基于后氧傳感器信號的催化器診斷方法應用

鄒洪波，楊志強，孫雄，馮彧

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

隨著我國機動車保有量的不斷增加以及大氣環境污染日趨嚴重，我國機動車排放法規不斷完善，機動車尾氣排放限值越來越嚴格［1］。目前，三效催化轉化器（以下簡稱催化器）作為一種有效的汽油機動車尾氣排放凈化裝置，對尾氣排放中的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）和氮氧化合物（NOx）的轉化效率均可在80%以上［2］。因此，及時地監測出催化器轉化效率的下降對汽油機動車尾氣排放凈化至關重要。

催化器轉化效率下降的監測，即催化器診斷，主要是基于催化器中氧化鈰吸收和釋放發動機尾氣中氧氣的能力，即催化器的儲氧能力［3］。目前，催化器的儲氧能力測量普遍采用的是雙氧傳感器主動測量方法，即在發動機排氣管上安裝兩個氧傳感器，當發動機處于特定運轉工況時，電控單元（Electronic Controller Unit，ECU）主動加濃和減稀進入發動機各缸的可燃混合氣，通過測量前、后氧傳感器信號對可燃混合氣濃稀狀態變化的間隔時間進行催化器儲氧能力的計算［3－4］。該測量方法能有效地監測出催化器儲氧能力的下降，且抗外界干擾能力較強，但由于存在可燃混合氣的濃稀切換，對發動機閉環燃油控制有一定的影響。基于后氧傳感器信號的催化器診斷方法可以彌補上述診斷方法的不足［5］。本研究在一搭載1.4L自然吸氣汽油發動機且滿足國Ⅴ階段排放法規的汽車上，開展了基于后氧傳感器信號的催化器診斷方法的應用研究。

1 基于后氧傳感器信號的催化器診斷方法

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種不同狀態催化器的前、后氧傳感器信號情況。隨著行駛里程的增加，催化器儲氧能力不斷下降，在相同發動機運轉條件下，后氧傳感器信號振動頻率及幅值加劇。在特定的發動機運轉工況下，ECU利用后氧傳感器信號的振動頻率和幅值特性，進行催化器儲氧能力損失值計算。后氧傳感器信號振動頻率及幅值越大，催化器儲氧能力損失值越大，表明催化器儲氧能力越差。當儲氧能力損失值達到一定限值，發動機尾氣排放中的非甲烷碳氫化合物（NMHC）及NOx排放達到國ⅤOBD排放法規限值時，則表明催化器已經失效。此時，ECU根據診斷結果報出相應的故障代碼并點亮發動機故障指示燈［1］。

1.2 診斷算法

催化器儲氧能力損失值計算過程：ECM對后氧傳感器信號值進行高通濾波并積分，得到后氧傳感器信號高通濾波積分值FO2，N，計算公式為

式中：FO2，N為N 時刻點的高通濾波值；FO2，N－1為N－1時刻點的高通濾波值；FO2，N－2為N－2時刻點的高通濾波值；VO2，N為N 時刻點的后氧傳感器信號值；VO2，N－1為N－1時刻點的后氧傳感器信號值；VO2，N－2為N－2時刻點的后氧傳感器信號值；B1，B2，A3，A2為濾波系數。

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

式中：FN為N時刻一階濾波后的催化器儲氧能力損失值；FN－1為N－1時刻一階濾波后的催化器儲氧能力損失值；FT，N為N時刻瞬時催化器儲氧能力損失值；K為一階濾波系數。

1.3 高通濾波系數優化

為合理設定后氧傳感器信號值高通濾波計算公式中的濾波系數，設置了幾組不同的高通截止頻率進行對比試驗。截止頻率與濾波系數的關系見表1。

表1 截止頻率與濾波系數對應關系

由圖3可知，隨著高通濾波截止頻率的減小，催化器儲氧能力損失平均值及標準偏差值呈幾何級數增加。一方面，標準偏差值的增大反映了ECU每次測量計算得出的催化器儲氧能力損失值的散差程度增大，影響了催化器診斷結果的可靠性；另一方面，過大的高通濾波截止頻率導致16萬km老化催化器與診斷失效限值催化器的儲氧能力損失平均值相差很小，無法診斷催化器的儲氧能力。因此，選擇過大或過小的高通濾波截止頻率，均會影響診斷結果的可靠性。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的最優值。

