吉武俊

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

氧傳感器是發(fā)動機燃油噴射閉環(huán)控制系統(tǒng)中的核心器件，對發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性和排放性能的控制起著至關(guān)重要的作用，用于檢測汽車發(fā)動機排氣管中廢氣混合物中剩余氧氣的成分［1-2］。氧傳感器一旦出現(xiàn)老化，不但會使發(fā)動機的油耗增大、動力性能下降，還會導(dǎo)致發(fā)動機怠速熄火、抖動、三元催化器堵塞、排放超標等各種故障［3-4］。

現(xiàn)代汽車的OBD-Ⅱ車載診斷系統(tǒng)在一定程度上能夠?qū)ρ鮽鞲衅鞯碾妷盒盘柡投搪?斷路故障進行實時診斷，實現(xiàn)故障碼存儲和點亮故障指示燈報警，但現(xiàn)有的OBD-Ⅱ車載診斷系統(tǒng)對氧傳感器在老化過程中對空燃比的影響沒有監(jiān)測［5-7］。

本文在分析氧傳感器老化故障的基礎(chǔ)上，在滿足使能條件下，開展氧傳感器老化試驗，通過信號模擬器模擬BOSCH LSU4.9 寬域型氧傳感器老化后輸出信號偏移和周期變長信號。采集該氧傳感器未老化輸出信號和老化后的信號對過量空氣系數(shù)Фa、HC、CO、NOx 信號變化的影響，分析氧傳感器老化對空燃比和排放影響，得出氧傳感器老化對排放值的變化規(guī)律。

1 氧傳感器老化

汽車行駛8～10 萬公里后，經(jīng)常發(fā)生氧傳感器失效的現(xiàn)象，老化和中毒是汽車氧傳感器失效的主要表現(xiàn)。氧傳感器老化是指氧傳感器在長期使用過程中其性能逐漸劣化的現(xiàn)象，導(dǎo)致氧傳感器老化與道路狀況、燃油、潤滑油，以及傳感元件局部表面溫度過高等因素有關(guān)［8-9］。氧傳感器中毒是指傳感元件受到污染而失效的現(xiàn)象，氧傳感器中毒主要有硫中毒、一氧化碳中毒、硅中毒、鉛中毒、磷中毒和錳中毒等［10-11］。

在氧傳感器的工作過程中，當(dāng)發(fā)動機混合氣的濃度控制在理論空燃比14.7 為中心的非常狹窄的范圍時，燃油燃燒充分，排氣中的CO、HC、NOx 排放量低。當(dāng)發(fā)動機在怠速工況運行時，噴射系統(tǒng)燃油噴射量加大，將出現(xiàn)部分燃油不能夠充分燃燒而排放到排氣管中，排氣管中未燃燒的燃油在排氣管中繼續(xù)燃燒，生成碳顆粒附著在氧傳感器表面使其保護層剝落，氧傳感也會因表面溫度過高而加速老化［12-14］。

2 老化過程對空燃比和排放影響

當(dāng)發(fā)動機進入空燃比控制時，前氧傳感器監(jiān)測發(fā)動機排氣管廢氣中氧的含量，借以判定發(fā)動機實時空燃比狀態(tài)。寬域氧傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)空燃比在10 ～20 的連續(xù)檢測，相當(dāng)于混合氣濃度在0.7 ～1.4之間寬范圍調(diào)節(jié)，根據(jù)氧濃度的不同，傳感器將輸出高低不同的電壓信號給發(fā)動機控制單元PCM，及時調(diào)節(jié)噴油器的噴油時間，實現(xiàn)對混合氣持續(xù)、實時控制。氧傳感器信號的振幅變動越小，發(fā)動機排放的有害氣體就越少。

如圖1 所示，氧傳感器信號老化分為響應(yīng)信號變慢和反饋電壓持續(xù)偏移兩大類。其中響應(yīng)信號變慢有4 種不同類型：圖1a 所示的信號周期變長，圖1b 所示的混合氣從稀到濃響應(yīng)周期變長，圖1c 所示的混合氣從濃到稀響應(yīng)周期變長和圖1d所示的混合氣濃稀轉(zhuǎn)化響應(yīng)周期都變長。其反饋電壓持續(xù)偏移又分為2 種類型，圖1e 所示的反饋電壓持續(xù)上偏移，圖1f）所示的反饋電壓持續(xù)下偏移。

