一种基于氧浓度的汽油车三效催化转化器的检测方法与流程

本发明涉及三效催化转化器快速检测方法，具体涉及到一种基于氧浓度的汽油车三效催化转化器的检测方法。

背景技术：

1、石油基燃料的主要成份是烃类化合物，在内燃机充分燃烧后，理论产物是co2和水。人们在高效燃烧上开展了大量工作，不仅提升了热功转化效率，也减低了不完全燃烧产物如碳氢化合物hmcn、一氧化碳(co)和颗粒物的生成总量。另一方面，由于现代发动机缸内燃烧技术依然不能实现燃料的完全氧化，发动机排气中仍然存在少量的cmhn和co，又由于发动机进气中的氮在缸内高温燃烧下不可避免地与进气中的氧反应成生氮氧化合物nox(no+no2)，仅依靠发动机燃烧优化尚不能满足汽油车排放法规对hmcn、co和nox的排放限值要求。

2、在此条件下，汽油车排放后处理技术应运而生。汽油车三效催化转化器是以陶瓷蜂窝载体为基础载体，陶瓷蜂窝载体上载有大比表面积、高热稳定性的γ-al2o3涂层，以贵金属元素pt、pd、rh为催化活性成分，可以高效促成hmcn、co和nox三种主要污染物排放成分氧化和还原反应，生成无害的水和低害的co2。

3、现代三效催化剂的主要反应有：

4、氧化反应：

5、cmhn+(1+n/4)o2→mco2+(n/2)h2o...................................(1)

6、co+(1/2)o2→co2....................................(2)

7、co+h2o→co2+h2......................................(3)

8、还原反应：

9、no(或no2)+co→(1/2)n2+co2......................................(4)

10、no(或no2)+h2→(1/2)n2+h2o......................................(5)

11、(2+n/2)no(或no2)+cmhn→(1+n/4)n2+mco2+(n/2)h2o........(6)

12、上述催化反应必须在适当的发动机排气条件下才能同时高效发生。当排气富氧时，co和hc氧化效率高，但nox在富氧条件下难以还原。反之，在贫氧条件下，氧化反应效率迅速下降。

13、鉴于三效催化转化器对汽油车排放的重要影响，我国对催化器性能、耐久性要求和试验方法做出了具体规定。现阶段排放法规对使用汽油机的m1、m2、n1类车型型式认证时的排放耐久性要求为16万公里，此要求能够保障汽油车辆在正常使用条件下，原装催化器可以满足车辆全生命周期内的排放耐久要求。

14、为了防止特别情况下原装催化器出现提前劣化(例如：发动机失火导致排温短时过高和催化剂失活)，我国现行排放标准加入了车载诊断obd系统对失效催化器的监测方法，该方法的原理是：

15、在发动机排气口(或催化器入口)安装宽域氧传感器(前氧传感器)，对汽油发动机的排气氧浓度进行实时监测，在催化器排气口安装开关量氧传感器(后氧传感器)。由于三效催化转化器只能在发动机理论空燃比附近相对狭窄的窗口内实现对cmhn、co和nox同时高效转化，为了抵消催化器入口空燃比波动的影响，现代三效催化转化器涂层中均加入大量储氧成分(如：cexzr1-xo2)，储氧材料为多价氧化物，可以对贫富氧条件形成缓冲，以减少排气氧含量波动对反应体系的影响，进而导致了催化器出口的氧浓度波动频率低于入口。obd监测正是利用了这一特征，通过检测催化器排气出口处氧传感器的开关频率，对催化剂储氧材料(储氧能力)的性能进行定性判断，进而判断催化剂的活性。

16、专利cn2017114284002中公开到一种检测三效催化转化器故障的方法及装置；该方法包括：获取预设时间段内三效催化转化器上游和下游的过量的空气系数的变化频率，计算下游的过量的空气系数的变化频率的比值，并判断该比值和预设的第一阈值的关系，若该比值大于预设的第一阈值，则表示三效催化转化器故障。这样，在不增加任何外部设备的前提下，实现了对三效催化转化器故障的快速在线检测。上述专利也是基于现有技术中的方法，采用频率变化来判断三效催化转化器是否发生故障。上述专利的过量空气系数的变化频率是根据在预设时间内波动周期的数量来表示的；波动周期表示为：过量空气系数的值大于预设的阈值，或者表征过量空气系数的电压值大于预设的阈值；即仅当检测传感器检测的信号大于阈值时才会频率数值增加1。