2 試驗結果分析

2.1 催化器診斷精度評價指標

在車輛的實際行駛過程中，ECM根據發動機運轉工況對燃油量進行相應的調節，從而導致催化器中廢氣的氧含量不同，影響測量的一致性。為盡量降低車輛實際使用因素的影響，通過多次采集催化器儲氧能力值，利用其正態分布特性進行催化器儲氧能力的評價。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氧能力正態分布曲線的距離（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氧能力損失值正態分布曲線交叉，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，正態分布曲線距離越大，診斷精度越高。L計算如下：

式中：μ為測量平均值；σ為測量標準偏差。

2.2 車輛運轉工況的影響

不同的車輛運轉工況下，由于ECU燃油閉環控制的要求，后氧傳感器信號振動情況有所不同，尤其是當發動機處于低轉速、低負荷運轉工況，由于發動機進氣流量很小，影響后氧信號振動頻率及幅值，從而對催化器儲氧能力損失值計算造成影響。本研究在4種不同車輛運轉工況下（見表2），對16萬km老化催化器與診斷失效限值催化器的儲氧能力損失值進行了統計分析。圖5示出儲氧能力損失值正態分布曲線。由圖可知，在發動機轉速大于1800r／min，發動機進氣流量大于5g／s運轉工況下，催化器儲氧能力損失值隨車輛運轉工況變化較小。

表2 車輛運轉工況

2.3 診斷方法可靠性分析

在一搭載1.4L自然吸氣汽油發動機且滿足國Ⅴ排放法規的汽車上進行該診斷方法可靠性試驗，國Ⅴ法規排放限值及排放結果見表3。

表3 不同狀態催化器的排放結果

診斷結果的可靠性受到氧信號狀態的影響，而在車輛實際使用過程中，氧信號又受到發動機運轉工況、車輛使用環境、零件老化程度、氧傳感器工作狀態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果的可靠性，根據國Ⅴ法規常溫排放循環中的車輛運轉工況，并結合車輛實際道路行駛情況，對影響診斷結果的各條件進行合理的優化。優化后的診斷條件如下：

1）前、后氧傳感器信號工作正常；

2）發動機冷卻液溫度70～110℃；

3）發動機進氣溫度－20～100℃；

4）發動機轉速1650～3500r／min；

5）發動機進氣流量4.5～25g／s；

6）催化器溫度500～800℃；

7）發動機轉速波動小于500r／min；

8）發動機進氣流量波動小于7g／s；

9）后氧燃油修正功能處于工作狀態；

10）閉環燃油控制，且燃油學習值偏差小于5%；

11）電子節氣門開度大于5%。

圖6示出優化后滿足國Ⅴ法規排放要求的不同狀態催化器儲氧能力損失值正態分布曲線。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氧能力損失值有很好的區分，合理地設定催化器診斷失效限值，可以有效地監測出催化器失效。

表4列出了基于后氧傳感器信號診斷方法和雙氧傳感器主動診斷方法診斷精度L的對比情況。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診斷法，后氧信號診斷方法的L值散差更小，診斷穩定性更好。

表4 不同催化器診斷方法的L值對比

3 結論

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

b）隨著高通截止頻率減小，在同一測試條件下，催化器儲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）通過合理優化各診斷參數，對于滿足國Ⅴ排放法規要求的催化器，基于后氧傳感器信號的催化器診斷方法可以有效地監測出催化器失效。

［1］中國汽車技術研究中心，中國環境科學研究院.GB 18352.5—2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）［S］.北京：中國環境科學出版社，2013：7，114－115.

［2］周龍保.內燃機學［M］.2版.北京：機械工業出版社，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研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011：17－19.

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

［5］廖火木，姜水生，彭天鵬.基于后氧信號的催化器效能監控［J］.南昌大學學報（工科版），2009，31（4）：360－363.