圖1 氧傳感器老化信號

氧傳感器電壓輸出信號響應(yīng)變慢是排氣系統(tǒng)中最常見的故障，分為混合氣從稀到濃轉(zhuǎn)變和從濃到稀轉(zhuǎn)變時使氧傳感器電壓輸出信號響應(yīng)變慢兩種［15］。其中，排放物中磷和錳與多孔鉑電極發(fā)生反應(yīng)，造成電極催化活性下降是混合氣從稀到濃轉(zhuǎn)變氧傳感器信號響應(yīng)變慢的主要原因；排放物中鉛在高溫下與鉑電極形成低共熔體，電極催化活性遭到破壞是造成混合氣從濃到稀轉(zhuǎn)變氧傳感器電壓輸出信號變慢的原因主要。此外，在長期高溫下氧化鋯固體電解質(zhì)老化使得氧離子擴散速度慢，導(dǎo)電率下降，也會造成氧傳感器電壓輸出氧信號變化變慢。

1）氧傳感器電壓輸出信號上偏移對排放和空燃比的影響。當(dāng)氧傳感器電壓輸出信號發(fā)生上偏移時，即氧傳感器的輸出電壓增大，表明空燃比小于1。此時，若發(fā)動機是在混合氣由稀到濃的轉(zhuǎn)換過程中，由于PCM 得到氧傳感器輸出的較高電壓信號，將繼續(xù)控制減少噴油量，使稀混合氣狀態(tài)持續(xù)時間加長，發(fā)動機動力性變差；若發(fā)動機是在混合氣由濃到稀的轉(zhuǎn)換過程中，已經(jīng)增加了發(fā)動機噴油量，PCM 認為混合氣仍是濃的，繼續(xù)減少噴油量，使得稀混合氣狀態(tài)持續(xù)時間更長，排氣中O2和NOX的排放量增大。

2）氧傳感器電壓輸出信號發(fā)生下偏移對排放和空燃比的影響。由于氧傳感器電壓輸出信號下偏移，在發(fā)動機混合氣由濃到稀的轉(zhuǎn)換過程中，PCM 持續(xù)得到氧傳感器低電壓信號，則減少噴油量時間滯后，使的濃混合氣狀態(tài)持續(xù)時間更長。由于氧傳感器輸出信號下偏差，在當(dāng)發(fā)動機混合氣由稀到濃的轉(zhuǎn)換過程中，已經(jīng)增加了發(fā)動機的噴油量，但PCM 認為混合氣仍是稀的，繼續(xù)增加噴油量，使得濃混合氣狀態(tài)持續(xù)的時間更長，發(fā)動機燃燒不完全，排放物中CO 和HC 的排放量增大。

3）氧傳感器輸出電壓周期變長對排放和空燃比影響的分析。氧傳感器輸出電壓周期變長是指氧傳感器響應(yīng)空燃比（從濃到稀轉(zhuǎn)換、從稀到濃轉(zhuǎn)換）變化的時間變長，即處于濃混合氣的狀態(tài)和處于稀混合氣的狀態(tài)時間變長。隨著氧傳感器老化，在閉環(huán)控制模式下，當(dāng)氧傳感器輸出電壓周期變長，PCM噴油量會發(fā)生變化，空燃比也隨著變化，從而導(dǎo)致HC 排放量下降、NOX排放量增加。

3 試驗方案設(shè)計

氧傳感器老化故障的影響因素有很多，在分析氧傳感器老化故障對空燃比的影響時，要盡量減少其它因素的影響。發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)工況、空燃比進入閉環(huán)控制，此時正常氧傳感器的電壓信號受工況、節(jié)氣門開度、空氣流量、流量和蓄電池電壓的干擾小。所以，需要設(shè)置氧傳感器的老化故障診斷使能條件。

1）發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)工況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在800 ～3 000 r/min 之間。

