EVAP系统PVE检证方法的研究及应用

聂爽 罗伟填 何伟 梁仲彬 陈治平 吴建帆

摘 要：PVE测试是国VI法规中新增的主要项目之一，也是国内首次开展量产车的评估测试，其中PVE J2的测试项目是各大企业、研究机构所面临的最大难题。文章根据现有经验，对OBD系统及PVE测试做出了全面性介绍，同时对EVAP系统进行了针对性研究，阐述了国VI标准下该系统的技术更新和工作机制，通过对双PCS阀门故障模拟的分析和说明，具体化了EVAP系统故障码模拟的思路和方法，对PVE测试项目的推进起到了重要的作用和意义。

关键词：OBD;PVE测试;EVAP系统;故障模拟

Abstract： PVE testing is one of the major new items in the China VI regulations， which is also the first evaluation test of a production car in China. The PVE J2 test project is the biggest problem faced by major companies and research institutions. Based on the previous data， this article is going to make a comprehensive introduction to the OBD system and PVE test， in the meantime， conduct the targeted research on the EVP system， demonstrating the technical update and working mechanism of the system under the China VI standard. Through the analysis about the fault simulation of the double PCS valve， the EVAP system fault code will be materialized， which plays an important role and significance in advancing the PVE test project.

Keywords： OBD; PVE testing; EVAP system; Fault code simulation

前言

隨着我国经济的不断快速发展，机动车数量不断增多，促使我国的环境污染问题日趋严重，所以在环境保护方面，国家法规要求也越来越严格。因此，于2016年12月23日，国家针对排放问题颁布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》的最严新规。

相对于国V来说，国VI将NEDC工况更改为WLTC工况，降低了蒸发污染物的排放限值并且增加了加油污染物排放限值的相关要求[1];同时OBD（On-aboard Diagnostics，车载诊断系统）结合了欧VI和美国LEV III的特点，在排放污染物限值和监测方面作出了相应的变化[2]，其中就包括针对汽车燃油蒸发系统（Evaporative Emissions System，EVAP）诊断问题的相关要求。为了保障油箱及各管路泄漏问题的及时发现，避免燃油蒸汽的泄漏对大气的污染，国VI要求OBD系统应同时检测EVAP系统的脱附流量和整个系统的完整性，在发现问题时及时反馈，点亮MIL（Malfunction Indicator Light，故障指示器）。

针对EVAP系统，国内外学者对其做了大量的研究及改善。林玉彪结合密闭系统和泄漏系统的相关案例，进一步分析了EVAP系统泄漏诊断逻辑及DMTL工作过程的原理[3]。何彦彬等通过更改油箱、碳罐结构，调配碳粉组合，调整阀门材质，有效地控制了燃油系统的HC化合物的蒸发从而满足了国VI中对整车THC排放的限值要求[4]。袁卫通过改进和优化整车燃油系统的材料及设计、发动机的标定，降低了EVAP系统蒸发和加油污染物的排放，同时降低了碳罐的溢出排放，达到了更加优化的排放水平[1]。Yang等研究表明，通过对车载传感器中包含的各类信息进行监督分类统计，可有效增强对整车初期EVAP小泄漏的诊断，并且只要有车辆数据更新，该分类统计模型算法就运用于不同整车模型[5]。但随着国VI新法规的颁布，OBD生产一致性成了最新的热点和难点，由于对OBD控制原理、策略的认知匮乏，使得各大生产企业在进行J2 PVE（Production Vehicle Evaluation，量产车评估）检证工作过程中遇到重重难题，特别是针对单个系统的具体PVE检证方法的研究。

本文将从EVAP系统的PVE检证工作进行展开，阐述其工作原理及新、旧法规标准下对应的变化点，同时对主要的故障代码进行分析，研究其故障诊断机制得到相应的故障模拟方法，形成一套可跨车系的PVE检证思路及方法。

