汽油机国六OBD标定方法的研究

王宜非

摘要：根据GB18352.6_2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》法规要求，基于汽油机整车的车载诊断系统（OBD）介绍了失火诊断系统、氧传感器系统、催化器系统的诊断原理和标定方法。

关键词：OBD;标定;失火;氧传感器;催化器

引言

车载诊断系统（OnBoardDiagnostics，OBD）是发动机管理系统（EngineManagement-System，EMS）的重要组成部分，用于排放控制系统相关故障的监测。当其监测到与排放相关的任何传感器、执行器或部件发生故障时，OBD系统应能正确判别其故障，并将当前循环的未决故障及下一个循环的确认故障存储在发动机控制单元（ElectronicControlUnit，ECU）中。在存储确认故障的同时点亮车载仪表的故障指示灯（MalfunctionIndicatorLamp，MIL），以此对驾驶员进行提醒使其安全驾驶和及时处置出现的故障。为满足国标第六阶段关于OBD诊断的要求，整车厂家或者电控单元供应商需针对汽油机和整车配置的传感器、执行器以及排放相关零件进行OBD匹配标定，使其满足OBD法规和主机厂开发需求。OBD如何有效且合理的工作需要通过标定，其主要目的是当车辆有故障时如何准确判断排放已经超标。避免车辆已经超过排放阈值仍然在驾驶，同时也需要避免未达到排放阈值时OBD误报警造成不必要的维修[1]。这部分的工作需要针对每一个故障结合法规中的Ⅰ型试验和OBD系统试验进行标定。本文基于某型2.0TGDI汽油机和德尔福电控系统对OBD公告认证项中的失火检测诊断、氧传感器劣化诊断、催化器诊断的诊断原理和标定方法进行介绍，并对标定中出现的问题进行研究。

1标定前准备

OBD诊断的大部分标定工作需基于新鲜后处理排放和老化后处理排放合格及数据固化后进行，老化排放合格的要求是原则是不超过但是接近法规要求的Ⅰ型试验排放阈值（第一类车：国六b标准为一氧化碳（CO）0.5g/km、非甲烷碳氢（NMHC）0.05g/km，碳氢化合物（THC）0.05g/km，氮氧化合物 （Nox）0.035g/km，微粒物排放量（PM）0.003g/km，颗粒数量（PN）6.0×1011），最佳状态为排放阈值的80%-90%之间，最好不要超过100%。主要通过排放I型试验结果来标定各系统诊断阈值的大小。其中氧传感器诊断、失火诊断及其他排放相关零部件的诊断标定需在均在装有合格老化后处理（老化后处理为整车20万公里耐久试验后的后处理，且Ⅰ型排放满足要求）的车辆上进行。催化器诊断是在装有临近后处理的整车上进行，临界后处理为失效后处理，排放结果满足OBD法规限值的80%-90%（第一类车国六b法规OBD阈值标准为一氧化碳（CO）1.9g/km、非甲烷碳氢（NMHC）+碳氢化合物（THC）0.260g/km，微粒物排放量（PM）0.012g/km）[2]。本文中的老化后处理（前TWC1000℃10h，后cGPF980℃10h）和临界后处理（前TWC1200℃30h，后cGPF1200℃30h）均采用后处理供应商提供的炉子老化方法制备，

2失火诊断标定

失火检测通过评估来自曲轴飞轮信号的发动机速度波动来判断是否发生了失火。以四缸机为例，正常情况下每缸燃烧产生的扭矩对曲轴旋转的驱动作用按照曲轴转角划分为180度。如下图所示

在无失火发生时，曲轴转过对应的180度所用的时间（分段时间）应该相同。分段时间对应于两次点火之间的间隔。在某缸发生失火的时候，对应的分段时间会明显延长。通过监测分段时间的变化可以判断是否发生了失火。

根据连续几个分段时间可以计算出评价发动机转速波动的指标，即发动机运转不平度，它反映了转速的加速度。

当某一缸发生失火时曲轴旋转速度会降低，系统通过监测曲轴旋转速度的变化来判定是否有失火发生，系统会根据曲轴旋转的加速度实时计算失火index值，如果发动机运转平稳，计算得到的index较小，曲轴旋转速度突然降低，会计算得到一个较大的index值，如果index超过标定的限值，则认为发生了失火

由于在不同的转速和负荷点处发生失火的时候，发动机运转不平度的大小也不同，因此判断失火的阀值也不同。所以失火诊断的标定必须覆盖整个检测区域。

3氧传感器劣化诊断标定

氧传感器是汽油机燃油闭环控制的重要一环，氧传感器响应的及时性和时效性是空燃比控制的关键，直接影响着排放的好坏，因此发动机控制系统需时刻监测氧传感器的信号，以防止因为氧传感器信号的恶化而导致排放的超标。同时能准确及时的识别出氧传感器劣化造成的排放相关的故障。氧传感器诊断功能包括：前后氧传感器线路故障检测，前后氧传感器老化检测，前后氧传感器加热功能检测。本文主要对前氧传感器的老化诊断标定进行介绍，前氧传感器劣化诊断分为响应延迟和响应延缓，氧传感器响应延迟的劣化方式是对氧信号响应的一种延迟，它并不改变氧信号浓稀转变的时间，改变的是氧信号保持在浓（稀）的时间。下图中前氧信号保持浓状态的时间明显大于保持在稀的时间。

