基于OBD技术的轻型柴油车DPF系统诊断策略的研究
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前信息曲线，能够直观地观测背压和压差高限值以 及其它相关信息的变化趋势。右边窗口为 OBD 故 障报警窗口，当 DPF 某部件出现故障时，相应变量 将指示故障。实时监控的同时，通过数据采集卡将 数据采集存储起来用做试验分析。单个部件诊断和
图 9 超高限故障判断试验数据
2011( Vol． 33) No． 3
( 2)
Δpmin = f( Qinlet ，Tbed ，mfuel ，mmin )
( 3)
在判断故障过程中，为避免工况瞬间变化带来
的 Δp 异常，须为故障限值设置系数。即
· 206 ·
汽车工程
2011 年( 第 33 卷) 第 3 期
Δpmax ＇ = c1 Δpmax
( 4)
Δpmin ＇ = c2 Δpmin
2011 年( 第 33 卷) 第 3 期
汽车工程 Automotive Engineering
2011( Vol． 33) No． 3
2011042
基于 OBD 技术的轻型柴油车 DPF 系统诊断策略的研究*
卜建国，张卫锋，资新运，徐正飞，姚广涛
( 军事交通学院汽车工程系，天津 300161)
［摘要］ 在 OBD 诊断原理的基础上，通过灵活运用诊断方法和合理设计诊断逻辑框架，构建了轻型柴油车 DPF 系统的 OBD 功能诊断策略，并进行了实车试验。结果表明，所设计的诊断策略能满足 OBD 认证法规的要求。
卜建国，等: 基于 OBD 技术的轻型柴油车 DPF 系统诊断策略的研究
· 207 ·
差高限值，最终超过压差高限值，出现 DPF 失效故 障报警指示。
图 10 为超低限故障判断试验数据，试验数据样 本为 12 000 个，是一天行车 3h 采集的数据。实测 压差始终低于压差低限值，挂烟试验过程，压差增加 不明显，说明由于过滤体烧漏，漏气的孔道由于阻力 小，排气流 量 大，致 使 DPF 基 本 上 无 法 过 滤 碳 烟。 从两辆车试验数据曲线分析，可知其规律具有重复 性，证明本诊断策略具有普遍性。
关键词: 车载诊断; 诊断策略; 微粒捕集器
A Research on the Diagnostic Strategy for the DPF System of Light-duty Diesel Vehicle Based on OBD Technology
Bu Jianguo，Zhang Weifeng，Zi Xinyun，Xu Zห้องสมุดไป่ตู้engfei ＆ Yao Guangtao
2011( Vol． 33) No． 3
卜建国，等: 基于 OBD 技术的轻型柴油车 DPF 系统诊断策略的研究
· 205 ·
图 2 DPF 系统 OBD 模块结构
图 3 单个部件诊断的 SRC 流程
图 4 单个部件合理性诊断流程
限值，且持续时间超过预设值，合理性诊断故障错误 位置 1。如果合理性故障错误位已经置 1，而采样值 又恢复为合理值，那么故障分别在指定的延迟时间 后重置 0，合理性故障消失。 2. 3. 2 DPF 过滤体失效诊断策略
( 5)
此处，取 c1 = 1. 2，c2 = 0. 9。通过以上计算，可
以得到各工况下的压差限值，如果实测压差超出压
差限值范围，则判断出现故障。图 6 为故障判断示
意图，压差实测值超出了设定的压差高限值，说明此
时 DPF 堵塞，可能原因为 DPF 再生失败。
合理性诊断可以通过人为操作，例如断开或短接传 感器和执行机构，观察是否在设定的时间内出现相 应故障报警。DPF 失效诊断是通过车载挂烟试验进 行的，分两组试验: 一组是完好 DPF 挂烟试验，另外 一组是烧漏 DPF 挂烟试验。
Keywords: OBD; diagnostic strategy; DPF
前言
