基于正交試驗法的重型柴油車OBD診斷影響因素分析

劉 波，黃 鵬，王素梅，孫文強，孫選建，劉玉偉，楊永春

基于正交試驗法的重型柴油車OBD診斷影響因素分析

劉 波，黃 鵬，王素梅，孫文強，孫選建，劉玉偉，楊永春

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

重型柴油車污染物排放限值及測量方法GB 17691—2018中對于重型商用柴油車提出了車載診斷系統（OBD）實際監測頻率（IUPR）的監測要求，屬于同一OBD系族的不同廠家、不同車型、不同里程的IUPR率要滿足法規要求。研究表明發動機排氣溫度、廢氣體積流量和廢氣質量流量是影響OBD診斷釋放的關鍵因素。文章通過正交試驗的方法，分析不同廠家整車匹配的背壓、進氣阻力與中冷壓降的邊界對排溫、廢氣體積流量以及廢氣質量流量的影響，識別影響權重及規律，探索整車匹配關鍵技術指標，對后續的整車匹配提供標準。

IUPR；排氣溫度；廢氣體積流量；廢氣質量流量

車載診斷系統[1]（On-Board Diagnostic, OBD）是一個非常復雜的自診斷系統，主要用于監測影響汽車排放的零部件和系統故障[2]。面對越來越嚴格的法規要求與地方標準，在節能的同時，對重型柴油機的排放控制技術提出了更高的要求。

重型商用車主要依靠后處理系統采用高效氧化型催化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）+顆粒物捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）+選擇性催化還原器（Selective Catalytic Reduction, SCR）的方案來控制發動機的污染排放[3]。法規要求OBD系統對后處理能否正常工作做出診斷，如果系統存在失效等故障，需對駕駛員進行提示，以此來保證后處理能夠正常工作。面對國內多樣的地理環境、復雜的工況，要想使OBD系統有效且合理地工作，并且能夠準確判斷出整車排放已經超過閾值，就要求在整車匹配時，匹配的技術指標能夠兼顧對OBD的影響[4]。目前對于整車的OBD匹配應用已經成為重型商用柴油機整車匹配中的難點。

研究表明，發動機后處理排氣溫度、廢氣體積流量與廢氣質量流量是影響OBD系統故障診斷的關鍵因素，進氣阻力、中冷壓降與排氣背壓是影響發動機后處理排氣溫度、廢氣體積流量和廢氣質量流量的重要因素。排氣溫度與排氣背壓正相關，與進氣阻力與中冷壓降負相關；廢氣體積流量與中冷壓降正相關，與排氣背壓、進氣阻力負相關；廢氣質量流量與排氣背壓、進氣阻力正相關，與中冷壓降負相關。

針對上述問題，通過設計正交識別進氣阻力、中冷壓降與排氣背壓對于排氣溫度、廢氣體積流量與廢氣質量流量的影響程度。該研究為進一步規范重型柴油發動機整車匹配的技術指標提供了理論參考[5]。

首先將各廠家、各車型的配套邊界進行收集匯總，通過對配套邊界的范圍進行劃分，識別出極限邊界與中值邊界[6]。

1 試驗方案

1.1 試驗設備

研究對象為某重型商用柴油發動機，發動機的排放性能需滿足國家第六階段污染物排放標準，試驗地點為內燃機國家可靠性重點實驗室測功機臺架[7]，發動機主要技術參數和試驗設備信息如表1所示。

表1 柴油機主要技術參數

項目技術參數項目技術參數 進氣方式增壓中冷排放標準國六 氣缸數/個直列6缸進氣阻力/kPa-3 排量/L12.9中冷壓降/kPa8 爆壓/MPa19排氣背壓/kPa30 額定功率/kW412

