基于怠速催化器診斷儲氧量影響因素的試驗研究

葉紅號 陳金森 于沖云 常健

摘 ?要：在搭載某直列四缸GDI增壓發動機的整車采用怠速對催化器的儲氧量進行診斷，以判斷催化器是否失效。為了研究怠速診斷時不同的怠速進氣流量、空燃比跳動幅度、催中溫度、催化器老化對儲氧量測試結果的影響。本文通過整車怠速時采用開發ECU改變試驗條件，以達到對比測試儲氧量的目的。此次試驗結果表明，整車怠速時催化器的儲氧量隨著空燃比跳動幅度增大和老化的時間加長而降低，隨著催中溫度的升高而增大，對于怠速不同空氣流量影響不大。

關鍵詞：OBD;催化器;儲氧量;影響因素

中圖分類號：U462 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0069-04

Study on the Affecting Factors of Catalyst Oxygen Storage Capacity Base on ?Idle Catalyst Diagnostic

YE Hong-hao， CHEN Jin-sen， YU Chong-yun， CHANG Jian

（ DongFeng Xiao-kang Motor CO.， LTD.， Chongqing 402260， China）

Abstract： For a vehicle equipped with an in-line four-cylinder GDI turbocharged engine， the oxygen storage capacity is diagnosed at idle speed to determine whether the catalyst is deteriorated. In order to study the influence of different air flow， air-fuel ratio jump ， catalyst temperature， and aged catalyst on the test results of oxygen storage capacity. In order to test the ?oxygen storage capacity， this article uses the development ECU to change the test conditions when the vehicle is idling. The results of this test show that the oxygen storage capacity of the catalyst decreases with the increase of the air-fuel ratio jump and the aging time when the vehicle is idling， and increases with the increase of the temperature in the catalyst. It has no effect for the different air flow.

Key Words： OBD; Catalyst; Oxygen Storage Capacity ; Affecting Factor

葉紅號

畢業于西華大學，現就職于東風小康汽車有限公司技術中心，任動力標定主任工程師，主要研究排放控制和動力匹配。

1 ? ?引言

隨著社會的快速發展，我國的機動車保有量在不斷增加，截止到2019年，我國機動車保有量達3.48億輛，其中汽車保有量達2.6億輛。巨大的汽車保有量排放的廢氣使得環境污染加劇，據生態環境部發布的《中國移動源環境管理年報（2019）》顯示，汽車排放的CO為2859.3萬噸，NOx為521.9萬噸，PM為42.2萬噸，HC為326.7萬噸，分別占機動車污染物排放總量的92.6%、92.7%、95.5%、88.6%。為了應對日益嚴重的環境污染挑戰，我國環境保護部發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，即國六排放法規，該法規相對于國五進行了全面的加嚴。其中催化器OBD閥值方面汽油一類車限值也由國五的NMHC大于0.25g/km或NOx大于0.3g/km診斷為催化器轉換效率低，升級為國六NMHC+NOx大于0.26g/km就診斷為催化器轉換效率低。越來越嚴苛的汽車尾氣排放限值標準給后處理系統及OBD診斷帶來了巨大的挑戰。

車載診斷系統（On-Board Diagnostic，OBD）可持續監測零部件和系統的狀態以及排放的劣化過程，保證汽車在整個使用壽命過程一直不超過排放限值的狀態下運行，是監測汽車排放的有效手段之一。目前對于催化器儲氧診斷王東亮等人[2]對催化器儲氧診斷的方法進行了詳細介紹。高煒[3]對催化器儲氧量的計算方法進行了詳細描述，并對OBD的演示進行了詳細說明。廖火生等人[4]研究了為避免“濃稀”控制對排放的影響，研究了一種只根據后氧信號波動特征來間接計算催化器儲氧能力的方法。業紅玲[5]研究了臨界催化制作的并提出了隨著催化器老化時間的加長，儲氧量逐漸降低。巴斯夫公司[6]在臺架上測試了不同的空燃比跳動幅度、催中溫度、老化時間對儲氧量的影響，結果表明隨著空燃比波動幅度、老化時間的加大，儲氧量逐漸降低，隨著催中溫度的增加儲氧量增大。

本文旨在整車怠速時對不同的怠速進氣流量、空燃比跳動幅度、催中溫度、催化器老化進行了探索，為OBD系統更準確地評估催化器的老化情況提供了理論依據。但由于在整車上很難將催中溫度控制在恒定的值，故測出來的結果稍微有些偏差，為了使結果更趨合理，在試驗過程中采用多次測量篩選有效值進行計算。

