适应京V二阶段某汽油机OBD系统升级

王建波

（神龙汽车有限公司技术中心，湖北 武汉4300）

《京V轻型车污染物排放限值及测量方法》在2013年1月5日发布，其中有部分要求在第二阶段2014年9月1日开始实施（简称京V二阶段）。要求车辆在现有的京V标准上，增加IUPR功能和车载诊断（OBD）系统具有检测NOx污染物来判断催化器转化效率下降的功能。IUPR尚未在神龙汽车有限公司某1.6L汽油机原OBD系统中实现，需要新开发该功能；NOx污染物判断催化器效率的功能也需重新标定调校。本文通过技术分析，实现这两项功能在OBD系统的应用。

1 IUPR功能开发

1.1 IUPR模型、运算规则及运算的实现

IUPR（In Use Performance Ratio）是 OBD 系统实际监测频率。京V规定企业应申报IUPR值且不得小于0.1。IUPR在欧洲限值参考为欧ⅤIUPR≥0.1，欧ⅥIUPR≥0.336。

其中：分子为检测到的已经完成各个诊断项目的诊断次数；分母为车辆完成的标准运行工况次数。前者在一个驾驶循环内，能够诊断出故障所有的条件是否满足，如果满足，则在条件满足后增加1，且每个驾驶循环至多增加1次。后者在一个驾驶循环内，如果通用分母驾驶循环定义的标准满足，则分母加1；如果分母还有特殊的增加要求，需在同时满足特殊需求后才能增加1。

认定车型某诊断满足IUPR限值要求的条件：1）IUPR的平均值大于或等于对应的最小限值；2）超过50%的该车型车辆IUPR大于或等于最小限值。上述两项须同时满足。

IUPR有利于污染物排放的监控。其一，监督车辆以及时发现与车辆排放相关的故障，IUPR越高，那么监测越及时；其二，通过对IUPR功能进行限值要求，即可表征同一个OBD族类的大多数汽车OBD系统在污染物排放上有类似诊断效率。因此IUPR限值要求越高，则对污染物排放控制越有利。诊断功能、IUPR功能及诊断输出之间的关联如图1所示。

图1 诊断功能、IUPR功能及诊断输出之间的关联

以分母为例解释模型图。分母增加的逻辑：如果驾驶循环内通用分母条件被满足，同时对应诊断条件被满足且未被抑制，则分母累计增加（最多不超过1）。须说明，对一些特殊诊断（如颗粒捕集器的相关诊断）目前尚无明确法规规定，因此暂未被计入IUPR统计中。

1.2 IUPR模型相关计数器的运算规则

每个IUPR诊断都存在一个分子和分母，并保存在EEPROM中。大部分OBD功能诊断与IUPR有关［1］。

在一个循环工况里，分子分母最多增加1。

分子可以在一个驾驶循环内增加，而分母在相同的循环内有可能不增加。所以IUPR可能大于1。每个IUPR诊断都有自己的分子和分母，这些IUPR诊断进行分类成IUPR组。IUPR组的分子和分母等于组内具有最低比例值的分子和分母。

点火循环计数器：点火循环计数代表车辆已经发生过的点火次数，在一个驾驶循环内点火计数最多增加不超过1。

分母计数器增加有两类要求：一类是一般分母（或称通用分母）计数器增加的要求，另一类是特定诊断的分母增长要求。

对于一般分母计数器来说，如果满足以下条件则可增加1：自发动机起动的累积时间大于或等于600s，车速等于或高于40km／h的累积时间大于或等于300s，连续怠速时间（即驾驶员释放加速踏板和车辆速度小于或等于1.6km／h）大于或等于30 s；海拔低于2 440m和环境温度大于或等于－7℃。上述每一个条件都要满足。如果在一般的分母定义周期内（如车速、海拔、怠速时间和运转时间）检测到零部件故障，则OBD系统应该禁止所有IUPR诊断的分子、分母的进一步增加。

