基于怠速催化器診斷儲(chǔ)氧量影響因素的試驗(yàn)研究

葉紅號(hào) 陳金森 于沖云 常健

摘 ?要：在搭載某直列四缸GDI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的整車采用怠速對(duì)催化器的儲(chǔ)氧量進(jìn)行診斷，以判斷催化器是否失效。為了研究怠速診斷時(shí)不同的怠速進(jìn)氣流量、空燃比跳動(dòng)幅度、催中溫度、催化器老化對(duì)儲(chǔ)氧量測(cè)試結(jié)果的影響。本文通過(guò)整車怠速時(shí)采用開(kāi)發(fā)ECU改變?cè)囼?yàn)條件，以達(dá)到對(duì)比測(cè)試儲(chǔ)氧量的目的。此次試驗(yàn)結(jié)果表明，整車怠速時(shí)催化器的儲(chǔ)氧量隨著空燃比跳動(dòng)幅度增大和老化的時(shí)間加長(zhǎng)而降低，隨著催中溫度的升高而增大，對(duì)于怠速不同空氣流量影響不大。

關(guān)鍵詞：OBD;催化器;儲(chǔ)氧量;影響因素

中圖分類號(hào)：U462 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）03-0069-04

Study on the Affecting Factors of Catalyst Oxygen Storage Capacity Base on ?Idle Catalyst Diagnostic

YE Hong-hao， CHEN Jin-sen， YU Chong-yun， CHANG Jian

（ DongFeng Xiao-kang Motor CO.， LTD.， Chongqing 402260， China）

Abstract： For a vehicle equipped with an in-line four-cylinder GDI turbocharged engine， the oxygen storage capacity is diagnosed at idle speed to determine whether the catalyst is deteriorated. In order to study the influence of different air flow， air-fuel ratio jump ， catalyst temperature， and aged catalyst on the test results of oxygen storage capacity. In order to test the ?oxygen storage capacity， this article uses the development ECU to change the test conditions when the vehicle is idling. The results of this test show that the oxygen storage capacity of the catalyst decreases with the increase of the air-fuel ratio jump and the aging time when the vehicle is idling， and increases with the increase of the temperature in the catalyst. It has no effect for the different air flow.

Key Words： OBD; Catalyst; Oxygen Storage Capacity ; Affecting Factor

葉紅號(hào)

畢業(yè)于西華大學(xué)，現(xiàn)就職于東風(fēng)小康汽車有限公司技術(shù)中心，任動(dòng)力標(biāo)定主任工程師，主要研究排放控制和動(dòng)力匹配。

1 ? ?引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)的機(jī)動(dòng)車保有量在不斷增加，截止到2019年，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.48億輛，其中汽車保有量達(dá)2.6億輛。巨大的汽車保有量排放的廢氣使得環(huán)境污染加劇，據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2019）》顯示，汽車排放的CO為2859.3萬(wàn)噸，NOx為521.9萬(wàn)噸，PM為42.2萬(wàn)噸，HC為326.7萬(wàn)噸，分別占機(jī)動(dòng)車污染物排放總量的92.6%、92.7%、95.5%、88.6%。為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染挑戰(zhàn)，我國(guó)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》，即國(guó)六排放法規(guī)，該法規(guī)相對(duì)于國(guó)五進(jìn)行了全面的加嚴(yán)。其中催化器OBD閥值方面汽油一類車限值也由國(guó)五的NMHC大于0.25g/km或NOx大于0.3g/km診斷為催化器轉(zhuǎn)換效率低，升級(jí)為國(guó)六NMHC+NOx大于0.26g/km就診斷為催化器轉(zhuǎn)換效率低。越來(lái)越嚴(yán)苛的汽車尾氣排放限值標(biāo)準(zhǔn)給后處理系統(tǒng)及OBD診斷帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

