三元催化器转化效率诊断方法研究

□ 曹 石 □ 刘楠楠 □ 秦 涛

1.内燃机可靠性国家重点实验室 山东潍坊 261061 2.潍柴动力股份有限公司 山东潍坊 261061

1 研究背景

随着我国经济的快速发展和汽车保有量的迅速增长,汽车尾气排放已经成为环境污染的一个主要来源,对汽车尾气净化进行研究是环境污染防治的一个重要方面[1-2]。天然气作为一种资源丰富的清洁代用燃料,具有价格低廉、安全高效、排放污染小等特点,能有效改善发动机的经济性和排放性能[3-4]。目前,行业内满足国家第六阶段机动车污染物排放标准要求的天然气发动机大多采用单点喷射+当量燃烧+三元催化器的技术路线[4-6]。三元催化器作为常用的后处理装置,在匹配天然气发动机和汽油机的汽车行业得到了广泛应用。

三元催化器的转化效率直接影响发动机的排放,三元催化器的储氧能力及耐久性则决定了自身的转化效率。随着使用时间的增加,三元催化器会逐渐老化,储氧能力逐渐降低。在三元催化器的老化过程中,三元催化器的转化能力将逐步降低,直至消亡[7]。基于上述原因,为了满足国家车载自动诊断系统法规的要求,需要对三元催化器的转化效率进行诊断监控。笔者研究的主要内容是三元催化器在使用过程中的效率诊断监控方法,通过对比不同诊断方法的优缺点,寻求一种适合批量应用于发动机产品的诊断监控方法,实现对三元催化器转化效率的实时诊断,从而满足车载自动诊断系统法规的相关要求。

2 三元催化器工作原理

三元催化器的大量使用使汽车排放控制技术取得了突破性进展。在优化空燃比和点火控制的基础上,使用三元催化器可以使汽车排放的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物同时降低90 %以上[8-9]。三元催化器内温度达到 300 ℃以上时,三元催化器内的贵金属催化剂能在适当的条件下催化以下反应[10]:

2CO+O2=2CO2

4HC+5O2=H2O+4CO2

NOx+HC=N2+H2O+CO2

废气中的有害气体在上述反应中转化为氮气、水、二氧化碳。另一方面,常借助于催化剂涂层中的氧化铈改善适当条件下的尾气氧化还原反应。氧化铈能起到吸氧和释放氧的作用,保证三元催化器内部化学反应的正常进行,从而保证三元催化器转化效率满足排放要求[10]。

随着汽车使用年限的增加,三元催化器会逐渐老化,三元催化器内部的贵金属催化剂也会逐渐减少、脱落或被其它物质覆盖,从而导致三元催化器的储氧量及转化效率降低。三元催化器转化效率与储氧量的关系示意图如图1所示。由图1可以看出,三元催化器转化效率与储氧量存在特定关系,可以通过监控三元催化器的储氧量来判断三元催化器是否失效[11]。

▲图1 三元催化器转化效率与储氧量关系

3 主动诊断方法

针对三元催化器不断老化引起的排放恶化问题,法规对车载自动诊断系统有明确的规定及监测要求。对于三元催化器而言,电子控制单元无法进行直接的诊断监控,因为储氧量很难转化为特定的电信号。由于三元催化器内部的氧化铈具有吸附和释放氧的作用,而且三元催化器上游的宽域氧传感器及下游的开关氧传感器具有氧浓度识别功能,因此可以通过监控上下游氧传感器的相关信号来表征当前三元催化器的储氧能力。笔者基于三元催化器工作原理,结合发动机不同的工作工况和空燃比控制方式,研究分析三元催化器转化效率的主动诊断方法及被动诊断方法。

三元催化器转化效率主动诊断指通过主动调整发动机空燃比的方式来进行储氧量计算。首先判断当前发动机的工况条件是否满足预设的诊断使能条件,然后通过改变发动机空燃比使发动机工作在空燃比偏高的工况下,使三元催化器内部的氧全部消耗掉,再通过改变发动机空燃比使发动机工作在空燃比偏低的工况下。通过对从开始调低空燃比到下游氧传感器出现空燃比偏低电压信号这一时间段的氧含量进行积分,来获得三元催化器的储氧能力。对积分获得的储氧能力与预设的判断阈值进行比较,如果高于阈值,则表示三元催化器转化效率满足要求;反之,则可诊断得出三元催化器存在转化效率低故障。三元催化器转化效率主动诊断方法流程如图2所示。

