劉俊女,溫 溢,劉 憲,楊正軍

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北京地區(qū)第五階段在用輕型車OBD監(jiān)測頻率的特征分析

劉俊女1*,溫 溢2,劉 憲1,楊正軍2

(1.北京市機動車排放管理中心,北京 100176；2.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300)

隨機采集北京地區(qū)200輛滿足第5階段排放標準在用車的車載診斷系統(tǒng)(OBD)的IUPR(OBD監(jiān)測頻率)數(shù)據(jù),測試了4種典型車系的在用車在實際道路行駛工況下IUPR各監(jiān)測項的特征分布,并和NEDC工況下的實驗結(jié)果進行對比.結(jié)果表明:采集數(shù)據(jù)車輛的OBD系統(tǒng)均能實現(xiàn)對催化器和氧傳感器的監(jiān)控,對EGR和次級氧傳感器的監(jiān)控也可分別達到74%和91%;在用車平均點火循環(huán)3.9次才能滿足一次目前IUPR的監(jiān)測條件;各監(jiān)測項IUPR均值均遠大于國五標準限值0.10,但各IUPR監(jiān)測值分布存在差異,催化轉(zhuǎn)化器和氧傳感器的達標率均為92%;實驗室NEDC模擬工況基本能實現(xiàn)對各車系機動車尾氣排放控制的監(jiān)測,但4條實際道路測試結(jié)果則表明不同車系IUPR監(jiān)測項分子+1的差異較大;擁堵路況的低速工況下OBD系統(tǒng)難以實現(xiàn)對車輛尾氣排放控制系統(tǒng)各監(jiān)測項的有效監(jiān)測.因此,需結(jié)合北京實際路況進一步完善在用車輛OBD系統(tǒng)的監(jiān)測條件,實現(xiàn)對北京在用車尾氣排放控制系統(tǒng)的有效監(jiān)控.

北京；國五標準；在用車；OBD；監(jiān)測頻率

近年來,我國京津冀等城市群區(qū)域嚴重霧霾多發(fā),其中機動車尾氣排放是霧霾形成的主要因素[1-2].車載診斷系統(tǒng)(OBD)對防止因機動車排放相關(guān)零部件老化而造成車輛排放惡化起到了重要的作用,是機動車排放監(jiān)管的可行方案和重要手段[3-7].為了監(jiān)測OBD系統(tǒng)對診斷執(zhí)行的頻率,北京市于2015年1月1日在全國范圍內(nèi)率先實施輕型汽車第5階段標準中對OBD監(jiān)測頻率(IUPR)功能的要求[8].增加IUPR功能,首先可以監(jiān)督車輛及時發(fā)現(xiàn)與車輛排放相關(guān)的故障,IUPR值越高,表明監(jiān)測越及時.此外,對IUPR功能進行限值要求,可表征同一OBD系族的多數(shù)車輛在污染物排放上的類似診斷效率[9-10].因此,IUPR限值要求越高,對污染物排放控制越有利.目前國內(nèi)研究主要是OBD系統(tǒng)對主要傳感器IUPR監(jiān)測功能的分析及在不同實驗室工況下的驗證[10-11].歐美從20世紀90年代就提出了OBD的法規(guī)要求,更多關(guān)注于測試工況與實際道路工況對比的完善及OBD監(jiān)測系統(tǒng)的敏感性與改進等[12-14].通過對比分析40輛和10輛分別在美國和歐洲行駛轎車OBD的IUPR數(shù)據(jù),得出駕車人的駕駛風格及實際道路情況均對IUPR存在影響[15].此外,通過波蘭實際道路與美國FTP75測試工況和歐洲NEDC測試工況下OBD的IUPR數(shù)據(jù)對比分析,表明調(diào)整相應系數(shù)的美國測試工況更符合波蘭的實際道路情況[16].但是對一個區(qū)域城市在用車IUPR的整體水平以及車輛實際道路使用中IUPR的分析還鮮見報導.