2）蓄電池電壓必須≥11 V。

3）發(fā)動機運行時間≥10 min，在空燃比閉環(huán)控制下進行氧傳感器老化的信號采集。

4）節(jié)氣門開關(guān)控制在20%～50%之間，空氣質(zhì)量流量在8 ～35 g/s 之間。

5）發(fā)動機工作在非減速斷油狀態(tài)。

6）冷卻水溫度≥90 ℃。

在滿足上述條件下，氧傳感器老化試驗是在中汽銳思發(fā)動機臺架控制系統(tǒng)中進行，試驗用發(fā)動機為2012 款邁騰1.8 T 發(fā)動機。運用BOSCH FSA740監(jiān)測發(fā)動機過量空氣系數(shù)、節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息，利用博世BEA-050 型尾氣分析儀讀取尾氣排放物值。通過信號模擬器模擬BOSCH LSU4.9 寬域型氧傳感器老化后輸出信號偏移和周期變長信號，試驗采集該氧傳感器未老化輸出信號和老化后的信號對過量空氣系數(shù)Фa、HC、CO、NOx信號變化的影響，驗證氧傳感器老化對空燃比和排放影響。

4 結(jié)果分析

4.1 氧傳感器輸出電壓偏移

1）氧傳感器電壓輸出信號上偏移。圖2 是發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2 000 r/min，節(jié)氣門開度在30% 時，采集氧傳感器老化前和老化后電壓輸出上偏移兩種信號對過量空氣系數(shù)Фa、HC、CO、NOx 信號的影響，采樣時間為85 s，其中前40 s 為老化前信號對應(yīng)的信號，后45 s 為氧傳感器老化后電壓輸出上偏移對應(yīng)的信號。分析數(shù)據(jù)得出：在前半段采樣時間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)過量空氣系數(shù)Фa 無沒明顯變化；HC 保持在30 ppm 附近；CO 在15 s 附近出現(xiàn)跳躍方波，屬于偶發(fā)燃燒不良；NOx 信號值為0。在后半采用時間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)隨著氧傳感器信號上偏移持續(xù)上升，過量空氣系數(shù)φa 逐漸增大；HC 和CO 排放值逐漸減小，NOx 排放值在發(fā)動機空燃比閉環(huán)控制時不明顯；但在70 s 后，空燃比進入開環(huán)控制模式，CO、HC 明顯下降；80 s 時，NOx突然上升。

因此，氧傳感器電壓信號的上偏移，會導(dǎo)致過量空氣系數(shù)φa 偏大，造成空燃比過大，使CO 和HC 排放濃度減小、NOx 排放濃度增大。

圖2 信號上偏移對過量空氣系數(shù)和排放值的影響

2）氧傳感器電壓輸出信號發(fā)生下偏移。圖3 是發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 000 r/min，節(jié)氣門開度在20%時，采集氧傳感器老化前和老化后電壓輸出下偏移兩種信號對過量空氣系數(shù)Фa、HC、CO、NOx 信號的影響，采樣時間為35 s，其中前10 s 為老化前信號對應(yīng)的信號，后25 s 為氧傳感器老化電壓輸出下偏移對應(yīng)的信號。分析數(shù)據(jù)得出：在前半段采樣時間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)過量空氣系數(shù)Фa 無沒明顯變化；HC 幾乎不變；CO 在0.08%附近；NOx 信號值在10～15 ppm 之間。在后半采用時間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)隨著氧傳感器信號下偏移持續(xù)下降，過量空氣系數(shù)φa 逐漸減小；HC 和CO 排放值較前半時間無明顯變化，而NOx 排放值則逐步減??；在25 s 后，空燃比進入開環(huán)控制模式，HC 和CO 排放值明顯較前半時間增大；NOx 排放值則逐步減小。

