车载自诊断系统监控技术

1 胡媛媛， 2 胡艳超

2国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，450046

为满足对汽车废气排放标准的监测和故障的需要，车载自诊断系统（OBD）应运而生，其主要功能是检测与在用车排放控制有关的装置和零部件的技术状况，以此降低污染物在用车的排放。其监测范围的主要装置和部件包括发动机、氧传感器和三元催化转化装置等，当排放控制性能劣化到一定程度时，OBD发出告警。

1. 车载自诊断系统发展历程

   1. 第一代车载自诊断系统

OBD起源于1982年，当时CARB（美国加州大气资源局）开始制定一项法规，要求自1988年开始所有在加州销售的车辆必须装备车载诊断系统，用于控制排放系统失效，即第一代车载自诊断系统（简称OBD-Ⅰ）。初期的OBD-Ⅰ比较简单，仅监测氧传感器、排气再循环系统、燃油供给系统和发动机控制模块。OBD-Ⅰ的方向是正确的，但OBD-Ⅰ没有统一的标准，OBD连接器插口、故障代码、通讯协议等形式内容大都不同，给电控汽车的故障诊断和维修带来了诸多不便。

1. 2. 第二代车载自诊断系统

针对OBD-Ⅰ存在的缺陷，CARB开始着手第二代车载自诊断系统（即OBD-Ⅱ）的标准研究，相对于OBD-Ⅰ，新法规在通讯方面规定了标准化的16针诊断座DLC（Data Link Connector），每针都有指定的功能；标准化的通信协议；标准化的故障码DTC（Diagnostic Trouble Codes）；同时增设了催化转化器中的催化剂的老化检测，失火检测以及燃油蒸发物收集系统故障监测等。

总结OBD-Ⅱ的特点，主要有以下几项：1.统一车种诊断座形状为16PIN；2.具有数值分析资料传输功能（DLC）；3.统一各车种相同故障代码及意义；4.具有行车记录器功能；5.具有重新显示记忆故障码功能；6.具有可由仪器直接清除故障码功能。

1. 3. 第三代车载自诊断系统

虽然OBD-Ⅱ对监测汽车排放十分有效，但驾驶员接受不接受警告全凭“自觉”。为此，比OBD-Ⅱ更先进的OBD-Ⅲ产生了。OBD-Ⅲ主要目的是使汽车的检测、维护和管理合为一体，以满足环境保护的要求。OBD-Ⅲ系统会分别进入发动机、变速箱、ABS等系统ECU（电脑）中去读取故障码和其他相关数据，并利用小型车载通讯系统，例如GPS导航系统或无线通信方式将车辆的身份代码、故障码及所在位置等信息自动通告管理部门，管理部门根据该车辆排放问题的等级对其发出指令，包括去哪里维修的建议，解决排放问题的时限等，还可对超出时限的违规者的车辆发出禁行指令。因此，OBD-Ⅲ系统不仅能对车辆排放问题向驾驶者发出警告，而且还能对违规者进行惩罚。

2. OBD监控技术分析

OBD系统的各个子系统和部件的监控原理大致分为以下几种：

（1）某传感器信号电压的数值超出了可能的范围，或者虽没有超出可能的范围，但出现不应出现的工况，判断为不可信。例如车速在90km/h、发动机转速为3000r/min时，进气歧管绝对压力65kPa时出现2%的节气门开度，这显然是错误的。

（2）可同时根据几个以判断为无故障的传感器的信号计算出一个物理量，若某传感器的计算结果与此结果不一致，判断该传感器有故障，例如车速90km/h、发动机转速3000r/min，进气歧管绝对压力65kPa是准确的，由这三个参数确定的空气流量传感器测定值不一致，可判断空气流量传感器有故障。

（3）根据某传感器（如发动机转速传感器、冷却液温度传感器和氧传感器）信号变动所经历的时间和幅度来判断系统是否存在某些方面的故障，例如，异常的转速波动判断为失火故障。

3.1催化转化器监控

催化转化器监控系统是为了及时的发现催化器的故障，并提示驾驶员进行必要的检查和修理，寻找催化器工作效率下降的原因，从而保证催化器始终具有较高的转化效率。目前世界上广泛采用，而且相关的技术也相对较成熟的是双氧传感器法。

