基于大陸系統氧傳感器故障診斷原理PVE J2測試方法淺析

鐘遠銘　賴先濤　陳旭健

摘 要：根據國六排放法規GB18352.6—2016[1]要求，車輛生產企業需對生產的車輛進行OBD量產車輛評估測試即簡稱PVE;PVE作為生產車輛OBD系統生產一致性（COP）自我檢查的重要組成部分，車輛正式量產之后，企業需提交PVE測試計劃和報告，并接受監督檢查。其中PVE測試中的J2階段測試需對所有亮MIL燈故障（除對車輛造成損壞或危及人身安全以及只能通過修改電子控制單元的故障外）進行演示。本文通過介紹大陸系統氧傳感器故障模擬方法來淺析PVE J2的測試流程。

關鍵詞：PVE測試 OBD系統 氧傳感器故障模擬 J2測試

1 前言

OBD量產車評估測試（PVE）是國六新增的內容，因此該測試對國內所有主機廠即檢測中心來說都比較陌生;隨著國六法規的實施，主機廠也紛紛開展PVE相關測試或委外進行測試，因此掌握構建PVE測試能力不僅能節約測試成本同時也能指導OBD的開發規避產生不合格項的法規風險。為了能掌握PVE測試方法完成每年PVE測試的法規要求，首先必須要對PVE測試有個深入的了解。

PVE測試即為量產車OBD測試評估，其主要包括3個測試階段分別為標準化驗證（J1）、監測要求驗證（J2）、在用性能測試（J3）。標準化驗證的主要內容為評估驗證車輛和掃描工具通訊正常讀取相關數據流信息和格式的正確性，同時根據J1979的要求，驗證監測部件和系統的就緒狀態、MIL燈的命令狀態、CAL ID CVN VIN ECU名稱等信息、故障碼產生和清除是否正常等。監測要求驗證的主要內容為對OBD系統和故障碼的全面評估，當監測條件滿足診斷要求時，OBD系統應檢測到故障、點亮MIL并存儲確認和永久故障碼;以及動態測試驗證用于確定實際檢測頻率的分子計數器和分母計數器能夠按要求正確增加。在用性能驗證主要內容為在用監測追蹤數據，如所有分子計數器、分母計數器和點火循環計數器，以及車型、收集數據日期等信息的收集報告。

其中標準化驗證（J1）測試主要是驗證車輛能夠和掃描工具正常通訊以及OBD 系統滿足SAE J1979-1997《E/EDiagnostic Test Modes》[2]的相關協議要求目前有專門的測試程序指導測試，只要按照測試程序的步驟完成測試生產報告即可。監測要求驗證（J2）測試則需對所有亮MIL燈故障（除對車輛造成損壞或危及人身安全以及只能通過修改電子控制單元的故障外）進行演示操作并記錄相關測試文件，這個階段測試也是整個PVE測試中耗時最長內容最多的測試，這個測試需對所測試的故障診斷原理和模擬方法有比較深入的了解，本文主要通過典型的氧傳感器故障模擬進行著重介紹。在用性能測試（J3）測試需對售后的在用車進行信息的讀取收集并報告。

2 J2測試試驗要求及內容

2.1 J2試驗要求

使用外部測試設備進行故障模擬，如果存在無法實現故障模擬的診斷項，應在計劃中提交說明。對造成車輛物理性損壞或危及人身安全的診斷項，以及只能通過修改電子控制單元來模擬故障可以不進行試驗。永久故障碼的清除測試方式包括故障自然消除（故障不再出現，已修復）和故障信息主動清除（使用掃描工具、斷電重置或控制器刷新）兩種形式。已經在GB18352.6-2016附件JA.6.4的要求下做過的驗證試驗不需要再進行測試。驗證試驗由生產企業在道路或轉轂試驗臺上完成，僅需進行功能性驗證，不需要進行排放測試。

2.2 J2試驗內容

故障檢測：對GB18352.6-2016附錄J.4要求的每個診斷（除型式檢驗中已經進行測試的檢查項外），應用缺陷部件或電子裝置進行故障模擬，驗證其是否能檢測到故障、點亮MIL并存儲確認故障碼信息，并在PVE表格中記錄驗證相關結果。排放中性診斷、不點亮MIL的診斷暫不要求進行。永久故障碼的清除：在上述故障檢測驗證工作全部結束后，企業應在有IUPR率要求和無IUPR率要求的診斷項中各挑選一個有代表性的診斷進行消除故障碼測試。驗證無故障條件下永久故障碼的清除是否符合GB18352.6-2016附錄J.3.2.5的要求并記錄，并記錄相關測量文件。無故障IUPR分子分母增長驗證：SAE J1699-3“動態”測試中IUPR測試部分，測試結果將以ASCII碼的形式寫到LOG文件中，此文件應進行存檔并提交。

