控发动机氧传感器对排放影响的研究

1、控发动机氧传感器对排放影响的研究陈昊,赵炜华2007-08-31  字体：大 中 小 0  引言 传感器是根据规定的被测量大小，定量提供有用的电输出信号的部件，它能把光、时间、温度、压力及气体等物理化学量转化成电信号。电控单元(ECU)、传感器和执行器的广泛应用使现代汽车走进了电子精确控制时代。氧传感器是电控发动机空燃比控制系统的核心部件，它安装在排气管上，其功能是用来检测排气中的氧含量，以确定实际空燃比比理论空燃比(14.7)浓还是稀，并向ECU反馈相应的电压信号，ECU根据氧传感器反馈的空燃比浓稀信号来控制喷油量的增加或减少(如图1所示)。一般来说，排气中的氧

2、含量越多，空燃比越大，混合气越稀；氧含量越少，空燃比越小，混合气越浓。混合气的浓稀对于废气的排放有较大影响。  三元催化转换器通常简称三元催化器，装有铂、铑等金属作为催化剂，使排放物中的NOX、CO、HC等与O2发生化学反应，生成中性的N2、CO2和H2O。氧传感器和二元催化转换器的配合使用是现代汽车排放控制的重要内容(如图2所示)。本文旨在研究氧传感器是否正常工作对排放及三元催化器催化转换效率的影响。  1  实验研究对象及所用设备 氧传感器有二氧化锆型和二氧化钛型两种，其结构和原理有所不同。实验所使用的氧传感器为二氧化锆型二线无加

3、热器式氧传感器，正常输出信号电压为01V，其输出特性和结构分别如图3、4所示。  实验研究在一台3缸DAEWOO m-TEC发动机上进行，其排量为0.796 L，标定功率为37.5 kW，6000 r/min，最大扭矩为68.6 Nm，38004600r/min。所用其它仪器、设备如表1所示。  2  实验方案、数据采集及分析 氧传感器是空燃比控制系统的核心部件，它能否正常工作对发动机各方面的性能产生很大的影响。其常见的故障有氧传感器老化、中毒、破裂、内部加热原件损坏、导线断开以及信号不正确等，其中传感元件老化和铅(Pb)、硅(Si)

4、、磷(P)中毒是氧传感器失效的主要原因。氧传感器的失效，刚开始表现为响应速度变慢，信号幅值变低，在失效的最后阶段，它会产生一个不变化的信号或者根本没有信号输出，这时就会出现故障码，随后发动机检查灯或故障灯就亮了。本实验就是为了研究氧传感器正常工作和出现故障时对汽车尾气排放以及二元催化转换效率的影响。 为模拟氧传感器失效的故障，采用切断氧传感器输入发动机控制电脑的方法，研究发动机性能的变化。选择怠速工况(转速955r/min，节气门开度0)和中速中等负荷工况(转速3000r/min，节气门开度30)为实验研究工况。 2.1怠速工况通断对比实验研究 对发动机进行暖机(

5、使氧传感器达到其工作温度400)，使冷却水温度、机油温度等各项指标达到正常值。在怠速工况(转速955 r/min)，氧传感器正常工作情况下，记录发动机油耗和排放等数据；模拟电喷发动机现实故障，在发动机怠速工况，正常运转时，突然切断氧传感器信号，记录此时的发动机相应数据。同时考察三元催化器的催化转化效果，进行比较，实验采集数据如表2。(注：三元催化器前后对比是指在使用五气分析仪测量废气排量时，在某一工况下，排气管中的二元催化器前后位置分别测量一次。“前”指尾气没有经过催化转换时；“后”指尾气经过了催化转换。)  可见氧传感器通断前后，发动机油耗、喷油脉宽不变，空燃比略微有波动

