基于儲氧率模型的三元催化器失效故障監(jiān)測研究

關(guān)鍵詞：三元催化器；儲氧率；失效；空燃比；儲氧能力；失效故障監(jiān)測

中圖分類號： U464.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

0引言

三元催化器是現(xiàn)代轎車汽油發(fā)動機排放系統(tǒng)后處理最為有效的裝置之一[1-2]。但車輛行駛里程超過10萬km 后，三元催化器會出現(xiàn)不同程度的失效現(xiàn)象。一旦行駛里程超過20 萬km，三元催化器凈化尾氣的功能會成倍減弱，甚至完全喪失凈化功能[3]。本文針對三元催化器的失效故障進(jìn)行診斷，圍繞采用閉環(huán)控制發(fā)動機的三元催化器失效監(jiān)測的問題，提出建立三元催化器的儲氧率數(shù)學(xué)模型，設(shè)計三元催化器失效的診斷算法，對發(fā)動機三元催化器的儲氧率模型老化因子進(jìn)行在線監(jiān)測。由此確定三元催化器失效診斷的使能條件，從而實現(xiàn)了對三元催化器失效故障的有效監(jiān)測。

1三元催化器儲氧率模型

三元催化器儲氧率模型是表示三元催化器的最大儲氧量與燃燒排放物中氧含量之間的關(guān)系[4-5]。根據(jù)三元催化器入口、出口氧傳感器采集到的λ 值，建立三元催化器儲氧率模型，通過模型估計CeO₂ 的相對氧氣覆蓋率。三元催化器儲氧率模型求解的ROC氧氣覆蓋率可在線估計催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率，判別三元催化器的老化程度，可滿足控制的實時性要求。三元催化器儲氧率η可表示為：

2 三元催化器儲氧率計算

利用simulink 建立三元催化器儲氧率模型（圖1），排氣管上游氧傳感器信號的變化受空燃比變化的影響。在滿足診斷使能條件下，當(dāng)空燃比為定值時，排氣管上游氧傳感器信號近似為一常數(shù)。三元催化器的型號以及其老化程度決定了鈰氧化物吸附、脫附速率常數(shù)。取新的三元催化器反應(yīng)速率常數(shù)為1。

發(fā)動機在不同工況下，三元催化器的儲氧率受發(fā)動機空燃比和流量的影響。在空燃比減小時，排氣中有害氣體相對增加，而Ce 表面氧的儲存率隨著流量的增加而減小。圖2 所示為空燃比A /F =13.1 時，經(jīng)過7.5 s 后，三元催化器完全釋放氧，其儲氧率η 由1 逐漸下為0。

當(dāng)發(fā)動機空燃比增加時，排氣中有害氣體相對減少，而Ce表面氧的儲存率隨著流量的增加而加大。隨著排氣流量的增加，三元催化器氧的儲存達(dá)到飽和狀態(tài)。圖3 所示為空燃比A /F =16.1時，經(jīng)過13s后，三元催化器儲氧達(dá)到了飽和狀態(tài)，其儲氧率η 由0 逐漸上升到1。

3三元催化器老化

診斷算法診斷算法的設(shè)計思路為：通過把發(fā)動機空燃比變稀，讓三元催化器在儲氧達(dá)到飽和狀態(tài)，再把發(fā)動機空燃比變濃，通過計算三元催化器后氧傳感器相對前氧傳感器的反饋滯后時間來診斷三元催化器的老化程度。

該診斷算法的關(guān)鍵是：①在空燃比變稀過程中，判別三元催化器儲存氧是否已經(jīng)飽和狀態(tài)；②后氧傳感器反饋延遲時間的準(zhǔn)確測量；③在排氣由稀變濃的過程中，需要了解三元催化器中的氧是否已經(jīng)完全釋放。

當(dāng)三元催化器的儲氧能力越好，劣化因子k_gr 就越小，發(fā)動機空燃比λ 由稀變濃過程中，后氧傳感器相對于前氧傳感器信號滯后的延遲時間變長。隨著三元催化器老化程度的加劇，劣化因子k_gr會逐漸變大，其儲氧能力逐漸降低，則后氧傳感器對空燃比λ 變化的反饋延遲時間也相應(yīng)變短。

