滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)廛嚾呋鞣啦鹪\斷措施

陸靜安，李朝陽(yáng)

(上海新動(dòng)力汽車科技股份有限公司，上海 200438)

0 前言

從2019年7月1日起，我國(guó)對(duì)重型燃?xì)廛嚾鎸?shí)施國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)。燃?xì)廛嚳赏ㄟ^加裝高效的三元催化器來(lái)降低各種污染物的排放，以滿足國(guó)六排放要求。三元催化器是重型燃?xì)廛囄矚馓幚碜钪匾难b置，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣通過三元催化器內(nèi)的陶瓷載體時(shí)，陶瓷載體表面涂敷層中的貴金屬會(huì)增加CO、碳?xì)?HC)化合物和氮氧化物(NOx)氣體的活性，促使其進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。在貴金屬催化作用下，CO氧化成無(wú)色無(wú)毒的CO2氣體，HC化合物氧化成H2O和CO2，NOx還原成N2和O2。經(jīng)過三元催化器處理的CO、HC化合物和NOx有害氣體能夠變成無(wú)害氣體排入大氣，使汽車尾氣得到凈化，減少空氣污染[1]。催化器的轉(zhuǎn)化效率及耐久性均與催化器中貴金屬的含量密切相關(guān)。為了滿足國(guó)六重型燃?xì)廛囆旭?×105km的耐久要求，催化器中的貴金屬含量要求達(dá)到50 g以上，相應(yīng)的三元催化器價(jià)格在3萬(wàn)～5萬(wàn)元。隨著貴金屬價(jià)格的不斷上漲，部分用戶擅自拆除國(guó)六重型燃?xì)廛嚨娜呋鬟M(jìn)行售賣，同時(shí)通過加裝信號(hào)屏蔽器干擾車載診斷(OBD)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的催化器診斷策略無(wú)法判斷催化器是否被拆除。國(guó)六重型燃?xì)廛嚭筇幚硌b置被拆除后，NOx和CH4排放分別上升了36倍和29倍，相當(dāng)于國(guó)一排放標(biāo)準(zhǔn)的水平。本文介紹了一種國(guó)六燃?xì)廛嚾呋鞣啦鹪\斷模型及策略，可有效識(shí)別用戶是否加裝了作弊裝置，并能判定催化器是否被拆除，實(shí)現(xiàn)了催化器防拆的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，防止車輛排放超標(biāo)。

1 催化器轉(zhuǎn)化效率與儲(chǔ)氧能力的相關(guān)性

隨著車輛使用年限增加，三元催化器的轉(zhuǎn)化效率會(huì)逐漸下降，污染物排放逐漸增加。因此，OBD系統(tǒng)必須能及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別三元催化器是否出現(xiàn)老化失效現(xiàn)象，并告知駕駛員避免車輛排放超標(biāo)。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)可以通過催化器的儲(chǔ)氧能力進(jìn)行三元催化器轉(zhuǎn)化效率的診斷。

三元催化器由殼體、減振墊、載體及催化器涂層組成，貴金屬材料以極細(xì)的顆粒狀散布在催化器涂層表面，涂層涂覆在作為催化器骨架的蜂窩狀陶瓷載體或金屬載體上。催化器涂層中除貴金屬外，還包括儲(chǔ)氧介質(zhì)——氧化鈰。當(dāng)流經(jīng)催化器內(nèi)的廢氣富含多余氧氣時(shí)，氧化鈰進(jìn)行儲(chǔ)氧反應(yīng)；當(dāng)流經(jīng)催化器內(nèi)的廢氣缺少氧氣時(shí)，氧化鈰進(jìn)行釋氧反應(yīng)。氧化鈰的儲(chǔ)氧反應(yīng)和釋氧反應(yīng)是可逆，其反應(yīng)方程式如下：

(1)

氧化鈰在特定環(huán)境下具有吸收和釋放氧氣的特性，相當(dāng)于氧氣調(diào)節(jié)器，可確保催化器在最佳空燃比窗口下工作，提高催化器的轉(zhuǎn)化效率。當(dāng)催化器老化時(shí)，催化劑活性表面燒結(jié)，會(huì)造成能夠參與催化過程的貴金屬減少，從而影響貴金屬與鈰之間的相互作用，降低了氧氣儲(chǔ)存能力。性能良好的催化器應(yīng)當(dāng)具有較高的儲(chǔ)氧能力，以及擁有更好地緩沖混合氣空燃比波動(dòng)的能力。在混合氣稀薄的富氧環(huán)境中，儲(chǔ)存的氧氣能促進(jìn)NOx的還原反應(yīng)，提高其轉(zhuǎn)化效率；在混合氣濃稠的貧氧環(huán)境中，釋放氧氣能促進(jìn)CO、CH4的氧化反應(yīng)，提高其轉(zhuǎn)化效率。

