汽油机车载诊断OBD技术及催化器监控开发试验研究

汽油机车载诊断（OBD）技术及催化器监控开发试验研究

姓名：陈领平申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：杨林;虞金霞

20071101

上海交通大学 学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：陈领平

日期： 年 月 日

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学位论文作者签名：陈领平 指导教师签名：杨林

日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

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汽油机车载诊断（OBD）技术 及催化器监控开发试验研究

摘 要

随着经济的发展，人们生活水平的日益提高，汽车保有量的不断增多，汽车的尾气排放也日益成为大气污染的主要污染源，环境也随之不断恶化。目前，在整个大气污染中，汽车尾气排放的“贡献”过半，由此可见汽车尾气排放污染的严重性。在汽车的尾气排放中，那些排放超标车尤其会对环境造成巨大影响。为了有效控制尾气排放，各国纷纷出台了来车辆的尾气排放，其中之一就是当车辆老化到一定程度导致尾气排放达到一定限值后，车载诊断系统要报告车主故障以做出合适处理，这个诊断系统就是尾气排放车载故障诊断（OBD）系统。

本文结合汽车公司的实际开发项目，主要进行新车的车载诊断（OBD）系统的开发研究，主要内容如下：

1）将OBD系统诊断按照功能模块或零部件系统分类，研究各模块或零部件系统在车辆尾气排放控制中起的作用，分析其失效模式及对车辆尾气排放影响；

2）建立各功能模块和零部件的失效模式的监控指标及诊断策略，达到车辆在线监控这些影响尾气排放的零部件及系统；

3）进行催化器失效监控开发的试验研究，设计了诊断程序

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逻辑，开展了催化器失效监控开发试验、监控逻辑数据设置、试验数据分析，通过了催化器失效监控系统的耐久性试验和国家OBD耐久及演示试验，完成了车辆催化器失效监控模块的最终数据发布。

该研究车型已于2006年作为我国第一批自主开发的带有OBD功能的车型顺利通过国家认证试验，并进行批量产品生产，证明了本课题研究的具体实用价值。

本文研究的内容作为国内最新兴的应用型课题，在实际的开发过程中，在借鉴吸收国外先进技术经验的同时，也摸索出了大量宝贵的试验方法及过程，发现了许多技术的不足，为今后类似项目的开发提供了宝贵经验，可有效缩短项目的开发时间，改进监控策略，对相关技术提出新的要求，延长车辆零部件及系统的使用寿命，降低能源消耗和环境污染。

关键词：车载诊断，催化器，氧传感器，失火，燃油系统，发动

机，氧存储量

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RESEARCH OF ON-BOARD-DIAGNOSTIC SYSTEM AND DEVELOPMENT TEST OF CATALYST CONVERTER MONITOR ON GASOLINE VEHICLE

ABSTRACT

With the development of society and economy, more and more people can afford one car. While we enjoying the convenience of the car, the emission from the cars becomes the major source of the air pollution. Currently, because of the huge number of the using car, more than half of the pollution of the air is come from the vehicle emissions, especially come from the aged cars, in which the emission control parts were aged and can’t control the emissions efficiently. In order to reduce the emission pollution, many regulations were issued out by the State, and one of them is the OBD(On-Board-Diagnostic) System. This regulations need the car be equipped with a on-board-diagnostic system, which can monitor the emission related part or system on line, and if the part or system aged or out of work which can cause the emission higher than the state regulation limits the system should report a correspond failure and light the MIL.

The OBD regulation had been excuted in 2006 in China, and this project had developed a system for a new car to meet the State requirements.

In this paper we studied the OBD regulation requirements from the detailed module which affects the vehicle emissions, and had finished the following works:

1).Analysis how those module function on the emission control, and how can those modules become out of work, and what would happen on emission if

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they were out of work or worked abnormally.

2).Find out some special characters of the module and build the strategy to monitor them if they are functioning normally or not. By those ways we can let the OBD system to monitor the vehicle emissions on line in the end.

3).In this paper, we also select the catalyst converter monitor module for development testing and research. First we designed a test to got the monitor character value, and design the logic to do the test. Secondly, we had done the development test on catalyst converter monitor, analyzed the test data and set the final logic data for monitoring the catalyst converter. Thirdly, we had finished the OBD durability test and State Demo test. In the end we released the product control file for catalyst converter monitor module. This car module had been produced as a mass production in 2006 in China as one type of vehicle with OBD system which was the first generation car equipped with OBD system developed in China.

In the other hand, this project was the newest application one in China. We had learned a lot from the oversea projects, and also we had got a lot of experiences in the developing testing, which will help a lot in the following developing projects. Those experiences can help us to reduce the developing time, improving the control strategy. And also in this project we had found some shortage of the catalyst converter and its monitor diagnostic logics, those will help us to looking for new technologies to solve it, and also to rising new requirements to the related industry to boost its’ system and help to reduce the pollution of vehicle emission.

KEY WORDS: OBD(On-Board-Diagnostic), Catalyst Converter, O2 sensor, MisFire, Fuel Supply System, Engine, OSC(Oxygen Storage Capability)

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第一章 绪论

1.1 车载故障诊断系统（OBD）研究的意义

随着经济的发展，人们生活水平的日益提高，汽车保有量的不断增多，环境也随之不断恶化。自从20世纪40年代洛杉矶发生了世界上第一起由于汽车排放造成的严重光化学污染事件后，随着汽车的发展和数量的增加，世界各地多次发生由于汽车排放造成的污染事件。汽车工业的发展在推动经济与社会发展的同时，也对环境大气造成严重污染。在我国，随着社会经济的发展，汽车工业快速成长，汽车的销售量从1998年的183万量逐年快速攀升，在不到几年的时间内即突破了500万辆大关，2005年销量已达576万辆。到2010年，有分析家指出我国的汽车年销售量将突破900万辆，其现状就是整个社会的汽车保有量急剧增加，导致的结果就是在整个日益严重的大气污染中，汽车尾气排放的“贡献”过半，由此可见汽车尾气排放污染的严重性。在汽车的尾气排放中，那些排放超标车尤其对环境造成巨大影响。

为了有效控制尾气排放，各国纷纷出台了来车辆的尾气排放，其中之一就是当车辆老化到一定程度导致尾气排放达到一定限值后，车载诊断系统要报告车主故障以做出合适处理，这个诊断系统就是尾气排放车载故障诊断系统。这个尾气排放车载故障诊断系统是在低排放控制法规的基础上建立起来的，首先，车辆必需满足国家的排放法规，即车辆在一定的行驶里程内其排放必需低于国家法规限值。有了这个基础后，后来对车辆提出了新的要求，这就是尾气排放车载故障诊断系统，它就是指车辆在其生命周期内行驶时，当其某些零部件或系统出现老化和偏差而导致排放超过规定的一定限值时，自诊断系统必需做出反应，并报告车辆控制系统，打开车辆故障报警灯提示车辆使用者进维修站进行维修。

为了满足这些国家法规，汽车生产厂家与汽车电子控制生产厂家就必需研发出具有这类功能的产品。在这个过程中，就必需了解汽车尾气排放的多少与哪些因素，与哪些汽车零部件有关，其关系如何，这些零部件是如何影响尾气排放的，如何来监控这些零部件与系统的状态以达到监控汽车尾气排放的作用。了解了这些因果关系后，就要建立监控这些参数的数学模型，理清监控判断逻辑，同时在数学模型中设立必要的判断条件，避免其他因素的干扰，以达到准确判断车辆零部件的目的。在数学模型建立后，如何在实车上进行参数调试，设定怎样的发动机控制与判断参数值，达到即可对引起尾气排放超标的故障系统或零部件，也可清楚判断出良好系统的目的。这些，不但从现实和理论上来说都具有重要的意义。

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本课题的研究背景就是中国北京地方于2006年12月1日实施的汽车国三排放标准，这不但要求2006年12月1日以后在北京销售的车满足排放耐久性限值要求，即车辆在一定的行驶里程内排放必需低于国家限值，同时，车辆在使用寿命内必需不间断自诊断其本身排放性能，当排放超过一定的限值时车辆必需报告故障，同时判断出导致排放超标的原因并指示其对应的故障代码。为了满足这些法规要求，本课题即是通过对上海通用汽车有限公司的车辆进行开发，使其满足国家与地方的法规，在这个过程中，系统介绍OBD系统的原理与方法，同时选择催化器诊断作详细试验研究，分析在具体OBD开发试验中的问题及其解决方法。

1.2 车载故障诊断系统的发展历史、现状与趋势

1.2.1 历史

随着汽车工业的不断发展，一方面，其对能源的需求不断增加，而全球能源资源的有限导致了能源的危机，另一方面，随着汽车保有量的日益增多，其对大气的的污染也越来越严重，人们不得不想办法去缓解这些问题。在化油器时代，由于化油器对车辆空燃比的控制的不精确性，一方面，导致排放污染物极高，另一方面，为了保证车辆的行驶性能，空燃比控制在无法控制在理论空燃比时，大多时间不得不出于偏浓状态，也因此，其对能源的浪费也不可避免。电子控制燃油喷射系统的出现即是解决这一问题一手段。但是，由于电子控制燃油喷射系统本身传感器与执行器非常复杂，为了便于车辆的维修，汽车厂家自己开发了对这些系统零部件的诊断系统，称之为车辆在线诊断系统（On Board Diagnostic System）。 随着车辆排放对环境污染的日益严重，各国相继出台了特殊定义的车辆在线诊断（OBD）法规，要求对影响车辆排放的汽车零部件进行监控，当由于这些零部件失效引起车辆排放超标时，要报告车辆故障并指出引起排放超标的失效零部件或系统，这项法规即特定意义的OBD法规。 1.2.2 国外现状

由于汽车工业的发展历史，国外对车辆排放的控制由来已久，最早对车辆的排放量和对排放车辆耐久的控制。1994年，美国开始要求对车辆排放性能相关零部件进行监控诊断的OBDII法规的实施[13]。OBD在美国的发展历程如图(1)[1]所示，在1988年以前，并没有对车载诊断系统提出任何要求，只对车辆排放的耐久性作考验。这个阶段，只是汽车生产商为了应对复杂的发动机电喷控制系统，降低车辆维修难度，而自己设计出的电路自诊断系统。到了1988年后，随着发动机电喷系统的普及，美国开始要求所有汽车生产厂家都必须对其电子部件进行自诊断，当电子部件失效时应该报告故障，尤其是影响行车安全的部

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件必须在诊断出来后马上显示发动机故障灯，这个法规称之为OBDI，基本上未对车辆排放的自诊断提出要求。到了1994年，一方面由于在用车排放对环境污染的日益恶化远大于新车，另一方面由于电子技术的急速发展，尤其是计算机技术的发展，为车载诊断系统进行排放的自诊断提供了技术上的支持，使车辆的大量数据可以在发动机控制器内进行快速在线计算，美国开始了实施OBDII排放控制法规。而欧洲，在经历了欧一和欧二排放法规以后，从2000年开始实施的欧三法规，参照美国法规提出了类似OBDII的法规[16]，要求对车辆排放相关零部件或系统进行监控诊断，欧洲在法规中称之为OBD诊断系统（又称EOBD）。

图1 OBD在美国的发展历程 Fig1. the history of OBD in USA

但是，美国OBDII法规和欧洲OBD法规（也称EOBD）又有一些差异，

它们的共同点如下：

1）、对氧传感器失效诊断提出要求，只要排放控制物的任何一项超标，要求车辆作出在下故障自诊断并报告故障。

2）、对发动机失火诊断提出要求，只要排放控制物的任何一项超标，要求车辆作出在下故障自诊断并报告故障。

3）、对燃油系统偏差诊断提出要求，只要排放控制物的任何一项超标，要求车辆作出在下故障自诊断并报告故障。

差异点如下：

1）、在催化器效率诊断方面，美国法规要求对所有排放控制物进行监控，只要排放控制物的任何一项超标，要求车辆作出在下故障自诊断并报告故障；而

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欧洲法规则考虑到工程技术的实际情况，在催化器监控中只对HC排放物提出要求，只有当催化器效率低到引起HC超标时才要求车辆作出诊断报告故障。

2）、美国法规要求对燃油系统的油蒸气泄漏进行自诊断，防止油蒸气对大气环境的污染，而欧洲法规则没有这方面的要求。

3）、美国法规的OBDII排放法规限值是当时耐久排放法规限值的1.5倍，而欧洲法规则对OBD排放有的限值。

1.2.3 国内现状

我国的汽车排放法规沿引了欧洲法规体系，目前正在实施的国二排放法规（相当于欧二）。到2007年7月1日将全面实施国三法规（相当于欧三），但为了给汽车厂家的技术准备一定时间，国三中的OBD试验法规将推迟到2008年7月1日实施[2]。在北京，由于车辆保有量巨大，汽车排放对大气污染非常严重，因此北京地方要求提前实施国家法规，从2005年12月20日开始实施国三排放标准（不含OBD试验法规），从2006年12月1日起实施国三排放法规（含OBD试验法规）。由于我国汽车工业相对国外还比较落后，因此技术上的提升空间较大，到2010年，国四汽车排放法规（相当于欧四）将被实施，而北京则会于2007年7月1日提前实施国四排放标准。国三与国四的汽油车排放限值见表1[3]、表2[3]。

表1 国三、国四车辆耐久排放法规限值

排放物 HC NOx CO

单位 克/公里克/公里克/公里

I类车 整车整备质量<1305公斤

II类车 1305公III类车 1760斤<整车整备质量公斤<整车整备<1760公斤 质量<3500公斤

国三 国四 国三 国四 国三 国四 0.20 0.10 0.25 0.13 0.29 0.16 0.15 0.08 0.18 0.10 0.21 0.11 2.30 1.00 4.17 1.81 5.22 2.27 表2 国三、国四车辆OBD排放法规限值

排放

物 HC NOx CO

单位 克/公里克/公里克/公里

I类车 整车整备质量<1305公斤

II类车 1305公III类车 1760斤<整车整备质量公斤<整车整备<1760公斤 质量<3500公斤

国三 国四 国三 国四 国三 国四 0.40 0.40 0.50 0.50 0.60 0.60 0.60 0.60 0.70 0.70 0.80 0.80 3.20 3.20 5.80 5.80 7.30 7.30

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1.2.3 趋势 随着人们环境保护意识的日益提高，社会科技发展的不断前进，OBD的发展有以下几大趋势： 1）、对排放限值的进一步降低，从总体上控制排放总量。 2）、为了防止车主在车辆出现排放故障的情况下不对车辆进行维修，未来将会要求车辆把当前故障状态实时报告给排放信息管理与控制中心，并同时报告车辆的其他信息，以确认车辆身份，同时排放信息管理与控制中心在确认信息后将强制检查车辆排放情况并要求车主对车辆进行维修。这将可以节省社会车辆的年检工作，改而只对故障车辆进行检查，节省社会总体工作量，提高工作效率，免去车主车辆年检费用，降低车辆使用开支。

