汽油機極限催化器故障診斷及選型方法研究

張德全 徐風 秦龍

摘要：催化器在整車排放改善中起著非常重要的作用，由于其性能優劣直接影響車輛排放結果，催化器故障診斷成為汽油機EMS車載診斷（OBD）的重要診斷之一。本文通過分析催化器故障診斷系統工作原理，實現了基于Simulink的極限催化器儲氧能力（Osc）故障診斷方法，通過大最試驗得到催化器儲氧時間極限限值，同時也分析了極限催化器和老化催化器儲氧時間符合正態分布規律。該診斷方法在整車上進行驗證，實驗結果表明診斷策略穩定可靠，在排放超標之前精確報故障。

關鍵詞：EMS;車載診斷;極限催化器;儲氧能力;正態分布

環境污染是近年來的熱門話題，其中汽車尾氣排放是環境污染的重要來源。國家法規部門也規定了相關排放標準，用來限制各大汽車廠商車輛排放結果。三元催化器的作用在排放物改善中扮演著重要角色，三元催化器是利用汽車排放物中殘余的氧和排氣溫度，在催化劑表面進行氧化還原反應，使有害物C0，HC，NOx等加快化學反應速度，轉變為CO，H，0和N，，從而減少廢氣對環境的污染。根據法規要求，當NMHC或Nox排放量超過OBD規定的極限限值時，應認為各被監測的催化轉化器或催化轉化器組出現故障^[4]。故當車輛催化器老化后（相當于車輛行駛160000Km），在車輛排放結果超過OBD極限值之前，診斷系統能夠監測出催化器故障，否則排放物超標，加重環境污染;如果排放結果在正常范圍之內，診斷系統不能誤報故障，否則會增加車輛維修概率，造成用戶不必要的維修費用^[1]。

在做催化器故障診斷之前，首先要對催化器的狀態進行選型，根據其使用公里數將催化器分為三類：新鮮催化器、老化催化器和極限催化器，其中新鮮催化器即未經使用的催化器;老化催化器即使用了一段的催化器，車輛排放結果在OBD范圍之內;極限催化器相當于即經歷了160000km試驗，且排放結果將要超過OBD排放極限值或已經超過OBD排放極限值的催化器;根據以上分析，診斷策略要保證極限催化器時要診斷出故障，而在新鮮和老化階段不能誤報故障。

1 催化器失效診斷方法

本策略使用的催化器失效診斷方法為雙氧傳感器法，即在催化器前端用于閉環控制的前氧傳感器，催化器后端的后氧傳感器^[3]。一個完好的新催化器有較強的儲氧能力，即在具有富氧時儲存氧和在貧氧的自動調節功能強。隨著催化器活性下降，其儲氧能力即儲放氧的調節功能會下降，當測得后氧、前氧傳感器稀到濃的時間小于極限限值時，則可判斷催化器已損壞。

2 診斷原理

一個完好的催化器有較強的儲氧能力，因而催化器后的氧傳感器電壓信號比催化器前的傳感器電壓信號波動幅度小的多，隨著催化器活性下降，其儲氧能力及即儲放氧的調節功能會下降，當測得后氧傳感器電壓波動較大且波形十分接近前氧傳感器波形時，見圖l中（a）（b）所示，前、后氧傳感器電壓對比，根據氧傳感器監測出來的氧濃度變濃變稀時間則可判斷催化器是否劣化，本文也正是基于這樣得方法測量催化器的OSC（OxygenStorage Capacity）來達到診斷催化器目的^[2]。

利用雙傳感器法，通過監測后氧傳感器對空燃比變化的反饋延遲時間來診斷催化器的老化。如圖2為催化器OBD滲斷示意圖，圖中通過燃油控制調節燃油量從而調節催化器的儲氧狀況，根據后氧傳感器的濃稀變化情況來判斷催化器性能。