在催化器老化過程中，催化器的催化能力也隨之逐步下降直至消失。由于催化器老化過程不能轉(zhuǎn)化為特定的數(shù)據(jù)信息，OBD系統(tǒng)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行直接監(jiān)控。在催化器及其基層中，氧化鈰與其他貴金屬的老化趨勢(shì)具有高度相關(guān)性、氧化鈰的老化程度可通過儲(chǔ)氧能力來(lái)反映。因此，在設(shè)計(jì)催化器時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況將涂層中貴金屬的老化進(jìn)程與基層中氧化鈰的老化進(jìn)程設(shè)計(jì)成同步，通過監(jiān)測(cè)催化器的儲(chǔ)氧能力來(lái)分析催化器的催化能力，從而判斷催化器是否失效。

2 催化器轉(zhuǎn)化效率的診斷方法

重型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)采用瞬態(tài)方法檢測(cè)三元催化器的儲(chǔ)氧能力，即在燃料切斷和恢復(fù)過程中計(jì)算催化器的儲(chǔ)氧量(OSC)。三元催化器的上游和下游各配裝有1個(gè)氧氣傳感器，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料恢復(fù)期間，OBD系統(tǒng)通過上游和下游氧氣傳感器的信號(hào)值及空氣流量來(lái)計(jì)算催化器的OSC值，再通過加權(quán)計(jì)算判斷催化器是否失效。當(dāng)燃料切斷時(shí)，觀測(cè)到前氧濃度變小，后氧濃度持續(xù)變大。當(dāng)催化器達(dá)到最大儲(chǔ)氧能力時(shí)，后氧濃度開始變小，直至催化器儲(chǔ)氧飽和。當(dāng)燃料恢復(fù)時(shí)，噴射額外的燃料使空氣與燃料的混合氣濃度增大，前氧信號(hào)經(jīng)短暫延時(shí)后轉(zhuǎn)為濃稠信號(hào)，而后氧信號(hào)由于催化器中儲(chǔ)氧釋放會(huì)經(jīng)過較長(zhǎng)的延時(shí)，才轉(zhuǎn)變?yōu)闈獬硇盘?hào)，直至催化器儲(chǔ)氧耗盡。通過前氧濃度變大和后氧濃度變大的幅度，根據(jù)燃料增加量和空氣消耗量可計(jì)算出催化器的OSC值。

正常運(yùn)行的三元催化器會(huì)因其儲(chǔ)氧能力使后氧傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯滯后于前氧傳感器，OSC值較大。反之，老化的三元催化器則因其儲(chǔ)氧能力不足會(huì)導(dǎo)致后氧傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)略滯后于前氧傳感器，OSC值偏小。電子控制單元(ECU)通過OSC值的大小判斷三元催化器是否失效。圖1示出了催化器的儲(chǔ)氧能力和NOx排放的相關(guān)性。新鮮催化器、老化催化器、OBD臨界催化器的NOx排放量分別為0.21 g/(kW·h)、0.49 g/(kW·h)和1.05 g/(kW·h)，相應(yīng)的OSC分別為6.0 g、2.4 g和1.5 g。OSC值越小，NOx排放量越高。

