汽油车车载诊断系统（OBD）基本原理及其应用

　　OBD（on-board diagnostics）是车载诊断系统的简称。为了检测车辆氧传感器等排气系统相关零部件在使用中的情况，从而提示驾驶员及时进行修理，美国于1988年首先在加利福尼亚州导人了OBD I，并于1994年开始实施了OBD Ⅱ法规。欧洲则是从2000年实施欧Ⅲ法规后增加了OBD功能性检查，即通常所说的EOBD（europe on-board diagnostics ），EOBD要求没有美国的OBD Ⅱ严格，两者排放极限值也不相同。由于测试循环不同，不具有可比性。
　　OBD主要功能是监督车辆实际使用过程中与排放控制有关的零部件状态，包括发动机、催化器、氧传感器和其它零部件，从而在车辆排放出现一定恶化时向驾驶员报警提示，并对相应的故障代码以及冻结帧数据进行储存。OBD是I/M（检查／维护）制度中不可缺少的环节，为了避免车辆发生报警现象后，用户不及时对车辆进行修复，美国加州研究制定在排放法规中引人OBD Ⅲ，即将OBD监督系统与无限卫星通信连接，每一辆在册的车辆排放状况均可以被上级主管部门实时了解。
　　2 OBD诊断
　　2.1 发动机失火检测
　　发动机失火会导致汽车不完全燃烧，从而使CO和HC排放量有不同程度增加。通过曲轴位置传感器信号可以判断发动机是否有失火现象发生，原理如图1所示。一般情况下，当汽车发动机失火率在10%以下时会造成车辆排放的恶化；如果失火率过高，不仅会造成车辆排放的负面影响，而且由于混合气过浓导致排气温度的急剧增加，造成催化器不可逆的高温损伤。

　　ECU对失火判断的条件相对苛刻，为了防止发生误诊断，通常会在车辆行驶较为平稳的状况下才进行失火检测，并计算出相应的失火率。道路颠簸、车速（发动机转速）较高、低转速低负荷以及急加速和急减速等工况下，发动机转速和输出转矩均会发生不同程度的波动，很难判断是发动机本身失火或是其它外界因素所造成，如果发生误判断，使OBD灯点亮，除了会给用户造成不必要的经济负担外，汽车生产商也会承受非常大的损失。将车轮速度传感器信号、节气门位置传感器信号、曲轴位置传感器信号、输出转矩的连续分析等进行综合考虑能够增加失火判断的准确度，ECU应保证车辆在平稳路面行驶时开始检测发动机是否存在失火，并且必须在ECU冻结帧数据中存储失火发生瞬间的车辆状态参数，例如车速、发动机转速、冷却液温度、机油温度和燃油修正值等，以便车辆维修时进行核查。
　　不同失火率对应的车辆I型排放值是在大量的实验数据基础上得出的推测值，即当车辆实际使用过程中出现失火现象并达到失火率诊断设定值时，诊断系统则认为其I型排放值已经达到标准规定极限值，但考虑到车辆实际使用和进行I型排放测试时环境条件的差异，以及实验数据统计等因素，验证排放结果在正常情况下会远远低于标准值。
　　2.2 氧传感器失效检测
　　氧传感器在低排放车辆排放控制零部件中非常重要。正常的氧传感器电压信号波形如图2所示。氧传感器的OBD诊断主要是检测其输出功率（电压值）波形的变化。图3中给出了氧传感器正常情况下和非正常情况下的输出功率波形曲线。氧传感器失效模式主要有反应周期延迟和电压偏移两种情况，随着车用氧传感器使用时间的增长，会因为积碳等原因造成其输出电压值的不稳定，即出现相应的劣化现象。