在柴油车 面 对 日 益 严 格 排 放 法 规 的 应 对 策 略 中，与机内净化技术路线相比，微粒捕集器( DPF) 技 术路线比较适合我国的国情。随着美国、欧盟、日本 等国家先后出台车载诊断系统( OBD) 相关法规，我 国在 GB 18352. 3—2005《轻型汽车污染物排放限值 及测量方法( 中国Ⅲ、Ⅳ阶段) 》中对国Ⅲ、国Ⅳ阶段 的发动机排气净化系统 OBD 功能提出了强制性要 求。环保部于 2008 年 6 月发布了 HJ 437—2008《车 用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断 ( OBD) 系统技术要求》标准，从技术上对 OBD 功能 提出了具体要求。环保部 2009 年 12 月颁布的 HJ 500—2009《轻型汽车车载诊断 ( OBD) 系统管理规 范》又对 GB 18352. 3—2005 中有关 OBD 系统的技 术内容做了补充。由于我国 OBD 技术的发展起步
2 基于 OBD 技术的轻型柴油车 DPF 系统诊断策略研究
2. 1 DPF 系统构成 DPF 系统构成如图 1 所示，它包括起燃器、DPF
过滤体、供气系统、喷油系统和相应的温度与压力传 感器等。系统的工作原理是: DPF 过滤柴油机排气
中的颗粒物( PM) ，使其排放达到相应的标准。随着 PM 在过滤体内积累，柴油机排气背压逐渐上升，影 响发动机的性能和 DPF 的工作效率，因而须定时去 除已捕集的 PM 以恢复 DPF 的性能。将去除 PM 的 过程叫做 DPF 再生。过滤体再生技术分为主动再 生和被动再生两种［5］。考虑到被动再生对燃油硫含 量的要求苛刻，在我国通常采用提高排气温度的方 法来再生 DPF，即主动再生。PM 的起始燃烧温度约 为 600℃ ，而现有柴油机，特别是轻型柴油机的排气 温度较低，达不到此温度。文中通过燃油添加剂将 PM 起燃温度降低到 450℃ ，再通过起燃器加热的方 式提高过滤体温度，以实现 PM 的燃烧。
DPF 系统中与排放相关的综合部件的诊断主要 包括组件的断路与短路、合理性监测、电源电压监测
和执行器的功能性诊断。主要手段是依据设计的诊 断电路，并结合监测相关参数的变化情况来实现。
图 3 为单个部件诊断时的信号范围检测( signal range check，SRC) 原理图。信号值由原始电压 AD 值按公式换算得到，SRC 是在原始电压值基础上执 行的。如果原始电压值超出高限值的持续时间超过 预先设定的时间参数值，即出现了 SRC 高 限 值 故 障，高限故障错误位置 1; 如果低于低限值的持续时 间超过预先设定的时间参数值，即出现了 SRC 低限 值故障，低限故障错误位置 1。如果出现了传感器 电压故障，且持续时间超过限值，则电压故障错误位 置 1。
图 1 DPF 系统构成
2. 2 DPF 系统 OBD 模块的诊断功能需求分析 OBD 模块中对于 DPF 系统的诊断项目主要分
为部件级的诊断、系统级的诊断和 ECU 自诊断 3 部 分。部件级的诊断包括电路的短路与断路，以及针 对重要组件的电源电压监测; 系统级的诊断主要是 根据监测信号的变化所反映出来的参数之间的相互 关联是否合理来判断系统是否处于良好状态，或能 否实现既定功能; ECU 的自诊断主要是依据 ECU 中 芯片的诊断功能或附加的诊断电路来对 A /D 数据 采集、通信模块、储存模块和电源电压等进行监测。 OBD 整体框架如图 2 所示。 2. 3 DPF 系统的重要诊断策略
图 5 为 DPF 过滤体的主要失效形式。DPF 过 滤体 是 否 失 效 可 通 过 监 控 DPF 前 后 压 差 来 判 断［6 － 9］。DPF 前 后 压 差 主 要 受 发 动 机 进 气 流 量、 DPF 前温度和喷油量的影响，即
图 5 DPF 过滤体主要失效形式
Δp = f( Qinlet ，Tbed ，mfuel ，mPM )
Department of Automobile Engineering，Military Transportation University，Tianjin 300161
