汽车发动机氧传感器老化对尾气排放影响

吉武俊

（河南职业技术学院，河南 郑州 450046）

氧传感器是发动机燃油喷射闭环控制系统中的核心器件，对发动机的经济性、动力性和排放性能的控制起着至关重要的作用，用于检测汽车发动机排气管中废气混合物中剩余氧气的成分［1-2］。氧传感器一旦出现老化，不但会使发动机的油耗增大、动力性能下降，还会导致发动机怠速熄火、抖动、三元催化器堵塞、排放超标等各种故障［3-4］。

现代汽车的OBD-Ⅱ车载诊断系统在一定程度上能够对氧传感器的电压信号和短路/断路故障进行实时诊断，实现故障码存储和点亮故障指示灯报警，但现有的OBD-Ⅱ车载诊断系统对氧传感器在老化过程中对空燃比的影响没有监测［5-7］。

本文在分析氧传感器老化故障的基础上，在满足使能条件下，开展氧传感器老化试验，通过信号模拟器模拟BOSCH LSU4.9 宽域型氧传感器老化后输出信号偏移和周期变长信号。采集该氧传感器未老化输出信号和老化后的信号对过量空气系数Фa、HC、CO、NOx 信号变化的影响，分析氧传感器老化对空燃比和排放影响，得出氧传感器老化对排放值的变化规律。

1 氧传感器老化

汽车行驶8～10 万公里后，经常发生氧传感器失效的现象，老化和中毒是汽车氧传感器失效的主要表现。氧传感器老化是指氧传感器在长期使用过程中其性能逐渐劣化的现象，导致氧传感器老化与道路状况、燃油、润滑油，以及传感元件局部表面温度过高等因素有关［8-9］。氧传感器中毒是指传感元件受到污染而失效的现象，氧传感器中毒主要有硫中毒、一氧化碳中毒、硅中毒、铅中毒、磷中毒和锰中毒等［10-11］。

在氧传感器的工作过程中，当发动机混合气的浓度控制在理论空燃比14.7 为中心的非常狭窄的范围时，燃油燃烧充分，排气中的CO、HC、NOx 排放量低。当发动机在怠速工况运行时，喷射系统燃油喷射量加大，将出现部分燃油不能够充分燃烧而排放到排气管中，排气管中未燃烧的燃油在排气管中继续燃烧，生成碳颗粒附着在氧传感器表面使其保护层剥落，氧传感也会因表面温度过高而加速老化［12-14］。

2 老化过程对空燃比和排放影响

当发动机进入空燃比控制时，前氧传感器监测发动机排气管废气中氧的含量，借以判定发动机实时空燃比状态。宽域氧传感器能够实现空燃比在10 ～20 的连续检测，相当于混合气浓度在0.7 ～1.4之间宽范围调节，根据氧浓度的不同，传感器将输出高低不同的电压信号给发动机控制单元PCM，及时调节喷油器的喷油时间，实现对混合气持续、实时控制。氧传感器信号的振幅变动越小，发动机排放的有害气体就越少。

如图1 所示，氧传感器信号老化分为响应信号变慢和反馈电压持续偏移两大类。其中响应信号变慢有4 种不同类型：图1a 所示的信号周期变长，图1b 所示的混合气从稀到浓响应周期变长，图1c 所示的混合气从浓到稀响应周期变长和图1d所示的混合气浓稀转化响应周期都变长。其反馈电压持续偏移又分为2 种类型，图1e 所示的反馈电压持续上偏移，图1f）所示的反馈电压持续下偏移。

图1 氧传感器老化信号

氧传感器电压输出信号响应变慢是排气系统中最常见的故障，分为混合气从稀到浓转变和从浓到稀转变时使氧传感器电压输出信号响应变慢两种［15］。其中，排放物中磷和锰与多孔铂电极发生反应，造成电极催化活性下降是混合气从稀到浓转变氧传感器信号响应变慢的主要原因；排放物中铅在高温下与铂电极形成低共熔体，电极催化活性遭到破坏是造成混合气从浓到稀转变氧传感器电压输出信号变慢的原因主要。此外，在长期高温下氧化锆固体电解质老化使得氧离子扩散速度慢，导电率下降，也会造成氧传感器电压输出氧信号变化变慢。