对于特定诊断的分母增长来说，除了特殊定义的分母诊断要求外，以下额外的分母增加情况需要被考虑：VVT可变气门正时的分母在该部件执行完两次相应的指令（如“启动”“打开”“关闭”“锁止”）之间的持续时间大于或等于2s，或者累积时间大于等于10s，以驾驶循环内上述两个条件以先到者为准。

所有计数器：相关条件满足时，每个驾驶循环只能加1。

分子和分母的停止：分子分母必须同时停止；对特定的诊断，出现导致该诊断停止的故障或处于动力输出模式；出现停止通用分母的故障。一旦跳出了动力输出模式，则分子分母恢复增长。

1.3 IUPR运算的实现

在该1.6L发动机系统中采用新C30软件，并集成了诊断IUPR功能。C30软件由BOSCH开发，增加为IUPR的运算模块，优化部分功能以节省RAM空间，以满足IUPR必要的运行空间。该软件的载体为新的ME745＋系统硬件。图2以某诊断IUPR功能实现的周期图来说明其计算规则。

图2 某诊断IUPR功能实现的周期图

第一行：指系统供电和ECV启动信号，系统供电后，ECU随即启动。跳跃一次即指发生一次。

第二行：指某诊断进行与否，置“0”指该诊断条件未满足或者被抑制未进行，置“1”则该代表诊断进行。

第三行：分母的条件状态，置“0”指条件未满足，置“1”则该代表条件满足应该被分母累计。

第四行：分子，跳跃即代表驾驶循环内累加。第五行：分母，跳跃即代表驾驶循环内累加。

第六行：IUPR值，其中起始点值置为8，由于开始分母为“0”，不能被除，系统策略将其默认为8，从第2s时刻起，IUPR开始计算后便恢复为实际值。

从图中可以看出，时间点1s时，分子增长，时间点2s时，分母增长，分子与分母并不严格同步，这与法规所描述的分子增长条件的逻辑不一致，因为判断分子和分母的系统时间不可能完全同步，但是不影响一个驾驶循环输出的正确性。

1.4 IUPR道路验证

IUPR的表现与驾驶工况和驾驶风格相关，不同驾驶者在车辆运行时发动机转速与负荷、转速和负荷的动态关系、冷启动的次数、行驶距离、车速等存在较大差异。因此，IUPR相关计数器的表现可能因不同的车型和驾驶员而存在差异。IUPR还需考虑中国环境特征因素的差异，如：温度、海拔、湿度、油品、冷热启动、交通状况等。

道路试验路径选取要考虑其特征性和代表性。路径规划主要考虑原则：1）IUPR最基本需求，海拔低于2 440m，环境温度高于－7℃，车辆持续运行时间超过600s，行驶车速高于40km／h的累计时间超过300s，连续怠速时间大于30s。2）结合目标市场特点、经常使用的道路类型、各种道路限速、冷启动和热机频率、早晚高峰、怠速次数和时间、车速高于40km／h的路段长短、环境温度等。

路径选取举例见表1。

表1 路况选取

道路试验后对数据进行采集和整理，除去存在故障的驾驶循环数据和存在异常情况下（如熄火等）的数据。通过采集的数据，分析潜在风险并根据特征建立数据库，为模拟IUPR率提供依据。

1.5 公告演示

企业需向国家认可的检测机关演示IUPR相关分子和分母的增长，如演示通过，检测机构出具报告描述被检测车辆具有IUPR功能。

IUPR分母验证：满足规定的运行条件时（海拔、温度、工况），无特殊要求的一般分母计数器（如催化转化器、氧传感器等）应增加1。可在OBD试验样车上进行，也可在另一辆车上进行，由检测机构选择。

IUPR分母验证：当完成规定的运转循环时，催化转化器、氧传感器等的分子计数器应增加1。可在OBD试验样车上进行，也可在另一辆车上进行，由检测机构选择。

2 检测NOx来诊断催化器效率的功能开发

2.1 检测NOx来诊断催化器效率的原理

车载诊断系统（OBD）具有通过检测NOx污染物来判断催化器效率低下的功能，即当催化器系统性能退化到NOx排放超过极限值（0.3g／km）时，系统认为有故障，OBD就应亮指示灯警示三元催化器相关部件失效。

