国Ⅴ阶段天然气发动机车载诊断系统的设计.pdf

第 3期 总第 1 9 4 期 2 0 1 1年 6月 车用发动机 VEHI CLE ENGI NE No． 3 Se r i a l No． 19 4 J u n ． 2 0 1 1 国V阶段天然气发动机车载诊断系统的设计 张华 玉 ，蔡永祥 ， 金 华 标 ，武其 斗 武汉理工大学能源与动力工程学院 ， 湖 北 武汉4 3 0 0 6 3 摘要 基 于法规 H J 4 3 7 --2 0 0 8 ， 总结 了 国V阶段 对 C NG发动机 车载诊 断 O B D 系统 的主要 功能要 求； 对 C NG发动机 OB D 系统关键 诊断策略 中关 于催化器效率 降低 、 氧传 感器、 缸 内失火诊 断策略进行 了研 究 ； 同时， 在 添 蓝控制 器的基础上 ， 针对 C N G发动机 的诊 断策略和 需求信 号， 对 O B D系统进行硬件改进和软 件设计 ； 基于通 用标 准诊 断仪 E L M一3 2 7 ， 进行 了相 关 OB D功能验证试验 。试验表明 ， 系统设计基本 满足 OB D 系统功能要 求。 关键词 天然气发动机 ； 车载诊断 ；诊断策略 中图分 类号 T K4 3 8 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 2 2 2 2 2 0 1 1 0 3 0 0 1 2 0 5 HJ 4 3 7 2 O 0 8规定 自国V阶段起 ， 气体燃料 发动机必须装配车载诊断 OB D 系统 。该系统主 要监测发动机排放相关部件的故障 ， 具有报警、 存储 故障信息等功 能。根据我 国环境保 护法规_ 1 ] 关于 国V阶段气体燃 料发动机 OB D系统 的要求 ， 本研 究提 出关 键 部 件 的诊 断 策 略 ， 并对 OB D功 能进 行 验 证 。 1 O B D功能和 C N G发动机减排路 线 1 ． 1 O B D 系统 主要 功能 根据我国环境保护法规 HJ 4 3 7 --2 0 0 8关于 国V阶段 的要求 ， C NG发动机 O B D系统必须具备 以下功 能 a OB D系统 能够 监测 与排 放 相关 的部 件 或 系 统故障 ， 包括发动机 系统故障、 排放控制 系统故障、 排放控制监测系统故障； b 故 障 指示灯 MI 的控 制 激 活 、 解 活 ； c 故障信息 故障代码、 冻结帧信息、 MI 激活 时 间 的存储 和删 除 ； d 诊断信息能够 以标准协议 的形式通过标准 诊断接 口与外部通用诊断仪进行交互通信 。 C NG发动机 O B D系统监 测与 排放相关 的部 件 ， 具体 的监测内容与发动机所采用的减排技术路 线密切相关 。 1 ． 2 C N G发 动机 减排 技术 路线 文献[ 1 2 ] 表明， 当前 C NG发动机主要有两条 减 排技 术路线 a 稀薄燃烧氧化催化器技术 稀薄燃烧 C NG发动机缸内最高温度和排温较 低 ， 热负荷较低 ， NO 和 C O的排放基本满足 法规 要求 ， 只是需要加装氧化 型催化转化器抑制 HC的 排放， 以 达 到 法 规 的要 求。美 国康 明斯 公 司 的 B 5 1 9 G 电子控 制发 动 机 、 华 盛 顿 大 学 在 GMC 3 ／ 4 一 To n Tr u c k基础上改装 的 NGV发动机 、 美国底 特 律公 司 6 0 G C N G发动机、 东风康明斯 B系列 C NG 发 动 机 、 一 汽 锡 柴 C A6 S F 2 1 7 E 3发 动 机 、 潍 柴 动 力 WT6 1 5 ． 6 4 Q C NG 发 动机 、 上 柴 S C 8 DT 发 动 机等均采用这一技术路线。 b 理论空燃 比E GR三元催化器技术 在理论空燃 比下， 发动机最高温度和排温均较 高 ， 热负荷高 ， NO ， C O 以及 HC均有较大排放 ， 需 要加装三元催化器减少这 3种物质的排放。意大利 I VE C O公 司 的 电控化 油 器式 N GV 发 动机 、 沃 尔 沃 公司的 G9 A C NG发动机等采用这一技术路线。 当前应 用较 多 的减 排技 术路 线是稀 薄燃 烧 氧 化 催化 器技术 。