基于儲(chǔ)氧率模型的三元催化器失效故障監(jiān)測(cè)研究

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(cè)

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(guò)10萬(wàn)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(guò)20 萬(wàn)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(cè)的問(wèn)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(cè)。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(cè)。

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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(cè)量；③在排氣由稀變濃的過(guò)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k_gr就越小，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比λ 由稀變濃過(guò)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(zhǎng)。隨著三元催化器老化程度的加劇，劣化因子k_gr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(guò)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(guò)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(lái)。

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(cè)試。試驗(yàn)操作過(guò)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(kāi)環(huán)控制狀態(tài)（λ=16.1）。測(cè)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(kāi)環(huán)控制狀態(tài)進(jìn)入濃空燃比開(kāi)環(huán)控制狀態(tài)（λ=13.1），并做相應(yīng)時(shí)間的測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(yǔ)

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(cè)的問(wèn)題展開(kāi)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(guò)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(guò)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(jiǎn)單、運(yùn)算量小，適用于車載實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)。

作者簡(jiǎn)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。