OBD-Ⅱ第二代車載故障診斷系統(tǒng)(圖）

    隨著我國實(shí)行國Ⅲ汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，0BD-Ⅱ系統(tǒng)被強(qiáng)制實(shí)施。什么是0BD-Ⅱ？它是如何工作的？本文將重點(diǎn)介紹0BD-Ⅱ的基本內(nèi)容和主要特點(diǎn)以及監(jiān)控領(lǐng)域。
    一、 起源
    目前，北京已開始實(shí)施國Ⅲ汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)是國家第三階段的排放標(biāo)準(zhǔn)，它相當(dāng)于歐洲Ⅲ號(hào)排放標(biāo)準(zhǔn)，對CO、NOX、HC、CO2采取更嚴(yán)格的限制。而要達(dá)到這一目標(biāo)就要通過技術(shù)提升來解決，在汽車運(yùn)行全程中不斷監(jiān)視尾氣的排放質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)汽車在運(yùn)行過程中與控制尾氣排放的相關(guān)元件出現(xiàn)故障，就會(huì)立刻報(bào)警，從而提醒駕駛員立即對車進(jìn)行檢修，以確保汽車時(shí)刻處于綠色環(huán)保狀態(tài)。為此，國Ⅲ汽車排放標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制規(guī)定：新車必須安裝OBD車載自診斷系統(tǒng)（即On-Board Diagnostics的縮寫）。該系統(tǒng)特點(diǎn)在于檢測點(diǎn)增多、檢測系統(tǒng)增多，在三元催化轉(zhuǎn)化器的進(jìn)、出口上都有氧傳感器。 

    實(shí)際上，自1980年代開始，世界各汽車制造廠就在車輛上配備全功能的控制和診斷系統(tǒng)。這些新系統(tǒng)在車輛發(fā)生故障時(shí)可以警示駕駛，并且在維修時(shí)可經(jīng)由特定的方式讀取故障代碼，以加快維修時(shí)間，這便是車載診斷系統(tǒng)。到了1985年，美國加利福尼亞州大氣資源局(CARB)開始制定法規(guī)，要求各車輛制造廠在加利福尼亞州銷售的車輛必須裝置OBD系統(tǒng)，這些車輛上配備的OBD系統(tǒng)被稱為OBD-Ⅰ(第一代隨車診斷系統(tǒng))。

OBD-Ⅰ必須符合下列規(guī)定：
    儀表板必須有“發(fā)動(dòng)機(jī)故障警示燈” (MIL)，以提醒駕駛注意特定的車輛系統(tǒng)已發(fā)生故障(通常是廢氣控制相關(guān)系統(tǒng))。
    系統(tǒng)必須有記錄/傳輸相關(guān)廢氣控制系統(tǒng)故障碼的功能。
    電器組件監(jiān)控必須包含：氧傳感器、廢氣再循環(huán)裝置（EGR）、燃油箱蒸汽控制裝置（EVAP）。 

    起初加利福尼亞州大氣資源局制定OBD-Ⅰ的用意是要減少車輛廢氣排放以及簡化維修流程，但由于OBD-Ⅰ不夠嚴(yán)謹(jǐn)，遺漏了三元催化器的效率監(jiān)測、油氣蒸發(fā)系統(tǒng)的泄漏偵測以及發(fā)動(dòng)機(jī)是否缺火的檢測，導(dǎo)致碳?xì)浠�合物排放增加。再加上OBD-Ⅰ的監(jiān)測線路敏感度不高，等到發(fā)覺車輛故障再進(jìn)廠維修時(shí)，事實(shí)上已排放了大量的廢氣。
    OBD-Ⅰ除了無法有效地控制廢氣排放，它還引起另一個(gè)嚴(yán)重的問題：各車輛制造廠發(fā)展了自己的診斷系統(tǒng)、檢修流程、專用工具等，給非特約維修站技師的維修工作帶來許多問題。加利福尼亞州大氣資源局(CARB)眼見OBD-Ⅰ系統(tǒng)離當(dāng)初制定的目標(biāo)愈來愈遠(yuǎn)，即開始發(fā)展第二代隨車診斷系統(tǒng)(OBD-Ⅱ)。
    OBD-Ⅱ可在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況中持續(xù)不斷地監(jiān)控汽車尾氣，一旦發(fā)現(xiàn)尾氣超標(biāo)，就會(huì)馬上發(fā)出警報(bào)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障(MIL)燈或檢查發(fā)動(dòng)機(jī)(Check Engine)警告燈亮，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)電腦將故障信息存入存儲(chǔ)器，通過程序可以將故障代碼從發(fā)動(dòng)機(jī)電腦中讀出。根據(jù)故障碼的提示，維修人員就能迅速準(zhǔn)確地確定故障的性質(zhì)和部位。

