摩托车欧Ⅴ法规OBD系统的技术要求分析

仲伟军 王 青 石 伟 窦金泉 邱鹏旭

（1-天津大学内燃机研究所 天津 300072 2-国家摩托车质量监督检验中心（天津））

引言

OBD 系统（on-board diagnostic system）是车载诊断系统的简称，OBD 系统能够通过计算机存储器中存储的故障代码识别出车辆发生故障的区域。

目前，在轻型车辆上已普遍安装了OBD 系统。当车辆的动力系统或排放控制系统出现故障，有可能导致排气污染物排放量超过OBD 阈值，或故障危及到车辆行驶安全时，故障灯会激活报警，提醒驾驶员。OBD 系统能控制和降低排放，降低维修成本，方便车辆故障的诊断和维修。

1 摩托车OBD 系统现状

摩托车OBD 系统类似于汽车OBD 系统。在美国，因为摩托车保有量相对较少，截至现在，管理机构尚未要求摩托车安装OBD 系统。欧洲自2000 年1月1 日起，对于所有在欧盟成员国内上市销售的新型摩托车，推荐安装欧洲车载诊断系统（EOBD），并没有强制要求[1]。但2013 年发布的（EU）No 168/2013法规，要求自2016 年1 月1 日起，摩托车上必须安装OBD 系统，并在（EU）No 134/2014 和（EU）No 44/2014 法规中规定了OBD 系统的测试程序、阈值、功能以及标准化要求等[2]。中国自2018 年7 月1 日开始执行摩托车国四排放标准，强制要求摩托车安装OBD 系统[3]。考虑到中国国内摩托车行业的实际情况，OBD 系统的技术内容仅要求监测电路的连续性，即电路的连通情况。自2020 年1 月1 日起，欧洲法规进入第五阶段，新法规对摩托车OBD 系统提出了新的要求。摩托车除了需要装配OBDⅠ的内容，还需要装配OBDⅡ的内容，包括失火监测、催化转化器劣化监测、氧传感器劣化监测、IUPR（在用监测频率）等监测项目。另外，摩托车还需进行Ⅷ型试验，对应的OBD 阈值水平也更为严格。

2 欧Ⅴ法规摩托车OBD 要求

2.1 欧Ⅴ法规OBD 执行时间

在（EU）No 168/2013 法规中，规定了摩托车欧Ⅴ法规OBD 系统要求执行的时间，如表1 所示[4]。即从2020 年1 月1 日起，新认证车型需要满足欧Ⅴ法规要求。

2.2 一般要求

在欧Ⅴ法规中，摩托车除了要满足OBDⅠ的技术要求外，还要满足OBDⅡ的技术要求，（EU）No 134/2014 和（EU）No 44/2014 法规中做了详细的描述。OBDⅠ和OBDⅡ属于OBD 系统的2 个不同阶段，涉及不同的技术要求[2]。OBDⅡ的内容是欧Ⅴ法规相比于欧Ⅳ法规新增的要求。欧Ⅴ法规中，OBDⅠ的内容不变，主要要求如下：

表1 欧Ⅴ法规OBD 执行时间

1）故障指示器（MI）的符号、激活和熄灭；

2）故障码和冻结帧的存储和清除；

3）诊断信号的标准化要求；

4）OBD 系统应监测任何与排放或功能性安全有关，且与电控单元相连接的动力总成的电气/电子线路连通状态。

对于OBDⅡ，增加了除电路连续性诊断之外的监测项目。OBDⅡ能够对发动机的状态进行更全面的监测，做到更及时地发现发动机故障。OBDⅡ的监测内容包括：

1）电路合理性监测。OBD 系统需要监测信号范围、传感器性能、信号阻滞等电路合理性的问题；

2）催化转化器劣化监测。应监测NMHC 和NOx污染物来判断催化转化器的效率下降；

3）发动机失火监测。在法规要求的失火监测区域内，OBD 系统应按照制造商申报的失火率监测失火的发生；

4）氧传感器劣化监测。用于监测催化转化器故障的所有氧传感器的劣化情况均应被监测；

5）在用监测频率IUPR。IUPR 是指某一特定监测在车辆运行时的诊断频率，旨在确保OBD 监测在车辆实际运行中足以频繁地工作。

2.3 Ⅷ型试验和欧Ⅴ法规OBD 阈值

Ⅷ型试验是车载诊断系统（OBD 系统）环保性能试验，该试验通过模拟发动机管理系统或排放控制系统中有关系统或部件的故障，检查安装在摩托车上的OBD 系统功能。在进行Ⅷ型试验时，排气污染物所要满足的限值即为OBD 阈值，欧Ⅴ法规OBD阈值如表2 所示[4]。与欧Ⅳ法规OBD 阈值相比，欧Ⅴ法规OBD 阈值更为严格。

