柴油機(jī)OBD系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸瑤成，張 波，趙振良，高 飛，徐艷波，劉雪松，尤麗華

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

OBD是英文On-Board Diagnostics的縮寫，即車載診斷系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況隨時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放是否超標(biāo)以及相關(guān)零部件是否異常，一旦檢測(cè)到尾氣排放超標(biāo)或者有零部件異常，它會(huì)點(diǎn)亮故障燈，并記錄故障碼和故障發(fā)生時(shí)的車輛狀態(tài)，同時(shí)通過限制扭矩等方式限制車輛持續(xù)行駛[2]。因此車輛不會(huì)在排放超標(biāo)和有故障的情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，減少環(huán)境污染的同時(shí)排除了車輛本身的安全隱患。OBD記錄的故障碼和故障發(fā)生時(shí)的車輛信息，可以通過儀器讀出，供維修人員參考，這樣就大大方便了車輛的檢修過程。

目前，OBD已經(jīng)成為出廠新車的標(biāo)配，國(guó)外的OBD技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第二代，簡(jiǎn)稱OBDII，并建立一整套標(biāo)準(zhǔn)。而國(guó)內(nèi)對(duì)OBD的研究還處于起步階段，在開發(fā)OBD系統(tǒng)時(shí)需遵循國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。

1 OBDII標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

OBDII標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物限值及其檢測(cè)途徑，檢測(cè)項(xiàng)目，故障處理及指示，故障代碼的定義，故障診斷模塊與外部試驗(yàn)裝置之間的通訊，診斷連接器等內(nèi)容。國(guó)內(nèi)同等引用的標(biāo)準(zhǔn)名稱為HJ 437-2008《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載診斷系統(tǒng)（OBD）技術(shù)要求》和GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法 （中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》。OBDII車載診斷系統(tǒng)的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）具有同一形式的16腳診斷接口，診斷接口位置限定在儀表盤附近[3]；

2）具有統(tǒng)一的數(shù)值傳輸協(xié)議；

3）統(tǒng)一了故障代碼，規(guī)范了自定義故障代碼；

4）比較全面檢測(cè)項(xiàng)目；

5）故障信息可以通過外接設(shè)備直接讀取與擦除；

6）具有黑匣子（駕駛記錄儀）功能。

2 高壓共軌系統(tǒng)介紹

本文的研究對(duì)象為高壓共軌系統(tǒng)，其組成原理如圖1所示。系統(tǒng)工作原理如下：油箱中的低壓油被高壓油泵加壓，進(jìn)入共軌管，共軌管內(nèi)的油壓通過壓力調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)維持在某一比較穩(wěn)定的值，噴油器直接接到共軌管。當(dāng)某一缸需要噴油時(shí)，通過給噴油器電磁閥通一定脈寬的電平信號(hào)實(shí)現(xiàn)噴油定時(shí)、定量、預(yù)噴射和后噴射，同時(shí)，由于軌壓被控制在某個(gè)確定的值，噴油也可以實(shí)現(xiàn)定壓[4]。

本系統(tǒng)需要診斷的項(xiàng)目包括發(fā)動(dòng)機(jī)端的冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、機(jī)油壓力傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、軌壓傳感器等傳感器；發(fā)動(dòng)機(jī)端的噴油器、軌壓調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器；SCR端的催化器上游氧傳感器、上游溫度傳感器、下游氧傳感器、下游溫度傳感器、添藍(lán)液位傳感器、添藍(lán)溫度傳感器等傳感器；SCR端的添藍(lán)泵、添藍(lán)電磁閥、添藍(lán)加熱器等執(zhí)行器；整車端的車速傳感器、油門踏板傳感器、制動(dòng)踏板傳感器等傳感器。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖Fig．1 System composing frame

