Fault simulation test of oxygen sensor for natural gas engine
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摘要: 在自行搭建的发动机试验台架上, 以台架试验与排放分析法为基础, 以NI采集卡、前端信号处理电路、信号丢失控制电路与信号异常控制电路等为硬件, 以LabVIEW软件为技术支持设计了天然气发动机氧传感器故障模拟系统, 分析了天然气发动机氧传感器故障对发动机动力性、经济性以及各项排放指标的影响。试验结果表明: 当转速为2 500 r.min-1, 节气门开度为25%, 模拟信号电压低于0.5 V时, 过量空气系数变小, 混合气变浓, 转矩与正常值相比变化不大, CO排放上升, HC排放略有升高, 但变化不大, NOx排放下降; 当模拟信号电压高于0.5 V时, 过量空气系数变大, 混合气变稀, 转矩下降较大, CO排放下降, 并低于正常值, HC排放上升, NOx排放基本为0。Abstract: On the self-built engine test bench, the bench test and emission analysis method were taken as foundations, the NI acquisition card, front-end signal processing circuit, the control circuit of signal loss and the control circuit of signal anomaly were taken as hardwares, the fault simulation system of oxygen sensor for natural gas engine was designed by LabVIEW software, and the influences of oxygen sensor fault on the power performance, economy performance and emission indexes of natural gas engine were analyzed. Test result shows that when rotation speed is 2 500 r·min-1, throttle opening degree is 25% and analog signal voltage is below 0.5 V, the excess air coefficient reduces, the concentration of mixed gas rises, torque changes slightly compared with normal value, CO emission rises, HC emission rises slightly, and NOx emission decreases. When signal voltage is high above 0.5 V, the excess air coefficient rises, the concentration of mixed gas decreases, torque drops significantly, CO emission decreases and is less than normal value, HC emission increases, and NOx is 0 basically.
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Key words:
- automobile engineering /
- natural gas engine /
- oxygen sensor /
- fault simulation /
- signal loss /
- signal anomaly
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0. 引言
