帥石金 劉洋 張?jiān)讫?/p>

（清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

主題詞：汽油車 三效催化劑 顆粒捕集器 車載在線診斷

汽車是當(dāng)今社會(huì)需求量最高的交通工具，然而伴隨著汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，造成的環(huán)境問題已經(jīng)愈發(fā)不容小覷。對(duì)于汽油機(jī)來說，三效催化劑的研制成功使其排放污染問題已經(jīng)基本得到解決；柴油機(jī)由于其排放污染物絕對(duì)量更多，成分也更復(fù)雜，需要研究多種后處理技術(shù)的組合應(yīng)用。但隨著汽油車尾氣排放法規(guī)的進(jìn)一步加嚴(yán)，油耗和二氧化碳的限值進(jìn)一步降低，以及汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的變化，輕型汽油車尾氣污染物的種類和凈化要求也變得更為復(fù)雜，如CH4被列為了新的污染物，后處理部件耐久要求提高，顆粒物的排放控制由質(zhì)量拓展到數(shù)量等。車載在線診斷（On-Board Diagnostics，OBD）系統(tǒng)正是在這種背景下催生出的技術(shù)產(chǎn)物，其研發(fā)對(duì)于控制排放甚至促進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展都具有極其重大的意義。

本文對(duì)OBD系統(tǒng)的工作原理和發(fā)展歷程進(jìn)行了闡述，介紹了輕型汽油車集成后處理OBD系統(tǒng)的核心技術(shù)，分析了國(guó)六階段的OBD技術(shù)重點(diǎn)與難點(diǎn)，并對(duì)OBD系統(tǒng)研發(fā)工作進(jìn)行了展望。

1 OBD系統(tǒng)概述

1.1 OBD工作原理

OBD被定義為汽車或發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)在線系統(tǒng)，它擁有以下能力：

（1）檢測(cè)影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的故障；

（2）通過警告系統(tǒng)指示這些故障的存在；

（3）通過電腦中存儲(chǔ)的信息或離線訪問信息來診斷故障發(fā)生的可能區(qū)域。

OBD系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（Engine Management System，EMS）的重要組成部分，存儲(chǔ)著來自于發(fā)動(dòng)機(jī)的各種凍結(jié)幀信息，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、排氣溫度、排氣質(zhì)量流量等。OBD系統(tǒng)按照一定的監(jiān)測(cè)循環(huán)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)與排放相關(guān)的各個(gè)傳感器和后處理部件的工作情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)排放超過限值后，就對(duì)比各種信息對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中發(fā)生的可能影響排放的故障做出診斷，并且保存一個(gè)故障代碼。與此同時(shí)，故障指示燈（Malfunction Indicator Lamp，MIL）將會(huì)激活，提醒駕駛員汽車已經(jīng)發(fā)生排放故障，需要暫停駕駛[1]。在停車后，相關(guān)維修人員通過故障診斷儀器與OBD的接口相連接讀取故障代碼，并與統(tǒng)一的信息手冊(cè)相對(duì)照，就能夠明確知曉故障的原因，并進(jìn)行維修。

導(dǎo)致排放超標(biāo)的原因非常多，可能來自于傳感器等電子元器件的電路故障，也可能由三效催化轉(zhuǎn)化器（Three-Way Catalytic Converter，TWC）、汽油機(jī)顆粒捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）等后處理部件的老化或損壞導(dǎo)致。OBD系統(tǒng)需要準(zhǔn)確地判斷出排放惡化的源頭，這就需要建立一套完整、合理的監(jiān)測(cè)和診斷算法；同時(shí)，OBD系統(tǒng)也需要對(duì)于故障進(jìn)行迅速響應(yīng)，甚至能夠在駕駛員長(zhǎng)時(shí)間未采取行動(dòng)的情況下，主動(dòng)地限值汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩以達(dá)到控制排放和警告的效果，這就需要建立實(shí)時(shí)性好、魯棒性強(qiáng)的決策算法?？梢?，OBD系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)本身的排放特性息息相關(guān)，它的各種信息又直接從發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）中讀取，這樣的特點(diǎn)導(dǎo)致OBD系統(tǒng)本身擁有非常高的復(fù)雜度，在算法編寫完成后，還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，對(duì)其中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，這個(gè)周期往往很長(zhǎng)，工作量很大。

1.2 OBD發(fā)展歷程

OBD的概念最早由通用汽車公司提出，早期的OBD系統(tǒng)僅具備基本的故障診斷和故障響應(yīng)的功能，對(duì)于排放控制的能力有限。

美國(guó)加利福尼亞州由于汽車排放而造成大氣惡化，在1985年，加州空氣資源委員會(huì)（California Air Resources Board，CARB）采用汽車工程師協(xié)會(huì)（Society of Automotive Engineers，SAE）標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定自1988年起加州所售汽車具備基本OBD功能。1991年，美國(guó)環(huán)保局要求所有的新車必須滿足OBD相關(guān)技術(shù)要求，即為OBD I。