1.3 OBD系统的组成与法规要求

OBD系统主要由催化器催化效率诊断、氧传感器信号诊断、发动机失火诊断和燃油系统偏差诊断组成[1]。国家法规要求，当车辆排放中的任何一种排放物超过OBD限值时，OBD系统必需能诊断出车辆故障并报告造成排放超标的零部件或系统。国家法规演示试验是在8万公里老化车基础上进行的，它目前有催化器催化效率诊断、氧传感器信号诊断、发动机失火诊断的演示试验。在氧传感器信号诊断、发动机失火诊断的演示试验时，排放中的任何一项超标都要求报告车辆故障并设置相应故障代码[25]。而在催化器催化效率诊断演示试验时，由于目前技术水平的，仅对排放物中的HC进行监控，即只有当HC超标时才要求报告车辆故障并设置相应故障代码。

1.4 本文主要工作及章节安排

本课题研究的内容是OBD诊断系统的原理及催化器诊断在产品车辆中的具体开发应用；来源于汽车公司的新车开发项目，于2004年立项开始到2006年已进行批量投产；研究的目标是通过对新车型进行OBD开发试验，掌握最新的OBD技术原理与开发试验技术方法，在让该车配有满足国家OBD法规的诊断系统的同时形成工程硕士论文，本论文的具体章节安排如表3。

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表3 本文章节的具体安排

章序号 第一章

章名 绪论

内容

介绍课题的背景、研究意义、发展历史、国内外现状、发展趋势和法规要求。

针对OBD的具体要求分析各零部件或子系统的工作原理，找出它们失效时诊断的指标，确定诊断策略，建立诊断方案。

针对催化器的诊断进行深入具体的试验开发，整理和分析数据，找出影响催化器诊断的各种因素，对它们分别进行补偿或，达到对催化器催化效率的准确判断。 进行耐久考验，寻找诊断的不足并进行可能的修正，对诊断策略及诊断数据进行验证，最后进行国家认证演示试验。

对完成的研究工作进行总结，展望未来研究的方向。

第二章 OBD系统的诊断原理和策略

第三章 三元催化器诊断的标定试验

第四章 OBD诊断功能的验证

第五章

总结与展望

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第二章 OBD系统的诊断原理与策略

2.1 OBD系统的构成与诊断功能任务要求

在法规中，OBD系统的总体要求是当车辆运行中，任何与汽车尾气排放相关零部件或子系统的失效引起排放超过法规限值要求时，车辆必须准确诊断出相应失效零部件或子系统，同时进行故障报告，开启车辆故障灯。考虑到法规的可操作性和科技工程技术的实际情况，法规又对OBD系统作了具体构成的定义和要求[17]。目前，OBD系统包括催化器失效监控诊断、氧传感器失效诊断、发动机失火诊断和燃油系统偏差诊断[19]。在当前的国内车型中，还没有过类似系统的研究与应用，为了使新开发的车型在今后达到此法规要求[22]，就必须针对法规对OBD系统中的零部件或子系统进行失效原理分析，同时建立其相应的失效特征参数，再设计出合适的诊断策略，把失效特征参数转化为可测量或计算的参数，再进一步定出诊断方案，最后通过大量试验确定诊断参数，从而达到准确诊断失效零部件或子系统的目的。

2.2 催化器失效的诊断

2.2.1 催化器的工作原理

A) 催化器的安装位置

三元催化器是安装于汽车排气系统中的尾气净化装置，在一定条件下它可大大降低汽车的有害气体排放量，其安装位置如图2所示。 B) 催化器的工作原理

在催化器内温度达到300度以上时，催化器内的贵金属催化剂能在适当的条件下催化以下反应：

CO＋1/2O2＝》CO2

4HC＋5O2＝》H2O＋4CO2 NOx＋HC＝》N2＋H2O＋CO2

在这些反应中，贵金属铂、铑、钯起催化作用[4]。反应中的CO、HC、NOx均为发动机燃烧过程中产生的废物，而唯独O2是来自于另一个地方，那就是从氧化铈（CeO2）脱离而来，即从如下反应而来： 2CeO2＝》Ce2O3＋1/2O2

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前 氧传感器 三元催化器 后 氧传感器 排气管 图2 催化器安装位置示意图

Fig.2 The position of converter in the car

这个反应是可逆的，也就是说当流经催化器内的废气富含多余氧气（O2）时，将进行如下反应： Ce2O3＋1/2O2＝》2CeO2 其过程如图3所示。

CO，HC，NOx，O2 2CeO2《＝》Ce2O3＋1/2O2CO2，H2O，N2，O2 图3 催化器内氧化铈的反应示意图 Fig.3 The chemical procedure in converter

也正因为氧化铈的这个在特定环境下吸收和释放氧气的特性，作用相当于氧气储存器，在现代催化器的设计中根据车辆的不同特性，涂层中加入了一定量的氧化铈。

C) 催化器基层的设计

发动机在高速运行时，其废气将以极快速度流过催化器，因此废气与催化器的接触时间也极短，如何保证这些废气在这么短的时间内进行充分反应使其变为无害气体，这就对催化器的设计带来了挑战。在催化器涂层设计中，首先是基层，

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它附着于陶瓷壁上，然后再是催化剂，它附着于基层上。催化器基层设计中的一项即是为了提高废气与催化剂的接触时间或机会，那就是基层中的氧化铝成份，由于其本身的固有物理特性，氧化铝可在特定工艺下呈松散海绵状分布，当氧化铝涂层与催化器陶瓷载体壁上时，实际上就增加了陶瓷壁的面积，这就意味着当废气流经催化器时，将有更多机会与催化剂接触，从而进行催化反应，提高催化效率，如图4所示。

图4 催化器内壁氧化铝分布示意图 Fig.4 Al2O3 on the surface of substrate

D）催化器涂层设计的特殊要求 催化器的涂层中包含贵金属铂、铑、钯以及储氧介质氧化铈。在它们的老化过程中，为了催化器的诊断，设计上必须满足贵金属与氧化铈的同步老化，即满足图5中的理想老化关系线。

100 贵金属老化率(%) 0 贵金属老化过快 理想老化关系 氧化铈老化过快 0 氧化铈老化率（％） 100

图5 贵金属与氧化铈的老化关系

Fig.5 the aging relationship of catalyzer and CeO2

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2.2.2 导致催化器老化的原因

A) 催化剂在排气的高速吹洗下脱落减少。

随着汽车的老化，催化器也在不断老化，其老化的原因有以下几种： B) 催化剂及基层在高温的条件下熔化融合，面积减少。 C) 催化剂涂层及基层被其他物质覆盖。

2.2.3 诊断指标的建立

在催化器的老化过程中，催化器的催化能力将逐步减弱直至消亡[34]。对于这些过程，我们如何来监控它呢。首先，对于这些老化过程，车载诊断系统无法对其进行直接监控，因为它很难转化为特定的电信号。但我们发现，在催化剂及其基层中，氧化铈与其他贵金属催化剂成份一样的老化趋势[35]，而氧化铈的老化程度可以由其对氧分子吸收及释放的能力反映出来。因此，在设计催化器时可根据实际情况把涂层中贵金属的老化与基层中氧化铈的老化设计成同步老化，这样，就可通过监测催化器吸收与释放氧气的能力－催化器的氧存储能力作为催化器的诊断指标，来反映催化器的催化能力。从而建立监控催化器老化的监控指标，其关系如图6(1), 图6(2), 图6(3)所示。

对于催化器催化氧存储能力的诊断，我们从以下反应式可以看出，它实际上只代表了对氧化铈老化的诊断，它只是影响催化器催化能力的一方面。

2CeO2《＝》Ce2O3＋1/2O2

由于贵金属本身较难诊断，因此，只能在制造工艺中来保证设计生产出的催化器在老化中贵金属与氧化铈是同步老化的，因为他们的老化机理一致，这也是目前其可行的基本依据[5]。

催化器 催化能力

高 低 差 好 排 放

图6(1) 催化器催化能力与排放的关系图

Fig.6(1) The relationship between converter efficiency and emission

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催化器 催化能力

高 低 弱 强 催化器的氧存储能力

图6(2) 催化器催化能力与氧存储能力的关系图 Fig.6(2) The relationship between the converter efficiency and OSC

汽车尾气 排放

好 差 弱

强

催化器的氧存储能力

图6(3) 汽车尾气排放与催化器氧存储能力的关系图 Fig.6(3) The relationship between the emission and OSC

2.2.4 诊断策略的设计

对于催化器的诊断监控，虽然已明确了其监控对象，但如何监控呢？在未实行OBD系统之前，电喷系统的排气系统中只在催化器前端装有氧传感器，其目的是对发动机实际空燃比的浓稀进行反馈，进而较好控制空燃比，降低车辆的尾气排放。在实行OBD技术以后，为了能够对催化器的效率进行监控，在催化器后端也安装了一个氧传感器，如图7所示：

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前氧传感器 后氧传感器CO，HC，NOx，O2 2CeO2《＝》Ce2O3＋1/2O2CO2，H2O，N2，O2

图7 催化器前后的氧传感器位置分布图 Fig.7 The O2 sensors in front of and behind the converter

由于催化器中氧化铈对氧气的吸收与释放反应功能，在目前技术条件下，可使用前后氧传感器在特定工况下的信号差别来反映催化器的氧存储能力。氧化铈与氧气在催化器内的可逆反应是根据实际进入催化器的废气成份决定的，当发动机处于偏稀燃烧时，将有大量氧气（O2）剩余，前氧传感器将探测到多余的氧气，并反馈给发动机控制器低电压信号。此时，氧化铈反应按如下方向进行：

Ce2O3＋1/2O2＝》2CeO2

直到三氧化二铈（Ce2O3）全部转化为二氧化铈（CeO2），废气中的氧气才能从催化器出口流出，后氧传感器才能探测到多余氧气成份，反馈给发动机控制器低电压信号，这样，前后氧传感器传给发动机控制器的特定信号将有一个时间差，而此时间差可有效反映催化器内有效氧化铈量的多少。反之，当发动机处于偏浓燃烧时，废气中将存在很少的氧气成份，前氧传感器将很快探测到此信息，并反馈一高电压给发动机控制器。此时，反应是按如下反向进行的：

2CeO2＝》Ce2O3＋1/2O2

由于二氧化铈（CeO2）释放出来的氧气把发动机混合气中不足的氧气补充进去了，因此，在二氧化铈（CeO2）完全转化为三氧化二铈（Ce2O3）之前，对后氧传感器而言，发动机的混合气是在理论空燃比条件下进行的，直到二氧化铈（CeO2）完全转化为三氧化二铈（Ce2O3），后氧将探测到此信息并反馈给发动机控制器一个高电压信号。同理，前后氧传感器的这个信号在反馈给发动机控制器时也存在时间差，此时间差同样也可反映催化器内有效氧化铈的多少，即此时间差可反映催化器的老化程度。

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2.2.5 三元催化器插入诊断试验的设计

2.2.5.1 试验目的：

针对氧传感器对催化器的以上信号特性，可设计出一特定插入试验，即在特定工况下使发动机处于偏稀或偏浓燃烧状态，从而监控前后氧传感器的信号特性，在线测量和计算诊断指标——催化器氧存储量，达到监控催化器催化效率的目的。

2.2.5.2 试验工况选择与影响：

三元催化器与普通电子元器件不同，它在一般情况下工作特性稳定，工作特性不会发生突变，除非发动机失火，导致催化器内温度失控，才会导致催化器催化效率急剧变化，但此项损坏将由发动机失火诊断监控。另一方面，由于对催化器诊断进行的插入试验本身也会对发动机工作造成影响，因此，在车辆进行的一次点火运行工况中，我们一般只对催化器进行一次插入试验诊断。在插入试验工况选择时，一方面，为了保证插入试验能在大多数车辆行驶过程中得以完成，另一方面，又为了保证诊断的准确信，我们选择了在工况较为常见而又简单的怠速条件下进行诊断插入试验。

2.2.5.3 插入试验的过程：

在诊断试验之前，催化器内的氧化铈一般情况下包含二氧化铈（CeO2）和三氧化二铈（Ce2O3），其比例多少无法预先得知，因此，如果此时就进行简单的偏浓或偏稀插入试验并测量时间差，它将无法准确反映出催化器的真实催化效率，为了避免这种情况，我们把插入试验分为两大阶段，第一阶段为使催化器完全吸满氧气（即全部转化为二氧化铈）或完全释放掉氧气（即全部转化为三氧化二铈），第二阶段为测量阶段，把全部二氧化铈（或三氧化二铈）转化为三氧化二铈（或二氧化铈），测量出第二阶段的时间即能反映出催化器的氧存储量，从而反映出催化器的性能，达到监控催化器效率的目的，其过程如图8所示:

A) 试验条件判断阶段 B) 催化器吸氧阶段

C) 为保证催化器充分饱和吸氧，饱和吸氧阶段

D) 对催化器氧存储量的测量阶段，氧气释放测量阶段

试验条件判断阶段 催化器吸氧阶段 饱和吸氧阶段 氧气释放测量阶段 图8 催化器插入试验过程图

Fig.8 The test procedure of converter diagnose

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2.2.6 催化器氧存储量测量结果的影响因子及补偿方式

某时刻催化器吸收或释放的氧气量：

∂OSC(t)=MAF(t)*(FR-1)*(MO2/Mair)*∂t (1) 在特定温度下，催化器吸收或释放的氧气总量：

OSC(grams O2)@T=∫MAF(t)*(FR-1)*(MO2/Mair)*∂t (2)

从时间0积分到时间t_OSC, t_OSC为氧气测量释放阶段时间。

如果在怠速条件下，MAF(t)则基本不变，为时间变量的零次函数，则

OSC(grams O2)@T=MAF(t)* ∫(FR-1)*(MO2/Mair)*∂t (3)

而FR为空燃比的加浓系数，为标定常量，MO2/Mair为空气中氧气质量的比例，也是常量，因此：

OSC(grams O2)@T=MAF(t)*(FR-1)*(MO2/Mair)* ∫∂t (4)

而 ∫∂t＝t_OSC0 (5)

则 OSC(grams O2)@T=MAF(t)*(FR-1)*(MO2/Mair)* t_OSC0 (6)

OSC(grams O2)@T－催化器在特定温度T下的氧存储量 T―――－－在氧存储量测量过程中催化器的平均温度 MAF(t)－－在催化器氧存储量测量过程中发动机的负荷平均值 FR――――在氧存储量测量过程中混合气的过量加浓系数 MO2/Mair－空气中氧气的质量百分比 t_OSC0――氧存储量测量过程中的前后氧传感器电压跳变时间差

设 t_OSC= OSC(grams O2) (7)

则 t_OSC＝OSC(grams O2)＝

MAF(t)*(FR-1)*(MO2/Mair)* t_OSC0*f(T) (8)

由于FR是标定常量，MO2/Mair为物理常量。

令 K=(FR-1)*(MO2/Mair) (9)