本文選擇中國最早實施《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》(GB18352.5-2013)標準的城市北京,隨機采集200輛滿足第5階段排放標準在用車的IUPR數(shù)據(jù),分析北京市國五在用車IUPR各監(jiān)測項的達標情況,并結(jié)合4種典型車系的在用車的實際道路測試結(jié)果,分析不同行駛工況下IUPR各監(jiān)測項的變化特征,為完善車輛OBD系統(tǒng)監(jiān)測提供科學依據(jù).

1 試驗車輛及方法

1.1 IUPR數(shù)據(jù)采集方法

IUPR數(shù)據(jù)采集所用設備為Silver Scan-Tool(RA,德國),可直接讀取滿足SAE J1979, SAE J1939和ISO 27145標準的車輛OBD系統(tǒng)中IUPR的分子和分母數(shù)值.通過下面的計算公式,可以得到某一特定監(jiān)測項目的IUPR.

式中:IUPR是指某一特定監(jiān)測項目的實際監(jiān)測頻率;分子計數(shù)器是指某監(jiān)測器的計數(shù)器記錄的車輛運行時滿足監(jiān)測條件的次數(shù)(次);分母計計數(shù)器指記錄的車輛實際駕駛事件的數(shù)目(個).

通常在一個循環(huán)工況里,分子分母最大增加計數(shù)1次.采集的信息包括車輛OBD系統(tǒng)中催化器(Cat)、氧傳感器(O2),次級氧傳感器(Se-O2)、廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)、可變氣門正時(VVT)系統(tǒng)、二次空氣系統(tǒng)(Se-Air)、蒸發(fā)系統(tǒng)(Eva)等的分子和分母數(shù)據(jù).

1.2 在用車IUPR隨機檢測

隨機挑選200輛帶有IUPR功能的在用車進行IUPR數(shù)據(jù)檢測.200輛樣車里程主要集中在10萬km以下,其中歐系車140輛,美系車30輛,日系車10輛,國產(chǎn)車20輛.由于歐洲實施IUPR要求較早且北京地區(qū)歐系車輛比重較大,所以在所選的樣車中,歐系車比重占70%.通過采集200輛樣車的有效數(shù)據(jù),經(jīng)公式(1)計算得出所有車輛各監(jiān)測項的IUPR值.

1.3 在用車IUPR實際道路測試

表1 在用車實際道路測試試驗所用車輛參數(shù) Table 1 Parameters ofvehiclesused in actual road test

選定4輛典型車系在用車(表1),并設計道路測試試驗的4條路線(圖1),分別代表北京的4種典型路況.其中,路線1代表北京近郊的典型路況,總里程約10km;路線2代表北京的環(huán)線、聯(lián)絡線典型路況,總里程約25km;路線3代表北京市區(qū)的典型路況,總里程約11km;路線4代表北京上下班最繁忙擁堵的典型路況,總里程約11km.由于NEDC循環(huán)工況是我國法規(guī)用來作為OBD型式認證的試驗循環(huán),包括4個市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)和1個市郊運轉(zhuǎn)循環(huán),總里程約11km,因此,在實驗室轉(zhuǎn)鼓上運行NEDC工況(New European Driving Cycle)作為參照.選定的4條實際路線與NEDC工況里程相比,除了線路2由于設計為聯(lián)絡線和環(huán)線路況,里程數(shù)較大外,其他3條線路與NEDC工況的里程相差很小,適合進行對比分析.試驗過程中采集車輛在每種線路開始和結(jié)束時的時間、里程、IUPR分子分母等數(shù)據(jù).為了滿足IUPR分母加1的條件在NEDC工況后增加了30s的連續(xù)怠速時間,最后,基于采集的數(shù)據(jù),計算實際監(jiān)測頻率IUPRM.