當(dāng)發(fā)動機空燃比為定值時，在滿足診斷使能條件下，三元催化器的溫度、發(fā)動機工況等對轉(zhuǎn)化效率的影響因素都只在狹小的區(qū)間內(nèi)變化，可以忽略，轉(zhuǎn)化效率受三元催化器自身老化程度的影響就突出了。先將發(fā)動機控制在空燃比為16.1附近工作，通過式（2）計算氧儲存率η 值，當(dāng)η 接近1 時，三元催化器氧儲存達(dá)到飽和。然后將空燃比控制在13.1附近工作，通過式（3）計算氧儲存率η值，當(dāng)η接近0時，三元催化器氧儲存枯竭。

計算出此時后氧傳感器相對前氧傳感器的反饋滯后時間，把此反饋滯后時間稱為三元催化器儲氧能力時間（Oxygen Storge Capacity ：OSC）。將計算出的反饋滯后時間與三元催化器標(biāo)定的儲氧能力OSC臨界閾值比較。若計算出的反饋滯后時間小于標(biāo)定OSC閾值，則判定三元催化器本次診斷存在故障。三元催化器老化診斷算法的流程如圖4所示。

4 三元催化器老化診斷的實驗分析

在滿足診斷使能條件后，發(fā)動機在熱怠速工況下，空燃比、排氣溫度、空間速度、排氣壓力和排氣流均勻性等影響三元催化器轉(zhuǎn)化效率的因素都只在狹小區(qū)間內(nèi)變化，可以忽略。三元催化器自身的老化對其轉(zhuǎn)化效率的影響就突出出來。

判別三元催化器氧儲存率是否達(dá)到飽和狀態(tài)，可采用逐漸逼近方法進(jìn)行測試。試驗操作過程分為2 個環(huán)節(jié)。

第1 個環(huán)節(jié)是在發(fā)動機滿足使能條件下，改變發(fā)動機空燃比，使發(fā)動機由怠速空燃比閉環(huán)控制狀態(tài)進(jìn)入稀空燃比開環(huán)控制狀態(tài)（λ=16.1）。測試時間分別為1 s、3 s、5 s、7 s、9 s、12 s、15 s和18 s。

第2 個環(huán)節(jié)是踩下加速踏板，加濃混合氣，使發(fā)動機由稀空燃比開環(huán)控制狀態(tài)進(jìn)入濃空燃比開環(huán)控制狀態(tài)（λ=13.1），并做相應(yīng)時間的測試，消耗掉三元催化器Ce 表面的O2。最后使發(fā)動機回到怠速空燃比閉環(huán)控制狀態(tài)運行。為了驗證所設(shè)計老化診斷算法的有效性，分別使用已知正常和老化的同型號三元催化器進(jìn)行試驗。

4.1 正常三元催化器的實驗分析

正常三元催化器的試驗結(jié)果如圖5 所示。計算圖5 中空燃比由稀變濃時，前氧傳感器和后氧傳感器信號穿過化學(xué)計量與基準(zhǔn)電壓的時間差，結(jié)果如圖6 所示。通過試驗數(shù)據(jù)得出，正常三元催化器在空燃比變化時，后氧傳感器相對于前氧傳感器的反饋滯后時間為8 s 左右，也就是OSC 閾值為8 s。

4.2 老化三元催化器的實驗分析

老化三元催化器的試驗結(jié)果如圖7 所示。計算圖7 中空燃比由稀變濃時，上下游氧傳感器信號穿過化學(xué)計量與基準(zhǔn)電壓的時間差，結(jié)果如圖8 所示。通過試驗數(shù)據(jù)得出，老化三元催化器在空燃比變化時，后氧傳感器相對于前氧傳感器的反饋滯后時間為3s 左右，相比正常三元催化器的OSC 閾值8 s 明顯縮短。

因此，OSC 時間可區(qū)分正常和老化的三元催化器。

5結(jié)束語

本文針對三元催化器的失效故障診斷，圍繞三元催化器失效故障監(jiān)測的問題展開研究，得出以下結(jié)論。

（1） 利用simulink建立基于三元催化器儲氧率模型設(shè)計的三元催化器老化診斷算法，能夠有效診斷出三元催化器的老化程度。

（2）基于劣化因子的分析，通過仿真得出隨著里程的增加，劣化因子會逐漸變大，轉(zhuǎn)化效率逐漸減低?？杖急茸兓瘜匣呋鞯暮笱跸鄬η把鮽鞲衅鞣答佈舆t時間縮短。

（3）通過臺架試驗，驗證了設(shè)計的三元催化器老化診斷算法能夠準(zhǔn)確診斷出催化器是否達(dá)到使用極限以及老化程度。且該診斷算法簡單、運算量小，適用于車載實時診斷系統(tǒng)。

作者簡介：

吉武俊，博士，教授，研究方向為車輛排放系統(tǒng)故障診斷。