▲图2 三元催化器转化效率主动诊断方法流程

4 被动诊断方法

三元催化器转化效率被动诊断指不通过主动调整空燃比的方式来进行储氧量计算。当整车或发动机出现断油工况时,尾气中主要是空气,三元催化器进行储氧。当断油工况下的时间或者进气量满足预设的条件时,说明三元催化器已完全充满氧。在退出断油工况发动机正常运行过程中,通过对从满足诊断条件到下游氧传感器出现空燃比偏高电压信号这一时间段内消耗的氧含量进行积分,来获得三元催化器的储氧能力。将这一储氧能力与预设的判断阈值进行比较,如果高于阈值,则表示三元催化器转化效率满足要求;反之,则可诊断得出三元催化器转化效率低故障,三元催化器转化效率被动诊断方法流程如图3所示。

▲图3 三元催化器转化效率被动诊断方法流程

5 效果分析

除上述主动诊断方法和被动诊断方法,笔者还对具体的控制策略及试验结果进行了分析。假定三元催化器动态平衡后下游氧传感器电压信号U等于0.45 V,上游氧传感器信号以类似于正弦波形式进行空燃比λ调节,来保证三元催化器高效工作。调节的幅值以略低于λ为1时的位置为中轴线,即调节时整体空燃比偏高,如λ调节范围为0.985～1.007。这一调节方式可以有效降低氮氧化合物排放,但对一氧化碳、氨有一定影响。

主动诊断方法新三元催化器和劣化三元催化器的信号分别如图4、图5所示。从图4、图5中可以看出,劣化三元催化器在空燃比偏低后短时间内下游氧传感器就能采集到空燃比偏低的电压信号,所以劣化三元催化器对应的积分时间比新三元催化器短,从而得出劣化三元催化器的储氧量小。对储氧量与预设的判断阈值进行比较,如果低于阈值,即可判断得出三元催化器转化效率低故障。

▲图4 主动诊断方法新三元催化器信号

▲图5 主动诊断方法劣化三元催化器信号

被动诊断方法新三元催化器与劣化三元催化器的信号分别为如图6、图7所示。从图6、图7中可以看出,劣化三元催化器下游氧传感器在恢复供油后短时间内就能采集到空燃比偏高的电压信号,所以劣化三元催化器对应的积分时间比新三元催化器短,从而得出劣化三元催化器的储氧量小。对储氧量与预设的判断阈值进行比较,如果低于阈值,即可判断得出三元催化器转化效率低故障。

6 优缺点分析

主动诊断方法采用主动调整发动机空燃比的方式来实现三元催化器储氧和耗氧的过程,不受发动机工况变化的影响,只要满足基本的预设条件,就可以在主动设置的工况下完成转化效率诊断,可重复性强,诊断精确度高,但需要较长时间改变发动机的空燃比,会对发动机的排放结果产生较大影响,如增加一氧化碳、氨等排放物,同时对燃油经济性有一定程度的影响。

▲图6 被动诊断方法新催化器信号

▲图7 被动诊断方法劣化催化器信号

被动诊断方法在断油工况下由发动机排气管中的空气将三元催化器中的氧储满,退出断油工况时,利用发动机正常的空燃比控制来消耗三元催化器的氧,待三元催化器下游氧传感器电压信号反映空燃比偏高时,表征三元催化器内的氧被消耗完毕。这一方法不需要对发动机正常控制的空燃比进行调整,对发动机的排放及其它性能指标没有任何影响。由于断油工况时间长短的不确定性及退出断油工况后空燃比控制的不确定性等因素,被动诊断过程容易中断,并且存在判断时间长、误诊断、诊断频率不满足故障诊断执行率要求等问题。

综合上述两种诊断方法的优缺点,兼顾诊断准确性、诊断执行率、排放结果等因素,应采用主动诊断与被动诊断相结合的方法,通过断油工况将三元催化器氧储满,在退出断油工况时通过主动提高空燃比的方式使三元催化器内的氧快速消耗,计算三元催化器的储氧量,进而计算三元催化器的转化效率。

7 结束语

笔者基于三元催化器转化效率与储氧量的特定关系,通过三元催化器上下游氧传感器信号计算储氧量,判断空燃比高低,根据不同发动机工况及是否主动调整空燃比,设计了两种不同的三元催化器转化效率诊断方法,并对不同方法的优缺点进行分析,得出三元催化器最优的转化效率诊断方法。研究结果可以有效实现三元催化器转化效率的诊断,保证匹配三元催化器的发动机满足车载自动诊断系统法规要求,对三元催化器的其它研究具有参考价值。