三元催化器轉化效率診斷方法研究

□ 曹 石 □ 劉楠楠 □ 秦 濤

1.內燃機可靠性國家重點實驗室 山東濰坊 261061 2.濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261061

1 研究背景

隨著我國經濟的快速發展和汽車保有量的迅速增長,汽車尾氣排放已經成為環境污染的一個主要來源,對汽車尾氣凈化進行研究是環境污染防治的一個重要方面[1-2]。天然氣作為一種資源豐富的清潔代用燃料,具有價格低廉、安全高效、排放污染小等特點,能有效改善發動機的經濟性和排放性能[3-4]。目前,行業內滿足國家第六階段機動車污染物排放標準要求的天然氣發動機大多采用單點噴射+當量燃燒+三元催化器的技術路線[4-6]。三元催化器作為常用的后處理裝置,在匹配天然氣發動機和汽油機的汽車行業得到了廣泛應用。

三元催化器的轉化效率直接影響發動機的排放,三元催化器的儲氧能力及耐久性則決定了自身的轉化效率。隨著使用時間的增加,三元催化器會逐漸老化,儲氧能力逐漸降低。在三元催化器的老化過程中,三元催化器的轉化能力將逐步降低,直至消亡[7]?；谏鲜鲈?為了滿足國家車載自動診斷系統法規的要求,需要對三元催化器的轉化效率進行診斷監控。筆者研究的主要內容是三元催化器在使用過程中的效率診斷監控方法,通過對比不同診斷方法的優缺點,尋求一種適合批量應用于發動機產品的診斷監控方法,實現對三元催化器轉化效率的實時診斷,從而滿足車載自動診斷系統法規的相關要求。

2 三元催化器工作原理

三元催化器的大量使用使汽車排放控制技術取得了突破性進展。在優化空燃比和點火控制的基礎上,使用三元催化器可以使汽車排放的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物同時降低90 %以上[8-9]。三元催化器內溫度達到 300 ℃以上時,三元催化器內的貴金屬催化劑能在適當的條件下催化以下反應[10]:

2CO+O2=2CO2

4HC+5O2=H2O+4CO2

NOx+HC=N2+H2O+CO2

廢氣中的有害氣體在上述反應中轉化為氮氣、水、二氧化碳。另一方面,常借助于催化劑涂層中的氧化鈰改善適當條件下的尾氣氧化還原反應。氧化鈰能起到吸氧和釋放氧的作用,保證三元催化器內部化學反應的正常進行,從而保證三元催化器轉化效率滿足排放要求[10]。

隨著汽車使用年限的增加,三元催化器會逐漸老化,三元催化器內部的貴金屬催化劑也會逐漸減少、脫落或被其它物質覆蓋,從而導致三元催化器的儲氧量及轉化效率降低。三元催化器轉化效率與儲氧量的關系示意圖如圖1所示。由圖1可以看出,三元催化器轉化效率與儲氧量存在特定關系,可以通過監控三元催化器的儲氧量來判斷三元催化器是否失效[11]。

▲圖1 三元催化器轉化效率與儲氧量關系

3 主動診斷方法

針對三元催化器不斷老化引起的排放惡化問題,法規對車載自動診斷系統有明確的規定及監測要求。對于三元催化器而言,電子控制單元無法進行直接的診斷監控,因為儲氧量很難轉化為特定的電信號。由于三元催化器內部的氧化鈰具有吸附和釋放氧的作用,而且三元催化器上游的寬域氧傳感器及下游的開關氧傳感器具有氧濃度識別功能,因此可以通過監控上下游氧傳感器的相關信號來表征當前三元催化器的儲氧能力。筆者基于三元催化器工作原理,結合發動機不同的工作工況和空燃比控制方式,研究分析三元催化器轉化效率的主動診斷方法及被動診斷方法。

三元催化器轉化效率主動診斷指通過主動調整發動機空燃比的方式來進行儲氧量計算。首先判斷當前發動機的工況條件是否滿足預設的診斷使能條件,然后通過改變發動機空燃比使發動機工作在空燃比偏高的工況下,使三元催化器內部的氧全部消耗掉,再通過改變發動機空燃比使發動機工作在空燃比偏低的工況下。通過對從開始調低空燃比到下游氧傳感器出現空燃比偏低電壓信號這一時間段的氧含量進行積分,來獲得三元催化器的儲氧能力。對積分獲得的儲氧能力與預設的判斷閾值進行比較,如果高于閾值,則表示三元催化器轉化效率滿足要求;反之,則可診斷得出三元催化器存在轉化效率低故障。三元催化器轉化效率主動診斷方法流程如圖2所示。

