三效催化转化器工作效率的双氧传感器

三效催化转化器工作效率的双氧传感器

监控系统

1、前言

汽车上安装三效催化转化器监控系统是为了及时的发现催化器的故障，并提醒车主进行必要的检修寻找导致催化器工作效率下降的原因，从而保证催化器始终具有较高的净化效率。众所周知，在汽车上直接使用废气分析装置来检测三效催化转化器的转化效率是不切实际的，即使可以这样做其成本也是相当高的。因此，世界各大汽车制造商及研究机构都致力于寻求一种间接评价催化器工作效率的方法。他们期望在一些较为容易测得的参数与催化器工作效率之间建立一种关系，然后通过对这些参数的测量来评价催化器的净化效率。

目前世界上所研究的采用OBD系统监控三效催化转化器工作效率的方法主要有三种：双氧传感器法、双碳氢传感器法、双温度传感器法。其中，采用氧传感器进行监控的方法应用较为广泛，相关的技术也相对较成熟。

2、氧传感器的工作原理

由三元催化转化器的空燃比特性可知，只有在过量空气系数

／F=14.7)附近的狭窄范围内，三种有害成分的净化效率才能同时达到最高。因此，要想提高三效催化转化器的净化率，必须使发动机的实际空燃比接近理论空燃比。在电控汽车系统中，普遍采用氧传感器来测量排气中的氧浓度，为控制装置提供反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。

氧传感器有氧化锆型和氧化钛型两种。其工作原理基本相同，这里以氧化锆则传感器为例，介绍氧传感器的二正作原理。氧化锆型氧传感器的基本元件是专用陶瓷体，即氧化锆(ZrO2)固体电解质，陶瓷体制成管状，称为锆管。锆管内侧表面与大气相通，外表面暴露在排气管的废气中。锆管内外表面覆盖了一层多孔性铂膜作为电极，两极之间通过外部的回路相连接。

锆管由ZrO2材料制成的，其中含有少量的低价氧化物，如氧化钇等。由于三价的钇氧分布在四价的氧化锆晶格中形成了无数的“小孔”，这些孔只能允许氧离子通过氧化锆固体电解质，而氧的原子、分子和其它物质的离子、原子或分子都不能通过。

氧离子通过锆管的迁移由几个过程组成。在锆管与空气相接触的

内侧表面的多孔铂电极上，气态的氧分子被催化解离为氧原子，每个释放出来的氧原子得到两个电子后转化为氧离子，这样就可以通过锆管进行迁移。在锆管与废气相接触的铂电极上同样也会发生催化反应，通过锆管迁移进来的氧离子失去多余的电子形成氧原子，随后两个氧原子形成氧分子并与C或H相结合形成CO2和H2O分子。

若氧化锆套管内表面气体中含氧的浓度与外表面含氧的浓度有

很大的差别，通过上述的氧的扩散过程，便会在锆管内外两侧的电极间产生一个电压。当混合气较稀时，排气中氧的含量较高，传感器组件内外侧浓度的差别很小，氧化锆传感器产生的电压较低(接近0V)；反之，当混合气很浓时，在排气中几乎没有氧，传感器内外两侧氧的浓度相差很大，氧化锆组件中产生的电压较高(约为1V)。在理论空燃比附近传感器的电压信号会有突变，氧化锆传感器的电压特性如图1所示。

在发动机混合气空燃比闭环控制的过程中，氧传感器相当于一个浓稀开关，根据混合气空燃比变化向电脑输送脉冲宽度变化的电压信号，如图2所示。

氧化锆型氧传感器输出信号的强弱与工作温度有关，排气中的废气温．度低于250C时氧传感器的输出电压就非常的小。有些氧传感器采用加热的方式来保证其正常的工作温度，称之为加热型氧传感器，它与不加热式的区别仅在于增加了一个陶瓷加热元件。这样当进气量小、排气温度低时给加热器通电以保证氧传感器的正常工作温度。

