錢國剛,李月華,解　難

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

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汽油車燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)泄露車載診斷及試驗(yàn)

錢國剛,李月華,解難

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

我國將出臺(tái)的6階段輕型車排放法規(guī)里新增了汽油車燃油蒸發(fā)控制(EVAP)系統(tǒng)泄露車載診斷(OBD)要求。這些規(guī)定多年前即已在美國OBDII法規(guī)里強(qiáng)制執(zhí)行，催生出了多種實(shí)現(xiàn)EVAP系統(tǒng)泄露OBD的策略及配套組件。從不同的視角出發(fā)可以對它們進(jìn)行不同的分類。建立了一套多層級(jí)分支分類方式，全面歸納和辨析了各類監(jiān)測策略，可供國內(nèi)制造商借鑒選用。對EVAP系統(tǒng)泄露車載診斷的演示試驗(yàn)監(jiān)測流程進(jìn)行介紹，便于制造商參考配合。開發(fā)并實(shí)車運(yùn)用了防范失效措施(defeat device)的裝置，該裝置的微壓儀實(shí)時(shí)記錄壓力信號(hào)，信號(hào)的幅度和動(dòng)態(tài)過程特征鮮明可辨。該信號(hào)驗(yàn)證了車輛OBD系統(tǒng)的運(yùn)行是否與已申報(bào)的診斷邏輯相一致。

燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)；泄露監(jiān)測；車載診斷；演示試驗(yàn)；壓力信號(hào)

汽油車燃油蒸發(fā)控制(EVAP)系統(tǒng)應(yīng)具備必要的密閉性。美國研究顯示：大于0.02 英寸直徑的孔隙會(huì)導(dǎo)致汽車的燃油蒸發(fā)排放達(dá)到美國2002年型限值的15倍乃至更高[1]；孔隙小于0.02英寸直徑時(shí)燃油蒸發(fā)排放才會(huì)受到制約，并隨著孔徑減小而規(guī)律性地降低。EVAP系統(tǒng)泄露車載診斷的目的是在汽車的日常使用時(shí)由車輛自身主動(dòng)監(jiān)測到孔隙，點(diǎn)亮MIL(故障指示燈)來提示及早維修，避免持續(xù)污染環(huán)境。

雖然目標(biāo)同為檢查燃油系統(tǒng)的密閉性，EVAP系統(tǒng)泄露車載診斷不同于法規(guī)GB/T 14763—1993附錄A[2]及GB/T 14763—2005附錄B的規(guī)定：前者是以車輛自身配備的OBD硬件為基礎(chǔ)，在日常使用時(shí)由車輛主動(dòng)監(jiān)測；后者以外部設(shè)備為基礎(chǔ)，在車型認(rèn)證或在用符合性抽查時(shí)考察樣車，或者車輛出廠前按一定比例抽檢。后者僅針對特定對象或車輛出廠的特定時(shí)域，而前者把對象擴(kuò)展到了全車群，對每輛車近似于全生命周期檢測(除了過冷及過熱月份)。此技術(shù)的推廣運(yùn)用可以扭轉(zhuǎn)我國社會(huì)在用車的燃油蒸氣泄露失于監(jiān)管的狀況，達(dá)成顯著的環(huán)境效益。我國6階段排放法規(guī)里擬采取EVAP系統(tǒng)泄露OBD診斷[3]。

本文對各類監(jiān)測策略、EVAP系統(tǒng)泄露車載診斷監(jiān)測流程以及針對失效措施(defeat device)的防范舉措進(jìn)行了論述。

1　EVAP系統(tǒng)泄露診斷的規(guī)制及各類監(jiān)測策略

1.1EVAP系統(tǒng)泄露診斷的法規(guī)

首項(xiàng)強(qiáng)制要求EVAP系統(tǒng)泄露車載診斷的法規(guī)是美國加州OBDII，詳見文獻(xiàn)[4-5]。按泄露程度與多大直徑孔相當(dāng)來命名孔徑，定型認(rèn)證里規(guī)定了3種孔徑的診斷。0.09 英寸的大孔診斷既對應(yīng)于大孔泄露狀況，又對應(yīng)于油箱蓋未擰至就位的狀況，此規(guī)定始于20世紀(jì)90年代；0.04英寸小孔診斷的全面強(qiáng)制實(shí)施始于1998年。0.02英寸超小孔診斷的全面強(qiáng)制實(shí)施始于2003年。美國當(dāng)前同時(shí)要求非超小孔診斷與超小孔診斷，而非以后者替代前者。依照CCR.title13,§1968.2條文規(guī)定，一款車型申請加州EVAP系統(tǒng)泄露車載診斷的批準(zhǔn)時(shí)應(yīng)從表1所示兩項(xiàng)方案里選取其一。我國6階段排放法規(guī)里擬采取0.04英寸(1 mm)孔隙作為限值，同時(shí)也允許制造商自主申請大于或等于0.02 英寸(0.5 mm)孔隙的診漏方案。另外對燃油箱容積大于75 L的車輛，如果最可靠的監(jiān)測方法都不能監(jiān)測到規(guī)定的泄露量，允許制造商向主管部門提出修改泄露孔尺寸的申請[3]。