3 OBDII診斷過程一般邏輯

電控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，可能會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)性故障。如果偶然出現(xiàn)一次不正常信號(hào)，就點(diǎn)亮故障燈和進(jìn)行失效處理，這將會(huì)給維修帶來(lái)不便[5-6]，也是駕乘人員所不能忍受的。為了確認(rèn)錯(cuò)誤信號(hào)是否是真實(shí)的故障，需要對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行真實(shí)性判定。故障判定過程是一種消抖處理過程，一般有時(shí)間消抖法、事件消抖法、加減時(shí)間消抖法和加減事件消抖法等。為了簡(jiǎn)化錯(cuò)誤信息的處理過程，本故障診斷系統(tǒng)采用時(shí)間消抖法。

時(shí)間消抖法是通過啟用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)缺陷信號(hào)出現(xiàn)時(shí)定時(shí)加，缺陷信號(hào)消失時(shí)定時(shí)減，時(shí)間累計(jì)超過一定的閾值時(shí)，該事件成立，否則不成立。缺陷信號(hào)經(jīng)過“定時(shí)加”消抖過程后得到確認(rèn)變成“初級(jí)故障”，未達(dá)到初級(jí)故障標(biāo)準(zhǔn)的錯(cuò)誤信號(hào)稱為偶發(fā)故障，過程如圖2所示。

圖2 初級(jí)故障確診過程Fig．2 Validation of primary failure

當(dāng)初級(jí)故障滿足一定的觸發(fā)條件后變?yōu)榻K極故障。觸發(fā)條件為連續(xù)3個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)或者連續(xù)3個(gè)暖機(jī)循環(huán)等，具體觸發(fā)條件視傳感器而定。當(dāng)連續(xù)的3個(gè)觸發(fā)條件下都檢測(cè)到某個(gè)初級(jí)故障時(shí)，那么OBD可以確認(rèn)此故障為終級(jí)故障。如果故障計(jì)數(shù)過程中，初級(jí)故障消失，那么故障計(jì)數(shù)器清零，初級(jí)故障出現(xiàn)時(shí)重新計(jì)數(shù)。其過程如圖3所示。

圖3 終級(jí)故障確診過程Fig．3 Validation of final failure

4 典型傳感器的故障診斷設(shè)計(jì)

冷卻液溫度傳感器是現(xiàn)代電控系統(tǒng)不可缺少的傳感器之一，其敏感元件一般是具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻[7]。在柴油機(jī)所有阻性傳感器中具有一定的典型性，因此選擇此傳感器進(jìn)行故障診斷研究，可為其它傳感器的診斷提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

4.1 診斷電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的NTC測(cè)溫范圍為-50～150℃，對(duì)應(yīng)的電阻值為 20～0．2 kΩ，精度為 0．01 ℃/kΩ。在精度足夠高的情況下，采用的電路越簡(jiǎn)單，工作越可靠，成本越低。由于其電阻變化范圍比較大，且是連續(xù)變化的，采用簡(jiǎn)單的分壓電路即可換算出溫度值。另外為了濾除干擾信號(hào)，采用一階低通濾波電路；為了防止瞬時(shí)高電壓對(duì)主芯片造成沖擊，在單片機(jī)信號(hào)輸入端口裝兩個(gè)肖特基二極管以滿足汽車電子苛刻的工作條件。連接電路如圖4所示。電路中無(wú)需特殊的診斷附屬電路，診斷時(shí)復(fù)用信號(hào)采集端口AN4即可。

圖4 冷卻液溫度傳感器診斷電路Fig．4 Diagnostic circuit of coolant temperature sensor

4.2 診斷策略設(shè)計(jì)

1）超限診斷

①冷卻液溫度傳感器信號(hào)電壓值高于標(biāo)定上限值；

②冷卻液溫度傳感器信號(hào)電壓值低于標(biāo)定下限值。

當(dāng)接線端口（I_A_CTS）對(duì)地短路時(shí)，相當(dāng)于單片機(jī)信號(hào)端口經(jīng)過一個(gè)電阻接到地線，因此輸入電壓為0采樣值也為0；當(dāng)接線端口（I_A_CTS）對(duì)電源短路時(shí)，相當(dāng)于單片機(jī)信號(hào)端口經(jīng)過一個(gè)電阻接到電源，因此輸入電壓為電源電壓5 V采樣值也為滿量程1 023。當(dāng)接線端口（I_A_CTS）與傳感器沒有連接時(shí)，那么電源電壓經(jīng)過兩個(gè)確定的電阻分壓后經(jīng)過濾波電路進(jìn)入信號(hào)采集端口，因此輸出電壓為固定的分壓值（5/（1．5+39））×39=4．81 V，相應(yīng)的采用值為（1 024/（1．5+39））×39=986。超限故障診斷的判斷參考值列于表1。

