北京地区第五阶段在用轻型车OBD监测频率的特征分析

刘俊女,温 溢,刘 宪,杨正军



北京地区第五阶段在用轻型车OBD监测频率的特征分析

刘俊女1*,温 溢2,刘 宪1,杨正军2

(1.北京市机动车排放管理中心,北京 100176；2.中国汽车技术研究中心,天津 300300)

随机采集北京地区200辆满足第5阶段排放标准在用车的车载诊断系统(OBD)的IUPR(OBD监测频率)数据,测试了4种典型车系的在用车在实际道路行驶工况下IUPR各监测项的特征分布,并和NEDC工况下的实验结果进行对比.结果表明:采集数据车辆的OBD系统均能实现对催化器和氧传感器的监控,对EGR和次级氧传感器的监控也可分别达到74%和91%;在用车平均点火循环3.9次才能满足一次目前IUPR的监测条件;各监测项IUPR均值均远大于国五标准限值0.10,但各IUPR监测值分布存在差异,催化转化器和氧传感器的达标率均为92%;实验室NEDC模拟工况基本能实现对各车系机动车尾气排放控制的监测,但4条实际道路测试结果则表明不同车系IUPR监测项分子+1的差异较大;拥堵路况的低速工况下OBD系统难以实现对车辆尾气排放控制系统各监测项的有效监测.因此,需结合北京实际路况进一步完善在用车辆OBD系统的监测条件,实现对北京在用车尾气排放控制系统的有效监控.

北京；国五标准；在用车；OBD；监测频率

近年来,我国京津冀等城市群区域严重雾霾多发,其中机动车尾气排放是雾霾形成的主要因素[1-2].车载诊断系统(OBD)对防止因机动车排放相关零部件老化而造成车辆排放恶化起到了重要的作用,是机动车排放监管的可行方案和重要手段[3-7].为了监测OBD系统对诊断执行的频率,北京市于2015年1月1日在全国范围内率先实施轻型汽车第5阶段标准中对OBD监测频率(IUPR)功能的要求[8].增加IUPR功能,首先可以监督车辆及时发现与车辆排放相关的故障,IUPR值越高,表明监测越及时.此外,对IUPR功能进行限值要求,可表征同一OBD系族的多数车辆在污染物排放上的类似诊断效率[9-10].因此,IUPR限值要求越高,对污染物排放控制越有利.目前国内研究主要是OBD系统对主要传感器IUPR监测功能的分析及在不同实验室工况下的验证[10-11].欧美从20世纪90年代就提出了OBD的法规要求,更多关注于测试工况与实际道路工况对比的完善及OBD监测系统的敏感性与改进等[12-14].通过对比分析40辆和10辆分别在美国和欧洲行驶轿车OBD的IUPR数据,得出驾车人的驾驶风格及实际道路情况均对IUPR存在影响[15].此外,通过波兰实际道路与美国FTP75测试工况和欧洲NEDC测试工况下OBD的IUPR数据对比分析,表明调整相应系数的美国测试工况更符合波兰的实际道路情况[16].但是对一个区域城市在用车IUPR的整体水平以及车辆实际道路使用中IUPR的分析还鲜见报导.

本文选择中国最早实施《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》(GB18352.5-2013)标准的城市北京,随机采集200辆满足第5阶段排放标准在用车的IUPR数据,分析北京市国五在用车IUPR各监测项的达标情况,并结合4种典型车系的在用车的实际道路测试结果,分析不同行驶工况下IUPR各监测项的变化特征,为完善车辆OBD系统监测提供科学依据.

1 试验车辆及方法

1.1 IUPR数据采集方法

IUPR数据采集所用设备为Silver Scan-Tool(RA,德国),可直接读取满足SAE J1979, SAE J1939和ISO 27145标准的车辆OBD系统中IUPR的分子和分母数值.通过下面的计算公式,可以得到某一特定监测项目的IUPR.

式中:IUPR是指某一特定监测项目的实际监测频率;分子计数器是指某监测器的计数器记录的车辆运行时满足监测条件的次数(次);分母计计数器指记录的车辆实际驾驶事件的数目(个).

