基于不同发动机控制系统的量产车辆评估测试（PVE）方法比对分析*

邹雄辉 王亚飞 耿培林 王力辉 刘 乐 李菁元

（中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300）

引言

随着我国机动车保有量的持续增长，机动车污染物排放量快速增加。通过加严机动车排放标准，可有效限制单车污染物排放量，降低对环境的污染。“史上最严的”轻型车国六排放标准[1]于2016 年12月23 日正式发布，2020 年7 月1 日在全国范围内实施。与轻型车国五排放标准[2]相比，轻型车国六排放标准（简称国六标准）的排放限值和测试方法全面加严[3]，同时对量产车提出了量产车辆评估测试（PVE）的要求。

基于国六标准，本文从冷却系统监测、氧传感器监测和综合部件监测的角度，分别列举了一个故障码，对比分析了不同发动机控制系统下故障诊断原理和故障植入方法的差异。

1 OBD 系统的PVE 测试要求

OBD 系统具有完善的标准化协议，但不同国家和地区采取的协议不同。欧洲的ISO 标准和美国的SAE 标准对于底层协议的要求在一定程度上是等效的，从而形成了全球统一的标准化OBD 系统。1988年，SAE 发布标准化的车载诊断协议；1991 年，CARB（加州空气资源委员会）发布了OBDⅠ标准；1994-1996 年，CARB 阶段性引入了OBDⅡ标准[4]，经过2002、2006、2012 年的不断修订，逐渐形成了现今广泛使用的OBDⅡ标准。国六标准中的OBD 相关要求均参照美国的OBDⅡ标准。欧洲从2000 年开始形成了自己的EOBD 标准体系[5]，经过多年的发展和完善，不断向美国的OBDⅡ标准靠近。

OBD 系统定义了未决、确认和永久故障码，形成了一套完整的故障监测条件、激活阈值、故障码生成、点亮MIL 灯、故障恢复的故障诊断机制。每一个部件和系统通过各自的诊断逻辑检查自身的功能是否正常。一旦发现故障发生，OBD 系统会经过一系列步骤直至点亮MIL 警示驾驶员。

量产车辆评估测试（PVE）是国六标准中OBD 认证新增的要求。PVE 测试包括3 个部分，分别是J1标准化验证、J2 监测要求验证、J3 在用监测性能验证。其中，J1 测试主要是验证车辆能够和扫描工具正常通讯以及OBD 系统满足SAE J1979-1997《E/E Diagnostic Test Modes》[6]的相关协议要求；J2 测试要求验证车辆的所有OBD 故障码，OBD 系统应能够监测到故障、点亮MIL 灯并存储相应的确认和永久故障码；J3 测试主要为在用监测性能追踪数据（IUPR）的收集。

国六标准要求生产企业在每年4 月1 日前提交年度PVE 测试计划，并在车型量产后3 个月内完成J1 的标准化验证，6 个月内完成J2 的基础要求验证，12 个月内完成在用监测性能的验证和报告。每一年度，生产企业的PVE 各项测试不应少于3 个车型。J1和J3 测试原则上应涵盖测试年度的所有新增OBD系族，当年生产的所有系族，测试组少于3 个时，可以少于3 个车型，但不能少于测试组数量。

2 故障测试对比分析

当前，国内主流的发动机控制系统由德尔福（Delphi）、联电（UAES）和博世（Bosch）3 家公司提供。本文基于发动机控制系统的差异，从冷却系统监测、氧传感器监测和综合部件监测的角度，分别列举一个故障码，对比分析3 种发动机控制系统下的故障诊断原理和故障植入方法。

2.1 发动机冷却系统监测

OBD 系统应监测发动机冷却液温度（ECT）传感器电路连续性、数值超范围和合理性故障。如果电路开路或者数值超出范围，OBD 系统应检测出故障。

表1 给出了3 种发动机控制系统下，P0116 故障码的描述及模拟方法对比。根据SAE J2012-2007《(R)Diagnostic Trouble Code Definitions》[7]给出的诊断故障码定义，P0116 为发动机冷却液温度传感器1电路范围和性能故障（engine coolant temperature sensor 1 circuit range/performance）。

表1 发动机冷却系统监测故障P0116 对比

由表1 可知，不同控制系统对故障的描述存在一定差异，但UAES 系统和Bosch 系统的描述相同，都是冷却液温度传感器信号不合理（粘滞）。ECT 传感器信号粘滞测试是检测ECT 传感器粘滞在一定范围内。在经过特定的驾驶工况后，ECT 应该有一定的变化，如果这段时间ECT 最大值和最小值的差小于标定阈值，报出故障码。诊断原理简图如图1 所示。

图1 UAES 系统和Bosch 系统P0116 故障诊断原理简图

Delphi 系统的故障描述是冷却液温度传感器信号钳制。在发动机工况变化较大时，监测冷却液温度传感器输出的变化幅度，如果变化幅度低于阈值，则检测到故障。诊断原理简图如图2 所示。

图2 Delphi 系统P0116 故障诊断原理简图

Delphi 系统的P0116 故障需要发动机在冷起动状态下诊断，UAES 系统和Bosch 系统没有这个要求。发动机控制系统不同，对同一个故障码的定义会产生差异，导致诊断策略不同。即使相同的发动机控制系统，发动机结构和零部件的差异会导致触发诊断的阈值发生变化，故障的植入方法将随之发生变化。