表1　 美國EVAP系統(tǒng)診漏規(guī)定

0.09英寸孔的截面面積為0.02 英寸孔的20多倍。規(guī)格越小的孔隙越難診斷。一方面是因?yàn)槲⑿】紫杜c“不泄露”之間的狀況差異更細(xì)微，另一方面是因?yàn)橄到y(tǒng)之外的干擾對壓力信號(hào)的混淆效應(yīng)，例如環(huán)境溫度變化等。OBDII對不同規(guī)格的孔隙分別規(guī)定IUPR限值。CARB在2002年研究了美國3典型城市采樣的約200輛自由行駛汽車的規(guī)律以及輔助資料，再考慮到此項(xiàng)診斷需要冷起動(dòng)條件，將0.02英寸超小孔的IUPR限值定為0.260。當(dāng)時(shí)0.04 英寸小孔診斷已強(qiáng)制施行多年，社會(huì)在用車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示絕大部分制造商 IUPR 高于0.52，即0.26的2倍多。鑒于法規(guī)沒必要規(guī)定一個(gè)比既有技術(shù)水平還低的限值，0.04 英寸小孔的IUPR限值選在0.52。當(dāng)時(shí)另一提案論證了IUPR值0.62的0.09 英寸大孔診斷與IUPR值0.52的0.04 英寸小孔診斷相比，前者能達(dá)成相當(dāng)乃至更大的社會(huì)減排效果，因而法規(guī)允許前者替代后者。

1.2EVAP系統(tǒng)泄露診斷的各類監(jiān)測策略

小孔診斷及超小孔診斷是EVAP系統(tǒng)泄露診斷的難點(diǎn)。20年來，隨著OBDⅡ法規(guī)的逐步加嚴(yán)，各整車制造商及零部件商先后開發(fā)了多種監(jiān)測策略和配套部件。與不存在液-氣轉(zhuǎn)化的密閉系統(tǒng)不同，汽車燃油箱里的汽油會(huì)緩慢地釋放氣體到被測空間里，這一特性對某種診斷策略是可以利用的。其他診斷策略則需要依靠車輛自身部件來主動(dòng)產(chǎn)生壓力/真空度，動(dòng)力來源有3個(gè)可選：一是發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門部位負(fù)壓(直接利用)；二是利用該負(fù)壓作為氣泵的驅(qū)動(dòng)力來給蒸發(fā)控制系統(tǒng)泵出正壓；三是電動(dòng)氣泵。

歸納起來，美國EVAP系統(tǒng)泄露診斷邏輯從部件機(jī)構(gòu)上可分為被動(dòng)類、主動(dòng)類。從動(dòng)力源分為無源式、依附式、獨(dú)立式。從蒸發(fā)控制系統(tǒng)壓力角度分為正負(fù)壓、正壓、負(fù)壓。從測試時(shí)段分為怠速、穩(wěn)速/熄火后立即進(jìn)行、熄火數(shù)小時(shí)后喚醒。從信號(hào)分為壓力(或真空度)、流動(dòng)阻力。如表2所述。

表2　美國EVAP系統(tǒng)泄露診斷邏輯分類歸納

注：① EONV：Engine Off Natural Vacuum，(熄火后自發(fā)負(fù)壓)；② NVLD：Natural Vacuum Leak Detection，(自發(fā)負(fù)壓泄露探測)；③ LDP：Leak Detecting Pump，(泄露探測氣驅(qū)泵)；④ DMTL：Diagnostic Module Tank Leak，(油箱泄露診斷模塊)；⑤ VDM：Vacuum Decay Method，(負(fù)壓退坡法)；⑥ VLDS：Vacuum Leak Detection System，(負(fù)壓泄露診斷系統(tǒng))；⑦ ELCM：Evaporative Leak Check Module，(蒸發(fā)泄露檢查模塊)。

1.2.1被動(dòng)式診斷邏輯EONV及NVLD

美國的某汽車公司以及日本的某幾家汽車公司采取了EONV方案，即Engine Off Natural Vacuum。美國的另一汽車公司也采用了類似的技術(shù)方案，命名為NVLDII。

在EVAP系統(tǒng)密閉性正常的車輛上，由于汽車行駛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)、尾氣管、燃油泵以及路面熱輻射等外部環(huán)境的熱量會(huì)向燃油箱內(nèi)燃油導(dǎo)入，即使在汽車熄火后，熱量導(dǎo)入仍將延續(xù)一段時(shí)間，溫度略有升高，燃油蒸氣也仍舊緩慢蒸發(fā)到燃油箱的氣體空間(熄火之前車輛振動(dòng)搖晃也導(dǎo)致此時(shí)汽油內(nèi)輕質(zhì)成分揮發(fā))，致使燃油箱內(nèi)氣壓有一定幅度的升高(若EVAP系統(tǒng)完全關(guān)閉)。在幾十分鐘的時(shí)段內(nèi)，氣壓升高通常符合某一已知規(guī)律。

