吉武俊、張尚月

（1.河南科技大學(xué)，洛陽 471003；2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450046）

0 引言

三元催化器是現(xiàn)代轎車汽油發(fā)動機(jī)排放系統(tǒng)后處理最為有效的裝置之一[1-2]。但車輛行駛里程超過10萬km后，三元催化器會出現(xiàn)不同程度的失效現(xiàn)象。一旦行駛里程超過20萬km，三元催化器凈化尾氣的功能會成倍減弱，甚至完全喪失凈化功能[3]。本文針對三元催化器的失效故障進(jìn)行診斷，圍繞采用閉環(huán)控制發(fā)動機(jī)的三元催化器失效監(jiān)測的問題，提出建立三元催化器的儲氧率數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)三元催化器失效的診斷算法，對發(fā)動機(jī)三元催化器的儲氧率模型老化因子進(jìn)行在線監(jiān)測。由此確定三元催化器失效診斷的使能條件，從而實(shí)現(xiàn)了對三元催化器失效故障的有效監(jiān)測。

1 三元催化器儲氧率模型

三元催化器儲氧率模型是表示三元催化器的最大儲氧量與燃燒排放物中氧含量之間的關(guān)系[4-5]。根據(jù)三元催化器入口、出口氧傳感器采集到的λ值，建立三元催化器儲氧率模型，通過模型估計(jì)CeO2的相對氧氣覆蓋率。三元催化器儲氧率模型求解的ROC氧氣覆蓋率可在線估計(jì)催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率，判別三元催化器的老化程度，可滿足控制的實(shí)時性要求。三元催化器儲氧率η可表示為：

式中 Ostore—三元催化器實(shí)際儲氧量

OMAX—三元催化器最大儲氧量

當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，三元催化器工作時，η始終在0～1不斷變化。η=1時，催化器儲存氧達(dá)到飽和狀態(tài)；η=0時，催化器氧處于完全釋放狀態(tài)。

1.1 發(fā)動機(jī)空燃比處于較稀狀態(tài)儲氧率模型

發(fā)動機(jī)空燃比處于較稀狀態(tài)時，發(fā)動機(jī)燃燒排放物質(zhì)中氧含量富余。此時一部分與鈰氧化物Ce2O3反應(yīng)生成CeO2儲存在催化器，在Ce表面富余O2的反應(yīng)速率正比于O2的吸附速率。另一部分氧則與HC和CO發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CO2和H2O。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程，此時三元催化器的儲氧率為：

式中 LOSC— 三元催化劑活性層單位面積

kfill— 吸附速率系數(shù)

1.2 發(fā)動機(jī)空燃比處于較濃狀態(tài)儲氧率模型

發(fā)動機(jī)空燃比處于較濃狀態(tài)時，發(fā)動機(jī)燃燒排放物質(zhì)中氧含量貧乏。在貴金屬Ce表面過量CO的反應(yīng)速率正比于脫附速率，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程，此時三元催化器的氧釋放率為：

式中 kemp—脫附速率系數(shù)

θCO—Ce表面CO表面覆蓋率

則過量空氣系數(shù)λ值的定義為：

式中 R—還原劑的濃度

O—氧化劑的濃度

P—燃料燃燒排放物的濃度

當(dāng)R＜P，R/P∝0時，發(fā)動機(jī)空燃比處于較稀狀態(tài)；當(dāng)O＜P，O/P∝0時，發(fā)動機(jī)空燃比處于較稀狀態(tài)。則過量空氣系數(shù)為：

式中 λL—發(fā)動機(jī)空燃比處于較稀狀態(tài)時過量空氣系數(shù)

Oex—氧化劑余下氣體的濃度

λR—發(fā)動機(jī)空燃比處于較濃狀態(tài)時過量空氣系數(shù)

