汽油機(jī)極限催化器故障診斷及選型方法研究

張德全 徐風(fēng) 秦龍

摘要：催化器在整車排放改善中起著非常重要的作用，由于其性能優(yōu)劣直接影響車輛排放結(jié)果，催化器故障診斷成為汽油機(jī)EMS車載診斷（OBD）的重要診斷之一。本文通過(guò)分析催化器故障診斷系統(tǒng)工作原理，實(shí)現(xiàn)了基于Simulink的極限催化器儲(chǔ)氧能力（Osc）故障診斷方法，通過(guò)大最試驗(yàn)得到催化器儲(chǔ)氧時(shí)間極限限值，同時(shí)也分析了極限催化器和老化催化器儲(chǔ)氧時(shí)間符合正態(tài)分布規(guī)律。該診斷方法在整車上進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明診斷策略穩(wěn)定可靠，在排放超標(biāo)之前精確報(bào)故障。

關(guān)鍵詞：EMS;車載診斷;極限催化器;儲(chǔ)氧能力;正態(tài)分布

環(huán)境污染是近年來(lái)的熱門話題，其中汽車尾氣排放是環(huán)境污染的重要來(lái)源。國(guó)家法規(guī)部門也規(guī)定了相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)限制各大汽車廠商車輛排放結(jié)果。三元催化器的作用在排放物改善中扮演著重要角色，三元催化器是利用汽車排放物中殘余的氧和排氣溫度，在催化劑表面進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，使有害物C0，HC，NOx等加快化學(xué)反應(yīng)速度，轉(zhuǎn)變?yōu)镃O，H，0和N，，從而減少?gòu)U氣對(duì)環(huán)境的污染。根據(jù)法規(guī)要求，當(dāng)NMHC或Nox排放量超過(guò)OBD規(guī)定的極限限值時(shí)，應(yīng)認(rèn)為各被監(jiān)測(cè)的催化轉(zhuǎn)化器或催化轉(zhuǎn)化器組出現(xiàn)故障^[4]。故當(dāng)車輛催化器老化后（相當(dāng)于車輛行駛160000Km），在車輛排放結(jié)果超過(guò)OBD極限值之前，診斷系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)出催化器故障，否則排放物超標(biāo)，加重環(huán)境污染;如果排放結(jié)果在正常范圍之內(nèi)，診斷系統(tǒng)不能誤報(bào)故障，否則會(huì)增加車輛維修概率，造成用戶不必要的維修費(fèi)用^[1]。

在做催化器故障診斷之前，首先要對(duì)催化器的狀態(tài)進(jìn)行選型，根據(jù)其使用公里數(shù)將催化器分為三類：新鮮催化器、老化催化器和極限催化器，其中新鮮催化器即未經(jīng)使用的催化器;老化催化器即使用了一段的催化器，車輛排放結(jié)果在OBD范圍之內(nèi);極限催化器相當(dāng)于即經(jīng)歷了160000km試驗(yàn)，且排放結(jié)果將要超過(guò)OBD排放極限值或已經(jīng)超過(guò)OBD排放極限值的催化器;根據(jù)以上分析，診斷策略要保證極限催化器時(shí)要診斷出故障，而在新鮮和老化階段不能誤報(bào)故障。

1 催化器失效診斷方法

本策略使用的催化器失效診斷方法為雙氧傳感器法，即在催化器前端用于閉環(huán)控制的前氧傳感器，催化器后端的后氧傳感器^[3]。一個(gè)完好的新催化器有較強(qiáng)的儲(chǔ)氧能力，即在具有富氧時(shí)儲(chǔ)存氧和在貧氧的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能強(qiáng)。隨著催化器活性下降，其儲(chǔ)氧能力即儲(chǔ)放氧的調(diào)節(jié)功能會(huì)下降，當(dāng)測(cè)得后氧、前氧傳感器稀到濃的時(shí)間小于極限限值時(shí)，則可判斷催化器已損壞。

