汽油/CNG兩用燃料汽車前氧傳感器響應診斷差異性分析

摘 要：本文針對汽油與壓縮天然氣（CNG）雙燃料發動機的前氧傳感器響應特性展開研究，提出三種診斷方法。研究表明：由于汽油與CNG燃料燃燒特性存在顯著差異，在完成兩種燃料的排放標定后，其前氧傳感器電壓信號形態呈現明顯區別——CNG模式下的濃稀轉化次數、濃稀邊均值時間及濃稀濃過渡均值時間均高于汽油模式。基于此差異特征，在制定前氧傳感器老化排放標定策略時，需針對不同燃料模式設置獨立診斷閾值，以確保傳感器響應性能的精準判定。

關鍵詞：兩用燃料汽車 前氧傳感器 響應診斷 排放標定

汽車排放產生的有害氣體占全球大氣污染總量的50%以上[1]，這些污染物加速了地球生態環境的惡化進程，威脅到人類社會的可持續發展。為應對這一環境挑戰，通行的解決方案是通過車載診斷（On-board Diagnostic，OBD）系統實時監測氧傳感器等關鍵排放控制部件[2]，當檢測到排放異常或部件故障時立即觸發警示，確保車主及時進行維修處理，使在用機動車的污染物排放始終處于受控狀態，進而有效減少污染物的排放，為環境保護提供了可靠的技術支撐。

作為電控燃油噴射系統的核心反饋元件，前氧傳感器通過實時監測排氣中氧濃度構建燃油閉環控制回路，其測量精度直接決定發動機空燃比的調節精度[3]。在實際運行中，該傳感器最典型的失效模式表現為信號響應遲滯，這種動態特性衰減將導致電控單元（ECU）無法精準捕捉燃燒狀態變化——當傳感器響應時間超過閾值時，空燃比反饋控制會產生相位延遲，造成燃油補償量與實際需求出現偏差。這種控制失調不僅降低催化轉化器60%以上的污染物轉化效率，更會使CO、HC等有害物質排放濃度陡增2-3倍。鑒于其關鍵作用，我國《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》明確規定，氧傳感器動態響應診斷屬于OBD系統必須監測的三大核心指標，要求系統在傳感器響應遲滯超過標定閾值時，必須在兩個駕駛循環內激活故障指示燈（MIL）并存儲凍結幀數據。

1 前氧傳感器響應診斷原理

1.1 前氧傳感器響應診斷基本流程

開關型氧傳感器診斷基本流程如下。（1）進入診斷基本條件：發動機處于理論空燃比閉環控制，發動機的轉速、負荷、水溫、染料液位或者燃料壓力，發動機運行時間以及閉環燃油控制時間，閉環燃油自學習值等相關信號均滿足監測工況要求，且系統無其他故障禁止氧傳感器診斷。（2）ECU收集一定采集周期T內前氧傳感器輸出電壓信號的濃稀轉換次數，從濃到稀及從稀到濃的平均過渡時間，在濃邊和稀邊平均時間。（3）判斷前氧傳感器輸出電壓信號的濃稀轉換次數，從濃到稀和從稀到濃的平均過渡時間，在濃邊和稀邊平均時間是否超出相應閾值，任意一個滿足就可監測到氧傳感器的響應速率變慢。（4）故障管理。

1.2 前氧傳感器響應診斷三種方式原理

在數據采集階段，在一個采集周期T內，系統以采樣周期T0=8ms從前氧傳感器電路讀取電壓信號，根據前氧傳感器響應診斷定義的混合氣稀限值0.3V（低于0.3V判斷混合氣為稀）和混合氣濃限值0.6V（高于0.6V判斷混合氣為濃）將電壓動態劃分為四個特征狀態。稀（L）：VO2B1S1lt;0.3V。稀到濃過渡（LHT）： VO2B1S1從0.3V向0.6V跳變。濃（H）：VO2B1S1gt;0.6V。濃到稀過渡（HLT）：VO2B1S1從0.6V向0.3V跳變。

圖1為前氧傳感器響應診斷數據分析圖。其中：T0表示采樣周期為8ms；LHT表示由稀到濃過渡（Low to High Transition）；H表示濃（High）；HLT表示由濃到稀過渡 （High to Low Transition）；L表示稀（Low）；LHTC表示稀到濃 次數（Low to High Transition Count）；HLTC表示濃到稀過渡次數 （High to Low Transition Count）；LHSC表示稀到濃轉換次數 （Low to High Switch Count）；HLSC表示濃到稀轉換次數 （High to Low Switch Count）。

