小汽车传感器故障对车辆排放的影响分析

2018-01-27万霞

深圳职业技术学院学报 2018年1期

万霞

（深圳职业技术学院汽车与交通学院，广东深圳 518055）

空气流量计和氧传感器信号是发动机在一定工况下控制燃油喷射量的重要依据，影响发动机各污染物的排放．发动机通过空气流量计来测得实际进入气缸的空气量，结合其他传感器的信号，发动机电脑精确计算出喷油嘴喷油脉宽，喷出的燃油和空气混合燃烧后，排气系统中的氧传感器监测排气中的氧含量获得实际的空气燃油比信号，ECU根据该信号和实际进入气缸的空气量，结合发动机的工况进一步调整喷油嘴的喷油量，使得发动机的空气燃油比一直控制在14.7:1左右，以达到三元催化转换器的最高转换效率，从而降低排放．这2种传感器发生故障时，分别会对车辆的排放实际产生什么影响，文献[1]研究了空气流量传感器故障对汽油发动机的影响，文献[2]研究了氧传感器对天然气发动机排放的影响，前者研究的实验模型是一台3缸发动机，后者是天然气发动机，且均是在发动机台架上进行的排放测试．实验模型并不能代表市场主流车辆发动机和车辆的真正行驶工况．本文采用 ASM5025稳态工况法，对市场保有量较大的3种小汽车，进行工况法测试．保证被测车辆在一致的工况下，测量氧传感器和空气流量传感器故障前后对车辆各污染物排放的影响．

1 实验方法

稳态工况法（ASM）是我国环保部规定使用的小汽车尾气检测方法之一，且目前在上海，深圳等城市已采用．该工况法包括要求车辆在50%的节气门开度下保持25km/h时速的ASM5025工况和在25%的节气门开度下保持 40km/h时速的 ASM2540工况．本实验使用 ASM5025工况法对实验车辆排放进行测试，其中CO，HC采用不分光红外法，NOx采用电化学法．

本文实验车辆参数见表1．A车和C车发动机带废气涡轮增压，B车的车龄较长．3辆被测车辆车况均良好，无任何发动机及相关部分故障．实验车辆，均在三元催化转换器前配置有氧传感器，除此之外C车在三元催化转换器后也配置有氧传感器，传统汽车行业为示2种氧传感器区别，前者称为前氧传感器；后者称为后氧传感器．3辆实验车均为L型电控燃油喷射系统，其空气流量信号均由空气流量传感器产生．每台实验车在正常状况和各种故障情况下各实验3次，去除异常值，采取平均值作为测试数据进行分析．

表1 实验车辆参数分析

2 ASM 下车辆氧传感器故障前后的排放对比

氧传感器安装在发动机排气管上，一般位于三元催化转换器的前端，或者前后端都装．为了保证三元催化转换器的排气净化效果，利用前氧传感器来检测排气中的氧含量，对发动机的喷油量进行修正，使混合气的空燃比更接近理论空燃比 14.7:1．而后氧传感器通常用来检测三元催化转换器的转换效率．

本实验在将 A，B，C车的前氧传感器信号断开后，再进一步将C车的前后氧传感器信号断开后来测量CO，HC和NOx等3种排放污染物在ASM5025工况法下的排放，并与车辆正常状况的排放进行比较，比较结果可分别见图1-3．

图1为3辆实验车辆氧传感器信号缺失前后CO的排放变化，图形纵坐标为 CO的排放，单位为“%”，为体积的百分比．从图1中可以看出当前氧传感器信号缺失后，实验车辆的CO排放均有所升高，A，B，C车前氧传感器信号缺失后CO排放分别为车辆正常时CO污染物排放的1.467倍，7倍和5.625倍，均小于ASM5025的排放限值0.7%．当C车在前氧传感器信号缺失的基础上又缺失后氧传感器信号后，C车的CO排放在ASM5025工况法下进一步增加到0.71%，为正常状态时的 8.875倍，超过该工况法的排放限值．由于在正常车况下CO排放本身较低，一点排放变化就会引起较大的倍数变化．从绝对数值上来看，在前后氧传感器信号缺失故障后，C车的CO增长幅度分别为 0.37%和0.63%远高于 A，B车的CO增长幅度0.07%和0.12%．

图 2为 3辆实验车辆氧传感器信号缺失前后HC的排放变化，图形纵坐标为 HC的排放，单位为“0.001‰”，为体积的百万分之一．图中可以看出当前氧传感器信号缺失后，实验车辆的HC排放有升有降，A，B，C车前氧传感器信号缺失后HC排放分别为车辆正常时HC污染物排放的0.833倍，0.103倍和10.5倍，均小于ASM5025的排放限值0.12‰．当C车在前氧传感器信号缺失的基础上又缺失后氧传感器信号后，C车的 HC排放在ASM5025工况法下进一步增加到0.067‰，为正常状态时的11.17倍．从绝对数值上来看，在前后氧传感器信号缺失故障后，C车的HC增长幅度分别为0.057‰和0.061‰，远高于A，B车的HC变化幅度-0.003‰和-0.026‰．

