基于GPF温度传感器的量产车评估测试方法研究_陈旭健.pdf

学术|制造研究ACADEMIC018AUTO DRIVING&SERVICE2022.12基于 GPF 温度传感器的量产车评估测试方法研究（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）陈旭健、赵况、张业海摘要：国六车型的量产车评估（PVE）测试，作为企业每年生产一致性检查的重要内容，驱使企业不断发展测试技术。本文以汽油机颗粒捕集器（GPF）温度传感器的PVE J2 测试为研究对象，介绍了传感器工作原理及技术参数，解析其具体的诊断逻辑，在规范的试验流程下，进行逐个类型的故障码的演示，并总结测试经验。试验结果表明，试验流程符合法规要求，测量文件有效；测试方法高效，可供整车其他排放相关零部件测试借鉴。关键词：国六排放；PVE 测试；GPF 温度传感器；诊断逻辑；电气类诊断；合理性诊断；冷起动校验诊断中图分类号：U467.2 文献标识码：A0 引言面对日益严峻的环保形势，环境保护部（现为生态环境部）和国家质量监督检验检疫总局联合发布的 GB18352.62016轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）（简称国六法规），于 2020 年 7 月 1 日起实施。其中，生产一致性章节要求整车生产企业须每年进行车载诊断系统（OBD）生产一致性检查，量产车评估（PVE）则是测试的关键检查项。生态环境部机动车排污监控中心于 2018 年 12 月发布轻型车国六标准实施细则（试行），在试验流程等方面落实了具体的细则。但是，其测试方法在行业里处于初步认知状态，尤其是具体零部件的 J2 监控要求验证。PVE 是在国六标准之下新增的内容，需要在量产车的 OBD 系统上进行验证，且 J2 试验是整个 PVE 测试工作中最复杂的，需要对所有涉及排放相关的故障码逐一验证1。本文以汽油机颗粒捕集器（GPF）温度传感器的 PVE 测试为研究对象，介绍了温度传感器的工作原理及技术参数，解析故障码的诊断逻辑，提出具体的试验方法。通过试验表明，文中提出的试验方法对于整车 PVE 测试具有开拓意义。1 PVE 测试的内容OBD（On Board Diagnostic）是汽车用于排放控制系统监测的车载诊断系统。当与排放相关的任何部件发生故障时，OBD系统应监测到故障，将相应的故障代码存入车载电脑，并点亮故障指示灯（MIL）。驾驶员或汽车维修人员能够通过一个标准的诊断系统识别故障代码2。PVE（Production Vehicle Evaluation，即量产车辆评估测试）是 OBD 系统的功能性项目试验里的重要内容，是企业生产一致性工作的组成部分3，包括 JA7.1 标准化验证、JA7.2 监测要求验证（简称 J2）以及 JA7.3 在用监测性能验证。其中，J2 是整车 PVE 测试的核心，其主要测试内容为：验证 OBD 系统监测条件满足每一个诊断要求时，OBD 系统应检测到故障，点亮 MIL 并存储确认和永久故障码。以本司某手动挡车型为例，其 J2 测试的整车诊断故障码总数为 252 个，用时约 2 个月。本文以其中一个零部件（即 GPF温度传感器）为选择对象，研究其测试方法。2 GPF 温度传感器的技术参数及工作原理了解 GPF 温度传感器的技术参数及工作原理是整个试验的基础工作。该传感器布置于 GPF 前端，用来监测车辆运行中 GPF的入口温度，以便预估 GPF 的载体温度，防止 GPF 再生过程中因为温度过高损坏载体。GPF 温度传感器为模拟信号输出，起到辅助诊断的作用4（图 1）。本文研究的 GPF 温度传感器为国际知名传感器制造商所生产，其主要技术参数如图 2 所示。GPF 温度传感器的核心元件为铂电阻，为正温度系数热敏电阻（PTC）。其电阻随排气温度的变化而变化，进而获得相应的排图 1 GPF 温度传感器及安装位置图 2 GPF 温度传感器主要技术参数学术|制造研究ACADEMIC019AUTO DRIVING&SERVICE2022.12气温度数据5。