汽车工程 ２０１１年（第３３卷）第３期 Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１１０４２ 基于ＯＢＤ技术的轻型柴油车ＤＰＦ 系统诊断策略的研究水 卜建国，张卫锋，资新运，徐正飞，姚广涛 （军事交通学院汽车工程系，天津３００１６１） ［摘要］ 在ＯＢＤ诊断原理的基础上，通过灵活运用诊断方法和合理设计诊断逻辑框架，构建了轻型柴油车 ＤＰＦ系统的ＯＢＤ功能诊断策略，并进行了实车试验。结果表明，所设计的诊断策略能满足ＯＢＤ认证法规的要求。 关键词：车载诊断；诊断策略；微粒捕集器 Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ＤＰＦ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ—ｄｕｔｙ Ｄｉｅｓｅｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＯＢＤ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｕ Ｊｉａｎｇｕｏ，Ｚｈａｎｇ Ｗｅｉｆｅｎｇ，Ｚｉ Ｘｉｎｙｕｎ，Ｘｕ Ｚｈｅｎｇｆｅｉ＆Ｙａｏ Ｇｕａｎｇｔａｏ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｌｉｔａｏ＂Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１６１ ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｏｎ—ｂｏａｒｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ（ＯＢＤ）ｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｌｅｘｉｂｌｙ ａｎｄ ｄｅｖｉｓｉｎｇ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｆｌａｍｅ ｒａｔｉｏｎａｌｌｙ，ａ ＯＢＤ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｉｌｔｅｒ（ＤＰＦ）ｓｙｓ・ ｔｅｒｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔ－ｄｕｔｙ ｄｉｅｓｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｒｅａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｄｅｖｉｓｅｄ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ＯＢＤ ｃｅｒｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＯＢＤ；ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｓｔｒａｔｅｇｙ；ＤＰＦ 较晚，受到技术积累周期短、专业人才相对缺乏等因 日『Ｊ舌 素影响，ＯＢＤ已经成为制约ＤＰＦ技术全面升级的一 个重要因素 。 在柴油车面对日益严格排放法规的应对策略 中，与机内净化技术路线相比，微粒捕集器（ＤＰＦ）技 １ ＯＢＤ功能简述 术路线比较适合我国的国情。随着美国、欧盟、日本 等国家先后出台车载诊断系统（ＯＢＤ）相关法规，我 ＯＢＤ是一种自诊断汽车故障的程序，当系统出 国在ＧＢ １８３５２．３—２ｏ（】５《轻型汽车污染物排放限值 现故障时，故障灯或检查发动机警告灯亮，同时动力 及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》中对国Ⅲ、国Ⅳ阶段 总成模块（ＰＣＭ）将故障信息存入储存器，通过一定 的发动机排气净化系统ＯＢＤ功能提出了强制性要 程序可将故障码从ＰＣＭ中调出来，就能迅速、准确 求。环保部于２００８年６月发布了ＨＪ ４３７—２００８《车 地确定故障的性质和部位，从而将故障排除。ＯＢＤ 用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断 诊断以监测可能引起故障的异常信号为着眼点，当 （ＯＢＤ）系统技术要求》标准，从技术上对ＯＢＤ功能 参数的直接监测难以实现时，根据参数之问的相关 提出了具体要求。