车载诊断系统(On board diagnosis, OBD)是电控发动机控制系统的重要功能组成, 为车辆使用维护提供故障位置、故障类型等参考信息^{[1, 2, 3, 4]}。氧传感器信号用于闭环燃油控制, 对于整车排放性能具有决定性影响, 因此是OBD系统中极为重要的诊断项目, 也是国家法规强制要求进行排放认证的三大OBD诊断项目之一^{[5, 6]}。老化后的氧传感器信号致使闭环燃油控制出现严重偏差, 导致整车排放性能超过国家法规要求的OBD排放限值, 对大气环境造成过多污染。

在试验开发过程中, 为获得氧传感器老化信号, 目前通用方法是使用自带模拟电路的老化模拟硬件装置将良好的氧传感器信号经过老化处理后实现, 采用此种硬件处理方式的厂商如博世、大陆、德尔福、电装和伟世通等电喷系统供应商, 以及福特等整机厂^{[3, 7, 8, 9, 10]}。国内学界对于氧传感器信号老化模拟方面的研究也基本聚焦于开发类似的硬件处理装置, 如文献^[11]中武汉理工大学开发的氧传感器劣化模拟装置。本文提出一种基于一阶惯性滤波的氧传感器信号老化模拟方法, 将良好的氧传感器信号完全通过软件处理的方式实现信号的老化, 舍弃传统的硬件模拟装置及其功能支撑相关的硬件设施, 不仅提高氧传感器信号老化方式的稳定性和操作简便性, 并且节省大量的硬件成本。实车测试及排放循环试验验证表明, 本文方法能够有效模拟典型的氧传感器老化故障, 达到甚至超越传统硬件模拟方式的老化效果。

阶跃信号加热型氧传感器(Heated exhaust gas oxygen sensor, HEGO)典型的响应故障包括上升沿响应迟滞(L-R delay)、下降沿响应迟滞(R-L delay)以及双向沿响应迟滞(Bidi delay)三种响应故障^[3]。为获取此三种类型的响应故障, 传统处理方式是在整车与发动机电控单元(Power control module, PCM)之间使用转接盒将氧传感器信号引出, 经过专门的老化处理硬件装置进行老化处理后, 再发送至PCM以供闭环燃油控制模块使用, 如图1(a)所示。本文采用如图1(b)的方式进行老化处理, 当通过工作电脑在线选择氧传感器信号老化方式及老化程度后, PCM内置的软件程序开始执行老化处理逻辑, 获得的老化氧传感器信号再发送至闭环燃油控制模块。传统处理方式使用的转接盒以及老化模拟硬件装置被完全舍弃, 并且现有的PCM内部硬件无需作任何改动。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 氧传感器老化信号获取方式Fig.1 Obtaining ways of aging HEGO signals

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 氧传感器信号老化处理算法架构Fig.2 Logic architecture of HEGO aging processing algorithm

对于上升沿单向迟滞、下降沿单向迟滞和双向迟滞三种老化方式, 信号处理整体架构如图2所示。通过软件算法策略模拟老化的氧传感器信号, 需要确定合理的原始信号采样周期, 设计氧传感器电压信号上升沿、下降沿的识别算法, 老化处理合理的介入时机和退出时机, 以及核心的信号老化处理算法等。工作电脑通过标定软件及通讯设备与PCM连接之后, 可以实时在线调整氧传感器信号的老化方式和老化程度, 也可以通过数据刷写功能将老化设置方式固化到PCM当中, 以满足型式认证要求。

在模拟双向沿迟滞故障时, 一旦进入老化模拟状态, 只需要持续对采样波形进行一阶惯性滤波处理, 即可得到期望的老化信号。在实际测试开发过程中, 因为单向迟滞故障可以定向催生氮氧化合物(NO_x)或者非甲烷碳氢(NMHC)和一氧化碳(CO)等对空燃比浓稀程度具有不同敏感特性的两类排放物^{[3, 12]}, 因此单向沿迟滞故障在OBD开发过程中的使用频率更高。然而, 单向迟滞要求只针对一个跳变沿进行老化处理, 而在另一个跳变沿到来时需要择机退出, 这就需要系统能够及时准确地识别目标老化跳变沿, 及时介入氧传感器信号的老化处理过程, 并选择合理的退出时机。