Rex— 還原劑余下氣體的濃度

令λL,R-1=λL,R，則得

由式（6）和式（7）可知，當(dāng)λ=0時，則排放物為CO2、H2O和N2；若λ＞0，則排放物中為NO和O2；若λ＜0 ，則排放物為CO和HC。

2 三元催化器儲氧率計(jì)算

利用simulink建立三元催化器儲氧率模型（圖1），排氣管上游氧傳感器信號的變化受空燃比變化的影響。在滿足診斷使能條件下，當(dāng)空燃比為定值時，排氣管上游氧傳感器信號近似為一常數(shù)。三元催化器的型號以及其老化程度決定了鈰氧化物吸附、脫附速率常數(shù)。取新的三元催化器反應(yīng)速率常數(shù)為1。

圖1 面向控制三元催化器儲氧率模型

發(fā)動機(jī)在不同工況下，三元催化器的儲氧率受發(fā)動機(jī)空燃比和流量的影響。在空燃比減小時，排氣中有害氣體相對增加，而Ce表面氧的儲存率隨著流量的增加而減小。圖2所示為空燃比A/F=13.1時，經(jīng)過7.5 s后，三元催化器完全釋放氧，其儲氧率η由1逐漸下為0。

圖2 空燃比為13.1時儲氧率η的仿真結(jié)果

當(dāng)發(fā)動機(jī)空燃比增加時，排氣中有害氣體相對減少，而Ce表面氧的儲存率隨著流量的增加而加大。隨著排氣流量的增加，三元催化器氧的儲存達(dá)到飽和狀態(tài)。圖3所示為空燃比A/F=16.1時，經(jīng)過13 s后，三元催化器儲氧達(dá)到了飽和狀態(tài)，其儲氧率η由0逐漸上升到1。

圖3 空燃比為16.1時儲氧率η仿真結(jié)果

3 三元催化器老化診斷算法

診斷算法的設(shè)計(jì)思路為：通過把發(fā)動機(jī)空燃比變稀，讓三元催化器在儲氧達(dá)到飽和狀態(tài)，再把發(fā)動機(jī)空燃比變濃，通過計(jì)算三元催化器后氧傳感器相對前氧傳感器的反饋滯后時間來診斷三元催化器的老化程度。

該診斷算法的關(guān)鍵是：①在空燃比變稀過程中，判別三元催化器儲存氧是否已經(jīng)飽和狀態(tài)；②后氧傳感器反饋延遲時間的準(zhǔn)確測量；③在排氣由稀變濃的過程中，需要了解三元催化器中的氧是否已經(jīng)完全釋放。

由此，式（2）和式（3）可以表示為：

式（9）變化后得：

式中 kgr—劣化因子，分別表示kfill/LOSC和kemp/LOSC

λ—空燃比

當(dāng)三元催化器的儲氧能力越好，劣化因子kgr就越小，發(fā)動機(jī)空燃比λ由稀變濃過程中，后氧傳感器相對于前氧傳感器信號滯后的延遲時間變長。隨著三元催化器老化程度的加劇，劣化因子kgr會逐漸變大，其儲氧能力逐漸降低，則后氧傳感器對空燃比λ變化的反饋延遲時間也相應(yīng)變短。

當(dāng)發(fā)動機(jī)空燃比為定值時，在滿足診斷使能條件下，三元催化器的溫度、發(fā)動機(jī)工況等對轉(zhuǎn)化效率的影響因素都只在狹小的區(qū)間內(nèi)變化，可以忽略，轉(zhuǎn)化效率受三元催化器自身老化程度的影響就突出了。先將發(fā)動機(jī)控制在空燃比為16.1附近工作，通過式（2）計(jì)算氧儲存率η值，當(dāng)η接近1時，三元催化器氧儲存達(dá)到飽和。然后將空燃比控制在13.1附近工作，通過式（3）計(jì)算氧儲存率η值，當(dāng)η接近0時，三元催化器氧儲存枯竭。

計(jì)算出此時后氧傳感器相對前氧傳感器的反饋滯后時間，把此反饋滯后時間稱為三元催化器儲氧能力時間（Oxygen Storge Capacity：OSC）。將計(jì)算出的反饋滯后時間與三元催化器標(biāo)定的儲氧能力OSC臨界閾值比較。若計(jì)算出的反饋滯后時間小于標(biāo)定OSC閾值，則判定三元催化器本次診斷存在故障。三元催化器老化診斷算法的流程如圖4所示。

