第二代车载故障诊断系统OBD-II

OBD-OBD-ⅡⅡ————第二代车载故障诊断系统第二代车载故障诊断系统 一、 起源 目前，北京已开始实施国Ⅲ汽车排放标准。这一标准是国家第三阶段的排放标准， 它相当于欧洲 Ⅲ号排放标准，对 CO、NOX、HC、CO2 采取更严格的限制。而要达到这一目标就要通过技术提升来 解决，在汽车运行全程中不断监视尾气的排放质量，一旦发现汽车在运行过程中与控制尾气排放的相 关元件出现故障，就会立刻报警，从而提醒驾驶员立即对车进行检修，以确保汽车时刻处于绿色环保 状态。为此，国Ⅲ 汽车排放标准强制规定：新车必须安装OBD 车载自诊断系统（即 On-Board Diagnostics 的缩写）。该系统特点在于检测点增多、检测系统增多，在三元催化转化器的进、出口上 都有氧传感器。 实际上，自 1980 年代开始，世界各汽车制造厂就在车辆上配备全功能的控制和诊断系统。这些 新系统在车辆发生故障时可以警示驾驶，并且在维修时可经由特定的方式读取故障代码，以加快维修 时间，这便是车载诊断系统。到了1985 年，美国加利福尼亚州大气资源局(CARB)开始制定法规，要 求各车辆制造厂在加利福尼亚州销售的车辆必须装置OBD 系统，这些车辆上配备的 OBD 系统被称为 OBD-Ⅰ(第一代随车诊断系统)。OBD-Ⅰ必须符合下列规定： ★ 仪表板必须有“发动机故障警示灯” (MIL)，以提醒驾驶注意特定的车辆系统已发生故障(通常 是废气控制相关系统)。 ★ 系统必须有记录/传输相关废气控制系统故障码的功能。 ★ 电器组件监控必须包含： 氧传感器、 废气再循环装置 （EGR） 、 燃油箱蒸汽控制装置 （EVAP） 。 起初加利福尼亚州大气资源局制定OBD-Ⅰ的用意是要减少车辆废气排放以及简化维修流程，但 由于 OBD-Ⅰ不够严谨，遗漏了三元催化器的效率监测、油气蒸发系统的泄漏侦测以及发动机是否缺 火的检测，导致碳氢化合物排放增加。再加上OBD-Ⅰ的监测线路敏感度不高，等到发觉车辆故障再 进厂维修时，事实上已排放了大量的废气。 OBD-Ⅰ除了无法有效地控制废气排放，它还引起另一个严重的问题：各车辆制造厂发展了自己 的诊断系统、检修流程、专用工具等，给非特约维修站技师的维修工作带来许多问题。加利福尼亚州 大气资源局(CARB)眼见 OBD-Ⅰ系统离当初制定的目标愈来愈远，即开始发展第二代随车诊断系统 (OBD-Ⅱ)。 OBD-Ⅱ可在发动机的运行状况中持续不断地监控汽车尾气，一旦发现尾气超标，就会马上发出 警报。当系统出现故障时，故障(MIL)灯或检查发动机(Check Engine)警告灯亮，同时发动机电脑将故 障信息存入存储器，通过程序可以将故障代码从发动机电脑中读出。根据故障码的提示，维修人员就 能迅速准确地确定故障的性质和部位。 二、 OBD-Ⅱ的目的 OBD-Ⅱ比 OBD-Ⅰ增加了新的监测区域，包括催化转换器转换效率和决定发动机缺火的曲轴速 度，可以获得任何时间的发动机缺火、碳氢化合物排放增加的信息。简单来说，OBD-Ⅱ系统必须具 有下列功能： ★ 检测废气控制系统的关联的元件是否出现“老化”或“损坏”。 ★ 必须有警示装置，从而便于提醒驾驶员，进行废气控制系统的保养与检修。 ★ 监控传感器和执行器的功能。 ★ 使用标准化的故障码，并且可用通用的仪器读取。 三、OBD-Ⅱ的检测原理 1、三元催化器 三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC 和 NOx 等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。由于这种催化器可同时 将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质，故称三元。 