利用該時(shí)間片段里氣壓變化信號(hào)，把實(shí)況氣壓數(shù)值與規(guī)律相比照，若氣壓顯著低于已知規(guī)律(例如與環(huán)境氣壓無壓差)，則判定車輛存在一定規(guī)格的孔隙。EONV診斷邏輯的信號(hào)辨析見圖1。將全程實(shí)時(shí)壓力值與環(huán)境壓力作差值得到PΔ溫升1，若在指定時(shí)段PΔ溫升1大于某限值，則判定Pass，監(jiān)測結(jié)束；否則，炭罐通大氣電磁閥被重新開啟，將已測得的實(shí)時(shí)壓力曲線與此時(shí)壓力值PPP1(positive pressure)作差值而得出PΔ溫升2，若指定時(shí)段里PΔ溫升2小于某限值，則判定Fail，即被測對象有大于等于0.02 英寸規(guī)格的孔隙，設(shè)故障碼為DTC P0456。

圖1　EONV診斷邏輯的信號(hào)辨析

如果情況不屬于上述任何一種，則診斷過程進(jìn)一步推進(jìn)到“壓力下跌片段”，見圖1。氣路閥門打開，使油箱內(nèi)氣壓等于外部氣壓，接著閉合。隨后車輛油箱通常隨著環(huán)境一同降溫，密閉的EVAP系統(tǒng)內(nèi)壓力為負(fù)。實(shí)況氣壓數(shù)值與規(guī)律相比較，若一直顯著地高于已知規(guī)律(例如其與環(huán)境氣壓無壓差)，則判定有孔隙。流程為：初始時(shí)刻炭罐的通大氣口電磁閥打開測量PNP2，隨后關(guān)閉；持續(xù)測量燃油溫度和EVAP系統(tǒng)壓力，直至燃油溫度的變化量超出了某閾值，記錄此時(shí)EVAP系統(tǒng)壓力P；若P與PNP2之差大于某閾值，或者如果自炭罐的通大氣口電磁閥關(guān)閉以來的壓差累計(jì)值大于某閾值，則證明系統(tǒng)成功建立了負(fù)壓真空度，無孔隙，判斷為Pass并且診斷完成；反之則判斷為Fail，設(shè)故障碼為DTC P0456。

EONV診斷策略的魯棒性主要取決于燃油蒸發(fā)性、油位、環(huán)境溫度、預(yù)處理循環(huán)、車輛油箱容積以及周邊部件的熱傳導(dǎo)、是否是乙醇或汽油、海拔以及其他不可控變量的影響[6]。改進(jìn)魯棒性的途徑之一是在前端追加運(yùn)行一個(gè)片段來測取蒸氣產(chǎn)生率，判斷蒸氣生成率是否過于強(qiáng)烈。

相應(yīng)地，此類診斷邏輯要求冷起動(dòng)條件以及表3所列的一些前提條件。

表3　EONV診斷邏輯要求的前提條件

NVLDII診斷策略(natural vacuum leak detection)系統(tǒng)主要由壓力切換閥和溫度傳感器組成，可以監(jiān)測0.02英寸規(guī)格的孔隙。原理是：車熄火100多分鐘后油溫下降,不泄露的系統(tǒng)將產(chǎn)生一定的真空度，使開關(guān)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。流程是：在熄火后的120 min，該系統(tǒng)的自配微型芯片開始運(yùn)行，測量燃油箱內(nèi)壓力；如果開關(guān)閥關(guān)閉狀態(tài)保持了10 min，則系統(tǒng)通過;如果120 min之后的時(shí)段里燃油蒸氣溫度下降了8 ℃，而真空度無增加，則監(jiān)測到有孔隙 (故障碼為P0456)。圖2為NVLD診斷邏輯的信號(hào)辨析。

相應(yīng)地，此診斷邏輯要求冷起動(dòng)條件，以及表4所列的前提條件。

圖2　NVLD診斷邏輯的信號(hào)辨析

部件　　　狀態(tài)要求值處于區(qū)域部件狀態(tài)要求值處于區(qū)域點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)已關(guān)機(jī)時(shí)長—>120min發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度—>48℃環(huán)境溫度—>4．5℃環(huán)境壓力—>75kPa燃油量—14．83%～99．6%熄火之后蒸汽溫度下降—>8℃熄火后大氣壓變化—<10kPa

被動(dòng)式EVAP系統(tǒng)的正壓過程和負(fù)壓過程各需花費(fèi)幾十分鐘，這兩個(gè)時(shí)段都要求無溫度突變干擾，受制性較大。與之相比，主動(dòng)式EVAP系統(tǒng)建壓迅速，幅值為被動(dòng)式的數(shù)倍乃至10余倍，信號(hào)鮮明，耗時(shí)較短，受環(huán)境制約弱。