［Abstract］ On the base of on-board diagnosis ( OBD) theory，and by using diagnostic methods flexibly and devising diagnostic logic frame rationally，a OBD function diagnostic strategy for the diesel particle filter ( DPF) system of light-duty diesel vehicle is constructed，which is then verified by real vehicle test． The results show that the diagnostic strategy devised can meet the requirements of OBD certification regulations．
在 DPF 系统 OBD 功能所须监测的比较重要的 项目是 DPF 失效和综合部件的诊断。在设计 DPF 系统 OBD 功能的诊断策略时主要使用 4 类诊断方 法: 值阈分析法、时阈分析法、功能判别法和逻辑判 别法，而在实际的诊断策略实施中，往往是综合运用 多种诊断方法，使诊断的逻辑更加可靠。 2. 3. 1 综合部件诊断策略
* 国家高技术研究发展计划( 2009AA064801B) 和国家“863”探索项目( 2008AA06Z321) 资助。 原稿收到日期为 2010 年 9 月 2 日，修改稿收到日期为 2010 年 11 月 26 日。
· 204 ·
汽车工程
2011 年( 第 33 卷) 第 3 期
的功能标准作了具体的说明，从而形成了标准的故 障诊断代码、诊断接口和通信协议，同时对 OBD 中 故障指示灯的触发和诊断软件的模式也作了相应的 功能性描述［4］。
作，能够按照要求完成故障报警，故障报警准确率达 到 95% 以上。
图 9 为超高限故障判断试验数据，试验数据样 本为 16 000 个，是一次行车 4h 采集的数据。从图中 可以看出，随着挂烟量的增加，实测压差逐渐逼近压
图 7 DPF 系统的整车搭建
3. 2 试验过程 图 8 为试验监控界面，左边窗口为实时显示当
( 1)
式中: Δp 为 DPF 前后的压差，Qinlet 为进气流量，Tbed
为 DPF 床温，mfuel 为喷油量，mPM 为 PM 的存积量，即
DPF 的挂烟量。当限定 mPM 的高限值为 mmax ，低限
值为 0 时，可得
Δpmax = f( Qinlet ，Tbed ，mfuel ，mmax )
当出现 SRC 故障或提供电压故障时，传感器参 数设置为默认值或最后有效值。如果 SRC 故障已 置 1，而原始值恢复为有效值，则高限或低限故障将 分别在指定的延迟时间后重置，信号值将再次来源 于转换函数。
图 4 为单个部件合理性诊断原理图。在部件 SRC 检测通过后对该部件进行合理性诊断。在一个 监测周期内连续采样取均值与设定值相减后取绝对 值，再与合理性检查中该项目的限值比较，如果超过
图 6 基于限值判断的 DPF 失效诊断示意图
3 试验验证及分析
3. 1 试验装置 试验设备主要为装有 DPF 系统的试验车两辆，
如图 7 所 示。背 压 监 测 采 用 压 差 传 感 器，安 装 于 DPF 前后，温度传感器为 PT200。
图 8 OBD 监控界面
3. 3 试验分析 单个部件和合理性诊断策略验证，通过人为操
较晚，受到技术积累周期短、专业人才相对缺乏等因 素影响，OBD 已经成为制约 DPF 技术全面升级的一 个重要因素［1 － 3］。
1 OBD 功能简述
OBD 是一种自诊断汽车故障的程序，当系统出 现故障时，故障灯或检查发动机警告灯亮，同时动力 总成模块( PCM) 将故障信息存入储存器，通过一定 程序可将故障码从 PCM 中调出来，就能迅速、准确 地确定故 障 的 性 质 和 部 位，从 而 将 故 障 排 除。 OBD 诊断以监测可能引起故障的异常信号为着眼点，当 参数的直接监测难以实现时，根据参数之间的相关 性进行间接监测，使用合理可靠的诊断策略判别异 常信号是否属于故障。OBD 技术兴起于美国，最早 的 OBD 标准由美国各大汽车企业内部约定，逐步发 展成 SAE 体系和 ISO 体系，如 ISO15031 就对 OBD
