OBD-Ⅱ第二代車載故障診斷系統(tǒng)(圖）

    隨著我國實行國Ⅲ汽車排放標準，0BD-Ⅱ系統(tǒng)被強制實施。什么是0BD-Ⅱ？它是如何工作的？本文將重點介紹0BD-Ⅱ的基本內(nèi)容和主要特點以及監(jiān)控領域。
    一、 起源
    目前，北京已開始實施國Ⅲ汽車排放標準。這一標準是國家第三階段的排放標準，它相當于歐洲Ⅲ號排放標準，對CO、NOX、HC、CO2采取更嚴格的限制。而要達到這一目標就要通過技術提升來解決，在汽車運行全程中不斷監(jiān)視尾氣的排放質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)汽車在運行過程中與控制尾氣排放的相關元件出現(xiàn)故障，就會立刻報警，從而提醒駕駛員立即對車進行檢修，以確保汽車時刻處于綠色環(huán)保狀態(tài)。為此，國Ⅲ汽車排放標準強制規(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)特點在于檢測點增多、檢測系統(tǒng)增多，在三元催化轉(zhuǎn)化器的進、出口上都有氧傳感器。 

    實際上，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)生故障時可以警示駕駛，并且在維修時可經(jīng)由特定的方式讀取故障代碼，以加快維修時間，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)動機故障警示燈” (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系統(tǒng))。
    系統(tǒng)必須有記錄/傳輸相關廢氣控制系統(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不夠嚴謹，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)動機是否缺火的檢測，導致碳氫化合物排放增加。再加上OBD-Ⅰ的監(jiān)測線路敏感度不高，等到發(fā)覺車輛故障再進廠維修時，事實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，它還引起另一個嚴重的問題：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)離當初制定的目標愈來愈遠，即開始發(fā)展第二代隨車診斷系統(tǒng)(OBD-Ⅱ)。
    OBD-Ⅱ可在發(fā)動機的運行狀況中持續(xù)不斷地監(jiān)控汽車尾氣，一旦發(fā)現(xiàn)尾氣超標，就會馬上發(fā)出警報。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，故障(MIL)燈或檢查發(fā)動機(Check Engine)警告燈亮，同時發(fā)動機電腦將故障信息存入存儲器，通過程序可以將故障代碼從發(fā)動機電腦中讀出。根據(jù)故障碼的提示，維修人員就能迅速準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)動機缺火的曲軸速度，可以獲得任何時間的發(fā)動機缺火、碳氫化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。
    使用標準化的故障碼，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、水和氮氣。由于這種催化器可同時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。
    當高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，三元催化器中的凈化劑將增強CO、HC和NOx三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳氣體；HC化合物在高溫下氧化成水(H2O)和二氧化碳；NOx還原成氮氣和氧氣。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，當三元催化器老化時或者三元催化器損壞時，就會嚴重削弱其氧化-還原能力，從而造成發(fā)動機尾氣嚴重超標。因此，OBD-Ⅱ在發(fā)動機運行過程中將持續(xù)對CO的含量進行檢測。

    在故障診斷期間，發(fā)動機電腦將不斷比較上游氧傳感器和下游氧傳感器的信號，使之保持在一定的轉(zhuǎn)換比例上。正常工作條件下，發(fā)動機運轉(zhuǎn)后，上游氧傳感器不斷檢測發(fā)動機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)動機的混合氣是稀或濃，剩余氧含量多，混合氣就稀；剩余氧含量少，混合氣就濃。隨著發(fā)動機電腦不斷對燃油系統(tǒng)進行調(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)生直流脈動電壓信號，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-還原反應上無法完全對有害物進行完全轉(zhuǎn)變，則在下游氧傳感器上的電壓脈動與在上游氧傳感器上的電壓脈動近似相同。如果上、下游氧傳感器的信號的振幅、頻率接近一致，則表明三元催化器失效。發(fā)動機電腦就會立刻通過發(fā)動機故障報警燈（MIL）對外發(fā)出警報。  
    2、氧傳感器
    電噴發(fā)動機控制系統(tǒng)中的氧傳感器是現(xiàn)代汽車中一個非常重要的傳感器，用來監(jiān)測發(fā)動機排氣中氧的含量或濃度，并根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)輸出一個信號電壓，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，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)動機運行過程中持續(xù)不斷地監(jiān)控氧傳感器的工作靈敏度/老化性能、氧傳感器信號電壓以及氧傳感器的預熱器。
    當氧傳感器中毒或者老化后會對氧傳感器產(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，導致氧傳感器鉛中毒。當出現(xiàn)中毒或者老化后，我們將會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電壓將變得平直。圖8顯示出氧傳感器老化或中毒時發(fā)動機電腦的診斷曲線。

    3、二次空氣噴射
    二次空氣噴射就是發(fā)動機在冷車啟動時，由于必須在冷啟動下供給較濃的混合氣，在低溫下發(fā)動機燃燒往往不是很好，大量的CO排出到大氣中。為了降低這時的尾氣污染以及暖機階段的有害物排放，二次空氣噴射裝置將新鮮空氣噴入發(fā)動機的排氣管，使廢氣中可燃燒成分繼續(xù)燃燒，以減少排放污染物，使之達到歐Ⅲ排放。
    噴入發(fā)動機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，降低發(fā)動機尾氣中的有害物質(zhì)，同時未完全燃燒的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行預熱，大大縮短三元催化器的反應時間。在三元催化器達到工作溫度后，應停止二次空氣噴射，避免造成三元催化器過熱而毀壞。因此，在發(fā)動機冷啟動后，二次空氣噴射裝置工作80～120s便停止工作。