1.2.2主動(dòng)式正壓型診斷邏輯LDP系列及DMTL

在法規(guī)推行的初期，LDP1.0是首先在美國獲得批量應(yīng)用的主動(dòng)式正壓型泄露診斷的部件及診斷策略。該策略的部件動(dòng)力來源是由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力所驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式氣泵。西門子公司主導(dǎo)并發(fā)展出LDPX系列[7]，細(xì)分為LDPxHF、LDPxST及LDPxPRESS。其中LDPxST的診斷耗時(shí)小于LDPxPRESS，其核心部件及系統(tǒng)構(gòu)造見圖3。

圖3　LDPX系統(tǒng)的核心部件及系統(tǒng)構(gòu)造

LDPxST策略：車輛進(jìn)入怠速后，CVS(炭罐通大氣閥)閉合炭罐通大氣口，停泵，當(dāng)壓力衰減到測試區(qū)間上限值時(shí)，開始計(jì)時(shí)降壓時(shí)長“tL”。基于tL以及油箱內(nèi)的氣體空間體積數(shù)值即可判斷系統(tǒng)泄露程度。后期tL可用推算的辦法來獲得，耗時(shí)縮減。當(dāng)tL達(dá)到10 s時(shí)，引入脫附氣流來強(qiáng)制油箱里壓力跌落到下限壓力點(diǎn)，以脈沖個(gè)數(shù)PC1及其他輔助參數(shù)來達(dá)成推算。該方法可以實(shí)現(xiàn)0.25 mm與0.5 mm泄露的區(qū)分。

另一種主動(dòng)式正壓型診斷邏輯DMTL基于布置在炭罐通大氣口處的集成模塊DMTL (diagnostic module-tank leak)，可以監(jiān)測到孔徑0.5 mm或更大孔徑的孔隙。該模塊的泵、閥均為電動(dòng)和電控，內(nèi)置的參考孔為純機(jī)械部件，通?？讖铰晕⑿∮诜ㄒ?guī)指定值。測試流程主要分為參考孔特性步驟以及泄露測量步驟：前者的作用類似于一種標(biāo)定，泵與參考孔相連通，ECM測量泵的電流消耗率I0；在隨后的泄露測量步驟，炭罐的通大氣口電磁閥關(guān)閉，泵給油箱和燃油蒸氣控制系統(tǒng)加壓，ECM再次測量泵電機(jī)的電流消耗率I1。如果電流值I1大于I0證明密閉，如果值偏小則表明有泄露。圖4為某款正壓型EVAP系統(tǒng)密閉性診斷系統(tǒng)和信號(hào)辨析。

圖4　某款正壓型EVAP系統(tǒng)密閉性診斷系統(tǒng)和信號(hào)辨析

LR2方法是另一種處理I1和I0的技術(shù)手段，從原理上規(guī)避了油箱內(nèi)油位的影響?；竟揭娛?1)。得出的Irel(泵電流相對率)數(shù)值即為評判指標(biāo)。

(1)

分析實(shí)際電流、標(biāo)準(zhǔn)孔參考電流、最小電流(例如潛電流,非常接近于0)相互之間的包圍關(guān)系形成的積分，面積A1+A2及A2分別對應(yīng)于實(shí)際泵電流積分及密閉系統(tǒng)的泵電流積分理論值，則孔隙規(guī)格將影響兩者之間的差別度(見圖5)。定義Ak:

就1.0 mm，0.5 mm以及無泄露這3種情況，Ak與Irel之間的散點(diǎn)圖呈現(xiàn)為由零點(diǎn)起始的3簇明顯區(qū)分的線組。監(jiān)測數(shù)據(jù)按上述算法運(yùn)算后可以歸于其中某一類孔隙規(guī)格。

某些制造商的診斷選擇在車輛熄火之后立即開始，另一些制造商選擇在車輛停車6 h之后才自動(dòng)喚醒并開始運(yùn)行上述測試流程。前者的前提條件如表5所述。后者的診斷前提條件與表5有個(gè)別差異，例如要求冷卻液溫度與環(huán)境溫度之差小于6.7 ℃。

圖5　某款正壓型監(jiān)測的數(shù)據(jù)積分處理辦法

部件狀態(tài)要求值處于區(qū)域點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉車輛狀態(tài)駐車跑循環(huán)之前，發(fā)動(dòng)機(jī)已關(guān)機(jī)時(shí)長—>3h跑循環(huán)的時(shí)長—>某值燃油量—某范圍脫附閥關(guān)閉狀態(tài)環(huán)境溫度—某范圍海拔—<上限值蓄電池電壓某范圍炭罐吸附的蒸氣量<某值

