基于后氧傳感器信號(hào)的催化器診斷方法應(yīng)用

鄒洪波，楊志強(qiáng)，孫雄，馮彧

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量的不斷增加以及大氣環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，我國(guó)機(jī)動(dòng)車排放法規(guī)不斷完善，機(jī)動(dòng)車尾氣排放限值越來越嚴(yán)格［1］。目前，三效催化轉(zhuǎn)化器（以下簡(jiǎn)稱催化器）作為一種有效的汽油機(jī)動(dòng)車尾氣排放凈化裝置，對(duì)尾氣排放中的一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化合物（NOx）的轉(zhuǎn)化效率均可在80%以上［2］。因此，及時(shí)地監(jiān)測(cè)出催化器轉(zhuǎn)化效率的下降對(duì)汽油機(jī)動(dòng)車尾氣排放凈化至關(guān)重要。

催化器轉(zhuǎn)化效率下降的監(jiān)測(cè)，即催化器診斷，主要是基于催化器中氧化鈰吸收和釋放發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中氧氣的能力，即催化器的儲(chǔ)氧能力［3］。目前，催化器的儲(chǔ)氧能力測(cè)量普遍采用的是雙氧傳感器主動(dòng)測(cè)量方法，即在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上安裝兩個(gè)氧傳感器，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于特定運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)，電控單元（Electronic Controller Unit，ECU）主動(dòng)加濃和減稀進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的可燃混合氣，通過測(cè)量前、后氧傳感器信號(hào)對(duì)可燃混合氣濃稀狀態(tài)變化的間隔時(shí)間進(jìn)行催化器儲(chǔ)氧能力的計(jì)算［3－4］。該測(cè)量方法能有效地監(jiān)測(cè)出催化器儲(chǔ)氧能力的下降，且抗外界干擾能力較強(qiáng)，但由于存在可燃混合氣的濃稀切換，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)燃油控制有一定的影響?；诤笱鮽鞲衅餍盘?hào)的催化器診斷方法可以彌補(bǔ)上述診斷方法的不足［5］。本研究在一搭載1.4L自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)且滿足國(guó)Ⅴ階段排放法規(guī)的汽車上，開展了基于后氧傳感器信號(hào)的催化器診斷方法的應(yīng)用研究。

1 基于后氧傳感器信號(hào)的催化器診斷方法

1.1 診斷原理

圖1示出新鮮（行駛里程不足3000km）、16萬km老化及診斷失效限值3種不同狀態(tài)催化器的前、后氧傳感器信號(hào)情況。隨著行駛里程的增加，催化器儲(chǔ)氧能力不斷下降，在相同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，后氧傳感器信號(hào)振動(dòng)頻率及幅值加劇。在特定的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，ECU利用后氧傳感器信號(hào)的振動(dòng)頻率和幅值特性，進(jìn)行催化器儲(chǔ)氧能力損失值計(jì)算。后氧傳感器信號(hào)振動(dòng)頻率及幅值越大，催化器儲(chǔ)氧能力損失值越大，表明催化器儲(chǔ)氧能力越差。當(dāng)儲(chǔ)氧能力損失值達(dá)到一定限值，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放中的非甲烷碳?xì)浠衔铮∟MHC）及NOx排放達(dá)到國(guó)ⅤOBD排放法規(guī)限值時(shí)，則表明催化器已經(jīng)失效。此時(shí)，ECU根據(jù)診斷結(jié)果報(bào)出相應(yīng)的故障代碼并點(diǎn)亮發(fā)動(dòng)機(jī)故障指示燈［1］。

1.2 診斷算法

催化器儲(chǔ)氧能力損失值計(jì)算過程：ECM對(duì)后氧傳感器信號(hào)值進(jìn)行高通濾波并積分，得到后氧傳感器信號(hào)高通濾波積分值FO2，N，計(jì)算公式為