(a) 線路1(10km) (b)線路2(25km)

(c)線路3(11km) (d)線路4(11km)

圖1 在用車實際道路試驗路線
Fig.1 Actual road routes of in-use vehicles test

2 結(jié)果與分析

2.1 隨機采集的在用車IUPR功能特征

2.1.1 在用車IUPR各監(jiān)測項的監(jiān)測比例 隨著機動車污染物排放標準逐漸加嚴,汽車機外凈化技術(shù)不斷發(fā)展,主要包括催化器技術(shù)、曲軸箱強制通風裝置、燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)、EGR及二次空氣系統(tǒng)等,汽車生產(chǎn)企業(yè)會根據(jù)車輛的排放特征和排放法規(guī)要求配置不同的污染物后處理系統(tǒng).圖2為采集的200輛樣車中各監(jiān)測項在樣本中所占的比例,其中所有樣車的OBD系統(tǒng)均能100%完成對催化器(Cat)和氧傳感器(O2)的監(jiān)控,這也是目前文獻中報導OBD監(jiān)測的主要傳感器[10-11].此外次級氧傳感器(Se-O2)和EGR的監(jiān)控比例也很大,分別為91%和74%.對于配置有二級催化器的車輛,其催化器2(Cat-2)、氧傳感器2(O2-2)、次級氧傳感器2(Se-O2-2)、二次空氣系統(tǒng)(Se-Air)和蒸發(fā)系統(tǒng)(Eva)被監(jiān)測到的比例均低于30%,這與樣車采用的尾氣排放控制技術(shù)有關(guān),反映出了北京地區(qū)國五在用車的整體污染物排放控制系統(tǒng)配置水平.

2.1.2 車輛滿足IUPR監(jiān)測條件的次數(shù)占點火循環(huán)計數(shù)的比例 對于IUPR的一般分母計數(shù)器,只有滿足了以下所有條件才能實現(xiàn)計數(shù)增加1:在一個駕駛循環(huán)內(nèi),環(huán)境溫度高于-7℃,海拔低于2440m,發(fā)動機啟動累計時間大于或等于600s,車輛在高于40km/h的速度累計運行超過300s,持續(xù)怠速運行超過30s.車輛在實際路況行駛時,受路況和駕駛習慣等因素影響,并不能保證每個點火循環(huán)均能滿足分母增加1的條件.圖3統(tǒng)計了200輛樣車滿足監(jiān)測條件實現(xiàn)分母增加1的平均點火循環(huán)次數(shù),結(jié)果可見所有樣車均是點火啟動多次運行后才能滿足一次監(jiān)測條件實現(xiàn)分母增加1,大部分車輛集中在2至6次,最大為16次,平均點火循環(huán)3.9次才能滿足一次監(jiān)測條件.這可能與北京地區(qū)的行駛路況有關(guān),長時間的道路擁堵容易使車輛長期在低速運行,很難達到高于40km/h的速度累計運行時間的分母計數(shù)要求.因此,若需增加OBD系統(tǒng)的監(jiān)控頻率,達到每個點火循環(huán)均能實現(xiàn)對關(guān)鍵尾氣排放控制件的監(jiān)控,從而使IUPR值真正反映OBD系統(tǒng)的監(jiān)控頻率,還需根據(jù)北京的實際行駛路況調(diào)整分母加1的監(jiān)控條件.

2.1.3 各監(jiān)測項IUPR值特征分布 對隨機選擇的200輛樣車進行統(tǒng)計,來分析北京市國五在用車IUPR的整體水平.由表2可見,法規(guī)要求的6種主要監(jiān)測項IUPR均值均遠大于國五標準限值0.10,且與Euro 6plus IUPR限值相比,也遠大于標準限值.北京地區(qū)在用車單車IUPR值監(jiān)控能夠滿足目前及未來相關(guān)機動車尾氣排放監(jiān)管的法規(guī)要求.

表2 各監(jiān)控項IUPR均值及相關(guān)標準限值 Table 2 IUPR mean value of each monitoring item and related standard limit