1.2.3主動(dòng)式負(fù)壓型節(jié)氣門真空驅(qū)動(dòng)類

VLDS系統(tǒng)(vacuum leak detection system)是起源最早的診斷策略之一，也稱為負(fù)壓衰減型(negative pressure decay)或真空度衰減型(vacuum decay)。先把系統(tǒng)造成負(fù)壓，然后監(jiān)測隨后過程里是否發(fā)生由孔隙而導(dǎo)致的真空度衰減情況。負(fù)壓源為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管真空度，通過開關(guān)型電磁閥控制監(jiān)測過程中EVAP系統(tǒng)密閉空間的連通。

流程：開啟脫附抽真空，達(dá)到目標(biāo)負(fù)壓值時(shí)保持該壓力；隨后脫附停止，容許系統(tǒng)穩(wěn)定一小段時(shí)間，讀取壓力值P1；接著經(jīng)過特定時(shí)段后測量壓力值P2；分析P2與P1之間的差值，結(jié)合輔助信息，即可判定該系統(tǒng)是否泄露。

某款0.04 英寸診斷策略和部件VDS(vacuum decay system)自1995年起即已由某美系零部件商投入批量配套，自1996年起為多家汽車制造商采用，其特點(diǎn)是耗時(shí)短，通常小于30 s，且可以在怠速及巡航速度下分別運(yùn)行。與之類似，某歐系零部件制造商在1998年前后也已經(jīng)廣泛應(yīng)用VLDS。受限于當(dāng)時(shí)壓阻式傳感器的轉(zhuǎn)換器靈敏度不足，難以診斷出更小的孔隙。

燃油波漾擾動(dòng)會(huì)激發(fā)蒸氣揮發(fā)，削減真空度，混淆信號(hào)，易導(dǎo)致誤診斷的發(fā)生。為此，該美系零部件商在1999年之后設(shè)計(jì)出了僅在怠速工況下運(yùn)行的EVDLC(enhance vacuum decay leak check)系統(tǒng)[8]。在車輛進(jìn)入怠速前，EVDLC系統(tǒng)已經(jīng)開始預(yù)備工作，通過脫附把系統(tǒng)真空度抽吸到適當(dāng)?shù)恼婵斩炔⒈３帧＿M(jìn)入怠速后即開始監(jiān)測。

蒸氣揮發(fā)因素需要在數(shù)值處理時(shí)作修正。先使系統(tǒng)重回大氣壓，接著再度關(guān)閉CVS，測量某指定時(shí)長里系統(tǒng)壓力改變量，改變量再額外計(jì)入其他補(bǔ)償因素后即成為蒸氣揮發(fā)因素的表征。修正后結(jié)果如圖6所示。圖 6中:縱軸指標(biāo)為歸一化了的結(jié)果，1為限值，大于1為判定為有泄露，小于1判定為泄露孔徑不到限值規(guī)定的程度；3列散點(diǎn)為3種不同設(shè)定孔徑下的結(jié)果，右側(cè)兩列分別處在0.8以下或1.0以上兩個(gè)區(qū)間，且分別集中于0.6±0.1或1.3±0.2的區(qū)域，魯棒性顯著改善。

圖6　計(jì)入了兩種補(bǔ)償后EVDLC達(dá)成的孔隙辨析散點(diǎn)圖

穩(wěn)定壓力是改進(jìn)的另一途徑。某家歐系零部件制造商通過在系統(tǒng)里增加一個(gè)真空度調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)，稱VLDS-II系統(tǒng)[7]。診斷時(shí)車輛可以怠速也可以穩(wěn)速，但必須持續(xù)120 s以上。以tL期間的衰減速度(Δ1/tL)來辨析系統(tǒng)的孔隙大小。VLDS-II系統(tǒng)也追加了兩個(gè)環(huán)節(jié)來分別修正由揮發(fā)蒸氣因素以及油箱內(nèi)的氣體體積造成的額外影響，前者的測算手段與EVDLC的類似，后者則測量記錄系統(tǒng)的CVS打開時(shí)長里的真空度變化量Δ來作為修正指標(biāo)。經(jīng)修正后，VLDS-II對0.25 mm 與 0.5 mm兩種孔隙有很好的區(qū)分度。

采用此項(xiàng)技術(shù)方案的另有某韓系整車制造商[9]，命名為NEGCS(new evaporative gas control system),流程如圖7所示。在流程的步驟2開展大孔診斷，在步驟3里監(jiān)測系統(tǒng)是否存在小孔。