    二、 OBD-Ⅱ的目的
    OBD-Ⅱ比OBD-Ⅰ增加了新的監(jiān)測區(qū)域，包括催化轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率和決定發(fā)動(dòng)機(jī)缺火的曲軸速度，可以獲得任何時(shí)間的發(fā)動(dòng)機(jī)缺火、碳?xì)浠�合物排放增加的信息。簡單來說，OBD-Ⅱ系統(tǒng)必須具有下列功能：
    檢測廢氣控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)的元件是否出現(xiàn)“老化”或“損壞”。
    必須有警示裝置，從而便于提醒駕駛員，進(jìn)行廢氣控制系統(tǒng)的保養(yǎng)與檢修。
    監(jiān)控傳感器和執(zhí)行器的功能。
    使用標(biāo)準(zhǔn)化的故障碼，并且可用通用的儀器讀取。
    三、OBD-Ⅱ的檢測原理
    1、三元催化器
    三元催化器是安裝在汽車排氣系統(tǒng)中最重要的機(jī)外凈化裝置，它可將汽車尾氣排出的CO、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮?dú)�。由于這種催化器可同時(shí)將廢氣中的三種主要有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，故稱三元。
    當(dāng)高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時(shí)，三元催化器中的凈化劑將增強(qiáng)CO、HC和NOx三種氣體的活性，促使其進(jìn)行一定的氧化-還原化學(xué)反應(yīng)，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳?xì)怏w；HC化合物在高溫下氧化成水(H2O)和二氧化碳；NOx還原成氮?dú)夂脱鯕�。三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化。
    那么，OBD-Ⅱ?qū)θ�元催化器作了哪些檢測呢？我們知道，當(dāng)三元催化器老化時(shí)或者三元催化器損壞時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重削弱其氧化-還原能力，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣嚴(yán)重超標(biāo)。因此，OBD-Ⅱ在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中將持續(xù)對CO的含量進(jìn)行檢測。