当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC 和 NOx 三种气体的 活性， 促使其进行一定的氧化-还原化学反应， 其中 CO 在高温下氧化成为无色、 无毒的二氧化碳气体； HC 化合物在高温下氧化成水(H2O)和二氧化碳；NOx 还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气 体，使汽车尾气得以净化。 那么，OBD-Ⅱ对三元催化器作了哪些检测呢？我们知道，当三元催化器老化时或者三元催化器 损坏时，就会严重削弱其氧化-还原能力，从而造成发动机尾气严重超标。因此，OBD-Ⅱ在发动机运 行过程中将持续对 CO 的含量进行检测。 在故障诊断期间， 发动机电脑将不断比较上游氧传感器和下游氧传感器的信号， 使之保持在一定 的转换比例上。 正常工作条件下， 发动机运转后， 上游氧传感器不断检测发动机尾气中的剩余氧含量。 根据剩余氧含量的大小决定吸入发动机的混合气是稀或浓，剩余氧含量多，混合气就稀；剩余氧含量 少，混合气就浓。随着发动机电脑不断对燃油系统进行调节，改变喷油量大小，匹配最佳混合气，因 此在上游氧传感器产生直流脉动电压信号， 电压在 0.1～0.9V 之间变化。 废气经过三元催化器处理后， 剩余氧含量将大大减少，在下游氧传感器上的电压脉动大大减少，由此，可以断定三元催化器处于良 好工作状态（见图5）。如果三元催化器工作不良或者有故障，则在氧化 -还原反应上无法完全对有害 物进行完全转变， 则在下游氧传感器上的电压脉动与在上游氧传感器上的电压脉动近似相同。 如果上、 下游氧传感器的信号的振幅、频率接近一致，则表明三元催化器失效。发动机电脑就会立刻通过发动 机故障报警灯（MIL）对外发出警报。 2、氧传感器 电喷发动机控制系统中的氧传感器是现代汽车中一个非常重要的传感器， 用来监测发动机排气中 氧的含量或浓度，并根据所测得的数据输出一个信号电压，反馈给电脑，从而控制喷油量的大小。它 通常安装在排气系统中，直接与排气气流接触。 氧传感器的工作原理与干电池相似， 传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。 在一定条件下 (高温和铂催化)，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。根据 氧传感器的电压信号，电脑按照尽可能接近14.7:1 的最佳空燃比来控制混合气的浓度。 OBD-Ⅱ在发动机运行过程中持续不断地监控氧传感器的工作灵敏度/老化性能、氧传感器信号电 压以及氧传感器的预热器。 当氧传感器中毒或者老化后会对氧传感器产生不利的一面， 这种中毒往往是由于汽油中的含铅成 份过高，导致氧传感器铅中毒。当出现中毒或者老化后，我们将会观察到氧传感器的电压周期大大增 加或者氧传感器的信号电压将变得平直。图8 显示出氧传感器老化或中毒时发动机电脑的诊断曲线。 3、二次空气喷射 二次空气喷射就是发动机在冷车启动时， 由于必须在冷启动下供给较浓的混合气， 在低温下发动 机燃烧往往不是很好，大量的 CO 排出到大气中。为了降低这时的尾气污染以及暖机阶段的有害物排 放，二次空气喷射装置将新鲜空气喷入发动机的排气管，使废气中可燃烧成分继续燃烧，以减少排放 污染物，使之达到欧Ⅲ排放。 喷入发动机排气管的空气可以跟废气中的有害气体在排气过程中发生氧化反应， 降低发动机尾气 中的有害物质，同时未完全燃烧的 HC 以及 CO 在与新鲜空气在排气过程中继续燃烧，可以快速对三 元催化器进行预热，大大缩短三元催化器的反应时间。在三元催化器达到工作温度后，应停止二次空 气喷射，避免造成三元催化器过热而毁坏