圖7　某整車制造商的VLDS流程

1.2.4主動(dòng)式負(fù)壓型ELCM電動(dòng)氣泵驅(qū)動(dòng)類

ELCM系統(tǒng)利用了葉片式真空泵氣泵的流量壓力特性，見圖8中的粗黑色線。在一定的壓力段里，流量越大，能建立的負(fù)壓就越小(該線的右上點(diǎn)位置)；流量越小，能建立的負(fù)壓就越大(該線的左下點(diǎn)位置)。細(xì)黑色線是0.02英寸參考孔的孔隙氣流特性曲線，它在真空度為0時(shí)流量為0，真空度越大則流量越大。每輪測試時(shí)，先依托參考孔來建立符合當(dāng)時(shí)狀況的參考點(diǎn)，兩條線的交點(diǎn)就是參考?jí)毫c(diǎn)Pref。隨后將抽負(fù)壓通路轉(zhuǎn)接到燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)，抽負(fù)壓。燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的孔隙大小將決定其特性為圖中的虛線或點(diǎn)線，穩(wěn)定點(diǎn)在虛線或者點(diǎn)線的交點(diǎn)，即表明了孔隙的直徑大于0.02英寸或小于0.02英寸[10]。

ELCM的部件示意圖以及診斷期間壓力演變過程與孔徑之間的對應(yīng)關(guān)系范例見圖9。電泵模塊先后分別連通設(shè)有直徑0.5 mm孔隙的一側(cè)以及蒸發(fā)系統(tǒng)一側(cè)，分別測量氣壓穩(wěn)定值。如果后者壓力比前者高，則判斷系統(tǒng)有大于直徑0.5 mm的孔隙。另一條曲線既低于Pref，也低于某個(gè)限值，即無孔隙。隨后，系統(tǒng)再次測量連通到直徑0.5 mm孔隙時(shí)的壓力，以確認(rèn)前述測試過程里未曾發(fā)生環(huán)境突變等干擾。

圖8　壓力特性與孔徑之間的對應(yīng)關(guān)系

圖9　壓力特性與孔徑之間的對應(yīng)關(guān)系

此監(jiān)測方法的理論基礎(chǔ)為流量公式為

孔徑d與ΔP之間存在對應(yīng)關(guān)系，第1階段里的參考孔可以使監(jiān)測系統(tǒng)獲知目標(biāo)ΔP以及Pref。在第2階段里，采取抽負(fù)壓方法時(shí)流經(jīng)孔隙的為空氣，可以采用與第1階段相同的公式及原理。

若采取打正壓，流經(jīng)孔隙的氣體為油箱內(nèi)原存氣體和竄入的外部空氣的混合物，壓力公式如下：

其中：P0為環(huán)境壓力；P1為狀態(tài)A下的蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部壓力；P2為狀態(tài)B下的蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部壓力；Pe1為T1溫度下的飽和蒸汽壓；Pe2為T2溫度下的飽和蒸汽壓；T1為狀態(tài)A下的溫度；T2為狀態(tài)B下的溫度；V為蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)的氣體空間體積；d為孔直徑；ΔP為環(huán)境壓力與內(nèi)部空間壓力的差壓；Qout為從泵排出的流體壓力；Qa為從泵排出的空氣壓力；Qb為從泵排出的蒸氣壓力；C為從泵排出的流體的HC密度；Qin為從泄露孔進(jìn)入燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的空氣壓力；α為氣體釋放系數(shù)；ρ為從泄露孔流出物質(zhì)的密度。

負(fù)壓解析簡單，所以此類系統(tǒng)多為抽負(fù)壓方案。此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立性高、監(jiān)測穩(wěn)定性佳、不受燃油油位影響。弱點(diǎn)是在燃油溫度過高時(shí)不能診斷。高溫催生的燃油揮發(fā)會(huì)削弱EVAP系統(tǒng)負(fù)壓，例如當(dāng)油箱內(nèi)壓力在大約100 s內(nèi)由-5 kPa快速升高到-1 kPa時(shí)，運(yùn)算邏輯會(huì)把密閉系統(tǒng)誤判斷為存在相當(dāng)于0.04英寸的孔隙?？朔摫锥说淖鞣ㄊ沁x在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火幾小時(shí)后由計(jì)時(shí)器自動(dòng)觸發(fā)診斷，通常為5 h，缺點(diǎn)是IUPR受一定影響。

2　檢測試驗(yàn)的要素及流程

美國CCR.title13,§1968.2法規(guī)及我國正在制定中的6階段排放法規(guī)的附件JA里規(guī)定了OBD系統(tǒng)的功能性項(xiàng)目試驗(yàn)，其中章節(jié)JA.6.3.1.2.11規(guī)定了蒸發(fā)系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)驗(yàn)證要求。

2.1檢測試驗(yàn)的要素

附件JA規(guī)定在檢測試驗(yàn)時(shí)采用O’Keefe Controls Co.制造的帶有/配有美國標(biāo)準(zhǔn)錐管螺紋的精密金屬B型孔，此標(biāo)準(zhǔn)孔件見圖10。0.02英寸，0.04英寸及0.09英寸規(guī)格用于加州的型式認(rèn)證檢測。

國內(nèi)6階段排放法規(guī)(送審稿)里規(guī)定在油箱內(nèi)蓋(或緊鄰管路)以及炭罐(或緊鄰管路)先后分別安裝泄露孔，先后進(jìn)行兩項(xiàng)測試。油箱內(nèi)蓋與標(biāo)準(zhǔn)孔件的組合件見圖10。