表1 冷卻溫度傳感器超限故障測(cè)量值表Tab.1 Coolant temperature sensor overrun failure m easure value

2）合理性故障診斷

①冷起動(dòng)時(shí)，比較冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度和燃油溫度的數(shù)值，如果差值超過標(biāo)定值，可判定冷卻傳感器發(fā)生故障。

②發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后在超過標(biāo)定的輸出功率下運(yùn)行規(guī)定時(shí)間內(nèi)，冷卻液溫度沒有升高到標(biāo)定的限值，可判定發(fā)生故障[8]。

3）跛行回家控制策略

在起動(dòng)工況下，當(dāng)冷卻液溫度傳感器出現(xiàn)故障且進(jìn)氣溫度傳感器無(wú)故障時(shí)，采用進(jìn)溫度減去5℃作為缺省值，進(jìn)行噴油；若冷卻液溫度傳感器和進(jìn)氣溫度傳感器均出現(xiàn)障時(shí)，采用-40℃時(shí)的油量起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，從而保證順利起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

在怠速或運(yùn)行工況下，當(dāng)冷卻液溫度傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)按照冷卻液溫度40℃時(shí)的量噴油；若無(wú)進(jìn)氣溫度傳感器故障，則此時(shí)按照傳感器采樣的AD值對(duì)應(yīng)的油量噴射。

當(dāng)冷卻液溫度超過100℃時(shí)，進(jìn)行冷卻液溫度超高報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)限制燃油噴射量，限制系數(shù)由冷卻液溫度超高的限制曲線決定。

當(dāng)冷卻液溫度傳感器發(fā)生開路或短路故障時(shí)，外特性油量限制在正常值的40%，此時(shí)的噴油量取當(dāng)前油量和40%的外特性油量的較小值。

4.3 診斷策略仿真及臺(tái)架試驗(yàn)

1）仿真研究

利用MATLBA SIMULINK對(duì)故障診斷策略建立仿真模型，運(yùn)行得到圖 5，圖6。

圖5 冷卻液溫度傳感器故障確認(rèn)Fig．5 Validation of coolant temperature sensor

從圖5可以看出，在AD采樣值出現(xiàn)超上限故障后的3個(gè)時(shí)間單位建立故障確認(rèn)標(biāo)志位，AD采樣值恢復(fù)正常后的3個(gè)時(shí)間單位，故障確認(rèn)標(biāo)志位復(fù)原。故障計(jì)數(shù)器在AD值出現(xiàn)異常后立即開始計(jì)數(shù)減，在AD恢復(fù)正常時(shí)，立即開始計(jì)數(shù)增，不過增減速度不同。超上限標(biāo)識(shí)位在AD超上限時(shí)立即標(biāo)記，在AD恢復(fù)時(shí)立即復(fù)原。

從圖6可以看出，當(dāng)啟動(dòng)“跛行回家”模式后，油溫值隨著故障的發(fā)生與恢復(fù)而變化，但是油量啟用默認(rèn)值。

圖6 跛行回家模式油量限制Fig．6 Gas restriction in limp homemode

2）臺(tái)架試驗(yàn)

通過仿真模型自動(dòng)生成程序代碼，下載到ECU中。通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的標(biāo)定系統(tǒng)可讀出故障信息，如圖7、圖8所示。

圖7 起動(dòng)工況下冷卻液溫度傳感器正常Fig．7 Coolant temperature sensor okay at start state

圖8 起動(dòng)工況下冷卻液溫度傳感器開路故障Fig．8 Coolant temperature sensor open circuit at start state

