng)檢測出故障。UAES 系統(tǒng)的診斷原理簡圖如圖3所示。

圖3 UAES 系統(tǒng)P2195 故障診斷原理簡圖

Delphi 系統(tǒng)的P2195 故障是前氧傳感器加速加濃時過稀故障。當(dāng)車輛處于加速加濃時，由于尾氣中氧含量較少，導(dǎo)致氧傳感器電壓較高，此時若氧傳感器電壓低于標(biāo)定限值并維持一段時間，則報出該故障碼。該故障的植入關(guān)鍵在于發(fā)動機必須工作在加速加濃工況。

Bosch 系統(tǒng)的P2195 故障是前氧傳感器特性曲線向稀偏移。當(dāng)前氧傳感器信號的特性曲線（如圖4所示）向稀偏移且超過標(biāo)定限值時，檢出該故障碼。該故障進入診斷狀態(tài)時，要求車輛水溫正常，發(fā)動機穩(wěn)定運行在理論空燃比附近。

圖4 前氧傳感器的信號與空燃比的關(guān)系曲線

發(fā)動機控制系統(tǒng)不同，各個系統(tǒng)對P2195 故障碼的理解存在差異，形成不同的診斷原理和限值，導(dǎo)致故障的植入方法各自不同，需要根據(jù)各自的觸發(fā)條件有針對性植入。

2.3 綜合部件監(jiān)測

OBD 系統(tǒng)應(yīng)監(jiān)測所有電子動力系統(tǒng)部件因產(chǎn)生故障導(dǎo)致排放超過OBD 閾值或者該部件屬于其他監(jiān)測部件/系統(tǒng)診斷策略的一部分，該部件/系統(tǒng)直接或間接地向車載電腦或智能裝置提供輸入或者接收其指令[1]。

需要監(jiān)測的輸入部件應(yīng)包括(但不局限于）車速傳感器、曲軸轉(zhuǎn)角傳感器、爆震傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、向動力控制系統(tǒng)或其他執(zhí)行器提供信號的傳感器和模塊等。

需要監(jiān)測的輸出部件/系統(tǒng)應(yīng)包括（不局限于）怠速控制系統(tǒng)、可變歧管系統(tǒng)、機械增壓或者廢氣渦輪增壓的電子部件、催化器加熱時使用的旁通閥、自動變速箱電磁閥或者控制系統(tǒng)等。

表3 給出了3 種控制系統(tǒng)下車輛油箱壓力傳感器故障碼P0451 的故障描述和模擬方法。SAE J2012-2007 定義P0451 為蒸發(fā)排放系統(tǒng)壓力傳感器測試范圍/性能故障（evaporative emission system pressure sensor/switch range/performance）。

表3 綜合部件監(jiān)測故障P0451 對比

UAES 系統(tǒng)和Bosch 系統(tǒng)的P0451 故障碼都包含3 個故障失效模式：

1）油箱壓力傳感器信號偏移故障；

2）油箱壓力傳感器信號增量（粘滯）故障；

3）油箱壓力傳感器信號振蕩故障。

對于油箱壓力傳感器信號振蕩故障，UAES 系統(tǒng)是通過檢查在所分配的評價時間內(nèi)測量油箱壓力信號的振蕩振幅。正常情況下，壓力信號波動應(yīng)該在標(biāo)定閾值以下。如果壓力信號噪聲過大，在標(biāo)定的評價時間內(nèi)，信號波動未能低于標(biāo)定閾值，持續(xù)一段標(biāo)定時間，則報出P0451 故障碼。監(jiān)測原理如圖5 所示。

圖5 某車型UAES 系統(tǒng)油箱壓力傳感器信號振蕩合理性故障原理簡圖

Bosch 系統(tǒng)的油箱壓力傳感器信號振蕩合理性故障的診斷原理和UAES 系統(tǒng)類似，故障植入方法一樣。

Delphi 系統(tǒng)的P0451 故障是油箱壓力傳感器信號卡滯故障。在燃油蒸發(fā)診斷測試期間，抽真空階段，油箱壓力會有顯著變化。如果油箱內(nèi)壓力的變化小于標(biāo)定限值且持續(xù)一段時間，就檢出該故障。故而，Delphi 系統(tǒng)的故障植入方法與UAES 系統(tǒng)、Bosch系統(tǒng)差異大。

Delphi 系統(tǒng)的油箱壓力傳感器信號振蕩故障碼是P0454。在燃油蒸發(fā)診斷測試期間，如果油箱壓力信號在給定時間內(nèi)的變化超出標(biāo)定限值，則檢出該故障。該故障可通過植入固定頻率的三角波來模擬。

3 結(jié)論

對于車輛的同一個故障碼，SAE J2012-2007 定義了故障含義和失效范圍。在實際使用過程中，同一個故障碼分成了多個故障失效模式，發(fā)動機控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家可根據(jù)自身或者采購商的需求定義。

本文從輕型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)中PVE 測試的要求出發(fā)，從點燃式發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)監(jiān)測、氧傳感器監(jiān)測和綜合部件監(jiān)測的大類中分別列舉了一個故障碼，對比分析了3 種發(fā)動機控制系統(tǒng)對故障的描述和故障植入方法。結(jié)論如下：

1）發(fā)動機控制系統(tǒng)不同，相同故障碼的失效模式存在差異，導(dǎo)致故障植入方法不同。

2）UAES 系統(tǒng)和Bosch 系統(tǒng)的部分故障碼診斷原理有相似之處，故障植入方法可以相互借鑒。

3）Delphi 系統(tǒng)大部分故障的診斷原理與UAES系統(tǒng)、Bosch 系統(tǒng)差異較大，故障植入方式取決于故障失效模式。