基于大陸系統(tǒng)氧傳感器故障診斷原理PVE J2測(cè)試方法淺析

鐘遠(yuǎn)銘　賴(lài)先濤　陳旭健

摘 要：根據(jù)國(guó)六排放法規(guī)GB18352.6—2016[1]要求，車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)需對(duì)生產(chǎn)的車(chē)輛進(jìn)行OBD量產(chǎn)車(chē)輛評(píng)估測(cè)試即簡(jiǎn)稱(chēng)PVE;PVE作為生產(chǎn)車(chē)輛OBD系統(tǒng)生產(chǎn)一致性（COP）自我檢查的重要組成部分，車(chē)輛正式量產(chǎn)之后，企業(yè)需提交PVE測(cè)試計(jì)劃和報(bào)告，并接受監(jiān)督檢查。其中PVE測(cè)試中的J2階段測(cè)試需對(duì)所有亮MIL燈故障（除對(duì)車(chē)輛造成損壞或危及人身安全以及只能通過(guò)修改電子控制單元的故障外）進(jìn)行演示。本文通過(guò)介紹大陸系統(tǒng)氧傳感器故障模擬方法來(lái)淺析PVE J2的測(cè)試流程。

關(guān)鍵詞：PVE測(cè)試 OBD系統(tǒng) 氧傳感器故障模擬 J2測(cè)試

1 前言

OBD量產(chǎn)車(chē)評(píng)估測(cè)試（PVE）是國(guó)六新增的內(nèi)容，因此該測(cè)試對(duì)國(guó)內(nèi)所有主機(jī)廠(chǎng)即檢測(cè)中心來(lái)說(shuō)都比較陌生;隨著國(guó)六法規(guī)的實(shí)施，主機(jī)廠(chǎng)也紛紛開(kāi)展PVE相關(guān)測(cè)試或委外進(jìn)行測(cè)試，因此掌握構(gòu)建PVE測(cè)試能力不僅能節(jié)約測(cè)試成本同時(shí)也能指導(dǎo)OBD的開(kāi)發(fā)規(guī)避產(chǎn)生不合格項(xiàng)的法規(guī)風(fēng)險(xiǎn)。為了能掌握PVE測(cè)試方法完成每年P(guān)VE測(cè)試的法規(guī)要求，首先必須要對(duì)PVE測(cè)試有個(gè)深入的了解。

PVE測(cè)試即為量產(chǎn)車(chē)OBD測(cè)試評(píng)估，其主要包括3個(gè)測(cè)試階段分別為標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)證（J1）、監(jiān)測(cè)要求驗(yàn)證（J2）、在用性能測(cè)試（J3）。標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)證的主要內(nèi)容為評(píng)估驗(yàn)證車(chē)輛和掃描工具通訊正常讀取相關(guān)數(shù)據(jù)流信息和格式的正確性，同時(shí)根據(jù)J1979的要求，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)部件和系統(tǒng)的就緒狀態(tài)、MIL燈的命令狀態(tài)、CAL ID CVN VIN ECU名稱(chēng)等信息、故障碼產(chǎn)生和清除是否正常等。監(jiān)測(cè)要求驗(yàn)證的主要內(nèi)容為對(duì)OBD系統(tǒng)和故障碼的全面評(píng)估，當(dāng)監(jiān)測(cè)條件滿(mǎn)足診斷要求時(shí)，OBD系統(tǒng)應(yīng)檢測(cè)到故障、點(diǎn)亮MIL并存儲(chǔ)確認(rèn)和永久故障碼;以及動(dòng)態(tài)測(cè)試驗(yàn)證用于確定實(shí)際檢測(cè)頻率的分子計(jì)數(shù)器和分母計(jì)數(shù)器能夠按要求正確增加。在用性能驗(yàn)證主要內(nèi)容為在用監(jiān)測(cè)追蹤數(shù)據(jù)，如所有分子計(jì)數(shù)器、分母計(jì)數(shù)器和點(diǎn)火循環(huán)計(jì)數(shù)器，以及車(chē)型、收集數(shù)據(jù)日期等信息的收集報(bào)告。

