三元催化器轉(zhuǎn)化效率診斷方法研究

□ 曹 石 □ 劉楠楠 □ 秦 濤

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東濰坊 261061 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東濰坊 261061

1 研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和汽車保有量的迅速增長(zhǎng),汽車尾氣排放已經(jīng)成為環(huán)境污染的一個(gè)主要來源,對(duì)汽車尾氣凈化進(jìn)行研究是環(huán)境污染防治的一個(gè)重要方面[1-2]。天然氣作為一種資源豐富的清潔代用燃料,具有價(jià)格低廉、安全高效、排放污染小等特點(diǎn),能有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能[3-4]。目前,行業(yè)內(nèi)滿足國(guó)家第六階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用單點(diǎn)噴射+當(dāng)量燃燒+三元催化器的技術(shù)路線[4-6]。三元催化器作為常用的后處理裝置,在匹配天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)的汽車行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

三元催化器的轉(zhuǎn)化效率直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放,三元催化器的儲(chǔ)氧能力及耐久性則決定了自身的轉(zhuǎn)化效率。隨著使用時(shí)間的增加,三元催化器會(huì)逐漸老化,儲(chǔ)氧能力逐漸降低。在三元催化器的老化過程中,三元催化器的轉(zhuǎn)化能力將逐步降低,直至消亡[7]。基于上述原因,為了滿足國(guó)家車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)法規(guī)的要求,需要對(duì)三元催化器的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行診斷監(jiān)控。筆者研究的主要內(nèi)容是三元催化器在使用過程中的效率診斷監(jiān)控方法,通過對(duì)比不同診斷方法的優(yōu)缺點(diǎn),尋求一種適合批量應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的診斷監(jiān)控方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)三元催化器轉(zhuǎn)化效率的實(shí)時(shí)診斷,從而滿足車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)法規(guī)的相關(guān)要求。

2 三元催化器工作原理

三元催化器的大量使用使汽車排放控制技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。在優(yōu)化空燃比和點(diǎn)火控制的基礎(chǔ)上,使用三元催化器可以使汽車排放的一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔锿瑫r(shí)降低90 %以上[8-9]。三元催化器內(nèi)溫度達(dá)到 300 ℃以上時(shí),三元催化器內(nèi)的貴金屬催化劑能在適當(dāng)?shù)臈l件下催化以下反應(yīng)[10]:

2CO+O2=2CO2

4HC+5O2=H2O+4CO2

NOx+HC=N2+H2O+CO2

廢氣中的有害氣體在上述反應(yīng)中轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻⑺⒍趸肌Ａ硪环矫?常借助于催化劑涂層中的氧化鈰改善適當(dāng)條件下的尾氣氧化還原反應(yīng)。氧化鈰能起到吸氧和釋放氧的作用,保證三元催化器內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行,從而保證三元催化器轉(zhuǎn)化效率滿足排放要求[10]。

隨著汽車使用年限的增加,三元催化器會(huì)逐漸老化,三元催化器內(nèi)部的貴金屬催化劑也會(huì)逐漸減少、脫落或被其它物質(zhì)覆蓋,從而導(dǎo)致三元催化器的儲(chǔ)氧量及轉(zhuǎn)化效率降低。三元催化器轉(zhuǎn)化效率與儲(chǔ)氧量的關(guān)系示意圖如圖1所示。由圖1可以看出,三元催化器轉(zhuǎn)化效率與儲(chǔ)氧量存在特定關(guān)系,可以通過監(jiān)控三元催化器的儲(chǔ)氧量來判斷三元催化器是否失效[11]。

▲圖1 三元催化器轉(zhuǎn)化效率與儲(chǔ)氧量關(guān)系

3 主動(dòng)診斷方法

針對(duì)三元催化器不斷老化引起的排放惡化問題,法規(guī)對(duì)車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)有明確的規(guī)定及監(jiān)測(cè)要求。對(duì)于三元催化器而言,電子控制單元無法進(jìn)行直接的診斷監(jiān)控,因?yàn)閮?chǔ)氧量很難轉(zhuǎn)化為特定的電信號(hào)。由于三元催化器內(nèi)部的氧化鈰具有吸附和釋放氧的作用,而且三元催化器上游的寬域氧傳感器及下游的開關(guān)氧傳感器具有氧濃度識(shí)別功能,因此可以通過監(jiān)控上下游氧傳感器的相關(guān)信號(hào)來表征當(dāng)前三元催化器的儲(chǔ)氧能力。筆者基于三元催化器工作原理,結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工作工況和空燃比控制方式,研究分析三元催化器轉(zhuǎn)化效率的主動(dòng)診斷方法及被動(dòng)診斷方法。

