基于不同發動機控制系統的量產車輛評估測試（PVE）方法比對分析*

鄒雄輝 王亞飛 耿培林 王力輝 劉 樂 李菁元

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

隨著我國機動車保有量的持續增長，機動車污染物排放量快速增加。通過加嚴機動車排放標準，可有效限制單車污染物排放量，降低對環境的污染。“史上最嚴的”輕型車國六排放標準[1]于2016 年12月23 日正式發布，2020 年7 月1 日在全國范圍內實施。與輕型車國五排放標準[2]相比，輕型車國六排放標準（簡稱國六標準）的排放限值和測試方法全面加嚴[3]，同時對量產車提出了量產車輛評估測試（PVE）的要求。

基于國六標準，本文從冷卻系統監測、氧傳感器監測和綜合部件監測的角度，分別列舉了一個故障碼，對比分析了不同發動機控制系統下故障診斷原理和故障植入方法的差異。

1 OBD 系統的PVE 測試要求

OBD 系統具有完善的標準化協議，但不同國家和地區采取的協議不同。歐洲的ISO 標準和美國的SAE 標準對于底層協議的要求在一定程度上是等效的，從而形成了全球統一的標準化OBD 系統。1988年，SAE 發布標準化的車載診斷協議；1991 年，CARB（加州空氣資源委員會）發布了OBDⅠ標準；1994-1996 年，CARB 階段性引入了OBDⅡ標準[4]，經過2002、2006、2012 年的不斷修訂，逐漸形成了現今廣泛使用的OBDⅡ標準。國六標準中的OBD 相關要求均參照美國的OBDⅡ標準。歐洲從2000 年開始形成了自己的EOBD 標準體系[5]，經過多年的發展和完善，不斷向美國的OBDⅡ標準靠近。

OBD 系統定義了未決、確認和永久故障碼，形成了一套完整的故障監測條件、激活閾值、故障碼生成、點亮MIL 燈、故障恢復的故障診斷機制。每一個部件和系統通過各自的診斷邏輯檢查自身的功能是否正常。一旦發現故障發生，OBD 系統會經過一系列步驟直至點亮MIL 警示駕駛員。

量產車輛評估測試（PVE）是國六標準中OBD 認證新增的要求。PVE 測試包括3 個部分，分別是J1標準化驗證、J2 監測要求驗證、J3 在用監測性能驗證。其中，J1 測試主要是驗證車輛能夠和掃描工具正常通訊以及OBD 系統滿足SAE J1979-1997《E/E Diagnostic Test Modes》[6]的相關協議要求；J2 測試要求驗證車輛的所有OBD 故障碼，OBD 系統應能夠監測到故障、點亮MIL 燈并存儲相應的確認和永久故障碼；J3 測試主要為在用監測性能追蹤數據（IUPR）的收集。

國六標準要求生產企業在每年4 月1 日前提交年度PVE 測試計劃，并在車型量產后3 個月內完成J1 的標準化驗證，6 個月內完成J2 的基礎要求驗證，12 個月內完成在用監測性能的驗證和報告。每一年度，生產企業的PVE 各項測試不應少于3 個車型。J1和J3 測試原則上應涵蓋測試年度的所有新增OBD系族，當年生產的所有系族，測試組少于3 個時，可以少于3 個車型，但不能少于測試組數量。

2 故障測試對比分析

當前，國內主流的發動機控制系統由德爾福（Delphi）、聯電（UAES）和博世（Bosch）3 家公司提供。本文基于發動機控制系統的差異，從冷卻系統監測、氧傳感器監測和綜合部件監測的角度，分別列舉一個故障碼，對比分析3 種發動機控制系統下的故障診斷原理和故障植入方法。

2.1 發動機冷卻系統監測

OBD 系統應監測發動機冷卻液溫度（ECT）傳感器電路連續性、數值超范圍和合理性故障。如果電路開路或者數值超出范圍，OBD 系統應檢測出故障。

表1 給出了3 種發動機控制系統下，P0116 故障碼的描述及模擬方法對比。根據SAE J2012-2007《(R)Diagnostic Trouble Code Definitions》[7]給出的診斷故障碼定義，P0116 為發動機冷卻液溫度傳感器1電路范圍和性能故障（engine coolant temperature sensor 1 circuit range/performance）。

表1 發動機冷卻系統監測故障P0116 對比

由表1 可知，不同控制系統對故障的描述存在一定差異，但UAES 系統和Bosch 系統的描述相同，都是冷卻液溫度傳感器信號不合理（粘滯）。ECT 傳感器信號粘滯測試是檢測ECT 傳感器粘滯在一定范圍內。在經過特定的駕駛工況后，ECT 應該有一定的變化，如果這段時間ECT 最大值和最小值的差小于標定閾值，報出故障碼。診斷原理簡圖如圖1 所示。

圖1 UAES 系統和Bosch 系統P0116 故障診斷原理簡圖

Delphi 系統的故障描述是冷卻液溫度傳感器信號鉗制。在發動機工況變化較大時，監測冷卻液溫度傳感器輸出的變化幅度，如果變化幅度低于閾值，則檢測到故障。診斷原理簡圖如圖2 所示。

圖2 Delphi 系統P0116 故障診斷原理簡圖

Delphi 系統的P0116 故障需要發動機在冷起動狀態下診斷，UAES 系統和Bosch 系統沒有這個要求。發動機控制系統不同，對同一個故障碼的定義會產生差異，導致診斷策略不同。即使相同的發動機控制系統，發動機結構和零部件的差異會導致觸發診斷的閾值發生變化，故障的植入方法將隨之發生變化。