圖4 三元催化器老化診斷算法的流程

4 三元催化器老化診斷的實(shí)驗(yàn)分析

在滿足診斷使能條件后，發(fā)動機(jī)在熱怠速工況下，空燃比、排氣溫度、空間速度、排氣壓力和排氣流均勻性等影響三元催化器轉(zhuǎn)化效率的因素都只在狹小區(qū)間內(nèi)變化，可以忽略。三元催化器自身的老化對其轉(zhuǎn)化效率的影響就突出出來。

判別三元催化器氧儲存率是否達(dá)到飽和狀態(tài)，可采用逐漸逼近方法進(jìn)行測試。試驗(yàn)操作過程分為2個環(huán)節(jié)。

第1個環(huán)節(jié)是在發(fā)動機(jī)滿足使能條件下，改變發(fā)動機(jī)空燃比，使發(fā)動機(jī)由怠速空燃比閉環(huán)控制狀態(tài)進(jìn)入稀空燃比開環(huán)控制狀態(tài)（λ=16.1）。測試時間分別為1 s、3 s、5 s、7 s、9 s、12 s、15 s和18 s。

第2個環(huán)節(jié)是踩下加速踏板，加濃混合氣，使發(fā)動機(jī)由稀空燃比開環(huán)控制狀態(tài)進(jìn)入濃空燃比開環(huán)控制狀態(tài)（λ=13.1），并做相應(yīng)時間的測試，消耗掉三元催化器Ce表面的O2。最后使發(fā)動機(jī)回到怠速空燃比閉環(huán)控制狀態(tài)運(yùn)行。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)老化診斷算法的有效性，分別使用已知正常和老化的同型號三元催化器進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1 正常三元催化器的實(shí)驗(yàn)分析

正常三元催化器的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。計(jì)算圖5中空燃

圖5 正常三元催化器的試驗(yàn)結(jié)果

比由稀變濃時，前氧傳感器和后氧傳感器信號穿過化學(xué)計(jì)量與基準(zhǔn)電壓的時間差，結(jié)果如圖6所示。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，正常三元催化器在空燃比變化時，后氧傳感器相對于前氧傳感器的反饋滯后時間為8 s左右，也就是OSC閾值為8 s。

圖6 稀變濃下上游氧傳感器電壓

4.2 老化三元催化器的實(shí)驗(yàn)分析

老化三元催化器的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。計(jì)算圖7中空燃比由稀變濃時，上下游氧傳感器信號穿過化學(xué)計(jì)量與基準(zhǔn)電壓的時間差，結(jié)果如圖8所示。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，老化三元催化器在空燃比變化時，后氧傳感器相對于前氧傳感器的反饋滯后時間為3 s左右，相比正常三元催化器的OSC閾值8 s明顯縮短。

圖7 老化三元催化器的試驗(yàn)結(jié)果

圖8 稀變濃劣化催化器下上游氧傳感器電壓

因此，OSC時間可區(qū)分正常和老化的三元催化器。

5 結(jié)束語

本文針對三元催化器的失效故障診斷，圍繞三元催化器失效故障監(jiān)測的問題展開研究，得出以下結(jié)論。

（1）利用simulink建立基于三元催化器儲氧率模型設(shè)計(jì)的三元催化器老化診斷算法，能夠有效診斷出三元催化器的老化程度。

（2）基于劣化因子的分析，通過仿真得出隨著里程的增加，劣化因子會逐漸變大，轉(zhuǎn)化效率逐漸減低?？杖急茸兓瘜匣呋鞯暮笱跸鄬η把鮽鞲衅鞣答佈舆t時間縮短。

（3）通過臺架試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的三元催化器老化診斷算法能夠準(zhǔn)確診斷出催化器是否達(dá)到使用極限以及老化程度。且該診斷算法簡單、運(yùn)算量小，適用于車載實(shí)時診斷系統(tǒng)。