點燃式發(fā)動機(jī)車載診斷系統(tǒng)(OBD)概述

發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，系統(tǒng)中的任何一個元件出了故障，或者出現(xiàn)導(dǎo)線折斷、針腳松脫或接觸不良等，都會使得整個系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致污染物排放的急劇增加。僅僅依靠傳統(tǒng)的檢測工具是很難達(dá)到這一目的。所以現(xiàn)代發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)都配備了自診斷系統(tǒng)，稱為車載診斷系統(tǒng)(OBD)，即On-Board Diagnosis系統(tǒng)。

點燃式發(fā)動機(jī)OBD涵義

車載診斷系統(tǒng)(OBD)的要點是：不斷監(jiān)測系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的異常，從中找出故障信息，一方面采取臨時補(bǔ)救措施，另一方面將故障信息送往ECU中的RAM，記錄在案，等待維修人員調(diào)閱并查明故障原因后處置，必要時還通過故障指示器MI(Malfunction Indicator)通知駕駛者。也有將故障指示器稱為故障指示燈MIL(Malfunction Indicator Lamp)。

OBD與傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機(jī)故障診斷之間最重要的差別在于，后者的目的僅僅在于找出故障、恢復(fù)其使用功能，有意無意地忽略排放的問題;OBD則在此基礎(chǔ)上保證不因發(fā)動機(jī)故障而使排放惡化。

對OBD應(yīng)該從幾個方面去理解：一方面，它是一項排放控制的技術(shù);另一方面，它是一種排放控制的功能;OBD的中心任務(wù)是排放控制。OBD不僅對于新車型式認(rèn)證，而且對于在用車的排放控制都非常重要。

但是，OBD并不是萬能的。事實上，OBD技術(shù)的許多方面還有待完善和發(fā)展。這是因為某一種污染物排放的超標(biāo)可以由許多種原因引起：首先是控制方面的原因，例如HC和CO排放超標(biāo)可能是因為起動控制不佳，或者缺火，或者可變氣門系統(tǒng)控制失效，或者蒸發(fā)排放物控制失常，或者二次空氣系統(tǒng)控制失靈等。其次，這些問題可能是由于電子元器件故障，或者導(dǎo)線或接插件接觸不良，或者短路和斷路引起。第三，也可能是由于機(jī)械故障，如可變氣門系統(tǒng)的機(jī)械故障，活塞、活塞環(huán)和氣缸壁磨損過度，曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)故障或者潤滑系統(tǒng)的分離器失效等純粹機(jī)械方面的原因，甚至可能是由于三效催化轉(zhuǎn)化器失效引起。所以，現(xiàn)場情況將會非常復(fù)雜，至少目前的OBD系統(tǒng)還沒有辦法直接將某一種污染物排放的超標(biāo)與某一個故障一一對應(yīng)地聯(lián)系起來。它充其量只能在滿足一定條件的情況下根據(jù)監(jiān)測到的故障信息推測發(fā)動機(jī)的哪些區(qū)域可能有問題，然后依靠知識和經(jīng)驗，通過按部就班的人工檢查去發(fā)現(xiàn)和解決問題。由此可見，利用OBD查找發(fā)動機(jī)排放超標(biāo)的原因，這是一個復(fù)雜的過程，其中既有嚴(yán)密的邏輯性，又有相當(dāng)?shù)牟淮_定性;既有必然性，又有偶然性。不過，只要使整個發(fā)動機(jī)的各個系統(tǒng)都恢復(fù)了正常工作，那么排放超標(biāo)的問題自然就會迎刃而解。

OBD發(fā)展歷史

OBD的概念最早是由美國通用汽車公司(GM)于1982年引入的。美國加利福尼亞州空氣資源局(CARB)于1985年采納了汽車工程師協(xié)會(SAE)所制定的標(biāo)準(zhǔn)，要求從 1988 車型年起，所有在加州銷售的車輛都必須具有基本的車載診斷功能。之后，美國環(huán)保署(EPA) 要求自1991年起所有在美國銷售的新車必須滿足相關(guān)的車載診斷技術(shù)要求，這就是后來所說的OBDⅠ，是OBD發(fā)展的初級階段。 OBDⅠ只能監(jiān)控部分部件的工作和一些與排放相關(guān)的電路故障，其診斷功能較為有限。此外，獲取車載診斷信息的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議以及連接外部設(shè)備和ECU的診斷接口并未被標(biāo)準(zhǔn)化。