由圖2可以看出,由于200輛樣車尾氣排放控制系統(tǒng)配置水平差異,各監(jiān)測項的被監(jiān)測比例不同.因此,本文選取監(jiān)控比例較大的Cat、O2、EGR和Se-O2的IUPR值進行了分析.由圖4a可見,IUPR值主要分布在0.2~1.3之間.所有樣本中Cat IUPR值的最大為1.93,最小為0.02.對于國五標準中0.1的限值,其達標率為92%,仍有8%的樣本車輛不能滿足目前北京市關(guān)于尾氣排放監(jiān)控的要求.圖4b顯示,IUPR值主要分布在0.5~1.5之間,最大為5,最小為0.03.對于國五標準中0.1的限值,其達標率為92%.圖4c顯示,IUPR值主要分布在0.5~1.8之間,最大為2.7,其中有18輛車未監(jiān)測到Se-O2的IUPR,有17輛車IUPR值為0,說明有17.5%的樣車Se-O2沒有被OBD監(jiān)測到或沒有完成監(jiān)測,而Cat是否劣化失效是通過前后氧傳感器信號變化來判定的,因此會導致車輛排放相關(guān)故障不能被及時監(jiān)測.圖4d中,在配備EGR系統(tǒng)的147輛樣車中,IUPR值主要分布在1~3之間,最大為4.67,最小為0.12.對于標準中0.1的限值,全部樣車均能達到法規(guī)要求.

2.2 在用車實際道路測試的IUPR值特征分布

如圖5可見,5種線路大多平均速度在25~ 35km/h左右.線路2平均速度最大,為34.5km/h;線路4為擁堵路況,平均速度僅為19km/h,且出現(xiàn)一次平均速度僅為14km/h的工況.不同運行線路的速度工況會影響OBD系統(tǒng)IUPR的監(jiān)測頻率,進而影響對尾氣排放處理控制系統(tǒng)的監(jiān)測.

由表3可知,對于實驗室NEDC(+30s怠速)行駛工況,除了C車的Se-O2和EGR兩個檢測項的分子項沒有增加1以外,其他各車的各監(jiān)測項均實現(xiàn)了分子、分母增加1,說明實驗室內(nèi)的模擬工況基本能實現(xiàn)對各車系機動車尾氣排放控制的監(jiān)測,這和文獻中報導的結(jié)果是一致的[10-11,16].但從實際道路監(jiān)測結(jié)果來看,4條線路基本能滿足標準中規(guī)定的分母加1的條件,但不同車系分子加1的特征差異較大,其中4種車型均出現(xiàn)了Se-O2分子項計數(shù)不變的情況,特別是B車在4條道路測試試驗中Se-O2分子項計數(shù)均未增加1;此外,A車和B車均出現(xiàn)了Cat分子項計數(shù)不變化的情況,C車出現(xiàn)了EGR分子項計數(shù)不變化的情況.這主要是因為不同車企選擇的OBD系統(tǒng)生產(chǎn)廠家以及控制策略不同,雖然Cat、O2、EGR等分母項計數(shù)加1的條件相同,但每個分子項計數(shù)加1的條件卻不盡相同.不同車輛生產(chǎn)企業(yè)會將不同的OBD系統(tǒng)配置在不同地區(qū)的不同類型車輛上,所以在IUPR控制策略上也會有所側(cè)重,從而造成了試驗結(jié)果中不同車系車輛IUPR變化不一的情況.B車在線路4運行時,由于試驗時間為下班高峰期,出現(xiàn)擁堵路況,整條路線平均速度僅為14km/h,導致除Cat分母項計數(shù)增加1以外,其它IUPR監(jiān)測項分子分母計數(shù)均未發(fā)生變化,說明在擁堵路況的低速工況下OBD系統(tǒng)難以實現(xiàn)對車輛尾氣排放控制系統(tǒng)各監(jiān)測項的監(jiān)測,需引起機動車排放管理部門的重視.

從實現(xiàn)IUPR有效監(jiān)測(即分子分母都加1)的情況來看,4條實際道路試驗Cat、O2、Se-O2和EGR的有效監(jiān)測次數(shù)分別占總數(shù)的10/16, 14/16,6/16和9/16,Se-O2的有效監(jiān)測最低,O2的有效監(jiān)測最高;從車系的有效監(jiān)測來看,4種車系的有效監(jiān)測依次為9/16,8/16, 12/16和11/16,C車和D車的有效監(jiān)測較高.整體來看,4種車系的IUPR有效監(jiān)測均在50%以上,基本能完成IUPR監(jiān)測,但還需結(jié)合北京典型路況進一步完善在用車輛OBD系統(tǒng)的監(jiān)測條件,實現(xiàn)在北京實際路況下對尾氣排放控制系統(tǒng)的有效監(jiān)測.