通常在一个循环工况里,分子分母最大增加计数1次.采集的信息包括车辆OBD系统中催化器(Cat)、氧传感器(O2),次级氧传感器(Se-O2)、废气再循环(EGR)系统、可变气门正时(VVT)系统、二次空气系统(Se-Air)、蒸发系统(Eva)等的分子和分母数据.

1.2 在用车IUPR随机检测

随机挑选200辆带有IUPR功能的在用车进行IUPR数据检测.200辆样车里程主要集中在10万km以下,其中欧系车140辆,美系车30辆,日系车10辆,国产车20辆.由于欧洲实施IUPR要求较早且北京地区欧系车辆比重较大,所以在所选的样车中,欧系车比重占70%.通过采集200辆样车的有效数据,经公式(1)计算得出所有车辆各监测项的IUPR值.

1.3 在用车IUPR实际道路测试

表1 在用车实际道路测试试验所用车辆参数 Table 1 Parameters ofvehiclesused in actual road test

选定4辆典型车系在用车(表1),并设计道路测试试验的4条路线(图1),分别代表北京的4种典型路况.其中,路线1代表北京近郊的典型路况,总里程约10km;路线2代表北京的环线、联络线典型路况,总里程约25km;路线3代表北京市区的典型路况,总里程约11km;路线4代表北京上下班最繁忙拥堵的典型路况,总里程约11km.由于NEDC循环工况是我国法规用来作为OBD型式认证的试验循环,包括4个市区运转循环和1个市郊运转循环,总里程约11km,因此,在实验室转鼓上运行NEDC工况(New European Driving Cycle)作为参照.选定的4条实际路线与NEDC工况里程相比,除了线路2由于设计为联络线和环线路况,里程数较大外,其他3条线路与NEDC工况的里程相差很小,适合进行对比分析.试验过程中采集车辆在每种线路开始和结束时的时间、里程、IUPR分子分母等数据.为了满足IUPR分母加1的条件在NEDC工况后增加了30s的连续怠速时间,最后,基于采集的数据,计算实际监测频率IUPRM.

(a) 线路1(10km) (b)线路2(25km)

(c)线路3(11km) (d)线路4(11km)

图1 在用车实际道路试验路线
Fig.1 Actual road routes of in-use vehicles test

2 结果与分析

2.1 随机采集的在用车IUPR功能特征

2.1.1 在用车IUPR各监测项的监测比例 随着机动车污染物排放标准逐渐加严,汽车机外净化技术不断发展,主要包括催化器技术、曲轴箱强制通风装置、燃油蒸发控制系统、EGR及二次空气系统等,汽车生产企业会根据车辆的排放特征和排放法规要求配置不同的污染物后处理系统.图2为采集的200辆样车中各监测项在样本中所占的比例,其中所有样车的OBD系统均能100%完成对催化器(Cat)和氧传感器(O2)的监控,这也是目前文献中报导OBD监测的主要传感器[10-11].此外次级氧传感器(Se-O2)和EGR的监控比例也很大,分别为91%和74%.对于配置有二级催化器的车辆,其催化器2(Cat-2)、氧传感器2(O2-2)、次级氧传感器2(Se-O2-2)、二次空气系统(Se-Air)和蒸发系统(Eva)被监测到的比例均低于30%,这与样车采用的尾气排放控制技术有关,反映出了北京地区国五在用车的整体污染物排放控制系统配置水平.

2.1.2 车辆满足IUPR监测条件的次数占点火循环计数的比例 对于IUPR的一般分母计数器,只有满足了以下所有条件才能实现计数增加1:在一个驾驶循环内,环境温度高于-7℃,海拔低于2440m,发动机启动累计时间大于或等于600s,车辆在高于40km/h的速度累计运行超过300s,持续怠速运行超过30s.车辆在实际路况行驶时,受路况和驾驶习惯等因素影响,并不能保证每个点火循环均能满足分母增加1的条件.图3统计了200辆样车满足监测条件实现分母增加1的平均点火循环次数,结果可见所有样车均是点火启动多次运行后才能满足一次监测条件实现分母增加1,大部分车辆集中在2至6次,最大为16次,平均点火循环3.9次才能满足一次监测条件.这可能与北京地区的行驶路况有关,长时间的道路拥堵容易使车辆长期在低速运行,很难达到高于40km/h的速度累计运行时间的分母计数要求.因此,若需增加OBD系统的监控频率,达到每个点火循环均能实现对关键尾气排放控制件的监控,从而使IUPR值真正反映OBD系统的监控频率,还需根据北京的实际行驶路况调整分母加1的监控条件.