3 基于大陸系統某車型氧傳感器故障模擬測試前的準備

3.1 硬件

硬件選用建議選取支持國六SAE 1699-3測試的硬件，例如通訊診斷口選取PassThru+ XS 2G、Cardaq plus3等。J7.2監測要求驗證造故障碼時，故障碼需要輔助硬件，如ECU轉接盒、氧傳感器故障模擬器、線束、電阻、高精度直流穩壓電源、函數發生器、示波器、SENT信號發生器、U代碼故障模擬器、標準泄露孔等。

3.2 軟件

使用支持國六SAE 1699-3測試的新版本DIAGRA D軟件，基于演示的氧傳感器故障需用到氧傳感器故障模擬器配套軟件IAV Primero。

4 試驗流程

根據《輕型車國六標準實施細則（試行）》[3]要求，試驗程序分為：初步故障檢測循環、故障確認循環和永久故障碼清除驗證。

4.1 初步故障檢測循環具體操作為：

連接相關測量設備、清除故障內存、使用外部設備植入故障、KEY ON開始記錄測量文件、起動車輛運行初次故障檢測的循環、發動機熄火保存測試文件;

4.2 故障確認循環具體操作為：

KEY ON開始記錄測量文件、起動車輛進行一次初次故障檢測的循環、發動機熄火保存測試文件

4.3 永久故障碼清除驗證包括以下兩項：

故障自然清除（不再出現、已修復）、故障被動清除（工具擦除、斷電、刷寫）

5 基于大陸系統某車型氧傳感器故障模擬

5.1 氧傳感器的工作原理

氧傳感器主要用于發動機的空燃比控制，安裝在排氣管上，一般根據布置的位置分為前氧傳感器和后氧傳感器，安裝在三元催化器前的氧傳感器成為前氧傳感器，安裝在三元催化器后的氧傳感器成為后氧傳感器。其工作原理是當排氣中含有的氧氣滲入到氧傳感器固體電解質內的發生電離，電離后的氧離子能夠由氧濃度高的內側向濃度低的外側擴散，就會在兩個鉑電極表面產生電壓降，形成微電池，其內部結構如下圖1。

5.2 基于大陸系統的某個氧傳感器故障診斷邏輯

目前國內OBD開發的供應商有多家，不同供應商的OBD系統開發策略有所不同，基于不同發動機匹配的OBD系統[4]，在模擬一個故障前需要對該故障的診斷邏輯和診斷條件有一個清晰的理解，而這些診斷邏輯和診斷條件一般都羅列在OBD文件包的表2中，在故障模擬前需查看故障診斷所需的所有條件，這樣才能比較容易演示出來;本文基于大陸系統某車型下游氧傳感器從濃到稀時電壓梯度過小的故障診斷條件如下表1，該故障其中一個閾值條件為后氧電壓梯度<250 mV/s，同時需要滿足催化器激活，水溫和排氣溫度等條件。該故障涉及到氧傳感器OBD系統診斷原理及故障分析[5]，氧傳感器長期工作在高溫廢氣的環境中，會因各種物理和化學中毒等原因而逐漸老化，致使其對混合氣濃稀的監測反應越來越遲鈍，進而使閉環控制越發不準確，排放惡化。

5.3 設備安裝

由于本次探討的氧傳感器為開關氧其接頭有四個針腳： 加熱電源正極、加熱電源負極、信號負極、信號正極。根據設計的線束原理圖在分線盒上分別找到對應的PIN腳，將設備線束與對應PIN腳連接，如下圖2

5.4 軟件設置

在確認設備接線連接無誤后，接上電源打開IAV Primero軟件選擇對應的傳感器類型，然后進入如下圖2故障設置界面，由于該測試車型的后氧屬于Binary型傳感器，故選擇bin型;而故障模式可以選擇lowpass模式，該模式可以模擬氧傳感老化故障，其工作原理如下圖3，可實現氧傳感器由濃到稀時間邊長或由稀到濃時間變成，而由于電壓梯度=（濃端電壓-稀端電壓）/由濃到稀的時間，如下圖3選擇lowpass模式后氧傳感器電壓由綠線模式變成藍線模式，電壓梯度變小。