當前氧電壓信號從高電壓跳變到小于等于0.3v時，濃到稀轉換次數計數器HLSC加1；當前氧電壓信號從低電壓跳變到大于等于0.6v時，稀到濃轉換次數計數器LHSC加1；當前氧電壓信號從低到高過渡時，每個采樣周期稀到濃過渡計數器LHTC加1；當前氧電壓信號從高到低過渡時，每個采樣周期濃到稀過渡計數器HLTC加1。

根據以上采集數據，三種診斷方式原理如下。

1.2.1 氧傳感器信號響應延時

收集一個采集周期T內前氧傳感器電壓信號小于0.3v的時間TLT，和大于0.6v的時間THT。通過采樣周期和濃稀轉換次數得到前氧傳感器電壓信號在稀側和濃側的均值時間：

ALT=TLT/LHSC" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

AHT=THT/HLSC" " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

從而，可以計算得到在稀側和濃側時間均值：

O2B1S1RDAV=（ALT + AHT/）/2" " " " " " " （3）

若濃稀側均值時間O2B1S1RDAV大于等于相應閾值，說明前氧傳感器在濃側或者稀側時間太長，出現響應延時故障。

1.2.2 氧傳感器信號響應遲滯

收集一個采集周期T內前氧傳感器電壓信號，分析得到稀到濃平均過渡時間：

O2B1S1FLHR=TLHTC*T0/TLHSC" " " " （4）

濃到稀平均過渡時間：

O2B1S1FHLR=THLTC*T0/THLSC" " " " （5）

稀到濃平均過渡時間和濃到稀平均過渡時間的均值時間：

O2B1S1FRAV=（O2B1S1FHLR+O2B1S1FLHR）/2" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

若過渡均值時間O2B1S1FRAV大于其對應的標定閾值，說明前氧傳感器響應過慢故障。

1.2.3 氧傳感器信號濃稀轉換次數

收集一個采集周期T內前氧傳感器電壓信號總轉換次數TLHSC和THLSC；若稀到濃轉換次數或濃到稀轉換次數小于其對應的標定閾值，說明前氧傳感器響應轉換次數過少，也出現響應過慢故障。

以上三種方式，任意一個出現故障，即出現前氧傳感器響應遲滯故障。

2 兩用燃料汽車前氧傳感器響應差異性分析

在開展前氧傳感器老化的OBD試驗之前，需先行進行新鮮排放標定。對于兩用燃料汽車而言，鑒于汽油與CNG燃料存在顯著差異性，故而需分別針對汽油和CNG這兩種燃料的排放進行標定。

天然氣完全燃燒的理論空燃比為17.4[4]，汽油完全燃燒的理論空燃比為14.7[5]。由此可知，所以相同質量的燃料在完全燃燒的情況下，天然氣需要的空氣量更多。并且，由于天然氣的主要成分為甲烷（CH4），甲烷的分子結構穩定，不易完全燃燒[6]。基于以上兩點因素，導致天然氣在燃燒過程中呈現富氧狀態，NOX污染物排放較高。為了使NOX與CO參加氧化還原反應，提升三元催化器的轉化效率，降低NOX污染物排放，國外研究表明，當天然氣的混合氣空燃比在0.98～0.99區間時，三元催化器的綜合轉化效率最好。而在汽油標定過程中，當混合氣空燃比處于0.99～0.998區間時，三元催化器可以實現最佳轉化效率。在實際試驗過程中，所得到的結果與該研究結論相符。

對于前氧傳感器為開關型氧傳感器的電控系統，為確保混合氣的空燃比在0.98～0.99范圍內，僅當在前氧傳感器處于閉環控制狀態時，可以通過增大前氧傳感器中值電壓、延長閉環控制P項的持續時間，調整P項濃側持續時間與稀側持續時間的比例，P項增益步長，以及對P項濃側時間的補償控制等手段，以此達到混合氣的偏濃控制。以圖2-5為某汽油/CNG兩用燃料汽車的前氧傳感器中值電壓，P項持續時間等對比圖。

