专利名称：汽车排气催化剂储氧量测试方法
技术领域：
本发明涉及汽车排气催化转化器的评价试验方法，特别是涉及汽车排气 催化剂在发动机台架上实现储氧量的测试方法。
背景技术：
催化转化器是目前控制汽车排气污染最有效的技术对策之一。目前，在国 外催化转化器已成为控制汽车排放的必备零部件，并且经过长期的研究开发， 对催化转化器已经有了一整套系统的评价试验方法，主要包括催化剂实验室小 样评价、在发动机台架上的各种性能如净化性能、净化性能的劣化程度、机械 特性等评价和装车性能评价三个阶段其中在发动机台架上的评价试验尤为重要， 它与小样评价试验相比其试验条件更接近实际应用情况、评价试验内容也全面 得多与装车性能评价相比其试验周期短、费用低所以作为一整套模拟评价试验
装置，催化转化器在发动机台架上的各种性能评价试验装置是联结催化剂配 方、工艺开发与实际装车应用的桥梁，也是催化转化器与整车匹配的必备工具 之一，其中一些设备同时也是大批量生产催化转化器的质量监督的必需设备开 发一整套催化转化器在发动机台架评价试验装置对于催化转化器研究开发、匹 配应用、产品认证、质量监督都具有非常现实的意义。
催化剂储氧量(英方简称0SC)的测量在国内外有着很多的方法，主要从
材料分析方面着手进行，主要以TPR计算法和H2-02滴定法等进行催化剂的储氧 量的测试，此类的实验方法可以准确测量催化材料的储氧量，但试验存在周期 长，计算方法复杂等问题，同时由于催化材料与催化剂的储氧量之间存在着不 同之处，所测的数据与实际整车应用之间仍存在着差异，不能有效指导催化剂 或极限催化剂的应用
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，发明一种可以直接在发动机 台架上实现对催化剂或极限催化剂的储氧量的测量，可以直观，快速获得催化 剂的总储氧量和单位储氧量的汽车排气催化剂在发动机台架上实现储氧量的测 试方法。
本发明基本原理通过控制发动机空燃比波动范围值，测量前后氧传感器 的信号的时间差来计算或量化催化转化器产品的OSC值。
原理以特定的控制方式(突变式)改变发动机的空燃比，使催化剂前、后 氧传感器输出的电压信号产生时间差，实现量化催化剂的储氧值。
硬件条件前、后氧传感器(型号0SS 1875 C2)，前、后氧信号处理器 (型号:CTS-1)和ECU控制器(型号:QH-ITMS)，快速数据采集卡(型号:NI PCI-6023E)等(见图1)。
软件条件EXCLE或其他处理软件。(见图2)
基本测试方法
1) 控制发动机工况，转速为2900RPM (转/分钟)，输出功率25Kw (千瓦)。
2) 发动机的空燃比从0. 96到1. 06之间进行切换，每隔20秒钟切换一次。 切换次数不少于10次，取中间呈周期性的图型区域进行统计；(见图3)。
3) 统计每个波型中的信号时间差异，并计算平均时间，(见图4)。
4) 通过经验公式计算储氧量。
通过催化剂空速计算进气流量ina (kg/h)，根据进气流量氧含量与空燃比的 相关性，计算出氧在催化剂入口端的含量。由催化剂由口端的氧在At时间内 的储存或释放量，最终计算出催化剂的储氧或放氧量(0SC)。
根据联电实验室提供的数据如下OSC = , X 0: — q) X "!。 X 0,23' X 1000/3.6单位mg
若采用单位体积的催化剂的0SC量，刚除以Vr的值即可。
入指实际空燃比与理论空燃比的比值，当入=1时，指实际空燃比等于理 论空燃比。
其中A A数值通常采用0.04。
t2-"U的数值采用At为催化剂的储氧量OSC测试分析系统测得，单位为s 或ms，(即秒或毫秒)。
如果能测得或计算出空气质量tn。的值，就可以通过计算法求得催化剂的 储氧量OSC值。
推理如下
已测得燃料流量为mf (kg/h)，并已知空燃比(A/F)贝U:
进气质量流量"^ = "V x 一/f〕
排气质量流量^:《=nis十mf = mf X [1十(A'''F)；
标准状态下排气容积流量Q^ = X 1GG0/P。
L/h (升/小时)
其中P。 = l.29kg/m3
空速SV= Qex,'Vr = mf x1 + (A/F》x (p。 /IO測)/\; 燃半斗流量脚=x 乂 x (p。 /i000)/〖1 + (A/P)I
进气质量》荒量,^=^ x (A/F》=s，《x % x (A/P) x (fj。/iO00)/[1 + (A/P)B
mf:燃料流量kg/h;
A/F:空燃(空气/燃油)比，kg/kg;
IIU进气质量流量；kg/h;
