摩托車歐Ⅴ法規(guī)OBD系統(tǒng)的技術(shù)要求分析

仲偉軍 王 青 石 偉 竇金泉 邱鵬旭

（1-天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072 2-國(guó)家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（天津））

引言

OBD 系統(tǒng)（on-board diagnostic system）是車載診斷系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，OBD 系統(tǒng)能夠通過計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的故障代碼識(shí)別出車輛發(fā)生故障的區(qū)域。

目前，在輕型車輛上已普遍安裝了OBD 系統(tǒng)。當(dāng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)或排放控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，有可能導(dǎo)致排氣污染物排放量超過OBD 閾值，或故障危及到車輛行駛安全時(shí)，故障燈會(huì)激活報(bào)警，提醒駕駛員。OBD 系統(tǒng)能控制和降低排放，降低維修成本，方便車輛故障的診斷和維修。

1 摩托車OBD 系統(tǒng)現(xiàn)狀

摩托車OBD 系統(tǒng)類似于汽車OBD 系統(tǒng)。在美國(guó)，因?yàn)槟ν熊嚤Ｓ辛肯鄬?duì)較少，截至現(xiàn)在，管理機(jī)構(gòu)尚未要求摩托車安裝OBD 系統(tǒng)。歐洲自2000 年1月1 日起，對(duì)于所有在歐盟成員國(guó)內(nèi)上市銷售的新型摩托車，推薦安裝歐洲車載診斷系統(tǒng)（EOBD），并沒有強(qiáng)制要求[1]。但2013 年發(fā)布的（EU）No 168/2013法規(guī)，要求自2016 年1 月1 日起，摩托車上必須安裝OBD 系統(tǒng)，并在（EU）No 134/2014 和（EU）No 44/2014 法規(guī)中規(guī)定了OBD 系統(tǒng)的測(cè)試程序、閾值、功能以及標(biāo)準(zhǔn)化要求等[2]。中國(guó)自2018 年7 月1 日開始執(zhí)行摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制要求摩托車安裝OBD 系統(tǒng)[3]?？紤]到中國(guó)國(guó)內(nèi)摩托車行業(yè)的實(shí)際情況，OBD 系統(tǒng)的技術(shù)內(nèi)容僅要求監(jiān)測(cè)電路的連續(xù)性，即電路的連通情況。自2020 年1 月1 日起，歐洲法規(guī)進(jìn)入第五階段，新法規(guī)對(duì)摩托車OBD 系統(tǒng)提出了新的要求。摩托車除了需要裝配OBDⅠ的內(nèi)容，還需要裝配OBDⅡ的內(nèi)容，包括失火監(jiān)測(cè)、催化轉(zhuǎn)化器劣化監(jiān)測(cè)、氧傳感器劣化監(jiān)測(cè)、IUPR（在用監(jiān)測(cè)頻率）等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。另外，摩托車還需進(jìn)行Ⅷ型試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的OBD 閾值水平也更為嚴(yán)格。

2 歐Ⅴ法規(guī)摩托車OBD 要求

2.1 歐Ⅴ法規(guī)OBD 執(zhí)行時(shí)間

在（EU）No 168/2013 法規(guī)中，規(guī)定了摩托車歐Ⅴ法規(guī)OBD 系統(tǒng)要求執(zhí)行的時(shí)間，如表1 所示[4]。即從2020 年1 月1 日起，新認(rèn)證車型需要滿足歐Ⅴ法規(guī)要求。

2.2 一般要求

在歐Ⅴ法規(guī)中，摩托車除了要滿足OBDⅠ的技術(shù)要求外，還要滿足OBDⅡ的技術(shù)要求，（EU）No 134/2014 和（EU）No 44/2014 法規(guī)中做了詳細(xì)的描述。OBDⅠ和OBDⅡ?qū)儆贠BD 系統(tǒng)的2 個(gè)不同階段，涉及不同的技術(shù)要求[2]。OBDⅡ的內(nèi)容是歐Ⅴ法規(guī)相比于歐Ⅳ法規(guī)新增的要求。歐Ⅴ法規(guī)中，OBDⅠ的內(nèi)容不變，主要要求如下：