1 OBD系统

车载在线诊断（On-Board Diagnostics，OBD）系统是一种为诊断汽车或发动机故障的一种在线检测系统，用于排放控制系统检测。OBD系统按照特定的监测机制监测排放相关的各个传感器及相应部件的工作状况，当检测到排放超过限值的情况时，对比系统已有的标准值做出故障诊断，当出现排放故障时，ECU将储存相应的故障代码（Diagnostic Trouble Code，DTC），并点亮MIL向驾驶员发出警告[2]。

国VI法规规定OBD的生产一致性检查和试验须按照附件JA.7来执行，JA.7中规定了生产一致性的量产车辆评估（PVE）测试，其作为生产车辆OBD系统生产一致性自我检查的重要组成部分，在车辆正式量产之后，企业需提交PVE测试计划和报告，并接受监督检查。PVE测试包括三个方面：标准化验证（J1）、监测要求验证（J2）和在用监测性能的验证和报告（J3）[6]。其中工作量最大、最为复杂的当属J2试验，国VI标准要求，在量产后六个月内，生产企业必须按照OBD系族划分，抽查相应的车辆进行OBD系统的全面评估，即利用故障模拟再现J2试验中所包含的所有故障代码，使OBD系统检测到故障、点亮MIL并储存确认和永久故障代码。OBD系统根据不同故障代码的监测参数和对应阈值来判断整车是否存在故障，从而报出相应故障代码。在OBD监测的各大系统中，根据故障监测阈值条件的不同，其故障再现的难易程度也不尽相同。一些故障码的再现只需要判断电路的通断即可;另外一些相对复杂的系统，如EVAP系统、EGR系统及氧传感器等，OBD系统必须判断其对应系统部件的老化或故障程度是否导致排放值超过系统设定阈值，进而使得再现的困难程度进一步提升[7]。

2 PVE测试

在国VI法规要求汽车生产企业所对应的国VI车型在量产3个月内、6个月内和12个月内分别完成标准化验证（J1）、监测要求验证（J2）和在用性能验证（J3）对应的PVE测试，并将相应的测试结果按照要求上传到国环部官网，其具体流程如图1所示。进行PVE测试时，国VI法规要求企业国VI车型须根据附件JB（表1）的要求进行OBD系族分类，之后再根据系族的优先度关系选择该年度的PVE测试车辆，每年至少需要完成3个系族的PVE测试，具体选择原则如表2所示。

J2测试作为PVE测试中工作量最大，技术要求最高的项目，其主要工作内容是根据车辆OBD故障码的产生机理，结合其触发条件和故障阈值，通过专用设备及老化零件设计故障模拟试验，再现OBD系统所有故障代码，从而验证车型开发与量产阶段的一致性。而如何设计故障模拟方法是PVE测试中的重难点问题之一。

PVE测试中故障模拟的主要设计思路如下：

a）分析故障码的原理，获取检知条件和故障阈值，分析检知条件和阈值的达成方法。

b）根据步骤a）中分析得到的故障检知条件和阈值达成方法，设计对应故障码的再现试验方案。

c）利用專用设备及老化零件连接试验车辆，按照步骤b）中的试验方案进行人为再现对应故障代码。

3 EVAP系统的PVE检证试验

3.1 EVAP系统

EVAP系统主要由EVAP炭罐、碳罐净化阀、蒸汽分离阀、泄露检查单元、油箱盖和管路等组成，在防止燃油蒸气（HC）泄漏排放的同时，由于产生的热量及燃油蒸气使得油箱压力增加，促使燃油蒸气被回收到EVAP碳罐中;EVAP将收集的燃油蒸气适时地送入进气歧管中让其与新鲜空气混合进入发动机燃烧，使得燃油得到充分利用。

为满足国VI更严的排放要求，在原有发动机技术和性能指标不变的前提下，通过在后处理方式的新技术应用，实现了排放标准的升级，国V、国VI燃油系统的设计差异如图2、3所示。

