汽车OBD-Ⅱ故障诊断系统：原理与维修

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：OBD 的诊断范畴至少会满足法规的最低要求。不同的法规对OBD 系统的监测要求是不同的。事实上，这种部件的损坏或者失效对OBD 系统来说不能称为故障，对OBD 系统而言，故障是指那些会导致排放超过OBD 排放限值，或者影响其他诊断功能的失效。因此，OBD-Ⅱ在发动机运行过程中将持续对O2的含量进行检测。如图6.30 所示，显示出氧传感器老化或中毒时发动机电脑的诊断曲线。

（1）OBD 的诊断功能

OBD 的监测范畴决定于法规要求、发动机管理系统的功能以及车辆制造厂和电喷系统供应商的要求。

OBD 的诊断范畴至少会满足法规的最低要求。不同的法规对OBD 系统的监测要求是不同的。我国对汽油机OBD 的监测要求见GB 18352.3—2005 中的Ⅰ.3.3.3，对柴油机OBD 的监测要求见GB 18352.3—2005 中的Ⅰ.3.3.4。

为了便于车辆的维护、修理以及使用的安全，OBD 的功能往往要高于法规的要求。具体的要求往往由各个车辆生产厂和电喷系统供应商决定。

这主要表现在以下两方面：

一方面，一些部件的损坏或者失效虽然不会引起排放超过OBD 限值，但也会被OBD 系统诊断出来。事实上，这种部件的损坏或者失效对OBD 系统来说不能称为故障，对OBD 系统而言，故障是指那些会导致排放超过OBD 排放限值，或者影响其他诊断功能的失效。例如，空调驱动电路（如果由发动机管理系统控制）和制动增压泵的损坏虽然不会引起排放超标，但为了及时得到维修，这些故障也往往会被监测。

另一方面，在法规不做强制要求的监测条件下，只要OBD 能够进行可靠的监测，其诊断功能往往被打开。例如，失火诊断区域由法规GB 18352.3—2005 中的Ⅰ.3.3.3.2 确定，但是只要可靠，失火监测功能在高于4 500 r/min 时也是工作的。

OBD-Ⅱ比OBD-Ⅰ增加了新的监测区域，包括催化转换器转换效率和决定发动机缺火的曲轴速度，可以获得任何时间的发动机缺火、碳氢化合物排放增加的信息。简单地说，OBD-Ⅱ系统必须具有下列功能：

①检测废气控制系统的关联元件是否出现“老化”或“损坏”。

②必须有警示装置，从而便于提醒驾驶员，进行废气控制系统的保养与检修。

③监控传感器和执行器的功能。

④使用标准化的故障码，并且可用通用的仪器读取。

1）三元催化器

三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC 和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。由于这种催化器可同时将废气中的3 种主要有害物质转化为无害物质，故称三元。

当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的催化剂将增强CO、HC 和NOx3 种气体的活性，促使其进行一定的氧化、还原化学反应，其中CO 在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC 化合物在高温下氧化成水（H2O）和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。3 种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。

那么，OBD-Ⅱ对三元催化器作了哪些监测呢？我们知道，当三元催化器老化时或者三元催化器损坏时，就会严重削弱其氧化、还原能力，从而造成发动机尾气严重超标。因此，OBD-Ⅱ在发动机运行过程中将持续对O2的含量进行检测。

在故障诊断期间，发动机电脑将不断比较上游氧传感器和下游氧传感器的信号，使之保持在一定的转换比例上。正常工作条件下，发动机运转后，上游氧传感器不断检测发动机尾气中的剩余氧含量，根据剩余氧含量的大小决定吸入发动机的混合气是稀或浓，剩余氧含量多，混合气就稀；剩余氧含量少，混合气就浓。随着发动机电脑不断对燃油系统进行调节，改变喷油量大小，匹配最佳混合气，因此在上游氧传感器产生直流脉动电压信号，电压在0.1～0.9 V 变化。废气经过三元催化器处理后，剩余氧含量将大大减少，在下游氧传感器上的电压脉动大大减少，因此，可以断定三元催化器处于良好工作状态（图6.29）。如果三元催化器工作不良或者有故障，则在氧化、还原反应上无法完全对有害物进行完全转变，则在下游氧传感器上的电压脉动与在上游氧传感器上的电压脉动近似相同。如果上、下游氧传感器的信号的振幅、频率接近一致，则表明三元催化器失效。发动机电脑就会立刻通过发动机故障报警灯（MIL）对外发出警报。

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图6.29　正常的三元催化器

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图6.30　有故障的三元催化器

2）氧传感器

电喷发动机控制系统中的氧传感器是现代汽车中的一个非常重要的传感器，用来监测发动机排气中氧的含量或浓度，并根据所测得的数据输出一个信号电压，反馈给计算机，从而控制喷油量的大小。它通常安装在排气系统中，直接与排气气流接触。

氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素类似电解液的作用。在一定条件下（高温和催化），利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。根据氧传感器的电压信号，计算机按照尽可能地接近14.7∶1 的最佳空燃比来控制混合气的浓度。