环保部２００９年１２月颁布的Ｈ．１ 性进行问接监测，使用合理可靠的诊断策略判别异 ５００－－２００９（轻型汽车车载诊断（ＯＢＤ）系统管理规 常信号是否属于故障。ＯＢＤ技术兴起于美国，最早 范》又对ＧＢ １８３５２．３ ００５中有关ＯＢＤ系统的技 的ＯＢＤ标准由美国各大汽车企业内部约定，逐步发 术内容做了补充。由于我国ＯＢＤ技术的发展起步 展成ＳＡＥ体系和ＩＳＯ体系，如ＩＳ０１５０３１就对ＯＢＤ 国家高技术研究发展计划（２００９ＡＡ０６４８０１Ｂ）和国家“８６３”探索项目（２００８ＡＡ０６Ｚ３２１）资助。 原稿收到日期为２０１０年９月２日，修改稿收到日期为２０１０年１１月２６日。 ・２０４・ 汽车工程 ２０１１年（第３３卷）第３期 的功能标准作了具体的说明，从而形成了标准的故 中的颗粒物（ＰＭ），使其排放达到相应的标准。随着 障诊断代码、诊断接口和通信协议，同时对ＯＢＤ中 故障指示灯的触发和诊断软件的模式也作了相应的 功能性描述 。 ＰＭ在过滤体内积累，柴油机排气背压逐渐上升，影 响发动机的性能和ＤＰＦ的工作效率，因而须定时去 除已捕集的ＰＭ以恢复ＤＰＦ的性能。将去除ＰＭ的 过程叫做ＤＰＦ再生。过滤体再生技术分为主动再 生和被动再生两种 。考虑到被动再生对燃油硫含 ２基于ＯＢＤ技术的轻型柴油车ＤＰＦ 系统诊断策略研究 ２．１ ＤＰＦ系统构成 量的要求苛刻，在我国通常采用提高排气温度的方 法来再生ＤＰＦ，即主动再生。ＰＭ的起始燃烧温度约 为６００％，而现有柴油机，特别是轻型柴油机的排气 温度较低，达不到此温度。文中通过燃油添加剂将 ＰＭ起燃温度降低到４５Ｏ℃，再通过起燃器加热的方 式提高过滤体温度，以实现ＰＭ的燃烧。 ｛ 进气 ｌ 控制糍 ＤＰＦ系统构成如图１所示，它包括起燃器、ＤＰＦ 过滤体、供气系统、喷油系统和相应的温度与压力传 感器等。系统的工作原理是：ＤＰＦ过滤柴油机排气 ｒ ｌ， 、Ｉ ＾ｌ｜ｌ旦ＥＩＩ ＩＩ；／ ！ ／，一一一轰动 —、、 ，厂＾、厂＾、／＾、、 ／ 涡轮增压 油 ｌ⑧⑧④④ 圈 ＼＼ｕ ｕ ｕ／／ ＼ ＥＵＲ 回油管路 ＿承 Ｌ 上； 渤 罐瞌 ｌ嘴 添加剂霉五ｉ ｉｉ 厂 １１ｑ 曼璧罡曼 电 压差 抽． 悖感器 奇 成驰｝ 排气？ —— ｌ—＿温度传感器Ｉ 图１ ＤＰＦ系统构成 ２．２ ＤＰＦ系统ＯＢＤ模块的诊断功能需求分析 和执行器的功能性诊断。主要手段是依据设计的诊 ＯＢＤ模块中对于ＤＰＦ系统的诊断项目主要分 为部件级的诊断、系统级的诊断和ＥＣＵ自诊断３部 断电路，并结合监测相关参数的变化情况来实现。 图３为单个部件诊断时的信号范围检测（ｓｉｇｎａｌ ｒａｎｇｅ ｃｈｅｃｋ，ＳＲＣ）原理图。信号值由原始电压ＡＤ 分。部件级的诊断包括电路的短路与断路，以及针 对重要组件的电源电压监测；系统级的诊断主要是 根据监测信号的变化所反映出来的参数之间的相互 关联是否合理来判断系统是否处于良好状态，或能 否实现既定功能；ＥＣＵ的自诊断主要是依据ＥＣＵ中 芯片的诊断功能或附加的诊断电路来对Ａ／Ｄ数据 值按公式换算得到，ＳＲＣ是在原始电压值基础上执 行的。如果原始电压值超出高限值的持续时间超过 预先设定的时间参数值，即出现了ＳＲＣ高限值故 障，高限故障错误位置１；如果低于低限值的持续时 问超过预先设定的时间参数值，即出现了ＳＲＣ低限 采集、通信模块、储存模块和电源电压等进行监测。 ＯＢＤ整体框架如图２所示。 ２．３ ＤＰＦ系统的重要诊断策略 在ＤＰＦ系统ＯＢＤ功能所须监测的比较重要的 项目是ＤＰＦ失效和综合部件的诊断。在设计ＤＰＦ 系统ＯＢＤ功能的诊断策略时主要使用４类诊断方 值故障，低限故障错误位置１。如果出现了传感器 电压故障，且持续时间超过限值，则电压故障错误位 置１。 当出现ＳＲＣ故障或提供电压故障时，传感器参 数设置为默认值或最后有效值。如果ＳＲＣ故障已 置１，而原始值恢复为有效值，则高限或低限故障将 分别在指定的延迟时问后重置，信号值将再次来源 于转换函数。 法：值阈分析法、时阈分析法、功能判别法和逻辑判 别法，而在实际的诊断策略实施中，往往是综合运用 多种诊断方法，使诊断的逻辑更加可靠。 ２．３．１综合部件诊断策略 ＤＰＦ系统中与排放相关的综合部件的诊断主要 图４为单个部件合理性诊断原理图。在部件 ＳＲＣ检测通过后对该部件进行合理性诊断。