其中標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)證（J1）測(cè)試主要是驗(yàn)證車(chē)輛能夠和掃描工具正常通訊以及OBD 系統(tǒng)滿(mǎn)足SAE J1979-1997《E/EDiagnostic Test Modes》[2]的相關(guān)協(xié)議要求目前有專(zhuān)門(mén)的測(cè)試程序指導(dǎo)測(cè)試，只要按照測(cè)試程序的步驟完成測(cè)試生產(chǎn)報(bào)告即可。監(jiān)測(cè)要求驗(yàn)證（J2）測(cè)試則需對(duì)所有亮MIL燈故障（除對(duì)車(chē)輛造成損壞或危及人身安全以及只能通過(guò)修改電子控制單元的故障外）進(jìn)行演示操作并記錄相關(guān)測(cè)試文件，這個(gè)階段測(cè)試也是整個(gè)PVE測(cè)試中耗時(shí)最長(zhǎng)內(nèi)容最多的測(cè)試，這個(gè)測(cè)試需對(duì)所測(cè)試的故障診斷原理和模擬方法有比較深入的了解，本文主要通過(guò)典型的氧傳感器故障模擬進(jìn)行著重介紹。在用性能測(cè)試（J3）測(cè)試需對(duì)售后的在用車(chē)進(jìn)行信息的讀取收集并報(bào)告。

2 J2測(cè)試試驗(yàn)要求及內(nèi)容

2.1 J2試驗(yàn)要求

使用外部測(cè)試設(shè)備進(jìn)行故障模擬，如果存在無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障模擬的診斷項(xiàng)，應(yīng)在計(jì)劃中提交說(shuō)明。對(duì)造成車(chē)輛物理性損壞或危及人身安全的診斷項(xiàng)，以及只能通過(guò)修改電子控制單元來(lái)模擬故障可以不進(jìn)行試驗(yàn)。永久故障碼的清除測(cè)試方式包括故障自然消除（故障不再出現(xiàn)，已修復(fù)）和故障信息主動(dòng)清除（使用掃描工具、斷電重置或控制器刷新）兩種形式。已經(jīng)在GB18352.6-2016附件JA.6.4的要求下做過(guò)的驗(yàn)證試驗(yàn)不需要再進(jìn)行測(cè)試。驗(yàn)證試驗(yàn)由生產(chǎn)企業(yè)在道路或轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上完成，僅需進(jìn)行功能性驗(yàn)證，不需要進(jìn)行排放測(cè)試。

2.2 J2試驗(yàn)內(nèi)容

故障檢測(cè)：對(duì)GB18352.6-2016附錄J.4要求的每個(gè)診斷（除型式檢驗(yàn)中已經(jīng)進(jìn)行測(cè)試的檢查項(xiàng)外），應(yīng)用缺陷部件或電子裝置進(jìn)行故障模擬，驗(yàn)證其是否能檢測(cè)到故障、點(diǎn)亮MIL并存儲(chǔ)確認(rèn)故障碼信息，并在PVE表格中記錄驗(yàn)證相關(guān)結(jié)果。排放中性診斷、不點(diǎn)亮MIL的診斷暫不要求進(jìn)行。永久故障碼的清除：在上述故障檢測(cè)驗(yàn)證工作全部結(jié)束后，企業(yè)應(yīng)在有IUPR率要求和無(wú)IUPR率要求的診斷項(xiàng)中各挑選一個(gè)有代表性的診斷進(jìn)行消除故障碼測(cè)試。驗(yàn)證無(wú)故障條件下永久故障碼的清除是否符合GB18352.6-2016附錄J.3.2.5的要求并記錄，并記錄相關(guān)測(cè)量文件。無(wú)故障IUPR分子分母增長(zhǎng)驗(yàn)證：SAE J1699-3“動(dòng)態(tài)”測(cè)試中IUPR測(cè)試部分，測(cè)試結(jié)果將以ASCII碼的形式寫(xiě)到LOG文件中，此文件應(yīng)進(jìn)行存檔并提交。

3 基于大陸系統(tǒng)某車(chē)型氧傳感器故障模擬測(cè)試前的準(zhǔn)備

3.1 硬件

硬件選用建議選取支持國(guó)六SAE 1699-3測(cè)試的硬件，例如通訊診斷口選取PassThru+ XS 2G、Cardaq plus3等。J7.2監(jiān)測(cè)要求驗(yàn)證造故障碼時(shí)，故障碼需要輔助硬件，如ECU轉(zhuǎn)接盒、氧傳感器故障模擬器、線(xiàn)束、電阻、高精度直流穩(wěn)壓電源、函數(shù)發(fā)生器、示波器、SENT信號(hào)發(fā)生器、U代碼故障模擬器、標(biāo)準(zhǔn)泄露孔等。

3.2 軟件

使用支持國(guó)六SAE 1699-3測(cè)試的新版本DIAGRA D軟件，基于演示的氧傳感器故障需用到氧傳感器故障模擬器配套軟件IAV Primero。

4 試驗(yàn)流程

根據(jù)《輕型車(chē)國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則（試行）》[3]要求，試驗(yàn)程序分為：初步故障檢測(cè)循環(huán)、故障確認(rèn)循環(huán)和永久故障碼清除驗(yàn)證。

