基于深度降本設(shè)計(jì)要求的催化器診斷策略

關(guān)鍵詞：三元催化器；車(chē)載診斷；儲(chǔ)氧量；指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均；診斷策略

0 前言

三元催化器載體上覆蓋著貴金屬，可將汽車(chē)尾氣排出的CO、碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）等有害氣體通過(guò)氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的CO₂、H₂O 和N₂，使汽車(chē)尾氣得以?xún)艋?］。按照GB18352.6—2016《 輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)試方法（第六階段）》附錄J 中的車(chē)載診斷（OBD）系統(tǒng)催化器監(jiān)測(cè)要求，在全球統(tǒng)一輕型車(chē)輛測(cè)試循環(huán)（WLTC）中，OBD 系統(tǒng)需要能夠監(jiān)測(cè)催化器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化能力是否處于正常水平，且應(yīng)在催化器轉(zhuǎn)化能力下降使得車(chē)輛非甲烷碳?xì)洌∟MHC）和NOx 的排放量超過(guò)OBD 閾值之前檢測(cè)出催化器的故障。

目前，普遍采用的催化器診斷策略都是通過(guò)監(jiān)測(cè)催化器儲(chǔ)氧量（OSC）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。催化器OSC 的大小表征了催化器的老化程度，OSC 越大代表該催化器的轉(zhuǎn)化能力越強(qiáng)，排放結(jié)果越好，反之則代表該催化器的轉(zhuǎn)化能力較弱，排放情況隨之惡化?；诖嗽恚梢酝ㄟ^(guò)OSC 來(lái)區(qū)分催化器的劣化狀態(tài)，將其分為新鮮催化器、老化催化器及臨界催化器3 種代表狀態(tài)［2］。臨界催化器的OSC 作為OBD系統(tǒng)中催化器檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，如果OSC 低于臨界催化器OSC，那么需要在催化器轉(zhuǎn)化能力下降導(dǎo)致車(chē)輛排氣污染物中的NMHC+NOx排放量超過(guò)OBD閾值前，引發(fā)OBD 系統(tǒng)報(bào)警，點(diǎn)亮排放故障指示燈（MIL）［3］。

為了保證催化器診斷的可靠性，要求老化催化器OSC 與臨界催化器OSC具備一定的區(qū)分度，區(qū)分度越大，診斷越可靠。然而，由于催化器深度降本的需求，導(dǎo)致催化器載體成分特性發(fā)生了變化，使得老化催化器OSC和臨界催化劑OSC區(qū)分度變小，催化器誤診斷概率變大。為了保證催化器深度降本后催化器診斷的合理性和可靠性，本文在催化器OSC診斷技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了同時(shí)應(yīng)用快速診斷及指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均（EWMA）的催化器診斷策略；應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)臨界催化器OSC進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，設(shè)置合理的診斷閾值，并應(yīng)用于實(shí)車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分析其推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 催化器診斷技術(shù)過(guò)程

催化器診斷技術(shù)采用主動(dòng)式監(jiān)測(cè)策略，通過(guò)直接測(cè)量混合氣由濃變稀過(guò)渡過(guò)程的OSC 來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。催化器診斷所需裝置如圖1 所示，其中前氧傳感器精確控制混合氣空燃比，后氧傳感器用于測(cè)量催化器OSC。

催化器診斷策略通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)空燃比來(lái)進(jìn)行OSC 的計(jì)算［4］，其主要過(guò)程為：① 增加空燃比，把催化器中殘留的氧氣徹底清空，待后氧傳感器信號(hào)指示為混合氣濃時(shí)認(rèn)為催化器中的氧已徹底清空；② 減小空燃比，使用偏稀混合氣給催化器充氧，待后氧傳感器信號(hào)指示為混合氣稀時(shí)認(rèn)為已經(jīng)充滿氧；③ 通過(guò)以上混合氣加濃減稀過(guò)程就可以計(jì)算催化器的OSC。OSC 函數(shù)Fosc （t）的計(jì)算公式如下：

2 快速診斷策略

2. 1 催化器診斷時(shí)間及工況

催化器深度降本帶來(lái)了臨界催化器OSC 變大，會(huì)導(dǎo)致催化器診斷時(shí)間變長(zhǎng)，而診斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致常規(guī)老化排放的CO 超過(guò)GB 18352.6—2016 標(biāo)準(zhǔn)中的I 型試驗(yàn)排放限值（國(guó)六b 階段）。診斷時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)混合氣加濃減稀幅度及OBD 診斷次數(shù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化［5］，如圖2 所示。在車(chē)速50 km/h的穩(wěn)態(tài)工況下，單次診斷時(shí)間有如下特征：① 同樣的混合氣加濃減稀幅度，臨界催化器OSC 越大，則所需的診斷時(shí)間越長(zhǎng)；② 在同樣的臨界催化器OSC 的條件下，應(yīng)用5%、8%、10% 不同的混合氣加濃減稀幅度，加濃減稀幅度越大，所需的診斷時(shí)間越短。因此，通過(guò)提高混合氣加濃減稀的幅度（提高到10%），可有效縮短O(píng)BD 診斷時(shí)間，可減少催化器診斷時(shí)混合氣的加濃減稀頻率，以降低對(duì)常規(guī)催化器老化排放的影響。