OBD II在OBD I的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，由SAE指定相關(guān)診斷接口和通訊方法標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)要求更加完整和標(biāo)準(zhǔn)化。歐共體規(guī)定自2000年開始，所有成員國(guó)境內(nèi)所售汽車需滿足相關(guān)技術(shù)要求，即為EOBD，與OBD II的性質(zhì)和要求較為相似。

從2004年開始，OBD發(fā)展進(jìn)入第三階段，即為OBD III，也是歐6法規(guī)中采用的OBD階段。中國(guó)當(dāng)前施行的OBD法規(guī)需要滿足《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》中的相關(guān)要求，其結(jié)合了歐6法規(guī)和美國(guó)LEV III排放法規(guī)的特點(diǎn)。國(guó)六OBD相比于國(guó)五的變化主要體現(xiàn)在排放污染物限值和監(jiān)測(cè)項(xiàng)兩方面。排放限值要求中，國(guó)五和國(guó)六的CO限值不變，均為1 900 mg/km；國(guó)五對(duì)于NMHC和NOx的限值要求分別為250 mg/km和300 mg/km，國(guó)六則將兩者合并，設(shè)置NMHC和NOx的總和限值為260 mg/km；國(guó)五對(duì)于PM（Particulate Matter，PM）的限值要求為50 mg/km，國(guó)六降低為12 mg/km。國(guó)六OBD監(jiān)測(cè)項(xiàng)要求中，56%的監(jiān)測(cè)項(xiàng)相比于國(guó)5進(jìn)行了加嚴(yán)，主要體現(xiàn)在內(nèi)容增加和在用監(jiān)測(cè)頻率（In-Use Performance Ratio，IUPR）提高上，如TWC監(jiān)測(cè)、失火監(jiān)測(cè)、綜合零部件監(jiān)測(cè)等；44%為新增監(jiān)測(cè)項(xiàng)，包括了GPF監(jiān)測(cè)、蒸發(fā)系統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)、冷啟動(dòng)減排策略監(jiān)測(cè)等。排放污染物限值的大幅降低表明國(guó)六OBD系統(tǒng)需要更快速和精確地診斷排放部件的相應(yīng)故障，監(jiān)測(cè)項(xiàng)的增加和加嚴(yán)表明國(guó)六OBD系統(tǒng)應(yīng)具備更完善的診斷功能和更高的使用頻率，這一切都為OBD工作提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2 TWC診斷技術(shù)研究

2.1 TWC診斷原理

TWC是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)的核心部件，主要通過在載體上涂敷催化劑促使發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中CO、HC和NOx三種成分參與氧化還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為CO2、H2O和N2，起到降低排放的作用，TWC的轉(zhuǎn)化效率受到排氣溫度和空燃比兩方面的影響。TWC具有一個(gè)起燃溫度，一般為300℃，決定了它的工作時(shí)刻，故在低溫冷啟動(dòng)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物含量較高；而當(dāng)排氣溫度超過400℃時(shí)，TWC的轉(zhuǎn)化效率較高；排氣溫度超過800℃時(shí)，TWC可能面臨失效。TWC對(duì)各種污染物的轉(zhuǎn)化效率在排氣達(dá)到理論空燃比附近時(shí)最高，故需要在TWC前安裝氧傳感器進(jìn)行空燃比閉環(huán)控制。

TWC內(nèi)部最重要的化學(xué)過程是氧的存儲(chǔ)和釋放，用以下化學(xué)反應(yīng)描述[2]：

對(duì)于新鮮的TWC，其中的鈰氧化物具有良好的儲(chǔ)氧能力，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)偏離理論空燃比時(shí)，如偏稀或偏濃，TWC將對(duì)這種變化作出響應(yīng)，進(jìn)行相應(yīng)的儲(chǔ)氧和釋氧過程，從而使得TWC后端的排氣始終保持在理論空燃比左右，如圖1所示，此時(shí)TWC的轉(zhuǎn)化效率最高；隨著TWC由于高溫、催化劑中毒等原因逐漸老化，其儲(chǔ)氧能力不斷下降，即最大儲(chǔ)氧量不斷減少，此時(shí)TWC后的排氣不再維持在理論空燃比，而是產(chǎn)生一定程度的波動(dòng)，如圖2所示，此時(shí)TWC轉(zhuǎn)化效率下降；當(dāng)TWC老化達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，催化劑基本喪失儲(chǔ)氧能力，TWC前后氧傳感器的電壓信號(hào)將趨于一致，如圖3所示。