17、上述监测方法原理科学、方法简单，但其原理以及检测结果的可靠性建立在一个重要的假设基础之上：催化剂的活性与催化涂层中储氧材料的储氧能力成某种线性关系，从而可以按照催化涂层储氧能力的衰减量间接判断催化剂反应活性的下降。当出现以下情况时，催化涂层的储氧能力与催化剂反应活性的假设关系将被打破，从而导致监测结果出现明显偏离：(1)当批量生产的原装催化器与型式认证的样品存在质量不一致，特别是由于催化器使用的贵金属pt、pd和rh价格高企，部分厂家为非法牟利而偷工减料，导致实际装车催化器耐久能力不足时。(2)当催化器未得到正确使用，例如油品杂质污染，导致催化器提前劣化时，等等。

18、因此，技术以三元催化涂层中储氧材料性能作为催化剂活性及其劣化程度的间接判断指标，在技术上是有局限性的。

19、本发明旨在，绕开对催化剂涂层储氧材料性能的判断，对催化剂去除hc和co的效果进行直接测量和计算，以准确判断催化剂的催化活性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于氧浓度的汽油车三效催化转化器的检测方法；本发明需要解决的所有技术问题包括：

2、(1)现有技术中通过储氧材料性能来判断三效催化转化器催化性能的不准确，容易产生误差，特别是当储氧材料和催化器性能不同步时。

3、(2)现有技术中通过判断氧浓度的电信号的开关频率来实现检测后氧浓度的变化频率，即当后氧浓度到达某一限制时产生一次信号，根据信号的变化次数来判断催化器性能，但是未获得具体浓度值，使得检测误差较大。

4、(3)现有技术中并未明确检测窗口，不同检测窗口对检测效果具有比较大的影响，导致检测误差。

5、(4)no类化合物在催化过程中会消耗掉一部分co和h，no类化合物的浓度对检测效果也有一定影响，导致不同检测窗口和no类化合物浓度不同时产生误差。

6、为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种基于氧浓度的汽油车三效催化转化器的检测方法，包括以下步骤：

7、步骤(1)运行车辆使其达到检测状态，按照稳态工况法asm进行初检，初检过程中设定数据采集周期t，获取三效催化转化器的前氧浓度、后氧浓度、车速和检测时间，建立检测时间-车速-前氧浓度、后氧浓度的映射关系，获得稳态工况检测曲线；

8、步骤(2)设定车辆在稳态工况下、车辆以第二恒定车速行驶时为初检窗口，获取初检窗口内三效催化转化器的前氧浓度cf和后氧浓度cb，结合数据采集周期t，计算前氧浓度与后氧浓度的氧积分差值，判断初检窗口内的初检氧积分差值是否大于初检阈值；

9、若初检氧积分差值大于初检阈值时，则判定三效催化转化器为初检合格；

10、若初检氧积分差值小于初检阈值时，则判定三效催化转化器为初检不合格；

11、步骤(3)若三效催化转化器判定为初检不合格时，则使用nedc工况进行再检；nedc工况再检的方法为：

12、让车辆按照nedc工况进行运行，设定数据采集周期，获取三效催化转化器的前氧浓度、后氧浓度、车速和检测时间，建立检测时间-车速-前氧浓度、后氧浓度的映射关系，获得nedc工况检测曲线；

13、设定车辆在ndec工况下，车辆在837s～1113s的行驶阶段为再检窗口，获取再检窗口内三效催化转化器的前氧浓度cf和后氧浓度cb，结合数据采集周期t，计算前氧浓度与后氧浓度的氧积分差值，判断再检窗口内的再检氧积分差值是否大于再检阈值；

14、若再检时再检氧积分差值大于再检阈值时，则判定三效催化转化器为合格；

15、若再检时再检氧积分差值小于再检阈值时，则判定三效催化转化器为不合格；

16、所述氧积分差值c的计算方法为：

17、

18、

19、c＝c1-c2

20、其中，t为数据采集周期，n为在检测窗口内的数据采集次数，

21、t*n为检测窗口的总时长；

22、c1为前氧浓度积分，c2为后氧浓度积分，c为氧积分差值。

23、本发明优选的，检测状态为车辆发动机和排气系统预热预设时间后完成充分预热，三效催化转化器到起燃温度t80。

24、本发明优选的，三效催化转化器的入口端布置宽域型的前氧传感器，在出口端布置宽域型的后氧传感器；通过前氧传感器和后氧传感器获取对应的氧浓度信号；前氧传感器和后氧传感器的信号上传至obd系统，检测时从obd系统中直接获取前氧传感器和后氧传感器的数据。

25、本发明优选的，三效催化转化器的入口端布置宽域型的前氧传感器，检测时在车辆排气管的出口处加装500mm以上的延长管，延长管密闭联接无泄漏，将宽域型的后氧传感器安装至靠近车辆排气管出口的位置；通过前氧传感器和后氧传感器获取对应的氧浓度信号；前氧传感器的信号上传至obd系统，检测时从obd系统中直接获取前氧传感器的数据；后氧传感器的数据从现场读取。