因此工程上以(8)公式可化为：

t_OSC＝OSC(grams O2)＝MAF(t)* t_OSC0*f(T)*K. (10)

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在一次测量过程中K为常量，MAF(t)基本稳定，而不同次测量时MAF(t)的不同可用f(MAF)因子替代，故式（10）可化为：

t_OSC＝OSC(grams O2)＝t_OSC0*f(T)*f(MAF)*K (11)

由公式(11)可以看出，在测量催化器氧存储量时，前后氧传感器的电压上升跳变时间差除了受催化器内活性氧化铈多少影响，还受到以下因素的影响：

A) 由于氧化铈的化学活性与温度有关，因此催化器内有效氧化铈的多少将与催化器温度有关系，其储氧能力（OSC）也将与催化器温度有关，如图9所示。

OSC Test

5% 20g/s

12

10

8Switch time (sec.)6

4std osc R-Lstd osc L-R2

0200

250300350

Temperature (C)

400450500

图9 催化器氧存储量与温度关系

Fig.9 The relationship between the OSC and converter temperature

为了避免由于温度变化带来的催化器效率诊断偏差，准确测量出催化器的效率，必须在给定的催化器温度范围内对其进行诊断，并对不同温度下的氧存储能力进行温度补偿，得到一个客观反映催化器效率的唯一量，即如果同一催化器在温度T1与T2下测量出t_OSC1 与t_OSC2，则：

t_OSC1＝t_OSC01*f(T1)*f(MAF)*K=

t_OSC2＝t_OSC02*f(T2)*f(MAF)*K=t_OSC (12)

t_OSCx-----在催化器温度Tx下经过补偿之后的代表氧存储量的参量

t_OSC0x---当催化器温度为Tx时测量氧存储量过程中前后氧传感器

电压跳变时间差

f(Tx)--------在温度为Tx催化器氧存储量的温度补偿因子

B) 如公式所示，测量的t_OSC0与怠速时的发动机负荷有关系。在诊断插入

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试验时，由于发动机进气流量的不同，即使在其他工况都一样的情况下，当空燃比按预先设置好的比例进行偏稀偏浓控制时，单位时间内进入催化器的氧气量还是不一样的，不同进气流量下的反映同一原始氧存储能力的测量时间差是有区别的，如图10所示。

0.80.6OSC0.40.20.0024Air flow68

图10 催化器测量的氧存储量时间与进气流量关系图 Fig.10 The relationship between the measured t_OSC0 and MAF

因此，针对这一特性，必须对不同的进气流量下测量到的初始氧存储能力进行补偿校正，即:

t_OSC＝t_OSC0x*f(T)*f(MAFx)*K (13) t_OSC0x----在发动机怠速进气流量为MAF(tx)，测量氧存储量时前后氧

电压信号跳变的时间差

f(MAF(tx))--催化器氧存储量的进气流量补偿因子

C)由公式中可见，实际上K因子是受燃油控制精度影响的。插入试验时的实际燃油加浓比例系数对测量结果影响重大，因此，插入试验前与插入试验过程中的空燃比控制显得尤为重要。为了保证插入试验进行时空燃比是按预定要求的进行控制，插入试验前发动机控制系统一定要保证其处于闭环控制状态中，而且，其闭环控制要处于相对稳定状态。从保证之后进行的偏稀偏浓控制的准确性与稳定性。插入试验时的进气与喷油控制是按如下方式进行的，首先，保证怠速状态下空燃比处于闭环控制之下，并且空燃比控制在理论空燃比上，其次，空燃比控制稳定，即实际空燃比在理论空燃比上小幅波动[26]，空燃比短期自学习调整值控制在一定范围内。这样，对于某一特定稳定怠速工况，其进气和闭环喷油量都是一定的。有了这些保证后，发动机控制器冻结固化掉所有此时怠速工况下的进气

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与空燃比控制参数，即首先保证进气量不变，其次，在闭环喷油量的前提下按预先设计好的百分比增加或减少喷油量，从而进行插入诊断试验。

D)另外，t_OSC0的判断条件将直接影响它的测量结果，因此，前后氧传感器的判断电压标定必须严格谨慎，经历大量试验验证。

2.2.7 插入试验的程序逻辑设计

2.2.7.1 插入试验条件的检查

t_OSC0*f(T) (14) t_OSC＝MAF(t)*(FR-1)*(MO2/Mair)*

插入试验条件的检查是围绕公式（14）中的影响因子进行的，总体来说就是： 1、保证催化器温度是合适的 2、发动机空燃比控制是稳定的 3、进气流量是稳定且准确的 条件检查如下：

A）发动机运行时间检查，一方面，因为在发动机起动完之后的一段时 间内，催化器并未充分预热起来，氧化铈活性不稳定，容易造成催化器氧存储能力检测偏差，另一方面，发动机空燃比控制在起动后的一段时间内也不特别稳定，故在发动机起动运行后的某一特定时间内不允许插入催化器效率诊断的试验。此时间需要在试验中标定出来。

B）催化器温度是否在规定的标定温度范围之内。因为催化器的氧存储 能力在一定的温度范围之内其散差较小，而在极低温度下氧存储能力极小，在极度高温下氧存储能力则极大，为了追求诊断测量的稳定性，故规定在一定的催化器温度下进行诊断试验。

C）满足试验前发动机是否在一定的大负荷下连续运行超过一定时间， 以保证催化器充分被加热。

D) 满足试验条件后怠速时间是否超过一定时间，因为怠速时间过长后将导致催化器温度冷却下来，所以插入诊断试验必须在满足试验条件后的一定怠速时间内完成。

E）发动机空燃比控制是否处于闭环控制模式之下，如果发动机控制处于开环控制模式，则无法预知真实空燃比是否在理论空燃比上，因此，无法准确测量出催化器的氧存储量。

F）发动机空燃比在闭环控制的模式下是否稳定，即燃油系统误差修正 的短期学习值是否稳定在一定限值以内。如果空燃比虽然处于闭环控制下,但空燃比控制无法稳定下来，插入试验时的真实空燃比还是无法预知和控制，因此，催化器的氧存储能力还是无法准确测量出来，所以诊断试验之前发动机的实际空燃比控制一定要稳定。

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G）炭罐清洗的油气浓度是否学好，是否稳定，因为在炭罐清洗的过程中，会带来一定量的汽油，如果不计算出带来汽油的量，就无法最终计算出进气混合气的空燃比，从而导致诊断的误差[28]。因此，在进行催化器插入诊断试验之前，炭罐清洗气流的浓度必须稳定，而且发动机控制器也必须已准确学习到此浓度并能预估出它带来的汽油量。

H）大气压力是否高于国家法规规定的诊断大气压力。在高海拔条件下，由于进气修正有偏差，导致空燃比控制不准，为了避免由此而产生的催化器诊断误判，国家法规允许在2500米以上的高海拔条件下不对催化器进行诊断。

I）水温是否在规定的范围之内，如果水温太高或太低，发动机空燃比控制和点火角都与正常暖机状态有差别，会造成氧存储量测量的偏离，为了追求诊断测量结果的准确稳定性，故规定水温必须处于一定的范围之内。

J）与水温检查同理，气温也必须在规定的标定范围之内。

L） 车速必须小于某值（如3公里/小时），油门必须同时小于某值（如1.5%）,此条件是用来评估车辆是否处于怠速停止状态，保证车辆进气量测量的准确性。

M）怠速时发动机进气量是否在标定的限值以内，因为发动机正常怠时，其进气量都在一定范围以内，如果进气量超出此范围，则发动机运行工况不正常，有可能造成诊断误判。

N）因为催化器氧存储能力是相对稳定的物理量，故在每次驾驶时，只要有一次诊断试验完成氧存储能力的测量，就不需要再进行重复诊断,故试验前确认试验是否已完成，如果已完成，则该驾驶循环就不在进行催化器插入诊断试验。

O）在催化器插入诊断试验进行时，有很多其他情况可使试验中断，导致试验完成不了，在这种情况下，当下一次诊断条件满足时，还可以再进行插入试验。在所有试验条件满足后，一旦插入试验进行，不论试验是否完成，都记作一次试验尝试，为了避免一次驾驶循环中过多的进行插入试验的尝试，程序规定在每次驾驶循环中插入试验尝试最多不能超过一定的标定次数。如果超过此值，无论试验是否完成，将不再进行催化器插入诊断试验。

P）车辆是否有影响催化器氧存储能力测量的故障，如水温传感器、进气温度传感器、喷油器、氧传感器的故障等。

Q）是否有其他的诊断插入试验正在进行，因为其他插入试验会影响催化器插入试验的测量结果，故催化器诊断插入试验之前不能有其他插入试验。

R）检查是否有外部仪器命令，因为外部仪器命令优先级别高于催化器插入诊断命令，如果有，则优先执行外部命令，催化器诊断试验不执行。

2.2.7.2 插入试验的中断

在插入试验时，一方面，为保证车辆的正常运行，另一方面，为保证氧存储能力测量的准确性，当有以下情况发生时，插入试验将被中断。

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A）任何插入试验条件在试验进行中不再满足，试验将中断。

B）试验过程中，发动机转速变化超过一定限值，将影响车辆驾驶舒适性能，试验将中断。

C）试验过程中，发动机冷却风扇工作状态发生改变，将导致发动机工作负荷改变，从而影响测量结果，试验中断。

D）试验过程中，如果发生方向助力转向状态变化，将导致发动机工作负荷改变，从而影响测量结果，试验中断。

E）试验过程中，如果空调工作状态发生变化，包括压缩机吸合状态的改变，将导致发动机工作负荷改变，从而影响测量结果，试验中断。

F）插入试验中，前氧传感器信号没有在一定时间内按预定的空燃比控制进行改变，说明系统存在问题，试验将中断。

2.2.7.3 插入试验的步骤

如果以上试验条件都满足了，发动机将进行催化器诊断插入试验，其步骤如下：

A）稳定试验条件的判断，在条件满足后，为了判断试验条件已充分稳定，在插入试验之前，试验条件必须满足且稳定一定的时间，然后再进行插入试验。

B）试验条件稳定后，空燃比有理论空燃比14.7向偏稀方向偏移一定量（如使空燃比变为15.7）。此时，前氧传感器将很快探测到空燃比偏稀状态，电压信号降低到低电压。而后氧电压信号的变化则取决于催化器中氧气的存储量及其氧存储能力，当催化器充分吸收好氧气使其饱和后，氧气不再被吸收，从而从催化器流出的燃烧混合物实际空燃比变稀，后氧传感器信号立即会检测到此状态，电压信号变为低电压。此时，表明催化器已处于吸氧饱和状态。

C）在后氧传感器电压信号降下来后，继续保持空燃比偏稀控制不变一定时间，保证催化器吸收氧气至充分饱和状态。

D）调节发动机燃烧混合气空燃比至偏浓状态（如13.7），此时，流到前氧传感器的实际混合气空燃比将偏浓，前氧传感器立即探测到偏浓状态，输入到发动机控制器的前氧传感器电压信号为高电压，发动机控制器此时开始对催化器氧存储能力进行计时。由于催化器中存有氧气，流入催化器的过浓混合气被催化器的氧气补偿反应，使从催化器流出的混合气不能使后氧传感器电压跃升为高电压，直到催化器的氧气完全释放完之后，从发动机燃烧过的过浓混合气不能被催化器内的氧气补偿，从而从催化器流出后也变为过浓混合气，后氧传感器因此也探测到过浓混合气状态，把高电压信号反馈给发动机控制器，发动机控制器接收到后氧传感器高电压信号后停止对催化器氧存储能力的计时，此时，从开始计时到停止计时的时间间隔即为催化器的初始氧存储能力OSC0。

E）后氧传感器信号跃升为高电压后试验完成，发动机混合气空燃比从偏浓

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状态恢复到闭环控制理论空燃比状态。

2.2.8 诊断指标的在线计算

A）先对初始催化器氧存储能力t_OSC进行催化器温度补偿，根据测量时的催化器温度，查找出补偿参数，得到t_OSC1，计算方式如(15):

t_OSC1= t_OSC*f(T) (15) B）再对t_OSC1进行负荷补偿，根据测量催化器氧存储能力时的发动机负荷，查找出补偿参数，得到本次测量的最后氧存储能力t_OSC0，补偿如(16):

t_OSC0＝t_OSC1*f(MAF(t)) (16)

C）由于催化器的氧存储能力本身具有一定的稳定性，一般条件下不会突变。但插入诊断试验测量时，由于各种已知或未知因素的影响，如对催化器本身温度计算的不准，导致补偿不准等，测量出的氧存储能力表征值t_OSC0有较大的散差分布范围。为了减小诊断判断的误判，提高诊断准确性，故引入一加权参数，对氧存储能力进行表征，记作EWMA，计算方式如(17):

EWMA(new)=EWMA(old)*(1－FactorEWMA)+ t_OSC0*FactorEWMA (17)

此方式效果相当于虑波，可把氧存储能力测试结果的散差缩小，如图9，在FactorEWMA＝0.1时，对于以下一组参数，经过加权计算后，其散差变小，氧存储能力表征值趋于稳定，更能真实反映出催化器的真实物理特性，如表4和图11所示。

表4 催化器氧存储量的测量值与滤波值(EWMA)

测试序号1 23t_OSC0 5 74EWMA 5 55测试序号 9 1011t_OSC0 4 73EWMA 5.3 5.55.2

4651285.55851365.66351455.57 8 6 7 5 5 15 6

5.6

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987654321005101520t_OSC0EWMA

图11 催化器氧存储量测量值与EWMA滤波值示意图

Fig.11 The measured t_OSC data and EWMA data

因此，最后设计的逻辑是用EWMA作为催化器氧存储能力的表征与诊断判断参数。

2.2.9 试验结果的判断

在催化器诊断中，由于催化器的测量结果总存在一定波动性，为了避免在催化器处于临界状态时出现结果报告的反复性，在对每次测量结束后的结果判断分为两种情况。第一，在当前状态下，如果发动机系统并无催化器故障时，EWMA值小于标定限值EWMA_ThdMin时，即报告催化器转化效率低故障，否则，报告催化器诊断通过。第二，在当前状态下，如果发动机系统已记录了催化器低效率故障，则当EWMA大于标定限值EWMA_ThdMax时，将报告催化器故障解除报告，否则，报告催化器低效率故障。EWMA_ThdMin与EWMA_ThdMax的意义与作用将在后面的开发试验章节中详细叙述。

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2.3 氧传感器的故障诊断

2.3.1 氧传感器的特性及作用

在现代车辆发汽油动机的控制系统中，为了达到汽车尾气排放的法规要求，其空燃比要严格控制在理论空燃比附件，否则三元催化器无法达到有效催化尾气中的排放污染物的目的[6]。汽油发动机的空燃比控制策略如图12所示。