图 9 超高限故障判断试验数据
2011( Vol． 33) No． 3
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Δpmin = f( Qinlet ，Tbed ，mfuel ，mmin )
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在判断故障过程中，为避免工况瞬间变化带来
的 Δp 异常，须为故障限值设置系数。即
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Δpmax ＇ = c1 Δpmax
( 4)
Δpmin ＇ = c2 Δpmin
2011 年( 第 33 卷) 第 3 期
汽车工程 Automotive Engineering
2011( Vol． 33) No． 3
2011042
基于 OBD 技术的轻型柴油车 DPF 系统诊断策略的研究*
卜建国，张卫锋，资新运，徐正飞，姚广涛
( 军事交通学院汽车工程系，天津 300161)
［摘要］ 在 OBD 诊断原理的基础上，通过灵活运用诊断方法和合理设计诊断逻辑框架，构建了轻型柴油车 DPF 系统的 OBD 功能诊断策略，并进行了实车试验。结果表明，所设计的诊断策略能满足 OBD 认证法规的要求。
卜建国，等: 基于 OBD 技术的轻型柴油车 DPF 系统诊断策略的研究
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差高限值，最终超过压差高限值，出现 DPF 失效故 障报警指示。
图 10 为超低限故障判断试验数据，试验数据样 本为 12 000 个，是一天行车 3h 采集的数据。实测 压差始终低于压差低限值，挂烟试验过程，压差增加 不明显，说明由于过滤体烧漏，漏气的孔道由于阻力 小，排气流 量 大，致 使 DPF 基 本 上 无 法 过 滤 碳 烟。 从两辆车试验数据曲线分析，可知其规律具有重复 性，证明本诊断策略具有普遍性。
关键词: 车载诊断; 诊断策略; 微粒捕集器
A Research on the Diagnostic Strategy for the DPF System of Light-duty Diesel Vehicle Based on OBD Technology
Bu Jianguo，Zhang Weifeng，Zi Xinyun，Xu Zห้องสมุดไป่ตู้engfei ＆ Yao Guangtao
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图 2 DPF 系统 OBD 模块结构
图 3 单个部件诊断的 SRC 流程
图 4 单个部件合理性诊断流程
限值，且持续时间超过预设值，合理性诊断故障错误 位置 1。如果合理性故障错误位已经置 1，而采样值 又恢复为合理值，那么故障分别在指定的延迟时间 后重置 0，合理性故障消失。 2. 3. 2 DPF 过滤体失效诊断策略
( 5)
此处，取 c1 = 1. 2，c2 = 0. 9。通过以上计算，可
以得到各工况下的压差限值，如果实测压差超出压
差限值范围，则判断出现故障。图 6 为故障判断示
意图，压差实测值超出了设定的压差高限值，说明此
时 DPF 堵塞，可能原因为 DPF 再生失败。
合理性诊断可以通过人为操作，例如断开或短接传 感器和执行机构，观察是否在设定的时间内出现相 应故障报警。DPF 失效诊断是通过车载挂烟试验进 行的，分两组试验: 一组是完好 DPF 挂烟试验，另外 一组是烧漏 DPF 挂烟试验。
Keywords: OBD; diagnostic strategy; DPF
前言