表1 歐Ⅴ法規(guī)OBD 執(zhí)行時(shí)間

1）故障指示器（MI）的符號(hào)、激活和熄滅；

2）故障碼和凍結(jié)幀的存儲(chǔ)和清除；

3）診斷信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化要求；

4）OBD 系統(tǒng)應(yīng)監(jiān)測(cè)任何與排放或功能性安全有關(guān)，且與電控單元相連接的動(dòng)力總成的電氣/電子線路連通狀態(tài)。

對(duì)于OBDⅡ，增加了除電路連續(xù)性診斷之外的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。OBDⅡ能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行更全面的監(jiān)測(cè)，做到更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障。OBDⅡ的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：

1）電路合理性監(jiān)測(cè)。OBD 系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)信號(hào)范圍、傳感器性能、信號(hào)阻滯等電路合理性的問題；

2）催化轉(zhuǎn)化器劣化監(jiān)測(cè)。應(yīng)監(jiān)測(cè)NMHC 和NOx污染物來判斷催化轉(zhuǎn)化器的效率下降；

3）發(fā)動(dòng)機(jī)失火監(jiān)測(cè)。在法規(guī)要求的失火監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，OBD 系統(tǒng)應(yīng)按照制造商申報(bào)的失火率監(jiān)測(cè)失火的發(fā)生；

4）氧傳感器劣化監(jiān)測(cè)。用于監(jiān)測(cè)催化轉(zhuǎn)化器故障的所有氧傳感器的劣化情況均應(yīng)被監(jiān)測(cè)；

5）在用監(jiān)測(cè)頻率IUPR。IUPR 是指某一特定監(jiān)測(cè)在車輛運(yùn)行時(shí)的診斷頻率，旨在確保OBD 監(jiān)測(cè)在車輛實(shí)際運(yùn)行中足以頻繁地工作。

2.3 Ⅷ型試驗(yàn)和歐Ⅴ法規(guī)OBD 閾值

Ⅷ型試驗(yàn)是車載診斷系統(tǒng)（OBD 系統(tǒng)）環(huán)保性能試驗(yàn)，該試驗(yàn)通過模擬發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)或排放控制系統(tǒng)中有關(guān)系統(tǒng)或部件的故障，檢查安裝在摩托車上的OBD 系統(tǒng)功能。在進(jìn)行Ⅷ型試驗(yàn)時(shí)，排氣污染物所要滿足的限值即為OBD 閾值，歐Ⅴ法規(guī)OBD閾值如表2 所示[4]。與歐Ⅳ法規(guī)OBD 閾值相比，歐Ⅴ法規(guī)OBD 閾值更為嚴(yán)格。

3 歐Ⅴ法規(guī)OBD 系統(tǒng)要求研究分析

在OBDⅡ的要求中，包括失火監(jiān)測(cè)、催化轉(zhuǎn)化器劣化監(jiān)測(cè)、氧傳感器劣化監(jiān)測(cè)等要求，由于這些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在技術(shù)難度和成本上都有一定程度的增加，引起摩托車制造商廣泛關(guān)注。本文對(duì)這些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目現(xiàn)有技術(shù)手段以及應(yīng)用于摩托車的可行性進(jìn)行分析。

3.1 失火監(jiān)測(cè)

失火監(jiān)測(cè)是OBDⅡ監(jiān)測(cè)功能中重要的組成部分。失火是指由于點(diǎn)火、燃油計(jì)量、壓縮不良或其他原因?qū)е掳l(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)混合氣燃燒不充分或不能燃燒的現(xiàn)象。失火時(shí)，燃燒過程產(chǎn)生的熱量降低；完全失火時(shí)，失火氣缸不會(huì)產(chǎn)生任何熱量。失火會(huì)導(dǎo)致曲軸轉(zhuǎn)速下降，圖1 表示摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)發(fā)生失火現(xiàn)象時(shí)曲軸轉(zhuǎn)速的變化。失火時(shí)，燃料中的碳?xì)浠衔餂]有燃燒即從氣缸排出。