車載診斷系統(tǒng)（On-Board Diagnostic，OBD）可持續(xù)監(jiān)測(cè)零部件和系統(tǒng)的狀態(tài)以及排放的劣化過(guò)程，保證汽車在整個(gè)使用壽命過(guò)程一直不超過(guò)排放限值的狀態(tài)下運(yùn)行，是監(jiān)測(cè)汽車排放的有效手段之一。目前對(duì)于催化器儲(chǔ)氧診斷王東亮等人[2]對(duì)催化器儲(chǔ)氧診斷的方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。高煒[3]對(duì)催化器儲(chǔ)氧量的計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)描述，并對(duì)OBD的演示進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。廖火生等人[4]研究了為避免“濃稀”控制對(duì)排放的影響，研究了一種只根據(jù)后氧信號(hào)波動(dòng)特征來(lái)間接計(jì)算催化器儲(chǔ)氧能力的方法。業(yè)紅玲[5]研究了臨界催化制作的并提出了隨著催化器老化時(shí)間的加長(zhǎng)，儲(chǔ)氧量逐漸降低。巴斯夫公司[6]在臺(tái)架上測(cè)試了不同的空燃比跳動(dòng)幅度、催中溫度、老化時(shí)間對(duì)儲(chǔ)氧量的影響，結(jié)果表明隨著空燃比波動(dòng)幅度、老化時(shí)間的加大，儲(chǔ)氧量逐漸降低，隨著催中溫度的增加儲(chǔ)氧量增大。

本文旨在整車怠速時(shí)對(duì)不同的怠速進(jìn)氣流量、空燃比跳動(dòng)幅度、催中溫度、催化器老化進(jìn)行了探索，為OBD系統(tǒng)更準(zhǔn)確地評(píng)估催化器的老化情況提供了理論依據(jù)。但由于在整車上很難將催中溫度控制在恒定的值，故測(cè)出來(lái)的結(jié)果稍微有些偏差，為了使結(jié)果更趨合理，在試驗(yàn)過(guò)程中采用多次測(cè)量篩選有效值進(jìn)行計(jì)算。

2 ? ?試驗(yàn)原理與方案

2.1 ? 催化器儲(chǔ)放氧原理

在催化器的涂層設(shè)計(jì)中，都加入了氧化鈰作為助劑，Ce（鈰）在涂層的設(shè)計(jì)中會(huì)與貴金屬相互作用，可提高轉(zhuǎn)換效率，催化器儲(chǔ)氧量和轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系見(jiàn)圖1，由圖可見(jiàn)催化器儲(chǔ)氧量和轉(zhuǎn)換效率成正比關(guān)系。氧化鈰在特定環(huán)境下對(duì)氧氣有吸收與釋放反應(yīng)功能，作用相當(dāng)于氧氣儲(chǔ)存器。

儲(chǔ)氧：2Ce2O3 + O2 → 4CeO2

2Ce2O3 + 2NO → 4CeO2+ N2

Ce2O3 + H2O → 2CeO2+ H2

釋氧：2 CeO2 + H2 → Ce2O3+ H2O

2 CeO2 + CO → Ce2O3+ CO2

2.2 ? 試驗(yàn)方案介紹

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用國(guó)內(nèi)技術(shù)較成熟的1.5L增壓GDI汽油機(jī)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，催化器和傳感器的布置形式見(jiàn)圖2：

該發(fā)動(dòng)機(jī)后處理器采用前段TWC后段GPF的緊耦合布置，TWC結(jié)構(gòu)參數(shù)請(qǐng)見(jiàn)表2。測(cè)量的儲(chǔ)氧量為前級(jí)TWC。

測(cè)量方法為：通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU主動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比進(jìn)行階躍型跳變，通過(guò)測(cè)量混合氣由濃變稀時(shí)候前后氧傳感器信號(hào)之間的延遲時(shí)間Δt ，計(jì)算出催化器的儲(chǔ)氧量（Oxygen Storage Capacity，縮寫(xiě)為 OSC）。 其計(jì)算公式為：