GPF 温度传感器的温度与电阻的对应关系如下：Rs=Rl+R0（1+T+T2）（1）式中 RsGPF 温度传感器电阻 Rl外接线的线阻，取Rl=1 R0传感器温度为 0时的基准电阻，取R0=200 T传感器温度、材料系数（=3.8310-3，=-5.8510-7）由式（1）可得 GPF 温度传感器的温度-电阻关系（图 3a）。传感器安装外接电路需要配置供电电源和上拉电阻（图 3b），供电电压Up为 5.00 V；上拉电阻Rp为 1 000.0 的上拉电阻。即是传感器信号输出的电压U0为诊断参数。为方便试验过程中快速查询，绘制各主要温度点下对应的传感器阻值及信号电压（表 1）。包括笔记本电脑、DiagRA D 软件、OBD 连接设备 Cardaq plus3、函数发生器 TOE7761 以及发动机控制单元（ECU）分线盒。将设备连接至车上，连接方式如图 4 所示。表 1 各主要温度点的传感器阻值及电压信号表 2 传感器故障码列表表 3 电气类诊断监控表图 3 GPF 温度传感器温度-电阻曲线及测试外接电路图 4 设备连接示意图T/Rs/U0/V-40170.20.730201.00.8425220.10.9050239.00.96100276.41.08200349.51.29300420.21.48400488.61.64500554.61.78600618.31.91700679.72.02800738.72.12900795.42.22950822.82.251 000849.72.30序号故障码释义1P0545 00GPF温度传感器电路电压过低2P0546 00GPF温度传感器电路电压过高3P2080 62GPF温度传感器信号实际与模型偏差大4P2080 2AGPF温度传感器信号粘滞5P20E2 24GPF温度传感器冷起动校验不合理（正偏差）6P20E2 23GPF温度传感器冷起动校验不合理（负偏差）故障码监控策略说明监测参数阀值辅助参数激活条件故障需时MIL激活循环P0545 00电路电压过低电压0.20 V点火开关ON2 s2P0546 00电路电压过高电压4.80 V点火开关ON2 s23 PVE J2 试验3.1 试验准备试验对象为生产线正式批量生产下线的车辆，要求发动机系统排放相关的零部件和 ECU 标定数据均为批产状态。试验设备3.2 诊断逻辑解析解析故障码的诊断逻辑是试验的关键。查阅该车型OBD监测的排放控制系统信息表（以下简称监控表），提取 GPF 温度传感器相关的诊断故障码信息（表 2）。结合列表，将故障码分成以下类别。第一类为电气类诊断，如 P0545 00 和 P0546 00，用于监测信号接到电源或搭铁。第二类为合理性诊断，如 P2080 62 和 P2080 2A，用于监测信号输出的合理性。第三类为冷起动校验诊断，如 P20E2 24、P20E2 23，用于监测信号在冷机起动时刻温度基准的合理性。3.3 电气类诊断测试根据故障码 P0545 00 和 P0546 00 的监控表信息（表 3，分别对这 2 个故障码进行测试。首先测试故障码 P0545 00。未决故障循环：设备连接就绪，在 DIAGRA D 软件里点击mode4 清除原车故障码，用外接线束将 ECU 的 34 号端子接搭学术|制造研究ACADEMIC020AUTO DRIVING&SERVICE2022.12铁。由于信号接到地线，电压会被拉低至 0.00 V，将钥匙打为 ON 状态，开始记录测量文件。起动车辆进入发动机怠速状态，进行初次故障检测的循环。当软件 mode7（排放相关的未决故障码）模式里报出故障P0545 00 后，将发动机熄火，钥匙重新打到 ON 挡，保存测量文件。确认故障循环：保持以上故障注入状态，点火开关处于 ON 状态时，记录测量文件。起动发动机，进行再次故障检测的循环，当软件 mode3（排放相关的确认故障码）模式里报出故障 P0545 00，并且车辆仪表 MIL灯亮起时，将发动机熄火，钥匙重新打到 ON 挡，软ECU 的连接，串联接入函数发生器。