    OBD-Ⅱ在發(fā)動機運行過程中監(jiān)控組合閥的空氣流量、電動空氣泵、電動空氣泵的繼電器。

    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，當油箱內(nèi)的汽油蒸汽經(jīng)蒸汽管道進入蒸汽回收罐時，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出口經(jīng)真空軟管與發(fā)動機進氣歧管相通，軟管中部有一個電磁閥控制管路的通斷。當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，如果電磁閥開啟，則在進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入，經(jīng)過活性炭后再從蒸汽回收罐的出口進入軟管的發(fā)動機進氣歧管，把吸附在活性炭上的汽油分子（重新蒸發(fā)的）送入發(fā)動機燃燒，使之得到充分利用。
    進入進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根據(jù)發(fā)動機的水溫、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等運行參數(shù)，通過操縱控制電磁閥的開、閉來實現(xiàn)。
    OBD-Ⅱ在發(fā)動機運行過程中監(jiān)控活性炭罐電磁閥和其它相關聯(lián)的傳感器和執(zhí)行器的檢測。當燃油蒸汽系統(tǒng)工作時，一部分汽化的汽油將通過活性炭罐被送入到進氣歧管，無疑是加濃了混合氣。如果燃油箱燃油耗盡時，就會稀釋混合氣。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重要的檢測尺度來檢測燃油蒸汽控制裝置。當燃油蒸汽控制系統(tǒng)正常時，伴隨著活性炭罐電磁閥的開啟，混合氣會被加濃，氧傳感器的電壓就會上升；當燃油蒸汽控制系統(tǒng)不正常時，盡管活性炭罐電磁閥開啟，混合氣也不會被加濃，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，一些橡膠元件會老化，導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)進行泄漏診斷，見圖13。在這個系統(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)診斷空氣泵是一個執(zhí)行器，同時又是一個傳感器。作為執(zhí)行器時，它是一個空氣泵，用來產(chǎn)生氣體壓強；作為傳感器時，又是一個壓力傳感器，以檢測系統(tǒng)壓力降低情況。

    當系統(tǒng)處于診斷過程時，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)動機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)診斷空氣泵有三個接頭，其中最上端連接發(fā)動機節(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。真空開關通過得電將真空引入到膜片上腔，因此，膜片向上移動的動力源為發(fā)動機真空。膜片向下移動時，在真空開關失電后，膜片在彈簧作用下向下移動，產(chǎn)生氣體壓強，同時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行壓力平衡，空氣將由空氣濾清器通過連同管道到達膜片上腔，從而便于膜片向下移動，對系統(tǒng)進行加壓。當燃油蒸汽控制系統(tǒng)密封不良時，膜片下移距離很大，此時，安裝在系統(tǒng)診斷空氣泵上端的舌簧管接觸開關就會閉合，向發(fā)動機電腦發(fā)出反饋指令，發(fā)動機電腦發(fā)出指令便再次將膜片上拉和向下釋放、加壓。如此反復，發(fā)動機就可以根據(jù)膜片上下移動的頻率來確定系統(tǒng)是處于微小泄漏還是大量泄漏。如圖16a，頻率較小，發(fā)動機電腦根據(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)動機失火檢測系統(tǒng)
    當發(fā)動機點火系統(tǒng)發(fā)生損壞時，吸入缸內(nèi)的混合氣不能及時被點燃，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)動機運行過程中監(jiān)控發(fā)動機的失火率，每次檢測周期為1000轉(zhuǎn)曲軸轉(zhuǎn)數(shù)。HC超出正常的1.5倍時相當于發(fā)動機的失火率達2%。
    發(fā)動機失火會導致發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。根據(jù)這一特性，發(fā)動機電腦根據(jù)發(fā)動機的曲軸轉(zhuǎn)速傳感器來監(jiān)控發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)情況。發(fā)動機失火會改變曲軸的圓周旋轉(zhuǎn)速度。通常發(fā)動機轉(zhuǎn)動不是勻速的，每缸在做功時都有一個加速，不做功就沒有加速。四缸機每轉(zhuǎn)動720°應有4個加速。
    正常情況下，發(fā)動機壓縮、做功，先是減速后是加速，屬于正常現(xiàn)象。當發(fā)動機失火時，除了發(fā)動機壓縮期間轉(zhuǎn)速瞬時有所減緩外，由于發(fā)動機失火，缺乏做功時的加速，因此，發(fā)動機缺火時的轉(zhuǎn)速波動極大。發(fā)動機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)技術先進，對探測排放狀況十分有效。當發(fā)現(xiàn)故障報警燈點亮時，應立即將車送到維修站進行檢修。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）解決了這個問題。
    OBD Ⅲ的主要目的是使汽車的檢測、維護和管理合為一體，以滿足環(huán)境保護的要求。OBD-Ⅲ系統(tǒng)會分別進入發(fā)動機、變速器、ABS等系統(tǒng)ECU中去讀取故障碼和其它相關數(shù)據(jù)，并利用小型車載通訊系統(tǒng)，如GPS導航系統(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通告管理部門，管理部門根據(jù)該車輛排放問題的等級對其發(fā)出指令，包括去哪里維修的建議，解決排放問題的時限等，還可對超出時限的違規(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)者進行懲罰。