2 診斷原理

一個(gè)完好的催化器有較強(qiáng)的儲(chǔ)氧能力，因而催化器后的氧傳感器電壓信號(hào)比催化器前的傳感器電壓信號(hào)波動(dòng)幅度小的多，隨著催化器活性下降，其儲(chǔ)氧能力及即儲(chǔ)放氧的調(diào)節(jié)功能會(huì)下降，當(dāng)測(cè)得后氧傳感器電壓波動(dòng)較大且波形十分接近前氧傳感器波形時(shí)，見(jiàn)圖l中（a）（b）所示，前、后氧傳感器電壓對(duì)比，根據(jù)氧傳感器監(jiān)測(cè)出來(lái)的氧濃度變濃變稀時(shí)間則可判斷催化器是否劣化，本文也正是基于這樣得方法測(cè)量催化器的OSC（OxygenStorage Capacity）來(lái)達(dá)到診斷催化器目的^[2]。

利用雙傳感器法，通過(guò)監(jiān)測(cè)后氧傳感器對(duì)空燃比變化的反饋延遲時(shí)間來(lái)診斷催化器的老化。如圖2為催化器OBD滲斷示意圖，圖中通過(guò)燃油控制調(diào)節(jié)燃油量從而調(diào)節(jié)催化器的儲(chǔ)氧狀況，根據(jù)后氧傳感器的濃稀變化情況來(lái)判斷催化器性能。

3 診斷策略SIMILINK實(shí)現(xiàn)

3.1診斷使能及依賴性判定

催化器診斷需要車輛在一定工況下才能完成，并且一個(gè)駕駛循環(huán)執(zhí)行一次。首先要判斷診斷進(jìn)入使能條件，該條件需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、短期燃油修正信號(hào)、水溫等信號(hào)，例如車速大于一定值時(shí)、水溫已經(jīng)到達(dá)暖機(jī)溫度（40℃）、短期燃油修正處于穩(wěn)定狀態(tài)（處于1附近）進(jìn)行診斷;其次，在診斷過(guò)程中，要確保發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門踏板、氣缸空氣流量、車速穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)，保證氧濃度變化足由于催化器性能影響而不是由于車況變化引起。

在診斷過(guò)程中會(huì)有一種情況，假如診斷期問(wèn)使能條件不滿足，例如進(jìn)氣量波動(dòng)過(guò)大、加速踏板開(kāi)度波動(dòng)過(guò)大則系統(tǒng)會(huì)將相應(yīng)使能信號(hào)進(jìn)行初始化，以保證下一次診斷正常進(jìn)行，診斷初始化實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖3：

在催化器診斷時(shí)，如果氧傳感器出現(xiàn)電氣故障和反應(yīng)延遲故障時(shí)，通過(guò)氧傳感器計(jì)算出來(lái)的OSC時(shí)間就不準(zhǔn)確，故在氧傳感器故障時(shí)，催化器診斷就不能根據(jù)氧傳感器電壓進(jìn)行診斷，還有其他相關(guān)信號(hào)，例如水溫傳感器故障信號(hào)、進(jìn)氣溫度傳感器故障信號(hào)、加速踏板故障信號(hào)等，在催化器診斷期間都要將以上信號(hào)作為診斷的依賴性條件。

3.2催化器OSC診斷策略

根據(jù)前面描述，可以根據(jù)氧傳感器變化濃度來(lái)判定催化器性能是否老化。前氧傳感器電壓值變化（U_Front02_Sensor）為正弦波，而后氧傳感器電壓值（U_Rear02_Sensor）由于催化器作用，氧濃度基本不變，原因是由于催化器中Ce元素作用，在尾氣富氧工況下儲(chǔ)存氧氣，在尾氣稀氧的工況下釋放氧氣，保證空燃比波動(dòng)時(shí)的凈化效果，適應(yīng)實(shí)車運(yùn)行的工況變化。但隨著催化器的老化，其轉(zhuǎn)化效率和儲(chǔ)氧能力OSC都要下降，后氧傳感器的濃度就會(huì)隨著尾氣氧含量的變化而變化。

診斷策略如圖4所示，在診斷預(yù)處理階段（ConditiionPart），系統(tǒng)會(huì)監(jiān)測(cè)當(dāng)前使能條件是否滿足（條件見(jiàn)3.1描述）。當(dāng)診斷條件滿足，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)提出診斷請(qǐng)求，首先降低點(diǎn)火效率r_MaxEffReq，點(diǎn)火系統(tǒng)會(huì)推遲點(diǎn)火角phi_SparkAngleDesird，此時(shí)燃燒不充分，排放物中會(huì)有較多的油氣混合物，此時(shí)燃油修正會(huì)r_FuelTrimShortTerm會(huì)降低，為診斷的燃油修正做準(zhǔn)備。