根据此时的排气温度按照表2 设置对应电压，如 25时应注入 0.90 V 的信号电压。注意，应避免注入的电压与实际电压偏差过大，造成误报故障码的情况发生。起动车辆，自由行驶一段时间，满足排气流量积分。按照流程保存好测量文件，可完成 P2080 2A 的测试。3.5 冷起动校验诊断测试冷起动校验诊断监测信号温度基准的合理性，其最大的特征是以停机时间 8 h 为前提（表 5）。在该条件下，零部件的温度应已降至环境温度，其参考温度即环境温度。如果在车辆起动时，传感器温度与环境温度偏差大于 75，则判定传感器基准发生偏差。P20E2 24 测试方法：规定的停机时间后，车辆点火开关处于 OFF 状态，断开 GPF 温度传感器信号线与 ECU 的连接，由函数发生器串联接入。如环境温度为 25，为制造阈值偏差，根据表 2 需注入 1.10 V 的信号电压。起动发动机进入怠速状态，按照流程可完成故障码的测试。P20E2 23 测试方法：由于阈值要求信号温度小于环境温度75，如果在常温环境（25）停机，根据冷起动校验诊断监控表，25-75=-50，超出传感器量程，导致故障无法报出。为此，（下转第 25 页）故障码监控策略说明监测参数阀值辅助参数激活条件故障需时MIL激活循环P2080 62信号实际与模型偏差大电压与模型偏差250模型温度300800 C20 s2发动机转速1 2004 500 r/min车速20140 km/h加速度-2.52.5 m/s2断油=FALSEGPF再生=FALSE起动时间300 s冷却液温度20 CP2080 2A信号粘滞信号最大变化幅度10停机时间3 600 s0 s2排气流量积分1 666 g/sGPF再生=FALSE表 4 P2080 62 诊断监控表表 5 冷起动校验诊断监控表故障码监控策略说明监测参数阀值辅助参数激活条件故障需时MIL激活循环P20E2 24冷起动校验不合理（正偏差）信号温度大于参考温度75停机时间8 h0 s2发动机状态ONP20E2 23冷起动校验不合理（负偏差）信号温度小于参考温度75停机时间8 h发动机状态ON件 modeA（排放相关的永久性故障码）模式存在相同的故障码后，保存测量文件。以上 2 个测试循环即完整的测试循环。测试完成后，将外接线束拆除，并进行 3 个无故障循环的运行后，用 mode4 清除ECU 故障码，为下一个故障码的测试做好准备。按照以上的流程，将 34 号端子连接 5.00 V 电源，实现P0546 00 的测试。3.4 合理性诊断测试根据故障码 P2080 62 和 P2080 2A 的监控表可知（表 4），合理性类诊断的辅助参数明显较电气类多，该类诊断车辆的运行工况复杂。传感器的模型温度为车辆 GPF 开发过程中标定，其通过多样本及外接热电偶校正，具备高准确性。P2080 62 测试方法：起动发动机，使其运行时间大于 300 s，此时冷却液温度应已大于 20，GPF 温度传感器的温度经测量为400。查询表 2 可知，此时对应的信号电压应为 1.64 V。为了使传感器的输出温度偏差 250，使 ECU 进入诊断，使用函数发生器设置 1.000 V 的输入电压（对应温度 100）。保持电压注入的状态，车辆起步行驶，保持发动机转速 1 200 4 500 r/min，车速为 20 140 km/h，匀速驾驶避免急加急减，保持加速踏板踩下的状态。满足工况行驶时间超过 20 s。按照流程保存好测量文件，可完成 P2080 62 的测试。P2080 2A 测试方法：首先应确保车辆停机时间大于 3 600 s。由于引发粘滞故障的条件是变化幅度不超过 10（折算信号电压波动约 0.05 V），为避免有信号干扰造成试验失败，在点火开关处于 OFF 状态下，断开 GPF 温度传感器信号线与学术|制造研究ACADEMIC025AUTO DRIVING&SERVICE2022.12表 3 整车通过噪声测试结果方案实测值/dB（A）降噪量/dB（A）评估74 dB（A）原状态74.5NOK增加约束点74.20.3NOK双层结构73.80.7OK2 种方案均能降低整车外加速噪声，但双层结构的隔热罩效果比增加约束点的隔热罩好，能使整车通过噪声满足法规要求。