圖10　某車型測試用的0.04英寸泄露孔組合件

2.2檢測試驗(yàn)的流程

引入了故障的樣車，按照圖11的試驗(yàn)流程進(jìn)行行駛：① 熄火一時(shí)期；② 再行駛；③ 再熄火一時(shí)期；④ 之后再次給車輛上電，應(yīng)當(dāng)點(diǎn)亮MIL并存儲(chǔ)相應(yīng)的故障碼，這樣即判定為符合，否則判定為不符合。依自身特點(diǎn)，各種診斷邏輯在①，②，③，④里的檢測操作方法可以歸為如圖11的兩類測試流程。

在步驟①和③里，車輛放置在轉(zhuǎn)鼓上運(yùn)行循環(huán)，美國標(biāo)準(zhǔn)允許用UDDS或UC等循環(huán)進(jìn)行。各項(xiàng)浸車環(huán)節(jié)及行駛環(huán)節(jié)完成后，上電并啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)出現(xiàn)MIL點(diǎn)亮，故障碼應(yīng)符合表1的規(guī)定。

3　基于車外設(shè)備的診斷邏輯驗(yàn)證

采用獨(dú)立于車輛的氣體差壓測量記錄系統(tǒng)，可以全程記錄EVAP系統(tǒng)內(nèi)的壓力演變過程，把細(xì)節(jié)信息與制造商提交的診斷邏輯相比較，既可定性驗(yàn)證車型的診斷過程是否確如描述書所述，還可了解系統(tǒng)的敏銳性及魯棒性。

圖11　兩類測試流程

3.1用于驗(yàn)證診斷邏輯的車外設(shè)備裝置

該精密型差壓儀裝置以精度達(dá)1～2 Pa的解析度來測量汽車EVAP密閉空間的壓力變化狀況，連續(xù)記錄約25 000個(gè)數(shù)據(jù)，并可以隨后導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)。以1 s或2 s為步長，可以記錄6～12 h的氣壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)。例如圖12左上角的白色管路將圖中的“泄露孔組合件”與差壓儀相連通。類似地，可以采取直通方式來測量記錄車輛無孔隙狀況下的EVAP密閉空間的壓力變化狀況。

圖12　某車型測試用的0.04inch泄露孔組合件

3.2基于差壓信號(hào)的診斷邏輯的驗(yàn)證

一款車型進(jìn)行了本文3.1節(jié)里所述兩種狀況的測試，在測試全程里采集了真空度信號(hào)，曲線如圖13所示(縱軸正值)。圖13的上部為車速曲線，圖13下部里的兩條曲線分別對應(yīng)于密閉系統(tǒng)及0.04 英寸小孔系統(tǒng)。

圖13　某車型測試過程里的壓力變化

在第1個(gè)行駛段結(jié)束后怠速過程里開始第1輪診斷，分兩次抽真空度，先是預(yù)抽到5～8 kPa，保持幾秒，隨后進(jìn)行正式抽真空，真空度達(dá)到15 kPa?！?.04英寸”曲線在這兩次抽真空之后都隨即發(fā)生了真空度跌落到0 kPa的狀況，而不是像“無孔隙”曲線那樣維持了真空度。

隨后過程里，“無孔隙”曲線的壓力緩慢下降，并在440 s以及600 s時(shí)刻虛線的壓力兩次重新從7～8 kPa上升到9～11 kPa，推測是此時(shí)車輛的電磁閥再次將油箱氣體空間與車輛的節(jié)氣門位置連通，對系統(tǒng)里的燃油蒸氣進(jìn)行了脫附抽吸。

特別地，在第980 s及1 030 s的兩個(gè)怠速時(shí)段里，車輛進(jìn)行了第2輪診斷，分2個(gè)步驟把系統(tǒng)抽吸真空來再次確認(rèn)密閉性。此輪的正式抽吸與預(yù)抽之后間隔時(shí)間長，真空度衰減“無孔隙”曲線的真空度峰值低于第1輪的真空度峰值。

車輛燃油系統(tǒng)無孔隙/有孔隙時(shí)，此方法記錄的壓差信號(hào)差異顯著，信號(hào)幅度足以體現(xiàn)出診斷作動(dòng)動(dòng)作，可以作為“車輛的燃油蒸發(fā)診斷邏輯是否屬實(shí)”的認(rèn)定依據(jù)。

4　結(jié)束語

多數(shù)EVAP系統(tǒng)泄露車載診斷手段基于氣體壓力特性，DMTL及ELCM等一些依賴于電動(dòng)氣泵的診斷手段利用了氣泵的特性，采用了參考孔。

通過對EVAP系統(tǒng)泄露車載診斷各類方法的原理辨析和分類歸納，為國內(nèi)制造商應(yīng)對6階段排放法規(guī)相應(yīng)要求指明了技術(shù)路徑，可資借鑒參考。