4.1 初步故障檢測(cè)循環(huán)具體操作為：

連接相關(guān)測(cè)量設(shè)備、清除故障內(nèi)存、使用外部設(shè)備植入故障、KEY ON開(kāi)始記錄測(cè)量文件、起動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行初次故障檢測(cè)的循環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火保存測(cè)試文件;

4.2 故障確認(rèn)循環(huán)具體操作為：

KEY ON開(kāi)始記錄測(cè)量文件、起動(dòng)車(chē)輛進(jìn)行一次初次故障檢測(cè)的循環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火保存測(cè)試文件

4.3 永久故障碼清除驗(yàn)證包括以下兩項(xiàng)：

故障自然清除（不再出現(xiàn)、已修復(fù)）、故障被動(dòng)清除（工具擦除、斷電、刷寫(xiě)）

5 基于大陸系統(tǒng)某車(chē)型氧傳感器故障模擬

5.1 氧傳感器的工作原理

氧傳感器主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制，安裝在排氣管上，一般根據(jù)布置的位置分為前氧傳感器和后氧傳感器，安裝在三元催化器前的氧傳感器成為前氧傳感器，安裝在三元催化器后的氧傳感器成為后氧傳感器。其工作原理是當(dāng)排氣中含有的氧氣滲入到氧傳感器固體電解質(zhì)內(nèi)的發(fā)生電離，電離后的氧離子能夠由氧濃度高的內(nèi)側(cè)向濃度低的外側(cè)擴(kuò)散，就會(huì)在兩個(gè)鉑電極表面產(chǎn)生電壓降，形成微電池，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖1。

5.2 基于大陸系統(tǒng)的某個(gè)氧傳感器故障診斷邏輯

目前國(guó)內(nèi)OBD開(kāi)發(fā)的供應(yīng)商有多家，不同供應(yīng)商的OBD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)策略有所不同，基于不同發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的OBD系統(tǒng)[4]，在模擬一個(gè)故障前需要對(duì)該故障的診斷邏輯和診斷條件有一個(gè)清晰的理解，而這些診斷邏輯和診斷條件一般都羅列在OBD文件包的表2中，在故障模擬前需查看故障診斷所需的所有條件，這樣才能比較容易演示出來(lái);本文基于大陸系統(tǒng)某車(chē)型下游氧傳感器從濃到稀時(shí)電壓梯度過(guò)小的故障診斷條件如下表1，該故障其中一個(gè)閾值條件為后氧電壓梯度<250 mV/s，同時(shí)需要滿(mǎn)足催化器激活，水溫和排氣溫度等條件。該故障涉及到氧傳感器OBD系統(tǒng)診斷原理及故障分析[5]，氧傳感器長(zhǎng)期工作在高溫廢氣的環(huán)境中，會(huì)因各種物理和化學(xué)中毒等原因而逐漸老化，致使其對(duì)混合氣濃稀的監(jiān)測(cè)反應(yīng)越來(lái)越遲鈍，進(jìn)而使閉環(huán)控制越發(fā)不準(zhǔn)確，排放惡化。

5.3 設(shè)備安裝

由于本次探討的氧傳感器為開(kāi)關(guān)氧其接頭有四個(gè)針腳： 加熱電源正極、加熱電源負(fù)極、信號(hào)負(fù)極、信號(hào)正極。根據(jù)設(shè)計(jì)的線(xiàn)束原理圖在分線(xiàn)盒上分別找到對(duì)應(yīng)的PIN腳，將設(shè)備線(xiàn)束與對(duì)應(yīng)PIN腳連接，如下圖2

5.4 軟件設(shè)置

在確認(rèn)設(shè)備接線(xiàn)連接無(wú)誤后，接上電源打開(kāi)IAV Primero軟件選擇對(duì)應(yīng)的傳感器類(lèi)型，然后進(jìn)入如下圖2故障設(shè)置界面，由于該測(cè)試車(chē)型的后氧屬于Binary型傳感器，故選擇bin型;而故障模式可以選擇lowpass模式，該模式可以模擬氧傳感老化故障，其工作原理如下圖3，可實(shí)現(xiàn)氧傳感器由濃到稀時(shí)間邊長(zhǎng)或由稀到濃時(shí)間變成，而由于電壓梯度=（濃端電壓-稀端電壓）/由濃到稀的時(shí)間，如下圖3選擇lowpass模式后氧傳感器電壓由綠線(xiàn)模式變成藍(lán)線(xiàn)模式，電壓梯度變小。

