基于怠速催化器诊断储氧量影响因素的试验研究

叶红号 陈金森 于冲云 常健

摘  要：在搭载某直列四缸GDI增压发动机的整车采用怠速对催化器的储氧量进行诊断，以判断催化器是否失效。为了研究怠速诊断时不同的怠速进气流量、空燃比跳动幅度、催中温度、催化器老化对储氧量测试结果的影响。本文通过整车怠速时采用开发ECU改变试验条件，以达到对比测试储氧量的目的。此次试验结果表明，整车怠速时催化器的储氧量随着空燃比跳动幅度增大和老化的时间加长而降低，随着催中温度的升高而增大，对于怠速不同空气流量影响不大。

关键词：OBD;催化器;储氧量;影响因素

中图分类号：U462      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2021）03-0069-04

Study on the Affecting Factors of Catalyst Oxygen Storage Capacity Base on  Idle Catalyst Diagnostic

YE Hong-hao， CHEN Jin-sen， YU Chong-yun， CHANG Jian

（ DongFeng Xiao-kang Motor CO.， LTD.， Chongqing 402260， China）

Abstract： For a vehicle equipped with an in-line four-cylinder GDI turbocharged engine， the oxygen storage capacity is diagnosed at idle speed to determine whether the catalyst is deteriorated. In order to study the influence of different air flow， air-fuel ratio jump ， catalyst temperature， and aged catalyst on the test results of oxygen storage capacity. In order to test the  oxygen storage capacity， this article uses the development ECU to change the test conditions when the vehicle is idling. The results of this test show that the oxygen storage capacity of the catalyst decreases with the increase of the air-fuel ratio jump and the aging time when the vehicle is idling， and increases with the increase of the temperature in the catalyst. It has no effect for the different air flow.

Key Words： OBD; Catalyst; Oxygen Storage Capacity ; Affecting Factor

葉红号

毕业于西华大学，现就职于东风小康汽车有限公司技术中心，任动力标定主任工程师，主要研究排放控制和动力匹配。

1    引言

随着社会的快速发展，我国的机动车保有量在不断增加，截止到2019年，我国机动车保有量达3.48亿辆，其中汽车保有量达2.6亿辆。巨大的汽车保有量排放的废气使得环境污染加剧，据生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报（2019）》显示，汽车排放的CO为2859.3万吨，NOx为521.9万吨，PM为42.2万吨，HC为326.7万吨，分别占机动车污染物排放总量的92.6%、92.7%、95.5%、88.6%。为了应对日益严重的环境污染挑战，我国环境保护部发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，即国六排放法规，该法规相对于国五进行了全面的加严。其中催化器OBD阀值方面汽油一类车限值也由国五的NMHC大于0.25g/km或NOx大于0.3g/km诊断为催化器转换效率低，升级为国六NMHC+NOx大于0.26g/km就诊断为催化器转换效率低。越来越严苛的汽车尾气排放限值标准给后处理系统及OBD诊断带来了巨大的挑战。

车载诊断系统（On-Board Diagnostic，OBD）可持续监测零部件和系统的状态以及排放的劣化过程，保证汽车在整个使用寿命过程一直不超过排放限值的状态下运行，是监测汽车排放的有效手段之一。目前对于催化器储氧诊断王东亮等人[2]对催化器储氧诊断的方法进行了详细介绍。高炜[3]对催化器储氧量的计算方法进行了详细描述，并对OBD的演示进行了详细说明。廖火生等人[4]研究了为避免“浓稀”控制对排放的影响，研究了一种只根据后氧信号波动特征来间接计算催化器储氧能力的方法。业红玲[5]研究了临界催化制作的并提出了随着催化器老化时间的加长，储氧量逐渐降低。巴斯夫公司[6]在台架上测试了不同的空燃比跳动幅度、催中温度、老化时间对储氧量的影响，结果表明随着空燃比波动幅度、老化时间的加大，储氧量逐渐降低，随着催中温度的增加储氧量增大。

本文旨在整车怠速时对不同的怠速进气流量、空燃比跳动幅度、催中温度、催化器老化进行了探索，为OBD系统更准确地评估催化器的老化情况提供了理论依据。但由于在整车上很难将催中温度控制在恒定的值，故测出来的结果稍微有些偏差，为了使结果更趋合理，在试验过程中采用多次测量筛选有效值进行计算。

2    试验原理与方案

2.1   催化器储放氧原理

在催化器的涂层设计中，都加入了氧化铈作为助剂，Ce（铈）在涂层的设计中会与贵金属相互作用，可提高转换效率，催化器储氧量和转换效率的关系见图1，由图可见催化器储氧量和转换效率成正比关系。氧化铈在特定环境下对氧气有吸收与释放反应功能，作用相当于氧气储存器。