计算的进气量 喷油量预计算 预喷喷油量实际喷油量 混合气燃烧反应实际空燃比 氧传感器反馈信号

图12 空燃比控制策略图

Fig.12 The control procedure of the Air/Fuel ratio control

首先，发动机控制器根据传感器会计算出进入气缸的新鲜空气量，再根据要控制的目标空燃比计算出预喷的喷油量[37]。当混合气处于闭环控制条件时，安装在发动机排气系统上的氧传感器会把实际的空燃比是处于偏浓还是偏稀的状态反馈给控制器。当实际空燃比偏浓时，氧传感器会反馈给控制器一个高电平电压

[7]

信号，当实际空燃比偏稀时，氧传感器会反馈给控制器一个低电平电压信号。

氧传感器的反应特性如图13。

电压mv 1000600450300014.7 空燃比

图13 氧传感器电压与空燃比的关系图

Fig.13 The relationship between the O2 sensor feedback signal and Air/Fuel ratio

根据氧传感器反馈电压信号，控制器会在预喷喷油量的基础上对喷油量进行

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实时调整，使实际空燃比始终保持在理论空燃比上下波动，从而保证平均空燃比为理论空燃比，而且实际空燃比的波动范围控制在尾气排放可由三元催化器完全转化的能力内。在此过程中，氧传感器的实际反馈信号如图14所示。

图14 氧传感器的实际反馈信号图

Fig.14 the actual signal of O2 sensor at close-loop control

2.3.2 氧传感器的失效模式

由氧传感器的工作作用可以知道，它在发动机空燃比的闭环控制中起反馈作用[38]，如果它的信号失真将会导致混合气空燃比失控，从而导致排放升高。在氧传感器信号失真的类别里，可分为以下几种：

1）氧传感器电路故障 2）氧传感器信号故障

2.3.2.1氧传感器电路故障

氧传感器电路故障可分为三类：

A）当氧传感器电路断路或氧传感器未达到工作温度时，此时氧传感器将无法把电压信号输送到发动机控制器，控制器接收到的将是一个450毫伏的稳定信号电压。

B）当氧传感器信号电路与5伏电压电路短路时，发动机控制器将接收到一个1000毫伏或以上的稳定信号电压。

C）当氧传感器信号电路与伏接地电路短路时，发动机控制器将接收到一个20毫伏或以下的稳定信号电压。

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2.2.2.2 氧传感器信号故障

A）氧传感器信号冻结于某电压值，此时不管排气中的实际空燃比如何变化，即废气中氧含量不管多少，氧传感器信号始终保持在某固定值或某固定值附件很小范围内变化，无法真实反映空燃比的偏稀偏浓状态，其故障特性如图15所示。

电压mvX mv0时间 s 图15 氧传感器信号电压冻结故障示意图 Fig.15 The frozen signal problem of O2 sensor

B）氧传感器信号虽然能在整个工作电压范围之内变化，但反应速度慢或滞后，导致信号失真[39]或滞后[40]，无法使发动机控制器得到真实准确的空燃比偏差信息，因此导致实际空燃比失控，从而影响发动机排放，其故障如图16、图17所示，

电压mv 1000mv 正常氧传感器信号 故障氧传感器信号 600mv 450mv 300mv 50mv 0

图16 氧传感器信号电压反应速度慢故障图

时间 S

Fig.16 The slowing response signal problem of O2 sensor

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电压mv 1000mv 正常氧传感器信号 故障氧传感器信号 600mv 450mv 300mv 50mv 0

图17 氧传感器信号电压反应滞后故障图

时间 S

Fig.17 The delaying response signal problem of O2 sensor

2.3.3 氧传感器诊断监控指标的建立

对于氧传感器电路的诊断，可以根据反馈电压的特性进行判断，因此，对此类故障的诊断监控对象和指标是氧传感器信号电压。而对于氧传感器信号故障的诊断，可分为两种。首先，对于氧传感器信号冻结于某固定值，此时，依然可采取监控其信号电压，根据不同工况下氧传感器信号电压的特性，对它进行诊断，因此，诊断指标也是氧传感器反馈电压信号。而对于氧传感器信号反应速度与滞后的监控，就不能简单的监控其电压信号，而是监控反馈电压信号在特定工况下的反应周期，因此其监控指标就是信号的反应周期。

2.3.4 氧传感器诊断策略的设计

2.3.4.1氧传感器电路故障

A) 对于氧传感器断路的诊断，可先判断氧传感器是否已完全达到工作温度，当其已满足达到工作温度以后，如果在一定标定时间以内，其电压值仍然处于450毫伏附近（如处于425毫伏与475毫伏中间），就可判断并报告其为断路故障。

B) 对于氧传感器短路故障，可先判断其是否处于闭环控制状态条件下，如果发动机控制器已处于稳定闭环控制之下，而氧传感器信号电压在一定的标定时间之内一直高于或低于某一标定电压值（如高于950毫伏或低于50毫伏），并经过前后氧传感器的互相校正，就可判断并报告氧传感器短路故障。

C) 对于氧传感器信号冻结于某固定电压，可通过特殊工况对其进行诊断。如果氧传感器信号电压固定于300毫伏与600毫伏之中的某个电压值，则可采取与断路诊断类似策略。当发动机空燃比处于闭环控制条件之下时，如果氧传感器信号在一定标定时间内一直处于300毫伏与600毫伏之间，则可判断并报告故障。如果氧传感器电压冻结于600毫伏以上某个电压，则可利用发动机处于断油控制

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控制工况对其进行诊断。发动机空燃比在断油工况时应为极稀状态，此时正常氧传感器信号应为低于450毫伏信号，如果发动机控制器接收到氧传感器电压信号高于600毫伏，则可判断并报告故障。如果氧传感器电压冻结于300毫伏以下某个电压，则可利用发动机处于加浓控制工况对其进行诊断。发动机空燃比在加浓工况时应为极浓状态，此时正常氧传感器信号应为高于450毫伏信号，如果发动机控制器接收到氧传感器电压信号低于300毫伏，则可判断并报告故障。

2.3.4.2氧传感器信号故障

A) 对于氧传感器信号反应速度慢，可利用发动机处于稳定的空燃比闭环控制工况之下进行诊断，在此工况之下，正常氧传感器电压信号在从300毫伏上升到600毫伏或从600毫伏下降到300毫伏时有一个正常的速度，其速度应在一定的范围之内，如果其速度超出了这个范围，就可判断并报告故障。这个反应速度的正常范围需要根据具体车辆进行标定。

B) 对于氧传感器信号反应滞后，可利用发动机处于稳定的空燃比闭环控制工况之下进行诊断，在此工况之下，正常氧传感器电压信号在一定的标定时间内切换次数在一定范围之内，如果氧传感器电压信号的有效切换次数超出了这个范围，就可判断并报告故障。这个反应速度的正常范围需要根据具体车辆进行标定。

反应速度慢可用如图18的T1和T2时间判断，而信号反应滞后则可用图16所示的W时间判断。

电压mv 1000mv 正常氧传感器信故障氧传感器信600mv 450mv 300mv 50mv 0 T1 T2W时间

图18 氧传感器信号电压反应速度慢与滞后故障的诊断参数示意图

Fig.18 The diagnostic character of slowing and delaying response problem of O2 sensor

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2.4 发动机失火诊断

2.4.1失火的现象

失火是指发动机在工作过程中不能正常点火燃烧，造成发动机转速失稳[42]，排放升高，严重的会在排气管内出现放炮现象，损坏三元催化器。造成发动机失火的原因有很多，如发动机空燃比控制失控，造成燃烧室的混合气比例严重偏离可导致失火；火花塞老化导致点火能量不足可造成发动机失火；燃烧室或气缸本身的机械物理损坏也会导致发动机失火等，如此等等。但发动机失火的本质就是进入燃烧室的混合气未能正常燃烧或完全未燃烧。 2.4.2 失火诊断指标的建立

对于发动机的失火，其本身并不能被发动机控制器直接发现，因为发动机控制器无法知道混合气是否正常燃烧。但是，通过研究发现，虽然发动机气缸内的混合气本身是否正常燃烧无法被发动机控制器，但发动机失火时，会导致许多其他特征，如排放超标，发动机转速变化等[45]。理论上，由于发动机的运行是依靠气缸内混合气的热能转化为机械能来克服发动机负荷与阻力来实现的，当发动机失火时，其混合气的热能不能有效转化为机械能，而在发动机的负荷与阻力变化不大时，发动机转速就会产生一个很大瞬时下降[15]，相对应于发动机转速此时将有一个负加速度，如图19所示。因此，可以通过在发动机某个气缸的作工行程中对发动机转速的加速度进行测量，发动机工作正常没有失火时，此值都在一定的正值范围以内，如果发动机产生失火，此时的曲轴加速度将变为负值[8]〔9〕。由此可建立发动机失火的监控指标――发动机转速加速度。当其加速度低于标定限值，表明发动机发动机燃烧有失火情况。

图19 发动机失火时转速变化情况 Fig.19 the engine speed at the Misfire

2.4.3 失火策略的设计

发动机在车辆中运行时，除了发动机失火会造成发动机转速加速度急剧变化

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外，当车辆行走于粗糙路面时，由于车辆本身的颠簸抖动，发动机转速加速度也会产生急剧变化。那么如何来确定发动机转速急剧变化是由发动机失火引起的呢，以免引起误判。为了这个目的，发动机控制器就必须读取另外一个信号，那就是车辆垂直加速度传感器信号，这个信号可由重力加速度（G-sensor）发出，也可由发动机控制器从带有防抱死的整车制动系统（ABS）控制器中读取，这个信号可告诉发动机整车是否处于粗糙路面上，而且此路面会造成发动机转速加速度急剧变化，如果是这样，控制器此时将不对发动机进行失火诊断，以免误判。另一方面，在车辆发动机系统并无任何异常情况时，发动机只有处于正常扭矩输出时其转速才处于稳定运行状态中，如果其处于断油或进气不足时，发动机转速也不稳状态中，加速度也将出现负值，因此，发动机的失火诊断将限定在发动机能输出正扭矩的工作范围之内。

2.4.4 失火诊断程序的逻辑设计 2.4.4.1 诊断条件的判断设计 A) 发动机运行时间的检测

发动机起动后的瞬间转速不稳，失火判断必须在充分起动后进行。这是靠计算发动机运行时间来执行的。 B) 粗糙路面的判断

由于车辆在粗糙路面行驶时也会造成发动机转速剧烈波动，为了避免误诊断，在进行失火诊断前必须判断车辆是否处于粗糙路面。它可以通过重力加速度传感器（G-sensor）发出，也可由发动机控制器从带有防抱死的整车制动系统（ABS）控制器中读取。如果车辆装有G-sensor，则可直接从垂直加速度判断路面的粗糙程度，当路面粗糙到引起发动机转速出现与失火一样的特征时，则把此时的垂直加速度作为区分粗糙路与好路的判断值。同理，ABS传感器在正常路面时其信号是在一定范围内，当在粗糙路面行驶时，其信号将出现变化，此时可根据发动机转速的变化标定出判断粗糙路面的ABS信号阀值，用以判断粗糙路面。 C) 发动机正扭矩负荷输出区域的判断

由于失火判断是对发动机是否能正常工作的一个判断，其任务就是监控发动机点火燃烧硬件系统是否正常，因此其监控区域也就是发动机正常燃烧并对外输出扭矩的区域，不包括断油区域等。在控制策略的条件判断里，以发动机能向外输出扭矩为条件。发动机对外输出扭矩为零而恰好维持自身平衡运行时，则发动机刚好能正常点火燃烧。在发动机燃烧工作后的扭矩不足以维持本身平稳运行时，其转速在发动机硬件完好条件下也会发生剧烈波动，不能对其进行失火判断。只有在发动机对外可输出正扭矩的工况条件，如果发动机转速出现剧烈波动，其有可能是失火导致，因此，必须找出发动机的正扭矩输出工作区域。发动机的正

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扭矩输出区域可以由发动机的转速，负荷及负载进行判断。在特定的转速与负载下，当发动机负荷（以进气量或进气压力为参考）超过某一限值时，就可知道其工作在正扭矩输出工况条件下，否则不能对其进行失火判断，其区域如图20所示。

图20 发动机的正扭矩输出工作区域图

Fig.20 The positive torque output area of engine working load

2.4.4.2 诊断指标的设计

发动机在运行过程中的速度是用曲轴的转速来表征的，而曲轴转速又 是通过一个电磁感应传感器或霍尔传感器和对应的58X轮盘来进行计算的[23]。58X轮盘实际上是把一个飞轮盘按角度等分成60份，做成60个齿的盘，然后去掉其中两个相连的齿，变成58X飞轮齿盘

[24]

。当曲轴转过一圈时，传感器会感应出

58个电脉冲信号，同时，在对应去掉两齿的位置会感应出一个很大的平齿信号。发动机在运行时，传感器会不断得到这个平齿信号，通过传感器得到两个平齿信号的时间差即可计算出发动机的转速。同时，由于失火时对发动机瞬态转速的准确度要求较高，其转速是通过单缸作功冲程对应的曲轴转角与它花费的时间来计算的，再由此可计算出发动机转速的加速度。

2.4.4.3诊断结果的判断

在车辆进行排放试验时，可设定发动机不同的失火率，从而得到在不同失火率下车辆的排放数据。根据国家法规规范选出即将引起车辆排放超标的失火率作为失火诊断阀值。再在底盘台架上把发动机在阀值失火率下的曲轴转速加速度测量出来，同时也要测量出阀值附近其他失火率下发动机转速的加速度，从而得出发动机失火报警的转速加速度阀值。当车辆运行满足失火诊断条件时，如果发动机转速加速度超过这个阀值，OBD控制系统将报告发动机失火故障。

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2.5 燃油系统偏差的诊断

2.5.1 发动机空燃比的控制的目的

发动机混合气在理论空燃比工作时，理论上能完全燃烧，使尾气排放物完全变为H2O和CO2[29]。但如何保证混合气的空燃比是理论空燃比呢？在发动机电子喷射控制系统中，它是由进气传感器计算出进入发动机的新鲜空气流量，再通过喷油器的精确预喷油，最后通过氧传感器的反馈，最终控制进入发动机的混合气始终保持在理论空燃比附近波动，然后通过催化器的催化作用使从催化器流出的气体空燃比保持在理论空燃比上[30]。 2.5.2 燃油供油量的计算与控制

在发动机控制器计算出进入燃烧室的新鲜空气流量Mair后，根据

Mair/Mfuel＝14.7 (18) 得到 Mfuel＝Mair/14.7 (19)

