小汽車傳感器故障對(duì)車輛排放的影響分析

萬(wàn) 霞

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳 518055）

空氣流量計(jì)和氧傳感器信號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)在一定工況下控制燃油噴射量的重要依據(jù)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)各污染物的排放．發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)空氣流量計(jì)來(lái)測(cè)得實(shí)際進(jìn)入氣缸的空氣量，結(jié)合其他傳感器的信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦精確計(jì)算出噴油嘴噴油脈寬，噴出的燃油和空氣混合燃燒后，排氣系統(tǒng)中的氧傳感器監(jiān)測(cè)排氣中的氧含量獲得實(shí)際的空氣燃油比信號(hào)，ECU根據(jù)該信號(hào)和實(shí)際進(jìn)入氣缸的空氣量，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的工況進(jìn)一步調(diào)整噴油嘴的噴油量，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣燃油比一直控制在14.7:1左右，以達(dá)到三元催化轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換效率，從而降低排放．這2種傳感器發(fā)生故障時(shí)，分別會(huì)對(duì)車輛的排放實(shí)際產(chǎn)生什么影響，文獻(xiàn)[1]研究了空氣流量傳感器故障對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，文獻(xiàn)[2]研究了氧傳感器對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，前者研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且慌_(tái)3缸發(fā)動(dòng)機(jī)，后者是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，且均是在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行的排放測(cè)試．實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒉荒艽硎袌?chǎng)主流車輛發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的真正行駛工況．本文采用 ASM5025穩(wěn)態(tài)工況法，對(duì)市場(chǎng)保有量較大的3種小汽車，進(jìn)行工況法測(cè)試．保證被測(cè)車輛在一致的工況下，測(cè)量氧傳感器和空氣流量傳感器故障前后對(duì)車輛各污染物排放的影響．

1 實(shí)驗(yàn)方法

穩(wěn)態(tài)工況法（ASM）是我國(guó)環(huán)保部規(guī)定使用的小汽車尾氣檢測(cè)方法之一，且目前在上海，深圳等城市已采用．該工況法包括要求車輛在50%的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下保持25km/h時(shí)速的ASM5025工況和在25%的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下保持 40km/h時(shí)速的 ASM2540工況．本實(shí)驗(yàn)使用 ASM5025工況法對(duì)實(shí)驗(yàn)車輛排放進(jìn)行測(cè)試，其中CO，HC采用不分光紅外法，NOx采用電化學(xué)法．

本文實(shí)驗(yàn)車輛參數(shù)見(jiàn)表1．A車和C車發(fā)動(dòng)機(jī)帶廢氣渦輪增壓，B車的車齡較長(zhǎng)．3輛被測(cè)車輛車況均良好，無(wú)任何發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)部分故障．實(shí)驗(yàn)車輛，均在三元催化轉(zhuǎn)換器前配置有氧傳感器，除此之外C車在三元催化轉(zhuǎn)換器后也配置有氧傳感器，傳統(tǒng)汽車行業(yè)為示2種氧傳感器區(qū)別，前者稱為前氧傳感器；后者稱為后氧傳感器．3輛實(shí)驗(yàn)車均為L(zhǎng)型電控燃油噴射系統(tǒng)，其空氣流量信號(hào)均由空氣流量傳感器產(chǎn)生．每臺(tái)實(shí)驗(yàn)車在正常狀況和各種故障情況下各實(shí)驗(yàn)3次，去除異常值，采取平均值作為測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

表1 實(shí)驗(yàn)車輛參數(shù)分析

2 ASM 下車輛氧傳感器故障前后的排放對(duì)比

氧傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上，一般位于三元催化轉(zhuǎn)換器的前端，或者前后端都裝．為了保證三元催化轉(zhuǎn)換器的排氣凈化效果，利用前氧傳感器來(lái)檢測(cè)排氣中的氧含量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量進(jìn)行修正，使混合氣的空燃比更接近理論空燃比 14.7:1．而后氧傳感器通常用來(lái)檢測(cè)三元催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率．

本實(shí)驗(yàn)在將 A，B，C車的前氧傳感器信號(hào)斷開(kāi)后，再進(jìn)一步將C車的前后氧傳感器信號(hào)斷開(kāi)后來(lái)測(cè)量CO，HC和NOx等3種排放污染物在ASM5025工況法下的排放，并與車輛正常狀況的排放進(jìn)行比較，比較結(jié)果可分別見(jiàn)圖1-3．