储氧：2Ce2O3 + O2 → 4CeO2

2Ce2O3 + 2NO → 4CeO2+ N2

Ce2O3 + H2O → 2CeO2+ H2

释氧：2 CeO2 + H2 → Ce2O3+ H2O

2 CeO2 + CO → Ce2O3+ CO2

2.2   试验方案介绍

试验发动机采用国内技术较成熟的1.5L增压GDI汽油机，其结构参数见表1，催化器和传感器的布置形式见图2：

该发动机后处理器采用前段TWC后段GPF的紧耦合布置，TWC结构参数请见表2。测量的储氧量为前级TWC。

测量方法为：通过发动机控制单元ECU主动控制发动机空燃比进行阶跃型跳变，通过测量混合气由浓变稀时候前后氧传感器信号之间的延迟时间Δt ，计算出催化器的储氧量（Oxygen Storage Capacity，缩写为 OSC）。 其计算公式为：

其中MAF为发动机的进气量，λ为混合气过量空气系数;t1，t2为前后氧传感器信号达到相同参考值的时刻。通过INCA采数并用MDA编写公式计算，从而达到对每次不同条件的储氧量进行计算。

3    实验结果

分别对不同怠速进气流量、空燃比跳动幅度、催中温度、高温炉老化时间对催化器的储氧量进行了测试，试验内容分别如下。

3.1   怠速进气量对储氧量的影响。

为研究不同怠速进气量对储氧量测试的影响，分别测试N档怠速进气量在2.3g/s和D档怠速进气量在3.6g/s，催中温度在500℃左右，空燃比从15.6跳变到13.6时的储氧量，通过测10次取平均值储氧量分别为820mg、825mg，两次不同的进气量对储氧量影响不大。

3.2   不同空燃比跳变对储氧量的影响。

保持发动机进气量不变，催中温度控制在500℃左右，分别测试空燃比从15.6跳变到13.6以及从16.6跳变到12.6时的储氧量，分别测试10次取平均值，前者测出来储氧量平均值为820mg，后者测出来为609mg。空燃比波动幅度见图3，测量结果对比图见图4。

3.3   不同催中温度对储氧量的影响

为了研究不同催中温度对储氧量的影响，分别测试催中平均温度在500℃、550℃、600℃，空燃比在15.6-13.6之间跳变时的储氧量，分别测试10次取平均值，试验结果如下，从下图中可以看出，随着催化器温度的升高，催化器的储氧量也逐渐增大，但随着温度的增加，储氧量增加的趋势逐渐放缓。

3.4   高温炉老化对储氧量的影响。

为了研究高温老化对储氧量的影响，通过高温炉对催化器进行1000℃/15h快速老化，老化后对催化器的储氧量进行测试，通过测试10次取平均值，老化储氧量为531mg，新鲜储氧量为820mg，新鲜和老化储氧量对比如图6，通过计算得出老化催化器的储氧量劣化为1.54倍。

4    结论

通过对不同的使用条件对催化器的储氧量进行了测试，现试验结论如下：1、怠速时空气流量分别为2.3g/s和3.6g/s，其余条件一样时对储氧量的测试结果影响不大;2、不同空燃比跳动时，空燃比从15.6跳变到13.6测出来的储氧量比16.6跳动到12.6测出来的储氧量要大;3、不同的催中温度时，随着催中温度的逐渐升高，储氧量测出来也逐渐增大，但随着温度的升高，储氧量增加的趋势逐渐变缓;4、用高温炉对催化器进行1000℃/15h快速老化时，催化器的储氧量衰减明显，最大衰减了1.54倍。

参考文献：

[1]GB18352.6-2016 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S]，北京：环境科学出版社，2016.

[2]王东亮，黄开胜.汽油车OBD在用核心技术及其发展方向[J].汽车技术，2011（11）：1-5+10.

[3]高炜，催化器OBD诊断监测频率功能的研究与验证[J].农业装备与车辆工程，2014，52（07）：13-16.

[4]廖火木，姜水生，彭天鹏.基于后氧信号的催化器效能监控[J].南昌大学学报（工科版），2009，31（04）：360-363.

[5]业红玲. 汽油车标定用临界催化器制备及应用研究[D].安徽农业大学，2008.

[6]“国六法规趋势及催化器储氧量技术”PPT文档，BASF公司，2020.08.

[7]王延昭，李孟良.汽車催化器失效的特征研究[J].北京汽车，2006（05）：25-28.