三元催化器轉(zhuǎn)化效率主動(dòng)診斷指通過主動(dòng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的方式來進(jìn)行儲(chǔ)氧量計(jì)算。首先判斷當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的工況條件是否滿足預(yù)設(shè)的診斷使能條件,然后通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在空燃比偏高的工況下,使三元催化器內(nèi)部的氧全部消耗掉,再通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在空燃比偏低的工況下。通過對(duì)從開始調(diào)低空燃比到下游氧傳感器出現(xiàn)空燃比偏低電壓信號(hào)這一時(shí)間段的氧含量進(jìn)行積分,來獲得三元催化器的儲(chǔ)氧能力。對(duì)積分獲得的儲(chǔ)氧能力與預(yù)設(shè)的判斷閾值進(jìn)行比較,如果高于閾值,則表示三元催化器轉(zhuǎn)化效率滿足要求;反之,則可診斷得出三元催化器存在轉(zhuǎn)化效率低故障。三元催化器轉(zhuǎn)化效率主動(dòng)診斷方法流程如圖2所示。

▲圖2 三元催化器轉(zhuǎn)化效率主動(dòng)診斷方法流程

4 被動(dòng)診斷方法

三元催化器轉(zhuǎn)化效率被動(dòng)診斷指不通過主動(dòng)調(diào)整空燃比的方式來進(jìn)行儲(chǔ)氧量計(jì)算。當(dāng)整車或發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)斷油工況時(shí),尾氣中主要是空氣,三元催化器進(jìn)行儲(chǔ)氧。當(dāng)斷油工況下的時(shí)間或者進(jìn)氣量滿足預(yù)設(shè)的條件時(shí),說明三元催化器已完全充滿氧。在退出斷油工況發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行過程中,通過對(duì)從滿足診斷條件到下游氧傳感器出現(xiàn)空燃比偏高電壓信號(hào)這一時(shí)間段內(nèi)消耗的氧含量進(jìn)行積分,來獲得三元催化器的儲(chǔ)氧能力。將這一儲(chǔ)氧能力與預(yù)設(shè)的判斷閾值進(jìn)行比較,如果高于閾值,則表示三元催化器轉(zhuǎn)化效率滿足要求;反之,則可診斷得出三元催化器轉(zhuǎn)化效率低故障,三元催化器轉(zhuǎn)化效率被動(dòng)診斷方法流程如圖3所示。

▲圖3 三元催化器轉(zhuǎn)化效率被動(dòng)診斷方法流程

5 效果分析

除上述主動(dòng)診斷方法和被動(dòng)診斷方法,筆者還對(duì)具體的控制策略及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。假定三元催化器動(dòng)態(tài)平衡后下游氧傳感器電壓信號(hào)U等于0.45 V,上游氧傳感器信號(hào)以類似于正弦波形式進(jìn)行空燃比λ調(diào)節(jié),來保證三元催化器高效工作。調(diào)節(jié)的幅值以略低于λ為1時(shí)的位置為中軸線,即調(diào)節(jié)時(shí)整體空燃比偏高,如λ調(diào)節(jié)范圍為0.985～1.007。這一調(diào)節(jié)方式可以有效降低氮氧化合物排放,但對(duì)一氧化碳、氨有一定影響。

主動(dòng)診斷方法新三元催化器和劣化三元催化器的信號(hào)分別如圖4、圖5所示。從圖4、圖5中可以看出,劣化三元催化器在空燃比偏低后短時(shí)間內(nèi)下游氧傳感器就能采集到空燃比偏低的電壓信號(hào),所以劣化三元催化器對(duì)應(yīng)的積分時(shí)間比新三元催化器短,從而得出劣化三元催化器的儲(chǔ)氧量小。對(duì)儲(chǔ)氧量與預(yù)設(shè)的判斷閾值進(jìn)行比較,如果低于閾值,即可判斷得出三元催化器轉(zhuǎn)化效率低故障。