圖1 NOx排放和OSC值的相關(guān)性

3 基于儲(chǔ)氧能力的催化器診斷缺陷

重型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)采用儲(chǔ)氧能力評(píng)價(jià)三元催化器的轉(zhuǎn)化效率，儲(chǔ)氧能力則通過發(fā)動(dòng)機(jī)燃料切斷和恢復(fù)過程中的后氧傳感器氧濃度滯后響應(yīng)來(lái)計(jì)算。因此，后氧傳感器的測(cè)量精度至關(guān)重要。后氧傳感器的測(cè)量信號(hào)與后氧傳感器的位置、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的氧濃度及排氣的流動(dòng)速率有關(guān)。當(dāng)后氧傳感器無(wú)法真實(shí)地測(cè)量到排氣中的氧濃度時(shí)，計(jì)算的OSC值與實(shí)際OSC值會(huì)出現(xiàn)較大偏差，無(wú)法有效監(jiān)控催化器的轉(zhuǎn)化能力。如果用戶拆除三元催化器，并在后氧傳感器座上加裝過渡塊，由于氧傳感器測(cè)量元件遠(yuǎn)離排氣流，測(cè)量出來(lái)的后氧濃度值與排氣管中的實(shí)際濃度值會(huì)有較大差距，計(jì)算的OSC值遠(yuǎn)大于報(bào)警值，從而導(dǎo)致ECU無(wú)法檢測(cè)出故障。圖2示出了一種加裝了節(jié)流過渡塊作弊裝置的氧傳感器示意圖。該過渡塊安裝在后氧傳感器座上，過渡塊內(nèi)的氣體通過過渡塊底部狹窄的通道與排氣管內(nèi)的廢氣進(jìn)行擴(kuò)散交換。

圖2 后氧傳感器座加裝節(jié)流過渡塊示意圖

為了評(píng)價(jià)后氧傳感器節(jié)流過渡塊對(duì)儲(chǔ)氧能力的影響，進(jìn)行了如下試驗(yàn)。使用3種型號(hào)的過渡塊，過渡塊底部節(jié)流通徑分別設(shè)置為2 mm、4 mm和6 mm。此外，在試驗(yàn)時(shí)未安裝催化器，僅在排氣管后氧傳感器座上安裝不同節(jié)流通徑的過渡塊。試驗(yàn)結(jié)果顯示，未配裝催化器且加裝了3種型號(hào)的過渡塊后，后氧信號(hào)滯后明顯，計(jì)算得出的OSC值偏大，OBD系統(tǒng)不能檢測(cè)出催化器轉(zhuǎn)化效率低的故障，如圖3所示。將正常安裝的后氧傳感器感應(yīng)部件直接伸入排氣管路中，感應(yīng)器能夠?qū)崟r(shí)感應(yīng)到排氣中的氧濃度。但加裝了過渡塊后，后氧傳感器感應(yīng)部件遠(yuǎn)離了排氣管中的氣流，感應(yīng)腔內(nèi)的氣體為滯留廢氣和新鮮空氣的混合物，感應(yīng)腔內(nèi)的廢氣和排氣管中的廢氣只能通過較小的節(jié)流通道進(jìn)行擴(kuò)散平衡。因此，感應(yīng)腔內(nèi)混合氣的氧濃度和響應(yīng)速率與節(jié)流通徑有關(guān)，感應(yīng)腔越大，節(jié)流通徑越小，節(jié)流通道內(nèi)外氧濃度的擴(kuò)散速度越慢，感應(yīng)腔內(nèi)氧濃度的響應(yīng)時(shí)間越低。以圖1為例，將OBD系統(tǒng)中OSC報(bào)警值設(shè)置為1.8 g，該OSC值對(duì)應(yīng)的NOx排放量為1.20 g/(kW·h)(OBD限值)。當(dāng)OSC值小于1.8 g時(shí)，OBD系統(tǒng)激活催化器故障報(bào)警。如圖1所示，新鮮催化器、老化催化器的NOx排放量分別為0.21 g/(kW·h)和0.49 g/(kW·h)，其對(duì)應(yīng)的OSC值分別為6.00 g和2.40 g，OSC值大于報(bào)警限值，OBD系統(tǒng)未激活催化器故障報(bào)警。而臨界催化器的NOx排放量為1.05 g/(kW·h)時(shí)，對(duì)應(yīng)的OSC值為1.5 g，小于OSC報(bào)警限值，OBD系統(tǒng)激活催化器故障報(bào)警。如果催化器被拆除，并加裝了不同節(jié)流通徑(通徑分別為6 mm、4 mm和2 mm)的過渡塊時(shí)，NOx的排放量則為6.00 g/(kW·h)，遠(yuǎn)大于OBD限值，其對(duì)應(yīng)的OSC值分別為2.2 g、2.3 g和3.8 g，大于OSC報(bào)警限值，車輛排放超標(biāo)，但OBD系統(tǒng)卻未激活催化器故障報(bào)警。移除催化器裝置后，在后氧傳感器座加裝過渡塊(圖2)，計(jì)算的OSC值遠(yuǎn)大于催化器OSC報(bào)警值，OBD系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)出故障。