從以上圖中可以看出，在天然氣模式下，為使混合氣的空燃比有效控制在0.98-0.99區間內，前氧傳感器的中值電壓相較于汽油模式需增大約0.05V。同時，前氧傳感器閉環控制的P項持續時間在天然氣模式下也明顯長于汽油模式，并且采用了非對稱控制策略。此外，在天然氣模式下，P項濃側時間的補償值較汽油模式增大了0.6以上。綜上所述，針對不同燃料模式，混合氣的空燃比需依據燃料特性對前氧傳感器閉環控制的相關參數進行差異化設置，以確保車輛的排放污染物得到有效控制。

3 試驗對比

為了探究不同燃料條件下，因排放標定的顯著差異所導致的前氧傳感器電壓信號變化情況，在某汽油/CNG兩用燃料汽車上開展了針對性的驗證試驗。試驗開始，在底盤測功機上執行國六WLTC循環測試，依據該循環工況對前氧傳感器穩態學習區域進行精準劃定。經過詳細的分析與計算，最終確定了三個具有代表性的負荷區域，隨后在這些區域內展開前氧傳感器電壓信號的系統收集與深入分析工作，旨在通過詳實的數據解析，揭示不同燃料與排放標定差異對前氧傳感器電壓信號的影響機制。

3.1 新鮮態前氧傳感器信號采集數據

車輛安裝新鮮態前氧傳感器，待車輛進入診斷條件后，分別在節氣門流量（代表負荷）Airflow為6-9g/s（小負荷），13-16g/s（中等負荷）以及大于20g/s（大負荷）時進行前氧傳感器響應診斷的數據收集，結果如下。

數據結果顯示，CNG模式下，為了使混合氣實際空燃比維持在0.98-0.99區間內，前氧傳感器的濃稀轉換次數相較于汽油更大，濃稀濃過渡均值時間O2B1S1FRAV小于汽油模式，濃稀側均值時間O2B1S1RDAV也小于汽油，即CNG模式下，前氧傳感器電壓信號的切換頻率更快，響應更迅速。

3.2 老化態前氧傳感器信號采集數據

在前氧傳感器之間串上氧傳感器信號老化模擬裝置，對前氧傳感器反饋的前氧傳感器信號輸入到老化模擬器中進行劣化處理，再將劣化后的前氧傳感器信號輸出給ECU進行閉環控制。試驗方法如同新鮮態氧傳感器測試方法，老化方式采用稀-濃-稀，濾波時間常數分別為（40ms和45ms）試驗結果如表3。

在設置相同的前氧傳感器老化系數的條件下，實驗數據結果表明，CNG模式中，前氧傳感器的濃稀轉換次數、濃稀側均值時間（O2B1S1RDAV）以及濃稀濃過渡均值時間（O2B1S1FRAV）均大于汽油模式，而汽油模式在此老化參數設置下，已報出前氧傳感器響應遲滯故障，CNG模式則不會。另外在中等負荷和大負荷時，由于氧傳感器信號切換頻率加快，老化模式下，前氧信號穿越濃稀限值的次數顯著減少。

基于上述試驗結果，在進行前氧傳感器老化故障排放標定時，考慮到汽油和 CNG 兩種不同燃料特性對前氧傳感器工作狀態產生的差異性影響，有必要針對汽油和CNG分別標定不同的閾值。通過這種方式，能夠有效規避誤報現象的發生，同時避免出現因一種燃料排放超標卻未觸發故障報警的情況，從而確保車輛排放監測系統的準確性與可靠性。

4 結論

（1）由于汽油和CNG燃料特性差異，在進行排放標定后， CNG模式下新鮮前氧傳感器的濃稀轉化次數大于汽油模式，濃稀側均值時間O2B1S1RDAV，濃稀濃過渡均值時間O2B1S1FRAV小于汽油模式，即CNG模式下，前氧傳感器響應更迅速。

（2）在設置相同的前氧傳感器老化系數時，CNG模式下，前氧傳感器的濃稀轉換次數，濃稀側均值時間O2B1S1RDAV，濃稀濃過渡均值時間O2B1S1FRAV都要大于汽油模式。

（3）在OBD排放標定過程中，需要根據不同燃料標定不同閾值，以滿足OBD排放要求。

參考文獻：

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[2] 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].

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[6]葛松.某天然氣汽車催化劑配方優化及試驗研究[J].農業裝備與車輛工程，2016（8）：59-62.