2.1.3 各监测项IUPR值特征分布 对随机选择的200辆样车进行统计,来分析北京市国五在用车IUPR的整体水平.由表2可见,法规要求的6种主要监测项IUPR均值均远大于国五标准限值0.10,且与Euro 6plus IUPR限值相比,也远大于标准限值.北京地区在用车单车IUPR值监控能够满足目前及未来相关机动车尾气排放监管的法规要求.

表2 各监控项IUPR均值及相关标准限值 Table 2 IUPR mean value of each monitoring item and related standard limit

由图2可以看出,由于200辆样车尾气排放控制系统配置水平差异,各监测项的被监测比例不同.因此,本文选取监控比例较大的Cat、O2、EGR和Se-O2的IUPR值进行了分析.由图4a可见,IUPR值主要分布在0.2~1.3之间.所有样本中Cat IUPR值的最大为1.93,最小为0.02.对于国五标准中0.1的限值,其达标率为92%,仍有8%的样本车辆不能满足目前北京市关于尾气排放监控的要求.图4b显示,IUPR值主要分布在0.5~1.5之间,最大为5,最小为0.03.对于国五标准中0.1的限值,其达标率为92%.图4c显示,IUPR值主要分布在0.5~1.8之间,最大为2.7,其中有18辆车未监测到Se-O2的IUPR,有17辆车IUPR值为0,说明有17.5%的样车Se-O2没有被OBD监测到或没有完成监测,而Cat是否劣化失效是通过前后氧传感器信号变化来判定的,因此会导致车辆排放相关故障不能被及时监测.图4d中,在配备EGR系统的147辆样车中,IUPR值主要分布在1~3之间,最大为4.67,最小为0.12.对于标准中0.1的限值,全部样车均能达到法规要求.

2.2 在用车实际道路测试的IUPR值特征分布

如图5可见,5种线路大多平均速度在25~ 35km/h左右.线路2平均速度最大,为34.5km/h;线路4为拥堵路况,平均速度仅为19km/h,且出现一次平均速度仅为14km/h的工况.不同运行线路的速度工况会影响OBD系统IUPR的监测频率,进而影响对尾气排放处理控制系统的监测.

由表3可知,对于实验室NEDC(+30s怠速)行驶工况,除了C车的Se-O2和EGR两个检测项的分子项没有增加1以外,其他各车的各监测项均实现了分子、分母增加1,说明实验室内的模拟工况基本能实现对各车系机动车尾气排放控制的监测,这和文献中报导的结果是一致的[10-11,16].但从实际道路监测结果来看,4条线路基本能满足标准中规定的分母加1的条件,但不同车系分子加1的特征差异较大,其中4种车型均出现了Se-O2分子项计数不变的情况,特别是B车在4条道路测试试验中Se-O2分子项计数均未增加1;此外,A车和B车均出现了Cat分子项计数不变化的情况,C车出现了EGR分子项计数不变化的情况.这主要是因为不同车企选择的OBD系统生产厂家以及控制策略不同,虽然Cat、O2、EGR等分母项计数加1的条件相同,但每个分子项计数加1的条件却不尽相同.不同车辆生产企业会将不同的OBD系统配置在不同地区的不同类型车辆上,所以在IUPR控制策略上也会有所侧重,从而造成了试验结果中不同车系车辆IUPR变化不一的情况.B车在线路4运行时,由于试验时间为下班高峰期,出现拥堵路况,整条路线平均速度仅为14km/h,导致除Cat分母项计数增加1以外,其它IUPR监测项分子分母计数均未发生变化,说明在拥堵路况的低速工况下OBD系统难以实现对车辆尾气排放控制系统各监测项的监测,需引起机动车排放管理部门的重视.