后來，汽車工程師協(xié)會(SAE)在OBDⅠ的基礎(chǔ)上對通訊協(xié)議、診斷接口等技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)展成為第二代車載診斷系統(tǒng)，即OBDⅡ。美國加利福尼亞州空氣資源局(CARB)為了滿足從1992年開始執(zhí)行的更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，要求從1994車型年開始在加州銷售的部分轎車，從1996車型年開始在加州銷售的全部轎車，必須采用OBDⅡ，又稱CARB-OBDⅡ。CARB的管轄范圍僅限于加利福尼亞州，所以CARB-OBDⅡ只在美國加利福尼亞州推行。美國環(huán)保署(EPA)的管轄范圍則遍及整個美國，它從1996車型年開始在全美推行EPA-OBDⅡ。目前美國實施的是OBDⅡ的改進(jìn)版。

與OBDⅠ相比，OBDⅡ作為整合于發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的一部份，連續(xù)地監(jiān)測與排放有關(guān)的系統(tǒng)和元件的各種數(shù)據(jù)。OBDⅡ規(guī)定：重大故障或超常排放值的發(fā)生都要通過故障指示器向駕駛者顯示;故障信息儲存在RAM中的故障信息存儲器中，必要時還須自動修正;廢氣進(jìn)入三效催化轉(zhuǎn)化器之前的有害有毒物質(zhì)濃度不得超過FTP限值的1.5倍。

與OBDⅠ相比，OBDⅡ在診斷功能和標(biāo)準(zhǔn)化方面都有較大的進(jìn)步。故障指示器、診斷接口、外部設(shè)備和ECU之間的通訊協(xié)議以及故障代碼都通過相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)范化。此外，OBDⅡ可以提供更多的數(shù)據(jù)讓外部設(shè)備讀取，這些數(shù)據(jù)包括故障代碼、一些重要信號或指標(biāo)的實時數(shù)據(jù)，以及凍結(jié)幀信息等，見表1。

自2000年1月1日起，所有在歐盟成員國內(nèi)上市銷售的新定型的汽油車必須滿足歐洲車載診斷系統(tǒng)(EOBD)，即European On Board Diagnosis的規(guī)定。EOBD的要求較為寬松，例如不對燃油箱蒸發(fā)排放物泄漏進(jìn)行診斷。值得一提的是，通過了CARB-OBDⅡ認(rèn)證的汽車可以被執(zhí)行EOBD的國家和地區(qū)所接受;但是，通過了EOBD認(rèn)證的汽車卻不能被執(zhí)行CARB-OBDⅡ的國家和地區(qū)所接受。

EOBD系統(tǒng)只要求重點監(jiān)測CARB-OBDⅡ九種故障監(jiān)測功能的前4項(發(fā)動機(jī)缺火、氧傳感器、催化轉(zhuǎn)化器和蒸發(fā)排放物控制系統(tǒng)監(jiān)測)，同時監(jiān)測動力總成中與計算機(jī)相連接的、可能在整車型式認(rèn)證試驗的Ⅰ型排放試驗中導(dǎo)致排放超過下列EOBD限值的所有零部件和系統(tǒng)：

CO：3.2g/km

HC：0.4g/km

NOX：0.6g/km

此外還要監(jiān)測與計算機(jī)連接并涉及排放的所有零部件和系統(tǒng)，至少要監(jiān)測電路的連接狀態(tài)。具體的監(jiān)測對象因各個系統(tǒng)的構(gòu)造而異。

正在開發(fā)中的新一代OBD系統(tǒng)即OBDⅢ系統(tǒng)能夠利用車載小型無線收發(fā)系統(tǒng)，通過無線蜂窩通信、衛(wèi)星通信以及全球定位系統(tǒng)GPS將車輛的故障和所在位置等信息自動通知管理部門。管理部門可根據(jù)這些信息對其發(fā)出指令責(zé)成其進(jìn)行維修，如逾期不修，可對其進(jìn)行處罰。