表3 4輛樣車各監(jiān)測項IUPR變化 Table 3 The IUPR changes of four vehicles

3 結(jié)論

3.1 北京地區(qū)機動車OBD系統(tǒng)均能實現(xiàn)對Cat和O2的監(jiān)控,對EGR和Se-O2的監(jiān)控也可分別達到74%和91%,其他監(jiān)測項則低于30%,說明北京地區(qū)國五在用車在尾氣排放控制系統(tǒng)的配置上存在差異.

3.2 北京地區(qū)機動車平均點火循環(huán)3.9次才能滿足一次目前IUPR的監(jiān)測條件,這主要是因為北京地區(qū)長時間的道路擁堵容易使車輛長期在低速運行,較難達到分母計數(shù)要求的40km/h的速度累計運行時間.降低平均點火循環(huán)均次數(shù),才能更有效的對在用車排放相關(guān)零部件進行監(jiān)控.建議今后可以根據(jù)北京實際路況來完善IUPR的設計.

3.3 北京地區(qū)機動車6種主要監(jiān)測項IUPR均值均遠大于國五標準限值0.10,且滿足Euro 6plus IUPR限值要求,但各IUPR監(jiān)測值分布存在差異Cat和O2的達標率均為92%,仍有8%的樣本車輛不能滿足目前北京市關(guān)于尾氣排放監(jiān)控的要求.

3.4 實驗室NEDC工況基本能實現(xiàn)對各車系輕型車污染物排放控制的監(jiān)測,但4條實際道路測試結(jié)果表明不同車系IUPR監(jiān)測項分子加1的差異較大,這表明各車系OBD系統(tǒng)的IUPR控制策略各有側(cè)重.同時,擁堵路況的低速工況下OBD系統(tǒng)難以實現(xiàn)對車輛排放控制系統(tǒng)各監(jiān)測項的有效監(jiān)測.因此,需結(jié)合北京典型路況進一步完善在用車輛OBD系統(tǒng)的監(jiān)測條件,實現(xiàn)在北京實際路況下對尾氣排放控制系統(tǒng)的有效監(jiān)測.

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*責任作者, 高級工程師, masha0708@sina.com

Investigation on OBD monitoring frequency characteristics of China V in-use LDV in Beijing

LIU Jun-Nǚ1*, WEN Yi2, LIU Xian1, YANG Zheng-Jun2

(1.Beijing Vehicle emission management center, Beijing 100176, China；2.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China)., 2016,36(7)：1974~1980

The IUPR (OBD monitoring frequency) data of 200 in-use China V cars were randomly collected in Beijing. And the characteristic distributions of the IUPR monitoring values were tested by driving four kinds of typical cars on actual road, then the results were compared with experimental tests under New European Driving Cycle (NEDC). The results showed that the catalytic converter and oxygen sensor of OBD system could be monitored for collection vehicle, and the monitoring rates of EGR and secondary oxygen sensor could reach 74% and 91%respectively. At present, 3.9timesignition cycles could meet an IUPR monitoring conditions on average. The IUPR average values for each monitoring items were far greater than the China V limit value of 0.10. However, there were some differences for monitoring value distribution. Catalytic converter and oxygen sensor monitoring rates were both 92%. And the monitoring of the vehicle emissions could be realized basically under indoor NEDC, but the test results on 4 actual road indicated that different vehicles had different IUPR monitoring results for molecule adding 1. OBD system was difficult to achieve effective monitoring of vehicle exhaust emission for the traffic jams and low speed. Therefore, it is necessary to combine the actual conditions in Beijing to further improve the monitoring conditions of the vehicle OBD system, and the effective control of the vehicle emission control system will be achieved in Beijing.

Beijing；China V；in-use vehicle；OBD；monitoring frequency

X51

A

1000-6923(2016)07-1974-07

劉俊女(1980-),女,河北滄州人,高級工程師,碩士,主要從事機動車排放控制研究.已發(fā)表論文8篇.

2015-12-28

國家環(huán)境保護部公益項目(201409021)