与响应延迟的劣化方式不同，前氧传感器信号响应延缓的劣化方式是改变氧信号浓稀转换的时间。如下图：

响应延迟标定方法：使用前氧传感器模拟器造前氧传感器延遲用于模拟前氧传感器延迟故障（比如设置前氧延迟0.8s，该值一般为经验值），车辆冷起动运行WLTC工况并测排放，采集前氧传感器停留在浓区以及稀区的平均时间，根据排放结果（对比OBD阈值，使其排放结果满足OBD阈值的80%-90%），更改响应延迟时间重复标定过程，直至排放结果满足要求并设置合理的诊断阈值。

响应延缓标定方法：前氧传感器模拟器设置响应延迟系数（比如设置0.07，该值为经验值）造前氧传感器响应延缓故障。车辆冷起动运行WLTC工况并测排放，采集前氧传感器电流由稀到浓与由浓到稀平均时间、根据采集的电流由稀到浓与由浓到稀平均时间及排放结果优化诊断阈值。优化后的阈值见下表：

以上标定工作较繁琐，且耗时较大，需根据经验来设置前氧传感器模拟器的响应参数，并结合排放结果来优化阈值，否则会造成标定资源浪费及标定阈值不够精细。

4临界催化器标定

德尔福电控系统诊断方法：基于检测催化器的储氧能力（OSC）;需要在催化器上、下游各安装一个氧传感器，通过比较上游和下游氧传感器的输出值，EOBD系统从而探测催化器的转换效率;德尔福的诊断方法是在怠速工况下，改变空燃比（减稀、加浓），观测下游氧传感器对空燃比的反应时间。如时间过短，则转换器已丧失储氧能力。

诊断过程标定：催化器诊断阈值的标定前需打开催化器诊断的作动条件，保证催化器诊断只在热机稳态怠速工况下进行，检查一下监测量：发动机运转时间、怠速转速、水温、进气温度、催化器温度、进气流量等。所有条件均满足设定的作动条件。催化器诊断能够在每次怠速只做一次诊断，通过两个阶段的作动来计算出储氧时间（第一阶段——空燃比减稀，给催化器充氧;第二阶段——空燃比加浓，测量储氧时间）。

诊断阈值标定：在装有合格后临界后处理（储氧时间小于2s，排放结果满足OBD阈值要求）路试多次测储氧时间，待储氧时间稳定后上整车转毂进行WLTC循环工况测试，调整优化诊断作动条件使其在每个驾驶循环完成两次诊断，根据测试到的储氧时间优化诊断阈值，使其两个驾驶循环后报出故障并点亮MIL灯，该过程需反复测试优化标定阈值，直至诊断作动条件满足诊断需求，阈值设定合理，排放结果满足法规需求。

5标定遇到的问题

问题描述：催化器诊断是通过空燃比的减稀加浓来计算储氧时间的，其中空燃比变化速率的标定是最容易出現问题的部分。空燃比变化速率标定过大容易造成发动机怠速波动，造成怠速储氧时间计算失败;空燃比变化速率标定过小，虽然发动机怠速稳定，但又容易使空燃比爬升的时间太长，会延长ICMD诊断试验所需时间，也会造成怠速储氧时间计算失败。根据经验：通常空燃比爬升时间不宜超过200ms。空燃比变化率需遵循以下公式：

空燃比变化幅度=空燃比爬升时间/空燃比变化速率×1.56ms.

解决方法：关闭所有附件使发动机怠速进气流量最小，调整空燃比变化速率进行ICMD诊断试验，评估诊断试验从第一阶段变化到第二阶段时发动机的转速波动。在转速波动可接受的前提下尽量取空燃比变化速率的较大值。

6结束语

本文根据法规需求并结合工作经验，总结了催化器、失火和前氧响应的诊断原理及基本标定方法，并就具体遇到的标定问题进行经验分析并提出具体的解决方法。

参考文献

[1]何兴，何智渊，黄迎，李圆，赵利文.汽油机国五OBD标定及问题研究[J].上海：现代车用动力，2017，（03）：49-54.

[2]GB18352.6—2016，轻型汽车污染物排放阈值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[3]王永军.轿车车载诊断（OBD）系统核心技术研究[D].长春：吉林大学，2007.

[4]赵燕，李君，张磊磊.轻型汽油车OBD法规分析和技术对策研究[J].上海汽车，2013，（05）：57-58.