2 ? ?試驗原理與方案

2.1 ? 催化器儲放氧原理

在催化器的涂層設計中，都加入了氧化鈰作為助劑，Ce（鈰）在涂層的設計中會與貴金屬相互作用，可提高轉換效率，催化器儲氧量和轉換效率的關系見圖1，由圖可見催化器儲氧量和轉換效率成正比關系。氧化鈰在特定環境下對氧氣有吸收與釋放反應功能，作用相當于氧氣儲存器。

儲氧：2Ce2O3 + O2 → 4CeO2

2Ce2O3 + 2NO → 4CeO2+ N2

Ce2O3 + H2O → 2CeO2+ H2

釋氧：2 CeO2 + H2 → Ce2O3+ H2O

2 CeO2 + CO → Ce2O3+ CO2

2.2 ? 試驗方案介紹

試驗發動機采用國內技術較成熟的1.5L增壓GDI汽油機，其結構參數見表1，催化器和傳感器的布置形式見圖2：

該發動機后處理器采用前段TWC后段GPF的緊耦合布置，TWC結構參數請見表2。測量的儲氧量為前級TWC。

測量方法為：通過發動機控制單元ECU主動控制發動機空燃比進行階躍型跳變，通過測量混合氣由濃變稀時候前后氧傳感器信號之間的延遲時間Δt ，計算出催化器的儲氧量（Oxygen Storage Capacity，縮寫為 OSC）。 其計算公式為：

其中MAF為發動機的進氣量，λ為混合氣過量空氣系數;t1，t2為前后氧傳感器信號達到相同參考值的時刻。通過INCA采數并用MDA編寫公式計算，從而達到對每次不同條件的儲氧量進行計算。

3 ? ?實驗結果

分別對不同怠速進氣流量、空燃比跳動幅度、催中溫度、高溫爐老化時間對催化器的儲氧量進行了測試，試驗內容分別如下。

3.1 ? 怠速進氣量對儲氧量的影響。

為研究不同怠速進氣量對儲氧量測試的影響，分別測試N檔怠速進氣量在2.3g/s和D檔怠速進氣量在3.6g/s，催中溫度在500℃左右，空燃比從15.6跳變到13.6時的儲氧量，通過測10次取平均值儲氧量分別為820mg、825mg，兩次不同的進氣量對儲氧量影響不大。

3.2 ? 不同空燃比跳變對儲氧量的影響。

保持發動機進氣量不變，催中溫度控制在500℃左右，分別測試空燃比從15.6跳變到13.6以及從16.6跳變到12.6時的儲氧量，分別測試10次取平均值，前者測出來儲氧量平均值為820mg，后者測出來為609mg。空燃比波動幅度見圖3，測量結果對比圖見圖4。

3.3 ? 不同催中溫度對儲氧量的影響

為了研究不同催中溫度對儲氧量的影響，分別測試催中平均溫度在500℃、550℃、600℃，空燃比在15.6-13.6之間跳變時的儲氧量，分別測試10次取平均值，試驗結果如下，從下圖中可以看出，隨著催化器溫度的升高，催化器的儲氧量也逐漸增大，但隨著溫度的增加，儲氧量增加的趨勢逐漸放緩。

3.4 ? 高溫爐老化對儲氧量的影響。

為了研究高溫老化對儲氧量的影響，通過高溫爐對催化器進行1000℃/15h快速老化，老化后對催化器的儲氧量進行測試，通過測試10次取平均值，老化儲氧量為531mg，新鮮儲氧量為820mg，新鮮和老化儲氧量對比如圖6，通過計算得出老化催化器的儲氧量劣化為1.54倍。

4 ? ?結論

通過對不同的使用條件對催化器的儲氧量進行了測試，現試驗結論如下：1、怠速時空氣流量分別為2.3g/s和3.6g/s，其余條件一樣時對儲氧量的測試結果影響不大;2、不同空燃比跳動時，空燃比從15.6跳變到13.6測出來的儲氧量比16.6跳動到12.6測出來的儲氧量要大;3、不同的催中溫度時，隨著催中溫度的逐漸升高，儲氧量測出來也逐漸增大，但隨著溫度的升高，儲氧量增加的趨勢逐漸變緩;4、用高溫爐對催化器進行1000℃/15h快速老化時，催化器的儲氧量衰減明顯，最大衰減了1.54倍。

參考文獻：

[1]GB18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S]，北京：環境科學出版社，2016.

[2]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）：1-5+10.

[3]高煒，催化器OBD診斷監測頻率功能的研究與驗證[J].農業裝備與車輛工程，2014，52（07）：13-16.

[4]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（04）：360-363.

[5]業紅玲. 汽油車標定用臨界催化器制備及應用研究[D].安徽農業大學，2008.

[6]“國六法規趨勢及催化器儲氧量技術”PPT文檔，BASF公司，2020.08.

[7]王延昭，李孟良.汽車催化器失效的特征研究[J].北京汽車，2006（05）：25-28.