1）氧传感器电压输出信号上偏移对排放和空燃比的影响。当氧传感器电压输出信号发生上偏移时，即氧传感器的输出电压增大，表明空燃比小于1。此时，若发动机是在混合气由稀到浓的转换过程中，由于PCM 得到氧传感器输出的较高电压信号，将继续控制减少喷油量，使稀混合气状态持续时间加长，发动机动力性变差；若发动机是在混合气由浓到稀的转换过程中，已经增加了发动机喷油量，PCM 认为混合气仍是浓的，继续减少喷油量，使得稀混合气状态持续时间更长，排气中O2和NOX的排放量增大。

2）氧传感器电压输出信号发生下偏移对排放和空燃比的影响。由于氧传感器电压输出信号下偏移，在发动机混合气由浓到稀的转换过程中，PCM 持续得到氧传感器低电压信号，则减少喷油量时间滞后，使的浓混合气状态持续时间更长。由于氧传感器输出信号下偏差，在当发动机混合气由稀到浓的转换过程中，已经增加了发动机的喷油量，但PCM 认为混合气仍是稀的，继续增加喷油量，使得浓混合气状态持续的时间更长，发动机燃烧不完全，排放物中CO 和HC 的排放量增大。

3）氧传感器输出电压周期变长对排放和空燃比影响的分析。氧传感器输出电压周期变长是指氧传感器响应空燃比（从浓到稀转换、从稀到浓转换）变化的时间变长，即处于浓混合气的状态和处于稀混合气的状态时间变长。随着氧传感器老化，在闭环控制模式下，当氧传感器输出电压周期变长，PCM喷油量会发生变化，空燃比也随着变化，从而导致HC 排放量下降、NOX排放量增加。

3 试验方案设计

氧传感器老化故障的影响因素有很多，在分析氧传感器老化故障对空燃比的影响时，要尽量减少其它因素的影响。发动机在稳态工况、空燃比进入闭环控制，此时正常氧传感器的电压信号受工况、节气门开度、空气流量、流量和蓄电池电压的干扰小。所以，需要设置氧传感器的老化故障诊断使能条件。

1）发动机处于稳态工况，发动机转速在800 ～3 000 r/min 之间。

2）蓄电池电压必须≥11 V。

3）发动机运行时间≥10 min，在空燃比闭环控制下进行氧传感器老化的信号采集。

4）节气门开关控制在20%～50%之间，空气质量流量在8 ～35 g/s 之间。

5）发动机工作在非减速断油状态。

6）冷却水温度≥90 ℃。

在满足上述条件下，氧传感器老化试验是在中汽锐思发动机台架控制系统中进行，试验用发动机为2012 款迈腾1.8 T 发动机。运用BOSCH FSA740监测发动机过量空气系数、节气门开度和发动机转速等信息，利用博世BEA-050 型尾气分析仪读取尾气排放物值。通过信号模拟器模拟BOSCH LSU4.9 宽域型氧传感器老化后输出信号偏移和周期变长信号，试验采集该氧传感器未老化输出信号和老化后的信号对过量空气系数Фa、HC、CO、NOx信号变化的影响，验证氧传感器老化对空燃比和排放影响。

4 结果分析

4.1 氧传感器输出电压偏移

1）氧传感器电压输出信号上偏移。图2 是发动机转速在2 000 r/min，节气门开度在30% 时，采集氧传感器老化前和老化后电压输出上偏移两种信号对过量空气系数Фa、HC、CO、NOx 信号的影响，采样时间为85 s，其中前40 s 为老化前信号对应的信号，后45 s 为氧传感器老化后电压输出上偏移对应的信号。分析数据得出：在前半段采样时间内，发现过量空气系数Фa 无没明显变化；HC 保持在30 ppm 附近；CO 在15 s 附近出现跳跃方波，属于偶发燃烧不良；NOx 信号值为0。在后半采用时间内，发现随着氧传感器信号上偏移持续上升，过量空气系数φa 逐渐增大；HC 和CO 排放值逐渐减小，NOx 排放值在发动机空燃比闭环控制时不明显；但在70 s 后，空燃比进入开环控制模式，CO、HC 明显下降；80 s 时，NOx突然上升。