▲圖2 三元催化器轉化效率主動診斷方法流程

4 被動診斷方法

三元催化器轉化效率被動診斷指不通過主動調整空燃比的方式來進行儲氧量計算。當整車或發動機出現斷油工況時,尾氣中主要是空氣,三元催化器進行儲氧。當斷油工況下的時間或者進氣量滿足預設的條件時,說明三元催化器已完全充滿氧。在退出斷油工況發動機正常運行過程中,通過對從滿足診斷條件到下游氧傳感器出現空燃比偏高電壓信號這一時間段內消耗的氧含量進行積分,來獲得三元催化器的儲氧能力。將這一儲氧能力與預設的判斷閾值進行比較,如果高于閾值,則表示三元催化器轉化效率滿足要求;反之,則可診斷得出三元催化器轉化效率低故障,三元催化器轉化效率被動診斷方法流程如圖3所示。

▲圖3 三元催化器轉化效率被動診斷方法流程

5 效果分析

除上述主動診斷方法和被動診斷方法,筆者還對具體的控制策略及試驗結果進行了分析。假定三元催化器動態平衡后下游氧傳感器電壓信號U等于0.45 V,上游氧傳感器信號以類似于正弦波形式進行空燃比λ調節,來保證三元催化器高效工作。調節的幅值以略低于λ為1時的位置為中軸線,即調節時整體空燃比偏高,如λ調節范圍為0.985～1.007。這一調節方式可以有效降低氮氧化合物排放,但對一氧化碳、氨有一定影響。

主動診斷方法新三元催化器和劣化三元催化器的信號分別如圖4、圖5所示。從圖4、圖5中可以看出,劣化三元催化器在空燃比偏低后短時間內下游氧傳感器就能采集到空燃比偏低的電壓信號,所以劣化三元催化器對應的積分時間比新三元催化器短,從而得出劣化三元催化器的儲氧量小。對儲氧量與預設的判斷閾值進行比較,如果低于閾值,即可判斷得出三元催化器轉化效率低故障。

▲圖4 主動診斷方法新三元催化器信號

▲圖5 主動診斷方法劣化三元催化器信號

被動診斷方法新三元催化器與劣化三元催化器的信號分別為如圖6、圖7所示。從圖6、圖7中可以看出,劣化三元催化器下游氧傳感器在恢復供油后短時間內就能采集到空燃比偏高的電壓信號,所以劣化三元催化器對應的積分時間比新三元催化器短,從而得出劣化三元催化器的儲氧量小。對儲氧量與預設的判斷閾值進行比較,如果低于閾值,即可判斷得出三元催化器轉化效率低故障。

6 優缺點分析

主動診斷方法采用主動調整發動機空燃比的方式來實現三元催化器儲氧和耗氧的過程,不受發動機工況變化的影響,只要滿足基本的預設條件,就可以在主動設置的工況下完成轉化效率診斷,可重復性強,診斷精確度高,但需要較長時間改變發動機的空燃比,會對發動機的排放結果產生較大影響,如增加一氧化碳、氨等排放物,同時對燃油經濟性有一定程度的影響。

▲圖6 被動診斷方法新催化器信號

▲圖7 被動診斷方法劣化催化器信號

被動診斷方法在斷油工況下由發動機排氣管中的空氣將三元催化器中的氧儲滿,退出斷油工況時,利用發動機正常的空燃比控制來消耗三元催化器的氧,待三元催化器下游氧傳感器電壓信號反映空燃比偏高時,表征三元催化器內的氧被消耗完畢。這一方法不需要對發動機正?？刂频目杖急冗M行調整,對發動機的排放及其它性能指標沒有任何影響。由于斷油工況時間長短的不確定性及退出斷油工況后空燃比控制的不確定性等因素,被動診斷過程容易中斷,并且存在判斷時間長、誤診斷、診斷頻率不滿足故障診斷執行率要求等問題。

綜合上述兩種診斷方法的優缺點,兼顧診斷準確性、診斷執行率、排放結果等因素,應采用主動診斷與被動診斷相結合的方法,通過斷油工況將三元催化器氧儲滿,在退出斷油工況時通過主動提高空燃比的方式使三元催化器內的氧快速消耗,計算三元催化器的儲氧量,進而計算三元催化器的轉化效率。

7 結束語

筆者基于三元催化器轉化效率與儲氧量的特定關系,通過三元催化器上下游氧傳感器信號計算儲氧量,判斷空燃比高低,根據不同發動機工況及是否主動調整空燃比,設計了兩種不同的三元催化器轉化效率診斷方法,并對不同方法的優缺點進行分析,得出三元催化器最優的轉化效率診斷方法。研究結果可以有效實現三元催化器轉化效率的診斷,保證匹配三元催化器的發動機滿足車載自動診斷系統法規要求,對三元催化器的其它研究具有參考價值。