催化器快速診斷策略是指在滿足催化器診斷窗口的條件下，如果計(jì)算得到的臨界催化器OSC大于等于2 倍所標(biāo)定的閾值，則認(rèn)為該催化器遠(yuǎn)未達(dá)到臨界劣化程度，因此可通過(guò)1 個(gè)駕駛循環(huán)內(nèi)最多完成1 次診斷，即可判定該催化器是否為正常催化器。通常在GB 18352.6—2016 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的WLTC 工況中，要求診斷應(yīng)盡早完成，如圖3 所示。由圖3 可見(jiàn)，5 個(gè)工況點(diǎn)診斷均可以完成，但是在不同的工況點(diǎn)完成診斷會(huì)對(duì)常規(guī)老化排放有不同的影響。各工況點(diǎn)催化器診斷情況對(duì)比見(jiàn)表1。由表1 可見(jiàn)，在工況1 下完成診斷對(duì)常規(guī)老化排放影響最小，是最優(yōu)工況。因此通過(guò)調(diào)節(jié)診斷窗口及應(yīng)用催化器快速診斷策略，可使催化器診斷在最優(yōu)工況1 下完成診斷。

2. 2 實(shí)車(chē)應(yīng)用

采用上述診斷方案，優(yōu)化診斷窗口及應(yīng)用快速診斷策略，在WLTC 工況下的實(shí)車(chē)應(yīng)用數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖4 可以看出：WLTC 工況下，催化器診斷在工況點(diǎn)1 完成診斷，催化器診斷不會(huì)對(duì)催化器老化排放造成影響，且達(dá)到了診斷要求，這充分說(shuō)明了該策略的有效性和實(shí)用性。目前，該策略已應(yīng)用于催化器深度降本項(xiàng)目，并已得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

催化器診斷的OBD 排放試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可以看出：策略應(yīng)用前，CO 排放量為2.267 kg/km；策略應(yīng)用后，CO 排放量為1.129 kg/km，下降了50% 左右，滿足GB 18352.6—2016 標(biāo)準(zhǔn)附錄J.3.8 中的OBD 閾值要求。

3 EWMA算法

3. 1算法原理

EWMA 算法是一種運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)處理數(shù)據(jù)的算法，該算法對(duì)觀察值分別給予不同的權(quán)數(shù)，按不同權(quán)數(shù)求得移動(dòng)平均值，并以最后的移動(dòng)平均值為基礎(chǔ)，確定預(yù)測(cè)值。觀察期的近期觀察值對(duì)預(yù)測(cè)值有較大影響，它更能反映近期變化的趨勢(shì)。各數(shù)值的加權(quán)系數(shù)隨時(shí)間呈指數(shù)式遞減，越靠近當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)值加權(quán)系數(shù)就越大。相對(duì)傳統(tǒng)的平均法，EWMA算法不需要保存過(guò)去所有的數(shù)值，計(jì)算量顯著減小，可以減少隨機(jī)數(shù)值波動(dòng)對(duì)其測(cè)量值的影響，使數(shù)據(jù)變得更加平滑。EWMA的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)公式為：

3. 2實(shí)車(chē)應(yīng)用

根據(jù)上述理論，催化器在實(shí)際使用的過(guò)程中，正常情況下是逐漸老化的過(guò)程，其儲(chǔ)氧能力也是個(gè)逐漸變小的過(guò)程。從理論上講，相鄰的2 次駕駛循環(huán)的OSC測(cè)試結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，應(yīng)該是比較接近的，那么就無(wú)需每次駕駛循環(huán)都進(jìn)行多次測(cè)試再取平均，可以利用以前駕駛循環(huán)的測(cè)試結(jié)果，一直進(jìn)行加權(quán)移動(dòng)平均計(jì)算。如果當(dāng)次駕駛循環(huán)中，第一次測(cè)試的OSC結(jié)果與上一次駕駛循環(huán)的計(jì)算結(jié)果接近，則無(wú)需再進(jìn)行OSC 的測(cè)試，本次計(jì)算的OSC 結(jié)果也將參與到催化器老化因子（老化因子為實(shí)測(cè)OSC 與催化器診斷閾值的比值）的加權(quán)移動(dòng)平均計(jì)算中，更新催化器老化因子，再將更新后的老化因子與故障老化因子進(jìn)行比較，判斷是否存在故障，也就是說(shuō)該老化因子其實(shí)是多次駕駛循環(huán)的EWMA 結(jié)果。