因此，氧传感器电压信号的上偏移，会导致过量空气系数φa 偏大，造成空燃比过大，使CO 和HC 排放浓度减小、NOx 排放浓度增大。

图2 信号上偏移对过量空气系数和排放值的影响

2）氧传感器电压输出信号发生下偏移。图3 是发动机转速在3 000 r/min，节气门开度在20%时，采集氧传感器老化前和老化后电压输出下偏移两种信号对过量空气系数Фa、HC、CO、NOx 信号的影响，采样时间为35 s，其中前10 s 为老化前信号对应的信号，后25 s 为氧传感器老化电压输出下偏移对应的信号。分析数据得出：在前半段采样时间内，发现过量空气系数Фa 无没明显变化；HC 几乎不变；CO 在0.08%附近；NOx 信号值在10～15 ppm 之间。在后半采用时间内，发现随着氧传感器信号下偏移持续下降，过量空气系数φa 逐渐减小；HC 和CO 排放值较前半时间无明显变化，而NOx 排放值则逐步减小；在25 s 后，空燃比进入开环控制模式，HC 和CO 排放值明显较前半时间增大；NOx 排放值则逐步减小。

因此，氧传感器电压输出信号的下偏移，将导致过量空气系数φa 偏小，空燃比增大，而HC 和CO 排放值增大，同时NOx 排放值减小。

图3 信号下偏移对过量空气系数和排放物的影响

4.2 氧传感器输出电压周期变长

1）混合气从浓到稀转换过程周期变长。图4 所示是发动机转速在2 500 r/min，节气门开度为20%，采集氧传感器输出电压周期正常、延长0.3 s 和0.6 s时对过量空气系数Фa、HC、CO、NOx 信号的影响。采样时间为100 s，其中前30 s 为周期正常、30～70 s为周期延长0.3 s，70～100 s 为周期延长0.6 s。分析数据得出：在发动机混合气从浓到稀变换过程中，氧传感器输出电压为正常周期，过量空气系数Фa 不变，PCM 喷油量少，HC 排放值减小，NOx 排放值无明显增加；氧传感器输出电压周期延长0.3 s，与正常周期相比较：过量空气系数Фa 无明显变化，HC排放值继续减小，NOx 排放值增加；氧传感器输出电压周期延长0.6 s，与前两个周期相比较：过量空气系数Фa 增加，HC 排放值继续减小，NOx 排放值明显增加。

图4 混合气从浓到稀转换氧传感器输出电压周期变长对过量空气系数和排放值的影响

因此，在混合气从浓到稀转换过程中，氧传感器输出电压周期变长，将导致混合气处于稀状态的时间过长，过量空气系数Фa 偏大，空燃比增大，而HC 排放值减小，同时NOx 排放值明显增大。

图5 混合气从稀到浓转换氧传感器输出电压周期变长对过量空气系数和排放值的影响

2）混合气从稀到浓转换过程周期变长。图5 所示是发动机转速在2 500 r/min，节气门开度为20%，采集氧传感器输出电压周期正常和延长0.6 s 时，对过量空气系数Фa、HC、CO、NOx 信号的影响。采样时间为95 s，其中前20 s 为周期正常、20～95 s 为周期延长0.6 s。分析数据得出：在发动机混合气从稀到浓变换过程中，氧传感器输出输出电压为正常周期，过量空气系数Фa 不变，HC 和NOx 排放值不变；氧传感器输出输出电压周期延长0.6 s，与正常周期相比较：由于氧传感器输出电压周期变长，信号滞后的原因，在20～50 s 之间信号较正常周期没有明显变化；50 s 后φa 逐渐减小，空燃比也逐渐减小，发动机混合气变浓；NOx 排放值变化不明显；HC 和CO 排放值逐渐增大。

因此，在混合气从稀到浓转换过程中，氧传感器输出电压周期变长，将导致混合气处于较浓状态的时间过长，空燃比减小，过量空气系数φa 偏小，CO 和HC 排放值增大，同时NOx 排放值无明显变化。

5 结论

本文针对氧传感器老化引发的问题，展开了氧传感器老化故障机理研究。围绕老化过程引起氧传感器输出电压变化对空燃比和排放影响的分析，得出氧传感器老化对排放值的变化规律。

1）当氧传感器电压信号的上偏移，会导致NOx排放浓度增大。

2）当氧传感器电压输出信号的下偏移，会导致HC 和CO 排放值增大。

3）当氧传感器对空燃比从浓到稀转换响应变慢时，PCM 误以为混合气偏浓从而减少喷油量，会导致NOX 排放的增加。

4）当氧传感器对空燃比从稀到浓转换响应变慢时，PCM 误以为混合气偏稀从而会加大喷油量，从而导致CO 和HC 的排放会增加。

5）通过台架试验，验证了氧传感器信号由于响应速度降低老化时，对排放值的变化规律。