車載診斷在我國起步較晚。中國的排放法規(guī)中籠統(tǒng)地稱之為OBD，并沒有區(qū)分OBDⅠ和OBDⅡ。但是，中國的排放法規(guī)基本上借用歐盟的排放法規(guī)，所以中國的OBD系統(tǒng)幾乎等同于EOBD系統(tǒng)。

2005年4月5日，國家環(huán)?？偩诸C布了GB 18352.3-2005標(biāo)準(zhǔn)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》，自2007年7月1日起對上市銷售的新定型車型實施該標(biāo)準(zhǔn)，而OBD是國Ⅲ、國Ⅳ階段排放法規(guī)必須執(zhí)行的內(nèi)容，故由此明確了我國對OBD功能的相關(guān)要求。此項標(biāo)準(zhǔn)的OBD部分基本上照搬了歐盟的標(biāo)準(zhǔn)，與EOBD并無二樣。至此，OBD作為強(qiáng)制性要求首次出現(xiàn)在我國的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中。

目前我國新生產(chǎn)的轎車都裝有OBD系統(tǒng)。需要注意的是，這些國產(chǎn)轎車上的OBD系統(tǒng)未必全都開通了該車上所有可能實現(xiàn)的OBD功能。

OBD相關(guān)的法規(guī)

我國關(guān)于輕型汽車發(fā)動機(jī)OBD的法律依據(jù)是GB 18352.3-2005標(biāo)準(zhǔn)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》。

GB 18352.3-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，OBD系統(tǒng)指的是用于排放控制的車載診斷系統(tǒng)，它必須能識別可能存在故障的區(qū)域，能以故障代碼的方式將該信息儲存在電控單元存儲器內(nèi)，并能通過用于標(biāo)準(zhǔn)診斷連接的串行接口從OBD系統(tǒng)獲取所有與排放相關(guān)的故障診斷數(shù)據(jù)，包括與汽車排放有關(guān)的零部件檢查、診斷、維護(hù)或修理時的所有故障代碼。

該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了排放控制診斷系統(tǒng)必須符合的一系列ISO和/或SAE標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)涉及數(shù)字信息交換、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)接口、排放相關(guān)系統(tǒng)、診斷連接接頭和相關(guān)電路、診斷故障代碼的定義等。

OBD的故障監(jiān)測和判定標(biāo)準(zhǔn)

1.故障監(jiān)測的任務(wù)

OBD的工作以故障監(jiān)測為基礎(chǔ)。故障監(jiān)測的任務(wù)有四個方面：

(1)監(jiān)測電子控制系統(tǒng)本身的硬件如各種傳感器和執(zhí)行器是否有故障，包括電路的斷路或短路等。

(2)監(jiān)測雖不屬于電子控制系統(tǒng)，但卻是電子控制系統(tǒng)服務(wù)對象的、與排放密切相關(guān)的硬件如三效催化轉(zhuǎn)化器是否有故障。

(3)監(jiān)測發(fā)動機(jī)工作過程是否正常，如是否有缺火發(fā)生等。

(4)監(jiān)測發(fā)動機(jī)機(jī)械狀況是否正常，如機(jī)油油位是否太低，冷卻液是否太少等。

2.故障監(jiān)測范圍

CARB-OBDⅡ規(guī)定的點燃式發(fā)動機(jī)故障監(jiān)測范圍如下：

(1)發(fā)動機(jī)缺火監(jiān)測

(2)氧傳感器監(jiān)測

(3)三效催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)測

(4)蒸發(fā)排放物控制系統(tǒng)監(jiān)測

(5)燃油噴射系統(tǒng)監(jiān)測

(6)對發(fā)動機(jī)元件如傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行監(jiān)測(其中一部分在OBDⅠ中也監(jiān)測)

