新型天然氣發(fā)動機OBD準備就緒代碼試驗研究

王 龍，冒曉建，王俊席，唐航波，祝軻卿，王 都

（1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉 林 537000）

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平和居民生活水平的提高，人們越來越注重環(huán)境的保護，尤其是大氣質(zhì)量。汽車尾氣排放作為大氣污染物主要的污染源之一，越來越受到人們的詬病。目前，我國自主研發(fā)的氣體發(fā)動機采用稀薄燃燒方式，可達到國Ⅴ排放要求，在很大程度上降低了汽車尾氣的排放。OBD系統(tǒng)的應(yīng)用加強了汽車排放的監(jiān)測和汽車零部件尤其是電子元器件的老化、劣化的檢測。準備就緒代碼作為OBD核心管理系統(tǒng)的重要一環(huán)，用來表征汽車發(fā)動機排放測試是否通過，為車主和維修技師便捷地提供了維修信息，也在技術(shù)上對在用車的監(jiān)管提供了可能［1－3］。

1 準備就緒代碼概述

準備就緒代碼（Readiness Code）是4個字節(jié)的二進制數(shù)字，用來反映OBD系統(tǒng)的3種連續(xù)診斷、8種非連續(xù)診斷功能是否已經(jīng)完成。這個字節(jié)從右到左的各位依次為第0位到第7位。在對車輛的排放控制系統(tǒng)的有效性進行評價時，首先讀取就緒狀態(tài)代碼，如果全為0且OBD系統(tǒng)顯示為無故障，那么表示車輛通過測試。如果就緒狀態(tài)代碼不為0，那么即使沒有任何故障碼通過掃描工具輸出，也不能判斷此車的排放控制系統(tǒng)工作正常。在這種情況下車輛檢驗機構(gòu)一般會提出額外的要求。美國的在用車檢測制度要求車輛在一定時間內(nèi)返回重新檢測，而歐洲的做法是加測其他項目。

為了避免用戶通過一些手段刪除故障碼來掩蓋故障、逃脫懲罰，OBD系統(tǒng)的設(shè)計在功能上會在進行故障刪除操作的同時復(fù)位診斷就緒代碼，即令激活的診斷功能顯示為未完成診斷的狀態(tài)。如果系統(tǒng)支持的某項診斷功能顯示為沒有完成，那么即使沒有相應(yīng)的故障碼，也不能判斷故障的確不存在。

為獲取自上次清除故障碼之后的準備就緒代碼，可根據(jù)J1939定義向OBD系統(tǒng)發(fā)送Mode 01，PID 0x01請求，通過診斷連接線把掃描工具或者安裝了診斷軟件的計算機與車身上的診斷數(shù)據(jù)接口相連，讀取模式1中的PID 0x01即可得到準備就緒代碼。

2 試驗設(shè)備和發(fā)動機主要參數(shù)

本試驗使用達到國Ⅴ排放要求的氣體發(fā)動機。燃氣來自管道氣，氣源充足、穩(wěn)定。發(fā)動機試驗臺架見圖1。發(fā)動機通過自主研發(fā)的電控系統(tǒng)控制，其中包括OBD核心管理系統(tǒng)。通過標定工具可實現(xiàn)對每條故障信息的標定，包括故障種類、觸發(fā)條件和準備就緒代碼。發(fā)動機的主要參數(shù)見表1。

表1 YC6MK375N氣體發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

3 模型建立和仿真

3.1 行駛循環(huán)狀態(tài)機的設(shè)計

OBD車載診斷系統(tǒng)和以前使用的傳統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)有很大不同。對于普通的故障診斷，故障發(fā)生時立即點亮故障燈，并進行可能的失效處理；故障消失時立即熄滅故障燈，并清除失效狀態(tài)。而OBD系統(tǒng)加入了行駛循環(huán)的概念，行駛循環(huán)是指自發(fā)動機起動、運行、停機到再次起動的這段時間。故障在連續(xù)的多個行駛循環(huán)持續(xù)出現(xiàn)，故障才能夠得到OBD確定，點亮 MIL燈，同時進行可能的失效處理；同理，OBD的清除也需要多個行駛循環(huán)才能完成［4－5］。具體原理見圖2。

針對J1939法規(guī)［6］要求，為滿足OBD確認和清除需要的行駛循環(huán)，本研究設(shè)計了行駛循環(huán)狀態(tài)機。行駛循環(huán)狀態(tài)機中包括兩個故障計數(shù)器，分別是確認計數(shù)器（Validation Counter）和消除計數(shù)器（Heal Counter）。前者用于OBD的確認，后者用于OBD的清除。