    在故障診斷期間，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦將不斷比較上游氧傳感器和下游氧傳感器的信號(hào)，使之保持在一定的轉(zhuǎn)換比例上。正常工作條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，上游氧傳感器不斷檢測發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的剩余氧含量。根據(jù)剩余氧含量的大小決定吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣是稀或濃，剩余氧含量多，混合氣就��；剩余氧含量少，混合氣就濃。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電腦不斷對燃油系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變噴油量大小，匹配最佳混合氣，因此在上游氧傳感器產(chǎn)生直流脈動(dòng)電壓信號(hào)，電壓在0.1～0.9V之間變化。廢氣經(jīng)過三元催化器處理后，剩余氧含量將大大減少，在下游氧傳感器上的電壓脈動(dòng)大大減少，由此，可以斷定三元催化器處于良好工作狀態(tài)（見圖5）。如果三元催化器工作不良或者有故障，則在氧化-還原反應(yīng)上無法完全對有害物進(jìn)行完全轉(zhuǎn)變，則在下游氧傳感器上的電壓脈動(dòng)與在上游氧傳感器上的電壓脈動(dòng)近似相同。如果上、下游氧傳感器的信號(hào)的振幅、頻率接近一致，則表明三元催化器失效。發(fā)動(dòng)機(jī)電腦就會(huì)立刻通過發(fā)動(dòng)機(jī)故障報(bào)警燈（MIL）對外發(fā)出警報(bào)。  
    2、氧傳感器
    電噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的氧傳感器是現(xiàn)代汽車中一個(gè)非常重要的傳感器，用來監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中氧的含量或濃度，并根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)輸出一個(gè)信號(hào)電壓，反饋給電腦，從而控制噴油量的大小。它通常安裝在排氣系統(tǒng)中，直接與排氣氣流接觸。
    氧傳感器的工作原理與干電池相似，傳感器中的氧化鋯元素起類似電解液的作用。在一定條件下(高溫和鉑催化)，利用氧化鋯內(nèi)外兩側(cè)的氧濃度差，產(chǎn)生電位差，且濃度差越大，電位差越大。根據(jù)氧傳感器的電壓信號(hào)，電腦按照盡可能接近14.7:1的最佳空燃比來控制混合氣的濃度。

    OBD-Ⅱ在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中持續(xù)不斷地監(jiān)控氧傳感器的工作靈敏度/老化性能、氧傳感器信號(hào)電壓以及氧傳感器的預(yù)熱器。
    當(dāng)氧傳感器中毒或者老化后會(huì)對氧傳感器產(chǎn)生不利的一面，這種中毒往往是由于汽油中的含鉛成份過高，導(dǎo)致氧傳感器鉛中毒。當(dāng)出現(xiàn)中毒或者老化后，我們將會(huì)觀察到氧傳感器的電壓周期大大增加或者氧傳感器的信號(hào)電壓將變得平直。圖8顯示出氧傳感器老化或中毒時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)電腦的診斷曲線。

    3、二次空氣噴射
    二次空氣噴射就是發(fā)動(dòng)機(jī)在冷車啟動(dòng)時(shí)，由于必須在冷啟動(dòng)下供給較濃的混合氣，在低溫下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒往往不是很好，大量的CO排出到大氣中。為了降低這時(shí)的尾氣污染以及暖機(jī)階段的有害物排放，二次空氣噴射裝置將新鮮空氣噴入發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管，使廢氣中可燃燒成分繼續(xù)燃燒，以減少排放污染物，使之達(dá)到歐Ⅲ排放。
    噴入發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的空氣可以跟廢氣中的有害氣體在排氣過程中發(fā)生氧化反應(yīng)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的有害物質(zhì)，同時(shí)未完全燃燒的HC以及CO在與新鮮空氣在排氣過程中繼續(xù)燃燒，可以快速對三元催化器進(jìn)行預(yù)熱，大大縮短三元催化器的反應(yīng)時(shí)間。在三元催化器達(dá)到工作溫度后，應(yīng)停止二次空氣噴射，避免造成三元催化器過熱而毀壞。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)后，二次空氣噴射裝置工作80～120s便停止工作。

    OBD-Ⅱ在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中監(jiān)控組合閥的空氣流量、電動(dòng)空氣泵、電動(dòng)空氣泵的繼電器。