圖1 新鮮TWC前后氧傳感器信號(hào)對(duì)比

圖2 老化的TWC前后氧傳感器信號(hào)對(duì)比

2.2 基于氧傳感器信號(hào)分析的診斷算法

安裝在TWC前后的氧傳感器能夠直觀的表現(xiàn)TWC的老化程度，兩者配合使用可以建立基于氧傳感器信號(hào)分析的診斷算法。美國(guó)福特公司[3]早在九十年代就對(duì)相關(guān)方法進(jìn)行了研究，他們?cè)O(shè)計(jì)了一套“氧傳感器指標(biāo)”參數(shù)，定義為TWC后氧傳感器和前氧傳感器波形（空燃比或電壓）振幅的比值，并建立了該參數(shù)與HC轉(zhuǎn)化率之間的物理模型。然而試驗(yàn)表明，該模型所描述的對(duì)應(yīng)關(guān)系只在較小的HC轉(zhuǎn)化范圍（80%～90%）內(nèi)成立，模型的表現(xiàn)受到發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比反饋控制系統(tǒng)標(biāo)定、TWC體積、TWC涂層配方、燃料含硫量等多種因素的影響，實(shí)際使用時(shí)的診斷精度受到了很大的制約。在該研究之后，Kurihara等人[4]提出的基于相關(guān)函數(shù)理論的診斷方法，Kumar等人[5]提出的基于功率譜密度理論的診斷方法等均對(duì)TWC氧傳感器信號(hào)進(jìn)行了更深入的解析，一定程度上提高了TWC診斷精度。

圖3 臨界TWC前后氧傳感器信號(hào)對(duì)比

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，基于氧傳感器信號(hào)分析的診斷算法已經(jīng)得到了很大改善并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，最典型的算法是以Bosch公司為代表的后氧傳感器信號(hào)振幅判斷算法和以Delphi公司為代表的延時(shí)判斷算法[6]，又稱“濃稀法”。振幅判斷法的模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。該方法通過大量試驗(yàn)建立TWC老化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停趯?shí)車運(yùn)行中用實(shí)際采集到的后氧傳感器信號(hào)與模型預(yù)測(cè)的后氧信號(hào)做對(duì)比，結(jié)合閾值判斷TWC的老化程度。這種診斷策略的主要問題是在各穩(wěn)態(tài)工況下標(biāo)定經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嚓P(guān)參數(shù)的工作量很大，模型可靠性驗(yàn)證周期較長(zhǎng)。

圖4 TWC振幅判斷法模型結(jié)構(gòu)[6]

延時(shí)判斷法的診斷過程如圖5所示，該方法在診斷區(qū)間內(nèi)主動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比，使其先高于理論空燃比并持續(xù)一段時(shí)間，使TWC完全儲(chǔ)氧；隨后調(diào)節(jié)到低于理論空燃比，使TWC釋放氧。這個(gè)過程中，后氧傳感器信號(hào)表現(xiàn)為電壓由最小值變化到最大值，并且存在時(shí)間差。TWC的老化程度越高，這個(gè)時(shí)間差將越短，通過標(biāo)定臨界催化器的時(shí)間差即可確定診斷閾值。延時(shí)診斷法的主要缺點(diǎn)在于需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)原有的控制策略，使得TWC前空燃比在診斷過程中偏離轉(zhuǎn)化效率最高的區(qū)間，導(dǎo)致排放惡化。

圖5 TWC延時(shí)判斷法診斷過程[6]