行駛循環(huán)狀態(tài)機見圖3。故障在行駛循環(huán)中出現(xiàn)一次，稱為未決故障。在連續(xù)多個行駛循環(huán)中（可標定為3個）出現(xiàn)，確認計數(shù)器累計計數(shù)，達到確認計數(shù)器最大值時，OBD故障確認，故障記錄為永久故障；若未達到確認計數(shù)器最大值前故障消失，清除未決故障碼。OBD故障確認后，需要連續(xù)多個行駛循環(huán)故障持續(xù)不出現(xiàn)，消除計數(shù)器累計計數(shù)，達到消除計數(shù)器最大值時，OBD故障清除；如果在沒有達到消除計數(shù)器最大值之前，故障再次發(fā)生，消除計數(shù)器重新開始計數(shù)。

3.2 準備就緒代碼模塊設(shè)計

SAE J1979定義的準備就緒代碼是自清除故障碼之后的監(jiān)測狀態(tài)。準備就緒代碼由4個字節(jié)組成，分別用A，B，C，D 4個字母表示：

1）字節(jié)A反映了排放相關(guān)故障碼的數(shù)目及MIL狀態(tài)；

2）字節(jié)B反映了所支持的連續(xù)測試功能以及它們自清除故障碼之后的狀態(tài)（完成過與否），這些連續(xù)測試功能包括失火監(jiān)測、燃氣系統(tǒng)監(jiān)測和綜合部件監(jiān)測3種；

3）字節(jié)C反映了各非連續(xù)監(jiān)測功能是否被系統(tǒng)支持；

4）字節(jié)D反映了各個非連續(xù)診斷功能自清除故障碼后的狀態(tài)。

對于天然氣發(fā)動機系統(tǒng)而言，由于與汽油機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在差異，因此部分故障分類的定義不同于汽油機，參見表2。其中，第12類故障是非OBD故障，不參與OBD系統(tǒng)的故障統(tǒng)計。

根據(jù)法規(guī)要求，將表2描述的故障類分為連續(xù)和不連續(xù)兩個診斷等級：

1）連續(xù) 每秒至少檢測2次，主要包括綜合部件、燃氣系統(tǒng)和失火診斷；

2）不連續(xù) 每個行駛循環(huán)檢測1次，包括氧傳感器加熱、氧傳感器、空調(diào)系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、催化器加熱、催化器；

3）以上兩種以外的故障檢測可以通過通信標定工具設(shè)置成“不使用”。

表2 氣體機故障分類

使用Simulink建立的準備就緒代碼仿真模型見圖4。

從Simulink框圖可以看出，對“自從上次DTC清除后的準備就緒代碼”而言，針對一類故障的準備就緒代碼標志的樹立，以下兩組條件中1組成立即可：

1）發(fā)動機經(jīng)過多個行駛循環(huán)，至少一個此類故障被OBD確認；

2）連續(xù)多個行駛循環(huán)中，同一類的故障都已經(jīng)經(jīng)過檢測。

模型中涉及到的幾個計數(shù)器信息如下：

1）OBD＿Read＿Class［X］.TtlCnt表示該類故障的總個數(shù)，0～11共12類。

2）OBD＿Read＿Class［X］.TstcCnt表示該類故障經(jīng)過檢測的個數(shù)，主程序運行一遍需要一定的時間，所以這個值的監(jiān)測需要等待一定的時間。如果程序運行良好，某類故障總數(shù)等于該類故障經(jīng)過測試的總數(shù)。

3）OBD＿Read＿Class［X］.XCnfdCnt，當前 DC故障發(fā)生個數(shù)，故障發(fā)生1次，該計數(shù)器累計。

4）OBD＿Read＿Class［X］.CnfdCnt，故障確認個數(shù)，故障得到OBD確認1次，該計數(shù)器累計。

5）OBD＿Class＿DCCnt＿X，該類故障在DC完成統(tǒng)計，行駛循環(huán)個數(shù)累計。

6）Read＿Class＿NoCnfd，如果該類故障全部被檢測過且沒有發(fā)生，則樹立該標志。

7）Read＿Class＿Tstd，如果該類故障全部經(jīng)過檢測，并且檢測的總數(shù)不為0，樹立該標志。這是為了避免沒有定義該類故障而造成準備就緒代碼不就緒。

4 試驗驗證及結(jié)果

在氣體機試驗臺架上進行試驗驗證。首先將設(shè)計的200條故障進行分類。標定故障分類見表3。

OBD＿Read＿Class［X］.TtlCnt表示該類故障的總個數(shù)，統(tǒng)計的是READ值，0～11共12類，現(xiàn)標定總數(shù)為188。

表3 200條故障統(tǒng)計

4.1 準備就緒代碼涉及到的各計數(shù)器邏輯驗證

第1個行駛循環(huán)，標定故障001油門位置傳感器1電壓超低限故障的確認計數(shù)器最大值MAXV＝1，故障類別READ＝1，故障在第1個行駛循環(huán)內(nèi)發(fā)生，在表4中記錄各計數(shù)器數(shù)值。