    4、燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)
    燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的作用是防止油箱內(nèi)蒸發(fā)的汽油蒸汽排入大氣。它由蒸汽回收罐（亦稱活性炭罐）、控制電磁閥及相應(yīng)的蒸汽管道和真空軟管等組成（見圖11）。蒸汽回收罐內(nèi)充滿了活性炭顆粒，當(dāng)油箱內(nèi)的汽油蒸汽經(jīng)蒸汽管道進(jìn)入蒸汽回收罐時(shí)，蒸汽中的汽油分子被活性炭吸附。燃油蒸汽回收罐上方的另一個(gè)出口經(jīng)真空軟管與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管相通，軟管中部有一個(gè)電磁閥控制管路的通斷。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果電磁閥開啟，則在進(jìn)氣歧管真空吸力的作用下，新鮮空氣將從蒸汽回收罐下方進(jìn)入，經(jīng)過活性炭后再從蒸汽回收罐的出口進(jìn)入軟管的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，把吸附在活性炭上的汽油分子（重新蒸發(fā)的）送入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，使之得到充分利用。
    進(jìn)入進(jìn)氣歧管的回收燃油蒸汽量必須加以控制，以防破壞正常的混合氣成分。這一控制過程由微機(jī)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等運(yùn)行參數(shù)，通過操縱控制電磁閥的開、閉來實(shí)現(xiàn)。
    OBD-Ⅱ在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中監(jiān)控活性炭罐電磁閥和其它相關(guān)聯(lián)的傳感器和執(zhí)行器的檢測。當(dāng)燃油蒸汽系統(tǒng)工作時(shí)，一部分汽化的汽油將通過活性炭罐被送入到進(jìn)氣歧管，無疑是加濃了混合氣。如果燃油箱燃油耗盡時(shí)，就會(huì)稀釋混合氣。燃油-空氣混合氣的改變可以通過氧傳感器來檢測，因此也可以作為一個(gè)重要的檢測尺度來檢測燃油蒸汽控制裝置。當(dāng)燃油蒸汽控制系統(tǒng)正常時(shí)，伴隨著活性炭罐電磁閥的開啟，混合氣會(huì)被加濃，氧傳感器的電壓就會(huì)上升；當(dāng)燃油蒸汽控制系統(tǒng)不正常時(shí)，盡管活性炭罐電磁閥開啟，混合氣也不會(huì)被加濃，氧傳感器的電壓就不受燃油蒸汽控制系統(tǒng)的影響。   

    隨著車輛的使用，一些橡膠元件會(huì)老化，導(dǎo)致燃油蒸汽控制系統(tǒng)不密封，有汽油蒸汽排向大氣中。因此，要對燃油蒸汽控制系統(tǒng)進(jìn)行泄漏診斷，見圖13。在這個(gè)系統(tǒng)中為了更好地檢測密封性，在普通的燃油蒸汽控制系統(tǒng)中又增加了系統(tǒng)診斷空氣泵和空氣泵用的濾清器。系統(tǒng)診斷空氣泵是一個(gè)執(zhí)行器，同時(shí)又是一個(gè)傳感器。作為執(zhí)行器時(shí)，它是一個(gè)空氣泵，用來產(chǎn)生氣體壓強(qiáng)；作為傳感器時(shí)，又是一個(gè)壓力傳感器，以檢測系統(tǒng)壓力降低情況。

    當(dāng)系統(tǒng)處于診斷過程時(shí)，通過活性炭罐電磁閥將真空管與燃油蒸汽系統(tǒng)隔絕，通過系統(tǒng)診斷空氣泵對燃油蒸汽系統(tǒng)加壓，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦將檢測燃油蒸汽系統(tǒng)中的氣體壓力，從而判斷系統(tǒng)的密封性能（如圖14）。