1.2 試驗方法

1.2.1狀態確認

首先，選取某一機型為研究對象，按照要求完成磨合試驗[8]，然后進行后處理激活與預處理實驗，運行一條完整的外特性數據來確認發動機、測量設備的狀態。將磨合完成的發動機控制邊界與開發狀態一致，進行100 r/min的步長運行萬有特性試驗，完成萬有特性試驗后，確認排放、煙度、油耗、爆壓等在偏差范圍內[9]。

1.2.2工況點的選取

在萬有特性MAP不同轉速、不同負荷條件下選取26個工況點作為本次試驗的工況點，選點要求轉速、扭矩盡可能均布[10]，盡可能覆蓋整張MAP，工況點選擇完畢后將該26點的工況編程為試驗設計（Design Of Experiment, DOE）程序，每個工況點穩定時間運行6分鐘。

試驗工況點按照非道路工況、車機工況和專用車工況進行選擇，具體選擇原則如下：

1）非道路工況：選取標定轉速和相鄰轉速（標定轉速-100 r/min），按照高（100%負荷）、中（80%負荷、40%負荷）、低（20%負荷）三個區域分別選點，共8個點。除滿負荷外，其他負荷以四舍五入的方法，以中間50 Nm作為分割點，負荷按整百Nm處理，比如：236 Nm按照200 Nm處理、276 Nm按照300 Nm處理，最終將8個點的均值作為非道路工況數據；

2）車機工況：選取大扭矩最低轉速、大扭矩中間轉速和大扭矩最高轉速，按照高（100%負荷）、中（70%負荷）、低（20%負荷）三個區域分別選點，共9個點。除了滿負荷外，其他負荷點采取非道路工況負荷的處理方法，最終將9個點的均值作為車機工況數據；

3）專用車工況：選取最低三個轉速點（按照100 r/min遞減至怠速），按照高（100%負荷）、中（70%負荷）、低（20%負荷）三個區域分別選點，共9個點。除了滿負荷外，其他負荷點采取非道路工況負荷的處理方法，按照9個點的均值作為專用車工況數據。選點示意圖如圖1所示。

圖1 萬有數據選點方法

1.2.3試驗方案設計

將整車匹配的進氣阻力、中冷壓降、排氣背壓設定為影響OBD系統運行的A、B、C三個主要因素，將各因素設定不同的三個水平，進氣阻力極限和中值設為-4.5 kPa、-3 kPa、-1.5 kPa三個水平；中冷壓降極限和中值設為4 kPa、8 kPa、12 kPa三個水平；排氣背壓極限和中值設為25 MPa、30 MPa、35 MPa三個水平。正交試驗因素和水平如表2所示。

表2 試驗因素 單位：kPa

試驗因素進氣阻力中冷壓降排氣背壓 水平1-4.5425 水平2-3830 水平3-1.51235

1.2.4試驗步驟

運行預實驗工況，確認發動機狀態無異常，通過設置最大功率點的進氣阻力、中冷壓降、排氣背壓分別為-4.5 kPa、4 kPa、25 kPa，運行程控，試驗過程中連續記錄排溫、排氣流量、體積流量等參數，根據正交試驗方案，完成9組試驗，試驗方案如表3所示。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

按照表3方案進行正交試驗，得到發動機不同邊界下的排溫、體積流量、廢氣流量的原始數據，首先根據經驗查看數據有效性，最終有效試驗數據為24組，方差分析結果能預估誤差大小，使直觀分析更具有科學性。利用方差分析法分析試驗數據，使用正交試驗處理方法計算值方差，其中正交實驗法中值越大代表因素影響越顯著，通過查表確定進氣阻力、中冷壓降與排氣背壓對后處理排溫、廢氣體積流量與廢氣質量流量的影響關系[11]。

表3 試驗方案 單位：kPa

序號進氣阻力系數A中冷壓降B排氣背壓C 1-4.5425 2-4.5830 3-4.51235 4-3425 5-3830 6-31235 7-1.5425 8-1.5830 9-1.51235