根據(jù)上述原理，按照EWMA 算法的原始公式進(jìn)行3 次代入計(jì)算，得到新鮮催化器應(yīng)用快速診斷及EWMA 算法的實(shí)車(chē)計(jì)算結(jié)果，以及老化催化器在第1 個(gè)駕駛循環(huán)中采用普通診斷及EWMA 算法的實(shí)車(chē)計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2 和表3。其中，駕駛循環(huán)根據(jù)GB 18352.6—2016 標(biāo)準(zhǔn)附錄J.2.9 定義，由發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)狀態(tài)組成，同時(shí)包含了發(fā)動(dòng)機(jī)從停機(jī)到下次啟動(dòng)的過(guò)程。催化器診斷在1 個(gè)駕駛循環(huán)只可以進(jìn)行1 次。

從表2 和表3 可以看出：在采用快速診斷的情況下，診斷次數(shù)大大減少，1 個(gè)駕駛循環(huán)1 次診斷就可以完成；同時(shí)，應(yīng)用EWMA 算法，新鮮催化器的老化因子水平在2 左右，而老化催化器的老化因子水平在1 左右。老化因子越小代表老化程度越大。因此，該結(jié)果能夠反映催化器的真實(shí)劣化程度。

在應(yīng)用EWMA 算法診斷后，相當(dāng)于每次駕駛循環(huán)都在進(jìn)行魯棒延時(shí)診斷，可以實(shí)現(xiàn)診斷的快速性與可靠性。

4 六西格瑪數(shù)據(jù)處理技術(shù)

4. 1 六西格瑪統(tǒng)計(jì)學(xué)

六西格瑪已經(jīng)被公認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和營(yíng)運(yùn)優(yōu)越的高效工具，通常應(yīng)用于產(chǎn)品的早期開(kāi)發(fā)過(guò)程中，其通過(guò)強(qiáng)調(diào)縮短設(shè)計(jì)和研發(fā)周期，以及降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)高效能的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，準(zhǔn)確地反映客戶的要求［6］。六西格瑪統(tǒng)計(jì)學(xué)方法不僅可以應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量控制，提高良品率，而且可以延伸應(yīng)用于處理大量數(shù)據(jù)，給出數(shù)據(jù)的安全邊界［7］。本文將其應(yīng)用于催化器診斷閥值的可靠性驗(yàn)證上。六西格瑪，即6σ，用來(lái)表示6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，表示在總體中的個(gè)體數(shù)據(jù)相對(duì)于平均值的偏離程度，或正態(tài)數(shù)據(jù)的離散程度。六西格瑪?shù)慕y(tǒng)計(jì)學(xué)含義如圖6 所示，由圖6可知在六西格瑪（6σ）范圍內(nèi)的數(shù)值分布概率在99.7%［8］。

4. 2 實(shí)車(chē)應(yīng)用

基于催化器降本，在應(yīng)用上文中的快速診斷策略與EWMA 算法的基礎(chǔ)上，催化器診斷還需要考慮OSC 故障閾值的設(shè)置，要求在保證與老化催化器OSC 有足夠區(qū)分度的前提下，設(shè)置合理的OSC故障閾值，以滿足GB 18352.6—2016 標(biāo)準(zhǔn)附錄J.4.1 催化器監(jiān)測(cè)要求，從而保證催化器診斷的可靠性，有效降低售后市場(chǎng)的誤報(bào)故障風(fēng)險(xiǎn)。

基于上述六西格瑪統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，將催化器診斷的OSC 故障閾值設(shè)置在六西格瑪范圍內(nèi)，臨界催化器OSC 有99.7% 的概率位于閾值內(nèi)，既可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障，又降低了誤報(bào)故障的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用六西格瑪?shù)膶?shí)車(chē)OSC 數(shù)據(jù)處理如圖7 所示。將實(shí)車(chē)采集的老化催化器OSC及臨界催化器OSC大數(shù)據(jù)導(dǎo)入六西格瑪統(tǒng)計(jì)工具，計(jì)算得出OSC 邊界值，根據(jù)此邊界值考慮余量后設(shè)置診斷故障閾值。實(shí)車(chē)試驗(yàn)證明，該方法能夠有效增加診斷的魯棒性，并隨著樣本數(shù)的增多不斷修正優(yōu)化，可進(jìn)一步提高催化器診斷的可靠性及數(shù)據(jù)的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文給出了基于深度降本設(shè)計(jì)要求的催化器診斷技術(shù)。首先，通過(guò)采用快速診斷策略減少催化器診斷頻率，并增大混合氣加濃減稀幅度，以減小催化器診斷對(duì)常規(guī)催化器老化排放的影響。其次，應(yīng)用EWMA 算法，減小OSC 計(jì)算偏差。最后，通過(guò)六西格瑪數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定OSC 故障閾值，從而保證診斷的快速性和魯棒性，滿足GB 18352.6—2016 標(biāo)準(zhǔn)中的OBD 診斷要求。該診斷技術(shù)的開(kāi)發(fā)滿足了催化器的深度降本的設(shè)計(jì)要求，提升了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，也為排放技術(shù)與OBD 技術(shù)的創(chuàng)新提供了參考。