造成失火的原因有很多，最常見的原因是電控系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致火花塞產(chǎn)生的火花太弱甚至不產(chǎn)生火花，電池電量低、點(diǎn)火線圈故障、火花塞積碳或老化、線路短路等都是常見原因。供油系統(tǒng)故障是另一個(gè)常見的原因，包括氧傳感器故障引起的燃料計(jì)量錯(cuò)誤、噴油器堵塞、噴油壓力過低等原因。

摩托車一般裝配有催化轉(zhuǎn)化器，失火可能會(huì)對(duì)催化轉(zhuǎn)化器造成損毀。發(fā)生失火時(shí)，排氣中未完全燃燒的碳?xì)浠衔镌诖呋D(zhuǎn)化器中被氧化為一氧化碳。該過程會(huì)導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器的溫度快速上升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致催化劑涂層發(fā)生降解，從而導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器的性能急劇下降。

因此，監(jiān)測(cè)失火現(xiàn)象可以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)本身和后處理裝置，避免不必要的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸寂欧?。雖然失火監(jiān)測(cè)只指示一種或多種故障的外在表現(xiàn)，而不指示問題的根源，但失火監(jiān)測(cè)仍有利于發(fā)動(dòng)機(jī)故障的查找和排除。

目前，已提出了幾種用于發(fā)動(dòng)機(jī)的失火監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要有：曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)法、離子電流法、氣缸壓力測(cè)量法、氧傳感器信號(hào)法。對(duì)這幾種監(jiān)測(cè)技術(shù)的評(píng)估見表3。

在這幾種監(jiān)測(cè)技術(shù)中，技術(shù)儲(chǔ)備程度已達(dá)到可供商業(yè)車輛使用的是曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)法和離子電流法，但現(xiàn)階段它們都不能對(duì)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍提供可靠的失火監(jiān)測(cè)。在低速工況下，由于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)固有慣性低和變速器振動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)法的應(yīng)用受到限制；在高速工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性對(duì)失火影響的緩沖，曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)法應(yīng)用受到限制，且點(diǎn)火電路通電時(shí)間變短，使得離子電流法應(yīng)用受限。在當(dāng)前技術(shù)存在局限的情況下，一種可能的解決方案是將失火監(jiān)測(cè)區(qū)域限制在能實(shí)現(xiàn)可靠監(jiān)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍內(nèi)?？s小監(jiān)測(cè)范圍，一定程度上可以提高失火監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性。但是，當(dāng)縮小監(jiān)測(cè)范圍時(shí)，無法掌控監(jiān)測(cè)范圍外的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，所以應(yīng)盡量在技術(shù)允許的情況下選擇較大的監(jiān)測(cè)范圍。

表3 常見失火監(jiān)測(cè)技術(shù)

從以上分析可知，為了讓上述技術(shù)能夠可靠地監(jiān)測(cè)失火現(xiàn)象，需要限制失火監(jiān)測(cè)區(qū)域的低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速工況。2018 年，歐盟發(fā)布的修訂法規(guī)（EU）2018/295，對(duì)歐Ⅴ法規(guī)進(jìn)行了修訂，其中就包括對(duì)失火監(jiān)測(cè)區(qū)域的修改[5]。

修訂法規(guī)（EU）2019/129 中最新的失火監(jiān)測(cè)區(qū)域如圖2 所示。

圖2 最新失火監(jiān)測(cè)區(qū)域

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的失火監(jiān)測(cè)區(qū)域由下列邊界條件確定：

1）轉(zhuǎn)速的下邊界。最低轉(zhuǎn)速取2 500 r/min 和（怠速轉(zhuǎn)速+1 000 r/min）兩者的低值；

2）轉(zhuǎn)速的上邊界。最高轉(zhuǎn)速取8 000 r/min、在Ⅰ型試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)中出現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速+1 000 r/min、發(fā)動(dòng)機(jī)最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速-500 r/min 中最低值；