跳变沿分为上升沿和下降沿, 其识别的基本思想是通过连续若干个采样点来计算比较氧传感器波形是否处于稳定的上升过程或者下降过程。试验过程中, 通过采集设备对良好状态的氧传感器电压信号进行毫秒级地采样发现, 在闭环燃油控制模式下, 氧传感器波形的跳变周期在不同的发动机负荷及转速工况下有所不同, 并且随着工况的波动, 上升沿和下降沿的斜率也呈现一定的变化, 但均满足近似阶跃跳变的特性, 如图3所示。图3(a)中是怠速工况下采集到的氧传感器电压跳变波形, 上升沿的判断必须在①处或者之前完成, 判断完成之后老化处理算法即可以介入, 如果在①处之后完成上升沿的识别判断, 则老化处理算法的介入时机过于迟缓, 将无法起到对信号的有效惯性迟滞处理; 下降沿地判断必须在②处或者之前完成, 判断完成之后老化处理算法开始介入, 如果在②处之后完成下降沿的识别判断, 老化处理算法由于过迟地介入也将无法对电压信号进行有效地惯性迟滞处理, 不能起到老化氧传感器信号的作用。图3(b)是在对象车辆车速为90 km/h、发动机转速为2600 r/min、负荷为0.35的工况下氧传感器电压的跳变波形, 要达到目标的老化处理效果, 上升沿的判断也必须在①处或者之前完成, 下降沿的判断也必须在②处或者之前完成。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 氧传感器电压信号典型跳变波形Fig.3 Typical switching signals of HEGO voltage

为了在判断跳变沿时拥有足够的采样点以供判断识别计算时使用, 必须要选择合适的采样任务执行调用周期。在不需要进行信号老化处理时, 正常的闭环燃油控制模式下系统从氧传感器处读取电压值的周期为30 ms, 这样的采样速率对于判断阶跃型信号的氧传感器跳变沿来说显然是不够的。通过统计覆盖车辆全工况的氧传感器跳变波形情况, 最终确定出5 ms的采样周期是合理的, 既能够及时提供足够的采样点供计算使用, 又不至于占用过多的PCM中央处理器任务调度资源。

对于上升沿和下降沿的判断, 提供采用连续3、4或者5个采样点进行识别, 以满足不同类型的氧传感器的需要。满足如式(1)所示关系后即认为上升沿被确认, 满足如式(2)所示关系后即认为下降沿被确认。

Vhego1-Vhego0> 0Vhego2-Vhego1> 0Vhego(n)-Vhego(n-1)> 0Vhego(n)-Vhego0> ΔV1

Vhego1-Vhego0< 0Vhego2-Vhego1< 0Vhego(n)-Vhego(n-1)< 0Vhego(n)-Vhego0< -ΔV2

式中:V_hego(n) 表示第n+1个氧传感器电压采样点; Δ V表示采样队列电压跳变量, 其值可以在线标定调整, 以控制跳变沿识别的敏感度。

采用单向沿老化处理方式时, 目标跳变沿会被及时识别并作老化处理, 但当氧传感器信号发生反向跳变时, 选择合适的老化处理退出时机和退出方式尤为重要。过早的退出会使信号老化效果显著减弱, 过迟的退出会使反向跳变沿也产生不必要的老化效果, 致使无法实现目标老化功能。退出方式不合理会导致老化处理前和处理后的信号波形无法自然衔接, 出现信号跳跃衔接等异常现象, 甚至产生无法退出老化处理的极端情形。

根据闭环燃油控制原理, 当氧传感器电压大于电压切换点(通常标定为0.452 V)时, 系统识别氧传感器测量点处的废气状态为浓(+1, 表示闭环燃油控制模块应当控制系统减少喷油量), 当氧传感器电压小于电压切换点时, 系统识别氧传感器测量点处的废气状态为稀(-1, 表示闭环燃油控制模块应当控制系统增加喷油量), 闭环燃油控制模块根据废气的浓/稀状态调整燃油的喷射过程, 最终使发动机内混合气围绕理论空燃比上下进行小幅度波动。因而, 老化处理最终需要通过延迟氧传感器电压达到并穿越电压切换点的时间来达到老化效果。退出机制也针对电压切换点之上和之下的信号波动情况进行设计, 如图4所示。

