基于后氧传感器信号的催化器诊断方法应用

2015-03-04邹洪波杨志强孙雄冯彧

车用发动机 2015年4期

邹洪波，杨志强，孙雄，冯彧

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

随着我国机动车保有量的不断增加以及大气环境污染日趋严重，我国机动车排放法规不断完善，机动车尾气排放限值越来越严格［1］。目前，三效催化转化器（以下简称催化器）作为一种有效的汽油机动车尾气排放净化装置，对尾气排放中的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化合物（NOx）的转化效率均可在80%以上［2］。因此，及时地监测出催化器转化效率的下降对汽油机动车尾气排放净化至关重要。

催化器转化效率下降的监测，即催化器诊断，主要是基于催化器中氧化铈吸收和释放发动机尾气中氧气的能力，即催化器的储氧能力［3］。目前，催化器的储氧能力测量普遍采用的是双氧传感器主动测量方法，即在发动机排气管上安装两个氧传感器，当发动机处于特定运转工况时，电控单元（Electronic Controller Unit，ECU）主动加浓和减稀进入发动机各缸的可燃混合气，通过测量前、后氧传感器信号对可燃混合气浓稀状态变化的间隔时间进行催化器储氧能力的计算［3－4］。该测量方法能有效地监测出催化器储氧能力的下降，且抗外界干扰能力较强，但由于存在可燃混合气的浓稀切换，对发动机闭环燃油控制有一定的影响。基于后氧传感器信号的催化器诊断方法可以弥补上述诊断方法的不足［5］。本研究在一搭载1.4L自然吸气汽油发动机且满足国Ⅴ阶段排放法规的汽车上，开展了基于后氧传感器信号的催化器诊断方法的应用研究。

1 基于后氧传感器信号的催化器诊断方法

1.1 诊断原理

图1示出新鲜（行驶里程不足3000km）、16万km老化及诊断失效限值3种不同状态催化器的前、后氧传感器信号情况。随着行驶里程的增加，催化器储氧能力不断下降，在相同发动机运转条件下，后氧传感器信号振动频率及幅值加剧。在特定的发动机运转工况下，ECU利用后氧传感器信号的振动频率和幅值特性，进行催化器储氧能力损失值计算。后氧传感器信号振动频率及幅值越大，催化器储氧能力损失值越大，表明催化器储氧能力越差。当储氧能力损失值达到一定限值，发动机尾气排放中的非甲烷碳氢化合物（NMHC）及NOx排放达到国ⅤOBD排放法规限值时，则表明催化器已经失效。此时，ECU根据诊断结果报出相应的故障代码并点亮发动机故障指示灯［1］。

1.2 诊断算法

催化器储氧能力损失值计算过程：ECM对后氧传感器信号值进行高通滤波并积分，得到后氧传感器信号高通滤波积分值FO2，N，计算公式为

式中：FO2，N为N 时刻点的高通滤波值；FO2，N－1为N－1时刻点的高通滤波值；FO2，N－2为N－2时刻点的高通滤波值；VO2，N为N 时刻点的后氧传感器信号值；VO2，N－1为N－1时刻点的后氧传感器信号值；VO2，N－2为N－2时刻点的后氧传感器信号值；B1，B2，A3，A2为滤波系数。

瞬时催化器储氧能力损失值FT，N＝Ka×（∫FO2，N）／128，Ka为转换系数，在ECU采样周期为15.6ms，并设定催化器储氧能力损失值计算周期为2s情况下（见图2），Ka＝1.952。为避免瞬时催化器储氧能力损失值突然变化对诊断造成影响，对瞬时催化器储氧能力损失值进行一阶滤波，得出最终用于诊断用的催化器储氧能力损失值FN，一阶滤波公式如下：

式中：FN为N时刻一阶滤波后的催化器储氧能力损失值；FN－1为N－1时刻一阶滤波后的催化器储氧能力损失值；FT，N为N时刻瞬时催化器储氧能力损失值；K为一阶滤波系数。