式中：FO2，N為N 時(shí)刻點(diǎn)的高通濾波值；FO2，N－1為N－1時(shí)刻點(diǎn)的高通濾波值；FO2，N－2為N－2時(shí)刻點(diǎn)的高通濾波值；VO2，N為N 時(shí)刻點(diǎn)的后氧傳感器信號(hào)值；VO2，N－1為N－1時(shí)刻點(diǎn)的后氧傳感器信號(hào)值；VO2，N－2為N－2時(shí)刻點(diǎn)的后氧傳感器信號(hào)值；B1，B2，A3，A2為濾波系數(shù)。

瞬時(shí)催化器儲(chǔ)氧能力損失值FT，N＝Ka×（∫FO2，N）／128，Ka為轉(zhuǎn)換系數(shù)，在ECU采樣周期為15.6ms，并設(shè)定催化器儲(chǔ)氧能力損失值計(jì)算周期為2s情況下（見圖2），Ka＝1.952。為避免瞬時(shí)催化器儲(chǔ)氧能力損失值突然變化對(duì)診斷造成影響，對(duì)瞬時(shí)催化器儲(chǔ)氧能力損失值進(jìn)行一階濾波，得出最終用于診斷用的催化器儲(chǔ)氧能力損失值FN，一階濾波公式如下：

式中：FN為N時(shí)刻一階濾波后的催化器儲(chǔ)氧能力損失值；FN－1為N－1時(shí)刻一階濾波后的催化器儲(chǔ)氧能力損失值；FT，N為N時(shí)刻瞬時(shí)催化器儲(chǔ)氧能力損失值；K為一階濾波系數(shù)。

1.3 高通濾波系數(shù)優(yōu)化

為合理設(shè)定后氧傳感器信號(hào)值高通濾波計(jì)算公式中的濾波系數(shù)，設(shè)置了幾組不同的高通截止頻率進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。截止頻率與濾波系數(shù)的關(guān)系見表1。

表1 截止頻率與濾波系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖3可知，隨著高通濾波截止頻率的減小，催化器儲(chǔ)氧能力損失平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差值呈幾何級(jí)數(shù)增加。一方面，標(biāo)準(zhǔn)偏差值的增大反映了ECU每次測(cè)量計(jì)算得出的催化器儲(chǔ)氧能力損失值的散差程度增大，影響了催化器診斷結(jié)果的可靠性；另一方面，過大的高通濾波截止頻率導(dǎo)致16萬km老化催化器與診斷失效限值催化器的儲(chǔ)氧能力損失平均值相差很小，無法診斷催化器的儲(chǔ)氧能力。因此，選擇過大或過小的高通濾波截止頻率，均會(huì)影響診斷結(jié)果的可靠性。綜合考慮16萬km老化和診斷失效限值的催化器儲(chǔ)氧能力損失值的分布情況，選擇0.2的高通濾波截止頻率為本試驗(yàn)的最優(yōu)值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 催化器診斷精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

在車輛的實(shí)際行駛過程中，ECM根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況對(duì)燃油量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致催化器中廢氣的氧含量不同，影響測(cè)量的一致性。為盡量降低車輛實(shí)際使用因素的影響，通過多次采集催化器儲(chǔ)氧能力值，利用其正態(tài)分布特性進(jìn)行催化器儲(chǔ)氧能力的評(píng)價(jià)。定義催化器診斷精度L為診斷失效限值催化器與非失效催化器的儲(chǔ)氧能力正態(tài)分布曲線的距離（見圖4）。若L小于0，則診斷失效限值催化器與非失效催化器儲(chǔ)氧能力損失值正態(tài)分布曲線交叉，存在無法判斷失效催化器的情況，診斷精度低；反之，則兩正態(tài)分布曲線無交叉，可以有效地判斷失效催化器，診斷精度高。L值越大，正態(tài)分布曲線距離越大，診斷精度越高。L計(jì)算如下：

式中：μ為測(cè)量平均值；σ為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.2 車輛運(yùn)轉(zhuǎn)工況的影響