　　车辆在行驶过程中由于路面颠簸、加减速等原因导致氧传感器输出波形发生波动。为了避免OBD系统发生误诊断，造成不必要的零部件更换，需要在一定检测条件内进行氧传感器劣化诊断，考虑到喷油、进气波动等因素，当车速稍高（例如80km/h ）时诊断，准确程度较高。
　　氧传感器失效模拟需要采用专用的电子模拟设备，通过对氧传感器信号的干涉达到OBD验证的目的。通过大量的实验积累，当氧传感器输出功率波形周期或电压偏移量超过某一设定值后，诊断系统则认为其I型排放值已经恶化，进而OBD灯点亮，显示故障代码和冻结帧数据。
　　2.3 催化转化器劣化监督
　　催化转化器劣化主要是由于其储氧能力的下降造成的。由于堵塞或贵金属的脱落造成催化转化器转化能力削弱后，将会对车辆尾气排放造成非常恶劣的负面影响。
　　OBD系统对催化转化器劣化程度的监督通过装于其前后的两只氧传感器信号间的差异对比来完成。催化转化器诊断传感器布置见图4，新鲜和劣化催化转化器前后两只氧传感器输出功率波形图如图5所示。

　　当催化剂劣化达到一定程度后，其前后两只氧传感器输出波形的形状差异将越来越小，会造成车辆排放的急剧恶化。
　　欧Ⅲ阶段判断催化转化器是否失效以及OBD系统是否正常，仅考核车辆的HC排放量。通过对催化转化器前后氧传感器输出功率波形周期和电压值的比较，在符合判定条件的车辆行驶区间内得出计算值后与设定值进行比较。当计算值大于设定值时，则认为该催化转化器已经劣化，从而OBD系统发出报警信号。
　　3 OBD限值
　　OBD是有效监督在用车排放的手段之一，并需要结合有效的年检和路边抽查。OBD灯亮起到排放恶化的预警作用，并及时提醒用户对车辆进行必几要的维修和保养，从实际意义上控制污染物排放，OBD报警限值要比I型试验排放限值高，见表l。

　　EOBD极限值的制定原则是在新车型式核准排放限值的基础上适当放宽，在欧Ⅲ和欧Ⅳ法规中，CO、THC和NOx限值分别在I型试验限值基础上放宽0.9、0.2和0.45g/km。
　　4 OBD验证结果
　　为了对我国即将实施的OBD标准有更好的理解和把握，选择一辆满足欧Ⅲ排放标准限值的低排放汽车进行OBD监督功能性检查。其中采用专用仪器实测的试验前后主要信号对比片段见图6～图8;第8万km排放、氧传感器失效模拟、催化转化器劣化以及发动机失火模拟（失火率4%）I型试验排放结果分别见图9~图13。

　　从图6～图8中可以看出，在催化转化器失效、氧传感器劣化和发动机失火验证过程中，相应参数均发生了不同程度的变化，工况法排放结果也有所不同。
　　就氧传感器劣化模拟而言，试验过程中对氧传感器电压波形周期和偏移量均进行了模拟劣化。在市区工况下，CO值增加较为明显，HC和NOx变化不大，在市郊运转循环时CO和HC值变化不明显，但NOx值明显增加，造成整个NEDC（新欧洲行驶工况标准）循环的NOx排放结果比正常情况时高出2倍（混合气偏稀），碳平衡法计算得出的油耗结果与CO2排放比较吻合。氧传感器波形周期的延长并不象混合气偏稀或偏浓时对某种污染物排放量影响那样显着，但会造成ECU对空燃比控制的精确程度降低，对3种污染物的排放均会产生负面影响。
　　就催化转化器失效而言，由于催化转化器本身对3种污染物均有着催化转化作用，当替换为劣化催化器后，C0、HC、NOX 3种污染物以及CO2排放量、油耗均有不同程度的增加。
　　发动机失火会造成明显的不完全燃烧，因此在发动机失火过程中，在市区工况下CO和HC排放量增加明显，而NOx则变化甚微，CO2排放量和油耗也相应增加。
　　5 结论
　　（1）对低排放汽车的OBD功能进行了实车验证，并取得了排放结果，我国市售燃油质量不一，仍需要对搭载OBD系统的低排放车辆排放状况做更进一步的研究。
　　（2）OBD系统并非实时测量车辆的排放结果，而是当发动机失火、催化转化器储氧能力下降以及氧传感器劣化后，通过监测某些相关参数的变化，推测车辆I型试验排放结果将会超标，从而发出警告信号。
　　（3）我国排放标准体系仍需要继续完善，应将OBD与在用车排放管理、排放缺陷车辆召回等制度充分结合。

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