26、本发明优选的，在检测过程中获取三效催化转化器入口或者发动机出口处的氮氧浓度q，在初检和再检过程中，在检测时若碳氮比例低于干扰阈值时，修正氧积分差值：c＝k+c1-c2；

27、所述修正积分值k的计算方法为：

28、

29、其中，

30、α为调节系数，取值范围为0.98～1.05；

31、β为过量空气系数；

32、t为检测的数据采集周期；即每间隔t采集一次的氮氧浓度参数；

33、qp为以检测时间为序，每个检测时间点时获取的氮氧浓度参数；

34、n为在检测窗口的总时长内，检测的氮氧浓度参数的次数。

35、本发明优选的，初检窗口的总时长为70s，从asm2540工况下第20s至第90s区间，初检的第二恒定车速为40km/h；再检窗口的总时长为276s，再检窗口的车速为50km/h～120km/h。

36、本发明优选的，初检阈值的数据获得方法包括以下步骤：

37、(1)取已经通过检测合格的新汽车，运行车辆使其达到检测状态，按照稳态工况法的检测过程继续运行，在继续运行期间，获取三效催化转化器的前氧浓度、后氧浓度、车速和检测时间，建立检测时间-车速-前氧浓度、后氧浓度的映射关系，获得稳态工况检测曲线；

38、(2)设定车辆在稳态工况下、车辆以第二恒定车速行驶时为初检窗口，获取初检窗口内三效催化转化器的前氧浓度cf和后氧浓度cb，结合数据采集周期t和检测窗口的总时长，计算前氧浓度与后氧浓度的氧积分差值，该氧积分差值乘以80％即为初检阈值。

39、本发明优选的，再检阈值的数据获得方法包括以下步骤：

40、(1)取已经通过检测合格的新汽车，运行车辆使其达到检测状态，让车辆按照nedc工况进行运行，设定数据采集周期，获取车辆在nedc工况下三效催化转化器的前氧浓度、后氧浓度、车速和检测时间，建立检测时间-车速-前氧浓度、后氧浓度的映射关系，获得nedc工况检测曲线；

41、设定车辆在ndec工况下，车辆在837s～1113s的行驶阶段为再检窗口，获取再检窗口内三效催化转化器的前氧浓度cf和后氧浓度cb，结合数据采集周期t，计算前氧浓度与后氧浓度的氧积分差值，该氧积分差值乘以80％即为再检阈值。

42、综上所述，本发明具有以下优点：

43、1、本发明通过稳态工况法asm和nedc工况检测法来对车辆在行驶过程中的特定时间段的检测窗口内的前氧浓度和后氧浓度等参数进行检测，在预设周期内进行多次检测来获得氧积分值，对氧气浓度的时间积分，能够更加准确的得到氧浓度在检测窗口内的前后变化，相当于在检测时以气体通过总量为基础来进行判断，比现有技术中使用瞬时信号开关量次数代替整个检测周期的数据，更加准确。

44、2、本发明不通过检测催化剂储氧材料的储氧能力来判断催化器是否失效，直接对三效催化转化器前后的氧浓度的积分总量进行检测，这样更加直接，避免了储氧材料和催化剂的有效性不一致时产生的误差；即避免储氧材料和重金属催化剂的有效程度不一致导致的检测误差；

45、3、本发明还考虑到nox对检测结果的影响，通过增加nox传感器来计算检测周期内的nox的积分总量，并对检测结果进行修正，使得检测结果更加准确。

46、4、本发明根据车辆在nedc工况和稳态工况下运行的特点，考虑车辆在上述两个工况运行时的发动机特性和排放水平，选择了特定的初检窗口和再检窗口，更加能够具有代表性，避免了其他干扰阶段的影响，进一步提高了检测结果的准确性。同时本发明选择稳态工况法和nedc工况法中的部分时间段或者检测窗口的数据进行检测，也是考虑到上述两种工况法是现有技术中常用的工况法，便于操作人员熟悉操作流程。

47、5、本发明使用整车循环工况，结合催化反应机理划定催化器效能的评价窗口，记录评价窗口期内三效催化转化器的前氧浓度、后氧浓度，试验车速和检测时间，依据催化器前氧、后氧测得的排气氧浓度对时间积分差值对催化器性能进行判断。本发明所提出的对车辆在检测窗口内催化器前、后氧浓度的检测和计算方法，可以消除催化剂储氧能力对催化器前、后氧浓度的影响，使检测得到的氧浓度变化与催化剂性能直接相关，为催化剂反应活性检测提供了一种更为便捷、准确和有效的方法。

48、6、本发明先通过稳态工况法asm进行初检，在初检不合格时再进行nedc工况法进行再检，初检能够快速筛查，再检的过程更加复杂且符合实际运行情况，因此检测结果更加可靠，能够再初检不通过时进行确认，排出整车运行问题对检测结果的影响。