m8X:排气质量流量；P。空气密度kg/m3; SV:空速；
当入=1，即A/F二14. 57时
<formula>formula see original document page 7</formula>
则<formula>formula see original document page 7</formula>
说明
1) 发动机初始运行前的工况要求与性能实验初步状态保持一致，发动机的 关键参数如转速，节气门开度、扭矩、负荷、功率、喷油脉宽和排气温度等参 数要求每次实验时都要保持恒定。
2) 空燃比在理论空燃比波动，上下的波峰相同，入值应在0. 85 1. 15范围 内之间(即如图(3)所示A入=A入！ (1~1. 15) + A入2 (0.85 1)和A 、 =A入2)要求A A i值作为输入的控制参数。
3) 空燃比的变化采用"突变式"，要求在最短的时间达到下一平衡点；
4) 每次测试时空燃比维持时间At(交替空燃比的时间相同)要保持恒定， 而A t应作为输入的参数，范围在0-120秒；
5) 要求发动机运行此循环工况后能按此工况持续运行下去，直到实验的采 样工作结束。
催化剂OSC值的计算。
将本方法测量的At值，代入到公式中即
<formula>formula see original document page 7</formula>通过对多次测量At，取其平均值得Ii，艮卩 " ，贝U05C = 0.07712 x MxSFxS￥。
已知A A为测量时的设定值，SV催化剂的空速值，都为已知结果，则直 接将测得的II结果代入上述的公式中，即要测得催化剂的储氧量，单位为mg/1。
随着国家汽车排放标准进一步的提升，满足欧III排放法规或更高排放标
准的车辆都需安装EOBD (车载诊断系统(欧洲))系统，对排放污染物的排放情 况进行实时有效监控，而EOBD系统而对失效催化剂的监测通过催化剂前后两个 02传感器信号时间差计算催化剂储氧量(OSC)的变化情况，实现对催化剂的监 测。因此建立汽车气催化剂储氧量测试设备及试验方法，对催化剂的研究以及 极限催化剂的制备有着十分重要的意义。
图1为本发明系统硬件的流程示意图。
图2为本发明运算方式的示意图。
图3为本发明实值A t值及计算方法。
图4本发明在昆明贵研催化剂有限责任公司台架OSC测试试验结果的曲线 图。试验室名称台架测试试验室；试验项目名称OSC测试；试验编号
OSC-20050501;试验人员计永波。
具体实施例方式
下面以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
基本测试方法
1) 控制发动机工况，转速为2900RPM (转/分钟)，输出功率为25Kw。
2) 发动机的空燃比从14.00到15.40之间进行切换，每隔20秒钟切换一次。 切换次数不少于10次，取中间呈周期性的图型区域进行统计；(见图3)
3) 统计每个波型中的信号时间差异，并计算平均时间。(见图4)4) 通过经验公式计算储氧量。
通过空速计算进气流量| 8 ( kg/h )，根据进气流量氧含量与空燃比的相关性， 计算出氧在催化剂入口端的含量。由催化剂由口端的氧在At时间内的储存或 释放量，最终计算出催化剂的储氧(0SC)或放氧量。
根据联电实验室提供的数据如下
OSC = [AA X (f2 — q) X m。 X 0.23 X 1000,,3.6 单位mg
若采用单位体积的催化剂的OSC量，刚除以Vr的值即可，单位:mg/1。 当入=1时，指实际空燃比等于理论空燃比。 △入通常在0.01 0.04之间，本实验采用0.04。 't2-"U的数值采用At为OSC测试分析系统测得，单位为秒。 如果能测得或计算出m。的值，就可以通过计算法求得催化剂的OSC值。 推理如下
已测得燃料流量为mf (kg/h)，并己知空燃比(A/F)贝U:
进气质量流量i。 =x (々F)
排气质量流量，""=ma+ nif = , x [1 + (A/F)]; 标准状态下排气容积流量Q^ = :《x 10DQ/P。 L/h 其中P。二1.29kg/m3
空速SV= Q红A; = x〖1 + (A/F》x (P。,i加0) 燃料流量mf = SVx l x (p。 /10加)/[1 + (A/刚
进气质量、 荒量"^二1、 x (A'/F〗=sv x I x (A./p)x (Pa/1000)/[i + (A/F)〗) 当A/F二14. 57时
ms = SVx Vr/828.40页