▲圖4 主動(dòng)診斷方法新三元催化器信號(hào)

▲圖5 主動(dòng)診斷方法劣化三元催化器信號(hào)

被動(dòng)診斷方法新三元催化器與劣化三元催化器的信號(hào)分別為如圖6、圖7所示。從圖6、圖7中可以看出,劣化三元催化器下游氧傳感器在恢復(fù)供油后短時(shí)間內(nèi)就能采集到空燃比偏高的電壓信號(hào),所以劣化三元催化器對(duì)應(yīng)的積分時(shí)間比新三元催化器短,從而得出劣化三元催化器的儲(chǔ)氧量小。對(duì)儲(chǔ)氧量與預(yù)設(shè)的判斷閾值進(jìn)行比較,如果低于閾值,即可判斷得出三元催化器轉(zhuǎn)化效率低故障。

6 優(yōu)缺點(diǎn)分析

主動(dòng)診斷方法采用主動(dòng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的方式來實(shí)現(xiàn)三元催化器儲(chǔ)氧和耗氧的過程,不受發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化的影響,只要滿足基本的預(yù)設(shè)條件,就可以在主動(dòng)設(shè)置的工況下完成轉(zhuǎn)化效率診斷,可重復(fù)性強(qiáng),診斷精確度高,但需要較長(zhǎng)時(shí)間改變發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比,會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放結(jié)果產(chǎn)生較大影響,如增加一氧化碳、氨等排放物,同時(shí)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性有一定程度的影響。

▲圖6 被動(dòng)診斷方法新催化器信號(hào)

▲圖7 被動(dòng)診斷方法劣化催化器信號(hào)

被動(dòng)診斷方法在斷油工況下由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中的空氣將三元催化器中的氧儲(chǔ)滿,退出斷油工況時(shí),利用發(fā)動(dòng)機(jī)正常的空燃比控制來消耗三元催化器的氧,待三元催化器下游氧傳感器電壓信號(hào)反映空燃比偏高時(shí),表征三元催化器內(nèi)的氧被消耗完畢。這一方法不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常控制的空燃比進(jìn)行調(diào)整,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放及其它性能指標(biāo)沒有任何影響。由于斷油工況時(shí)間長(zhǎng)短的不確定性及退出斷油工況后空燃比控制的不確定性等因素,被動(dòng)診斷過程容易中斷,并且存在判斷時(shí)間長(zhǎng)、誤診斷、診斷頻率不滿足故障診斷執(zhí)行率要求等問題。

綜合上述兩種診斷方法的優(yōu)缺點(diǎn),兼顧診斷準(zhǔn)確性、診斷執(zhí)行率、排放結(jié)果等因素,應(yīng)采用主動(dòng)診斷與被動(dòng)診斷相結(jié)合的方法,通過斷油工況將三元催化器氧儲(chǔ)滿,在退出斷油工況時(shí)通過主動(dòng)提高空燃比的方式使三元催化器內(nèi)的氧快速消耗,計(jì)算三元催化器的儲(chǔ)氧量,進(jìn)而計(jì)算三元催化器的轉(zhuǎn)化效率。

7 結(jié)束語

筆者基于三元催化器轉(zhuǎn)化效率與儲(chǔ)氧量的特定關(guān)系,通過三元催化器上下游氧傳感器信號(hào)計(jì)算儲(chǔ)氧量,判斷空燃比高低,根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況及是否主動(dòng)調(diào)整空燃比,設(shè)計(jì)了兩種不同的三元催化器轉(zhuǎn)化效率診斷方法,并對(duì)不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析,得出三元催化器最優(yōu)的轉(zhuǎn)化效率診斷方法。研究結(jié)果可以有效實(shí)現(xiàn)三元催化器轉(zhuǎn)化效率的診斷,保證匹配三元催化器的發(fā)動(dòng)機(jī)滿足車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)法規(guī)要求,對(duì)三元催化器的其它研究具有參考價(jià)值。