3）發(fā)動(dòng)機(jī)下述運(yùn)轉(zhuǎn)工況的線性連線。1）中最低轉(zhuǎn)速線上發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管真空度比轉(zhuǎn)矩線低3.3 kPa的工況與2）中最高轉(zhuǎn)速線上發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管真空度比轉(zhuǎn)矩線低13.33 kPa 的工況。

相對(duì)于（EU）No 44/2014 法規(guī)規(guī)定的監(jiān)測(cè)區(qū)域，新的失火監(jiān)測(cè)區(qū)域變小了。從圖2 中可以看出，新的失火監(jiān)測(cè)區(qū)域有一個(gè)低轉(zhuǎn)速限值。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)，失火監(jiān)測(cè)受慣性影響導(dǎo)致錯(cuò)誤率上升。還有一個(gè)高轉(zhuǎn)速限值，確保能盡量涵蓋大多數(shù)車輛的工況范圍。最后，還有低負(fù)荷限值，不難看出，該限值是在盡可能覆蓋WMTC 循環(huán)工況范圍和避免錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)故障情況兩者之間權(quán)衡的結(jié)果。

3.2 催化轉(zhuǎn)化器和氧傳感器劣化監(jiān)測(cè)

催化轉(zhuǎn)化器和氧傳感器劣化監(jiān)測(cè)是OBDⅡ監(jiān)測(cè)功能又一個(gè)重要的組成部分。

對(duì)于電噴系統(tǒng)來說，閉環(huán)控制能夠?qū)⑴艢庵械奈廴疚锟刂圃谳^低水平。而氧傳感器是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的關(guān)鍵部件，氧傳感器信號(hào)作為閉環(huán)控制的反饋信號(hào)，準(zhǔn)確與否直接影響到閉環(huán)控制效果。對(duì)氧傳感器劣化的監(jiān)測(cè)可以視為對(duì)催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)測(cè)的一個(gè)組成部分。而從技術(shù)角度而言，氧傳感器劣化的監(jiān)測(cè)不是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。因此，將對(duì)催化轉(zhuǎn)換器和氧傳感器的監(jiān)測(cè)作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。

關(guān)于催化轉(zhuǎn)化器的監(jiān)測(cè)，OBD 系統(tǒng)此時(shí)的主要目的是監(jiān)測(cè)催化過程中的故障。這里的故障主要指排放物中至少一種污染物（CO、NMHC 或NOx）超過規(guī)定的閾值。

催化轉(zhuǎn)化器對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化效率一般隨使用時(shí)間增加而下降，效率下降主要是因?yàn)閮煞N因素的影響：中毒和熱疲勞。中毒是指雜質(zhì)在催化劑表面沉積或吸附，使得催化劑活性降低。造成催化器中毒的物質(zhì)主要來源于潤(rùn)滑油和燃油，其中所含的磷、鉛等物質(zhì)沉積或吸附在催化器表面，阻礙催化轉(zhuǎn)化過程。熱疲勞是由于高溫造成催化劑涂層活性表面結(jié)構(gòu)改變的現(xiàn)象。熱疲勞破壞了三元催化轉(zhuǎn)化器的熱化學(xué)反應(yīng)結(jié)構(gòu)，使催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)不能正常進(jìn)行。

在輕型汽車上，目前最為普遍的催化轉(zhuǎn)化效率監(jiān)測(cè)方法是采用前氧傳感器和后氧傳感器信號(hào)。雙氧傳感器相對(duì)催化轉(zhuǎn)化器一前一后布置，根據(jù)2 個(gè)氧傳感器的信號(hào)來監(jiān)測(cè)催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率。因?yàn)檩p型汽車上普遍使用這種監(jiān)控方式，所以該領(lǐng)域已經(jīng)得到數(shù)十年的充分研究。

根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，摩托車因其特殊結(jié)構(gòu)和布置形式，在采用雙氧傳感器方法時(shí)，存在2 個(gè)問題需要解決：