其主要技术更新包括：

1）碳罐的技术更新

a）扩大了碳罐的容量，使其更好地吸收排出的蒸汽，如图4所示;

b）对活性炭的规格做出了部分调整，如表3所示;

c）增加了碳罐过滤器，可以在油气进入碳罐前对其进行过滤;

d）增加了蒸发泄漏感应系统，通过感应油压变化来检测是否存在泄漏，并对驾驶员发出相应的警示信息。该系统主要零件包括：PELCM（Pressure Evapo Leak Check Moudle，绝对压力传感器）、CCV（Conversion Control valve，转换阀）、Ref节流孔、叶片泵。其压力变化检测原理如图5所示，通过对比系统内的压力变化，来判定是否存在泄漏。

2）燃料箱的技术更新

颈部软管材料由原来的FKM氟橡胶材料改为带PVDF的氟橡胶材料，有效地降低了HC的透过量。

3）燃油泵的技术更新

垫片材料由PE更改为POM材料，从而增加了燃料的通过性能，并追加垫圈来降低HC透过量。

4）供油管路的技术更新

a）追加止回阀，供油时控制油箱内蒸汽的循环量;

b）国五车型的供油口处连通外部空气，而国六车型由于碳罐体积增大，供油系统中压力损失增加，油箱内压上升，导致供油时汽油无法进入燃料箱中。为了降低其压力损失，确保供油的稳定性，可通过降低供油管路能源流入的损耗，或者提升供油时流入的能源来对应。其具体方法是通过调整燃油管的形状和长度，使油箱更加靠近供油口来达到系统要求。

5）燃油加注口塞的技术更新

垫圈和阀门使用的材料由NBR更改为FKM氟橡胶材料，降低了HC的透过量。

6）触媒及催化剂

调整了催化器中贵金属的含量，如表4所示。

3.2 EVAP系统的PVE测试试验

3.2.1 EVAP系统启动机制

EVAP系统作为发动机15大系统中最复杂的监测系统之一，研究其工作原理对于开展相应的PVE测试试验具有极其重要的意义。通过对本司车型该系统的多次试验探索，现总结如下四个方面：

a）EVAP系统的启动必须满足以下条件：车辆油箱油量小于80 %且第一水温传感器温度小于35℃;发动机启动后怠速持续时间需大于30 s，车辆跑行过程中车速需大于40 km/h且跑行时间大于300 s，整个过程中发动机的累计启动时间需大于600 s，并且不存在熄火现象。完成上述操作后浸车5 h（浸车过程中不能IG ON，不能打开油箱盖）。

b）EVAP系统启动后，需经过四个监测阶段，分别为大气压力燃油箱内部压力测量、真空泵预热参考压力测量、系统减压测量和参考压力重新测量，如图6所示。

整个监测过程共耗时1125 s且仅启动一次，所以在进行EVAP系统的PVE检证试验时，需在1125 s内完成相应试验。若在该时间段内无法模拟所需故障或出现其他无关故障码，需重复a）中所述的启动条件重新启动EVAP系统，再进行相关试验测试。

c）EVAP系统启动期间，系统会在上述四个监测阶段分别进行不同的故障检测，如图7所示。因此在进行相关的故障模拟时，需在对应故障检知的时间点植入相应故障。若植入过早，系统会检测到无关故障码;植入太晚，系统将无法检测到对应故障码。

d）故障的植入除了需要精确的时间点外，还需要精确的输入信号。由于EVAP系统主要是通过传感器气压的变化来实现对系统的监控，所以在试验时必须明确电压与气压间的关系以实现试验气压对应电压值的精确选择。表5为某车企车型电压、气压的采集数据及对应的线性方程，其中P为气压值，U为电压值。

综上分析，在进行EVAP系统相关的PVE检证试验时，必须严格按照其启动过程机理进行故障植入，这样才能保障故障模拟的成功率及效率。

3.2.2 双PCS阀门的PVE测试

PCS阀门是EVAP系统中的重要组成部件。通过PCS阀门的开闭可以调节燃油蒸汽的分布以达到经济燃烧的效果。根据车型的不同，其配备的PCS阀门数量也不尽相同。目前所接触车型的PCS阀门配置有两种类型，即单PCS阀门和双PCS阀门，其中最具代表性的为双PCS阀门。