(7)排氣再循環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測

(8)二次空氣系統(tǒng)監(jiān)測

(9)空調(diào)系統(tǒng)(氟氯碳致冷劑)監(jiān)測。

由此可見，CARB-OBDⅡ監(jiān)測的對象除了空調(diào)系統(tǒng)(致冷劑)以外都直接與發(fā)動機(jī)有關(guān)。

EOBD系統(tǒng)只要求重點監(jiān)測上述CARB-OBDⅡ九種故障監(jiān)測功能的前4項(發(fā)動機(jī)缺火、氧傳感器、三效催化轉(zhuǎn)化器和蒸發(fā)排放物控制系統(tǒng)監(jiān)測)，同時對動力總成中與計算機(jī)相連接的、可能在整車型式認(rèn)證試驗的Ⅰ型排放試驗中導(dǎo)致排放超過EOBD限值的所有零部件和系統(tǒng)實施監(jiān)測。

3.OBD系統(tǒng)對故障判定標(biāo)準(zhǔn)

在OBD系統(tǒng)看來，如果ECU根據(jù)各種傳感器信號推斷，當(dāng)時與排放有關(guān)的部件或系統(tǒng)的失效已經(jīng)是導(dǎo)致排放污染物超過表2所列的限值，或OBD系統(tǒng)不能滿足基本的診斷要求，則認(rèn)為發(fā)生了故障。對于燃用液化石油氣LPG或天然氣NG的車輛，采用與汽油車相同的排放污染物極限值。

OBD系統(tǒng)的功能

OBD系統(tǒng)的功能就是對發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)實施監(jiān)測和診斷。監(jiān)測和診斷的范圍取決于法規(guī)要求、發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的功能以及汽車制造廠和發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)供應(yīng)商的要求。

1.OBD系統(tǒng)主要的監(jiān)測和診斷功能

即使是滿足同樣的法規(guī)要求，不同廠商制造的OBD系統(tǒng)的監(jiān)測和診斷功能與策略也不盡相同。以下是一些典型的監(jiān)測和診斷功能：

(1)電子器件綜合監(jiān)測

監(jiān)測所有在OBD系統(tǒng)框架內(nèi)與排放相關(guān)的傳感器、執(zhí)行器和功率輸出級的功能。OBD系統(tǒng)從以下方面對電子器件進(jìn)行監(jiān)測：

● 輸入和輸出信號的可信度

● 是否對地短路

● 是否對電源正極短路

● 是否斷路。

(2)氧傳感器監(jiān)測

● 前氧傳感器電壓特性偏移和自適應(yīng)值監(jiān)測

● 氧傳感器加熱監(jiān)測

● 前氧傳感器響應(yīng)時間監(jiān)測

● 后氧傳感器控制限值監(jiān)測

● 后氧傳感器動態(tài)特性監(jiān)測

(3)三效催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)測

當(dāng)今對所有催化轉(zhuǎn)化器的監(jiān)測都是基于對儲氧能力的監(jiān)測。為此，必須在催化轉(zhuǎn)化器的前面和后面各設(shè)置一個氧傳感器。

(4)蒸發(fā)排放物控制系統(tǒng)監(jiān)測

包括對蒸發(fā)排放物控制系統(tǒng)炭罐清洗閥故障和系統(tǒng)泄漏故障的監(jiān)測，至少必須監(jiān)測其電路的連通狀態(tài)。

(5)缺火監(jiān)測

缺火指的是點燃式發(fā)動機(jī)由于火花塞沒有打火、燃油計量不準(zhǔn)、壓縮壓力太低或其它任何原因，導(dǎo)致氣缸內(nèi)的混合氣未能燃燒。

缺火可由多種原因引起，涉及燃油、空氣和點火等多方面的問題，例如混合氣過稀或過濃，火花塞燒損或電觸點故障等。缺火會使大量的HC通過排氣岐管進(jìn)入三效催化轉(zhuǎn)化器并在那里燃燒，產(chǎn)生大量的熱量，足以通過物理方式(熔融)或化學(xué)方式損壞催化轉(zhuǎn)化器。此外，這種未燃混合氣一旦排出機(jī)外，對環(huán)境也是一種額外的污染。即使是孤立的幾次缺火都會引起很高的HC排放。經(jīng)驗表明，缺火率達(dá)到2%時，HC排放將從原先滿足法規(guī)限值的水平提高到超過法規(guī)限值達(dá)50%，見圖1。如果發(fā)動機(jī)缺火的時間超過17%，催化轉(zhuǎn)化器將會損壞。所以電子控制單元必須能進(jìn)行缺火監(jiān)測。缺火監(jiān)測是OBDⅡ區(qū)別于OBDⅠ的重要標(biāo)志。