2.2 氧传感器监测

国六标准中，要求OBD 系统对前后氧传感器的输出电压、活性和响应速率等故障进行监测。对于加热型氧传感器，OBD 系统应对加热器性能进行监测。对于其他类型的传感器，也需要如氧传感器同样的要求进行监测。

表2 给出了3 种控制系统下发动机的P2195 故障码的描述及模拟方法。SAE J2012-2007 定义P2195 为氧传感器信号向稀偏移/粘滞故障（O2sensor signal biased/stuck lean）。

表2 发动机前氧传感器监测故障P2195 对比

UAES 系统的P2195 故障是前氧传感器沾滞偏稀故障，即前氧传感器信号持续偏低故障。前氧传感器信号电压值持续小于信号开路下限值，而此时后氧传感器显示混合气偏浓，且满足监测条件时系统检测出故障。UAES 系统的诊断原理简图如图3所示。

图3 UAES 系统P2195 故障诊断原理简图

Delphi 系统的P2195 故障是前氧传感器加速加浓时过稀故障。当车辆处于加速加浓时，由于尾气中氧含量较少，导致氧传感器电压较高，此时若氧传感器电压低于标定限值并维持一段时间，则报出该故障码。该故障的植入关键在于发动机必须工作在加速加浓工况。

Bosch 系统的P2195 故障是前氧传感器特性曲线向稀偏移。当前氧传感器信号的特性曲线（如图4所示）向稀偏移且超过标定限值时，检出该故障码。该故障进入诊断状态时，要求车辆水温正常，发动机稳定运行在理论空燃比附近。

图4 前氧传感器的信号与空燃比的关系曲线

发动机控制系统不同，各个系统对P2195 故障码的理解存在差异，形成不同的诊断原理和限值，导致故障的植入方法各自不同，需要根据各自的触发条件有针对性植入。

2.3 综合部件监测

OBD 系统应监测所有电子动力系统部件因产生故障导致排放超过OBD 阈值或者该部件属于其他监测部件/系统诊断策略的一部分，该部件/系统直接或间接地向车载电脑或智能装置提供输入或者接收其指令[1]。

需要监测的输入部件应包括(但不局限于）车速传感器、曲轴转角传感器、爆震传感器、节气门位置传感器、凸轮轴位置传感器、向动力控制系统或其他执行器提供信号的传感器和模块等。

需要监测的输出部件/系统应包括（不局限于）怠速控制系统、可变歧管系统、机械增压或者废气涡轮增压的电子部件、催化器加热时使用的旁通阀、自动变速箱电磁阀或者控制系统等。

表3 给出了3 种控制系统下车辆油箱压力传感器故障码P0451 的故障描述和模拟方法。SAE J2012-2007 定义P0451 为蒸发排放系统压力传感器测试范围/性能故障（evaporative emission system pressure sensor/switch range/performance）。

表3 综合部件监测故障P0451 对比

UAES 系统和Bosch 系统的P0451 故障码都包含3 个故障失效模式：

1）油箱压力传感器信号偏移故障；

2）油箱压力传感器信号增量（粘滞）故障；

3）油箱压力传感器信号振荡故障。

对于油箱压力传感器信号振荡故障，UAES 系统是通过检查在所分配的评价时间内测量油箱压力信号的振荡振幅。正常情况下，压力信号波动应该在标定阈值以下。如果压力信号噪声过大，在标定的评价时间内，信号波动未能低于标定阈值，持续一段标定时间，则报出P0451 故障码。监测原理如图5 所示。

图5 某车型UAES 系统油箱压力传感器信号振荡合理性故障原理简图

Bosch 系统的油箱压力传感器信号振荡合理性故障的诊断原理和UAES 系统类似，故障植入方法一样。

Delphi 系统的P0451 故障是油箱压力传感器信号卡滞故障。在燃油蒸发诊断测试期间，抽真空阶段，油箱压力会有显著变化。如果油箱内压力的变化小于标定限值且持续一段时间，就检出该故障。故而，Delphi 系统的故障植入方法与UAES 系统、Bosch系统差异大。

Delphi 系统的油箱压力传感器信号振荡故障码是P0454。在燃油蒸发诊断测试期间，如果油箱压力信号在给定时间内的变化超出标定限值，则检出该故障。该故障可通过植入固定频率的三角波来模拟。

3 结论

对于车辆的同一个故障码，SAE J2012-2007 定义了故障含义和失效范围。在实际使用过程中，同一个故障码分成了多个故障失效模式，发动机控制系统生产厂家可根据自身或者采购商的需求定义。

本文从轻型车国六排放标准中PVE 测试的要求出发，从点燃式发动机的冷却系统监测、氧传感器监测和综合部件监测的大类中分别列举了一个故障码，对比分析了3 种发动机控制系统对故障的描述和故障植入方法。结论如下：

1）发动机控制系统不同，相同故障码的失效模式存在差异，导致故障植入方法不同。

2）UAES 系统和Bosch 系统的部分故障码诊断原理有相似之处，故障植入方法可以相互借鉴。

3）Delphi 系统大部分故障的诊断原理与UAES系统、Bosch 系统差异较大，故障植入方式取决于故障失效模式。