在图4(a)中, 对于上升沿单向迟滞老化处理, 设计了4种退出机制。①处采用识别到信号波形下降沿时马上采取退出措施, 一旦退出老化处理过程, 将原始采样信号V_raw直接赋值给老化处理模块输出信号V_out。此种退出机制在较轻的老化程度时并不会表现出明显的异常现象, 但是在如图4(a)所示的较为严重的老化程度状态下, 呈现出信号的阶跃衔接现象。②处可能产生两种情况:一是老化处理过程平顺退出, 并且达到了目标的老化效果, 如图4(a)所示的正常老化信号; 二是老化处理过程没有能够及时退出, 最终导致将下降沿也进行了老化处理, 如图4(a)所示的过度处理信号。③处则是原始信号异常跳动但并未穿越电压跳变切换点, 系统已经完全确认上升沿并作老化处理时, 原始信号产生了回调, 系统必须及时退出老化处理过程, 从而为下一个上升沿的老化处理过程做准备。图4(b)中对下降沿单向老化迟滞处理具有类似的机制。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 典型的老化处理退出机制Fig.4 Typical exit principles of HEGO aging

综合以上现象, 将信号跳变波形以电压跳变切换点为界限, 并设置合适的回差区域, 设计退出机制。图5是上升沿单向迟滞老化处理的退出机制, V_raw为原始采样信号; V_out为老化信号; V_switch为电压切换点; V_hyst为回差值; V_exit为退出电压差。在电压跳变切换点界限以下, 如果信号产生跳变并没有穿越切换点而回调时, 一旦检测到原始信号小于老化信号, 则立即退出老化处理过程; 在电压跳变切换点界限以上, 当老化信号逼近但还未超越原始信号时, 如果系统采样及时并检测到这个过程, 则选择退出老化过程, 但是由于在跳变沿开始后信号的绝对斜率很大致使系统经常无法侦测到信号逼近过程, 从而使老化信号超越原始信号, 由于退出电压差V_exit始终为正值, 因此必然能够识别这个超越过程。图6是下降沿单向迟滞老化处理的退出机制, 其设计思想与上升沿老化处理退出过程类似。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 上升沿老化退出机制流程Fig.5 HEGO aging exit process for rising edge

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 下降沿老化退出机制流程Fig.6 HEGO aging exit process for falling edge

滤波算法通常用于工程信号处理过程, 广泛应用于导航、电力工业及机械工业等各行各业^{[13, 14, 15]}, 对周期干扰信号和随机干扰信号等均具有较好的滤除效果, 但是因为上述应用场合对信号的实时性要求较高, 暴露出惯性滤波算法的明显缺点:灵敏度低, 相位滞后。在获取氧传感器老化信号方面, 由于老化信号的明显特征就是响应迟滞, 因此惯性滤波算法相位滞后的缺点正好可以被有效利用。采用如式(3)所示的一阶惯性滤波算法, 可以实现对采样信号的老化处理, 在线调整 Ca值就可以调整氧传感器信号的老化程度。为了实现对氧传感器信号更为灵活的老化处理, 将式(3)变形为式(4), 获得多种组合形式的老化调整方式。

Vn=(1-Ca)Vraw+CaVn-13

Vn=CbVraw+CaVn-14

式中: Vn为本次老化处理输出值; Vn-1为上一次老化处理输出值; V_raw为正常氧传感器原始采样信号; Ca和Cb为老化系数, 是可以在线调整的标定量。

(1)提出通过软件算法模拟氧传感器老化信号代替传统硬件方式模拟老化信号的方法, 可以节约开发过程中的硬件投入成本, 提高模拟性能的稳定性。

(2)搭建了软件算法模拟氧传感器老化信号的处理架构, 对信号跳变沿进行了准确识别, 进而设计老化处理过程的介入与退出时机。通过一阶惯性滤波算法实现信号的老化处理。

(3)与硬件装置老化处理过程的试验对比, 证明了提出的软件算法信号老化方法的有效性。通过国五I型排放试验, 表明使用软件算法进行信号老化的方式能够满足国五OBD型式认证要求。

(4)由于试验资源及成本限制, 本文提出的氧传感器老化软件处理方法主要针对国五I型试验排放循环进行, 未进行大量的实车道路试验, 在后续的研究中, 拟针对不同的道路环境进行高温试验、高原试验和高寒试验等“ 三高” 试验测试, 以检验结果的稳定性与适应性。