贝lj: OSf = M化—")X (W X l;./828,40) X 0,23 X i鹏)/3石 05C = 0. 07712 x AA x At x SV x 单位mg OSC = 0. 07712 .x x Af >c SF 单位mg/l
说明
1) 发动机初始运行前的工况要求与性能实验初步状态保持一致，发动机 的关键参数如转速，节气门开度、扭矩、负荷、功率、喷油脉宽和排气 温度等参数要求每次实验时都要保持恒定。
2) 空燃比在理论空燃比波动，上下的波峰相同，A值应在0.85~1.15 范围内之间(即如图所示A入二A 、 (1-1.15) +△入2 (0.85 1)和 △入1= A A 2)要求A A 1值作为输入的控制参数。
3) 空燃比的变化采用"突变式"，要求在最短的时间达到下一平衡点；
4) 每次测试时空燃比维持时间At (交替空燃比的时间相同)要保持恒 定，而At应作为输入的参数，范围在0 120秒；
5) 要求发动机运行此循环工况后能按此工况持续运行下去，直到实验的 采样工作结束。
催化剂OSC值的计算。
将本方法测量的At值，代入到公式中即 OSC = 0.07712 xAixAtxW ，通过对多次测量At，取其平均值得SF，艮卩
_ "，贝lj = 0,07712 XilAx忍xW。
己知A A为测量时的设定值，SV催化剂的空速值，都为己知结果，则直接 将测得的At结果代入上述的公式中，即要测得催化剂的储氧量，单位为mg/1。
测量发动机架上催化剂前、后端氧传感器信号时间差的方法，是通过X中 值(理论为14.57)直线与前和后端氧信号(电压曲线)交叉点的时间差值。^=(4皿-4[E1;/2即为设定空燃比波幅的最大值与最小值之差除以2。为
OSC测试系统测量的结果，SV为空速，0. 07712为经验系数。S的方计算法是
"，其中t2为后端氧传感器与X中值直线交叉点的时间值，"为 前端氧传感器与X中值直线交叉点的时间值，t厂tl即为前、后端氧传感器信号
时间差值，再将每个AFR周期循环所测的At进行平均，所得的^为测试的平 均值，即测试最终结果。
为测量SF的值，我们需要是通过对电控制系统即ECU的调整，使其呈矩 形波动，如图3其中通过矩形中间的为理论空燃比对应的电压值，也是调整后 平均空燃比电压值线。1为空燃比最大电压变量值，入^为空燃比最小变量值。 其空燃比最大的波范围为0. 01~0. 4之间。空燃比的波动采用跳跃式波动方式， 即从 w直接到达 wn，或由入^直接跳至入皿，中间没有停留时间。空燃比？Ux 和 Un的达到设定的数值后，在未改变前将采用稳定运行方式，即按设定的周期 运行。时间范围为0 120s，通常新鲜催化剂的OSC的测量时，运行时间不少于 5s。设定的空燃比后，实际前后氧感器的电压信号运行方式将呈正弦波动，前 后氧信号与中值电压都有交叉，两者与中值电压值交叉都有对应的时间值，在
同一运行周期内的对应时间的差值，即我们需要进行测量的关键点。
实施例l控制发动机工况，转速为2900转/分钟，输出功率25Kw; 2) 发动机的空燃比从0. 96到1. 06之间进行切换，每隔20秒钟切换一次，切换次 数不少于10次，取中间呈周期性的图型区域进行统计；3)统计每个波型中的 信号时间差异，取五组，并计算平均时间，Si= ( Ati+At2+At3+At4+A"U) /5。 在常规的测试方法下，测得催化剂储氧时间I!为2. 27s (或2270ms)， 已知 A入=0.04 Si二2.27SSV (空速)=40000h_1 Vr (催化剂装量)二l. 1L， 则OSC=0. 07712*0. 04*2. 27*40000*1. 1 = 316. 921mg或 0SC=0. 07712*0. 04*2. 27*40000=280. llmg/l。
催化剂的储氧量为316. 921mg，单位体积的催化剂储氧量为280. 11 mg/l。 实施例2在较大的催化剂体积的OSC测试时，由于发动机排气量限制，
一般测试时我们采用空速为20000h—'，催化剂的装量为2.4L，测得催化剂储氧
时间为5.25s (或5250ms)
已知A A =0.04 Ii=1.25SSV (空速)=20000h—1 Vr (催化剂装量)
二2.4L
则:OSC=0, 07712*0. 04*5. 25*20000*2.4=777. 37mg或
OSC=0. 07712*0. 04*5. 25*20000=323. 90mg/l。 催化剂的储氧量为777. 37mg，单位体积的催化剂储氧量为323. 90 mg/l。 实施例3在较小的催化剂体积的OSC测试时，根据发动机排量， 一般测