由于NOx传感器结构复杂，效率不高以及成本原因，一般车辆上并没有NOx传感器和记录分析仪来显示NOx排放水平。采用OBD系统监控催化器效率的方法主要有3种：双氧传感器法、双碳氢传感器法、双温度传感器法。其中采用双氧传感器应用较为广泛，其主要的逻辑原理见图3。

图3 双氧传感器主要逻辑原理

如图3所示，判断催化器老化的最终指标是催化器的储氧能力。选择一个NOx在MEVG排放循环中达到OBD报警临界值的催化剂，获取其后氧的浓度信息作为标定基准，ECU通过比较实际恶化催化剂与临界催化剂的后氧浓度信息，来判断催化剂效率低下时是否达到门槛值，作为报警与否的判断依据。

2.2 OBD临界催化器标本样件选择

OBD临界催化器是一个重要实物标杆，可以验证标定中设定门槛值的有效性。催化器老化至临界状态可以采用发动机台架老化或者保温炉老化，考虑到经济成本，大多数情况采用保温炉高温烧制老化，其流程见图4。一般保温炉高温烧制时，炉膛温度高于实际车辆上工作温度（约1200℃），其目的为加快其老化。

图4 保温炉高温烧制老化流程

表2反映的是一个经过实际老化后催化剂检测结果：NOx未达门槛值±20%范围，需要提高一个温度梯度继续烧制老化样件，直至选出最终门槛目标样件。需要说明的是，样件排放结果需考虑法规对NMHC的限制要求，京V规范以NMHC或NOx二者谁先达到极限值时为准，一般情况下NOx先达到限值。

表2 老化催化器实测排放结果

选择到排放达到门槛目标的催化剂后，需测量储氧量（OSC）。储氧量信息临界催化剂的一个重要参考特征，后氧延迟法是目前普遍采用的储氧量测量方法，其计算模型可以在一个贫氧变富氧的短促变化周期内完成，其简化公式［2］：

T0和T1是指前、后氧采样时间点；CON是在特定稳态工况下，与发动机排气流量、温度、压力相关。可简化为常量；Front A／F为前氧传感器浓度；Rear A／F为后氧传感器浓度。

截取INCA（德国ETAS公司的发动机控制数据实时监控和标定的工具）读取的实际典型图样（图5）。

图5 INCA实际典型图样

在一个稳定的工况中，通过制造一个短促氧浓度的贫富变化，根据图5曲线对应数据信息，便可以计算出OSC。

最终根据后氧波形的特征信息、OSC信息以及实际测得排放结果三者来最终确认一个合格的临界催化样件。

2.3 OBD临界值报警标定

该发动机OBD系统应用了双氧传感器法，通过对比氧信号振幅来判断催化器是否老化。其系统实现诊断的原理如图6所示。

图6 双氧传感器法诊断原理

由图6可知，当燃烧废气未经过催化器时，前氧传感器获取氧离子波形特征信息，得到此刻的空燃比λ值，通过极限催化器氧气存储模型模拟出后氧特征信息。模拟的后氧特征信息经过氧气探测器模型后，形成模拟的波形特征，此模拟特征与另一路由后氧传感器实际测得的波形特征进行比较，经过过滤处理后，如果振幅特征一致或实测波形振幅大于模拟极限振幅，则MIL被点亮。

指定的循环工况须监控发动机转速、进气管压力、发动机负荷、空气流量、水温、氧传感器信号，并自学习。

按试验条件（京V法规4.3.7条款），在指定车辆上更换老化后催化器，催化器故障指示灯亮，此时测得NOx污染物在门槛值的±20%范围，说明催化器效率监控符合国家法规。

［1］ 北京市环境保护局，北京质量技术监督局.DB11／946－2013.轻型汽车点燃式污染物排放限值及测量方法（北京，V阶段）［S］.2013.

［2］ 陈领平.汽油机车载诊断（OBD）技术及催化器监控开发试验研究［D］.上海：上海交通大学，2007.