针对 这 一 技 术路 线 ， 天然 气 发 动 机 O B D系统主要监测的部件和系统故障有 氧化催化 器转化效率降低 、 氧传感器电气故障信号异常、 缸 内 失火以及传感器和执行器的电气故障等。 2 关键诊 断策略 2 ． 1 氧化 催化 器的 劣化 在使用过程 中， 催化器会由于堵塞、 烧结或中毒 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 0 8 ；修回 日期 2 0 1 1 - 0 5 1 1 基金项 目国家“ 八六 三” 研究发展计划 2 0 0 8 AA1 l A1 2 1 作者简介张华玉 1 9 8 4 一 ， 男， 硕 士， 主要研究方 向为柴油机监测诊断与电子控制 ；z h _ z h y 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 1 年 6 月 张华玉 ，等 国V阶段天然气发动 机车载诊 断系统的设计 等原因而导致劣化 ， 严重影响排放。目前 ， 诊断氧化 催化器劣化 的方法主要有双氧传感 器法 、 双温传感 器法 、 双碳氢传感器法、 双压力传感 器法， 应用较 广 泛的是双氧传感器法[ 3 ] 。 氧化催化器对 HC， C O 和 NO 有催化氧化作 用 ， 且有储氧功能。尾气通过氧化催化器后 ， 氧气浓 度会降低并且其波动会变得平稳 。氧气浓度降低的 幅度与催化转化器转化效率成反 比。图 l示出劣化 的催化器与正常的催化器前后氧传感器信号差异 。 通过比较氧化催化器前后氧传感器输出的氧浓度值 可 以判断催化器 的劣化程度 。 a 正常 b劣化 图 1双 氧 传 感 器 法 监 测 原 理 氧化催化器劣化前后 ， 双氧传感器信号 的振 幅 值和浓度平均值有较大差异 。试验表 明， 双氧传感 器信号的差异在低转速大扭矩工况下更加明显。根 据此特性选定一个合适的且转化效率相对较高的工 况范围； 在催化器完好 的情况下 ， 试验确定每一个工 况下的双氧传感器信号振幅差值 ， 做成基 于转速和 扭矩 的 MAP图。在发动机实际运转 中， 在合 适工 况范围内， 工况稳定 、 冷却水温度适 中、 双氧传感器 均无故障的条件下， 根据双氧传感器信号， 计算振幅 差值 ； 查询 MAP ， 对 比当前值与 MAP值 ； 如果低于 限值 ， 则认为催化器劣化。诊断流程见图 2 。 图 2 氧化催化器劣化诊断流程 2 ． 2氧传感 器 的监测 氧传感器输出的电压信号与大气和尾气中的氧 气浓度差成正比， 随着排气管内氧气浓度的增加而 增大。氧传感器用于 闭环控制， 其 信号是上下波 动 的 见 图 3 。 时间 t 图 3氧传感 器信号不意 针对氧传感器主要诊断以下故障 短路低 对地 短路 、 短路高 对 电源短路 、 开路 、 信号不可信、 响 应延 迟 、 综 合 诊断 。 2 ． 2 ． 1 氧传感器电气诊断 通过循环检测传感器输 出的 电压来诊断短路 高、 短路低和开路故障 ， 将输出的电压与极限值进行 比较 ， 超出或低于相应极限值 ， 则确认相应 的故障。 诊断流程见图 4 。 图 4 氧传感器 电气故 障诊 断流程 2 ． 2 ． 2 氧传感器信号不可信 发 动 机 在运 行 过 程 中 ， 其 空燃 比在 一定 范 围 内 波动 ， 氧传感器的信号值也在一定范围内波动 ， 根据 其波动范围， 分别标定 上限值和下限值。在确定这 两个值时， 要保证发动机在运行过程 中氧传感器信 号一定会超 出这两个限值 。如果在长时间内氧传感 器从未超 出上限或下限值 ， 则认为传感器信号不 可 信 。诊断流程见图 5 。 2 ． 2 ． 3 信号延迟的诊断 氧传感器 的信号是上下波动 的， 转速基本稳定 时 ， 信号周期较为固定。当传感器响应延迟时， 其周 期会相应拉长 ， 与转速不匹配。通过实时采集氧传 车用发动机 2 0 1 1年第 3 期 感器的信号， 并计算氧传感器信号在一段时间的平 均周期， 与其标定值 进行 比较 ； 如果大于标定值 ， 则 认为其响应延迟 。实际系统中是否启动响应延迟的 诊断 ， 需要根据发动机转速确定。