6、，这可认为与测量手段有关。由此可见，怠速工况，ECU不以氧传感器的反馈信号为控制空燃比的依据，而是以一个固定的喷油量供给发动机燃烧所用，这一固定的空燃比接近理论空燃比，以使发动机的经济性、排放等性能处于最佳。CO、HC、NOX的排放在氧传感器正常工作和断开时差别不大。 考察氧传感器通断对三元催化器转化效果的影响，转化效率用公式“(前后)/后”来计算。对于CO，原机即氧传感器正常工作时，转化效率为73.2；断开氧传感器即氧传感器不向ECU提供反馈信号时，转化效率为51.0。对于HC，该指标分别为61.7、56.8。对于NOX，该指标分别为79.6、48.8。可见怠速工况下，3种排放物的

7、转化效率都比较高，氧传感器正常工作时的转化效率比断开时要高一些，但差别不是很大。这是因为在怠速工况下，氧传感器通断时空燃比均接近1，所以三种排放物转化率都很高，通断前后差别不大。由图5可见催化转换效率与空燃比的关系。转化效率在=1左右时为最好。  2.2  中速中等负荷工况通断对比实验研究  操纵发动机电控实验台，使发动机在转速为3000r/min、节气门开度为30的工况下运行。待运转稳定后，记录通断前后的相关数据(如表3所示)。  由实验数据可知，发动机在无氧传感器信号时，喷油脉宽、油耗显著增加；混合气明显加浓。因为中速中等负荷工况

8、，发动机在有氧传感器信号时，处于闭环反馈控制，混合气的浓稀变化处于氧传感器的监测中，从而保持在1的范围内(实际测得=1.027)，油耗与喷油脉宽在合理的喷油闭环控制中；在切断氧传感器信号后，ECU无氧传感器的信号反馈，不能修正喷油量，只能按加浓处理。所以喷油脉宽、油耗量均有大幅增加，增加的这部分燃油量使燃烧变得不充分，从而造成发动机排放的恶化。从上表可以看出，氧传感器的通断对发动机的排放影响显著。3种主要排放物中CO排量为断开前的5.7倍，HC排量为断开前的1.88倍。而NOX的排放减少20.7。这主要是因为CO是一种不完全燃烧的产物，其生成主要受混合气浓度的影响。实验中，断开氧传感器，空燃比

9、=0.811，小于1，混合气较浓，由于缺氧使燃料中的C不能被完全氧化成CO2，CO便作为其中间产物生成了。HC的排放量在转速、负荷不变的情况下，受混合气浓度的影响也较大，在空燃比等于18：1(1.224左右)时，其排放量最小。空燃比大于18：1时，混合气越稀，排量越大；空燃比小于18：1时，混合气越浓，排量越大。NOX在混合气较浓和较稀时排量比较小，在空燃比为16：1(1.088左右)时最大。所以氧传感器通断前后，当由1.027变化到0.811，混合气由稀变浓时，其排量由1781变化到1412是合理的。  在三元催化器的催化转换效果方面，氧传感器接通时(=1.027)，3种排放物的转

10、化率分别为59.4、46.9和83.4；断开氧传感器(=0.811)后，转化率分别为31.5、23.5和52.3，3种排放物的转化率分别下降27.9、23.4和31.1，可见氧传感器能否正常工作对二元催化器转化效率影响显著。这主要是因为断开氧传感器，空燃比控制系统开环控制，ECU无氧传感器反馈信号，不能进行喷油量和空燃比的修正，混合气变浓，不能控制在1的附近，三元催化器不能达到最佳的催化转换效果，转化效率下降。 3  结论 对氧传感器正常工作和出现故障时对发动机排放和二元催化器转化效率的影响进行了实验研究，得出以下结论：  (1)怠速工况，空燃比控制系统不以氧传感器信号作为反馈信号和进行喷油脉宽修正的依据，ECU以一个固定的空燃比提供给发动机工作所用。此时，空燃比在1左右，CO、HC、NOX的排放在氧传感器通断前后变化不大，二元催化器的转化效率较高，通断前后，转化效率下降不大。 (2)中速中等负荷工况，氧传感器正常工作时，空燃比控制系统闭环控制，