(6)排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)監(jiān)測

包括對EGR閥流量不足故障和EGR閥銷位置傳感器電路故障等的監(jiān)測。

(7)電子節(jié)氣門監(jiān)測

(8)CAN數(shù)據(jù)總線監(jiān)測

(9)二次空氣流量監(jiān)測

(10)進(jìn)氣岐管絕對壓力限值監(jiān)測

2.OBD系統(tǒng)監(jiān)測功能的擴(kuò)展

OBD系統(tǒng)的監(jiān)測范圍至少要滿足法規(guī)的最低要求。GB 18352.3-2005有關(guān)這方面的要求都是圍繞著排放控制而提出的。但是為了便于車輛的維護(hù)、修理以及使用的安全，OBD系統(tǒng)的實際功能往往超出了法規(guī)的要求。這主要表現(xiàn)在兩個方面：

第一，監(jiān)測對象比法規(guī)要求的更多。發(fā)動機(jī)的零部件可以分成兩大類：第一類是，其損壞或者失效會引起排放超過OBD限值或者引起其它監(jiān)測功能失效的零部件;第二類是，其損壞或者失效不會引起排放超過OBD限值或者引起其它監(jiān)測功能失效的零部件。法規(guī)只規(guī)定OBD系統(tǒng)必須能夠監(jiān)測第一類零部件，卻并沒有要求對第二類零部件也實施監(jiān)測。但是OBD系統(tǒng)實際的監(jiān)測范圍往往覆蓋了一部分第二類零部件。

第二，實施監(jiān)測的條件比法規(guī)的要求更寬松。法規(guī)只要求在特定的條件下才啟動OBD系統(tǒng)的監(jiān)測功能。實際上，即使超出了條件規(guī)定的范圍，但只要OBD系統(tǒng)能夠進(jìn)行可靠的監(jiān)測，往往照樣會啟動其監(jiān)測功能。比如法規(guī)GB 18352.3-2005明確規(guī)定：缺火監(jiān)測的最高轉(zhuǎn)速為4500r/min或比新車型式認(rèn)證中的Ⅰ型排放測試期間出現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速高出1000r/min的轉(zhuǎn)速這兩者中的較小者。但是只要OBD系統(tǒng)能夠可靠地進(jìn)行缺火監(jiān)測，該監(jiān)測功能即使在轉(zhuǎn)速超出規(guī)定范圍時也不會關(guān)閉。

3.OBD系統(tǒng)功能的臨時關(guān)閉

在下列情況下OBD系統(tǒng)可以全部或部分地臨時關(guān)閉OBD功能：

(1)當(dāng)燃油箱液面未達(dá)到燃油箱名義容量的20%時，制造廠可以關(guān)閉OBD功能。

(2)當(dāng)在環(huán)境溫度低于-7℃或海拔高于2500m的條件下起動發(fā)動機(jī)時實施的監(jiān)測是不可靠的，則制造廠可以在這些條件下關(guān)閉OBD功能。

(3)在超出一定數(shù)值的環(huán)境溫度下起動發(fā)動機(jī)時會導(dǎo)致誤診斷，則制造廠也可以要求在這些條件下關(guān)閉OBD功能。

(4)路面凹凸不平達(dá)到一定程度、變速器換檔時，關(guān)閉缺火監(jiān)測。

(5)裝有動力輸出裝置的汽車，當(dāng)動力輸出裝置正在工作且影響監(jiān)測系統(tǒng)時，允許關(guān)閉受到影響的監(jiān)測系統(tǒng)。