小汽車傳感器故障對車輛排放的影響分析

萬 霞

（深圳職業技術學院 汽車與交通學院，廣東 深圳 518055）

空氣流量計和氧傳感器信號是發動機在一定工況下控制燃油噴射量的重要依據，影響發動機各污染物的排放．發動機通過空氣流量計來測得實際進入氣缸的空氣量，結合其他傳感器的信號，發動機電腦精確計算出噴油嘴噴油脈寬，噴出的燃油和空氣混合燃燒后，排氣系統中的氧傳感器監測排氣中的氧含量獲得實際的空氣燃油比信號，ECU根據該信號和實際進入氣缸的空氣量，結合發動機的工況進一步調整噴油嘴的噴油量，使得發動機的空氣燃油比一直控制在14.7:1左右，以達到三元催化轉換器的最高轉換效率，從而降低排放．這2種傳感器發生故障時，分別會對車輛的排放實際產生什么影響，文獻[1]研究了空氣流量傳感器故障對汽油發動機的影響，文獻[2]研究了氧傳感器對天然氣發動機排放的影響，前者研究的實驗模型是一臺3缸發動機，后者是天然氣發動機，且均是在發動機臺架上進行的排放測試．實驗模型并不能代表市場主流車輛發動機和車輛的真正行駛工況．本文采用 ASM5025穩態工況法，對市場保有量較大的3種小汽車，進行工況法測試．保證被測車輛在一致的工況下，測量氧傳感器和空氣流量傳感器故障前后對車輛各污染物排放的影響．

1 實驗方法

穩態工況法（ASM）是我國環保部規定使用的小汽車尾氣檢測方法之一，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%的節氣門開度下保持25km/h時速的ASM5025工況和在25%的節氣門開度下保持 40km/h時速的 ASM2540工況．本實驗使用 ASM5025工況法對實驗車輛排放進行測試，其中CO，HC采用不分光紅外法，NOx采用電化學法．

本文實驗車輛參數見表1．A車和C車發動機帶廢氣渦輪增壓，B車的車齡較長．3輛被測車輛車況均良好，無任何發動機及相關部分故障．實驗車輛，均在三元催化轉換器前配置有氧傳感器，除此之外C車在三元催化轉換器后也配置有氧傳感器，傳統汽車行業為示2種氧傳感器區別，前者稱為前氧傳感器；后者稱為后氧傳感器．3輛實驗車均為L型電控燃油噴射系統，其空氣流量信號均由空氣流量傳感器產生．每臺實驗車在正常狀況和各種故障情況下各實驗3次，去除異常值，采取平均值作為測試數據進行分析．

表1 實驗車輛參數分析

2 ASM 下車輛氧傳感器故障前后的排放對比

氧傳感器安裝在發動機排氣管上，一般位于三元催化轉換器的前端，或者前后端都裝．為了保證三元催化轉換器的排氣凈化效果，利用前氧傳感器來檢測排氣中的氧含量，對發動機的噴油量進行修正，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檢測三元催化轉換器的轉換效率．

本實驗在將 A，B，C車的前氧傳感器信號斷開后，再進一步將C車的前后氧傳感器信號斷開后來測量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行比較，比較結果可分別見圖1-3．

圖1為3輛實驗車輛氧傳感器信號缺失前后CO的排放變化，圖形縱坐標為 CO的排放，單位為“%”，為體積的百分比．從圖1中可以看出當前氧傳感器信號缺失后，實驗車輛的CO排放均有所升高，A，B，C車前氧傳感器信號缺失后CO排放分別為車輛正常時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C車在前氧傳感器信號缺失的基礎上又缺失后氧傳感器信號后，C車的CO排放在ASM5025工況法下進一步增加到0.71%，為正常狀態時的 8.875倍，超過該工況法的排放限值．由于在正常車況下CO排放本身較低，一點排放變化就會引起較大的倍數變化．從絕對數值上來看，在前后氧傳感器信號缺失故障后，C車的CO增長幅度分別為 0.37%和0.63%遠高于 A，B車的CO增長幅度0.07%和0.12%．

圖 2為 3輛實驗車輛氧傳感器信號缺失前后HC的排放變化，圖形縱坐標為 HC的排放，單位為“0.001‰”，為體積的百萬分之一．圖中可以看出當前氧傳感器信號缺失后，實驗車輛的HC排放有升有降，A，B，C車前氧傳感器信號缺失后HC排放分別為車輛正常時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C車在前氧傳感器信號缺失的基礎上又缺失后氧傳感器信號后，C車的 HC排放在ASM5025工況法下進一步增加到0.067‰，為正常狀態時的11.17倍．從絕對數值上來看，在前后氧傳感器信號缺失故障后，C車的HC增長幅度分別為0.057‰和0.061‰，遠高于A，B車的HC變化幅度-0.003‰和-0.026‰．

圖 3為 3輛實驗車輛氧傳感器信號缺失前后NOx的排放變化，圖形縱坐標為NOx的排放，單位為“0.001‰”，為體積的百萬分之一．圖中可以看出ASM5025的NOx排放限值為0.9‰，遠高于被測實驗車輛的NOx排放值．這與ASM5025行駛工況速度較低，而NOx主要是在高溫下產生的有關．與文獻[3]的研究結果一致．