    系統(tǒng)診斷空氣泵有三個(gè)接頭，其中最上端連接發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門后方的真空管，左下端接頭連接燃油蒸汽控制系統(tǒng)，右下端接頭連接空氣濾清器。真空開關(guān)通過得電將真空引入到膜片上腔，因此，膜片向上移動(dòng)的動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)真空。膜片向下移動(dòng)時(shí)，在真空開關(guān)失電后，膜片在彈簧作用下向下移動(dòng)，產(chǎn)生氣體壓強(qiáng)，同時(shí)為了使膜片上腔不產(chǎn)生真空吸力，必須在膜片上腔引入空氣進(jìn)行壓力平衡，空氣將由空氣濾清器通過連同管道到達(dá)膜片上腔，從而便于膜片向下移動(dòng)，對系統(tǒng)進(jìn)行加壓。當(dāng)燃油蒸汽控制系統(tǒng)密封不良時(shí)，膜片下移距離很大，此時(shí)，安裝在系統(tǒng)診斷空氣泵上端的舌簧管接觸開關(guān)就會(huì)閉合，向發(fā)動(dòng)機(jī)電腦發(fā)出反饋指令，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦發(fā)出指令便再次將膜片上拉和向下釋放、加壓。如此反復(fù)，發(fā)動(dòng)機(jī)就可以根據(jù)膜片上下移動(dòng)的頻率來確定系統(tǒng)是處于微小泄漏還是大量泄漏。如圖16a，頻率較小，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦根據(jù)頻率可以判斷，此系統(tǒng)為微小泄漏。16b中頻率變化較大，則可判斷此系統(tǒng)為大量泄漏。

    5、發(fā)動(dòng)機(jī)失火檢測系統(tǒng)
    當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)生損壞時(shí)，吸入缸內(nèi)的混合氣不能及時(shí)被點(diǎn)燃，大量的HC便直接排出汽缸。一部分HC在排氣管中發(fā)生燃燒，導(dǎo)致三元催化器損壞；另一部分HC沒有完全燃燒便直接排向大氣中。
    OBD-Ⅱ在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的失火率，每次檢測周期為1000轉(zhuǎn)曲軸轉(zhuǎn)數(shù)。HC超出正常的1.5倍時(shí)相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)的失火率達(dá)2%。
    發(fā)動(dòng)機(jī)失火會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。根據(jù)這一特性，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速傳感器來監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)情況。發(fā)動(dòng)機(jī)失火會(huì)改變曲軸的圓周旋轉(zhuǎn)速度。通常發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不是勻速的，每缸在做功時(shí)都有一個(gè)加速，不做功就沒有加速。四缸機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)720°應(yīng)有4個(gè)加速。
    正常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮、做功，先是減速后是加速，屬于正常現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)失火時(shí)，除了發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮期間轉(zhuǎn)速瞬時(shí)有所減緩?fù)�，由于發(fā)動(dòng)機(jī)失火，缺乏做功時(shí)的加速，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)缺火時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)極大。發(fā)動(dòng)機(jī)電腦可以通過安裝在曲軸上的轉(zhuǎn)速/位置傳感器來感知瞬時(shí)的角速度變化情況，從而確定哪一缸出現(xiàn)失火。

    四、第三代車載故障診斷系統(tǒng)
    OBD-Ⅱ系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，對探測排放狀況十分有效。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障報(bào)警燈點(diǎn)亮?xí)r，應(yīng)立即將車送到維修站進(jìn)行檢修。但對駕駛者是否接受MIL的警告，0BD-Ⅱ是無能為力的，而第三代車載故障診斷系統(tǒng)（OBD Ⅲ）解決了這個(gè)問題。
    OBD Ⅲ的主要目的是使汽車的檢測、維護(hù)和管理合為一體，以滿足環(huán)境保護(hù)的要求。OBD-Ⅲ系統(tǒng)會(huì)分別進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、ABS等系統(tǒng)ECU中去讀取故障碼和其它相關(guān)數(shù)據(jù)，并利用小型車載通訊系統(tǒng)，如GPS導(dǎo)航系統(tǒng)或無線通信方式將車輛的身份代碼、故障碼及所在位置等信息自動(dòng)通告管理部門，管理部門根據(jù)該車輛排放問題的等級(jí)對其發(fā)出指令，包括去哪里維修的建議，解決排放問題的時(shí)限等，還可對超出時(shí)限的違規(guī)者的車輛發(fā)出禁行指令。因此，OBD Ⅲ系統(tǒng)不僅能對車輛排放問題向駕駛者發(fā)出警告，而且還能對違規(guī)者進(jìn)行懲罰。