3 診斷策略SIMILINK實現

3.1診斷使能及依賴性判定

催化器診斷需要車輛在一定工況下才能完成，并且一個駕駛循環執行一次。首先要判斷診斷進入使能條件，該條件需要考慮發動機轉速、車速、短期燃油修正信號、水溫等信號，例如車速大于一定值時、水溫已經到達暖機溫度（40℃）、短期燃油修正處于穩定狀態（處于1附近）進行診斷;其次，在診斷過程中，要確保發動機轉速、油門踏板、氣缸空氣流量、車速穩定在一定范圍之內，保證氧濃度變化足由于催化器性能影響而不是由于車況變化引起。

在診斷過程中會有一種情況，假如診斷期問使能條件不滿足，例如進氣量波動過大、加速踏板開度波動過大則系統會將相應使能信號進行初始化，以保證下一次診斷正常進行，診斷初始化實現見圖3：

在催化器診斷時，如果氧傳感器出現電氣故障和反應延遲故障時，通過氧傳感器計算出來的OSC時間就不準確，故在氧傳感器故障時，催化器診斷就不能根據氧傳感器電壓進行診斷，還有其他相關信號，例如水溫傳感器故障信號、進氣溫度傳感器故障信號、加速踏板故障信號等，在催化器診斷期間都要將以上信號作為診斷的依賴性條件。

3.2催化器OSC診斷策略

根據前面描述，可以根據氧傳感器變化濃度來判定催化器性能是否老化。前氧傳感器電壓值變化（U_Front02_Sensor）為正弦波，而后氧傳感器電壓值（U_Rear02_Sensor）由于催化器作用，氧濃度基本不變，原因是由于催化器中Ce元素作用，在尾氣富氧工況下儲存氧氣，在尾氣稀氧的工況下釋放氧氣，保證空燃比波動時的凈化效果，適應實車運行的工況變化。但隨著催化器的老化，其轉化效率和儲氧能力OSC都要下降，后氧傳感器的濃度就會隨著尾氣氧含量的變化而變化。

診斷策略如圖4所示，在診斷預處理階段（ConditiionPart），系統會監測當前使能條件是否滿足（條件見3.1描述）。當診斷條件滿足，系統會主動提出診斷請求，首先降低點火效率r_MaxEffReq，點火系統會推遲點火角phi_SparkAngleDesird，此時燃燒不充分，排放物中會有較多的油氣混合物，此時燃油修正會r_FuelTrimShortTerm會降低，為診斷的燃油修正做準備。

燃油加濃階段（RichPart），預處理階段完成后，開始進行調節燃油當量比（r_FEQR_Req，其中FEQR：Fuel equivalance ratio），通過調節該參數可以調節燃油量;增加燃油后，燃油會不充分燃油，排放物中燃油含量就會偏高，此時由于化學反應作用燃油富裕的排放物會充分消耗掉催化器中的氧分子，從而降低催化器中的氧含量。當前氧和后氧傳感器的電壓值高于標定值U_RichThreshold（氧電壓值偏高，代表著氧含量較少），燃油加濃階段結束。

燃油變稀階段（LeanPart），燃油變濃后，通過改變燃油當量比使燃油變稀階段，當燃油當量比小于計算平均值開始計算儲氧時間值T-OSC_ Raw，當后氧傳感器電壓值U_Rear02_Sensor小于變稀的限定值LeanThreshold時，儲氧時間計算結束，并且計算當前催化溫度平均值T_CatalystAverage和進氣量平均值dm_lnletAirAverage，計算目的是為了對儲氧時間計算值進行系數補償。

評估階段（ EvaluatePart ），在燃油變稀階段，系統計算完催化器儲氧時間，系統根據當前計算值進行濾波，防止偶然儲氧時間波動現象，濾波公式見（1）。系統根據濾波值對儲氧時間進行評估。當儲氧時間值小于標定時間值t_FaiILimit時，系統會報FAIL故障，催化器性能已經達到極限;當儲氧時間值大于標定時間值t_FaiILimit時，系統報PASS，催化器性能還在使用壽命范圍內。在診斷剛開始階段，系統調節了點火效率和燃油當量比，故在診斷結束前，會對以上變量進行還原，以恢復發動機系統正常運行。