其标定周期值 的 确定也要根据转速确定 ， 即在一个高转速下确定一 个标定值 ， 当发动机转速高于“ 高转速值时” ， 启动响 应延迟诊断。诊断流程见图 6 。 开始 采集氧传感器信号 N 高”计数器加 { 十 过 呈 I Y ．_ ‘、 、 r 数器有两个为 ～ 一 一 l N 二 3 个汁数器数 二 结束 1 图 5 氧传感器信号不可信故 障诊断流程 图 6 氧传感器信号延迟故障诊断流程 2 ． 2 ． 4 氧传感器综合诊断 由于 氧 化催 化 器 的 氧化 作 用 ， 尾 气 在 经 过催 化 器后 ， 氧含 量会 降低 。所 以 ， 在发 动机 运转过 程催 化 器起作用的情况下 低温无效果 ， 后氧传感器信号 的平均值不可能大 于前氧传感器 的。否则 ， 如果没 有上述故障发生 ， 无法确定是 哪一个传感器发生故 障。所以 ， 当检测到后氧传感器信号的平均值大于 前氧传感器时， 且氧传感器都没有报故障， 则认定位 “ 不明氧传感器故障” 。诊断流程见 图 7 。 图 7 氧传感器综合故 障诊断流程 2 ． 3 缸 内失火监 测 发动机在实际运转过程中， 点火系统、 燃气供给 系统等故障会造成个别缸不能正常发火 ， 从 而 HC 排放严重超标 。目前检测失火的方法 主要有 缸 内压力法、 点火 电压波形法 、 离子 电流检测法 、 氧传 感 器法 、 曲轴 转速 波动法 ， 曲轴转速 波动 法是 当前最 有 效 的诊断方 法 ， 应用最 为广 泛 。 图 8示 出转速 8 4 0 r ／ mi n时 实测 发 动机 瞬 时转 速波动和频谱分析波形 。从 图 8可 以看出， 瞬时转 速 信号 及其频 谱 的 明显 不 同 主要 表 现 在 频域 上 ， 正 常情况下的一次波相对幅值大约为 1 1 1 2 ， 故障时该 值达到 8 5 2 2 ， 差别很大 。另外从时域图上可以找出 在 1 个发火周期内转速最低 点所对应的曲柄转角 。 根据发火次序及传感器所对曲柄转角位置可以推出 具体的故障缸 。 因此 ， 根据柴油机瞬时转速波动情况 可以判断 缸内失火故障， 而且根据瞬时转速波动异 常时所对 应 的曲轴位置可以确定故障缸。 另外 ， 以下情况会影响失火的判断 冷却水温度 薰 2 0 1 1年 6月 张华 玉 ， 等 国 V阶段天然气发动机车载诊断系统 的设计 过高或过低 小 于 2 0℃或大于 1 0 0℃ ； 曲轴传感 器、 凸轮轴角度传感器 、 增压压力传感器 、 冷却水温 度传感器有故障。在上述情况出现时， 系统终止失 火判断。失火诊断流程见 图 9 。 8 4 5 { 8 4 O *8 35 一 ． 8 6 0 0 8 5 0 专 8 4 0 8 3 0 簿 8 2 O a 正常工况 b1 号缸失火 图 8 瞬时转速波动 和频谱 分析波形 图 9 失火诊 断流程 3软硬件设计和试验 在添 蓝控 制器 。 ] 硬件 的基 础 上 ， 针 对 C NG发 动机 OB D系统 的特点对 电路进行修改， 主要增加各 传感器信号输入调理电路。 在 I AR E mb e d d e d Wo r k b e n c h I DE开发 环境 下编写软件实现 O B D功能 信号的采集 和处理 ； 故 障类型的确认 ； 故障信息的处理 、 存储 和删 除； 实时 时钟 的读 取 ； 故 障指示 灯 的驱动 ； 与标 准 诊 断仪 E L M3 2 7的交互通信 ； 标定 MAP的接收和存储 ； 数 据读取 ； D M1诊断信息的发出。软件结构见图 1 O 。 上电 工 统初始 定 M A P数据接收并存储l E L M3 2 7通 采集系统所需信号 当前故障确认 l l 历史故障确认 故障信息的处理与存储 出 D M1 诊断信息l l 故障指示灯控制 图 1 O系 统 软 件 结 构 本系统的后处理端 O B D诊断功能在模拟 台架 上进行了功能试验。故 障发生时， 故障指示灯点亮 ， 存储故障代码 、 冻结帧信息 ， 故障信息能通过通用诊 断仪读取 ， 不能随便删除， 故障消失后 ， 故障指示灯 需经过 3个操作循环或发动机运行 2 4 h后方可熄 灭 。本系统 自定义故 障代码 ， 并依次模拟多个故 障 对 OB D功能进行了验证 。