在发动机控制器计算出喷油量后，喷油量的准确喷射是依靠喷油系统来完成的。喷油器的喷油量为：

Qfuel＝K×S×aDP×Δt (20) K――在特定的电瓶电压下的修正系数。

S――喷油器的有效喷油面积，对于特定的喷油器其值是一定的。

DP――喷油器喷油口两侧压力差，对于喷油轨带有压力调节器的系统，

其值也是稳定不变的。

a――定值，由喷油器特性决定。 Δt――喷油器有效喷油时间。

在发动机电子燃油喷射控制系统中，由于进气流量的计算并不可能100％的准确，同时，喷油系统制造也存在一定误差范围[33]，因此，完全依靠进气流量的传感计算与喷油量的计算喷油，不可能完全使进入燃烧室的混合气保证在理论空燃比上，因此，在空燃比的控制中，它依靠氧传感器的反馈信号进行闭环控制。在这个控制过程中，如果预计算的燃油量不能保证混合气的空燃比在理论空燃比上，系统就会使用一个修正系数对喷油量进行修正，此修正系数称为燃油系统误差的学习值，它分为燃油系统误差修正的短期学习值和长期学习值2.5.3 燃油系统偏差的修正与后果

燃油系统包括汽油泵、燃油虑清器、燃油压力调节器、喷油轨、喷油器等[10]。在燃油系统正常的情况下，燃油系统的学习值是用来对系统零部件制造误差预传

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[10]

。

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感器及系统计算误差作修正作用的。但在燃油系统老化的情况下，此学习值也可以在一定范围内对它进行补偿修正作用。燃油系统的老化有以下一些情况：

A）油泵泵油能力的下降，导致在发动机大负荷运行工况下输油不足，使喷油轨压力下降，从而影响DP值，影响喷油精确性。

B）燃油虑清器的老化堵塞，导致发动机供油不足，使喷油轨压力下降，从而影响DP值，影响喷油精确性，在发动机大负荷高转速下表现尤其明显。

C）燃油压力调节器老化，导致喷油器油嘴两侧压力出现变化，影响DP值，从而影响喷油的准确性。

D）喷油轨出现泄漏或其他情况老化，如果影响喷油压力，从而影响DP值，导致喷油准确性变差。

E）喷油器在老化后，可出现几种问题，当喷油孔堵塞变小或磨损变大后，将改变喷油参数S，从而影响喷油准确性；当喷油器因电磁线圈、回位弹簧或喷油阀嘴老化后导致喷油器漏油时，将影响到喷油参数的实际有效时间Δt，喷油准确性也将变差。

在喷油系统的老化过程中，喷油系统误差学习值在一定范围内可以进行补偿修正，但是，随着系统老化的加剧，系统误差学习值的补偿修正作用越来越有限，因为系统老化对发动机各种工况的影响是不一样的，因此导致此学习值在各工作区域差别越来越大，而在发动机的瞬态工况时，此学习值的作用也就越来越小。因此，当燃油系统老化到一定程度时，将会导致车辆的排放超出国家法规规定限值。

2.5.4 燃油系统老化偏差监控指标的建立

对于燃油系统老化的诊断如何进行呢？在发动机控制器本身获取的信号上，并没有能反映汽油泵、汽油虑清器、燃油压力调节器、喷油轨、喷油器等的物理参数，那么，如何对这么多机械零部件进行监控诊断呢？在系统中我们设计的燃油系统误差的长期学习值不但可以为燃油系统的偏差进行补偿修正，同时，这个学习值的大小本身也是与系统偏差老化成线性关系的，它可以反映出燃油系统老化的程度。这样，车辆诊断系统不用对燃油系统中的每一个零部件进行诊断，只需监控燃油系统误差的长期学习值便可知道燃油系统本身的老化程度了。

2.5.5 燃油系统老化偏差诊断程序的设计

2.5.5.1 诊断条件的判断

当系统进入到发动机燃油控制的闭环模式以后，发动机控制器将对所有发动机工作的区域进行监控，检测燃油系统的长期学习值。

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2.5.5.2 诊断限值的设置

针对燃油系统的不断老化，燃油系统误差的学习值将越来越偏离正常值，在燃油系统毫无误差的情况下，其学习值为一乘法因子1，当老化朝喷油不足方向恶化后，乘法因子的学习值将朝大于1的方向越来越大；当老化朝喷油过多的方向恶化后，乘法因子学习值将朝小于1的方向越来越小。因此，在诊断监控设计中，分为两部分，一部分是燃油系统过浓故障，另一部分是燃油系统偏稀故障。在系统标定时，找出系统老化导致车辆排放超标的过浓时对应的学习值a1和偏稀时对应的学习值a2，把这两个值分别设为诊断限值。

2.5.5.3 诊断结果的报告

在满足诊断条件的工况下，在一定的时间Y秒内，如果有超过X秒的时间燃油系统误差的学习值a大于a1或小于a2，则诊断系统过浓或偏稀故障。

2.6 本章小结

通过前期对法规的研究，结合车辆的实际系统，经过对OBD法规要求的零部件和子系统的具体研究，在本章主要取得了以下成果：

1、通过分析各零部件和子系统对车辆排放的关系，从理论上分析了零部件或子系统在排放控制中失效的机理。

2、通过研究，找出了零部件或子系统在失效时的特征参数，建立了监控它们失效时的监控指标。

3、通过对零部件或子系统失效特征参数的分析，设计出具体的诊断策略，使它们能够在车辆运行时被发动机控制器测量到或计算出来。 4、通过诊断策略最终确定出诊断零部件或子系统的诊断方案，同时确定出诊断原理逻辑。

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第三章 三元催化器诊断的标定试验

3.1 试验研究对象和试验准备

（1）车辆：

两辆，手动档1.8升四缸四冲程自然吸气式电子控制喷油汽油发动机，为A公司2006年上市的A01产品车。 （2）氧传感器：

相当于8万公里老化状态的氧传感器两个。 （3）催化器：

C公司为A01产品车开发配套的C01型催化器。白载体催化器1只，相当与8万公里老化状态的催化器2只，门槛值催化器1只，新鲜催化器2只。同时，在两只新鲜催化器上装上温度传感器。 （4）标定参数：

发动机控制软件的标定必须要满足车辆的启动特性、驾驶特性、排温特性已标定完成且排放标定基本稳定后方可开始进行催化器的诊断标定，当发动机控制的排放标定最终固化后，才能进行最终的催化器诊断阀值诊断。 （5）设备：

开发用发动机控制器，数据读写工具，排放试验室，底盘转鼓试验室，一般道路等。 （6）软件：

发动机控制文件编辑软件，数据读写软件，数据分析软件。

3.2 催化器的初步标定与设定

3.2.1.开启催化器诊断功能

在软件中开启催化器诊断功能。

3.2.2在插入试验时，对空燃比偏移模式的两种选择

一种为先稀后浓，即第一阶段使空燃比偏稀，让催化器吸饱氧气，第二阶段

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让催化器偏浓，让催化器释放氧气，同时测量释放的测量时间。另一种模式为先浓后稀，第一阶段使空燃比偏浓，让催化器完全释放掉氧气，第二阶段让催化器偏稀，让催化器吸收氧气，同时测量吸收氧气的时间。在一般情况下，采用先稀后浓模式，因为在第一阶段，在偏稀工况下，由于是怠速工况，发动机工作燃烧温度不高，不会产生额外的NOx，同时，由于是偏稀，也不会产生额外的CO和HC。但如果偏浓，则有可能产生出额外的CO和HC。第二阶段时，由于催化器内有充足的氧气，可以中和反应掉额外的CO和HC。所以先稀后浓可以更有利于汽车尾气排放。

3.2.3 插入试验过程的参数设置

催化器诊断的插入试验过程可分为以下几个阶段，如图21。

饱和吸氧阶段条件判断阶段 催化器吸氧阶段 氧存储量测量阶段 图21 催化器插入试验过程图

Fig.21 the test Procedure of converter diagnose

1)、条件判断阶段

这个阶段的主要任务是判断诊断的条件是否满足，是否可保证插入试验测量的氧存储量准确。这个阶段需要设置的参数如下：

A）诊断插入试验之前发动机最小运行时间的设定，设为60秒，使插入试验很快能运行，进入开发研究。

B）插入试验时催化器温度范围的设定，设为200度到1000度，使插入试验很快能运行，进入开发研究。

C）满足插入试验前发动机保持一定的大负荷下连续运行超过一定时间，以保证催化器充分被加热。发动机负荷设为2g/s，持续时间设为5秒，使插入试

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验很快能运行，进入开发研究。

D) 满足试验条件后允许的最长怠速时间设为120秒，使插入试验有足够长时间运行，进入开发研究。

E）发动机空燃比在闭环控制的模式下是否稳定，即燃油系统误差修正 的短期学习值是否稳定在一定限值以内。此限值设为6%，虽然燃油控制误差大，但可使插入试验很快能运行，进入开发研究，进行标定的功能检查等。

F）大气压力是否高于国家法规规定的诊断大气压力。国家法规要求在大气压力高于72Kpa以上必须进行诊断。开发时此值设为60kpa, 使插入试验能在大多工况下运行，进行开发研究。

G）插入试验的水温规定的范围设为50度到110度，使插入试验很快能运行，进入开发研究。

H）插入试验的气温规定的范围设为-50度到110度，使插入试验很快能运行，进入开发研究。

I） 车速必须小于某值（如3公里/小时），油门必须同时小于某值（如1.5%）,此条件是用来评估车辆是否处于怠速停止状态，保证车辆进气量测量的准确性。

J）插入试验时怠速工况下发动机进气量的标定限值为2g/到s10g/s，使所有怠速工况下都能进行插入试验，进入开发研究。

L）在每个驾驶循环中，把插入试验允许的次数设为255次，使每个驾驶循环有足够多的试验采样机会。

M）在每个驾驶循环中，把插入试验尝试的次数设为255次，使每个驾驶循环有足够多的试验采样机会。

N）在插入试验时，发动机转速如果波动太大，将会使试验中断，在初始标定过程中，把此值设置为300转/分钟。

2)、催化器吸氧阶段

因为在进行插入试验之前，催化器的含氧状态是未知的，为了使氧存储量测量准确，首先使混合气空燃比偏稀，使催化器充分吸氧，直到后氧传感器电压低于规定的电压，这个过程需要设置的参数如下：

A) 空燃比的偏稀偏移量，初步设为10％。

B) 空燃比从理论值变化到偏稀10%的变化的速度，设定为1％，表示从理论空燃比变化到偏稀10％的过程中，每次喷油减少1％。

C) 后氧传感器的最长反应时间，如果在设定的最长时间里，后氧传感器电压信号仍然高于标定值，则认为催化器氧存储量极大，吸收了大量氧气以后仍然未饱和，则试验中断结束，给催化器氧存储量一个默认值，开始标定前把此值设为30秒，实际值一般小于20秒，设30秒是为了准确测量催化器的真实氧存储

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量值。

D) 第一阶段的最短试验时间，在第一阶段内，即使后氧传感器电压信号很快低于设定值，满足低电压要求，偏稀仍将保持最短时间，使催化器充分吸氧，此值设为3秒。

E) 前后氧传感器判断空燃比偏稀的电压值的设定，一般情况下，当氧传感器电压低于300毫伏时即认为空燃比偏稀，因此此值设为300毫伏。

3)、饱和吸氧阶段

为了使催化器达到饱和吸氧状态，在后氧传感器信号低于规定电压以后，使空燃比仍然维持偏稀一段时间，让催化器饱和吸氧。这个阶段需要设置的参数如下：

当后氧电压低于规定值，第一阶段结束后继续保持空燃比偏稀一定时间，初步设定为1秒。

4)、氧存储量测量阶段

当催化器饱和吸氧以后，混合气空燃比转入偏浓状态，前氧传感器电压升高，催化器进入释放氧气阶段，计时开始，直到后氧传感器电压升高到一定值，催化器氧气释放完毕，计时结束，氧存储量测量结束。这个过程需要设置的参数如下：

A) 第二阶段空燃比的偏移量，设为偏浓10％。

B) 从第一阶段的空燃比变化到第二阶段的空燃比的空燃比的变化速度，设为1％。

C) 后氧传感器的最长反应时间，如果在设定的最长时间里，后氧传感器电压信号仍然低于标定值，则认为催化器氧存储量极大，试验中断结束，给催化器氧存储量一个默认值，开始标定前把此值设为30秒，实际值一般小于20秒，设30秒是为了准确测量催化器的真实氧存储量值。

D) 前后氧传感器判断空燃比偏浓的电压值的设定，一般情况下，当氧传感器电压高于600毫伏时即认为空燃比偏浓，因此此值设为600毫伏。

3.3 催化器诊断的深度标定

3.3.1 催化器诊断时采集参数的设置

在对车辆标定文件进行完初步设定后，把车辆进入底盘转鼓试验室，模拟排放试验循环工况，进行试验，对车辆工况进行测量。在这个试验中，采集以下车辆参数: 发动机转速 rpm 发动机水温 coolTemp

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发动机进气温度 IAT 发动机进气量 Airflow 发动机运行时间 RunTime

发动机燃油修正长期学习值 BLM 发动机燃油修正短期学习值 Clintm1

炭罐浓度学习值是否学好状态表征量 PurgeLnd 发动机节气门开度 TPS 车速 VKPH 大气压力 Baro

空燃比闭环控制置位量 Closeloop 催化器温度 CatTemp

满足催化器插入诊断试验后的怠速时间 IdleTime 空燃比控制命令 AirFuel

前后氧传感器电压信号 O211Vtg O212Vtg 车辆故障信号记录 MalCrrt

车辆冷却风扇工作状态 Fan1Stat Fan2Stat 车辆空调工作状态 AC

3.3.2 国家法规试验的工况要求

OBD的检测试验必须要能满足国家法规检验的试验，因此，在进行此工况试验时必须要能完成催化器的插入诊断试验。国家I型试验的工况如以车速示意，则如图22所示[3]。

图19 国家排放法规车辆运行工况图

Fig.19 the vehicle running cycles of the State’s emission regulation

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此工况由四个城市运行工况和一个郊区运行工况组成，而为了试验的稳定性，催化器的诊断试验是在催化器温度较合适的怠速工况下完成的。在这些工况中，有如下一些怠速工况比较有利于催化器的插入诊断试验，如图23所示。因为，在这些怠速工况之前有较大的车速和发动机负荷，能使催化器充分预热。

图23 在国家工况里适合催化器插入试验的车辆工况示意图 Fig.23 the chances suitable for converter diagnose

in State’s emission regulation cycles

3.3.3 催化器诊断条件的深度标定

A）诊断插入试验之前发动机最小运行时间的设定。在常温冷车启动后，催化器温度在60秒以后都超过400度，而燃油控制则在发动机运行超过200秒后比较稳定。而在发动机热启动条件下，虽然发动机很快可满足水温、进气温度等其他条件，但在夏季高温条件下，喷油轨及输路中在高温下产生的气泡对空燃比控制产生影响，进而影响催化器诊断测量值，而当发动机运行约250秒后中的气泡基本消失。同时，根据国家排放法规测试工况，为了保证在此工况中检测出超标催化器，要满足一定催化器插入试验次数(3到4次)，此值设为260秒。

B）插入试验时催化器温度范围的设定，从催化器供应商得到的数据是催化器在400度到900度下氧存储量测量结果都比较可靠

[11]