設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，標(biāo)定軟件監(jiān)控冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度傳感器故障標(biāo)志位以及進(jìn)氣溫度傳感器故障標(biāo)志位。

起動(dòng)工況下，在進(jìn)氣溫度傳感器無(wú)故障時(shí)，將冷卻液溫度傳感器對(duì)地開路，對(duì)照?qǐng)D8和圖7，可以看出，故障后的冷卻液溫度值（62℃）取進(jìn)氣溫度（67℃）減去5℃作為缺省值；噴油量取缺省溫度對(duì)應(yīng)油量和外特性40%的油量較小值，從正常的7 710變?yōu)楝F(xiàn)在的8 445；軌壓維持不變，同為325；冷卻液溫度傳感器故障標(biāo)志位置位1。

起動(dòng)工況下，設(shè)定冷卻液溫度為32℃，進(jìn)氣溫度為27℃，冷卻液溫度傳感器在63 s時(shí)出現(xiàn)開路故障，此時(shí)的冷卻液溫度取進(jìn)氣溫度減去5℃作為缺省值，即22℃，噴油量取當(dāng)前油量和外特性40%的油量最小值噴油。從圖9中可以看出，當(dāng)開路故障發(fā)生后，噴油量和水溫曲線都有突變，從其變化值可以看出故障診斷策略得到了執(zhí)行。圖中，故障發(fā)生后，噴油量不減反而增加是因?yàn)槿笔≈当葘?shí)際值減小了。（圖中的冷卻液溫度有40℃的偏移量）

圖9 起動(dòng)工況下冷卻液溫度傳感器開路故障對(duì)油量的限制Fig．9 Gas restriction at coolant temperature sensor open circuit

5 結(jié) 論

臺(tái)架試驗(yàn)證明論文設(shè)計(jì)的故障診斷方法簡(jiǎn)單可靠，系統(tǒng)能夠在故障出現(xiàn)后給出準(zhǔn)確的故障判斷，并進(jìn)入跛行回家狀態(tài)。該診斷方法具有一定的典型性，可以為系統(tǒng)中的其它傳感器執(zhí)行器的診斷提供相應(yīng)的參考。

[1]王敏，楊文峰．OBD—車載診斷系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J]．汽車運(yùn)用，2007（6）：31-32．

WANG Min，YANG Wen-feng．Brief introduction of OBD System[J]．Auto application，2007（6）：31-32．

[2]汪云．電控柴油機(jī)實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)研究[D]．北京：北京理工大學(xué)，2000．

[3]魯學(xué)柱，王國(guó)權(quán)．OBD技術(shù)及其發(fā)展[J]．電子測(cè)量技術(shù)，2006，29（5）：24-26，29．

LU Xue-zhu，WANG Guo-quan．Technology and development of OBD[J]．Elecrtonicmeasurement technology，2006，29（5）：24-26，29．

[4]梁峰．高壓共軌式電控柴油機(jī)故障自診斷系統(tǒng)研究[D]．上海：上海交通大學(xué)，2004．

[5]Roy S．Cox著．汽車第二代車載診斷系統(tǒng)（OBD Ⅱ）解析[M]．馮永忠，譯．北京：機(jī)械工業(yè)社，2006．

[6]黃森仁，鄭宏，龔進(jìn)峰，等．基于R8C的汽車OBD通用故障診斷儀設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（15）：153-155，161．

HUANGSen-ren，ZHENGHong，GONG Jin-feng，etal．Design of vehicle OBD general trouble diagnostic tester based on R8C[J]．Modern Electronic Technique，2009（15）：153-155，161．

[7]楊杰民，鄭霞君．現(xiàn)代汽車柴油機(jī)電控系統(tǒng)[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2002．

[8]楊華騰，卓斌．發(fā)動(dòng)機(jī)新型電控系統(tǒng)的故障診斷的研究與開發(fā)[J]．車用發(fā)動(dòng)機(jī)．2001，2（1）：35-38．

YANG Hua-teng，ZHUO Bin．R ＆ D of fault diagnosis of a new electronic control system of engines[J]．Vehicle engine，2001，2（1）：35-38．