燃油加濃階段（RichPart），預(yù)處理階段完成后，開(kāi)始進(jìn)行調(diào)節(jié)燃油當(dāng)量比（r_FEQR_Req，其中FEQR：Fuel equivalance ratio），通過(guò)調(diào)節(jié)該參數(shù)可以調(diào)節(jié)燃油量;增加燃油后，燃油會(huì)不充分燃油，排放物中燃油含量就會(huì)偏高，此時(shí)由于化學(xué)反應(yīng)作用燃油富裕的排放物會(huì)充分消耗掉催化器中的氧分子，從而降低催化器中的氧含量。當(dāng)前氧和后氧傳感器的電壓值高于標(biāo)定值U_RichThreshold（氧電壓值偏高，代表著氧含量較少），燃油加濃階段結(jié)束。

燃油變稀階段（LeanPart），燃油變濃后，通過(guò)改變?nèi)加彤?dāng)量比使燃油變稀階段，當(dāng)燃油當(dāng)量比小于計(jì)算平均值開(kāi)始計(jì)算儲(chǔ)氧時(shí)間值T-OSC_ Raw，當(dāng)后氧傳感器電壓值U_Rear02_Sensor小于變稀的限定值LeanThreshold時(shí)，儲(chǔ)氧時(shí)間計(jì)算結(jié)束，并且計(jì)算當(dāng)前催化溫度平均值T_CatalystAverage和進(jìn)氣量平均值dm_lnletAirAverage，計(jì)算目的是為了對(duì)儲(chǔ)氧時(shí)間計(jì)算值進(jìn)行系數(shù)補(bǔ)償。

評(píng)估階段（ EvaluatePart ），在燃油變稀階段，系統(tǒng)計(jì)算完催化器儲(chǔ)氧時(shí)間，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前計(jì)算值進(jìn)行濾波，防止偶然儲(chǔ)氧時(shí)間波動(dòng)現(xiàn)象，濾波公式見(jiàn)（1）。系統(tǒng)根據(jù)濾波值對(duì)儲(chǔ)氧時(shí)間進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)儲(chǔ)氧時(shí)間值小于標(biāo)定時(shí)間值t_FaiILimit時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)FAIL故障，催化器性能已經(jīng)達(dá)到極限;當(dāng)儲(chǔ)氧時(shí)間值大于標(biāo)定時(shí)間值t_FaiILimit時(shí)，系統(tǒng)報(bào)PASS，催化器性能還在使用壽命范圍內(nèi)。在診斷剛開(kāi)始階段，系統(tǒng)調(diào)節(jié)了點(diǎn)火效率和燃油當(dāng)量比，故在診斷結(jié)束前，會(huì)對(duì)以上變量進(jìn)行還原，以恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

T_New=T_{本次計(jì)算值}×δ_{補(bǔ)償系數(shù)}×λ_{濾波系數(shù)}+（1-λ_{濾波系數(shù)}）×T_Old（1）

4 儲(chǔ)氧時(shí)間標(biāo)定及系統(tǒng)驗(yàn)證

首先對(duì)控制策略進(jìn)行單元測(cè)試，保證仿真狀態(tài)下策略的有效性和正確性。模型仿真號(hào)，將催化器診斷模型集成到EMS軟件中，并代碼生成，在整車上進(jìn)行診斷驗(yàn)證。根據(jù)法規(guī)要求，在催化器劣化之前要監(jiān)測(cè)到該故障，且不能誤報(bào)。在以上兩條要求下，催化器要做兩種類型多的選型驗(yàn)證，一類是極限催化器的儲(chǔ)氧時(shí)間驗(yàn)證;一類是老化催化器儲(chǔ)氧時(shí)間驗(yàn)證;且兩種催化器的儲(chǔ)氧時(shí)間要滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式，才能確保標(biāo)定的極限閾值和極限、老化催化器儲(chǔ)氧時(shí)間互不影響。

4.1極限催化器儲(chǔ)氧時(shí)間分析

將車輛催化器更換成極限催化器，在馬路上進(jìn)行測(cè)試，車況要滿足系統(tǒng)要求的診斷需求才能正常診斷。測(cè)試過(guò)程中根據(jù)不同進(jìn)氣量進(jìn)行測(cè)試，其中進(jìn)氣量選點(diǎn)為：5～6grams/second、6～7grams/second、7～8grams/second、8～9grams/second、 9～lOgrams/second、10～ 11grams/second、11～12grams/second、12～13grams/second、 13～14grams/second、15～16grams/second，根據(jù)以上進(jìn)氣量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，采集的儲(chǔ)氧時(shí)間正態(tài)分布如圖5：