在介紹通常的EVAP系統(tǒng)泄露車載診斷演示試驗(yàn)驗(yàn)證流程基礎(chǔ)上，提出并實(shí)車測試了一套基于壓差信號(hào)的診斷邏輯驗(yàn)證方法。該方法可以對EVAP系統(tǒng)泄露車載診斷的失效措施(defeat device)加以防范。

除了車載診斷，在用車年檢I/M制度也是美國長期運(yùn)行的EVAP系統(tǒng)泄露的發(fā)現(xiàn)手段。車輛油箱內(nèi)蓋等關(guān)鍵零部件的性能改進(jìn)是防范EVAP系統(tǒng)泄露的主要抓手。各項(xiàng)手段綜合運(yùn)用，可以使EVAP系統(tǒng)泄露得到有效控制。

[1]State of California ARB,STAFF REPORT:IN ITIAL STATEMENT OF REASONS FOR PROPOSED RULEMAKING,Technical Status and Revisions to Malfunction and Diagnostic System Requirement for 2004 and Subsequent Model Year Passenger Cars,Light-Duty Trucks,and Medium-Duty Vehicles and Engines (OBDⅡ)[S].Date of Release:March 8,2002.

[2]GB/T14763—1993，汽油車燃油蒸發(fā)污染物的測量收集法附錄A[S].

[3]國家環(huán)保部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，GB □□□□—20□□《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第6階段)(送審稿)》[S].

[4]CCR,title13,§1968.2.Malfunction and Diagnostic System Requirements-2004 and Subsequent Model-Year Passenger Cars,Light-Duty Trucks,and Medium-Duty Vehicles and Engines[S].

[5]CCR,title13,§1968.5.Enforcement of Malfunction and Diagnostic System Requirements for 2004 and Subsequent Model-Year Passenger Cars,Light-Duty Trucks,and Medium-Duty Vehicles and Engines[S].

[6]SAE 2003-01-0719Michael DeRonne,Greg Labus,Chad Lehner,Marc Gonsiorowski,Bill Western and Kevin Wong,General Motors,The Development and Implementation of an Engine Off Natural Vacuum Test for Diagnosing Small Leaks in Evaporative Emissions Systems,SAE 2003-01-0719[S].

[7]Paul.D.Perry & J.P.Gilles Delaire.Siemens Automotive Ltd.,Development and Benchmarking of Leak Detection Methods for Automobile Evaporation Control Systems to Meet OBDII Emission Requirements,SAE 980043[S].

[8]Stephen F.Majkowski,Kenneth M.Simpson,Michael J.Steckler,Delphi Automotive Systems,Energy & Engine Management Systems,Development and Validation of a 0.020” Evaporative Leak Diagnostic System Utilizing Vacuum Decay Methods,SAE 1999-01-0861[S].

[9]Simsoo Park,Korea University,Youngkyo Chung,Jaekook Park,Hyundai Motor Co.,The OBD-II System in the Hyundai Accent,Central Research Center,SAE 982551[S].

[10]Mitsuyuki Kobayashi,Yoshichika Yamada,Masao Kano,Kenji Nagasaki,DENSO Corporation,Hideki Miyahara,TOYOTA Motor Corporation,Noriyasu Amano,NIPPON SOKEN Incorporation,Evaporative Leak Check System by Depressurization Method,SAE 2004-01-0143[S].

(責(zé)任編輯劉舸)

Gasoline Vehicle’s OBD on EVAP System Leak Detection and Demonstration Test

QIAN Guo-gang, LI Yue-hua, XIE Nan

(China Automotive Technology&Research Center, Tianjin 300300, China)

Gasoline Vehicle’s OBD on EVAP System Leak Detection will be introduced into China’s 6thstage emission standard for LDVs. Such requirements had already been in force in California OBDⅡ for years, and manufactures have developed many kinds of strategies for their vehicles sold in US. A category that classify all these strategies will be helpful for the local manufactures to make their own choice to accomplish the task. The demonstration requirement and the test procedure were also illustrated in this article, as a guide for the certifications. To prevent defeat devices, a pressure/vacuum record facility was built up and was run in the demonstration tests for certain vehicles, and the device of micro pressure meter can record pressure signal in real time and the signal amplitude characteristic and dynamic process were shown obviously. The signal verified that whether the vehicle OBD system running is consistent with the declared diagnosis logic.

EVAP system; leak detection; OBD; demonstration test; pressure signal

2016-08-08

環(huán)保部環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201409021)

錢國剛(1977—),男,黑龍江人,碩士,高級(jí)工程師,主要從事汽車排放與節(jié)能研究，E-mail:qianguogang@163.com。

format：QIAN Guo-gang, LI Yue-hua, XIE Nan.Gasoline Vehicle’s OBD on EVAP System Leak Detection and Demonstration Test [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):23-33.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.004

U461

A

1674-8425(2016)10-0023-11

引用格式：錢國剛,李月華,解難.汽油車燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)泄露車載診斷及試驗(yàn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(10):23-33.