2.2 氧傳感器監測

國六標準中，要求OBD 系統對前后氧傳感器的輸出電壓、活性和響應速率等故障進行監測。對于加熱型氧傳感器，OBD 系統應對加熱器性能進行監測。對于其他類型的傳感器，也需要如氧傳感器同樣的要求進行監測。

表2 給出了3 種控制系統下發動機的P2195 故障碼的描述及模擬方法。SAE J2012-2007 定義P2195 為氧傳感器信號向稀偏移/粘滯故障（O2sensor signal biased/stuck lean）。

表2 發動機前氧傳感器監測故障P2195 對比

UAES 系統的P2195 故障是前氧傳感器沾滯偏稀故障，即前氧傳感器信號持續偏低故障。前氧傳感器信號電壓值持續小于信號開路下限值，而此時后氧傳感器顯示混合氣偏濃，且滿足監測條件時系統檢測出故障。UAES 系統的診斷原理簡圖如圖3所示。

圖3 UAES 系統P2195 故障診斷原理簡圖

Delphi 系統的P2195 故障是前氧傳感器加速加濃時過稀故障。當車輛處于加速加濃時，由于尾氣中氧含量較少，導致氧傳感器電壓較高，此時若氧傳感器電壓低于標定限值并維持一段時間，則報出該故障碼。該故障的植入關鍵在于發動機必須工作在加速加濃工況。

Bosch 系統的P2195 故障是前氧傳感器特性曲線向稀偏移。當前氧傳感器信號的特性曲線（如圖4所示）向稀偏移且超過標定限值時，檢出該故障碼。該故障進入診斷狀態時，要求車輛水溫正常，發動機穩定運行在理論空燃比附近。

圖4 前氧傳感器的信號與空燃比的關系曲線

發動機控制系統不同，各個系統對P2195 故障碼的理解存在差異，形成不同的診斷原理和限值，導致故障的植入方法各自不同，需要根據各自的觸發條件有針對性植入。

2.3 綜合部件監測

OBD 系統應監測所有電子動力系統部件因產生故障導致排放超過OBD 閾值或者該部件屬于其他監測部件/系統診斷策略的一部分，該部件/系統直接或間接地向車載電腦或智能裝置提供輸入或者接收其指令[1]。

需要監測的輸入部件應包括(但不局限于）車速傳感器、曲軸轉角傳感器、爆震傳感器、節氣門位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、向動力控制系統或其他執行器提供信號的傳感器和模塊等。

需要監測的輸出部件/系統應包括（不局限于）怠速控制系統、可變歧管系統、機械增壓或者廢氣渦輪增壓的電子部件、催化器加熱時使用的旁通閥、自動變速箱電磁閥或者控制系統等。

表3 給出了3 種控制系統下車輛油箱壓力傳感器故障碼P0451 的故障描述和模擬方法。SAE J2012-2007 定義P0451 為蒸發排放系統壓力傳感器測試范圍/性能故障（evaporative emission system pressure sensor/switch range/performance）。

表3 綜合部件監測故障P0451 對比

UAES 系統和Bosch 系統的P0451 故障碼都包含3 個故障失效模式：

1）油箱壓力傳感器信號偏移故障；

2）油箱壓力傳感器信號增量（粘滯）故障；

3）油箱壓力傳感器信號振蕩故障。

對于油箱壓力傳感器信號振蕩故障，UAES 系統是通過檢查在所分配的評價時間內測量油箱壓力信號的振蕩振幅。正常情況下，壓力信號波動應該在標定閾值以下。如果壓力信號噪聲過大，在標定的評價時間內，信號波動未能低于標定閾值，持續一段標定時間，則報出P0451 故障碼。監測原理如圖5 所示。

圖5 某車型UAES 系統油箱壓力傳感器信號振蕩合理性故障原理簡圖

Bosch 系統的油箱壓力傳感器信號振蕩合理性故障的診斷原理和UAES 系統類似，故障植入方法一樣。

Delphi 系統的P0451 故障是油箱壓力傳感器信號卡滯故障。在燃油蒸發診斷測試期間，抽真空階段，油箱壓力會有顯著變化。如果油箱內壓力的變化小于標定限值且持續一段時間，就檢出該故障。故而，Delphi 系統的故障植入方法與UAES 系統、Bosch系統差異大。

Delphi 系統的油箱壓力傳感器信號振蕩故障碼是P0454。在燃油蒸發診斷測試期間，如果油箱壓力信號在給定時間內的變化超出標定限值，則檢出該故障。該故障可通過植入固定頻率的三角波來模擬。

3 結論

對于車輛的同一個故障碼，SAE J2012-2007 定義了故障含義和失效范圍。在實際使用過程中，同一個故障碼分成了多個故障失效模式，發動機控制系統生產廠家可根據自身或者采購商的需求定義。

本文從輕型車國六排放標準中PVE 測試的要求出發，從點燃式發動機的冷卻系統監測、氧傳感器監測和綜合部件監測的大類中分別列舉了一個故障碼，對比分析了3 種發動機控制系統對故障的描述和故障植入方法。結論如下：

1）發動機控制系統不同，相同故障碼的失效模式存在差異，導致故障植入方法不同。

2）UAES 系統和Bosch 系統的部分故障碼診斷原理有相似之處，故障植入方法可以相互借鑒。

3）Delphi 系統大部分故障的診斷原理與UAES系統、Bosch 系統差異較大，故障植入方式取決于故障失效模式。