圖1為3輛實(shí)驗(yàn)車輛氧傳感器信號(hào)缺失前后CO的排放變化，圖形縱坐標(biāo)為 CO的排放，單位為“%”，為體積的百分比．從圖1中可以看出當(dāng)前氧傳感器信號(hào)缺失后，實(shí)驗(yàn)車輛的CO排放均有所升高，A，B，C車前氧傳感器信號(hào)缺失后CO排放分別為車輛正常時(shí)CO污染物排放的1.467倍，7倍和5.625倍，均小于ASM5025的排放限值0.7%．當(dāng)C車在前氧傳感器信號(hào)缺失的基礎(chǔ)上又缺失后氧傳感器信號(hào)后，C車的CO排放在ASM5025工況法下進(jìn)一步增加到0.71%，為正常狀態(tài)時(shí)的 8.875倍，超過(guò)該工況法的排放限值．由于在正常車況下CO排放本身較低，一點(diǎn)排放變化就會(huì)引起較大的倍數(shù)變化．從絕對(duì)數(shù)值上來(lái)看，在前后氧傳感器信號(hào)缺失故障后，C車的CO增長(zhǎng)幅度分別為 0.37%和0.63%遠(yuǎn)高于 A，B車的CO增長(zhǎng)幅度0.07%和0.12%．

圖 2為 3輛實(shí)驗(yàn)車輛氧傳感器信號(hào)缺失前后HC的排放變化，圖形縱坐標(biāo)為 HC的排放，單位為“0.001‰”，為體積的百萬(wàn)分之一．圖中可以看出當(dāng)前氧傳感器信號(hào)缺失后，實(shí)驗(yàn)車輛的HC排放有升有降，A，B，C車前氧傳感器信號(hào)缺失后HC排放分別為車輛正常時(shí)HC污染物排放的0.833倍，0.103倍和10.5倍，均小于ASM5025的排放限值0.12‰．當(dāng)C車在前氧傳感器信號(hào)缺失的基礎(chǔ)上又缺失后氧傳感器信號(hào)后，C車的 HC排放在ASM5025工況法下進(jìn)一步增加到0.067‰，為正常狀態(tài)時(shí)的11.17倍．從絕對(duì)數(shù)值上來(lái)看，在前后氧傳感器信號(hào)缺失故障后，C車的HC增長(zhǎng)幅度分別為0.057‰和0.061‰，遠(yuǎn)高于A，B車的HC變化幅度-0.003‰和-0.026‰．

圖 3為 3輛實(shí)驗(yàn)車輛氧傳感器信號(hào)缺失前后NOx的排放變化，圖形縱坐標(biāo)為NOx的排放，單位為“0.001‰”，為體積的百萬(wàn)分之一．圖中可以看出ASM5025的NOx排放限值為0.9‰，遠(yuǎn)高于被測(cè)實(shí)驗(yàn)車輛的NOx排放值．這與ASM5025行駛工況速度較低，而NOx主要是在高溫下產(chǎn)生的有關(guān)．與文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果一致．

圖1 氧信號(hào)缺失前后CO排放變化

圖2 氧信號(hào)缺失前后HC排放變化

圖3 氧信號(hào)缺失前后NO x排放變化

當(dāng)前氧傳感器信號(hào)缺失后，實(shí)驗(yàn)車輛的 NOx排放有不同程度的減小，A，B，C車前氧傳感器信號(hào)缺失后 NOx排放分別為車輛正常時(shí)NOx污染物排放的0.475倍，0.222倍和0.882倍．當(dāng)C車在前氧傳感器信號(hào)缺失的基礎(chǔ)上又缺失后氧傳感器信號(hào)后，C車的NOx排放在進(jìn)一步降低到0.00002‰，為正常狀態(tài)時(shí)的0.001倍．從絕對(duì)數(shù)值上來(lái)看，在前氧傳感器信號(hào)缺失故障后，A，B，C三車的NOx增長(zhǎng)幅度分別為-0.021‰，-0.009‰和-0.002‰與0.9‰的NO排放限值相比，變化幅度均不大．

車在正常行駛工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油一般根據(jù)空氣流量信號(hào)結(jié)合氧傳感器信號(hào)及其它傳感器信號(hào)來(lái)閉環(huán)控制噴油脈寬，將空氣燃油比控制在理論空燃比附近．當(dāng)前氧傳感器信號(hào)缺失后，ECU一般都采用一個(gè)默認(rèn)值來(lái)替代，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油進(jìn)入開(kāi)環(huán)控制，噴油脈寬控制精度變得較低．

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在前氧傳感器信號(hào)缺失后， A車和B車的污染物排放絕對(duì)值變化并不大，離排放測(cè)試工況的污染物排放限值相差還較大，表明此時(shí)被測(cè)車輛的ECU依舊會(huì)控制噴油在理論空燃比附近，而C車的排放由于氧傳感器信號(hào)缺失后CO和HC均有大幅上升，甚至超過(guò)排放限值，說(shuō)明 C車的ECU在開(kāi)環(huán)控制噴油時(shí)，比理論空燃比稍低，比正常車況偏濃．

此外上述數(shù)據(jù)分析也可看出C車的前后氧傳感器信號(hào)同時(shí)缺失時(shí)，進(jìn)一步增大了在前氧傳感器信號(hào)缺失時(shí)CO，HC，NOx的排放較正常狀況時(shí)的變化趨勢(shì)．