2.2 影響性分析

根據試驗因素及因素水平，確定正交表為9(33)，通過計算數據中的值，得到排溫結果影響分析，如圖1所示。

由圖2可知，排氣背壓對發動機后處理排溫有一定影響，進氣阻力、中冷壓降對發動機后處理排溫影響較小，各因素對排溫的顯著性順序為排氣背壓＞進氣阻力＞中冷壓降，其中值分布中排氣背壓共24組試驗，其中六組值超過9（即6/24超過9）；進氣阻力2/24超過9；中冷壓降1/24超過9。根據方差分析，排氣背壓對SCR上游溫度有一定影響；進氣阻力和中冷壓降標記為非顯著因素。

圖2 發動機排溫結果影響F值分析

圖3 發動機廢氣流量影響F值分析

由圖3可知，排氣背壓、進氣阻力、中冷壓降對發動機廢氣流量影響較小，各因素對廢氣體積流量的顯著性順序為中冷壓降＞進氣阻力＞排氣背壓，其中值分布中僅1/24排氣背壓的值超過9，根據方差分析，三種因素均標記為非顯著因素。

圖4 發動機體積流量影響F值分析

由圖4可知，排氣背壓對發動機體積流量有一定影響，各因素對廢氣質量流量的顯著性順序為進氣阻力＞排氣背壓＞中冷壓降，根據值方差分析，進氣阻力和排氣背壓5/24超過9；中冷壓降3/24超過9，進氣阻力對體積流量有一定影響。

3 結論

目前整車排氣背壓、中冷壓降和進氣阻力匹配的范圍內，中冷壓降對排氣溫度、廢氣體積流量與質量流量影響較小；進氣阻力對廢氣體積流量有一定影響，對排氣溫度與質量流量影響較小；排氣背壓對排氣溫度有一定影響，對廢氣體積流量與質量流量影響較小。當前的整車匹配范圍滿足OBD診斷釋放的要求。

[1] 生態環境部.重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段):GB 17691—2018[S].北京:中國環境科學出版社,2018.

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[4] 翟學超,張藝琛,張晴.柴油發動機尾氣后處理技術應用研究[J].時代汽車,2019(18):19-21.

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[6] 劉斌,孫紅梅,陳山,等.頂空固相微萃取-氣相色譜-串聯質譜法測定水中2,4,6-三氯酚[J].環境監控與預警, 2019,11(3):36-39.

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[8] 王望予.汽車設計[M].4版.北京:機械工業出版社, 2011.

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Analysis of Influencing Factors for OBD Diagnosis of Heavy Diesel Vehicles Based on Orthogonal Test Method

LIU Bo, HUANG Peng, WANG Sumei, SUN Wenqiang, SUN Xuanjian, LIU Yuwei, YANG Yongchun

( Weichai Power Company Limited, Weifang 261000, China )

Emission limits for heavy diesel vehicles and measurement methods GB17691－2018 set out the monitoring requirements for on-board diagnostic's (OBD) in-use performance ratio (IUPR) for heavy commercial diesel vehicles. The IUPR rates for different manufacturers, models and mileage belonging to the same OBD family are required to meet the regulatory requirements.The results show that engine exhaust temperature, exhaust volume flow rate and exhaust mass flow rate are the key factors affecting the diagnostic release of OBD.Through the method of orthogonal test, this paper analyzes the influence of the boundary between the back pressure, intake resistance and middle cold pressure drop of different manufacturers on exhaust temperature, volume flow of exhaust gas and mass flow of exhaust gas, identifies the influence weight and rule, explores the key technical indicators of vehicle matching, and provides standards for the subsequent vehicle matching.

IUPR; Exhaust temperature; Exhaust gas volume flow rate; Exhaust gas mass flow rate

TF054

A

1671-7988(2023)11-164-05

劉波（1993－），男，碩士，工程師，研究方向為柴油機性能開發，E-mail:liubo19930325@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.030