，但试验中发现在450

度以下测量的结果散差较大。另一方面，催化器温度在经过一定发动机负荷的预热以后，基本上都维持在500度以上，故在进行插入试验时催化器的温度允许条件设为450度到900度，这样即可保证插入试验的正常进行，又可保证催化器温度对氧存储量的修正准确性。

C）满足插入试验前发动机保持一定的大负荷下连续运行超过一定时间，以保证催化器充分被加热。如图24所示，发动机负荷在8.5g/s维持8秒以上时催化器温度可保持在620度以上，且在怠速60秒后催化器温度仍然维持在530度以上。故在催化器氧存储量插入试验前，要保持发动机负荷维持在8.5g/s以上

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8秒以上。这种工况所对应的发动机转速是不低于1500转/分，发动机油门不小于10％，所以在一般车辆驾驶工况皆可满足。且此条件也可满足国家排放试验的催化器加热要求。

图24 催化器温度与车辆运行关系示意图

Fig.24 Converter temperature VS vehicle running cycles

D) 当车辆满足催化器插入诊断试验条件进而怠速后，随着怠速时间的增长，催化器的温度也会随之下降，为了获得较好的测量结果，要求试验在发动机怠速时间过长后不再进行。在一般条件下，当满足诊断试验条件后，诊断试验在30秒以内都已可完成。由以上试验数据可发现在催化器经过预热以后，在进入怠速后的60秒以内仍可使催化器满足诊断要求，故初步设定此值为60秒。

E）发动机空燃比在闭环控制的模式下是否稳定，即燃油系统误差修正的短期学习值是否稳定在一定限值以内。

首先，介绍以下发动机的燃油喷射量的计算，发动机的燃油喷射多少是根据公式(21)而定的：

Fuel_final=(Fuel_predict*BLM－Fuel_purge )*CLINT (21)

Fuel_final――――最终喷射的燃油

Fuel_predict―――根据发动机预控参数计算出来的相对应喷油量 BLM――――――燃油系统偏差修正长期学习值 Fuel_purge―――从炭罐阀进入燃烧室的燃油量 CLINT―――――燃油系统误差修正的短期学习值

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燃油系统误差修正的短期学习值CLINT是根据氧传感器反馈电压信号进行实时参数，它受燃油预控准确性的影响，受炭罐油量计算准确性的影响，同时也受发动机各气缸之间的进气均匀性影响。它是一个不停变化的参数，实际上就是燃油控制的一个误差范围。

t_OSC＝MAF(t)*(FR-1)*(MO2/Mair)* t_OSC0*f(T) (22)

由公式（22）可以看出，FR为空燃比的加浓系数，其基础是插入试验前的各燃油修正因子，即最终喷射的油为Fuel_final*FR。这样，如果CLINT的变化范围为＋/－4%，则(FR-1)的变化范围为＋/－4%。一般情况下，(FR-1)为10%，这样，(FR-1)变为10%+/-4%，理论上已导致t_OSC有了40%的误差。但由于发动机燃油控制受其它因素的影响，其本身的控制精度也围绕在理论空燃比上+/-3%振荡，故此值设定为+/-4%。由试验发现，发动机控制的燃油其偏差短期修正值基本在+/-4%，使车辆即可在一般行驶工况时进行催化器插入试验，也可使测量值保证一定的稳定与准确性，如图25。

图25 车辆运行时发动机燃油控制短期修正值采样图

Fig.25 The short term fuel correction value at vehicle running

F）大气压力设定要满足国家法规规定的诊断大气压力，此值设为72kpa。 G）发动机水温条件的标定

检查发动机在何种水温条件下空燃比的闭环控制变得比较稳定，试验发现70度水温后比较合适，因此标定催化器诊断插入试验的最低温度为70度。插入

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诊断试验时的最高发动机水温标定是在夏季高温条件下进行的，在此条件下，发动机水温在怠速时大多情况下维持在95度，也可达到105度，在这些情况下，催化器的诊断都还正常，当发动机水温超过115度以后，发动机将进入保护工作模式，因此催化器插入试验允许的最高水温值设为109度。

H）发动机进气温度

进气温度的最低值标定是在冬季低温条件下完成的，在我国最严寒的地区，当环境温度达到零下30度时，在正常的车辆行驶后怠速工况下，进气温度都可以达到零下20度以上，而最低温度本身对催化器诊断影响不大，因此进气最低温度设为－25度。进气温度的最高值标定是在夏季高温条件下进行的，在吐鲁番夏季环境温度高达45度条件下，发动机进气温度在高速驾驶后停车怠速的前3分钟都保持在65度以下。当发动机进气温度高于75度以上时，为了防止发动机爆震，进气温度对发动机点火控制会产生较大影响，从而影响空燃比控制准确度，因此催化器插入试验允许的进气温度的最高值设为75度。

I） 车速必须小于某值（如3公里/小时），油门必须同时小于某值（如1.5%）,此条件是用来评估车辆是否处于怠速停止状态，保证车辆进气量测量的准确性。

J）怠速插入试验时发动机进气量限值的标定

最小值的标定是在高原试验完成的，为了保证在高原完成插入试验，必需检查在大气压力为72Kpa条件下发动机负荷最小时的进气量，检查结果发现1.7,因此标定值设为1.5g/s。而最大值的标定需要在夏季高温试验中完成，因为发动机怠速最大运行负荷在夏季高温条件下开启空调后最大，在此条件下，检查结果发现进气流量达到6.3g/s, 因此标定值设为6.5g/s。在怠速条件下当发动机负荷超出此范围时，发动机可能处于非正常状态，有可能导致不正确的测量，因此禁止催化器进行插入试验。

L）在每个驾驶循环中，在氧存储量EWMA未稳定之前，把插入试验允许的次数设为6次，可使氧存储量EWMA很快达到催化器的客观数量级，表征氧存储量EWMA是否达到稳定值为从车辆下线后，插入试验是否达到一定数量，此数量为18次。

M）在每个驾驶循环中，把插入试验尝试的次数设为12次，因为很多情况下在插入试验的过程中会由于其他情况使试验中断，导致测试未完成。但如果测试尝试次数过多则使驾驶性变差，故此值设为12次。即使每个驾驶循环有足够多的试验采样机会，又保证车辆的驾驶性。 3.3.4 插入试验时的各参数标定

A) 空燃比的偏稀偏移量，此偏移量主要用来使催化器吸收多余氧气，使催化器达到饱和吸氧状态，达到一个催化器可预知状态。此值如果偏移太小，很多时候将达不到偏稀目的，而如果此值偏移过大，则将导致发动机扭矩骤减，发动

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机转速波动过大，经过试验尝试，发现推荐的10％燃油偏稀比较合理，故此值设为10%。

B) 空燃比变化的速度，表示从理论空燃比变化到偏稀10％的过程中，每个喷油循环喷油量的减少量，此值如果设定过大则将导致转速波动过大，而设定小将导致过渡时间长，氧存储量测量误差变大，在试验中发现1％的变化率较为适宜，故此值设定为1％。

C) 第一阶段的最短试验时间，在第一阶段内，即使后氧传感器电压信号很快低于设定值，满足低电压要求，偏稀仍将保持最短时间，使催化器充分吸氧，此值设为2秒。

D) 催化器偏稀反应的最长时间，在催化器的诊断过程中，其目的就是要诊断出过度老化不合格的催化器。而过度老化的门槛值催化器即使在完全脱氧的情况下，其第一阶段的吸氧时间也不会超过一定范围，在此项目中，由门槛值催化器试验后得到此值为3秒，而催化器吸氧超过3秒的均为达到国家法规的催化器。因此如果催化器插入试验在偏稀超过3秒后，后氧传感器电压信号仍然高于标定值，则认为催化器氧存储量极大，催化器为满足国家法规零部件，试验中断结束，给催化器氧存储量一个默认值。为了给标定一个较为安全的值，因此此标定值设为4秒。

E) 保证催化器吸氧达到饱和的偏稀延迟时间。当后氧传感器电压信号满足低电压判断条件后，为了使催化器充分饱和吸氧，在第一阶段结束后继续保持空燃比偏稀一定时间，初始标定阶段，此值设为1秒。在试验过程中发现，某个别数据测试异常，氧存储量测量值大大小于其它测量值，检查数据发现其如图26。

图26 因未饱和吸氧而引起的氧存储量误测量采样数据图

Fig.26 the abnormal OSC value measured

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经分析发现，此结果的原因是由于插入试验前催化器处于贫氧状态，在偏稀状态时催化器一直是在吸氧。当催化器吸氧到一定程度后，吸氧速度减慢，此时，催化器实际上还可以继续吸氧，但由于不能全部吸收废气中的氧气，部分氧气从催化器流出，后氧传感器因此探测到了。但催化器并未真正达到饱和吸氧状态，以致于空燃比偏浓后，催化器释放的氧气不够多，偏浓废气马上到达后氧处，导致后氧信号上升。后氧信号正常催化器测量状态下的反应如图27。

图27 重新标定后正常的氧存储量采样数据图

Fig.27 the correct OSC data measured after recalibration

为了使催化器能在第一阶段充分饱和吸满氧气，减小测量误差，把此延迟时间标定从1秒改为3秒，更改后经过多次试验验证未再发生类似情况。

F) 前后氧传感器判断空燃比偏稀的电压值的设定，一般情况下，当氧传感器电压低于300毫伏时即认为空燃比偏稀，但在催化器插入试验时，由于偏稀量足够大，在偏稀状态下前后氧电压信号都低于100毫伏。而300毫伏是在偏浓转入偏稀状态的过程中产生的不稳定电压信号，为了保证催化器氧存储量测量的准确性，明确知道催化器的含氧状态，此值设为200毫伏。

G) 第二阶段空燃比的偏移量， 催化器氧存储量的计算如公式（23）

t_OSC＝MAF(t)*(FR-1)*(MO2/Mair)* t_OSC0*f(T) (23)

由公式可以看出，空燃比的偏移量(FR-1)关系到整个测量结果的准确性和插入试

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验的诊断过程。由于空燃比控制本身存在误差，其误差大小可达到允许的+/-4%,所以(FR-1)的误差就是+/-(4%/(FR-1)), 从中可以看出，当空燃比偏移较小时，会导致测量结果误差太大，数据散差太大，测量结果不准确，不利于准确诊断，会造成误诊断。同时，在催化器本身物理特性不变的情况下，如果空燃比偏移量较小，将会导致插入试验时间过长，使试验不能很好完成。另一方面，当偏移量过大时，将导致发动机燃烧不稳，影响发动机工作稳定性，使发动机驾驶性变差，不利于车辆性能。因此，对插入诊断试验时空燃比的偏移量的确定就显得非常重要，必须根据以上影响由试验确定。其试验如下：

把插入试验时的燃油偏移量从5％、8％、10％、12％，一直到15％，在同一进气流量与催化器温度下，进行催化器的插入诊断试验，在每一燃油偏移量下，多次重复试验，记录下所策动的催化器氧存储量值。并计算出其平均值与偏差值，其值如表5。

表5 与燃油偏移量对应的氧存储量平均值、散差及转速波动

5%8%10%12% 15% OSC平均值 10.27.15.24.3 3.5 OSC散差 7.62.40.90.6 0.4 转速波动平均值 35435466 82

可以从这些值中看出，燃油偏移5％时，催化器测量值很长，而且散差大，催化器氧存储量测量值不稳定，8％和10％时，测量值比较稳定，12％和15％时，测量值稳定性基本一致，散差较小，但此时发动机转速在燃油变化时波动较大，容易导致驾驶性变差，而在燃油偏移10％时发动机转速并未见较大波动，因此，选择10％作为该车型催化器插入诊断时的燃油偏移量。

H) 从第一阶段的空燃比变化到第二阶段的空燃比的空燃比的变化速度，一方面，此速度如果太大，则会导致发动机空燃比变化过快，使发动机转速波动过大，影响车辆的驾驶性，另一方面，此速度如果太小，则会导致空燃比变化时间过长，使催化器氧存储量测量准确度变差，测量结果散差变大。经过试验，发现1.5%的变化速度较好兼顾了这两方面的性能，故此值最终设定为1.5％。

I) 后氧传感器的最长反应时间，如果在设定的最长时间里，后氧传感器电压信号仍然低于标定值，则认为催化器氧存储量极大，试验中断结束，给催化器氧存储量一个默认值，开始标定前把此值设为30秒，实际值一般小于20秒，设30秒是为了准确测量催化器的真实氧存储量值。在最终的标定文件中，我们的目的是识别出低效率的催化器，并报告故障，而当催化器效率仍国家排放控制范围以内时准确报告无故障，因此，在产品车上对于催化器氧存储量的测量，我们实际上并没有必要完全把所有催化器的氧存储量测量出来，而只要测量出氧存储

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量较小，即老化较严重的催化器的氧存储量。在这种情况下，如果测量出的催化器氧存储量小于某个量（最终标定的判断阀值），则报告故障，而当此值大于阀值一定量时则报无故障，当催化器的氧存储量测量时间大于一定值后，则一定是氧存储量极大，不再进行测量，直接给出一个默认值，减小测量时间，快速完成试验。

J) 前后氧传感器判断空燃比偏浓的电压值的设定，一般情况下，当氧传感器电压高于600毫伏时即认为空燃比偏浓，因此此值初始设为600毫伏。但由于后氧传感器离发动机排气阀位置较远，在怠速情况下温度偏低，其电压振幅可能会偏小，故需在各种环境下进行检查。如图28，后氧偏浓的电压设定阀值为700毫伏，但由图可发现实际上在后氧未达到700毫伏之前偏浓混合气已经到达后氧，但后氧电压只能跃升到约600毫伏，此时如果设置判断偏浓电压为700毫伏将导致测量错误，经过大量试验发现，此值设为550毫伏较好地反映了偏浓混合气抵达后氧的时刻点，可使催化器氧存储量测量准确性较高，因此此值设为550毫伏。

图28 氧传感器判断电压与氧存储量的关系图

Fig.28 the relationship between OSC and O2 sensor signal threshold

L） 在插入试验时，发动机转速如果波动太大，将导致发动机转速急剧抖动，车辆平顺性变差，严重的将导致发动机熄火，在这种情况下要马上退出插入试验，恢复发动机正常怠速控制。在试验中发现，当发动机转速控制在+/-100转/分钟驾驶员没有太大影响，同时发动机没有熄火危险，都在可控制范围之内。因此此值设置为+/-100转/分钟。

M) 前氧传感器电压信号反应的最长时间

前氧传感器电压信号在空燃比偏稀后0.2秒内立即变为低于100毫伏的低电

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压。而当空燃比偏浓后，其信号在0.2秒内立即变为高于800毫伏的高电压信号。如果前氧传感器在混合气空燃比偏稀或偏浓后电压没有在0.2秒以内达到这些电压值，则表明燃油系统或氧传感器本身存在故障。因此，设定前氧传感器对空燃比的反应时间在1秒以内，如果超过1秒内前氧传感器未对空燃比偏移做出反应，则认为燃油系统或氧传感器存在问题，催化器氧存储量测量试验中断。 3.3.5 补偿参数标定