1）摩托車運(yùn)行時(shí)排氣管中的回流現(xiàn)象。造成該現(xiàn)象的原因是消聲器中排氣脈動(dòng)引起壓力變化，空氣回流使排氣管中氧氣濃度上升，導(dǎo)致后氧傳感器信號(hào)失真?？諝饣亓髟谒行褪降能囕v排氣系統(tǒng)中都可能發(fā)生，并非摩托車獨(dú)有。對(duì)于輕型汽車，催化轉(zhuǎn)化器和氧傳感器的安裝位置離排氣歧管很近，遠(yuǎn)離排氣出口，因此不受回流的影響。但對(duì)于摩托車，催化轉(zhuǎn)化器一般位于排氣管的末端，空氣回流對(duì)后氧傳感器信號(hào)的影響很大；

2）安裝限制。對(duì)于汽車而言，催化轉(zhuǎn)化器一般安裝在汽車底部，發(fā)動(dòng)機(jī)緊密相連，并受到良好的保護(hù)。盡管如此，還是存在幾種氧傳感器故障，包括電纜熔化、插頭熔化，電纜磨損或破損，電纜密封性下降等。在摩托車上，安裝在消聲器中的氧傳感器暴露性更高，更容易受到這些因素的損害。大部分氧傳感器常見的問題是在維修后輪和傳動(dòng)裝置時(shí)順排氣方向牽拉電纜便于觀察而導(dǎo)致氧傳感器電纜破損。因此，對(duì)于摩托車，在安裝排氣管上的氧傳感器時(shí)，要考慮對(duì)傳感器和布線的保護(hù)以及在車輛使用和維修過程中造成的無意識(shí)損害。對(duì)于布置較為緊湊的摩托車，可能需要重新考慮摩托車的結(jié)構(gòu)，為安裝氧傳感器獲取更多空間。

為解決以上問題，可以把催化轉(zhuǎn)化器的位置向靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的方向移動(dòng)，或者將氧傳感器轉(zhuǎn)化為消聲器的一部分。前者需要對(duì)動(dòng)力總成和排氣系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，后者需要能抵抗高溫的特制氧傳感器以及一個(gè)將信息傳出消聲器的特殊信息傳輸裝置。目前，2 種方法都存在一定的技術(shù)難度。根據(jù)目前摩托車行業(yè)現(xiàn)狀，解決這些問題需要一定時(shí)間的技術(shù)改進(jìn)，投入更多的研究來合理布置催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)測(cè)中的后氧傳感器。在修訂法規(guī)（EU）2019/129 中，將催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)測(cè)推遲至2024 年1 月1 日開始執(zhí)行，為制造商進(jìn)行技術(shù)研發(fā)留出了時(shí)間[6]。

4 結(jié)束語

1）歐Ⅴ法規(guī)OBD 系統(tǒng)包含OBDⅡ的要求，修訂法規(guī)對(duì)失火監(jiān)測(cè)區(qū)域和催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)測(cè)執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行了修訂，以適應(yīng)當(dāng)前的摩托車OBD 技術(shù)現(xiàn)狀。相對(duì)于OBDⅠ，實(shí)現(xiàn)OBDⅡ的技術(shù)成本更高，難度更大，摩托車出口企業(yè)需要投入更多的研發(fā)成本和資源。

2）歐Ⅴ法規(guī)OBD 系統(tǒng)在縮小失火監(jiān)測(cè)區(qū)域后，當(dāng)前的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)摩托車OBD 系統(tǒng)的失火監(jiān)控，為盡早引入失火監(jiān)測(cè)提供了可行性。催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)測(cè)由于當(dāng)前技術(shù)水平的限制，仍不具備實(shí)施的條件，因此留出了技術(shù)改進(jìn)的時(shí)間。

3）目前，摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)OBD 系統(tǒng)的要求基本等同于OBDⅠ的要求，技術(shù)內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，下一階段的OBD 要求可能會(huì)借鑒歐Ⅴ法規(guī)的要求。研究分析歐Ⅴ法規(guī)OBD 系統(tǒng)有助于了解目前OBD 系統(tǒng)的最新進(jìn)展，掌握當(dāng)前世界主流摩托車OBD 系統(tǒng)的走向。