為了克服上述方法帶來的問題，適應(yīng)最新OBD法規(guī)要求，更為先進(jìn)的基于氧傳感器信號(hào)分析的TWC診斷研究仍在不斷進(jìn)行中。Sawut等人[7]提出了一種用以診斷TWC老化的指標(biāo)參數(shù)，該診斷指標(biāo)定義為前后氧傳感器信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的差值比率。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為計(jì)劃在歐洲推廣的輕型天然氣汽車，其中TWC采用“前線性氧傳感器+后階躍氧傳感器”的配置。經(jīng)過試驗(yàn)證明，該指標(biāo)隨著TWC老化程度的加深由1逐漸變化到0，通過設(shè)置閾值可以區(qū)分新鮮TWC與臨界TWC。該診斷方法在穩(wěn)態(tài)工況和實(shí)際駕駛的瞬態(tài)工況下均表現(xiàn)良好，并且不會(huì)對(duì)排放和駕駛產(chǎn)生副作用。Syu等人[8]基于前后均安裝階躍型氧傳感器的TWC配置提出了一種“平均老化指標(biāo)”，該指標(biāo)定義為前后氧傳感器電壓信號(hào)平均振幅的差值，并通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)定TWC臨界老化閾值。在TWC上加裝流通面積可調(diào)的旁通管，改變污染物轉(zhuǎn)化率以模擬不同的TWC老化程度。臺(tái)架試驗(yàn)表明，在怠速工況下，基于“平均老化指標(biāo)”的診斷算法相比于傳統(tǒng)的振幅比值法降低了誤診的可能性。福特公司的Kumar等人[9]基于支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）開發(fā)了一種TWC診斷算法，該算法以燃料質(zhì)量流量（通過TWC前后空燃比計(jì)算）和TWC載體溫度為輸入，新鮮或臨界TWC的診斷結(jié)果為輸出。模型主要訓(xùn)練過程在線下進(jìn)行，得到一套最優(yōu)參數(shù)后進(jìn)行線上應(yīng)用，占用的ECU計(jì)算資源較少。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，診斷算法在整節(jié)TWC系統(tǒng)中能夠取得100%的分類準(zhǔn)確率，且最大程度的減小了標(biāo)定工作量。

2.3 基于儲(chǔ)氧量模型的診斷算法

TWC儲(chǔ)氧量是影響其轉(zhuǎn)化效率的最本質(zhì)因素，然而目前不存在能對(duì)TWC儲(chǔ)氧量進(jìn)行直接測(cè)量的傳感器，故建立精確的TWC儲(chǔ)氧量模型成為了TWC診斷在邁入21世紀(jì)后的研究重點(diǎn)。James C.Peyton Jones等人[10-12]在該領(lǐng)域進(jìn)行了一系列具有代表性的深入研究，定義氧存儲(chǔ)率θ˙的計(jì)算公式如下：

式中：K為排氣修正因子，主要受到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的影響；Δλpre為TWC前的相對(duì)空燃比減去1后的值；N(θ)是氧存儲(chǔ)水平θ的函數(shù)，采用5次多項(xiàng)式作為經(jīng)驗(yàn)公式，數(shù)值上等價(jià)于Δλpost，即TWC后的相對(duì)空燃比減去1后的值。

式（2）從濃/稀混合氣兩個(gè)輸入維度描述了氧存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了氧存儲(chǔ)水平和TWC后空燃比的預(yù)測(cè)。針對(duì)該模型在濃混合氣工況下的不穩(wěn)定性，引入了氧傳感器信號(hào)修正，使得模型仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合。通過對(duì)N()θ函數(shù)中的自變量引入比例劣化因子，實(shí)現(xiàn)了對(duì)TWC老化故障的模擬。通過KS-檢驗(yàn)對(duì)新鮮TWC和老化TWC的輸出分布進(jìn)行了對(duì)比，取得了良好的診斷效果。Watanabe等人[13]對(duì)Peyton的模型提出了改進(jìn)意見，認(rèn)為模型參數(shù)應(yīng)根據(jù)TWC輸入的濃稀變化次序進(jìn)行相應(yīng)變化。浙江大學(xué)的吳鋒等人[14]綜合了上述經(jīng)典模型的結(jié)構(gòu)和修改觀點(diǎn)，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比“濃稀法”控制下對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，改進(jìn)模型的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 TWC氧存儲(chǔ)模型[14]

模型輸入為TWC前空燃比和空速修正因子，輸出為TWC后空燃比和氧存儲(chǔ)水平。該模型針對(duì)TWC前空燃比“濃到稀狀態(tài)”和“稀到濃狀態(tài)”設(shè)計(jì)了兩套不同的標(biāo)定參數(shù)。仿真驗(yàn)證表明，在相同輸入下，模型的輸出和TWC后氧傳感器實(shí)測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)良好，證明其具有較高精度；同時(shí)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該模型也在TWC的OBD診斷上擁有良好的適應(yīng)性。

近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件的成熟和硬件計(jì)算能力的提升，TWC儲(chǔ)氧量模型的研究由早期的“面向控制”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊嫦驒C(jī)理”[15]。美國(guó)克萊姆森大學(xué)和FCA公司[16]研究了TWC的老化對(duì)于其氧存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)特性的影響。該研究對(duì)四個(gè)具有不同老化程度的TWC進(jìn)行試驗(yàn)，將其分為前TWC、中TWC和后TWC三部分來布置空燃比傳感器和氧傳感器。研究基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理建立了簡(jiǎn)化的TWC氧存儲(chǔ)模型，只考慮一種氧化性氣體O2和一種還原性氣體CO。該模型量化了儲(chǔ)氧量計(jì)算參數(shù)和老化里程之間的關(guān)系，模型標(biāo)定結(jié)果表明了兩者負(fù)相關(guān)，并且儲(chǔ)氧量參數(shù)對(duì)駕駛工況的敏感性不高。依據(jù)該研究的結(jié)果可以建立以儲(chǔ)氧量作為單輸入的TWC老化診斷模型，極大程度上提高了OBD策略設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和便利性。