A) 催化器温度补偿参数的标定

由于氧化铈本身的物理特性，其在高温下活性强，从而导致催化器的氧存储量在不同温度下结果不一样，但它们实际上反映的是同一催化器在不同温度下的特性，为了使这些不同结果统一成同一测量指标，因此对氧存储量测量结果进行了温度补偿。

t_OSC＝MAF(t)*(FR-1)*(MO2/Mair)* t_OSC0*f(T) (24)

F(T)的标定是如下进行的：

在同一怠速工况下，即保持怠速时发动机负荷不变，车辆怠速之前使发动机负荷改变，从而让催化器在插入诊断时温度不一样，从而对催化器氧存储量进行温度补偿，步骤如下：

a、使用8万公里老化催化器

b、保持怠速负荷较大运行（如开启大灯和空调），使怠速发动机进气流量不变。

c、进入怠速插入诊断之前，使车辆在不同负荷下运行，得到不同催化器温度，然后在进行催化器插入诊断试验，采集催化器氧存储量。在同一催化器温度下重复试验，取平均值。再在不同温度下试验，得到各温度下的氧存储量平均值，得到多组数据，注意，在这些试验过程中，怠速插入试验时的发动机负荷保持不变，试验数据如表6。

表6 不同温度下测量到的氧存储量数据

500 550 600650700750 800原4.3 4.8 5.25.45.65.8 6 始OSC

由于同一催化器的客观催化能力一定，而采集的氧存储量由于温度不同各异，为了能真实反映催化器的催化能力，把各温度条件下的原始测量量进行补偿，补偿方式为乘法因子，得到一个与温度无关的标准量。由以上数据，以650度为基准，则催化器氧存储量为5.4秒，为了使各温度下的氧存储测量值在经过温度补偿以后都能与650度一致，因此其补偿参数F(T)如表7。

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表7 催化器温度补偿系数

500 550 600650700 750 800t_OSC0 4.3 4.8 5.25.45.6 5.8 6 F(T) 1.256 1.1251.041 0.9 0.9310.9t_OSC 5.4 5.4 5.45.45.4 5.4 5.4

B) 进气流量补偿参数

t_OSC＝MAF(t)*(FR-1)*(MO2/Mair)* t_OSC0*f(T) (25)

由于测量过程都是在怠速工况下进行的，因此插入试验时进气量是基本稳定的，MAF(t)在单次测量过程中基本为恒量，而由于每一次插入试验之间的进气流量可能不相等，因此需对进气流量进行补偿计算，公式可变化为：

t_OSC)= f(MAF)* (FR-1)*(MO2/Mair)* t_OSC0*f(T) (26)

当温度补偿参数f(T)标定好后，进行进气流量补偿系数f(MAF)的标定，此系数与温度补偿系数一样也是乘法因子。其标定过程如下： a、使用8万公里老化催化器。

b、在测量之初把f(MAF)的值全部设为1。从怠速时发动机负荷最小时的进气流量2.0g/s, 依次测量2.5g/s, 3.0g/s, 3.5g/s, 4.0g/s, 4.5g/s, 5.0g/s, 5.5g/s, 6.0g/s, 6.5g/s, 一直到怠速时发动机能达到的最大进气流量7.0g/s。在每个进气流量下测量出催化器的氧存储量，其值如表8。

表8 不同进气流量下催化器氧存储量的测量值

MAF(g/s) 2.0 2.5 3.0 3.5t_OSC0 8.86 7.85 6.28 5.7.0 4.54.8 4.11

5.03.72

5.5 6.0 6.5 7.0 3.39

3.11

2.88 2.68

同理，客观上同一催化器的氧存储量是一样的，而这些测量值的不同是由于进气流量的差别引起的，为了客观反映催化器的物理量，因此对这些测量值进行进气流量补偿，以4.0g/s为基准量，计算出其补偿因子F(MAF)如表9。

表9 进气流量的补偿因子系数

2.0 2.5 3.0 3.5 4.04.81.0

4.54.114.81.16

5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 3.721.29

3.391.42

3.11 2.88 2.68 1.54 1.67 1.79 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 T_OSC0 8.86 7.85 6.28 5.76F(MAF) 0.54 0.61 0.76 0.83

T_OSC 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8

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3.4 各种路况与气候的试验检测

3.4.1 正常路况的检测试验

目的：采集尽量多的氧存储量样本，检查催化器的测量散差。 测量地点：上海 催化器类型：新鲜催化器

试验中发现有个别测量值特别偏小，检查数据发现其如图29。

图29 异常氧存储量测量数据图 Fig.29 the abnormal OSC measured

当后氧传感器探测到氧气成份后，由于此前催化器处于贫氧状态，在偏稀状态时催化器一直是在吸氧。当催化器吸氧到一定程度后，吸氧速度减慢，此时，催化器实际上还可以继续吸氧，但由于不能全部吸收废气中的氧气，部分氧气从催化器流出，后氧传感器因此探测到了。正常催化器测量状态下的反应如图30。

为了使催化器能在第一阶段充分饱和吸满氧气，减小测量误差，把空燃比的偏稀在后氧传感器电压低于标定值之后延迟时间由1秒改为3秒，更改后经过多次试验验证未再发生类似情况。

继续试验并采集数据，得到数据如表10。 测量样本：27 均值：8.77 散差：1.82

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图30 标定后正常的氧存储量测量数据图 Fig.30 the normal OSC measured after recalibration

表10 正常路况氧存储量测量值

采样序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 样本值 8.6 7.3 9.38.37 7.48.28.2 6.9 采样序号 10 11 1213 14 1516 17 18 样本值 13.5 6.9 8.47.17 6.87.36.5 11.1 采样序号 19 20 2122 23 2425 26 27 样本值 7.6 11.2 9.110.710.79.710.710.5 10.7

3.4.2 夏季气候路况检测试验

目的：由于催化器的诊断试验时炭罐阀是可以开启的，只要炭罐浓度在试验前满足检测条件即可。在高温炎热的气候条件下，汽油挥发极大，炭罐油气浓度较浓，变化相对也较大，此试验需重点检测这种条件下催化器的测量散差。经过试验，采集数据如表11。

测量地点：上海、吐鲁番 催化器类型：新鲜催化器 测量样本：27 均值：8.5 散差：2.25

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表11 夏季气候路况氧存储量测量值

采样序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 样本值 8 9 7.310.59.97.98.27.3 7.8 采样序号 10 11 1213 14 1516 17 18 样本值 7 10.4 7.38.47.66.26 10.5 7 采样序号 19 20 2122 23 2425 26 27 样本值 7.4 7.3 7.18.18..817..6 7.4 3.4.3高原低气压条件检测试验

目的：由于低气压条件下发动机排气背压降低，导致在怠速时发动机需求进气量减少。这将考验催化器在插入试验时对发动机稳定性冲击变大，此时需要对此作监控。另一方面，由于高海拔条件下发动机进气流量计算精度变差，因此自然影响到发动机空燃比的控制与计算，所以也必须对催化器氧存储量测量的散差做检查。

测量地点：格尔木 催化器类型：新鲜催化器

在测量过程中发现在高原条件下，当发动机负荷最小时，发动机进气量为1.8g/s，但在此条件下进行催化器插入诊断试验时，发动机转速波动较厉害，车辆驾驶性较差，为了避免这种情况，经试验发现，在进气量大于2.0g/s时这种情况不再发生，而在标准大气压力时发动机最小怠速进气量为2.1g/s, 故催化器插入诊断试验允许的最小进气量设为2.0g/s。

继续进行试验，采集催化器氧存储量数据，如表12。 测量样本：27 均值：8.2 散差：2.33

表12 高原气候路况氧存储量测量值 采样序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 样本值 7.4 7.1 5.78.510..56 7.6 5.7 采样序号 10 11 1213 14 1516 17 18 样本值 5.9 11.7 139.27.87.84.811.3 7.4 采样序号 19 20 2122 23 2425 26 27 样本值 9.1 9.2 6.610.57.93.812 6 9.3

3.5 门槛值催化器的寻找与确定

根据法规要求，当催化器老化到引起车辆排放超过规定标准时，诊断系统应该诊断出催化器低效能并报告故障。而在开发试验时，如何获得低效能催化器

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呢？国家车辆可靠性耐久法规试验的规范，是根据大量车辆行驶工况统计调查，而得出来的代表大多数车辆在生命周期内的主要典型工况，并把它做成了规范。催化器也是在这种工况下老化的。但通过这种试验获取的低效能催化器时间周期太长，长达15个月以上，费用也很昂贵。经过多年研究，催化器供应商发现可以由发动机台架模拟实车老化催化器，这样可大大降低费用与时间，老化一只催化器可在2至3个月完成，但由于汽车市场的激烈竞争，新车开发周期越来越短，催化器供应商又开发出了高温炉老化催化器的技术，使催化器老化周期控制在1个月以内。对于催化器老化到何时可引起车辆排放超标是无法计算出来的，因此，在寻找低效能门槛值催化器时必需经过多次老化尝试才能最终得到。

老化步骤：

1) 在发动机排温已基本固定后，催化器在发动机各工况下的温度也已基本固定，此时，可测量出催化器的工作温度模型，模型数据如图31。

1.210.80.60.40.200851702553404255105956807658509356000050000400003000020000100000

图31 车辆运行中催化器温度分布的温度模型数据图

Fig.31 the converter temperature distribution when vehicle running

distributioncumulative%

2) 根据温度模型，由发动机台架老化出相当于车辆8万公里老化的催化器。 3) 把8万公里老化催化器装到车辆上，做排放试验，同时测量出经温度和进气流量补偿过的催化器氧存储量，该车数据如表13。

4) 以温度模型、8万公里老化催化器的排放值与氧存储量值为依据，老化两个催化器。一个叫样本A，比8万公里催化器再老化一些，相当于两倍8万公里老化，另一个叫样本C，它比A要更老化许多，相当于3倍或4倍8万公里老化。

5) 把催化器样本A和C分别前后安装到车辆上，做车辆排放试验并测量它们的氧存储量。根据结果，由二分法插入寻找低效能门槛值催化器。如果样本A的排放结果已超过国家法规限值，则低效能门槛值催化器应该比样本A少老化一些；如果样本C的排放结果还远低于国家法规限值，则低效能门槛值

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催化器应该比样本C多老化一些；如果样本A的排放值远低于国家法规限值，而样本C的排放值高于国家法规限值，则低效能门槛值催化器的老化程度应

[49]

该在样本A与样本C之间。最后得到一个低效能门槛值催化器，它的排放中的HC排放量值应该是在国家限值以下但很接近的（如0.34－0.36），该车的具体数据如表14。

表13 8万公里催化器排放结果及其氧存储量

T_OSC THC CO NOx 国家排放限值 0.2 2.3 0.15 国家OBD报警排放限值0.4 3.2 0.6

Veh.NO.

Lw-T16 0.135 0.86 0.08 4.4 Lw-T16 0.117 0.77 0.054 4.7 Lw-T16 0.129 0.87 0.057 4.3

表14 样本A、C与门槛值催化器排放结果及其氧存储量

THC CO NOx 国家排放限值 0.2 2.3 0.15 国家OBD报警排放限值0.4 3.2 0.6

标准氧

车辆编

催化器 存储量

号

(t_OSC)

Lw-T16 THD100hours（样本A）0.16 2.17 0.15 1.09 Lw-T16 THD100hours（样本A）0.17 2.34 0.12 0.67 Lw-T16 THD100hours（样本A）0.165 2.74 0.11 0.97 Lw-T16 THD150hours（样本C）0.23 2.73 0.21 0.4 Lw-T16 THD150hours（样本C）0.165 2.4 0.19 0.6 Lw-T16 THD150hours（样本C）0.163 2.5 0.18 0.42 Lw-T16 THD 300hrs（门槛值样本）0.248 5.1 0.71 0.16 Lw-T16 THD 300hrs（门槛值样本）0.285 5.25 0.62 0.18 Lw-T16 THD 300hrs（门槛值样本）0.26 4.92 0.73 0.14 Lw-T16 Inert Conv（空载体样本）2．4 6．2 1．9 0.1

3.6 诊断阀值的标定

把门槛值催化器安装到车辆上，同时装上8万公里老化氧传感器，对催化器氧存储量进行重复测量[50]，同时计算出其平均值和偏差，其值如表15。

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表15 门槛值催化器氧存储量测量值

测试序号 1 2 3 4 5 6 7 8 标准氧存储量 0.13 0.130.09 0.130.110.11 0.14 0.13测试序号 9 10 11 12 13 14 15 16 标准氧存储量 0.14 0.130.14 0.170.140.16 0.13 0.17测试序号 17 18 19 20 21 22 23 24 标准氧存储量 0.17 0.130.14 0.140.190.16 0.16 0.17测试序号 25 26 27 28 29 30 31 32 标准氧存储量 0.22 0.2 0.2 0.190.140.2 0.19 0.17

其平均值为：0.154 标准均方差为：0.031

之后，由8万公里老化催化器更换到到同一车辆上，对催化器氧存储量进行重复测量[51]，同时计算出其平均值和偏差，其值如表16。

表16 8万公里老化催化器氧存储量测量值 测试序号 1 2 3 4 5 6 7 8 标准氧存储量 3.6 2.7 2.66 3.2 5.7 4.6 4 3.7测试序号 9 10 11 12 13 14 15 16 标准氧存储量 5.58 3.8 6.9 3.8 5.4 4.8 4.1 4.3测试序号 17 18 19 20 21 22 23 24 标准氧存储量 4.1 4.5 5.1 2.3 2.6 3.8 3.7 3.5测试序号 25 26 27 28 29 30 31 32 标准氧存储量 4.6 4.3 3.8 4.2 3.9 4.6 4.8 4.5

其平均值为：4.16 标准均方差为：0.97

把两种测量计算的值作正态分布曲线，如图32。

为了即能使故障催化器能准确被诊断出来，又保证正常催化器不被误诊断，门槛值的设置就十分重要。根据6西格玛原则，99.9%的采样样本都应该处于平均值的正负3西格玛以内[52]。则故障催化器的氧存储量度应该小于(0.154＋3×0.031)秒，而8万公里老化催化器都应该大于（4.16－3×0.97）秒。工程上，一方面由于样本采集车辆有限，为了保证故障催化器被报告出来，另一方面，由数据可知，当氧存储量为0.4秒时催化器也已相当于3倍8万公里老化，故门槛值设置为0.4秒。这样，即保证不漏报也不不误报。