圖3 未配裝催化器且加裝過渡塊和催化器正常工作時(shí)的后氧電壓響應(yīng)比較

4 催化器防拆的診斷措施

催化器的儲(chǔ)氧能力越大，后氧信號(hào)響應(yīng)越滯后。如果后氧信號(hào)傳感器座加裝了過渡塊，由于節(jié)流作用，后氧信號(hào)響應(yīng)的滯后性也顯著增大。通過調(diào)整節(jié)流通徑大小進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)節(jié)流產(chǎn)生的后氧信號(hào)響應(yīng)滯后性與因催化器儲(chǔ)氧產(chǎn)生的后氧信號(hào)響應(yīng)滯后性效果相似，后氧濃度值與新鮮催化器的OSC計(jì)算值處于相同的數(shù)值范圍內(nèi)。因此，現(xiàn)有的催化器效率診斷策略若僅根據(jù)催化器儲(chǔ)氧能力的強(qiáng)弱是無(wú)法識(shí)別催化器是否被拆除的。在穩(wěn)態(tài)工況下，催化器前氧目標(biāo)濃度進(jìn)行大小切換，由于催化器的儲(chǔ)氧作用，后氧信號(hào)經(jīng)短暫延時(shí)后切換為同步變化，后氧濃度的變化幅度與前氧濃度的變化幅度基本一致。當(dāng)移除了催化器加裝過渡塊后，因過渡塊感應(yīng)腔內(nèi)外的節(jié)流作用，氧濃度擴(kuò)散的速度很慢，除相位滯后外，感應(yīng)腔內(nèi)氧濃度也遠(yuǎn)低于排氣流中的氧濃度。因此，通過檢測(cè)前氧目標(biāo)濃度大小切換時(shí)前后氧濃度的變化幅度可以識(shí)別催化器是否被移除。

圖4 催化器防拆診斷流程

根據(jù)前氧目標(biāo)信號(hào)大小切換時(shí)后氧傳感器的響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)了催化器防拆診斷流程(圖4)，并通過特定工況下的試驗(yàn)進(jìn)行了激活催化器防拆診斷的驗(yàn)證。將發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的運(yùn)行時(shí)間、水溫、車速、環(huán)境溫度、催化器前后排溫、催化器床溫、閉環(huán)修正系數(shù)、自適應(yīng)修正系數(shù)、穩(wěn)態(tài)條件等設(shè)定在一定范圍內(nèi)，若滿足條件，OBD系統(tǒng)激活催化器防拆診斷故障。發(fā)動(dòng)機(jī)在特定的工況下進(jìn)行催化器防拆診斷可以提高防拆診斷的精度。在診斷期間，催化器前氧目標(biāo)空燃比進(jìn)行氧濃度大小切換，前后氧濃度會(huì)發(fā)生由小到大的輕微變化，按照催化器特性選取了基準(zhǔn)目標(biāo)空燃比。前后氧濃度在基準(zhǔn)目標(biāo)空燃比基礎(chǔ)上向氧濃度較小的方向偏移，此時(shí)催化器進(jìn)行儲(chǔ)氧。當(dāng)催化器儲(chǔ)氧達(dá)到一定程度時(shí)，后氧濃度開始下降，其濃度下降到設(shè)定值時(shí)，目標(biāo)空燃比向氧濃度上升方向偏移，此時(shí)催化器進(jìn)行釋氧。當(dāng)催化器釋氧到一定程度時(shí)，后氧濃度上升到設(shè)定值時(shí)即停止釋氧。催化器在儲(chǔ)氧階段儲(chǔ)存了一定的氧氣，以確保催化器在釋氧前儲(chǔ)氧狀態(tài)一致。而在釋氧階段，催化器則釋放一定的氧氣，確保催化器在釋氧前后儲(chǔ)氧狀態(tài)一致。