3 GPF診斷技術(shù)研究

3.1 GPF診斷原理

目前的GPF大多采用壁流式結(jié)構(gòu)，其工作原理如圖7所示[17]。堇青石載體內(nèi)部有若干平行孔道，相鄰孔道之間分別用堵頭堵住入口和出口。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣從開口的孔道流入，從相鄰孔道流出，排氣內(nèi)部的碳煙顆粒物將會(huì)在壁面上形成捕集。當(dāng)碳煙積累到一定量時(shí)，需要設(shè)計(jì)控制策略進(jìn)行氧化再生。

圖7 GPF工作原理示意圖[17]

GPF可能發(fā)生的故障按照影響排放和影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能分為兩類，其中影響排放的故障有人為移除載體、封裝不當(dāng)導(dǎo)致載體破損、再生溫度過高導(dǎo)致孔道燒熔泄漏等；影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的故障有碳煙沉積過多、潤(rùn)滑油灰分造成的過濾體堵塞等[18]。

排氣流經(jīng)GPF時(shí)將受到三部分的阻力作用，分別為進(jìn)出口通道產(chǎn)生的沿程阻力、壁面和覆蓋顆粒物產(chǎn)生的流動(dòng)阻力，以及排氣流經(jīng)孔道時(shí)由于截面變化引起的壓縮/膨脹阻力，直觀上表現(xiàn)為GPF兩端具有壓力差，且隨排氣流量的增加而增加。當(dāng)GPF發(fā)生各種故障時(shí)，其兩端壓差將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，故可以作為診斷的基本依據(jù)。GPF是國(guó)六要求的新后處理部件，目前相關(guān)的研究數(shù)量和深度均有限，由于結(jié)構(gòu)和工作原理的相似性，可以類比已經(jīng)在柴油車上廣泛應(yīng)用的柴油機(jī)顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF），進(jìn)行GPF診斷算法的開發(fā)。

3.2 基于壓差傳感器的診斷算法

基于傳統(tǒng)壓差-排氣流量模型[19]設(shè)計(jì)的GPF診斷算法的流程如圖8所示。對(duì)于使用GPF壓差估算碳載量的應(yīng)用，需要標(biāo)定出不同溫度下，壓差和排氣體積流量的變化關(guān)系，最終得到壓差-排氣體積流量-溫度的三維MAP圖。但對(duì)于GPF診斷來說，無需得到精確的壓差數(shù)值，使用臺(tái)架標(biāo)定出的壓差-排氣體積流量曲線配合一定的閾值范圍即可滿足診斷要求。這個(gè)閾值范圍由故障標(biāo)準(zhǔn)曲線得到，涵蓋了溫度對(duì)于壓差的影響。將壓差的測(cè)量值與故障標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，判斷其位于哪一種故障的閾值區(qū)間，即完成了GPF故障類型的診斷。

圖8 基于壓差傳感器的GPF診斷流程[19]

Van等人[20]在2004對(duì)基于壓差傳感器的診斷算法進(jìn)行了總結(jié)，他們認(rèn)為該方法具有很多缺陷。首先該算法難以診斷出類似載體燒熔等對(duì)過濾體總壓差影響較小的故障，故障類型覆蓋不全面；其次，過濾體在使用過程中容易產(chǎn)生細(xì)小裂縫，這種故障容易隨著碳煙積累而自愈，故算法必須進(jìn)行一段時(shí)間的持續(xù)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致診斷頻率降低；最后，壓差標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算會(huì)受到壓差傳感器、溫度傳感器等的誤差影響，最大可達(dá)±22%，導(dǎo)致故障和非故障過濾體之間產(chǎn)生診斷重疊區(qū)，影響診斷精度。在工程應(yīng)用中，開發(fā)顆粒捕集器診斷算法之前一般會(huì)進(jìn)行控制策略的設(shè)計(jì)，其中的核心內(nèi)容就是碳載量理論計(jì)算模型的建立，該模型常常在診斷算法中與壓差傳感器搭配使用[21-23]。他們對(duì)基于模型的過濾體泄漏診斷進(jìn)行了跟進(jìn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立的過濾體模型能夠診斷泄漏面積在45%～55%左右的故障，診斷精度相比壓差法并未提升。模型法的優(yōu)勢(shì)在于診斷工況覆蓋的范圍更大，提升了診斷頻率，但也不可避免的導(dǎo)致了標(biāo)定工作量的增加[24]。