因此，氧傳感器電壓輸出信號的下偏移，將導(dǎo)致過量空氣系數(shù)φa 偏小，空燃比增大，而HC 和CO 排放值增大，同時NOx 排放值減小。

圖3 信號下偏移對過量空氣系數(shù)和排放物的影響

4.2 氧傳感器輸出電壓周期變長

1）混合氣從濃到稀轉(zhuǎn)換過程周期變長。圖4 所示是發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2 500 r/min，節(jié)氣門開度為20%，采集氧傳感器輸出電壓周期正常、延長0.3 s 和0.6 s時對過量空氣系數(shù)Фa、HC、CO、NOx 信號的影響。采樣時間為100 s，其中前30 s 為周期正常、30～70 s為周期延長0.3 s，70～100 s 為周期延長0.6 s。分析數(shù)據(jù)得出：在發(fā)動機混合氣從濃到稀變換過程中，氧傳感器輸出電壓為正常周期，過量空氣系數(shù)Фa 不變，PCM 噴油量少，HC 排放值減小，NOx 排放值無明顯增加；氧傳感器輸出電壓周期延長0.3 s，與正常周期相比較：過量空氣系數(shù)Фa 無明顯變化，HC排放值繼續(xù)減小，NOx 排放值增加；氧傳感器輸出電壓周期延長0.6 s，與前兩個周期相比較：過量空氣系數(shù)Фa 增加，HC 排放值繼續(xù)減小，NOx 排放值明顯增加。

圖4 混合氣從濃到稀轉(zhuǎn)換氧傳感器輸出電壓周期變長對過量空氣系數(shù)和排放值的影響

因此，在混合氣從濃到稀轉(zhuǎn)換過程中，氧傳感器輸出電壓周期變長，將導(dǎo)致混合氣處于稀狀態(tài)的時間過長，過量空氣系數(shù)Фa 偏大，空燃比增大，而HC 排放值減小，同時NOx 排放值明顯增大。

圖5 混合氣從稀到濃轉(zhuǎn)換氧傳感器輸出電壓周期變長對過量空氣系數(shù)和排放值的影響

2）混合氣從稀到濃轉(zhuǎn)換過程周期變長。圖5 所示是發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2 500 r/min，節(jié)氣門開度為20%，采集氧傳感器輸出電壓周期正常和延長0.6 s 時，對過量空氣系數(shù)Фa、HC、CO、NOx 信號的影響。采樣時間為95 s，其中前20 s 為周期正常、20～95 s 為周期延長0.6 s。分析數(shù)據(jù)得出：在發(fā)動機混合氣從稀到濃變換過程中，氧傳感器輸出輸出電壓為正常周期，過量空氣系數(shù)Фa 不變，HC 和NOx 排放值不變；氧傳感器輸出輸出電壓周期延長0.6 s，與正常周期相比較：由于氧傳感器輸出電壓周期變長，信號滯后的原因，在20～50 s 之間信號較正常周期沒有明顯變化；50 s 后φa 逐漸減小，空燃比也逐漸減小，發(fā)動機混合氣變濃；NOx 排放值變化不明顯；HC 和CO 排放值逐漸增大。

因此，在混合氣從稀到濃轉(zhuǎn)換過程中，氧傳感器輸出電壓周期變長，將導(dǎo)致混合氣處于較濃狀態(tài)的時間過長，空燃比減小，過量空氣系數(shù)φa 偏小，CO 和HC 排放值增大，同時NOx 排放值無明顯變化。

5 結(jié)論

本文針對氧傳感器老化引發(fā)的問題，展開了氧傳感器老化故障機理研究。圍繞老化過程引起氧傳感器輸出電壓變化對空燃比和排放影響的分析，得出氧傳感器老化對排放值的變化規(guī)律。

1）當(dāng)氧傳感器電壓信號的上偏移，會導(dǎo)致NOx排放濃度增大。

2）當(dāng)氧傳感器電壓輸出信號的下偏移，會導(dǎo)致HC 和CO 排放值增大。

3）當(dāng)氧傳感器對空燃比從濃到稀轉(zhuǎn)換響應(yīng)變慢時，PCM 誤以為混合氣偏濃從而減少噴油量，會導(dǎo)致NOX 排放的增加。

4）當(dāng)氧傳感器對空燃比從稀到濃轉(zhuǎn)換響應(yīng)變慢時，PCM 誤以為混合氣偏稀從而會加大噴油量，從而導(dǎo)致CO 和HC 的排放會增加。

5）通過臺架試驗，驗證了氧傳感器信號由于響應(yīng)速度降低老化時，對排放值的變化規(guī)律。