1.3 高通滤波系数优化

为合理设定后氧传感器信号值高通滤波计算公式中的滤波系数，设置了几组不同的高通截止频率进行对比试验。截止频率与滤波系数的关系见表1。

表1 截止频率与滤波系数对应关系

由图3可知，随着高通滤波截止频率的减小，催化器储氧能力损失平均值及标准偏差值呈几何级数增加。一方面，标准偏差值的增大反映了ECU每次测量计算得出的催化器储氧能力损失值的散差程度增大，影响了催化器诊断结果的可靠性；另一方面，过大的高通滤波截止频率导致16万km老化催化器与诊断失效限值催化器的储氧能力损失平均值相差很小，无法诊断催化器的储氧能力。因此，选择过大或过小的高通滤波截止频率，均会影响诊断结果的可靠性。综合考虑16万km老化和诊断失效限值的催化器储氧能力损失值的分布情况，选择0.2的高通滤波截止频率为本试验的最优值。

2 试验结果分析

2.1 催化器诊断精度评价指标

在车辆的实际行驶过程中，ECM根据发动机运转工况对燃油量进行相应的调节，从而导致催化器中废气的氧含量不同，影响测量的一致性。为尽量降低车辆实际使用因素的影响，通过多次采集催化器储氧能力值，利用其正态分布特性进行催化器储氧能力的评价。定义催化器诊断精度L为诊断失效限值催化器与非失效催化器的储氧能力正态分布曲线的距离（见图4）。若L小于0，则诊断失效限值催化器与非失效催化器储氧能力损失值正态分布曲线交叉，存在无法判断失效催化器的情况，诊断精度低；反之，则两正态分布曲线无交叉，可以有效地判断失效催化器，诊断精度高。L值越大，正态分布曲线距离越大，诊断精度越高。L计算如下：

式中：μ为测量平均值；σ为测量标准偏差。

2.2 车辆运转工况的影响

不同的车辆运转工况下，由于ECU燃油闭环控制的要求，后氧传感器信号振动情况有所不同，尤其是当发动机处于低转速、低负荷运转工况，由于发动机进气流量很小，影响后氧信号振动频率及幅值，从而对催化器储氧能力损失值计算造成影响。本研究在4种不同车辆运转工况下（见表2），对16万km老化催化器与诊断失效限值催化器的储氧能力损失值进行了统计分析。图5示出储氧能力损失值正态分布曲线。由图可知，在发动机转速大于1800r／min，发动机进气流量大于5g／s运转工况下，催化器储氧能力损失值随车辆运转工况变化较小。

表2 车辆运转工况

2.3 诊断方法可靠性分析

在一搭载1.4L自然吸气汽油发动机且满足国Ⅴ排放法规的汽车上进行该诊断方法可靠性试验，国Ⅴ法规排放限值及排放结果见表3。

表3 不同状态催化器的排放结果

诊断结果的可靠性受到氧信号状态的影响，而在车辆实际使用过程中，氧信号又受到发动机运转工况、车辆使用环境、零件老化程度、氧传感器工作状态及催化器温度等因素的影响。因此，为确保该催化器诊断方法诊断结果的可靠性，根据国Ⅴ法规常温排放循环中的车辆运转工况，并结合车辆实际道路行驶情况，对影响诊断结果的各条件进行合理的优化。优化后的诊断条件如下：

1）前、后氧传感器信号工作正常；

2）发动机冷却液温度70～110℃；

3）发动机进气温度－20～100℃；

4）发动机转速1650～3500r／min；

5）发动机进气流量4.5～25g／s；

6）催化器温度500～800℃；

7）发动机转速波动小于500r／min；

8）发动机进气流量波动小于7g／s；

9）后氧燃油修正功能处于工作状态；

10）闭环燃油控制，且燃油学习值偏差小于5%；

11）电子节气门开度大于5%。

图6示出优化后满足国Ⅴ法规排放要求的不同状态催化器储氧能力损失值正态分布曲线。由图可知，新鲜及16万km老化催化器与诊断失效限值催化器的储氧能力损失值有很好的区分，合理地设定催化器诊断失效限值，可以有效地监测出催化器失效。