3、氧传感器监控三效催化转化器的方法

采用氧传感器的输出信号来控制燃油的喷射，以确保空燃比在理论空燃比附近是目前控制汽油车排放的一项主要技术。但是由于系统的响应延迟(主要是废气的流动和传感器的响应延迟)导致实际的空

燃比总是以一定的频率在理论值附近波动。因此，在三效催化转化器的水洗涂层中添加了能够具有储存和释放氧的稀土元素铈，这样当空燃比波动时能提高催化器的净化效率。当空燃比较大时，铈能够吸收废气中多余的氧气；而当混合气较浓时，铈又能释放出所吸收的氧气参与废气在催化器中的氧化反应。由此可知，当车辆在相对稳定的转速和负荷下运转时，如果三效催化转化器工作正常，则催化转化器下游废气中氧含量将会很小，相反如果催化器的工作效率及氧的储存能力下降，则催化器下游的废气中氧含量会很高。

基于上述的原理，可以采用在三效催化转化器的上下游各装置一个氧传感器。通过对氧传感器的信号分析来确定催化器的工作状态。正常运行的催化转化器因其储氧功能而使下游氧传感器的动态响应与上游氧传感器相比受到明显的阻尼，下游氧传感器动态响应曲线的振幅将非常小。反之，如果下游氧传感器电压信号的波形非常接近上游氧传感器，则ECU认为三效催化转化器的工作效率过低。图4为一个完好催化器和一个失效催化器上下游氧传感器的理想电压输出

信号曲线。我们可以通过对前后氧传感器信号曲线振幅的对比来评价催化转化器的工作效率。当催化器工作正常时，曲线的振幅相差较大；而当催化器工作效率下降或已失效时，曲线的振幅比较接近。

图4 完好和失效催化器上下游氧传感器的电压输出信号曲线。

在汽车的实际运行过程中，由于工况的复杂性，难以得到理想的输出信号曲线，往往是曲线的图形不规则，振幅变化较大，很难直接通过对振幅的比较来评价催化器。针对上述情况国外有学者提出了“面积积分法”来进行评价。

图5为一实测的催化器上下游氧传感器输出信号曲线，可以采用梯形积分法求出某一取样时间段(3s)内输出曲线下方的面积以及上

下游传感器面积积分的差值，以此来评价催化器的工作效率。

在积分时需引入一个浮动的积分低值点和一个过滤程序来处理氧传感器的信号曲线，以此来获得更准确的评价。具体的求解时，先求出振幅的中间值，然后求出中值线上方的曲线面积及两者的差值。在实际的检测中，为了增加检测的准确性，采用十次循环求均值的方法来减少误差。

4、双氧传感器监控法存在的问题

1)氧任感器是通过内外侧氧的流动产生电子在外回路中形成电压，由于各种因素的影响可能导致响应的延迟和随机性；

2)通过对催化转化器前后氧传感器的输出信号的对比来监控催化器的工作效率主要是基于催化器的储氧功能，但是，催化器储氧功能的丧失不能完全等同于催化器工作效率的下降，这两者的老化机理并不是完全一致的；

3)在实际使用过程中需采用加热器。在冷启动阶段，加热型和非加热型传感器都不能准确检测催化器的工作效率，而这对LEV／ULEV汽车是相当重要的；

4)由于积碳、机油、高温等原因很容易造成传感器的损坏使其测量的准确性下降直至失效；

5)氧传感器的工作原理、评价程序相对比较复杂，对ECU的负载较大，相关设备的成本较高。

5、结束语

采用双氧传感器法来监控三效催化转化器的工作效率尽管存在上述一些不足，但是其目前仍是汽车上就车监控三效催化转化器的正作效率运用最广泛的一种方法，这是因为氧传感器的技术已经发展的比较成熟，因此测量的准确性较高。但是对于LEV／ULEV汽车发展方向，各国都在致力于开发更精确的监控系统，将来双温度传感器监控技术成熟后，将会使三效催化转化器的工作效率监控系统成本更