通過前后氧濃度信號(hào)，可以計(jì)算出氧目標(biāo)信號(hào)濃度大小切換期間前氧信號(hào)變化幅度、后氧信號(hào)變化幅度、前后氧信號(hào)變化幅度比，以及后氧信號(hào)相對(duì)于前氧信號(hào)的滯后時(shí)間。通過計(jì)算出前后氧信號(hào)稀薄偏移期間前后氧信號(hào)到達(dá)波形的中心點(diǎn)的時(shí)間，可得出后氧信號(hào)相對(duì)于前氧信號(hào)的滯后時(shí)間。前后氧信號(hào)變化幅度比和后氧信號(hào)相對(duì)于前氧信號(hào)的滯后時(shí)間可以設(shè)定，如果前后氧信號(hào)變化幅度比小于設(shè)定值(節(jié)流作用較強(qiáng))或滯后時(shí)間小于設(shè)定值(節(jié)流作用較弱)時(shí)，OBD系統(tǒng)激活了催化器拆除故障報(bào)警，則可判斷出催化器已被拆除。診斷模塊中的空燃比偏移值和偏移時(shí)間均與催化器特性相關(guān)，減小偏移值和偏移時(shí)間，可以降低前后氧信號(hào)變化幅度比，從而提高催化器防拆的診斷精度。如果偏移值和偏移時(shí)間過小，前氧目標(biāo)信號(hào)不能完成氧濃度大小的切換，則OBD系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行催化器防拆診斷。如果偏移值和偏移時(shí)間過大，前后氧信號(hào)變化的幅度相近，OBD系統(tǒng)也無(wú)法進(jìn)行催化器防拆診斷。偏移時(shí)間值取決于后氧信號(hào)，可用來(lái)控制儲(chǔ)氧時(shí)間和釋氧時(shí)間。在儲(chǔ)氧階段，當(dāng)后氧濃度低于設(shè)定值時(shí)停止稀薄偏移；在釋氧階段，當(dāng)后氧濃度高于設(shè)定值時(shí)停止加濃偏移。

圖5示出了后氧傳感器直接安裝在排氣管上，后氧傳感器感應(yīng)元件伸入到不同催化器排氣管內(nèi)前后氧傳感器的波形圖。前后氧傳感器濃度波動(dòng)幅度相似，僅前后氧濃度瞬態(tài)響應(yīng)滯后時(shí)間有所不同，白載體幾乎無(wú)滯后，新鮮催化器滯后最長(zhǎng)，老化催化器次之。圖6示出了移除催化器后，后氧傳感器座加裝各種節(jié)流過渡塊時(shí)前后氧傳感器的波形圖。后氧滯后和后氧信號(hào)變化與過渡塊節(jié)流通徑相關(guān)，節(jié)流通徑越小，后氧變化幅度越小，后氧濃度瞬態(tài)響應(yīng)滯后越大。

圖5 后氧傳感器伸入排氣管內(nèi)前后氧濃度的響應(yīng)

圖7為前后氧濃度變化幅度狀況。當(dāng)前氧目標(biāo)空燃比偏移量從-0.1突變?yōu)?.1時(shí)，后氧濃度的變化相當(dāng)于前氧濃度的變化幅度。在安裝了節(jié)流過渡塊后，前后氧濃度變化的最大幅度為32.5%。在未安裝過渡塊時(shí)，前后氧濃度變化的最小幅度為60.0%。從前后氧濃度變化的幅度來(lái)進(jìn)行判定，可以識(shí)別是否安裝了節(jié)流過渡塊。當(dāng)前后氧濃度變化的幅度大于45%時(shí)，判定后氧傳感器正常工作。當(dāng)前后氧濃度變化的幅度小于45%時(shí)，判定加裝了過渡塊作弊裝置。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)用戶拆除三元催化器并加裝各種作弊裝置時(shí)，現(xiàn)有的OBD系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)OSC值發(fā)出催化器防拆報(bào)警，導(dǎo)致重型燃?xì)廛囆旭傊信欧艊?yán)重超標(biāo)。在OBD系統(tǒng)中增加了催化器防拆診斷模型，控制前氧目標(biāo)信號(hào)微小的氧濃度大小切換，催化器正常工作時(shí)，后氧濃度和前氧濃度變化幅度相似，僅出現(xiàn)相位滯后時(shí)差；催化器加裝過渡塊作弊裝置被拆除后，由于節(jié)流作用，后氧濃度變化幅度遠(yuǎn)小于前氧濃度。根據(jù)后氧信號(hào)的滯后時(shí)間和前后氧信號(hào)變化幅度比，可以確定催化器是否被拆除。當(dāng)前后氧信號(hào)變化幅度比小于設(shè)定值(節(jié)流作用較強(qiáng))或滯后時(shí)間小于設(shè)定值(節(jié)流作用較弱)時(shí)，OBD系統(tǒng)激活催化器拆除故障報(bào)警。

圖6 后氧傳感器座加裝過渡塊前后氧濃度的響應(yīng)

圖7 前后氧濃度的變化幅度

催化器防拆診斷模型解決了現(xiàn)有的催化器診斷策略在加裝作弊裝置時(shí)無(wú)法判斷催化器是否被拆除的問題，實(shí)現(xiàn)了催化器防拆的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，防止車輛排放超標(biāo)。