在柴油车 面 对 日 益 严 格 排 放 法 规 的 应 对 策 略 中，与机内净化技术路线相比，微粒捕集器( DPF) 技 术路线比较适合我国的国情。随着美国、欧盟、日本 等国家先后出台车载诊断系统( OBD) 相关法规，我 国在 GB 18352. 3—2005《轻型汽车污染物排放限值 及测量方法( 中国Ⅲ、Ⅳ阶段) 》中对国Ⅲ、国Ⅳ阶段 的发动机排气净化系统 OBD 功能提出了强制性要 求。环保部于 2008 年 6 月发布了 HJ 437—2008《车 用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断 ( OBD) 系统技术要求》标准，从技术上对 OBD 功能 提出了具体要求。环保部 2009 年 12 月颁布的 HJ 500—2009《轻型汽车车载诊断 ( OBD) 系统管理规 范》又对 GB 18352. 3—2005 中有关 OBD 系统的技 术内容做了补充。由于我国 OBD 技术的发展起步
2 基于 OBD 技术的轻型柴油车 DPF 系统诊断策略研究
2. 1 DPF 系统构成 DPF 系统构成如图 1 所示，它包括起燃器、DPF
过滤体、供气系统、喷油系统和相应的温度与压力传 感器等。系统的工作原理是: DPF 过滤柴油机排气
中的颗粒物( PM) ，使其排放达到相应的标准。随着 PM 在过滤体内积累，柴油机排气背压逐渐上升，影 响发动机的性能和 DPF 的工作效率，因而须定时去 除已捕集的 PM 以恢复 DPF 的性能。将去除 PM 的 过程叫做 DPF 再生。过滤体再生技术分为主动再 生和被动再生两种［5］。考虑到被动再生对燃油硫含 量的要求苛刻，在我国通常采用提高排气温度的方 法来再生 DPF，即主动再生。PM 的起始燃烧温度约 为 600℃ ，而现有柴油机，特别是轻型柴油机的排气 温度较低，达不到此温度。文中通过燃油添加剂将 PM 起燃温度降低到 450℃ ，再通过起燃器加热的方 式提高过滤体温度，以实现 PM 的燃烧。
DPF 系统中与排放相关的综合部件的诊断主要 包括组件的断路与短路、合理性监测、电源电压监测
和执行器的功能性诊断。主要手段是依据设计的诊 断电路，并结合监测相关参数的变化情况来实现。
图 3 为单个部件诊断时的信号范围检测( signal range check，SRC) 原理图。信号值由原始电压 AD 值按公式换算得到，SRC 是在原始电压值基础上执 行的。如果原始电压值超出高限值的持续时间超过 预先设定的时间参数值，即出现了 SRC 高 限 值 故 障，高限故障错误位置 1; 如果低于低限值的持续时 间超过预先设定的时间参数值，即出现了 SRC 低限 值故障，低限故障错误位置 1。如果出现了传感器 电压故障，且持续时间超过限值，则电压故障错误位 置 1。
图 1 DPF 系统构成
2. 2 DPF 系统 OBD 模块的诊断功能需求分析 OBD 模块中对于 DPF 系统的诊断项目主要分
为部件级的诊断、系统级的诊断和 ECU 自诊断 3 部 分。部件级的诊断包括电路的短路与断路，以及针 对重要组件的电源电压监测; 系统级的诊断主要是 根据监测信号的变化所反映出来的参数之间的相互 关联是否合理来判断系统是否处于良好状态，或能 否实现既定功能; ECU 的自诊断主要是依据 ECU 中 芯片的诊断功能或附加的诊断电路来对 A /D 数据 采集、通信模块、储存模块和电源电压等进行监测。 OBD 整体框架如图 2 所示。 2. 3 DPF 系统的重要诊断策略
图 5 为 DPF 过滤体的主要失效形式。DPF 过 滤体 是 否 失 效 可 通 过 监 控 DPF 前 后 压 差 来 判 断［6 － 9］。DPF 前 后 压 差 主 要 受 发 动 机 进 气 流 量、 DPF 前温度和喷油量的影响，即
图 5 DPF 过滤体主要失效形式
Δp = f( Qinlet ，Tbed ，mfuel ，mPM )
Department of Automobile Engineering，Military Transportation University，Tianjin 300161