不同的車輛運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，由于ECU燃油閉環(huán)控制的要求，后氧傳感器信號(hào)振動(dòng)情況有所不同，尤其是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況，由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量很小，影響后氧信號(hào)振動(dòng)頻率及幅值，從而對(duì)催化器儲(chǔ)氧能力損失值計(jì)算造成影響。本研究在4種不同車輛運(yùn)轉(zhuǎn)工況下（見表2），對(duì)16萬km老化催化器與診斷失效限值催化器的儲(chǔ)氧能力損失值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。圖5示出儲(chǔ)氧能力損失值正態(tài)分布曲線。由圖可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于1800r／min，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量大于5g／s運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，催化器儲(chǔ)氧能力損失值隨車輛運(yùn)轉(zhuǎn)工況變化較小。

表2 車輛運(yùn)轉(zhuǎn)工況

2.3 診斷方法可靠性分析

在一搭載1.4L自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)且滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的汽車上進(jìn)行該診斷方法可靠性試驗(yàn)，國(guó)Ⅴ法規(guī)排放限值及排放結(jié)果見表3。

表3 不同狀態(tài)催化器的排放結(jié)果

診斷結(jié)果的可靠性受到氧信號(hào)狀態(tài)的影響，而在車輛實(shí)際使用過程中，氧信號(hào)又受到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況、車輛使用環(huán)境、零件老化程度、氧傳感器工作狀態(tài)及催化器溫度等因素的影響。因此，為確保該催化器診斷方法診斷結(jié)果的可靠性，根據(jù)國(guó)Ⅴ法規(guī)常溫排放循環(huán)中的車輛運(yùn)轉(zhuǎn)工況，并結(jié)合車輛實(shí)際道路行駛情況，對(duì)影響診斷結(jié)果的各條件進(jìn)行合理的優(yōu)化。優(yōu)化后的診斷條件如下：

1）前、后氧傳感器信號(hào)工作正常；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度70～110℃；

3）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度－20～100℃；

4）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1650～3500r／min；

5）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量4.5～25g／s；

6）催化器溫度500～800℃；

7）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于500r／min；

8）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量波動(dòng)小于7g／s；

9）后氧燃油修正功能處于工作狀態(tài)；

10）閉環(huán)燃油控制，且燃油學(xué)習(xí)值偏差小于5%；

11）電子節(jié)氣門開度大于5%。

圖6示出優(yōu)化后滿足國(guó)Ⅴ法規(guī)排放要求的不同狀態(tài)催化器儲(chǔ)氧能力損失值正態(tài)分布曲線。由圖可知，新鮮及16萬km老化催化器與診斷失效限值催化器的儲(chǔ)氧能力損失值有很好的區(qū)分，合理地設(shè)定催化器診斷失效限值，可以有效地監(jiān)測(cè)出催化器失效。

表4列出了基于后氧傳感器信號(hào)診斷方法和雙氧傳感器主動(dòng)診斷方法診斷精度L的對(duì)比情況。由表4可以得出：一方面，兩種催化器診斷方法的L值均大于0，均具有足夠的診斷精度；另一方面，相比較雙氧傳感器主動(dòng)診斷法，后氧信號(hào)診斷方法的L值散差更小，診斷穩(wěn)定性更好。

表4 不同催化器診斷方法的L值對(duì)比

3 結(jié)論

a）隨著催化器的不斷老化，催化器的儲(chǔ)氧能力下降，后氧傳感器信號(hào)的振動(dòng)頻率和幅值加大；

b）隨著高通截止頻率減小，在同一測(cè)試條件下，催化器儲(chǔ)氧能力值及其散差程度增大，選擇合理的高通濾波截止頻率，有利于提高診斷的可靠性；

c）通過合理優(yōu)化各診斷參數(shù)，對(duì)于滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)要求的催化器，基于后氧傳感器信號(hào)的催化器診斷方法可以有效地監(jiān)測(cè)出催化器失效。

［1］中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院.GB 18352.5—2013 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）［S］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2013：7，114－115.

［2］周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：253.

［3］胡杰.輕型汽油車排放控制故障診斷方法及離線診斷技術(shù)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011：17－19.

［4］王東亮，黃開勝.汽油車OBD在用核心技術(shù)及其發(fā)展方向［J］.汽車技術(shù)，2011（11）：1－10.

［5］廖火木，姜水生，彭天鵬.基于后氧信號(hào)的催化器效能監(jiān)控［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2009，31（4）：360－363.