试时我们采用空速为60000h—、催化剂的装量为0. 54L，测的催化剂储氧时间为
1. 58s (或1580ms)
已知A入二0.04 忍二1.58S SV (空速)=60000h—1 Vr (催化剂装量) 二O. 54L
贝U: 0SC=0. 07712*0. 04*1. 58*60000*0. 54 = 157. 92mg
0SC=0. 07712*0. 04*1. 58*60000=292. 44mg/l。 催化剂的储氧量为157. 92mg，单位体积的催化剂储氧量为292. 44 mg/l。
权利要求
1.一种在发动机台架上进行汽车排气催化剂储氧量的测试方法，其特征在于通过加装催化剂前后端氧传感器，氧传感器通过导线与信号处理器、发动机控制单元控制器以及快速数据采集卡联接，采集数据并采用EXCLE或其他通用处理软件，获得测量加装催化剂前后氧传感器的信号时间差，通过公式OSC＝0.07712×Δλ×Δt×SV计算出催化剂的储氧量OSC，所述的公式OSC＝0.07712×Δλ×Δt×SV中OSC为催化剂的储氧量，单位为毫克或毫克/每升，SV为测试催化剂OSC值时所规定的发动机对应的空速值，单位为h-1，0.07712为关联系数，Δλ数值为测量过程中设定的空燃比波动值，在0.01～0.05之间，即Δλ＝(λmax-λmin)/2即为设定空燃比波幅的最大值与最小值之差除以2，即当最大值λmax为1.04，最小值λmin为0.96时，当测试的结果为其他值时，计算相同。
2、 根据权利要求1所述的在发动机台架上进行汽车排气催化剂储氧量的测试方法，其特征在于所述的公式osc-0.07712 X aa X忍X W中的S的方计算法是 ^的方计算法是
3、 根据权利要求2所述的在发动机台架上进行汽车排气催化剂储氧量的测 试方法，其特征在于所述的每一组z^中t2为后端氧传感器与入中值直线交叉 点的时间值，"为前端氧传感器与人中值直线交叉点的时间值，t厂ti即为前、 后端氧传感器信号时间差值，再将每个空燃比波动周期循环所测的M进行平均， 所得ffi为测试的平均值，即测试最终结果。
4、根据权利要求2所述的在发动机台架上进行汽车排气催化剂储氧量的 测试方法，其特征在于所述的Ii的在测量其值时，是通过对电控制系统即ECU的调整，使其呈矩形波动，其中通过矩形中间的为理论空燃比对应的电压值， 也是调整后平均空燃比电压值线。X,为空燃比最大电压变量值，L为空燃比最小变量值。其空燃比最大的波范围为0.01~0.4之间。空燃比的波动采用跳跃式波动方式，即从？Wx直接到达X^，或由hin直接跳至？W ，中间没有停留时间。空燃比 w和入^的达到设定的数值后，在未改变前将采用稳定运行方式，即按设定的周期运行。时间范围为0 120s，通常新l羊催化剂的OSC的测量时， 运行时间不少于5s。
5、根据权利要求1所述的在发动机台架上进行汽车排气催化剂储氧量的测试方法，其特征在于所述的测量前后氧传感器的信号时间差的步骤是1) 控制发动机工况，转速为2900转/分钟，输出功率25Kw;2) 发动机的空燃比从0. 96到1. 06之间进行切换，每隔20秒钟切换一 次，切换次数不少于10次，取中间呈周期性的图型区域进行统计；3) 统计每个波型中的信号时间差异，并计算平均时间。
全文摘要
本发明公开了一种涉及汽车排气催化剂在发动机台架上实现储氧量的试验方法，可以直接在发动机台架上实现对催化剂的储氧量进行准确测量，该测试方法直观，快速。其基本原理是通过对发动机AFR值的控制后，测量前后氧传感器的信号的时间差来计算催化剂或催化转化器的OSC值。硬件条件前、后氧传感器，前、后氧信号处理器和、发动机控制单元ECU控制器，快速数据采集卡等，软件条件EXCLE或其他处理软件，计算方法0SC＝0.07712×Δλ×Δt×SV×V<sub>r</sub>单位mg。基本测试方法1)控制发动机工况，转速为2900RPM(转/分钟)，输出功率为25Kw；2)发动机的空燃比从0.96到1.06之间进行切换，每隔20秒钟切换一次。切换次数不少于10次，取中间呈周期性的图型区域进行统计；3)统计每个波型中的信号时间差异，并计算均时间；4)通过经验公式计算储氧量。
文档编号G01M99/00GK101620035SQ200910094770
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者军 卢, 吴乐刚, 张云峰, 杨冬霞, 杨文勇, 磊 王, 计永波, 贺小昆, 赵云昆 申请人:昆明贵研催化剂有限责任公司