其中MAF為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，λ為混合氣過(guò)量空氣系數(shù);t1，t2為前后氧傳感器信號(hào)達(dá)到相同參考值的時(shí)刻。通過(guò)INCA采數(shù)并用MDA編寫(xiě)公式計(jì)算，從而達(dá)到對(duì)每次不同條件的儲(chǔ)氧量進(jìn)行計(jì)算。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)不同怠速進(jìn)氣流量、空燃比跳動(dòng)幅度、催中溫度、高溫爐老化時(shí)間對(duì)催化器的儲(chǔ)氧量進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)內(nèi)容分別如下。

3.1 ? 怠速進(jìn)氣量對(duì)儲(chǔ)氧量的影響。

為研究不同怠速進(jìn)氣量對(duì)儲(chǔ)氧量測(cè)試的影響，分別測(cè)試N檔怠速進(jìn)氣量在2.3g/s和D檔怠速進(jìn)氣量在3.6g/s，催中溫度在500℃左右，空燃比從15.6跳變到13.6時(shí)的儲(chǔ)氧量，通過(guò)測(cè)10次取平均值儲(chǔ)氧量分別為820mg、825mg，兩次不同的進(jìn)氣量對(duì)儲(chǔ)氧量影響不大。

3.2 ? 不同空燃比跳變對(duì)儲(chǔ)氧量的影響。

保持發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量不變，催中溫度控制在500℃左右，分別測(cè)試空燃比從15.6跳變到13.6以及從16.6跳變到12.6時(shí)的儲(chǔ)氧量，分別測(cè)試10次取平均值，前者測(cè)出來(lái)儲(chǔ)氧量平均值為820mg，后者測(cè)出來(lái)為609mg?？杖急炔▌?dòng)幅度見(jiàn)圖3，測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖見(jiàn)圖4。

3.3 ? 不同催中溫度對(duì)儲(chǔ)氧量的影響

為了研究不同催中溫度對(duì)儲(chǔ)氧量的影響，分別測(cè)試催中平均溫度在500℃、550℃、600℃，空燃比在15.6-13.6之間跳變時(shí)的儲(chǔ)氧量，分別測(cè)試10次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如下，從下圖中可以看出，隨著催化器溫度的升高，催化器的儲(chǔ)氧量也逐漸增大，但隨著溫度的增加，儲(chǔ)氧量增加的趨勢(shì)逐漸放緩。

3.4 ? 高溫爐老化對(duì)儲(chǔ)氧量的影響。

為了研究高溫老化對(duì)儲(chǔ)氧量的影響，通過(guò)高溫爐對(duì)催化器進(jìn)行1000℃/15h快速老化，老化后對(duì)催化器的儲(chǔ)氧量進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試10次取平均值，老化儲(chǔ)氧量為531mg，新鮮儲(chǔ)氧量為820mg，新鮮和老化儲(chǔ)氧量對(duì)比如圖6，通過(guò)計(jì)算得出老化催化器的儲(chǔ)氧量劣化為1.54倍。

4 ? ?結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同的使用條件對(duì)催化器的儲(chǔ)氧量進(jìn)行了測(cè)試，現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)論如下：1、怠速時(shí)空氣流量分別為2.3g/s和3.6g/s，其余條件一樣時(shí)對(duì)儲(chǔ)氧量的測(cè)試結(jié)果影響不大;2、不同空燃比跳動(dòng)時(shí)，空燃比從15.6跳變到13.6測(cè)出來(lái)的儲(chǔ)氧量比16.6跳動(dòng)到12.6測(cè)出來(lái)的儲(chǔ)氧量要大;3、不同的催中溫度時(shí)，隨著催中溫度的逐漸升高，儲(chǔ)氧量測(cè)出來(lái)也逐漸增大，但隨著溫度的升高，儲(chǔ)氧量增加的趨勢(shì)逐漸變緩;4、用高溫爐對(duì)催化器進(jìn)行1000℃/15h快速老化時(shí)，催化器的儲(chǔ)氧量衰減明顯，最大衰減了1.54倍。

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