3 欧Ⅴ法规OBD 系统要求研究分析

在OBDⅡ的要求中，包括失火监测、催化转化器劣化监测、氧传感器劣化监测等要求，由于这些监测项目在技术难度和成本上都有一定程度的增加，引起摩托车制造商广泛关注。本文对这些监测项目现有技术手段以及应用于摩托车的可行性进行分析。

3.1 失火监测

失火监测是OBDⅡ监测功能中重要的组成部分。失火是指由于点火、燃油计量、压缩不良或其他原因导致发动机气缸内混合气燃烧不充分或不能燃烧的现象。失火时，燃烧过程产生的热量降低；完全失火时，失火气缸不会产生任何热量。失火会导致曲轴转速下降，图1 表示摩托车发动机气缸内发生失火现象时曲轴转速的变化。失火时，燃料中的碳氢化合物没有燃烧即从气缸排出。

造成失火的原因有很多，最常见的原因是电控系统出现错误导致火花塞产生的火花太弱甚至不产生火花，电池电量低、点火线圈故障、火花塞积碳或老化、线路短路等都是常见原因。供油系统故障是另一个常见的原因，包括氧传感器故障引起的燃料计量错误、喷油器堵塞、喷油压力过低等原因。

摩托车一般装配有催化转化器，失火可能会对催化转化器造成损毁。发生失火时，排气中未完全燃烧的碳氢化合物在催化转化器中被氧化为一氧化碳。该过程会导致催化转化器的温度快速上升，严重时会导致催化剂涂层发生降解，从而导致催化转化器的性能急剧下降。

因此，监测失火现象可以保护发动机本身和后处理装置，避免不必要的碳氢化合物和一氧化碳排放。虽然失火监测只指示一种或多种故障的外在表现，而不指示问题的根源，但失火监测仍有利于发动机故障的查找和排除。

目前，已提出了几种用于发动机的失火监测技术，主要有：曲轴转速波动法、离子电流法、气缸压力测量法、氧传感器信号法。对这几种监测技术的评估见表3。

在这几种监测技术中，技术储备程度已达到可供商业车辆使用的是曲轴转速波动法和离子电流法，但现阶段它们都不能对完整的发动机工况范围提供可靠的失火监测。在低速工况下，由于摩托车发动机固有惯性低和变速器振动，曲轴转速波动法的应用受到限制；在高速工况下，由于发动机的惯性对失火影响的缓冲，曲轴转速波动法应用受到限制，且点火电路通电时间变短，使得离子电流法应用受限。在当前技术存在局限的情况下，一种可能的解决方案是将失火监测区域限制在能实现可靠监测的发动机工况范围内。缩小监测范围，一定程度上可以提高失火监测技术的可行性。但是，当缩小监测范围时，无法掌控监测范围外的发动机状态，所以应尽量在技术允许的情况下选择较大的监测范围。

表3 常见失火监测技术

从以上分析可知，为了让上述技术能够可靠地监测失火现象，需要限制失火监测区域的低转速、小负荷和高转速工况。2018 年，欧盟发布的修订法规（EU）2018/295，对欧Ⅴ法规进行了修订，其中就包括对失火监测区域的修改[5]。

修订法规（EU）2019/129 中最新的失火监测区域如图2 所示。

图2 最新失火监测区域

发动机运转时的失火监测区域由下列边界条件确定：

1）转速的下边界。最低转速取2 500 r/min 和（怠速转速+1 000 r/min）两者的低值；

2）转速的上边界。最高转速取8 000 r/min、在Ⅰ型试验测试循环中出现的最高转速+1 000 r/min、发动机最高设计转速-500 r/min 中最低值；

3）发动机下述运转工况的线性连线。1）中最低转速线上发动机进气管真空度比转矩线低3.3 kPa的工况与2）中最高转速线上发动机进气管真空度比转矩线低13.33 kPa 的工况。

相对于（EU）No 44/2014 法规规定的监测区域，新的失火监测区域变小了。从图2 中可以看出，新的失火监测区域有一个低转速限值。因为发动机在低速时，失火监测受惯性影响导致错误率上升。还有一个高转速限值，确保能尽量涵盖大多数车辆的工况范围。最后，还有低负荷限值，不难看出，该限值是在尽可能覆盖WMTC 循环工况范围和避免错误监测故障情况两者之间权衡的结果。