在一个 监测周期内连续采样取均值与设定值相减后取绝对 值，再与合理性检查中该项目的限值比较，如果超过 包括组件的断路与短路、合理性监测、电源电压监测 ｂ建国，等：基于ＯＢＤ技术的轻型柴油车ＤＰＦ系统诊断策略的研究 ‘２０５・ 硬件监测 功能性诊断 ＯＴＬｓ诊断 其它相关部分 传感器 （知识） ＮＯ 超限 发动机ＥＣＵ ＤＰＦ前温度 喷射偏差 ＰＭ超限 系统管理 ＤＰＦ系统ＤＣＵ ＤＰＦ后温度 捕集器功能 ｒ 故障确认／ 转矩限制器 ＤＰＦ压差 起燃器功能 ＤＴＣ选择 ＼ ＞ ＯＢＤ测试台架系统 油压 ＤＴＣ存储 添加剂液面 ｒ、、 管理 ＞ 诊断仪接口 诊断仪 ・添加剂压力 Ｌ／ ＤＣＵ诊断 ＼ ≥＞ ＭＩＬ￣］｝ ’｛ＭＩＬ ｌ ＲＯＭ／ＲＡＭ 与其它ＥＣＵ 接口 执行器 看门狗 燃油计量闯 驱动回路 专家智能诊断 失效控制 策略 电热塞 Ａ／Ｄ模块 加速测试 燃油泵 通信模块 怠速测试 打气泵 冷起动测试 添加剂泵 监测部分 ： 诊断部分 ： 诊断控制部分 ： 外设 图２ ＤＰＦ系统ＯＢＤ模块结构 霸国 （ａ）完好的过滤体 （ｂ）堵塞后的过滤体内部结构 图３单个部件诊断的ＳＲＣ流程 ＿ （ｃ）烧裂后的过滤体 （ｄ）部分孔道烧熔后的过滤体 图４单个部件合理性诊断流程 图５ ＤＰＦ过滤体主要失效形式 限值，且持续时间超过预设值，合理性诊断故障错误 ａｐ＝ Ｑ＿ｎ １， 。ｄ，ｍ ｒｕｅ１，ｍＰＭ） （１） 位置１。如果合理性故障错误位已经置１，而采样值 式中：卸为ＤＰＦ前后的压差，Ｑ 为进气流量， 又恢复为合理值，那么故障分别在指定的延迟时间 为ＤＰＦ床温，ｍ 为喷油量，ｍ 为ＰＭ的存积量，即 后重置０，合理性故障消失。 ＤＰＦ的挂烟量。当限定／ｔ／， 的高限值为ｍ ，低限 ２．３．２ ＤＰＦ过滤体失效诊断策略 值为０时，可得 图５为ＤＰＦ过滤体的主要失效形式。ＤＰＦ过 ａｐ ＝ Ｑｉ ｌ。ｔ， ｄ，ｊｒ／／，ｒｕｅｌ，ｍ ） （２） 滤体是否失效可通过监控ＤＰＦ前后压差来判 ａｐ ｉ ＝－厂（Ｑｉ ｌ。 ， 。ｄ，ｍ ，ｍ ｉ ） （３） 断 －９ｊ。ＤＰＦ前后压差主要受发动机进气流量、 在判断故障过程中，为避免工况瞬间变化带来 ＤＰＦ前温度和喷油量的影响，即 的卸异常，须为故障限值设置系数。即 汽车工程 ２０１１年（第３３卷）第３期 △ｐ… ＝ｃ１ａｐ （４） △ｐ… ＝Ｃ２△ｐ （５） 此处，取ｃ ＝１．２，Ｃ ＝０．９。通过以上计算，可 以得到各工况下的压差限值，如果实测压差超出压 差限值范围，则判断出现故障。图６为故障判断示 意图，压差实测值超出了设定的压差高限值，说明此 时ＤＰＦ堵塞，可能原因为ＤＰＦ再生失败。 图６基于限值判断的ＤＰＦ失效诊断示意图 （ｂ）万丰试验车与ＤＰＦ系统 图７ ＤＰＦ系统的整车搭建 ３．２试验过程 图８为试验监控界面，左边窗口为实时显示当 前信息曲线，能够直观地观测背压和压差高限值以 及其它相关信息的变化趋势。右边窗口为ＯＢＤ故 障报警窗ＶＩ，当ＤＰＦ某部件出现故障时，相应变量 将指示故障。实时监控的同时，通过数据采集卡将 数据采集存储起来用做试验分析。单个部件诊断和 合理性诊断可以通过人为操作，例如断开或短接传 感器和执行机构，观察是否在设定的时间内出现相 应故障报警。ＤＰＦ失效诊断是通过车载挂烟试验进 行的，分两组试验：一组是完好ＤＰＦ挂烟试验，另外 一组是烧漏ＤＰＦ挂烟试验。 图８ ＯＢＤ监控界面 ３．３试验分析 单个部件和合理性诊断策略验证，通过人为操 作，能够按照要求完成故障报警，故障报警准确率达 到９５％以上。 图９为超高限故障判断试验数据，试验数据样 本为１６ ０００个，是一次行车４ｈ采集的数据。从图中 可以看出，随着挂烟量的增加，实测压差逐渐逼近压 怕 避 铬 时问／ｓ （ａ）试验１车 指 世 ０ ５ ０００ １０ ０００ ｌ５ ０００ 时间／ｓ （ｂ）试验２车 一压差 一压差高限值・故障标志 图９超高限故障判断试验数据 Ｏ ２ ２０１１（Ｖｏ１．３３）Ｎｏ．３ Ｉ－建国，等：基于ＯＢＤ技术的轻型柴油车ＤＰＦ系统诊断策略的研究 ・２０７・ 差高限值，最终超过压差高限值，出现ＤＰＦ失效故 障报警指示。 图１０为超低限故障判断试验数据，试验数据样 本为１２ ０００个，是一天行车３ｈ采集的数据。实测 压差始终低于压差低限值，挂烟试验过程，压差增加 不明显，说明由于过滤体烧漏，漏气的孔道由于阻力 小，排气流量大，致使ＤＰＦ基本上无法过滤碳烟。 从两辆车试验数据曲线分析，可知其规律具有重复 性，证明本诊断策略具有普遍性。 