通用汽车环球科技运作有限责任公司在其专利文献US13/011668中公开了一种车载诊断系统和方法，其主要公开了SCR催化转化器的监控技术。其公开的车载诊断系统包括选择性催化还原催化剂、设置在排气系统中且分别位于催化还原催化剂上游和下游的上游氧传感器和下游氧传感器以及发动机控制模块，其中催化还原催化剂包括杨存储成份。其监控原理是通过上游氧传感器与下游氧传感器来确定包括嵌设在其中的氧存储成分的改良的选择性催化还原催化剂的氧存储容量，通过发动机控制模块检测改良的选择性催化还原催化剂的氧存储容量的变化并判断其是否超过阈值。

3.2 氧传感器监控

氧传感器用于检测排气中的氧含量，并将其转化为电压信号反馈给ECU，ECU根据此信号来控制喷油量的增减，控制空燃比。但是当氧传感器有故障时，输出的电压值不正常，ECU就不能精确控制空燃比了，导致废气排放增加。氧传感器监控系统就是对氧传感器的输出电压和响应速度的监控，来判断氧传感器是否工作正常的。

阿尔特（中国）汽车技术有限公司在其专利CN201020167943.0中公开了一种氧传感器诊断装置，其是基于对氧传感器的响应时间的监控来进行的监控。该氧传感器诊断模块包括：一个能条件判定部分，与所述发动机工况输入单元、特殊条件下发动机转速负荷限值输出单元和所述实时诊断信息输入输出单元相连；一个传感器响应时间计算部分，与所述氧传感器信息输入单元相连；一个发动机特殊工况判定部分，与发动机工况信号输入单元相连；一个结果判定部分，与氧传感器响应时间计算部分和所述发动机特殊工况判定部分相连。

3.3 废气再循环监控

废气再循环监控系统主要是三方面的监控：EGR流速监控、EGR响应速率监控和反馈控制监控。

EGR流速监控：EGR系统是闭环控制系统，ECU发出指令控制EGR阀的开度，从而调节EGR流速，EGR流速不能降低或增加到需要的流速均会导致排放超标，被认定为低流速故障和高流速故障；

EGR响应速率监控：EGR系统是根据车辆运转条件的不同来调整废气流的，以平衡NOx和颗粒物的排放，因此，OBD对EGR系统的响应速率进行监控。如果在规定的时间内，废气流速没有达到需要的流速，判断为响应速率故障；

反馈控制监控：如果在规定的时间内还没有开始反馈控制，判断为故障。

福特全球技术公司在其专利US2011/0174066中公开了用于检测发动机中的废气再循环故障的方法，该方法包括：在选择的发动机运行条件范围内采集多个实际的MAP值；基于MAF以及清洗阀命令来确定多个推导出的MAP值，当在具有较高的EGR率的发动机运行条件下推导出的MAP值基本上等于实际的MAP值时确定已经发生EGR故障。推导出的MAP值进一步基于发动机转速值。

3.4 其他监控

除了以上部件监控系统外，还有其他一些部件监控系统，比如：燃油系统、燃油蒸发控制系统监控、二次空气系统监控、氧传感器加热器监控等。

3. 车载自诊断系统的局限性与发展趋势

4.1目前的局限性

车载自诊断技术虽然已经成为当今电控汽车一种重要的故障诊断方法，但这种方法并不能解决所有的问题，其也有自身的局限性：如系统并不能测量车辆排放物CO、NOx和HC等的具体数值，还需要采用其他的监测手段或配备尾气分析仪；系统的工作的可靠性受车辆运行环境的影响，在恶劣的运行状况和异常的工作环境中，有可能会出错；自诊断系统仅能检测出车辆电控系统的70%-80%的故障，而对于各种机械故障则无法检测等。

4.2未来的发展趋势

针对其目前的局限性，车载自诊断系统需要在以下几个方面进行改进，以适合未来的发展：进一步完善各项功能，如故障参数记录、故障预警、故障定位、参数替代等功能；需要进一步加强诊断信息输出的标准化工作，使车载诊断系统具有更大范围的通用性；加强理论和技术的研究，将一些新的理论和技术应用到汽车故障诊断中，增加检测参数与范围，提高检测精度等。