这是因为增加约束点只是提高了局部强度，而双层结构则从整体上提升隔热罩的强度，效果更好。结合台架和整车试验结果，最终选择双层结构的隔热罩作为优化方案。5 结束语本文通过对某汽油机进行噪声测试，发现排气歧管隔热罩是主要的噪声源之一。通过对排气歧管隔热罩进行模态分析并提出改进方案，最后通过试验验证确定了最终的优化方案。本次对某汽油机排气歧管隔热罩的优化改进取得了良好的效果，使搭载该发动机的整车通过噪声达到了法规要求。通过本研究可以得到如下结论，对于发动机设计中如何提升NVH 水平具有一定的推广价值。（1）排气歧管隔热罩属薄壁类零件，在进行设计时需重点关注其 NVH 性能。（2）隔热罩可以通过提高一阶模态改善其振动特性，从而降低隔热罩的辐射噪声。对于单层镀铝钢板隔热罩而言，可通过增加约束点或采用双层结构提高刚度。（3）对于单层镀铝钢板隔热罩的降噪优化，双层结构方案比增加约束点效果好。【参考文献】作者简介:黄鹰,本科,工程师,研究方向为动力开发及测试分析。1赵卫平,张卫国,吴超,等.某汽油机正时罩盖 NVH 优化分析 J.小型内燃机与车辆技术,2015,44(04):71-74.2杨磊,范习民,高伟,等.基于 Abaqus 的某汽油机排气歧管隔热罩优化分析 J.计算机辅助工程,2013,22(S2):119-123.3赵俊男,王延阳,张爽,等.基于有限元的排气歧管隔热罩动态特性分析与噪声验证 J.汽车实用技术,2018(04):80-82.4张宗成,杨景玲,张燕,等.发动机油底壳的噪声分析及结构优化 J.噪声与振动控制,2013(06):123-127.5杨金才,闵福江,张亮,等.发动机隔热罩噪声分析及改进 C/.2008 中国汽车工程学会年会论文集,2008:113-116.6姜绍忠,阎文兵,陈越,等.柴油机表面辐射噪声控制研究 J.机械与电子,2011(05):71-73.【参考文献】作者简介:陈旭健,本科,工程师,研究方向为汽车动力系统 OBD 诊断标定及 PVE 测试。1刘旭洋,张宇光,范智权,等.基于国六排放标准下的量产车评估测试(PVE)方法研究 J.汽车工程师,2021(11):5-8.2GB18352.6-2016 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）S.3生态环境部机动车排污监控中心.轻型车国六标准实施细则（试行）.2018.4王成君,黎苏,周文瑾,等.GPF 故障诊断策略研究 J.汽车实用技术,2021,46(19):89-93.5赵伟.国汽油车颗粒物排放后处理应对策略 J.汽车维护与修理,2021(7):7-11（上接第 20 页）该测试需要先将车辆放置在环境舱里浸车，并且为了测试留有冗余，避免进入量程极限位置，设置环境舱温度为 40。根据冷起动校验诊断监测表，40-75=-35，再根据表 2 可得函数发生器需注入 0.74 V 信号电压，按照试验流程应能实现报码。3.6 校验测试结果检查测量文件，储存的故障码及数量都应正确。未决故障循环应只有 mode7 储存了故障码；确认故障循环应 mode3、mode7 及 modeA 都储存了故障码，且显示的 MIL 状态为点亮。按照规则命名并分类保存，为编写测试报告做准备。4 结束语不同于型式试验占用较多场地及设备资源，PVE 测试更多的是需要理解零部件功能、诊断目的和逻辑原理，思考在较少的资源下，快速有效地完成试验。在“国六”实施初期，试验技术资源的缺少，企业的测试一般委托专业检测机构进行。企业自主团队的组建与测试开展，可节约委外试验成本，成效显著。PVE 测试为国六标准中的重要试验项，而 GPF 温度传感器作为发动机排放系统的重要零件，其 PVE 测试具有很强的代表性。本研究希望实现以点带面、开拓视野，为整车厂商自主测试提供参考。