商用車車載診斷系統影響因素分析

董秀云，張濤，劉剛，高翠，楊揚，楊秀花

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061; 2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

汽車尾氣污染環境，有關部門制訂了相應的標準和管理條例，加強對機動車排放污染物和車載診斷(on board diagnostics,OBD)系統的監管，加大對不合規企業的處罰，隨著重型柴油車排放標準的提高，對OBD控制系統提出了更高的要求[1-4]。

本文中基于OBD試驗循環，選擇不同廠家、排量、車型、整車綜合速比的車輛進行OBD數據采集，分析OBD系統故障診斷的關鍵因素以及整車載質量、整車綜合速比、排氣管長度對商用車OBD系統關鍵因素的影響。

1 試驗分析

1.1 試驗路線

整車OBD系統試驗路線與循環嚴格按照文獻[1]的要求。不同類型的車輛，測試運行道路組成如表1

表1 不同類型車輛測試道路占比組成 %

所示。試驗開始點和結束點之間海拔高度差不得超過100 m，并且試驗車輛的累計正海拔高度增加量應不大于1200 m/(100 km)。車輛試驗路線包括市區、市郊和高速路線，按市區—市郊—高速行駛順序連續進行。車輛市區路段平均車速為15～30 km/h；市郊路段平均車速為45～70 km/h，N1類車輛的平均車速為60～90 km/h；高速路段平均行駛車速大于70 km/h，N1類車輛的平均行駛速度大于90 km/h。第一個出現車速超過55 km/h的短行程記為市郊路的開始(N1類車輛為70 km/h)，第一個出現車速超過75 km/h的短行程記為高速路的開始(N1類車輛為90 km/h)。最短測試時間應當滿足：測試車輛的累計功達到發動機瞬態循環(world harmonized transient cycle,WHTC)功的4～7倍。

1.2 最佳OBD區域分析

選取不同類型多種配置參數的整車進行對比，試驗車輛配置如表2所示。

表2 試驗車輛配置

選擇表2中的部分車型，整車載質量為車輛最大載質量(滿載質量與整備質量之差)的75%，進行OBD循環試驗，將采集數據通過Uniplot繪制萬有特性曲線[5-7]，結果表明，排氣溫度和廢氣流量是影響OBD系統故障診斷的關鍵因素，排氣溫度上、下限和廢氣流量上、下限包圍的區域為OBD最佳控制區間，如圖1所示，紅色曲線表示排氣溫度，下限為250 ℃，上限為410 ℃，黑色曲線表示廢氣流量，下限為600 kg/h,上限為1500 kg/h。該區間為商用車常用運行工況區，在該區間內發動機匹配最佳，NOx排放控制穩定。若整車不能長時間持續運行在最佳匹配區間，便存在OBD風險[8-10]。

圖1 排氣溫度和廢氣流量最佳匹配區間

不同車型排氣溫度和廢氣流量不同，最佳匹配區間的限值略有差異，但排氣溫度和廢氣流量的走勢基本一致，且每輛車均存在OBD最佳匹配區間。

不同車型的OBD系統風險因素不同，牽引車的OBD風險因素主要是廢氣流量小；載貨車的OBD風險因素主要是排氣溫度低；自卸車、起重機及水泥攪拌車的OBD風險因素主要是排氣溫度低，廢氣流量大；客車的OBD風險因素主要是排氣溫度低、廢氣流量小[11-12]。

2 OBD控制系統風險因素分析

2.1 整車載質量

結合萬有特性曲線，測量某機型發動機在轉速為1000、1200、1400 r/min時，不同轉矩對應的渦后排氣溫度，結果如表3所示。

由表3可知：同等轉速下轉矩越高，發動機渦后排氣溫度越高；同等轉矩下，轉速越高，發動機渦后排氣溫度越低。同等轉速下，車輛載質量越高，整車轉矩越高，因此，隨著整車載質量增加，發動機渦后排氣溫度升高。

表3 3種轉速下不同轉矩工況對應的渦后排氣溫度測量結果 ℃

表4 某牽引車不同載質量的平均排氣溫度和廢氣質量流量

某牽引車，整備質量為9 t，滿載質量49 t，整車載質量分別為最大載質量的10%、50%和100%，即分別為4、20、40 t，記為試驗1、2、3；按照OBD試驗循環，記錄高速段的平均排氣溫度、廢氣流量，所采集的試驗數據要求環境溫度接近(相差不超過10 ℃)，測量結果如表4所示。其中，除試驗1排氣溫度未進入匹配區間，其余試驗排氣溫度、廢氣流量均進入匹配區間。

