控發(fā)動機氧傳感器對排放影響的研究

1、控發(fā)動機氧傳感器對排放影響的研究陳昊,趙煒華2007-08-31 字體：大 中 小 0 引言傳感器是根據(jù)規(guī)定的被測量大小，定量提供有用的電輸出信號的部件，它能把光、時間、溫度、壓力及氣體等物理化學量轉(zhuǎn)化成電信號。電控單元(ECU)、傳感器和執(zhí)行器的廣泛應用使現(xiàn)代汽車走進了電子精確控制時代。氧傳感器是電控發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)的核心部件，它安裝在排氣管上，其功能是用來檢測排氣中的氧含量，以確定實際空燃比比理論空燃比(14.7)濃還是稀，并向ECU反饋相應的電壓信號，ECU根據(jù)氧傳感器反饋的空燃比濃稀信號來控制噴油量的增加或減少(如圖1所示)。一般來說，排氣中的氧含量越多，空燃比越大，混合氣越??；氧

2、含量越少，空燃比越小，混合氣越濃。混合氣的濃稀對于廢氣的排放有較大影響。三元催化轉(zhuǎn)換器通常簡稱三元催化器，裝有鉑、銠等金屬作為催化劑，使排放物中的NOX、CO、HC等與O2發(fā)生化學反應，生成中性的N2、CO2和H2O。氧傳感器和二元催化轉(zhuǎn)換器的配合使用是現(xiàn)代汽車排放控制的重要內(nèi)容(如圖2所示)。本文旨在研究氧傳感器是否正常工作對排放及三元催化器催化轉(zhuǎn)換效率的影響。1 實驗研究對象及所用設備氧傳感器有二氧化鋯型和二氧化鈦型兩種，其結(jié)構(gòu)和原理有所不同。實驗所使用的氧傳感器為二氧化鋯型二線無加熱器式氧傳感器，正常輸出信號電壓為01V，其輸出特性和結(jié)構(gòu)分別如圖3、4所示。實驗研究在一臺3缸DAEWOO

3、 m-TEC發(fā)動機上進行，其排量為0.796 L，標定功率為37.5 kW，6000 r/min，最大扭矩為68.6 Nm，38004600r/min。所用其它儀器、設備如表1所示。2 實驗方案、數(shù)據(jù)采集及分析氧傳感器是空燃比控制系統(tǒng)的核心部件，它能否正常工作對發(fā)動機各方面的性能產(chǎn)生很大的影響。其常見的故障有氧傳感器老化、中毒、破裂、內(nèi)部加熱原件損壞、導線斷開以及信號不正確等，其中傳感元件老化和鉛(Pb)、硅(Si)、磷(P)中毒是氧傳感器失效的主要原因。氧傳感器的失效，剛開始表現(xiàn)為響應速度變慢，信號幅值變低，在失效的最后階段，它會產(chǎn)生一個不變化的信號或者根本沒有信號輸出，這時就會出現(xiàn)故障碼，

4、隨后發(fā)動機檢查燈或故障燈就亮了。本實驗就是為了研究氧傳感器正常工作和出現(xiàn)故障時對汽車尾氣排放以及二元催化轉(zhuǎn)換效率的影響。為模擬氧傳感器失效的故障，采用切斷氧傳感器輸入發(fā)動機控制電腦的方法，研究發(fā)動機性能的變化。選擇怠速工況(轉(zhuǎn)速955r/min，節(jié)氣門開度0)和中速中等負荷工況(轉(zhuǎn)速3000r/min，節(jié)氣門開度30)為實驗研究工況。2.1怠速工況通斷對比實驗研究對發(fā)動機進行暖機(使氧傳感器達到其工作溫度400)，使冷卻水溫度、機油溫度等各項指標達到正常值。在怠速工況(轉(zhuǎn)速955 r/min)，氧傳感器正常工作情況下，記錄發(fā)動機油耗和排放等數(shù)據(jù)；模擬電噴發(fā)動機現(xiàn)實故障，在發(fā)動機怠速工況，正常運

5、轉(zhuǎn)時，突然切斷氧傳感器信號，記錄此時的發(fā)動機相應數(shù)據(jù)。同時考察三元催化器的催化轉(zhuǎn)化效果，進行比較，實驗采集數(shù)據(jù)如表2。(注：三元催化器前后對比是指在使用五氣分析儀測量廢氣排量時，在某一工況下，排氣管中的二元催化器前后位置分別測量一次。“前”指尾氣沒有經(jīng)過催化轉(zhuǎn)換時；“后”指尾氣經(jīng)過了催化轉(zhuǎn)換。)可見氧傳感器通斷前后，發(fā)動機油耗、噴油脈寬不變，空燃比略微有波動，這可認為與測量手段有關。由此可見，怠速工況，ECU不以氧傳感器的反饋信號為控制空燃比的依據(jù)，而是以一個固定的噴油量供給發(fā)動機燃燒所用，這一固定的空燃比接近理論空燃比，以使發(fā)動機的經(jīng)濟性、排放等性能處于最佳。CO、HC、NOX的排放在氧傳感