下边 以缸 内失火故障为 例进行说明 1号缸停油后 ， 打开 E L M3 2 7诊断界面 点击“ 连接” 按钮 ， 诊断界面见 图 1 1 ， 有故障代码个 数 、 故障指示灯状态等信息 。可以看到此时故障指 示灯 处 于 “ o n ” 状 态 ， 故 障 个 数 为 “ 1 ” ， 当前 连 接 的 E C U编号为“ 3 D” 据 s A E J 1 9 3 9协议 3 D表示后 处理单元 。点击选项卡可以查看“ 故 障代码” 、 “ 冻 结帧” 等信息 。图 1 2示 出当前故 障代码 ， “ P O I 2 C” 表示缸 内失火故障。图 1 3示出冻结帧信息， 包括转 速 、 车速 、 发动 机 负荷 、 冷却 液温 度 、 进 气歧 管压 力和 导致冻结帧存储的故障代码 。 l h t M “t l ⋯‘T * 1 w 端鳓 瓣鹚 蠹 盥 一 靴鼬 曲 海 始 善 嚣 i 器 ～ ” f - X X 帅 c 墨 圈 囊 ； n 0 X c c 0 n “ n 帕 t n 哪 s 晰 X 蛐j I d c t n X ， c ‘X { r 由 y X X R X 咐 r X X 蛳 1 姗 峨 ‘X ∞ X ’ ‘ 5． 嘲 c 州 e 删‘ ● w T _ 帖t m “ Ⅵ 嗽 ’ 妯 r 一1 图 1 1 系统状态信息界面 1 6 车用发动机 2 0 1 1 年第 3期 一 _ ■■■岫 r 1- ⋯口 t d 埘M l ⋯ - 蝣 鹦 鳓 翳墨隧 一∞秽 辩 盘 善 嚣 0 溢 晨 m k1 r kc o d H柚 l H_ 唧 ￡ X l E ∞ n r 。 r P w h帅c c m 魁 8 8 咄 ． N 船 t P 呻呐舭T ‘ k c 日 p ” n “ c 呦油 咖 ． m n c 0 P h ． c “坤 H № I R j l 0 w { n a 4 6 ．c 0 黼 l J 帆 M M目 一 挑 4 结束语 本系统设计基本满足法规要求的 OB D诊断、 报 警 、 存储故障信息的功能， 能够基于 I S O 1 6 7 5 0和 1 5 0 3 1 与标准诊断仪进行交互通信 ， 给 出基于 S AE J 1 9 3 9协议 的 D M1 诊 断信 息 。 参考 文献 [ 1 ] E 2 ] 图 1 2 故 障代 码信息界面 [ 3 ] ， I l l i n I D d 埘 0 h々 鳓国瓣 丽 毒 蕊 一 谤 鼬 糯 霉 。 ％ j 黪． f 椰 t F r _忡 b H k嘲 №“ 甜 t j *I ∞1 由 t ‘ ∞ I R - “ t 4 6 O％ E 晴 c t ∞伸 村0 0 X0 6 口 m F T e 6 i X 0 7 T *m B t -％ ’ ‘ 啦 m - ’ ‘ 蚺L * hm州 8 2 ％ X ⋯ ‰ 辨 H 岫 0 4 i E r 0 ∞ h 0 M ∞ { Ⅱ r 毗 c 0 H 6￡ f a 日 ∞ 一慨J 0M 自 强_ 删血 图 1 3 冻结帧信息界面 [ 4 ] [ 5 3 [ 6 ] [ 7 ] 皇甫艺．稀 薄燃烧型汽 车尾 气净化 的研 究E J ] ． 环境 污 染 治 理技 术 与设 备 ， 2 0 0 3 4 2 2 2 5 ． 刘 凯 ， 席 跃 进 ．车 用 天 然 气发 动 机 关 键 技 术 研 究 与 发展[ J ] ． 柴油机设计 与制造 ， 2 0 0 8 3 3 3 7 3 4 0 ． Sa na t h V Kuma r ， Ro na l d M He c k ． A Ne w Appr o a c h t o 0B D Ⅱ Mo n i t o r i n g o f Ca t a l y s t P e r f o r ma n c e Us i n g D u a l Ox y g e n S e n s o r s [ C ] ．