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

2、含量越多，空燃比越大，混合氣越稀；氧含量越少，空燃比越小，混合氣越濃?；旌蠚獾臐庀τ趶U氣的排放有較大影響。  三元催化轉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換器的配合使用是現(xiàn)代汽車排放控制的重要內容(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，其結構和原理有所不同。實驗所使用的氧傳感器為二氧化鋯型二線無加

3、熱器式氧傳感器，正常輸出信號電壓為01V，其輸出特性和結構分別如圖3、4所示。  實驗研究在一臺3缸DAEWOO 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生很大的影響。其常見的故障有氧傳感器老化、中毒、破裂、內部加熱原件損壞、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)

4、、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，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(轉速955r/min，節(jié)氣門開度0)和中速中等負荷工況(轉速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(

5、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，正常運轉時，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?！扒啊敝肝矚鉀]有經(jīng)過催化轉換時；“后”指尾氣經(jīng)過了催化轉換。)  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

6、，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的排放在氧傳感器正常工作和斷開時差別不大。 考察氧傳感器通斷對三元催化器轉化效果的影響，轉化效率用公式“(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

7、轉化效率都比較高，氧傳感器正常工作時的轉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，所以三種排放物轉化率都很高，通斷前后差別不大。由圖5可見催化轉換效率與空燃比的關系。轉化效率在=1左右時為最好。  2.2  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)動機在轉速為3000r/min、節(jié)氣門開度為30的工況下運行。待運轉穩(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

8、，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(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

9、=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便作為其中間產物生成了。HC的排放量在轉速、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換效果方面，氧傳感器接通時(=1.027)，3種排放物的轉

10、化率分別為59.4、46.9和83.4；斷開氧傳感器(=0.811)后，轉化率分別為31.5、23.5和52.3，3種排放物的轉化率分別下降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換效果，轉化效率下降。 3  結論 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化效率的影響進行了實驗研究，得出以下結論：  (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，二元催化器的轉化效率較高，通斷前后，轉化效率下降不大。 (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，