3.3 基于電阻式PM傳感器的診斷算法

為滿足歐6法規(guī)的要求，很多企業(yè)正不斷尋求壓差傳感器的替代方案，其中的主流即采用電阻式PM傳感器[25-27]。AVL公司的Hoepfner等人[28]對(duì)基于顆粒捕集器效率的OBD診斷進(jìn)行了研究。該研究采用的PM傳感器原件結(jié)構(gòu)如圖9所示，其測(cè)量原理與顆粒捕集器的工作原理類似，廢氣中的碳煙顆粒物沉積在堇青石基底上，從而改變了兩個(gè)測(cè)量電極之間的電導(dǎo)率。傳感器內(nèi)部的加熱器會(huì)被周期性驅(qū)動(dòng)以氧化碳煙，故PM傳感器的測(cè)量值實(shí)際上反映了一段時(shí)間內(nèi)的平均碳煙量。

他們使用MATLAB/Simulink作為開發(fā)工具，建立了過濾體效率監(jiān)測(cè)的OBD算法。PM傳感器被安裝在DPF的下游，DPF基層上的裂紋和漏洞將會(huì)增加碳煙泄漏，PM傳感器就會(huì)監(jiān)測(cè)到更高的碳煙濃度值。DPF的轉(zhuǎn)化效率可以由PM傳感器處實(shí)際的和最大的可能的碳煙流量比較得出，為了能夠精確地得到結(jié)果，需要考慮氣體的運(yùn)輸時(shí)間和排氣組分的影響。DPF效率的監(jiān)測(cè)需要在發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)處于合適狀態(tài)時(shí)進(jìn)行，即在碳煙質(zhì)量流量模型相對(duì)準(zhǔn)確的條件下進(jìn)行。對(duì)轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行低通濾波后與標(biāo)定的轉(zhuǎn)化效率限值進(jìn)行比較，若小于這個(gè)值，有關(guān)DPF系統(tǒng)的故障信息將會(huì)發(fā)送給故障管理系統(tǒng)進(jìn)行處理。此算法面臨的一個(gè)重要問題在于診斷的準(zhǔn)確度與IUPR之間存在矛盾的關(guān)系。IUPR是歐6法規(guī)中關(guān)于OBD實(shí)時(shí)性的新要求，規(guī)定一個(gè)特定故障的監(jiān)測(cè)頻率不能低于0.336。因?yàn)镈PF效率需要在穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這就限制了其在整個(gè)駕駛時(shí)間中的有效監(jiān)測(cè)次數(shù)。為解決這個(gè)問題，就需要在OBD的標(biāo)定工作中對(duì)監(jiān)測(cè)條件和監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行大量的測(cè)試，找到合適的標(biāo)定值，尋求兩者之間的平衡。通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)該OBD算法的性能進(jìn)行了優(yōu)化，在最終的實(shí)車測(cè)試中，基于FTP75循環(huán)工況，得到了良好的結(jié)果，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)OBD算法的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖9 電阻式PM傳感器元件[28]

3.4 基于射頻傳感器的診斷算法

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[29-31]在近三年內(nèi)對(duì)新式射頻（Radio Frequency，RF）傳感器在GPF的OBD策略中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究。該研究針對(duì)目前最先進(jìn)的GPF系統(tǒng)，探究新型的RF傳感器用于GPF故障診斷和監(jiān)測(cè)的可行性。RF傳感器在GPF系統(tǒng)中的布置如圖10所示，傳感器將GPF的金屬外殼作為諧振腔，不同頻率的射頻信號(hào)反映了過濾體內(nèi)部的碳煙分布情況。與電阻式PM傳感器相比，RF傳感器可以直接測(cè)量GPF的碳煙和灰分加載量，并具有同時(shí)監(jiān)測(cè)GPF上游排氣和GPF結(jié)構(gòu)損壞的能力。由于汽油機(jī)原始排放的顆粒物相對(duì)于柴油機(jī)來說較少，RF傳感器需要對(duì)極少量的碳煙加載進(jìn)行良好的響應(yīng)。該研究評(píng)估了RF傳感器對(duì)碳煙加載的常規(guī)響應(yīng)，認(rèn)為可以符合OBD監(jiān)測(cè)的要求。之后，通過在GPF的下游位置分別移除8×8和16×17單元區(qū)域的堵頭，模擬出GPF兩種不同泄漏程度的故障，加上一個(gè)完好的GPF，來研究此時(shí)RF傳感器對(duì)這三種GPF的碳煙加載情況的響應(yīng)特性。結(jié)果表明，RF傳感器不僅可以精確地測(cè)量碳煙加載，也可以進(jìn)一步地監(jiān)測(cè)由GPF泄漏而造成的碳煙加載減少量，精度達(dá)到了10-2g/L。這無疑為開發(fā)GPF系統(tǒng)的OBD策略提供了硬件的基礎(chǔ)，該研究的下一步工作就是基于RF傳感器的輸出特性建立合適的GPF模型，結(jié)合該模型的輸出開發(fā)對(duì)應(yīng)的OBD診斷算法。