S A E P a p e r 2 0 0 0 0 1 0 8 6 3 ． Gi l d e r J V． On b o a r d Di a g n o s t i c s OB DHi s t o r y a n d C u r r e n t S t a t u s [ c ] ／ ／ 2 O 0 5 S h a n g h a i I n t e r n a t i o n a l S y m po s i um on Au t o mot i ve El e c t r on i c s a n d Adv a nc e d T e c h n o l o g y ． S h a n g h a i I s ． n ． ] ， 2 0 0 5 ． 金 华标．基 于瞬 时转速的机车 柴油机故 障诊 断仪 的研 制[ D ] ． 武 汉 武汉理工大学 ， 2 0 0 1 ． 蔡 永祥 ， 金华标 ， 喻 方平．基 于 S C R控制 器的国Ⅳ柴油 机 0 B D 系统设计[ J ] ． 车 用发动机 ， 2 O 1 o 1 5 - 1 0 ． 钱枫 ， 喻方平．欧Ⅳ柴 油机 S C R 系统 添蓝控制 器的 研 发[ J ] ．交通与计算机 ， 2 0 0 8 6 1 6 2 1 6 5 ． OB D S y s t e m D e s i g n o f S t a g e V C NG En g i n e Z HANG Hu a y u，CAI Yo n g x i a n g，J I N Hu a b i a o，W U Qi d o u E n e r g y a n d P o we r En g i n e e r i n g Co l l e g e ，W u h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，W u h a n 4 3 0 0 6 3，Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n HJ 4 3 7 2 O O 8 l e g i s l a t i o n，t h e ma i n f u n c t i o n r e q u i r e me n t o f s t a g e V f o r CNG e n g i n e OB D s y s t e m we r e a n a l y z e d ．Th e d i a g n o s i s s t r a t e g i e s o f c a t a l y s t p e r f o r ma n c e ，o x y g e n s e n s o r a n d i n - c y l i n d e r mi s f i r e i n k e y d i a g n o s i s s t r a t e g i e s o f CNG e n gi ne OBD s y s t e m we r e r e s e a r c he d．Fo r t h e d i a g no s i s s t r a t e gy a nd de ma nd s i gna l o f CNG e n gi ne，t he ha r d wa r e mo di f i c a t i o n a n d s o f t wa r e d e s i g n we r e c a r r i e d o u t b a s e d o n t h e Ad b l u e c o n t r o l l e r ．B a s e d o n E LM 3 2 7 d i a g n o s i s e q u i p m e n t ，t h e v e r i f i e a t i o n e xpe r i me nt s o f OBD { u nc t i on we T e c a r r i e d ou t ．The r e s ul t s ho ws t ha t t he de s i g n o f s ys t e m c a n me e t t he r e q ui r e me nt of BD f u nc t i o n． Ke y wo r d s C NG e n g i n e ； o n - b o a r d d i a g n o s i s ；d i a g n o s i s s t r a t e g y [ 编辑 王 涛]