吉武俊 張尚月
關(guān)鍵詞:三元催化器;儲(chǔ)氧率;失效;空燃比;儲(chǔ)氧能力;失效故障監(jiān)測
中圖分類號(hào): U464.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
0引言
三元催化器是現(xiàn)代轎車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)后處理最為有效的裝置之一[1-2]。但車輛行駛里程超過10萬km 后,三元催化器會(huì)出現(xiàn)不同程度的失效現(xiàn)象。一旦行駛里程超過20 萬km,三元催化器凈化尾氣的功能會(huì)成倍減弱,甚至完全喪失凈化功能[3]。本文針對(duì)三元催化器的失效故障進(jìn)行診斷,圍繞采用閉環(huán)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的三元催化器失效監(jiān)測的問題,提出建立三元催化器的儲(chǔ)氧率數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)三元催化器失效的診斷算法,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器的儲(chǔ)氧率模型老化因子進(jìn)行在線監(jiān)測。由此確定三元催化器失效診斷的使能條件,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)三元催化器失效故障的有效監(jiān)測。
1三元催化器儲(chǔ)氧率模型
三元催化器儲(chǔ)氧率模型是表示三元催化器的最大儲(chǔ)氧量與燃燒排放物中氧含量之間的關(guān)系[4-5]。根據(jù)三元催化器入口、出口氧傳感器采集到的λ 值,建立三元催化器儲(chǔ)氧率模型,通過模型估計(jì)CeO2的相對(duì)氧氣覆蓋率。三元催化器儲(chǔ)氧率模型求解的ROC氧氣覆蓋率可在線估計(jì)催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率,判別三元催化器的老化程度,可滿足控制的實(shí)時(shí)性要求。三元催化器儲(chǔ)氧率η可表示為:
2 三元催化器儲(chǔ)氧率計(jì)算
利用simulink 建立三元催化器儲(chǔ)氧率模型(圖1),排氣管上游氧傳感器信號(hào)的變化受空燃比變化的影響。在滿足診斷使能條件下,當(dāng)空燃比為定值時(shí),排氣管上游氧傳感器信號(hào)近似為一常數(shù)。三元催化器的型號(hào)以及其老化程度決定了鈰氧化物吸附、脫附速率常數(shù)。取新的三元催化器反應(yīng)速率常數(shù)為1。
發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下,三元催化器的儲(chǔ)氧率受發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比和流量的影響。在空燃比減小時(shí),排氣中有害氣體相對(duì)增加,而Ce 表面氧的儲(chǔ)存率隨著流量的增加而減小。圖2 所示為空燃比A /F =13.1 時(shí),經(jīng)過7.5 s 后,三元催化器完全釋放氧,其儲(chǔ)氧率η 由1 逐漸下為0。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比增加時(shí),排氣中有害氣體相對(duì)減少,而Ce表面氧的儲(chǔ)存率隨著流量的增加而加大。隨著排氣流量的增加,三元催化器氧的儲(chǔ)存達(dá)到飽和狀態(tài)。圖3 所示為空燃比A /F =16.1時(shí),經(jīng)過13s后,三元催化器儲(chǔ)氧達(dá)到了飽和狀態(tài),其儲(chǔ)氧率η 由0 逐漸上升到1。
3三元催化器老化
診斷算法診斷算法的設(shè)計(jì)思路為:通過把發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比變稀,讓三元催化器在儲(chǔ)氧達(dá)到飽和狀態(tài),再把發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比變濃,通過計(jì)算三元催化器后氧傳感器相對(duì)前氧傳感器的反饋滯后時(shí)間來診斷三元催化器的老化程度。
該診斷算法的關(guān)鍵是:①在空燃比變稀過程中,判別三元催化器儲(chǔ)存氧是否已經(jīng)飽和狀態(tài);②后氧傳感器反饋延遲時(shí)間的準(zhǔn)確測量;③在排氣由稀變濃的過程中,需要了解三元催化器中的氧是否已經(jīng)完全釋放。
當(dāng)三元催化器的儲(chǔ)氧能力越好,劣化因子kgr就越小,發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比λ 由稀變濃過程中,后氧傳感器相對(duì)于前氧傳感器信號(hào)滯后的延遲時(shí)間變長。隨著三元催化器老化程度的加劇,劣化因子kgr會(huì)逐漸變大,其儲(chǔ)氧能力逐漸降低,則后氧傳感器對(duì)空燃比λ 變化的反饋延遲時(shí)間也相應(yīng)變短。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比為定值時(shí),在滿足診斷使能條件下,三元催化器的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)工況等對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響因素都只在狹小的區(qū)間內(nèi)變化,可以忽略,轉(zhuǎn)化效率受三元催化器自身老化程度的影響就突出了。先將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在空燃比為16.1附近工作,通過式(2)計(jì)算氧儲(chǔ)存率η 值,當(dāng)η 接近1 時(shí),三元催化器氧儲(chǔ)存達(dá)到飽和。然后將空燃比控制在13.1附近工作,通過式(3)計(jì)算氧儲(chǔ)存率η值,當(dāng)η接近0時(shí),三元催化器氧儲(chǔ)存枯竭。