圖10 RF傳感器系統(tǒng)布置[31]

4 OBD研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

4.1 OBD研發(fā)現(xiàn)狀

OBD的研發(fā)從宏觀上來看主要有一條主線和一條支線。主線是根據(jù)最新的排放法規(guī)適配OBD的最新要求和性能。這個(gè)過程的難度在不斷加大，排放法規(guī)的加嚴(yán)導(dǎo)致了污染物限值的不斷下降，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些數(shù)值無疑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)的傳感器精度提出了苛刻的要求，所以開發(fā)新型傳感器，如PM傳感器、NH3傳感器等勢(shì)在必行。其次，現(xiàn)在的汽車后處理系統(tǒng)趨向集成化，在國(guó)六階段，輕型車要求必備TWC+GPF后處理系統(tǒng)，如此高的系統(tǒng)復(fù)雜性要求OBD具有非常好的魯棒性，在各種擾動(dòng)下能保證監(jiān)測(cè)和診斷結(jié)果的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。此外，更加復(fù)雜的系統(tǒng)必然帶來更多的標(biāo)定參數(shù)，一些標(biāo)定參數(shù)需要基于合格劣化部件的試驗(yàn)得出，測(cè)試和認(rèn)證流程冗長(zhǎng)而且復(fù)雜。所以基于模型來開發(fā)OBD系統(tǒng)是目前的主流手段，很大程度上減小了開發(fā)成本和標(biāo)定周期，當(dāng)然其可靠性是一個(gè)值得關(guān)注的問題。

支線就是利用OBD系統(tǒng)收集ECU信息的特點(diǎn)，結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)的核心思路，開發(fā)一些附加功能[32]。例如通過手機(jī)APP與OBD系統(tǒng)建立通訊關(guān)系，車主用手機(jī)時(shí)刻了解和關(guān)注車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和健康程度；還可以通過OBD系統(tǒng)為ECU的升級(jí)提供接口，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件更新，類似于通過一個(gè)U盤來安裝軟件和操作系統(tǒng)，非常的快捷和便利。

OBD的研發(fā)從微觀角度來說主要集中在軟件開發(fā)方面。最底層的軟件開發(fā)，就是在確定了相關(guān)的硬件平臺(tái)后，編寫算法來確認(rèn)ECU、傳感器及發(fā)動(dòng)機(jī)的排放是否存在故障，這個(gè)過程的難點(diǎn)在于導(dǎo)致排放超標(biāo)的原因不容易確定，尤其在多個(gè)部件故障導(dǎo)致排放惡化的情況下，算法的分辨率要足夠高才能診斷出故障的具體成因，這就要求編寫者對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)甚至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)都有細(xì)致和深刻的了解。高一層面的軟件開發(fā)就是編寫OBD系統(tǒng)管理的流程軟件，例如博世開發(fā)的診斷管理系統(tǒng)，具備故障監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障分類和故障響應(yīng)的功能，總體來看，就是把OBD單個(gè)故障的監(jiān)測(cè)診斷邏輯集成化，以嚴(yán)重性作為分類依據(jù)，做出快速合理的響應(yīng)。這個(gè)過程的難點(diǎn)在于協(xié)調(diào)各個(gè)部件之間的監(jiān)測(cè)順序和監(jiān)測(cè)頻率，以及復(fù)雜情況下的任務(wù)切換和管理。更高一層面的軟件開發(fā)就是診斷軟件的開發(fā)，在OBD系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試初期，一般通過上位機(jī)軟件來讀取OBD系統(tǒng)的各種輸出結(jié)果，與自帶的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)照，從而實(shí)現(xiàn)故障的診斷，這個(gè)過程的工作量和難度均不大，可以直接合并到標(biāo)定軟件的開發(fā)中。最后一個(gè)層面的軟件開發(fā)就是標(biāo)定軟件的編寫，隨著法規(guī)加嚴(yán)，OBD的標(biāo)定周期有明顯延長(zhǎng)的趨勢(shì)，對(duì)于注重研發(fā)效率的汽車企業(yè)來說，這種情況要盡可能避免。標(biāo)定軟件最重要的組成部分就是完備的數(shù)據(jù)庫，通過大量的數(shù)據(jù)比對(duì)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定量選取的最優(yōu)解。要具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和模型分析能力，以便于隨時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)期處理。好的標(biāo)定軟件無疑能對(duì)縮短標(biāo)定周期起到重要作用。