双PCS阀门为并列分布结构，每个PCS阀门可以单独控制总管内部的压力变化，如图8所示。由于EVAP系统无法辨别总管内的压力变化受到哪个PCS阀门的影响，所以两个PCS阀门的相互干扰导致在测试过程中难以控制故障模拟的走向。

因此，如何避免PCS阀门间的相互干扰成为该PVE测试能否成功的关键因素。通过对该系统工作原理的研究，明确了每个PCS阀门的检知条件和检知顺序，如表6所示，根据其检知条件和顺序来选取每个PCS阀门的测试时机。根据大量的试验数据，确定了系统内气压值与压力传感器电压之间的关系，如表7所示。通过适时调整压力传感器电压的数值来达到故障阈值要求，从而触发故障。

综上分析，利用CAN通讯检测工具，如EMX2、Canalyzer、GL1000等，来监控PCS流量情况以及各个PCS检知情况，在适当时机调整压力传感器电压，以达到故障阈值，实现故障模拟，其具体流程如图9所示。

3.3 PVE测试过程中的注意事项

PVE测试是一项工作量大，技术要求非常高的工作。每台车的测试时间一般预计需要5个月完成。测试过程中需要对车辆的多个控制系统进行拆解，如EVAP系统、PCV系统、VVT系统及GPF系统等;混动车型还会涉及到高电压部分的拆解，如PCU单元和BCM单元。同时在模拟过程中也会对各大控制单元输入各种信号，如电压、电流、电阻等，由于信号取值对车辆可能造成损伤，因此，基于现有的试验经验，提出以下四点注意事项：

a）短路测试时需谨慎操作，避免烧毁保险丝或车辆部件，如PCM储备器电源、PCU电源等。

b）变速箱测试时使用额定电流大于5 A的電阻，避免因试验电流过高烧毁电阻，或者因电阻过热引发火灾或人员烫伤

c）传感器输入高电压测试时，电压尽量不超过7 V，避免烧坏相关传感器，如ECT（有特殊电压要求的除外）。

d）开展混动车型PVE检证试验的人员需具备国家认可的低压电工证，具备一定的低压作业知识，穿戴绝缘手套和绝缘鞋，避免触电。

4 总结

1）PVE测试主要是根据OBD故障码的产生机理，结合故障触发条件及阈值，通过外部作用重现发动机系统所有的故障码，从而验证车型开发与量产阶段的一致性。

2）国VI标准下的EVAP系统主要包括碳罐、燃料箱、燃油泵、供油管路、燃油加注口塞、触媒及催化剂等方面的技术更新。

3）在进行EVAP系统相关的PVE检证试验时，必须严格按照其启动过程机理进行故障植入，保障EVAP系统故障模拟的成功率及效率。

4）双PCS阀门的PVE测试过程中，需明确每个PCS阀门的检知条件和检知顺序以避免PCS阀门间的相互干扰，根据实验数据，适时调整压力传感器电压的数值以达到故障阈值要求，从而触发故障。

5）PVE测试过程中需充分考虑试验条件和危险因素，避免对人员及车辆造成不必要的损伤。

参考文献

[1] 袁卫.国Ⅵ整体控制系统的蒸发和加油排放研究[J].上海汽车， 2019（11）： 44-48.

[2] 帅石金，刘洋，张云龙.轻型汽油车国六后处理OBD系统研发现状[J].汽车文摘，2019（07）：1-9.

[3] 杜玉彪.国六燃油蒸发系统泄漏诊断模块介绍及测试[J].汽车实用技术，2019（24）：61-64.

[4] 何彦彬，李长江，刘卫.基于国Ⅵ法规的燃油系统蒸发控制[J].汽车工程师2017（02）：56-58.

[5] R.Yang，G. Busch，G.Rizzoni.Leak Diagnosis in the Evaporative Emissions Control System Using Statistical Methods[J]. IFAC- Papers OnLine， 2019， 52（5）： 510-515.

[6] 环境保护部，国家质量监督检验检疫总局，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].北京：中国环境出版社，2016.

[7] 王力辉，刘乐，凌健.基于OBD系统的量产车评估（PVE）测试方法研究.小型内燃机与车辆技术， 2019， 48（05）：49-55.