計(jì)算出此時(shí)后氧傳感器相對(duì)前氧傳感器的反饋滯后時(shí)間,把此反饋滯后時(shí)間稱為三元催化器儲(chǔ)氧能力時(shí)間(Oxygen Storge Capacity :OSC)。將計(jì)算出的反饋滯后時(shí)間與三元催化器標(biāo)定的儲(chǔ)氧能力OSC臨界閾值比較。若計(jì)算出的反饋滯后時(shí)間小于標(biāo)定OSC閾值,則判定三元催化器本次診斷存在故障。三元催化器老化診斷算法的流程如圖4所示。
4 三元催化器老化診斷的實(shí)驗(yàn)分析
在滿足診斷使能條件后,發(fā)動(dòng)機(jī)在熱怠速工況下,空燃比、排氣溫度、空間速度、排氣壓力和排氣流均勻性等影響三元催化器轉(zhuǎn)化效率的因素都只在狹小區(qū)間內(nèi)變化,可以忽略。三元催化器自身的老化對(duì)其轉(zhuǎn)化效率的影響就突出出來。
判別三元催化器氧儲(chǔ)存率是否達(dá)到飽和狀態(tài),可采用逐漸逼近方法進(jìn)行測試。試驗(yàn)操作過程分為2 個(gè)環(huán)節(jié)。
第1 個(gè)環(huán)節(jié)是在發(fā)動(dòng)機(jī)滿足使能條件下,改變發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比,使發(fā)動(dòng)機(jī)由怠速空燃比閉環(huán)控制狀態(tài)進(jìn)入稀空燃比開環(huán)控制狀態(tài)(λ=16.1)。測試時(shí)間分別為1 s、3 s、5 s、7 s、9 s、12 s、15 s和18 s。
第2 個(gè)環(huán)節(jié)是踩下加速踏板,加濃混合氣,使發(fā)動(dòng)機(jī)由稀空燃比開環(huán)控制狀態(tài)進(jìn)入濃空燃比開環(huán)控制狀態(tài)(λ=13.1),并做相應(yīng)時(shí)間的測試,消耗掉三元催化器Ce 表面的O2。最后使發(fā)動(dòng)機(jī)回到怠速空燃比閉環(huán)控制狀態(tài)運(yùn)行。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)老化診斷算法的有效性,分別使用已知正常和老化的同型號(hào)三元催化器進(jìn)行試驗(yàn)。
4.1 正常三元催化器的實(shí)驗(yàn)分析
正常三元催化器的試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。計(jì)算圖5 中空燃比由稀變濃時(shí),前氧傳感器和后氧傳感器信號(hào)穿過化學(xué)計(jì)量與基準(zhǔn)電壓的時(shí)間差,結(jié)果如圖6 所示。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,正常三元催化器在空燃比變化時(shí),后氧傳感器相對(duì)于前氧傳感器的反饋滯后時(shí)間為8 s 左右,也就是OSC 閾值為8 s。
4.2 老化三元催化器的實(shí)驗(yàn)分析
老化三元催化器的試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。計(jì)算圖7 中空燃比由稀變濃時(shí),上下游氧傳感器信號(hào)穿過化學(xué)計(jì)量與基準(zhǔn)電壓的時(shí)間差,結(jié)果如圖8 所示。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,老化三元催化器在空燃比變化時(shí),后氧傳感器相對(duì)于前氧傳感器的反饋滯后時(shí)間為3s 左右,相比正常三元催化器的OSC 閾值8 s 明顯縮短。
因此,OSC 時(shí)間可區(qū)分正常和老化的三元催化器。
5結(jié)束語
本文針對(duì)三元催化器的失效故障診斷,圍繞三元催化器失效故障監(jiān)測的問題展開研究,得出以下結(jié)論。
(1) 利用simulink建立基于三元催化器儲(chǔ)氧率模型設(shè)計(jì)的三元催化器老化診斷算法,能夠有效診斷出三元催化器的老化程度。
(2)基于劣化因子的分析,通過仿真得出隨著里程的增加,劣化因子會(huì)逐漸變大,轉(zhuǎn)化效率逐漸減低??杖急茸兓瘜?duì)老化三元催化器的后氧相對(duì)前氧傳感器反饋延遲時(shí)間縮短。
(3)通過臺(tái)架試驗(yàn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的三元催化器老化診斷算法能夠準(zhǔn)確診斷出催化器是否達(dá)到使用極限以及老化程度。且該診斷算法簡單、運(yùn)算量小,適用于車載實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)。
作者簡介:
吉武俊,博士,教授,研究方向?yàn)檐囕v排放系統(tǒng)故障診斷。