OBD-Ⅱ在发动机运行过程中持续不断地监控氧传感器的工作灵敏度/老化性能、氧传感器信号电压以及氧传感器的预热器。

当氧传感器中毒或老化后会对氧传感器产生不利的一面，这种中毒往往是汽油中的含铅成分过高，导致氧传感器铅中毒。当出现中毒或老化后，将会观察到氧传感器的电压周期大大增加或者氧传感器的信号电压将变得平直。如图6.30 所示，显示出氧传感器老化或中毒时发动机电脑的诊断曲线。

3）二次空气喷射系统

二次空气喷射就是发动机在冷车启动时，由于必须在冷启动下供给较浓的混合气，在低温下发动机燃烧往往不是很好，大量的CO 排到大气中。为了降低尾气污染以及暖机阶段的有害物排放，二次空气喷射装置将新鲜空气喷入发动机的排气管，使废气中可燃成分继续燃烧，以减少排放污染物。

喷入发动机排气管的空气可以跟废气中的有害气体在排气过程中发生氧化反应，降低发动机尾气中的有害物质，同时未完全燃烧的HC 以及CO 与新鲜空气在排气过程中继续燃烧，可以快速对三元催化器进行预热，大大缩短三元催化器的反应时间。在三元催化器达到工作温度后，应停止二次空气喷射，避免造成三元催化器过热而毁坏。因此，在发动机冷启动后，二次空气喷射装置工作80～120 s 便停止工作。

OBD-Ⅱ在发动机运行过程中监控组合阀的空气流量、电动空气泵的继电器等。

4）燃油蒸发控制系统

燃油蒸发控制系统的作用是防止油箱内蒸发的汽油蒸汽排入大气。它由蒸汽回收罐（也称活性炭罐）、控制电磁阀及相应的蒸汽管道和真空软管等组成。蒸汽回收罐内充满了活性炭颗粒，当油箱内的汽油蒸汽经蒸汽管道进入蒸汽回收罐时，蒸汽中的汽油分子被活性炭吸附。燃油蒸汽回收罐上方的另一个出口经真空软管与发动机进气歧管相通，软管中部有一个电磁阀控制管路的通断。当发动机运转时，如果电磁阀开启，则在进气歧管真空吸力的作用下，新鲜空气将从蒸汽回收罐下方进入，经过活性炭后再从蒸汽回收罐的出口进入软管的发动机进气歧管，把吸附在活性炭上的汽油分子（重新蒸发的）送入发动机燃烧，使之得到充分利用。

进入进气歧管的燃油蒸汽量必须加以控制，以防破坏正常的混合气成分。这一控制过程由微机根据发动机的水温、转速、节气门开度等运行参数，通过操纵控制电磁阀的开闭来实现。

OBD-Ⅱ在发动机运行过程中监控活性炭罐电磁阀和其他相关联的传感器和执行器的信号。当燃油蒸汽系统工作时，一部分汽化的汽油将通过活性炭罐被送到进气歧管，无疑是加浓了混合气。如果燃油箱燃油耗尽时，就会稀释混合气。混合气浓度的改变可以通过氧传感器来检测，因此也可作为一个重要的检测尺度来检测燃油蒸汽控制装置。当燃油蒸汽控制系统正常时，伴随着活性炭罐电磁阀的开启，混合气会被加浓，氧传感器的电压就会上升；当燃油蒸汽控制系统不正常时，尽管活性炭罐电磁阀开启，混合气也不会被加浓，氧传感器的电压就不受燃油蒸汽控制系统的影响。

5）发动机失火检测系统

当发动机点火系统发生损坏时，吸入缸内的混合气不能及时被点燃，大量的HC 便直接排出汽缸。一部分HC 在排气管中发生燃烧，导致三元催化器损坏；另一部分HC 没有完全燃烧便直接排到大气中。

OBD-Ⅱ在发动机运行过程中监控发动机的失火率，每次检测周期为1 000 转曲轴转数。HC 超出正常的1.5 倍时相当于发动机的失火率达2%。

发动机失火会导致发动机曲轴转速不稳。根据这一特性，发动机电脑根据发动机的曲轴转速传感器来监控发动机曲轴旋转平稳情况，发动机失火会改变曲轴的圆周旋转速度。通常发动机转动不是匀速的，每缸在做功时都有一个加速，不做功就没有加速。四缸机每转动720°应有4 个加速。

正常情况下，发动机压缩、做功，先是减速后是加速，属于正常现象。当发动机失火时，除了发动机压缩期间转速瞬时有所减缓外，由于发动机失火，缺乏做功时的加速，因此，发动机缺火时的转速波动极大。发动机电脑可以通过安装在曲轴上的曲轴位置传感器来感知瞬时的角速度变化情况，从而确定哪一缸出现失火。

（2）OBD 系统的组成

1）OBD-Ⅱ特点

①统一诊断座形状，为16PIN（针）。

②具有数值分析资料传输功能（Data Link Connector，DLC）。

③统一故障代码及意义。

④具有行车记录器功能。

⑤具有重新显示记忆故障码功能。