帕 避 出 辂 时问／ｓ （ａ）试验１车 怕 星 世 出 时间／ｓ （ｂ）试验２车 一压差一 ＾ 压差高限值・故障标志 图１Ｏ超低限故障判断试验数据 ４结论 研究了ＤＰＦ系统在实现ＯＢＤ功能中所使用的 诊断方法，并依据ＯＢＤ的诊断原理，设计了ＤＰＦ系 统ＯＢＤ功能诊断的策略，通过实车验证表明诊断策 略具有良好的效果。 参考文献 国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局．ＧＢ １８３５２．３—２ｏｏ５轻型汽车污染物排放限值及测量方法（巾同 Ⅲ、Ⅳ阶段）［Ｓ］．２００５． ［２］ 国家环境保护部．Ｈ．Ｉ ４３７—２００８乍用压燃式、气体燃料点燃式 发动机与汽车车载诊断（ＯＢＤ）系统技术要求［Ｓ］．２００８． ［３］ 国家环境保护部．ＨＪ ５００－－２００９轻型汽车车载诊断（ＯＢＤ）系 统管理技术规范［Ｓ］．２００９． ［４］ 潘朋，颜伏伍，方茂东．ＯＢＤ系统的现状及其发展趋势［Ｊ］．交 通节能与环保，２００７（５）：３６—３９． ［５］ 国家环境保护部．ＨｌＪ ４５１—２ｏｏ８环境保护产鼎技术要求，柴油 机排气后处理装置［Ｓ］．２００８． ［６］ Ｄａｂｈｏｉｗａｌａ Ｒａｙｏｍａｎｄ Ｈ，Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｊｏｈｎ Ｈ，Ｎａｂｅｒ Ｊｅｆｆｒｅｙ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｔｏ Ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ Ｍａｓｓ ｏｆ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ Ｒｅ－ ｔａｉｎｅｄ ｉｎ ａ Ｃａｔａｌｙｚｅｄ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ ａｓ Ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ Ａｃｔｉｖｅ Ｒｅ— ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｎ—Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ｔｏ Ｄｅｔｅｃｔ Ｆｉｌｔｅｒ Ｆａｉｌｕｒｅｓ ［Ｃ］．ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００８一Ｏｌ一０７６４． ［７］ Ｓａｐｐｏｋ Ａ，Ｗｏｎｇ Ｖ Ｗ．Ａｓｈ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｒｏｐ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｏ Ｓｏｏｔ ａｎｄ Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ＤＰＦ Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］．ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２０１０—０１—０８１１． ［８］ Ｔｒｉａｎａ Ａ Ｐ，Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｊ Ｈ，Ｙａｎｇ Ｓ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｒｏｐ ａｎｄ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｃｈａｒ— ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ ａｎｄ ａ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ ［Ｃ］．ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００６—０１—０２６６． ［９］ 姚春德，邵玉平，张春润，等．柴油机壁流式过滤体内的流动分 析及模拟计算［Ｊ］．内燃机学报，２００４，２２（６）：５０５—５０９．