故障程度設(shè)置

如上所述P013A故障的閾值條件為后氧電壓梯度<250 mV/s，而在軟件上選擇故障模式后需對(duì)故障程度進(jìn)行設(shè)置如下圖4，在lowpass模式對(duì)應(yīng)的故障程度單位為時(shí)間，因此需要對(duì)閾值條件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，查看該型號(hào)傳感器的特性參數(shù)如下表2，從下表參數(shù)可以看出濃Rich=800mV，稀Lean=50mV，所有得出如下公式（800-50）/x<250，計(jì)算結(jié)果x>3s即x>3000ms;所以故障程度rich to lean設(shè)置為3000ms。

5.5 故障模擬測(cè)試

在完成以上故障植入前準(zhǔn)備后，打開(kāi)診斷程序DIAGRA D，并用診斷接口設(shè)備Cardaq plus3連接電腦與整車(chē)OBD診斷接口。按照測(cè)試程序要求進(jìn)行初步故障檢測(cè)循環(huán)測(cè)試：車(chē)輛上電將診斷軟件DIAGRA D與整車(chē)建立通訊，通過(guò)mode $04重置各DEC-ECU的故障狀態(tài)植入故障，然后開(kāi)始記錄文件，起動(dòng)車(chē)輛然后通過(guò)IAV Primero軟件植入前面預(yù)設(shè)的故障，車(chē)輛按故障診斷條件行駛至特定工況直至mode7報(bào)出故障碼，記錄并保存測(cè)量文件，然后發(fā)動(dòng)機(jī)熄火即完成初步故障檢測(cè)循環(huán)測(cè)試。

確認(rèn)故障循環(huán)測(cè)試：車(chē)輛上電并開(kāi)始記錄測(cè)量文件，然后起動(dòng)車(chē)輛并通過(guò)IAV Primero軟件植入前面預(yù)設(shè)的故障，車(chē)輛按故障診斷條件行駛至特定工況直至mode3報(bào)出故障碼并同時(shí)點(diǎn)亮MIL燈，然后熄火至完全下電，上電KEY ON通過(guò)掃描工具DIAGRA D讀取并記錄測(cè)試文件保存即完成確認(rèn)故障循環(huán)測(cè)試。

5.6 永久故障碼清除驗(yàn)證

故障自然清除測(cè)試

完成以上故障模擬測(cè)試后會(huì)生成未決故障碼、確認(rèn)故障碼和永久故障碼，驗(yàn)證永久故障碼清除測(cè)試，車(chē)輛熄火并待完全下電后移除外部故障植入，上電將診斷軟件DIAGRA D與整車(chē)建立通訊并記錄信息，起動(dòng)車(chē)輛并運(yùn)行完整的一個(gè)氧傳感器診斷循環(huán)工況，然后完全熄火后再上電記錄測(cè)量信息，按以上步驟運(yùn)行多個(gè)無(wú)故障循環(huán)直至MIL熄滅并記錄測(cè)量信息，最后用掃描工具讀取并記錄故障內(nèi)存中永久故障碼信息。

故障信息被清除測(cè)試

按步驟完成故障模擬測(cè)試后會(huì)生成未決故障碼、確認(rèn)故障碼和永久故障碼，在車(chē)輛完全下電情況下移除故障植入，上電記錄測(cè)量信息，用DIAGRA D通過(guò)mode $04清除故障信息，然后起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)先怠速30s，然后行駛運(yùn)行至故障診斷循環(huán)同時(shí)累計(jì)大于40km/h行駛超300s，總運(yùn)行時(shí)間超600s，然后熄火至完全下電，上電記錄并保存測(cè)量文件，即完成故障信息被清除測(cè)試。

6 結(jié)論

國(guó)六新增的PVE測(cè)試是對(duì)OBD系統(tǒng)的一次全面評(píng)估，其中涉及通訊檢查和標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)證，以及對(duì)故障碼的全面驗(yàn)證，和在用性能的監(jiān)測(cè)，測(cè)試范圍廣且復(fù)雜。這對(duì)主機(jī)廠(chǎng)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證方面提出了更高的要求。特別在J2階段的測(cè)試不但用時(shí)較長(zhǎng)，而且測(cè)試需要用到不同的輔助設(shè)備，這樣就要求熟練掌握各種設(shè)備的使用，同時(shí)也要對(duì)各個(gè)故障的診斷邏輯有個(gè)清晰的理解。本文基于某車(chē)型的OBD系統(tǒng)PVE測(cè)試方法[6]進(jìn)行闡述，以某一車(chē)型氧傳感器中的一個(gè)故障為例，全面解析J2測(cè)試的步驟，同時(shí)分析故障診斷原理和設(shè)備使用方法及故障植入方法描述。

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