圖1 氧信號缺失前后CO排放變化

圖2 氧信號缺失前后HC排放變化

圖3 氧信號缺失前后NO x排放變化

當前氧傳感器信號缺失后，實驗車輛的 NOx排放有不同程度的減小，A，B，C車前氧傳感器信號缺失后 NOx排放分別為車輛正常時NOx污染物排放的0.475倍，0.222倍和0.882倍．當C車在前氧傳感器信號缺失的基礎上又缺失后氧傳感器信號后，C車的NOx排放在進一步降低到0.00002‰，為正常狀態時的0.001倍．從絕對數值上來看，在前氧傳感器信號缺失故障后，A，B，C三車的NOx增長幅度分別為-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，發動機噴油一般根據空氣流量信號結合氧傳感器信號及其它傳感器信號來閉環控制噴油脈寬，將空氣燃油比控制在理論空燃比附近．當前氧傳感器信號缺失后，ECU一般都采用一個默認值來替代，此時發動機噴油進入開環控制，噴油脈寬控制精度變得較低．

實驗數據顯示在前氧傳感器信號缺失后， A車和B車的污染物排放絕對值變化并不大，離排放測試工況的污染物排放限值相差還較大，表明此時被測車輛的ECU依舊會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缺失后CO和HC均有大幅上升，甚至超過排放限值，說明 C車的ECU在開環控制噴油時，比理論空燃比稍低，比正常車況偏濃．

此外上述數據分析也可看出C車的前后氧傳感器信號同時缺失時，進一步增大了在前氧傳感器信號缺失時CO，HC，NOx的排放較正常狀況時的變化趨勢．

3 ASM 下車輛空氣流量信號缺失故障前后的排放對比

當電控燃油噴射系統采用空氣流量傳感器測量發動機的進氣量時，對空氣量的測量更為精確，ECU根據輸入的進氣量信號結合氧，水溫，轉速等眾多傳感器信號來精確控制噴油脈寬，從而實現對可燃混合氣空燃比的精準控制，以滿足發動機在不同工況時的要求．本文針對實驗車輛在空氣流量計信號缺失前后進行 ASM5025工況下的污染物測試．測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排放在空氣流量計缺失后，增長較快，超過ASM5025工況CO排放限值0.7%的2.46倍．絕對數值上計算得到A，B，C 3車在空氣流量信號缺失后CO排放增加分別為：0.16%，2.4%和-0.03%．A，C兩車的CO排放絕對數值變化不大．

實驗A，B，C 3車在空氣流量信號缺失后HC的排放相較于車輛正常狀況下的排放有增有減，見圖5．信號缺失后三車HC的排放分別為正常狀況下排放的1.22,3和3倍．實驗車輛在信號缺失后HC排放的絕對值變化為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，見圖6．信號缺失后3車NOx的排放分別為正常狀況下排放的

圖4 空氣流量信號缺失前后CO排放變化

圖5 空氣流量信號缺失前后HC排放變化

圖6 空氣流量信號缺失前后NO x排放變化

0.6 ,4和4倍，且均小于0.1‰，且無論故障前后，排放絕對值都比較小，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力性，經濟性和排放性．發動機燃油的精確計量噴射依據的主要是對進入發動機空氣流量的精確測量．當發動機空氣流量信號缺失后，發動機根據默認設定的傳感器默認值和噴油閉環控制中的氧傳感器信號的值來控制噴油脈寬．比如A車發動機ECU控制較好地適應了ASM5025工況，在CO，HC和NOx的排放上均沒有太大的變化；也有如B車發動機ECU控制無法適應檢測工況，使得CO和HC的排放大大增加，甚至CO的排放超過ASM5025工況CO排放限值的2.46倍．表明混合氣過濃，有較多燃油無法燃燒．

4 結 論

本文對3臺實驗車輛進行氧傳感器信號和空氣流量信號缺失后的CO，HC和NOx排放進行測試，并與車輛在正常狀況下的污染物排放值進行比較分析，得到如下結論：

1）氧傳感器信號缺失后，C車CO和HC濃度增幅較大，且CO排放超出限值，說明C車在氧信號缺失后，發動機控制噴油稍濃．且C車后氧傳感器信號的進一步缺失會加大這種增幅．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，說明B車在空氣流量信號缺失后，面對 ASM5025工況，發動機控制噴油明顯偏濃．其余車的排放變化也不大，能維持良好的排放．

3）在當代小汽車發動機ECU的噴油控制中，ECU需要根據空氣流量信號，氧傳感器信號，節氣門位置信號等等來綜合判斷噴油，任何一個傳感器信號的缺失都會影響噴油的精度，但大多數發動機廠商在設置傳感器默認值時會符合大多數的發動機工況，使得該傳感器信號的缺失對發動機的動力和排放影響不太大．但也有例外．

[1] 陳昊，馬其華，耿莉敏．氧傳感器對排放及三元催化器轉化效率的影響研究[J]．鄭州大學學報（工學版），2007，28（2）：93-96．

[2] 袁華智，蹇小平，張春化，等．傳感器故障對天然氣發動機性能和排放的影響[J]．長安大學學報（自然科學版），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性的實驗研究[J]．小型內燃機與摩托車，2012，41（4）：73-76．