3.2 催化转化器和氧传感器劣化监测

催化转化器和氧传感器劣化监测是OBDⅡ监测功能又一个重要的组成部分。

对于电喷系统来说，闭环控制能够将排气中的污染物控制在较低水平。而氧传感器是实现闭环控制的关键部件，氧传感器信号作为闭环控制的反馈信号，准确与否直接影响到闭环控制效果。对氧传感器劣化的监测可以视为对催化转化器监测的一个组成部分。而从技术角度而言，氧传感器劣化的监测不是一个很大的挑战。因此，将对催化转换器和氧传感器的监测作为一个整体进行研究。

关于催化转化器的监测，OBD 系统此时的主要目的是监测催化过程中的故障。这里的故障主要指排放物中至少一种污染物（CO、NMHC 或NOx）超过规定的阈值。

催化转化器对污染物的转化效率一般随使用时间增加而下降，效率下降主要是因为两种因素的影响：中毒和热疲劳。中毒是指杂质在催化剂表面沉积或吸附，使得催化剂活性降低。造成催化器中毒的物质主要来源于润滑油和燃油，其中所含的磷、铅等物质沉积或吸附在催化器表面，阻碍催化转化过程。热疲劳是由于高温造成催化剂涂层活性表面结构改变的现象。热疲劳破坏了三元催化转化器的热化学反应结构，使催化转化反应不能正常进行。

在轻型汽车上，目前最为普遍的催化转化效率监测方法是采用前氧传感器和后氧传感器信号。双氧传感器相对催化转化器一前一后布置，根据2 个氧传感器的信号来监测催化转化器的转化效率。因为轻型汽车上普遍使用这种监控方式，所以该领域已经得到数十年的充分研究。

根据调研发现，摩托车因其特殊结构和布置形式，在采用双氧传感器方法时，存在2 个问题需要解决：

1）摩托车运行时排气管中的回流现象。造成该现象的原因是消声器中排气脉动引起压力变化，空气回流使排气管中氧气浓度上升，导致后氧传感器信号失真。空气回流在所有型式的车辆排气系统中都可能发生，并非摩托车独有。对于轻型汽车，催化转化器和氧传感器的安装位置离排气歧管很近，远离排气出口，因此不受回流的影响。但对于摩托车，催化转化器一般位于排气管的末端，空气回流对后氧传感器信号的影响很大；

2）安装限制。对于汽车而言，催化转化器一般安装在汽车底部，发动机紧密相连，并受到良好的保护。尽管如此，还是存在几种氧传感器故障，包括电缆熔化、插头熔化，电缆磨损或破损，电缆密封性下降等。在摩托车上，安装在消声器中的氧传感器暴露性更高，更容易受到这些因素的损害。大部分氧传感器常见的问题是在维修后轮和传动装置时顺排气方向牵拉电缆便于观察而导致氧传感器电缆破损。因此，对于摩托车，在安装排气管上的氧传感器时，要考虑对传感器和布线的保护以及在车辆使用和维修过程中造成的无意识损害。对于布置较为紧凑的摩托车，可能需要重新考虑摩托车的结构，为安装氧传感器获取更多空间。

为解决以上问题，可以把催化转化器的位置向靠近发动机的方向移动，或者将氧传感器转化为消声器的一部分。前者需要对动力总成和排气系统进行重新设计，后者需要能抵抗高温的特制氧传感器以及一个将信息传出消声器的特殊信息传输装置。目前，2 种方法都存在一定的技术难度。根据目前摩托车行业现状，解决这些问题需要一定时间的技术改进，投入更多的研究来合理布置催化转化器监测中的后氧传感器。在修订法规（EU）2019/129 中，将催化转化器监测推迟至2024 年1 月1 日开始执行，为制造商进行技术研发留出了时间[6]。

4 结束语

1）欧Ⅴ法规OBD 系统包含OBDⅡ的要求，修订法规对失火监测区域和催化转化器监测执行时间进行了修订，以适应当前的摩托车OBD 技术现状。相对于OBDⅠ，实现OBDⅡ的技术成本更高，难度更大，摩托车出口企业需要投入更多的研发成本和资源。

2）欧Ⅴ法规OBD 系统在缩小失火监测区域后，当前的技术能够实现摩托车OBD 系统的失火监控，为尽早引入失火监测提供了可行性。催化转化器监测由于当前技术水平的限制，仍不具备实施的条件，因此留出了技术改进的时间。

3）目前，摩托车国四排放标准OBD 系统的要求基本等同于OBDⅠ的要求，技术内容较为简单，下一阶段的OBD 要求可能会借鉴欧Ⅴ法规的要求。研究分析欧Ⅴ法规OBD 系统有助于了解目前OBD 系统的最新进展，掌握当前世界主流摩托车OBD 系统的走向。