从实现IUPR有效监测(即分子分母都加1)的情况来看,4条实际道路试验Cat、O2、Se-O2和EGR的有效监测次数分别占总数的10/16, 14/16,6/16和9/16,Se-O2的有效监测最低,O2的有效监测最高;从车系的有效监测来看,4种车系的有效监测依次为9/16,8/16, 12/16和11/16,C车和D车的有效监测较高.整体来看,4种车系的IUPR有效监测均在50%以上,基本能完成IUPR监测,但还需结合北京典型路况进一步完善在用车辆OBD系统的监测条件,实现在北京实际路况下对尾气排放控制系统的有效监测.

表3 4辆样车各监测项IUPR变化 Table 3 The IUPR changes of four vehicles

3 结论

3.1 北京地区机动车OBD系统均能实现对Cat和O2的监控,对EGR和Se-O2的监控也可分别达到74%和91%,其他监测项则低于30%,说明北京地区国五在用车在尾气排放控制系统的配置上存在差异.

3.2 北京地区机动车平均点火循环3.9次才能满足一次目前IUPR的监测条件,这主要是因为北京地区长时间的道路拥堵容易使车辆长期在低速运行,较难达到分母计数要求的40km/h的速度累计运行时间.降低平均点火循环均次数,才能更有效的对在用车排放相关零部件进行监控.建议今后可以根据北京实际路况来完善IUPR的设计.

3.3 北京地区机动车6种主要监测项IUPR均值均远大于国五标准限值0.10,且满足Euro 6plus IUPR限值要求,但各IUPR监测值分布存在差异Cat和O2的达标率均为92%,仍有8%的样本车辆不能满足目前北京市关于尾气排放监控的要求.

3.4 实验室NEDC工况基本能实现对各车系轻型车污染物排放控制的监测,但4条实际道路测试结果表明不同车系IUPR监测项分子加1的差异较大,这表明各车系OBD系统的IUPR控制策略各有侧重.同时,拥堵路况的低速工况下OBD系统难以实现对车辆排放控制系统各监测项的有效监测.因此,需结合北京典型路况进一步完善在用车辆OBD系统的监测条件,实现在北京实际路况下对尾气排放控制系统的有效监测.

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*责任作者, 高级工程师, masha0708@sina.com

Investigation on OBD monitoring frequency characteristics of China V in-use LDV in Beijing

LIU Jun-Nǚ1*, WEN Yi2, LIU Xian1, YANG Zheng-Jun2

(1.Beijing Vehicle emission management center, Beijing 100176, China；2.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China)., 2016,36(7)：1974~1980

The IUPR (OBD monitoring frequency) data of 200 in-use China V cars were randomly collected in Beijing. And the characteristic distributions of the IUPR monitoring values were tested by driving four kinds of typical cars on actual road, then the results were compared with experimental tests under New European Driving Cycle (NEDC). The results showed that the catalytic converter and oxygen sensor of OBD system could be monitored for collection vehicle, and the monitoring rates of EGR and secondary oxygen sensor could reach 74% and 91%respectively. At present, 3.9timesignition cycles could meet an IUPR monitoring conditions on average. The IUPR average values for each monitoring items were far greater than the China V limit value of 0.10. However, there were some differences for monitoring value distribution. Catalytic converter and oxygen sensor monitoring rates were both 92%. And the monitoring of the vehicle emissions could be realized basically under indoor NEDC, but the test results on 4 actual road indicated that different vehicles had different IUPR monitoring results for molecule adding 1. OBD system was difficult to achieve effective monitoring of vehicle exhaust emission for the traffic jams and low speed. Therefore, it is necessary to combine the actual conditions in Beijing to further improve the monitoring conditions of the vehicle OBD system, and the effective control of the vehicle emission control system will be achieved in Beijing.

Beijing；China V；in-use vehicle；OBD；monitoring frequency

X51

A

1000-6923(2016)07-1974-07

刘俊女(1980-),女,河北沧州人,高级工程师,硕士,主要从事机动车排放控制研究.已发表论文8篇.

2015-12-28

国家环境保护部公益项目(201409021)