3 ASM 下車輛空氣流量信號(hào)缺失故障前后的排放對(duì)比

當(dāng)電控燃油噴射系統(tǒng)采用空氣流量傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量時(shí)，對(duì)空氣量的測(cè)量更為精確，ECU根據(jù)輸入的進(jìn)氣量信號(hào)結(jié)合氧，水溫，轉(zhuǎn)速等眾多傳感器信號(hào)來(lái)精確控制噴油脈寬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃混合氣空燃比的精準(zhǔn)控制，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況時(shí)的要求．本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)車輛在空氣流量計(jì)信號(hào)缺失前后進(jìn)行 ASM5025工況下的污染物測(cè)試．測(cè)試值去除異常后平均，從而得到圖4-6．A，B，C 3車在空氣流量信號(hào)缺失后CO的排放相較于車輛正常狀況下的排放有增有減，如圖4所示．信號(hào)缺失后3車CO的排放分別為正常狀況下排放的2.07,121和0.625倍．其中B車的CO排放在空氣流量計(jì)缺失后，增長(zhǎng)較快，超過(guò)ASM5025工況CO排放限值0.7%的2.46倍．絕對(duì)數(shù)值上計(jì)算得到A，B，C 3車在空氣流量信號(hào)缺失后CO排放增加分別為：0.16%，2.4%和-0.03%．A，C兩車的CO排放絕對(duì)數(shù)值變化不大．

實(shí)驗(yàn)A，B，C 3車在空氣流量信號(hào)缺失后HC的排放相較于車輛正常狀況下的排放有增有減，見(jiàn)圖5．信號(hào)缺失后三車HC的排放分別為正常狀況下排放的1.22,3和3倍．實(shí)驗(yàn)車輛在信號(hào)缺失后HC排放的絕對(duì)值變化為0.004‰，0.058‰和0.012‰．可看出B車的HC排放變化較高．

A，B，C 3車在空氣流量信號(hào)缺失后NOx的排放相較于車輛正常狀況下的排放有增有減，見(jiàn)圖6．信號(hào)缺失后3車NOx的排放分別為正常狀況下排放的

圖4 空氣流量信號(hào)缺失前后CO排放變化

圖5 空氣流量信號(hào)缺失前后HC排放變化

圖6 空氣流量信號(hào)缺失前后NO x排放變化

0.6 ,4和4倍，且均小于0.1‰，且無(wú)論故障前后，排放絕對(duì)值都比較小，與排放限值0.9‰相差較大．

汽車精確空燃比的控制極大改善了汽車的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性和排放性．發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的精確計(jì)量噴射依據(jù)的主要是對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量的精確測(cè)量．當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量信號(hào)缺失后，發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)默認(rèn)設(shè)定的傳感器默認(rèn)值和噴油閉環(huán)控制中的氧傳感器信號(hào)的值來(lái)控制噴油脈寬．比如A車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制較好地適應(yīng)了ASM5025工況，在CO，HC和NOx的排放上均沒(méi)有太大的變化；也有如B車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制無(wú)法適應(yīng)檢測(cè)工況，使得CO和HC的排放大大增加，甚至CO的排放超過(guò)ASM5025工況CO排放限值的2.46倍．表明混合氣過(guò)濃，有較多燃油無(wú)法燃燒．

4 結(jié) 論

本文對(duì)3臺(tái)實(shí)驗(yàn)車輛進(jìn)行氧傳感器信號(hào)和空氣流量信號(hào)缺失后的CO，HC和NOx排放進(jìn)行測(cè)試，并與車輛在正常狀況下的污染物排放值進(jìn)行比較分析，得到如下結(jié)論：

1）氧傳感器信號(hào)缺失后，C車CO和HC濃度增幅較大，且CO排放超出限值，說(shuō)明C車在氧信號(hào)缺失后，發(fā)動(dòng)機(jī)控制噴油稍濃．且C車后氧傳感器信號(hào)的進(jìn)一步缺失會(huì)加大這種增幅．其余車的排放變化不大，ECU控制噴油依舊在理論空燃比附近，保持較好的排放．

2）空氣流量信號(hào)缺失后，B車的CO和HC濃度增幅較大，且CO排放超出限值2.46倍，說(shuō)明B車在空氣流量信號(hào)缺失后，面對(duì) ASM5025工況，發(fā)動(dòng)機(jī)控制噴油明顯偏濃．其余車的排放變化也不大，能維持良好的排放．

3）在當(dāng)代小汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的噴油控制中，ECU需要根據(jù)空氣流量信號(hào)，氧傳感器信號(hào)，節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)等等來(lái)綜合判斷噴油，任何一個(gè)傳感器信號(hào)的缺失都會(huì)影響噴油的精度，但大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠商在設(shè)置傳感器默認(rèn)值時(shí)會(huì)符合大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，使得該傳感器信號(hào)的缺失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和排放影響不太大．但也有例外．

[1] 陳昊，馬其華，耿莉敏．氧傳感器對(duì)排放及三元催化器轉(zhuǎn)化效率的影響研究[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2007，28（2）：93-96．

[2] 袁華智，蹇小平，張春化，等．傳感器故障對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響[J]．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，30（2）：96-100．

[3] 黃文偉，孫龍林，高謀榮．輕型汽油車行駛工況與排放特性相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)研究[J]．小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2012，41（4）：73-76．