從正態(tài)分布圖5中可以看出，儲(chǔ)氧時(shí)間分布概率最高的是在7階段，其中7階段對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)氧時(shí)間為T₁，儲(chǔ)氧時(shí)問(wèn)平均值為MEAN1，儲(chǔ)氧時(shí)問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)方差為σ₁。

4.2老化催化器儲(chǔ)氧時(shí)間分析

將車輛催化器更換成老化催化器，用和極限催化器相同的工況和相同的氣量進(jìn)行儲(chǔ)氧時(shí)間的測(cè)試。采集的儲(chǔ)氧時(shí)間正態(tài)分布如圖6：

從正態(tài)分布圖6中可以看出，儲(chǔ)氧時(shí)間分布概率最高的是在13階段，其中13階段對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)氧時(shí)間為T₂，平均值為MEAN2，標(biāo)準(zhǔn)方差為σ₂。

根據(jù)4.1和4.2兩種催化器的儲(chǔ)氧時(shí)間分析，現(xiàn)在要比較儲(chǔ)氧時(shí)間關(guān)系，見(jiàn)表1：

從表1中比較老化催化器MEAN₂-3σ₂，和極限催化器MEAN₁+3σ₁計(jì)算值，MEAN₁+3σ₁2-3 σ₂，兩種催化器的選型滿足診斷系統(tǒng)要求，催化器劣化閾值選擇Tthreshold=（（MEAN₁+3σ₁）+（MEAN₂-3σ₂））1/2，診斷系統(tǒng)既能夠在催化器劣化之前報(bào)劣化故障，又不會(huì)在老化階段誤報(bào)故障。根據(jù)該分析結(jié)果將催化器劣化閾值寫(xiě)入診斷策略中，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)驗(yàn)證。

4.2極限催化器公告驗(yàn)證

以上章節(jié)對(duì)催化器類型進(jìn)行選型分析及儲(chǔ)氧時(shí)間劣化閾值標(biāo)定。為了滿足國(guó)家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，需要在法規(guī)驗(yàn)證部門進(jìn)行極限催化器劣化驗(yàn)證。故障碼驗(yàn)證結(jié)果如圖7。

測(cè)試過(guò)程中催化器診斷狀態(tài)位Status（二進(jìn)制）由0x1000變成0xl1000&0x0110=0x0110狀態(tài)，表示存在故障。并且報(bào)P0420（故障定義為：催化器效率低）故障。證明當(dāng)前診斷系統(tǒng)能在催化器劣化情況下正確報(bào)出故障。

除能正確報(bào)故障碼之外，法規(guī)中還有定義，在整車OBD排放物超限值之前報(bào)故障，那就要求所測(cè)試車輛在極限催化器情況下整車OBD排放不能超過(guò)OBD規(guī)定限值。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)整車排放進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

其中，表2中Percent%一列代表所測(cè)試排放物與OBD限值的比值。根據(jù)實(shí)測(cè)排放結(jié)果來(lái)看，排放物達(dá)到OBD限值的90%左右，滿足法規(guī)定義要求。

5 結(jié)論

本文從催化器診斷原理、診斷策略的實(shí)現(xiàn)、催化器的選型以及驗(yàn)證四個(gè)方面進(jìn)行闡述，完整的概括了催化器診斷的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程，并且滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)、符合國(guó)五法規(guī)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳峰，盧燕，程浩，翟公濤汽車排放與OBD隨車診斷系統(tǒng)[J].青島建筑工程學(xué)報(bào)，2002.23（3）： 116-118.

[2]張翔現(xiàn)代汽車車載診斷系統(tǒng)（ OBD）的研究[J].城市車輛，2006.8： 41-43.

[3] Michail I.Soumelidis. Richard K.Stobart， Richard A Jackson.A Nonlinear Dynamic Model For Three-Way CatalystControl and Diagnosis.SAE-No：2004-01-1831.

[4]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局GBI8352.5-2013.輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）

[5]張翔.汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)車裁診斷策略研究武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2007年.