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上海交通大学工程硕士学位论文 氧存储量测量值正态分布图21.81.61.41.210.80.60.40.20024688万公里老化催化器低效能门槛值催化器 图32 8万公里老化催化器和低效能门槛值催化器氧存储量测量值的正态分布图 Fig.32 the OSC distribution of the 80,000 miles aged and threshold converters 在经过了大量试验以后，最终得到了新鲜催化器、8万公里老化催化器和门槛值催化器的氧存储量分布如图33。催化器的氧存储量测量结果相对准确且稳定，新鲜催化器的氧存储量平均值约为8秒，均方差值约为2, 8万公里老化催化器氧存储量平均值约为4.5秒，均方差值约为0.7秒，失效门槛值催化器的氧存储量平均值约为0.2秒，均方差值约为0.04秒。 Lcar18ATSWOSCC1.41.210.80.60.40.20051080k_average4.7_sigma0.72inert_average0.045_sigma0.025fresh_average8.77_sigma1.82HotFreshT53_A7.6_S2.8HotFreshT5302_A8.4_S2.24Ls-T53THD300_A0.19_S0.03THD300coldtrip_A0.175_S0.04515 图33 新鲜催化器、8万公里老化催化器、门槛值低效能

催化器的氧存储量测量值的正态分布图 Fig.33 the OSC distribution of 80,000 miles

aged、threshold and fresh converters

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3.7 燃油品质对催化器效率的影响

标定基本结束后，在某试验场进行了OBD耐久试验。使用海南当地93号汽油，油品中锰（MMT）含量虽然在国家规定的18mg/L的限值以内[18]，但都比较高，达到13－15mg/L,而国外在实施OBD法规后都严格控制汽油中的锰（MMT）含量[47]，上限不超过5mg/L,一般为2－3mg/L[12]。车辆在运行到47000公里时报告催化器故障，拆下催化器发现其已被堵塞，堵塞物为红褐色，如图34。而干净催化器如图35。经过对红褐色堵塞物的取样分析表明，其成份主要是锰（Mn）的化合物。

图34 堵塞催化器实例图

Fig.34 the plugged converter in HNPG

图35 干净催化器图 Fig.35 the clear converter

而在北京通县试验场做国家OBD耐久认证试验的车辆使用的是符合北京地方规定的配合国三（欧三）排放法规而设定的汽油，其锰（MMT）含量小于5mg/L, 在实际中检测发现，其油品中锰（MMT）含量小于0.1mg/L。经过8万公里耐久

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试验后，车辆排放符合国家耐久要求。同时，在试验过程中发现8万公里老化的催化器没有堵塞现象，如图36。

图36 北京通县试验场8万公里后的催化器图

Fig.36 the converter after 80,000km durability test in BJPG

由此可见，油品中锰（MMT）对催化器转化效率的性能存在显著影响。

3.8 本章小结

本章主要围绕催化器的诊断插入试验，根据试验的影响因素，在控制软件中设置试验进入条件，同时设置试验进行中的数据监控参数与标准，计算催化器的氧存储量的大小，保证测量的顺利进行与测量结果的准确与稳定性。小结如下：

1、首先，通过对诊断条件参数的放宽，使催化器诊断试验可以很容易满足逻辑要求而进行。

2、根据国家法规的车辆运行工况以及催化器氧存储量测量准确性要求，初步确定一些催化器诊断试验进入的条件。

3、检查发动机运行过程中混合气控制的精度，在混合气空燃比控制精度不理想情况下要求发动机混合气控制标定提高精度，由此确保了催化器氧存储量测量的准确性。

4、对催化器温度和发动机进气量进行测量分析，找出它们在测量过程中对氧存储量的影响，从而标定出它们对氧存储量测量的补偿因子。

5、进行大量道路试验与各种气候、高原试验，找出各种不合适的诊断测量值，分析产生的原因，进一步设定条件，避免错误的测量结果。

通过这些大量试验与数据分析，从而在技术上实现对车辆催化器氧存储量的测量，进而实现对车辆催化器在尾气排放控制中效率的监控。

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第四章 OBD诊断功能的验证

4.1 OBD诊断功能耐久试验的验证

在OBD诊断标定基本结束以后，我们要考验标定的可靠性，它是与车辆的其他性能耐久性试验同时进行的。这个试验总里程为8万公里，在这个过程中，每5000公里对OBD测量数据的结果进行记录[20]。监控车辆排放相关零部件的老化过程，同时检验诊断测量的稳定性。在这个试验中，还可以检查是否有无特殊工况下的各种不良问题，同时也可以检验真实外部条件下各种因素对车辆OBD系统的影响。

OBD耐久试验是在海南试验场进行的，当试验进行到47000公里时，发现车辆工作异常，发动机怠速转速不稳，同时数据显示催化器转化效率显著下降。当车辆耐久试验进行到47500公里左右时，车辆发动机故障指示灯亮，报告催化器低效率故障P0420。在海南对此状态的催化器与车辆进行欧三法规工况的排放试验，其结果如表17，结果表明OBD系统检测满足国家法规。

表17 故障催化器排放结果

HC CO Nox 0.41 2. 0.17

4.2 OBD诊断功能国家认证试验的进行

国家法规规定，新车上市必需取得国家产品目录许可，这其中的必要一项程序就是对样车进行8万公里耐久试验，如果车辆配备了OBD车载诊断系统，则在8万公里耐久试验结束之后必须进行OBD诊断的演示试验。此试验是由中国汽车技术研究中心在北京通县汽车试验场进行的，在这项试验中，车辆试验每增加1万公里进行1次排放检测，试验过程中除了对车辆进行与在用车相同的常规保养外，不得更换任何零部件，尤其是与排放相关的部件。整个试验经过长达5个多月的进行，其排放数据老化的曲线如图37。

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1.61.41.210.80.60.40.200204060800.10.090.080.070.060.050.040.030.020.010100COHCNOx

图37 车辆8万公里老化过程排放趋势图

Fig.37 the emission results of every 10,000km of total 80,000km durability test

此结果表明，该车符合国家8万公里耐久性试验（国标中的V型试验）法规。

在此耐久性试验车的基础上对OBD系统进行验证试验，试验如下： 1)、催化器的监控演示试验

换上失效门槛值催化器，清除所以故障诊断信息，进行试验。通过两次国家I型试验（欧洲排放循环工况），检查OBD功能与车辆排放状况，其结果如表18，排放中HC达到0.27g/km, 催化器低效率故障码P0420出现，故障灯MIL亮，表明该功能模块符合国际法规要求。

表18 国家OBD演示催化器故障试验排放与故障结果

HC(g/km) CO(g/km) Nox(g/km)CO2(g/km)

油耗

（L/100km)

8.7 8.6 故障码 无 出现P0420

发动机故障灯不亮 亮

0.273 4.8 0.67 206 0.265 5.1 0.65 205 2)、发动机失火监控演示试验

换回原车8万公里老化催化器，安装好发动机失火发生器，进行国家I型试验，检查OBD功能与车辆排放状况，其结果如表19，其中HC为0.3g/km,发动机失火故障码P0300出现，故障灯MIL亮，表明该功能模块符合国际法规要求。

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表19 国家OBD演示失火故障试验排放与故障结果

HC(g/km) CO(g/km) Nox(g/km)CO2(g/km) 油耗

（L/100km)

故障码 出现P0300

发动机故障灯亮

0.31 1.6 0.087 209

8.8 3)、氧传感器失效监控演示试验

拆除发动机失火发生器，安装好氧传感器故障模拟仪器，进行两次国家I型试验，检查OBD功能与车辆排放状况，其结果如表20，CO为2.6g/km，氧传感器故障码P0133出现，故障灯MIL亮，表明该功能模块符合国际法规要求。

表20 国家OBD演示氧传感器故障试验排放与故障结果

HC(g/km) CO(g/km) Nox(g/km)

CO2(g/km)

油耗

（L/100km)

故障码

发动机故障灯不亮 亮

0.18 2.6 0.078 210 0.17 2.5 0.079 211 8.9 无 8.9 出现P0133

由以上演示试验结果表明，该车辆OBD系统功能满足国家法规要求。

4.3 本章小结

通过耐久性试验的验证和国家法规认证与演示试验，充分表明：

1、该项目达到立项要求，使新车辆具备了OBD诊断功能，而且可靠准确。 2、由于国家法规的快速建设，在车辆使用环境没有达到一定条件之前，车辆的排放控制技术不能达到预期效果。如油品的好坏将直接影响车辆的排放水平。

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第五章 总结与展望

5.1 本课题研究的结论

通过对OBD诊断系统的具体研究和在实际车型上的应用研究，总结出以下一些结论：

1、通过具体研究，了解到目前影响汽油机车辆排放的几大零部件或子系统主要分为四块，分别是三元催化器的催化效率、氧传感器的信号准确性、发动机运行时是否有失火以及发动机供油系统供油是否准确。同时，针对这些零部件或子系统，本文进行了具体原理分析，阐述了它们对车辆排放的影响原因，找出了它们的失效特征，确定出了诊断策略，制定诊断方案，具体如下： (1) 催化器的催化效率与氧存储量存在特定关系，通过监控催化器的氧存储量来具体判断催化器是否失效。

(2) 氧传感器对车辆的排放影响取决于其信号是否及时准确的反应了混合气的真实情况，根据其在特定工况下的电压特性与周期特性来判断氧传感器反馈信号是否准确，达到氧传感器的诊断目的。

(3) 发动机失火表现出来的是发动机曲轴转速加速度的急剧变化，通过在可靠工况下建立失火与正常情况下的曲轴加速度指标来判断发动机是否存在失火，失火率多少，是否导致排放超标，最终达到对发动机失火的诊断。

(4) 燃油系统老化产生偏差后将导致燃油供给偏差，影响发动机燃烧混合气的控制，最终导致排放超标。燃油供给系统偏差具有学习调整，这个值表示燃油系统偏差的大小，因此通过判断此值来达到对燃油系统老化偏差的诊断。

2、通过对催化器的具体开发试验研究，本课题做了以下工作：

(1) 由于氧化铈的化学活性受温度影响，因此氧存储量的大小受催化器床温影响，本课题对催化器进行了大量试验，找出了催化器温度与氧存储量测量结果之间的具体关系，并对诊断数据中的温度补偿参数进行了精确的设置。 (2) 由于氧存储量的测量结果受发动机负荷影响，因此本研究通过大量试验，找出了该车上发动机负荷与氧存储量测量结果之间的具体关系，并对诊断策略中的发动机补偿参数进行了精确的设置。

(3) 由于在测量过程中实际的发动机空燃比与理论控制值有偏差，因此通过试验严格约束了氧存储量测量的条件，保证了混合气空燃比的偏差在一定误差范围以内，达到准确诊断的目的。

(4) 由于在氧存储量测量过程中的很多因素受外界环境影响，如发动机混合气空燃比、氧传感器信号、催化器温度的估算值等，因此本课题对诊断数据进行各种气候和海拔试验，如夏季高温试验、高原低气压试验，严格检查了各种因素的影响，并对各种具体试验条件与参数进行了严格与精准设置，最终达到准确判断催化器催化效率的目的。

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3、通过耐久性试验和国家认证试验，最终验证并证明了诊断的可靠性与准确性。

本课题的研究具有以下几点意义：

1、本课题是在国家最新法规即将出台前，针对具体的产品进行的开发，实际利用价值强。

2、 本课题涉及的车载OBD诊断功能在国内属于最新的前沿开发项目，在研究过程中较透彻地理解了OBD诊断涉及的各功能块的诊断原理，介绍了OBD诊断的理论依据及方法。

3、在实际车型上对催化器诊断进行了产品化开发，从理论中分析该诊断的可靠性的影响因素与纠正方法，在试验中发现具体不足与寻求解决方法，较好的达到了实际项目开发的目的。

5.2 展望

5.2.1 催化器低效能诊断的进一步研究

由于催化器氧存储量与排放中各排放物并没有严格的线性关系，到目前为止，我国和欧洲法规体系在催化器诊断时只要求监控排放量中的HC。这样就失去了对NOX和CO的监控机会，而催化器的转化效率的老化也会出现NOX和CO的超标而HC还未超标的情况，这本身需要发展一种新的监控技术，建立新的监控指标，把排放中各种排放量都纳入监控体系之中，在今后的发展中，这是一个有待研究的课题。

5.2.2 整个OBD诊断系统的进一步研究

虽然目前法规要求是对任何引起排放超标的零部件及系统进行诊断，任何故障引起的排放超标都要被诊断出来。但实际现实情况是还面临许多技术问题，首先，我们目前诊断的检验方式是在8万公里老化车辆安装单一失效零部件进行。这意味着车辆在一般8万公里老化状态下，由于某单个零部件突然远远超过8万公里老化，引起排放超标，此时可把这个零部件的失效诊断出来。然而，当所有零部件与系统一起同步老化时，有可能在单个零部件都还未单独引起车辆排放超标时，而它们的集团作用就使车辆排放超标。但目前这个诊断在技术与工程上难度太大，所以无法实现。未来的发展方向也不会关注在此，而是在现有法规上

[21]

降低排放限值。

5.2.3 与车载OBD诊断系统有关的车辆使用环境的改善与法规的健全

在对车载OBD诊断功能进行的可靠性耐久试验与国家认证试验中发现，汽油中的某些成份会对车辆排放污染物控制装置产生严重的劣化作用，国家在对车辆性能要求提高的同时，还应该逐步改善车辆使用环境并建立相应的法规。

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致 谢

在此论文即要完成之际，我首先要向尊敬的导师杨林教授和虞金霞博士表示深深的谢意。

本论文的所有工作都是在杨教授与虞博士的热情关怀与精心指导下完成的，从最初的题目确定、资料收集、方案讨论，到论文修改和最后的完成，都得到了杨教授和虞博士的指导和帮助，使我开拓了视野，锻炼了能力。在此过程中，虞博士还从工作上给予了我很大的帮助，指导我如何更好的完成项目，收集数据，对论文进行不断修改。另外，两位导师严谨的治学作风态度、忘我的工作精神、对科研事业的执著追求，都给我树立了良好的榜样，使我受益菲浅。与此，我也感觉到自身的不足和差距，由衷地期望在今后的工作和生活上能够继续得到恩师们的指点和教导，不胜感激！

交大殷良成教授、冒晓建副教授、李莉副教授在我的论文开题、撰写上都提出了建设性的意见，使我的论文今天得以完成。真诚感谢各位在我这次学习过程中给予的无私关爱与教导，使得我不断严格要求自己，严谨求学，端正自己的研究态度。

在我攻读硕士学位期间，还得到交大其他老师的真情关怀。

在这三年中，王显正老师以及整个学院工程硕士办的老师们对我们整个班级付出了很大心血。由于我们都是在职学习，很多时候由于工作或其他原因，导致缺课或者考试时间冲突，都是由王老师或其他老师协调补课、重新调整考试时间或补考时间，使我们得以顺利完成学业。真心地感谢王老师以及工硕办的所有老师，是你们的无私关爱和辛勤奉献换得了我们再次学习的环境。

最后，还要感谢这三年里为我们精彩授课的交大各位老师们，是他们牺牲了宝贵的周末休息时间，才让我们有了学习的机会。

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攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

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