图 3为 3辆实验车辆氧传感器信号缺失前后NOx的排放变化，图形纵坐标为NOx的排放，单位为“0.001‰”，为体积的百万分之一．图中可以看出ASM5025的NOx排放限值为0.9‰，远高于被测实验车辆的NOx排放值．这与ASM5025行驶工况速度较低，而NOx主要是在高温下产生的有关．与文献[3]的研究结果一致．

图1 氧信号缺失前后CO排放变化

图2 氧信号缺失前后HC排放变化

图3 氧信号缺失前后NO x排放变化

当前氧传感器信号缺失后，实验车辆的 NOx排放有不同程度的减小，A，B，C车前氧传感器信号缺失后 NOx排放分别为车辆正常时NOx污染物排放的0.475倍，0.222倍和0.882倍．当C车在前氧传感器信号缺失的基础上又缺失后氧传感器信号后，C车的NOx排放在进一步降低到0.00002‰，为正常状态时的0.001倍．从绝对数值上来看，在前氧传感器信号缺失故障后，A，B，C三车的NOx增长幅度分别为-0.021‰，-0.009‰和-0.002‰与0.9‰的NO排放限值相比，变化幅度均不大．

车在正常行驶工况下，发动机喷油一般根据空气流量信号结合氧传感器信号及其它传感器信号来闭环控制喷油脉宽，将空气燃油比控制在理论空燃比附近．当前氧传感器信号缺失后，ECU一般都采用一个默认值来替代，此时发动机喷油进入开环控制，喷油脉宽控制精度变得较低．

实验数据显示在前氧传感器信号缺失后， A车和B车的污染物排放绝对值变化并不大，离排放测试工况的污染物排放限值相差还较大，表明此时被测车辆的ECU依旧会控制喷油在理论空燃比附近，而C车的排放由于氧传感器信号缺失后CO和HC均有大幅上升，甚至超过排放限值，说明 C车的ECU在开环控制喷油时，比理论空燃比稍低，比正常车况偏浓．

此外上述数据分析也可看出C车的前后氧传感器信号同时缺失时，进一步增大了在前氧传感器信号缺失时CO，HC，NOx的排放较正常状况时的变化趋势．

3 ASM 下车辆空气流量信号缺失故障前后的排放对比

当电控燃油喷射系统采用空气流量传感器测量发动机的进气量时，对空气量的测量更为精确，ECU根据输入的进气量信号结合氧，水温，转速等众多传感器信号来精确控制喷油脉宽，从而实现对可燃混合气空燃比的精准控制，以满足发动机在不同工况时的要求．本文针对实验车辆在空气流量计信号缺失前后进行 ASM5025工况下的污染物测试．测试值去除异常后平均，从而得到图4-6．A，B，C 3车在空气流量信号缺失后CO的排放相较于车辆正常状况下的排放有增有减，如图4所示．信号缺失后3车CO的排放分别为正常状况下排放的2.07,121和0.625倍．其中B车的CO排放在空气流量计缺失后，增长较快，超过ASM5025工况CO排放限值0.7%的2.46倍．绝对数值上计算得到A，B，C 3车在空气流量信号缺失后CO排放增加分别为：0.16%，2.4%和-0.03%．A，C两车的CO排放绝对数值变化不大．

实验A，B，C 3车在空气流量信号缺失后HC的排放相较于车辆正常状况下的排放有增有减，见图5．信号缺失后三车HC的排放分别为正常状况下排放的1.22,3和3倍．实验车辆在信号缺失后HC排放的绝对值变化为0.004‰，0.058‰和0.012‰．可看出B车的HC排放变化较高．

A，B，C 3车在空气流量信号缺失后NOx的排放相较于车辆正常状况下的排放有增有减，见图6．信号缺失后3车NOx的排放分别为正常状况下排放的

图4 空气流量信号缺失前后CO排放变化

图5 空气流量信号缺失前后HC排放变化

图6 空气流量信号缺失前后NO x排放变化

0.6 ,4和4倍，且均小于0.1‰，且无论故障前后，排放绝对值都比较小，与排放限值0.9‰相差较大．

汽车精确空燃比的控制极大改善了汽车的动力性，经济性和排放性．发动机燃油的精确计量喷射依据的主要是对进入发动机空气流量的精确测量．当发动机空气流量信号缺失后，发动机根据默认设定的传感器默认值和喷油闭环控制中的氧传感器信号的值来控制喷油脉宽．比如A车发动机ECU控制较好地适应了ASM5025工况，在CO，HC和NOx的排放上均没有太大的变化；也有如B车发动机ECU控制无法适应检测工况，使得CO和HC的排放大大增加，甚至CO的排放超过ASM5025工况CO排放限值的2.46倍．表明混合气过浓，有较多燃油无法燃烧．