T_New=T_{本次計算值}×δ_補償系數×λ_濾波系數+（1-λ_濾波系數）×T_Old（1）

4 儲氧時間標定及系統驗證

首先對控制策略進行單元測試，保證仿真狀態下策略的有效性和正確性。模型仿真號，將催化器診斷模型集成到EMS軟件中，并代碼生成，在整車上進行診斷驗證。根據法規要求，在催化器劣化之前要監測到該故障，且不能誤報。在以上兩條要求下，催化器要做兩種類型多的選型驗證，一類是極限催化器的儲氧時間驗證;一類是老化催化器儲氧時間驗證;且兩種催化器的儲氧時間要滿足一定的數學關系式，才能確保標定的極限閾值和極限、老化催化器儲氧時間互不影響。

4.1極限催化器儲氧時間分析

將車輛催化器更換成極限催化器，在馬路上進行測試，車況要滿足系統要求的診斷需求才能正常診斷。測試過程中根據不同進氣量進行測試，其中進氣量選點為：5～6grams/second、6～7grams/second、7～8grams/second、8～9grams/second、 9～lOgrams/second、10～ 11grams/second、11～12grams/second、12～13grams/second、 13～14grams/second、15～16grams/second，根據以上進氣量點進行測試，采集的儲氧時間正態分布如圖5：

從正態分布圖5中可以看出，儲氧時間分布概率最高的是在7階段，其中7階段對應的儲氧時間為T₁，儲氧時問平均值為MEAN1，儲氧時問標準方差為σ₁。

4.2老化催化器儲氧時間分析

將車輛催化器更換成老化催化器，用和極限催化器相同的工況和相同的氣量進行儲氧時間的測試。采集的儲氧時間正態分布如圖6：

從正態分布圖6中可以看出，儲氧時間分布概率最高的是在13階段，其中13階段對應的儲氧時間為T₂，平均值為MEAN2，標準方差為σ₂。

根據4.1和4.2兩種催化器的儲氧時間分析，現在要比較儲氧時間關系，見表1：

從表1中比較老化催化器MEAN₂-3σ₂，和極限催化器MEAN₁+3σ₁計算值，MEAN₁+3σ₁2-3 σ₂，兩種催化器的選型滿足診斷系統要求，催化器劣化閾值選擇Tthreshold=（（MEAN₁+3σ₁）+（MEAN₂-3σ₂））1/2，診斷系統既能夠在催化器劣化之前報劣化故障，又不會在老化階段誤報故障。根據該分析結果將催化器劣化閾值寫入診斷策略中，進行故障監測驗證。

4.2極限催化器公告驗證

以上章節對催化器類型進行選型分析及儲氧時間劣化閾值標定。為了滿足國家法規標準，需要在法規驗證部門進行極限催化器劣化驗證。故障碼驗證結果如圖7。

測試過程中催化器診斷狀態位Status（二進制）由0x1000變成0xl1000&0x0110=0x0110狀態，表示存在故障。并且報P0420（故障定義為：催化器效率低）故障。證明當前診斷系統能在催化器劣化情況下正確報出故障。

除能正確報故障碼之外，法規中還有定義，在整車OBD排放物超限值之前報故障，那就要求所測試車輛在極限催化器情況下整車OBD排放不能超過OBD規定限值。試驗過程中，對整車排放進行監測，測試結果見表2。

其中，表2中Percent%一列代表所測試排放物與OBD限值的比值。根據實測排放結果來看，排放物達到OBD限值的90%左右，滿足法規定義要求。

5 結論

本文從催化器診斷原理、診斷策略的實現、催化器的選型以及驗證四個方面進行闡述，完整的概括了催化器診斷的整個開發過程，并且滿足開發目標、符合國五法規要求。

參考文獻：

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[3] Michail I.Soumelidis. Richard K.Stobart， Richard A Jackson.A Nonlinear Dynamic Model For Three-Way CatalystControl and Diagnosis.SAE-No：2004-01-1831.

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[5]張翔.汽油機電子控制系統車裁診斷策略研究武漢理工大學碩士學位論文2007年.