［Abstract］ On the base of on-board diagnosis ( OBD) theory，and by using diagnostic methods flexibly and devising diagnostic logic frame rationally，a OBD function diagnostic strategy for the diesel particle filter ( DPF) system of light-duty diesel vehicle is constructed，which is then verified by real vehicle test． The results show that the diagnostic strategy devised can meet the requirements of OBD certification regulations．
在 DPF 系统 OBD 功能所须监测的比较重要的 项目是 DPF 失效和综合部件的诊断。在设计 DPF 系统 OBD 功能的诊断策略时主要使用 4 类诊断方 法: 值阈分析法、时阈分析法、功能判别法和逻辑判 别法，而在实际的诊断策略实施中，往往是综合运用 多种诊断方法，使诊断的逻辑更加可靠。 2. 3. 1 综合部件诊断策略
* 国家高技术研究发展计划( 2009AA064801B) 和国家“863”探索项目( 2008AA06Z321) 资助。 原稿收到日期为 2010 年 9 月 2 日，修改稿收到日期为 2010 年 11 月 26 日。
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汽车工程
2011 年( 第 33 卷) 第 3 期
的功能标准作了具体的说明，从而形成了标准的故 障诊断代码、诊断接口和通信协议，同时对 OBD 中 故障指示灯的触发和诊断软件的模式也作了相应的 功能性描述［4］。
作，能够按照要求完成故障报警，故障报警准确率达 到 95% 以上。
图 9 为超高限故障判断试验数据，试验数据样 本为 16 000 个，是一次行车 4h 采集的数据。从图中 可以看出，随着挂烟量的增加，实测压差逐渐逼近压
图 7 DPF 系统的整车搭建
3. 2 试验过程 图 8 为试验监控界面，左边窗口为实时显示当
( 1)
式中: Δp 为 DPF 前后的压差，Qinlet 为进气流量，Tbed
为 DPF 床温，mfuel 为喷油量，mPM 为 PM 的存积量，即
DPF 的挂烟量。当限定 mPM 的高限值为 mmax ，低限
值为 0 时，可得
Δpmax = f( Qinlet ，Tbed ，mfuel ，mmax )
当出现 SRC 故障或提供电压故障时，传感器参 数设置为默认值或最后有效值。如果 SRC 故障已 置 1，而原始值恢复为有效值，则高限或低限故障将 分别在指定的延迟时间后重置，信号值将再次来源 于转换函数。
图 4 为单个部件合理性诊断原理图。在部件 SRC 检测通过后对该部件进行合理性诊断。在一个 监测周期内连续采样取均值与设定值相减后取绝对 值，再与合理性检查中该项目的限值比较，如果超过
图 6 基于限值判断的 DPF 失效诊断示意图
3 试验验证及分析
3. 1 试验装置 试验设备主要为装有 DPF 系统的试验车两辆，
如图 7 所 示。背 压 监 测 采 用 压 差 传 感 器，安 装 于 DPF 前后，温度传感器为 PT200。
图 8 OBD 监控界面
3. 3 试验分析 单个部件和合理性诊断策略验证，通过人为操
较晚，受到技术积累周期短、专业人才相对缺乏等因 素影响，OBD 已经成为制约 DPF 技术全面升级的一 个重要因素［1 － 3］。
1 OBD 功能简述
OBD 是一种自诊断汽车故障的程序，当系统出 现故障时，故障灯或检查发动机警告灯亮，同时动力 总成模块( PCM) 将故障信息存入储存器，通过一定 程序可将故障码从 PCM 中调出来，就能迅速、准确 地确定故 障 的 性 质 和 部 位，从 而 将 故 障 排 除。 OBD 诊断以监测可能引起故障的异常信号为着眼点，当 参数的直接监测难以实现时，根据参数之间的相关 性进行间接监测，使用合理可靠的诊断策略判别异 常信号是否属于故障。OBD 技术兴起于美国，最早 的 OBD 标准由美国各大汽车企业内部约定，逐步发 展成 SAE 体系和 ISO 体系，如 ISO15031 就对 OBD