故障程度設置

如上所述P013A故障的閾值條件為后氧電壓梯度<250 mV/s，而在軟件上選擇故障模式后需對故障程度進行設置如下圖4，在lowpass模式對應的故障程度單位為時間，因此需要對閾值條件進行轉化，查看該型號傳感器的特性參數如下表2，從下表參數可以看出濃Rich=800mV，稀Lean=50mV，所有得出如下公式（800-50）/x<250，計算結果x>3s即x>3000ms;所以故障程度rich to lean設置為3000ms。

5.5 故障模擬測試

在完成以上故障植入前準備后，打開診斷程序DIAGRA D，并用診斷接口設備Cardaq plus3連接電腦與整車OBD診斷接口。按照測試程序要求進行初步故障檢測循環測試：車輛上電將診斷軟件DIAGRA D與整車建立通訊，通過mode $04重置各DEC-ECU的故障狀態植入故障，然后開始記錄文件，起動車輛然后通過IAV Primero軟件植入前面預設的故障，車輛按故障診斷條件行駛至特定工況直至mode7報出故障碼，記錄并保存測量文件，然后發動機熄火即完成初步故障檢測循環測試。

確認故障循環測試：車輛上電并開始記錄測量文件，然后起動車輛并通過IAV Primero軟件植入前面預設的故障，車輛按故障診斷條件行駛至特定工況直至mode3報出故障碼并同時點亮MIL燈，然后熄火至完全下電，上電KEY ON通過掃描工具DIAGRA D讀取并記錄測試文件保存即完成確認故障循環測試。

5.6 永久故障碼清除驗證

故障自然清除測試

完成以上故障模擬測試后會生成未決故障碼、確認故障碼和永久故障碼，驗證永久故障碼清除測試，車輛熄火并待完全下電后移除外部故障植入，上電將診斷軟件DIAGRA D與整車建立通訊并記錄信息，起動車輛并運行完整的一個氧傳感器診斷循環工況，然后完全熄火后再上電記錄測量信息，按以上步驟運行多個無故障循環直至MIL熄滅并記錄測量信息，最后用掃描工具讀取并記錄故障內存中永久故障碼信息。

故障信息被清除測試

按步驟完成故障模擬測試后會生成未決故障碼、確認故障碼和永久故障碼，在車輛完全下電情況下移除故障植入，上電記錄測量信息，用DIAGRA D通過mode $04清除故障信息，然后起動發動機先怠速30s，然后行駛運行至故障診斷循環同時累計大于40km/h行駛超300s，總運行時間超600s，然后熄火至完全下電，上電記錄并保存測量文件，即完成故障信息被清除測試。

6 結論

國六新增的PVE測試是對OBD系統的一次全面評估，其中涉及通訊檢查和標準化驗證，以及對故障碼的全面驗證，和在用性能的監測，測試范圍廣且復雜。這對主機廠在系統開發驗證方面提出了更高的要求。特別在J2階段的測試不但用時較長，而且測試需要用到不同的輔助設備，這樣就要求熟練掌握各種設備的使用，同時也要對各個故障的診斷邏輯有個清晰的理解。本文基于某車型的OBD系統PVE測試方法[6]進行闡述，以某一車型氧傳感器中的一個故障為例，全面解析J2測試的步驟，同時分析故障診斷原理和設備使用方法及故障植入方法描述。

參考文獻：

[1]環境保護局，國家質量監督檢驗檢疫總局. GB18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S]. 北京：中國環境出版社，2016.

[2]SAE. SAE J1979-1997 E/E Diagnostic Test Modes [EB/OL].（2011-01-30） [2017-02-16]. https：//www.sae.org/standards/content/j1979_201702.

[3]生態環境部機動車排污監控中心，2018年12月版. 輕型車國六標準實施細則（試行）.

[4]鄒雄輝，王亞飛，耿培林，王力輝，劉樂，李菁元. 基于不同發動機控制系統的量產車輛評估測試（PVE）方法比對分析[J].小型內燃機與車輛技，2021，50（2）：67-71.

[5]劉子強，邵晗，李全. 氧傳感器OBD系統診斷原理及故障分析[J].農機使用與維修，2018（1）：39-43.

[6]王力輝，劉樂，凌健.基于OBD系統的量產車評估（PVE）測試方法研究[J].小型內燃機與車輛技術，2019，48（5）：49-55.