在第2個行駛循環(huán)時，標定故障030冷卻水溫傳感器電壓超低限故障的確認計數(shù)器最大值MAXV＝1，故障類別READ＝2，觸發(fā)故障001和030，在表4中記錄各計數(shù)器數(shù)值。

在第3個行駛循環(huán)時，標定故障020增壓壓力傳感器電壓超低限故障的確認計數(shù)器最大值MAXV＝1，故障類別READ＝2，觸發(fā)故障020，在表4中記錄各計數(shù)器數(shù)值。

第1個行駛循環(huán)，分類數(shù)組記錄當前故障，當前循環(huán)故障數(shù)＝1。此時的當前行駛循環(huán)準備就緒代碼ReadB41＝7，ReadD41＝0。這表示當前行駛循環(huán)的準備就緒代碼樹立。

第2個行駛循環(huán)，當前行駛循環(huán)故障發(fā)生計數(shù)器符合控制邏輯。

第3個行駛循環(huán)，OBD確認計數(shù)器和當前循環(huán)故障計數(shù)器累計計數(shù)，邏輯正確。

表4 就緒狀態(tài)碼故障計數(shù)

4.2 200條定義的故障均未發(fā)生故障

連續(xù)監(jiān)測3個行駛循環(huán)，所有的行駛循環(huán)均未發(fā)生故障，得到的試驗結(jié)果見表5。

表5 就緒狀態(tài)碼所有故障計數(shù)

綜合3個行駛循環(huán)的故障統(tǒng)計，得到準備就緒代碼Read B，Read C和Read D的值（見表6）。

將表6中數(shù)值轉(zhuǎn)化成2進制后，結(jié)果見表7?？梢钥闯?，標定200條故障均未發(fā)生，在第1個行駛循環(huán)，當前DC的準備就緒代碼全是0，這說明在當前循環(huán)所有的故障都已經(jīng)完成檢測；在第3個行駛循環(huán)時，自清除故障碼之后的準備就緒代碼全是0，這說明所有的故障都已經(jīng)檢測完畢，其OBD狀態(tài)已經(jīng)確定，發(fā)動機測試狀態(tài)已準備就緒。

表6 準備就緒代碼的試驗值

表7 各類故障就緒狀態(tài)信息統(tǒng)計表

4.3 人為刪除故障碼

標定故障油溫位置傳感器1電壓超低限故障的確認計數(shù)器最大值＝1，故障類別Read＝1，并觸發(fā)該故障。在第3個行駛循環(huán)時，標定清除單挑故障碼＝1，可清除油門位置傳感器1電壓超低限的故障碼。此時監(jiān)測到的Read B＝79，轉(zhuǎn)化成2進制并代入表6，得到ReadB6＝1。可以看出，第一類診斷功能的測試狀態(tài)顯示為未完成。

5 結(jié)束語

經(jīng)過試驗驗證，所設(shè)計的行駛循環(huán)狀態(tài)機邏輯正確，準備就緒代碼涉及到的各計數(shù)器邏輯正確，進而推理出的準備就緒代碼狀態(tài)正確，能夠正常顯示車輛的測試狀態(tài)，同時能夠防止一些人通過人為刪除故障碼來逃避測試，可以為未來的年檢提供一種簡便易行的測試方法。

［1］ 鄧成林，張 偉，卜建國，等.采用SCR技術(shù)的國Ⅳ柴油機 OBD系統(tǒng)的故障管理［J］.汽車工程，2011，33（5）：82－86.

［2］ 張華玉，蔡永祥，金華標，等.國Ⅳ階段天然氣發(fā)動機車載診斷系統(tǒng)的設(shè)計［J］.車用發(fā)動機，2011（3）：12－16.

［3］ 張海波，于津濤.就緒代碼在維修OBD車輛中的應(yīng)用［J］.汽車維修與保養(yǎng)，2010（4）：46－47.

［4］ 中國汽車技術(shù)研究中心，中國環(huán)境科學研究院，濟南汽車檢測中心.HJ 437—2008 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車車載診斷（OBD）系統(tǒng)技術(shù)要求［S］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.

［5］ CARB.Title 13，California Code Regulations，Section 1968.2，Malfunction and Diagnostic system Requirements for 2004and Subsequent Model－Year Passenger Cars，Light－Duty Trucks，and Medium－Duty Vehicles and Engines（OBDⅡ）［S］.［S.l.］：CARB，2004.

［6］ SAE international.SAE J1939—73 Surface Vehicle Recommended Practice，Application Layer－Diagnostics［S］.［S.l.］：SAE international，2004.