盧恒 李瑞珂 張浩華 覃仁豪
上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007
在愈來愈嚴格的國六排放法規(guī)中,對汽車催化器的的開發(fā)設計及制作工藝提出更高要求及更嚴格的控制。催化器的結(jié)構(gòu)的設計合理性及工藝控制的改善,能夠提升OBD 診斷的正確率。本文主要結(jié)合實際案例,分析了催化器襯墊接口位置,對OBD 診斷的影響極其改善。
(1)催化器是動力總成控制與診斷子系統(tǒng)一個零件,也是排氣子系統(tǒng)的組成部分,主要功能是把發(fā)動機排出的廢氣,通過催化轉(zhuǎn)化作用,轉(zhuǎn)換成達到對環(huán)境安全的水平,以滿足國家排放法規(guī)要求。
(2)催化器主要結(jié)構(gòu)。催化器主要結(jié)構(gòu)包含催化劑,襯墊,殼體(如下圖1所示)。催化劑是在圓柱狀多孔蜂窩狀陶瓷載體上,涂覆包含鉑、鈀、銠等貴金屬的涂層材料。
圖1
通過催化劑中的鉑、鈀、銠的催化轉(zhuǎn)化特性,將發(fā)動機尾氣中的一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NO)等,轉(zhuǎn)化為對環(huán)境無污染的二氧化碳(CO)、水(HO)、氮氣(N)等(圖2)。
圖2
包裹催化劑的襯墊,是陶瓷纖維材料,一般為長條形,接口位置兩端端面為凹凸形狀(圖3)。
圖3
氧傳感器是一種能夠檢測氣體里的氧氣濃度有關的信號的裝置。氧傳感器可以用于探測發(fā)動機排氣管中燃燒廢氣中氧的含量,適時監(jiān)控發(fā)動機的空燃比,根據(jù)廢氣中氧濃度的不同輸出高低不同的電壓信號給 ECU,作為閉環(huán)系統(tǒng)控制空燃比的重要依據(jù)。
發(fā)動機電控系統(tǒng)常用氧化鋯式氧傳感器基本結(jié)構(gòu)如下圖4。
圖4
氧化鋯式傳感器的基本元件是氧化鋯管。在一定溫度條件下,氧化鋯陶瓷兩側(cè)的氣體中存在著不同氧濃度,氧化鋯陶瓷內(nèi)部將發(fā)生反應,和氧離子的遷移,從而產(chǎn)生電子信號。在氧化鋯管內(nèi)、外表面均覆蓋著一薄層鉑(Pt)作為電極,傳感器內(nèi)側(cè)通大氣,外側(cè)直接與排氣管中的廢氣接觸。在氧化鋯管外表面的鉑層上,還覆蓋著一層多孔的陶瓷涂層;在傳感器的線束連接器端有金屬護套,其上設有小孔,以便使氧化鋯管內(nèi)側(cè)通大氣。氧化鋯管的外表面處于氧氣濃度較低的汽車所排放的氣體中,而管的內(nèi)表面則導入周圍空氣,兩表面氧氣濃度之差就會產(chǎn)生電動勢——電壓信號(圖5)。其輸出的信號電壓由低(約0.1V)到高(約0.9V)或由高到低發(fā)生突變。
圖5
在車輛上安裝的車載診斷系統(tǒng),簡稱OBD 系統(tǒng),以監(jiān)測車輛實際運行中的排放。OBD 系統(tǒng)應能通過使用車載電腦監(jiān)測車輛在實際使用時排放系統(tǒng)的工作狀況,并能監(jiān)測排放系統(tǒng)的故障。
催化器的涂層材料中含有的氧化鈰(CeO2),能對氧氣進行存儲并與排放尾氣進行催化轉(zhuǎn)化反應,催化器的儲氧量可簡述為單位時間內(nèi)催化器前氧濃度,減去催化器后氧濃度。催化器的催化轉(zhuǎn)化性能與其儲氧量成正比關系,即催化器儲氧量高,催化轉(zhuǎn)化性能強,儲氧量低,催化轉(zhuǎn)化性能弱,當催化轉(zhuǎn)化性能會下降到一定程度,轉(zhuǎn)化的排放尾氣有限,會導致整車排放的尾氣超過國家排放法規(guī)限值要求。OBD 系統(tǒng)(包括前后氧傳感器,ECU(發(fā)動機控制模塊)等),應在催化器轉(zhuǎn)化能力的下降值閥值前,檢測出催化器的故障。
如下圖6 所示OBD 系統(tǒng)布置,在排放系統(tǒng)中的催化器前、后安裝能夠檢測氧氣濃度的氧傳感器,通過檢測前、后氧傳感器的氧濃度信號,傳遞給ECU(發(fā)動機控制模塊)進行對比計算轉(zhuǎn)化計算儲氧量,如儲氧量數(shù)值小于預設閥值,即可判斷催化器失效。
圖6
某1.5L 排量國六車型,發(fā)現(xiàn)OBD 故障燈亮,讀取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)為催化器儲氧量低故障模式,提示催化器性能劣化(催化器催化轉(zhuǎn)化性能低)。
通過檢測氧傳感器、催化器密封性、催化劑性能等,均正常工作無問題,再將催化器拆檢,發(fā)現(xiàn)襯墊接口位置正對后氧傳感器位置(如下圖7);
圖7 排放尾氣氣流方向
正常排放尾氣從催化器法蘭,進入催化劑,經(jīng)過催化劑圓柱形載體的眾多小孔(小孔內(nèi)涂覆貴金屬)進行催化轉(zhuǎn)化作用,后流出催化器。后氧傳感器布置在催化器后端,以監(jiān)控催化器后的排氣氧含量。
如圖8 所示,雖然大部分排放尾氣流經(jīng)催化器進行轉(zhuǎn)化(氧濃度低),但是仍然有極小量的排放尾氣,沒有經(jīng)過催化劑轉(zhuǎn)化(氧濃度高),而是通過了包裹的襯墊接口中及其微小的間隙,流到催化劑后端,而接口位置正對氧傳感器。這部分氣流流量極小,并不影響整車的排放,但是由于離氧傳感器很近,極小的氣體氧含量也會影響其傳輸信號。
圖8 絕大部分排放尾氣
同一個催化器,分兩次改制為兩種襯墊接口位置的樣件,搭載在同一輛整車上,測量對比儲氧量的數(shù)據(jù):
A 方案催化器襯墊接口位置正對氧傳感器(圖9),B 方案催化器襯墊接口位置與氧傳感器呈180°對角(圖10)。
圖9
圖10
測量A 方案測試前后氧傳感器信號(圖11),通過前后氧傳感器信號進行計算催化器儲氧量67(mg)。
圖11
測量B 方案測試前后氧傳感器信號(圖12),通過前后氧傳感器信號進行計算催化器儲氧量650(mg)
圖12
如上圖測量數(shù)據(jù)可知,A 方案測量出儲氧量為67mg,B 方案測量儲氧量為650mg,相差將近10 倍,已經(jīng)達到觸發(fā)OBD 診斷報警閥值的95mg,因此ECU 根據(jù)計算對比儲氧量,判斷催化器已經(jīng)劣化或失效,發(fā)出信號點亮故障燈,造成OBD 誤診斷。
在催化器封裝工藝中,需要嚴格控制催化器襯墊接口位置,采用設計、工裝、人工檢查等的控制措施,使得其對氧傳感位置為180°,保證催化器的質(zhì)量,極大的降低了由于催化器襯墊問題導致的OBD 診斷的誤診率。