三元催化和氧传感器故障诊断

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1.三效催化转化器故障诊断
三效催化转化器对发动机的排放控制具有极其重要的意义。没有三效催化转化器就不可能满足欧洲排放法规。第二代车载故障诊断系统(OBD-Ⅱ)具有对三效催化转化器进行故障诊断的功能。为了对三效催化转化器进行故障诊断，必须在它的上游和下游各装一个氧传感器(图1)。

三效催化转化器对HC、CO和NOx的转化效率与它的储氧能力有关。正常运行的三效催化转化器因其储氧能力而使下游氧传感器的动态响应与上游氧传感器相比明显差，下游氧传感器动态响应曲线的振幅非常小。反之，如果下游氧传感器信号电压的波形非常接近上游氧传感器，只不过相位略滞后(图2)，则ECU认为三效催化转化器效率过低。此时，在满足下列条件的情况下ECU将设置三效催化转化器的故障信息记录：没有车速传感器、节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、下游氧传感器、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、发动机冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录；三效催化转化器已准备好接受测试，即进气温度高于0℃，发动机冷却液温度高于75℃，质量空气流量在15g/s~32g/s，发动机负荷小于满负荷的63%且运转平稳，发动机转速低于4000r/min，且上述情况持续时间达4min；发动机转速在1000r/min~3000r/min；车速在50km/h~120km/h。

2.三效催化转化器上游氧传感器的故障诊断
2.1　上游氧传感器信号电压超出可能范围
众所周知，氧传感器信号电压在空气过量因数λ=1处发生阶跃。ECU为氧传感器提供了一个450mV电压。在稳定工况下，如果λ＜1，则氧传感器信号电压约为1000mV；如果λ＞1，则此信号电压约为100mV。如前所述，当ECU进入闭环控制后，氧传感器信号电压应在1000mV和100mV之间不断地波动(图3a)。在加速和减速工况下退出闭环控制，加速工况下混合气加浓，该信号电压应接近1000mV；减速工况下混合气变稀，该信号电压应按近100mV。如果在ECU进入闭环控制后该信号电压保持低于175mV达15s，或者在加速工况下该信号电压保持低于600mV达15s，则ECU认为该传感器信号电压偏低，不可信。如果在ECU进入闭环控制后信号电压保持高于800mV达15s，或者在减速工况下该信号电压保持高于110mV达15s，则ECU认为该传感器信号电压偏高，不可信。此时，在满足下列条件的情况下ECU将设置上游氧传感器信号电压超出可能范围的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录；节气门开度在3%~40%。
2.2　上游氧传感器信号电压响应速度过低
如图3b和图3c所示，随着氧传感器的老化，其信号电压响应速度越来越低，表现为动态响应曲线趋于平缓，其斜率的绝对值变小。

在ECU进入闭环控制的情况下，ECU连续监测氧传感器一段时间(例如100s)，记录其信号电压，每次从低于300mV到高于600mV(混合气从稀到浓)和从高于600mV到低于300mV(混合气从浓到稀)跳变所经历的时间及跳变的次数，分别求出跳变时间的平均值。如果从低到高跳变时间的平均值超过114ms或从高到低跳变时间的平均值超过99ms，则ECU认为该氧传感器已老化。此时，在满足下列条件的情况下，ECU将设置上游氧传感器信号电压响应速度过低的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录；节气门开度在3%~40%；ECU进入闭环控制至少达1min；发动机转速在1000r/min~3000r/min；冷却液温度超过50℃；质量空气流量在10g/s~30g/s。
2.3　上游氧传感器信号电压跳变时间比超出规定范围
2.2中监测的信号电压从高到低跳变时间和从低到高跳变时间之比也能反映出氧传感器的老化。将图3中的3条曲线进行对比可以发现，随着氧传感器的老化，此比值将增大。如果在闭环控制的情况下，100s的监测期间信号电压跳变时间之比的平均值不在4和0.4之间，则ECU认为该氧传感器已老化。此时，在满足下列条件的情况下，ECU将设置上游氧传感器信号电压跳变时间比超出规定范围的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录；节气门开度在3%~40%；发动机转速在1000r/min~3000r/min。
2.4　上游氧传感器信号电压跳变频率过低
由图3不难看出，随着氧传感器的老化，信号电压跳变的频率逐渐减小，如果在闭环控制的情况下，100s的监测期间中信号电压从低到高和从高到低的跳变次数均小于45次，则ECU认为该氧传感器已老化。此时，在满足下列条件的情况下，ECU将设置上游氧传感器信号电压跳变频率过低的故障信息记录：没有2.1中所列的各种故障信息记录及该氧传感器加热器电路的故障信息记录。
2.5　上游氧传感器活性不足
如前所述，在闭环控制的情况下，氧传感器信号电压应在100mV~1000mV不断地跳变，这是氧传感器有活性的表现。如果该信号电压稳定在450mV附近，即在400mV和500mV之间达30s以上，则不论ECU是否进行闭环控制，均表明该传感器活性不足或信号电路为开路。此时，在满足下列条件的情况下ECU将设置上游氧传感器活性不足的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录；节气门开度在3%~40%；发动机运转时间超过200s。
2.6　上游氧传感器加热器加热过慢
发动机起动后，氧传感器的加热器通电加热氧传感器，使它很快得到活性，也就是很快令其信号电压或者低于300mV，或者高于600mV，而不会停留在300mV~600mV。不论ECU是否进行闭环控制，只要发动机起动后上游氧传感器信号电压停留在300mV~600mV的时间超出规定值(45s)，在满足下列条件的情况下，ECU将设置上游氧传感器加热器加热过慢的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器，曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录；节气门开度在3%~40%；起动时进气温度低于35℃；起动时发动机冷却液温度低于35℃；起动时上述两项温度之差在6℃以内；采样时的平均质量空气流量小于15g/s。在有些系统中，例如BOSCH公司的Motronic系统中，ECU直接监测氧传感器加热器的电阻值并检验其可信度。
3.三效催化转化器下游氧传感器故障诊断
在三效催化转化器下游加设一个氧传感器，这是OBD-Ⅱ区别于OBD-Ⅰ的重要标志之一。下游氧传感器的首要任务是与上游氧传感器相配合，对三效催化转化器进行故障监测。其次才是作为上游氧传感器的补充，进行闭环控制。
由于三效催化转化器对废气中的氧有储存作用，下游氧传感器的动态响应曲线自然与上游氧传感器不同，所以故障的判别标准也有区别。
3.1　下游氧传感器信号电压超出可能范围
与上游氧传感器信号电压过低或过高故障监测程序的差别在于，下游氧传感器的无故障判别标准较为宽松，被判为故障的指示数值范围更小，即信号电压在ECU进行闭环控制情况下低于75mV达150s，才算过低；高于999mV或在减速工况下须高于200mV达105s，才算过高。
3.2　下游氧传感器活性不足
下游氧传感器被判为活性不足的指标数值范围也比上游氧传感器小。如果说上游氧传感器信号电压在400mV~500mV保持达30s为活性不足的话，那么下游氧传感器信号电压在425mV~475mV，保持100s才是活性不足。
3.3　下游氧传感器加热器加热过慢
发动机起动后下游氧传感器得到活性前所经历的时间超过215s才算加热器有故障。