4.2 OBD研發(fā)趨勢(shì)

OBD的開發(fā)工作需要緊跟排放法規(guī)的步伐，特別是在環(huán)境問題優(yōu)先級(jí)很高的今天，OBD技術(shù)的發(fā)展無疑是汽車電子控制技術(shù)中的重點(diǎn)項(xiàng)目。OBD研發(fā)工作主要有以下趨勢(shì)：

（1）將先進(jìn)的控制策略和軟件開發(fā)方法引入OBD系統(tǒng)的開發(fā)中，一種典型的輕型汽油車國(guó)六后處理OBD系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線如圖11所示。近年來，基于快速原型的開發(fā)模式在汽車控制系統(tǒng)上得到了廣泛應(yīng)用[33-35]，核心在于將真實(shí)的被測(cè)對(duì)象和虛擬的控制器相結(jié)合，應(yīng)用自動(dòng)代碼生成技術(shù)，將PC環(huán)境中建立的模型下載到實(shí)時(shí)硬件上運(yùn)行，考察設(shè)計(jì)的ECU功能模塊在嵌入式環(huán)境中的實(shí)際表現(xiàn)，完成邏輯驗(yàn)證、性能評(píng)估以及模型優(yōu)化等工作。相比于傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)流程，該方法的主要優(yōu)勢(shì)有：符合V型開發(fā)流程，開發(fā)者可以在軟件編寫的同時(shí)通過純軟件仿真和半實(shí)物仿真對(duì)邏輯正確性進(jìn)行驗(yàn)證，在開發(fā)的早期發(fā)現(xiàn)一些關(guān)鍵性問題和缺陷；軟硬件設(shè)計(jì)可以同時(shí)進(jìn)行，極大程度縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本；核心算法由可視化模型構(gòu)建，可讀性強(qiáng)，便于修改和移植；開發(fā)者可以將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在實(shí)現(xiàn)功能的算法和測(cè)試功能的試驗(yàn)方案上，上位機(jī)可以自動(dòng)完成代碼生成，隨時(shí)移植到集成系統(tǒng)中完成驗(yàn)證工作。

圖11 OBD系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線

（2）OBD系統(tǒng)的功能將不斷地拓展，從發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的輔助系統(tǒng)升級(jí)到獨(dú)立的整車故障診斷系統(tǒng)。OBD系統(tǒng)提供的信息也將覆蓋整車各個(gè)零部件，成為整車管理系統(tǒng)的重要組成模塊?；谶@樣的考慮，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS）進(jìn)行軟件開發(fā)就變得很有必要。在微控制器中移植例如μC/OS-III這樣的操作系統(tǒng)可以在占用很小內(nèi)存(幾十個(gè)千字節(jié))的情況下，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理，任務(wù)同步，共享資源保護(hù)，消息傳遞等上位機(jī)操作系統(tǒng)中常見的服務(wù)內(nèi)容[36]。對(duì)于復(fù)雜的OBD管理系統(tǒng)，應(yīng)用RTOS能夠在保證良好實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，一定程度上降低編程開發(fā)難度。只要將OBD系統(tǒng)編制成軟件包，就可以隨時(shí)應(yīng)用于移植了RTOS系統(tǒng)的任意控制器。

（3）OBD系統(tǒng)的龐大數(shù)據(jù)流將為智能汽車的發(fā)展提供極大的支持。最新的OBD系統(tǒng)為汽車制造廠商提供了實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛狀態(tài)的通道；迎合汽車的智能化趨勢(shì)，OBD系統(tǒng)也將作為智能車載終端[37]發(fā)揮潛力，例如提供車內(nèi)設(shè)施遠(yuǎn)程控制、駕駛行為分析、汽車保養(yǎng)提醒等實(shí)用服務(wù)。

5 結(jié)束語

輕型汽油車OBD是近年興起的發(fā)動(dòng)機(jī)與后處理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，其功能正在不斷被開發(fā)和完善。國(guó)內(nèi)對(duì)于OBD的研究起步較晚，需要以排放法規(guī)作為綱領(lǐng)性文件，加快步伐，趕上國(guó)際OBD研發(fā)進(jìn)度。此外，OBD系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU密切關(guān)聯(lián)，是電控系統(tǒng)重要的組成部分。在OBD系統(tǒng)的研究過程中積累經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，進(jìn)而逐步實(shí)現(xiàn)自主ECU的開發(fā)，將是今后國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)和高校在汽車電子領(lǐng)域的工作重點(diǎn)。