由表4可知：平均排氣溫度與試驗加載質量正相關，加載質量低導致排氣溫度無法進入匹配區間；廢氣流量隨加載質量的增加而增加，但加載質量越低，對廢氣流量影響越小，且加載質量的變化未影響廢氣流量進入匹配區間。

2.2 整車綜合速比

選取6種載貨車，滿載質量均為31 t，輪胎相同，變速箱和后橋配置不同，對比6種車輛常用擋位(最高12擋、次高11擋)綜合速比，數據如表5所示。

表5 不同載貨車綜合速比

由表5可知，車輛1～6，同擋位綜合速比依次增大。通過仿真計算，分別繪制11擋和12擋的等速線，得到排氣溫度、廢氣流量的最佳匹配區間，如圖2所示。圖中1車12擋、1車11擋、2車12擋、2車11擋、3車12擋、3車11擋、4車12擋、4車11擋、5車12擋、5車11擋、6車12擋、6車11擋用1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12分別表示。

圖2 6種載貨車排氣溫度和廢氣流量最佳匹配區間

由圖2可知，中間黃色區域為OBD最佳匹配區間。同一擋位，隨著綜合速比增加，排氣溫度依次降低，廢氣流量依次升高。1車12擋排氣溫度最高，6車11擋最低，綜合速比過大導致排氣溫度無法達到最佳匹配區間；6車11擋的廢氣流量最大，1車12擋的最小，綜合速比小的車能達到的最大廢氣流量小于綜合速比大的車，按照此趨勢，綜合速比過小導致廢氣流量無法達到最佳匹配區間。

選取同一車型、不同綜合速比的自卸車進行實車驗證，3車均使用最高擋位且滿載運行，最高擋綜合速比分別為4.900、5.262、5.920，滿載質量分別為25、25、31 t。按照OBD試驗循環運行，試驗結果如表6所示。

表6 某自卸車不同綜合速比試驗結果

由表6可知，滿載質量相同時，綜合速比越高，排氣溫度降低，廢氣流量增加。與表4對比可知，綜合速比對排氣溫度的影響弱于滿載質量。綜合速比對廢氣流量的影響大于對排氣溫度的影響。

2.3 排氣管長度

排氣管也是影響排氣溫度的關鍵因素之一[13]，排氣管長度、包裹影響排氣管的散熱或保溫能力，從而影響排氣溫度。目前排氣管包裹已全面實施，文中主要考慮排氣管長度。

排氣管長度對排氣溫度的影響可利用仿真方法計算，模擬環境溫度為-10 ℃和30 ℃時，排氣管不同位置的溫降情況。選擇排氣管長度為3 m，渦后設置為測試點0，1.25 m處為測試點1，之后每隔0.25 m設置一個測試點，3 m處為測試點8，設置9個測試點，如圖3所示。

圖3 排氣管測試點示意圖

測試不同環境溫度下每個測試點與上一個點之間的溫降，結果如表7所示。

表7 排氣管不同測試點的溫降 ℃

由表7可知：環境溫度為30 ℃時，排氣管長度每增加0.25 m，排氣溫度降低約4.0～5.5 ℃；環境溫度為-10 ℃時，排氣管長度每增加0.25 m，排氣溫度降低約3.0～4.5 ℃。排氣管長度與排氣溫度負相關，排氣管長度每增加1 m，排氣溫度降低約12～20 ℃。設計排氣管時，應盡量使用短排氣管，并對排氣管采取良好的保溫措施[14]。

3 結論

1)整車載質量與排氣溫度正相關，加載質量低會導致排氣溫度無法進入匹配區間。

2)隨著綜合速比增加，排氣溫度依次降低，廢氣流量依次升高；綜合速比過大會導致排氣溫度無法達到最佳匹配區間，綜合速比過小會導致廢氣流量無法達到最佳匹配區間。

3)排氣管長度與排氣溫度負相關，設計排氣管時，應盡量使用短排氣管。