6、器正常工作和斷開時差別不大?？疾煅鮽鞲衅魍〝鄬θ呋鬓D(zhuǎn)化效果的影響，轉(zhuǎn)化效率用公式“(前后)/后”來計算。對于CO，原機即氧傳感器正常工作時，轉(zhuǎn)化效率為73.2；斷開氧傳感器即氧傳感器不向ECU提供反饋信號時，轉(zhuǎn)化效率為51.0。對于HC，該指標分別為61.7、56.8。對于NOX，該指標分別為79.6、48.8?？梢姷∷俟r下，3種排放物的轉(zhuǎn)化效率都比較高，氧傳感器正常工作時的轉(zhuǎn)化效率比斷開時要高一些，但差別不是很大。這是因為在怠速工況下，氧傳感器通斷時空燃比均接近1，所以三種排放物轉(zhuǎn)化率都很高，通斷前后差別不大。由圖5可見催化轉(zhuǎn)換效率與空燃比的關系。轉(zhuǎn)化效率在=1左右時為最好。2.2

7、中速中等負荷工況通斷對比實驗研究 操縱發(fā)動機電控實驗臺，使發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為3000r/min、節(jié)氣門開度為30的工況下運行。待運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，記錄通斷前后的相關數(shù)據(jù)(如表3所示)。由實驗數(shù)據(jù)可知，發(fā)動機在無氧傳感器信號時，噴油脈寬、油耗顯著增加；混合氣明顯加濃。因為中速中等負荷工況，發(fā)動機在有氧傳感器信號時，處于閉環(huán)反饋控制，混合氣的濃稀變化處于氧傳感器的監(jiān)測中，從而保持在1的范圍內(nèi)(實際測得=1.027)，油耗與噴油脈寬在合理的噴油閉環(huán)控制中；在切斷氧傳感器信號后，ECU無氧傳感器的信號反饋，不能修正噴油量，只能按加濃處理。所以噴油脈寬、油耗量均有大幅增加，增加的這部分燃油量使燃燒變得不充分，從而

8、造成發(fā)動機排放的惡化。從上表可以看出，氧傳感器的通斷對發(fā)動機的排放影響顯著。3種主要排放物中CO排量為斷開前的5.7倍，HC排量為斷開前的1.88倍。而NOX的排放減少20.7。這主要是因為CO是一種不完全燃燒的產(chǎn)物，其生成主要受混合氣濃度的影響。實驗中，斷開氧傳感器，空燃比=0.811，小于1，混合氣較濃，由于缺氧使燃料中的C不能被完全氧化成CO2，CO便作為其中間產(chǎn)物生成了。HC的排放量在轉(zhuǎn)速、負荷不變的情況下，受混合氣濃度的影響也較大，在空燃比等于18：1(1.224左右)時，其排放量最小?？杖急却笥?8：1時，混合氣越稀，排量越大；空燃比小于18：1時，混合氣越濃，排量越大。NOX在混

9、合氣較濃和較稀時排量比較小，在空燃比為16：1(1.088左右)時最大。所以氧傳感器通斷前后，當由1.027變化到0.811，混合氣由稀變濃時，其排量由1781變化到1412是合理的。 在三元催化器的催化轉(zhuǎn)換效果方面，氧傳感器接通時(=1.027)，3種排放物的轉(zhuǎn)化率分別為59.4、46.9和83.4；斷開氧傳感器(=0.811)后，轉(zhuǎn)化率分別為31.5、23.5和52.3，3種排放物的轉(zhuǎn)化率分別下降27.9、23.4和31.1，可見氧傳感器能否正常工作對二元催化器轉(zhuǎn)化效率影響顯著。這主要是因為斷開氧傳感器，空燃比控制系統(tǒng)開環(huán)控制，ECU無氧傳感器反饋信號，不能進行噴油量和空燃比的修正，混合氣變濃，不能控制在1的附近，三元催化器不能達到最佳的催化轉(zhuǎn)換效果，轉(zhuǎn)化效率下降。3 結(jié)論對氧傳感器正常工作和出現(xiàn)故障時對發(fā)動機排放和二元催化器轉(zhuǎn)化效率的影響進行了實驗研究，得出以下結(jié)論： (1)怠速工況，空燃比控制系統(tǒng)不以氧傳感器信號作為反饋信號和進行噴油脈寬修正的依據(jù)，ECU以一個固定的空燃比提供給發(fā)動機工作所用。此時，空燃比在1左右，CO、HC、NOX的排放在氧傳感器通斷前后變化不大，二元催化器的轉(zhuǎn)化效率較高，通斷前后，轉(zhuǎn)化效率下降不大。(2)中速中等負荷工況，氧傳感器正常工作時，空燃比控制系統(tǒng)閉環(huán)控制，ECU按