为应对全球能源危机、环境的恶化与温室气体效应, 包括代用燃料在内的新能源汽车正成为国际汽车界研发的热点。代用燃料的选择主要从现有车辆内燃机改装技术的复杂性、性价比和影响行车距离的能储密度等角度来权衡考虑。在各种代用燃料中, 天然气因热效率高, 污染较低以及使用经济性好而备受关注[1]。压缩天然气(Compressed Natural Gas, CNG)汽车的推广应用和发展速度非常快, CNG发动机一旦发生故障, 诊断比较困难。在众多的发动机传感器中, 氧传感器作为发动机能够实现闭环控制中最重要的环节, 对确保排放污染物的转化和净化起着非常重要的作用。
目前, 涉及CNG发动机氧传感器的故障模拟试验相对较少, 相关研究大多是单独针对电控汽油机的故障或者氧传感器的部分试验。蹇小平等针对VOLVO B230F电控汽油机, 以研华PCI-1712采集卡和LabVIEW软件为技术支持设计了发动机故障模拟系统, 系统地完成了相关传感器故障的模拟试验[2]; 袁华智等在自行搭建的天然气发动机台架上分析了传感器故障对天然气发动机性能和排放的影响, 并进行了进气压力传感器和氧传感器的故障模拟试验[3], 但仅仅限于传感器信号完全丢失部分的试验, 没有进行传感器信号异常的相关试验; 解梅等以大宇轿车的1.8 L发动机为基础, 搭建了为教学而设计的电控发动机故障模拟试验平台[4], 但只是针对系统集成进行了说明, 并未有相关故障模拟试验; Atkinson等应用神经网络方法构建了氧传感器故障模拟试验系统, 用来分析汽油机和柴油机的燃烧性能、排放检测与故障诊断, 结果表明在稳态工况和瞬态工况下, 氧传感器故障模拟试验系统均能表现出良好的诊断效果[5-6]; Ubong等基于氧传感器的闭环信号提出了一个可以用于估计V形排列发动机左右两侧气缸中空气燃料混合气的模型, 对来自6个气缸变量的平均值采用统计方法进行修正处理后, 并与主流的方法与模型进行比较, 确定了产生系统误差的因素[7-10]; Kubota等分析了不同位置氧传感器的废气成分和废气温度, 提出利用模拟气体的方式来构建不同位置传感器的分析模型[11]; 薛玉荣在汽油发动机正常运转时, 突然切断氧传感器信号, 测取了发动机相应数据, 并做了对比分析[12], 但研究未涉及氧传感器信号丢失部分的试验; 孟鑫等研究了基于OBD系统的氧传感器失效模拟试验, 开发出了氧传感器失效模拟器, 并在ME7电控系统上进行了实车测试[13-14]。
电控CNG发动机与电控汽油发动机一样, 依靠多个传感器反馈发动机的工作状态, 对发动机进行精确控制。氧传感器的反馈信号是发动机闭环控制的主要参考依据, 氧传感器一旦出现故障, 发动机的运行将会受到很大影响。本文以三菱4G15S型电控汽油/CNG两用燃料发动机为研究对象, 以台架试验与排放分析法为基础, 以NI采集卡、前端信号处理电路、信号丢失控制电路与信号异常控制电路等为硬件, 以LabVIEW软件为技术支持设计了电控汽油/CNG两用燃料发动机燃气系统故障模拟系统, 分析了氧传感器故障对发动机燃气状态下的动力性、经济性与各项排放指标的影响。
1. 氧传感器作用
氧传感器的主要作用是检测排气中氧的浓度, 并发出反馈信号, 从而使混合气的空燃比控制在理论值附近。本文试验所涉及的氧传感器是加热型二氧化锆氧传感器, 在传感器内部, 二氧化锆作为电极存在, 在一定温度条件下以电信号的形式输出。当混合气较稀时, 排气中含氧量较多, 传感器两侧浓度小, 只产生较小的电压; 当混合气较浓时, 产生较高的电压。过量空气系数λ=1为氧传感器信号的突变点, λ > 1时, 输出电压几乎为0, λ < 1时, 输出电压接近1 V。
2. 试验台架
本文试验用发动机是三菱4G15S型电控汽油发动机, 参数见表 1。燃油部分电控系统采用DELPHI公司多点顺序喷射技术, 在此基础上加装的燃气控制系统采用意大利OMVEL公司进气管多点顺序喷射技术, 基于两用燃料发动机的特殊性, 燃气系统与燃油系统既相互独立又相互联系[15-16]。试验台架见图 1。
表 1 发动机技术参数Table 1. Technical parameters of engine
基于AVL DiGas五气分析仪, 本文采用不分光红外法测量排气中CO、CO2、CH浓度, 采用电化学方法测量排气中O2、NOx浓度。以上2种方法误差约为1%, 具有实时性测量的优点。过量空气系数为
λ=ω{11.49α(1+Q+R/21+R)+[119.8(1-α)3.5+R]} ω=Ρ1+Ρ2Ρ1+Ρ2+Ρ3 R=Ρ1Ρ2 Q=Ρ3Ρ2
式中: α为燃料中碳的质量百分数; P1、P2、P3分别为发动机排气中CO、CO2、CH的体积分数。
3. 试验系统设计方案
3.1 故障模拟系统
在发动机试验台架的基础上, 加装故障模拟试验台、传感器信号模拟显示系统、燃气系统故障模拟装置以及其他一些辅助仪器[17-18], 故障模拟系统组成见图 2。发动机台架是故障模拟系统的主体部分, 由三菱4G15S型电控汽油/CNG两用燃料发动机、电涡流测功机与相关辅助仪器组成, 实时显示发动机在各种工况下的转矩、转速和功率等参数。发动机电路故障模拟试验台可完成发动机电控系统电路模拟试验, 在模拟电路中, 设置有多个检测信号接口, 以便试验时实时检测信号。传感器信号采集模拟和显示系统是集工控机及LabVIEW软件于一体的平台, 主要用来采集存储各种工况下传感器的波形与模拟各种故障条件下的传感器信号。气路故障模拟装置用于模拟减压器出口压力故障以与进气系统漏气故障。
3.2 信号采集系统
信号采集系统的功能是在信号输入工控机前对其进行滤波、限流、选择等处理。对氧传感器信号的处理主要为低通滤波处理, 电路原理见3, 1~11均为引脚号。
3.3 信号故障系统
氧传感器故障模拟系统的运行流程见图 4。氧传感器信号先由信号采集处理单元处理后, 通过板卡的A/D转换进入工控机。工控机内部的信号模拟显示系统软件处理原先的信号后, 输出模拟信号至发动机燃气ECU[19-20]。
3.3.1 信号丢失设计
氧传感器信号丢失故障控制电路见图 5, 程序原理见图 6。工控机发出控制信号使得继电器长闭触点断开, 此时氧传感器本身的实际信号丢失, 即可进行氧传感器信号丢失故障模拟试验。按照试验的需要, 可模拟全部丢失、间歇性丢失等多种不同工况。
3.3.2 信号异常设计
为了实现氧传感器原始信号与模拟信号的切换, 设计了原机信号/模拟信号切换电路。信号异常控制电路见图 7, 程序原理见图 8。
4. 试验结果分析
4.1 信号丢失试验
4.1.1 信号丢失对怠速工况的影响
发动机暖机之后, 以正常的怠速工况运行, 记录有关参数, 然后切断氧传感器信号, 记录相应参数的变化, 数据见表 2。
表 2 信号丢失对怠速工况的影响Table 2. Influence of signal loss on idle condition状态 转速/(r·min-1) 喷气脉宽/ms 过量空气系数 CO排放/% HC排放/10-6 NOx排放/10-6 正常 780 5.2 1.114 0.26 60 8 丢失 731 4.9 1.212 0.08 146 3 氧传感器信号完全丢失(信号断开)后, 相关参数发生了明显变化: 喷气脉宽变小, 过量空气系数增大, 发动机转速从780 r·min-1下降到731 r·min-1, CO排放降低, HC排放增加, NOx排放降低。氧传感器信号丢失后, 发动机燃气ECU无法得到来自氧传感器的反馈信息, 无法对混合气的浓度进行修正, 发动机进入故障运行模式, 燃气ECU控制燃气供给系统以低于正常的供气量供气, 混合气变稀, 从而导致发动机动力下降, 转速降低。由于较稀的混合气使得汽缸中的氧气相对充足, CO排放降低; 同时, 过稀的混合气导致燃烧速度变慢, 燃烧温度降低, 甚至部分汽缸可能出现失火现象, HC排放增加; 虽然氧气含量较高, 但缸内温度较低, NOx排放降低。
4.1.2 信号丢失对中等负荷工况动力性的影响
通过对比氧传感器信号丢失前后的外特性曲线的变化分析信号丢失对中等负荷工况动力性的影响。氧传感器信号丢失前后, 过量空气系数对比见图 9, 气耗量对比见图 10, 转矩和功率的对比见图 11。
图 9 外特性曲线下的过量空气系数Figure 9. Excess air coefficients under external characteristic curve从图 9~11中可以看出, 当氧传感器信号丢失后, 发动机的转矩和功率均下降, 过量空气系数增大, 气耗量减少。氧传感器信号丢失后, 燃气ECU无法得到来自氧传感器的反馈信号, 无法使混合气的浓度保持在理论混合气范围内。发动机以故障模式运行, 控制方式为开环控制, 即根据转速的高低调节供气量的大小, 混合气较稀, 供气量随转速的升高而增加, 但始终低于正常的供气量。混合气浓度降低直接导致转矩和功率下降, 而且稀混合气使得燃烧温度降低, 燃烧速度变慢, 最高爆发压力降低, 发动机的动力性变差。
4.1.3 信号丢失对中等负荷工况燃料经济性的影响
选择转速为2 500 r·min-1, 节气门开度为25%的负荷特性曲线分析氧传感器信号丢失对发动机中等负荷工况燃料经济性的影响。氧传感信号丢失前后, 过量空气系数对比见图 12, 气耗量对比见图 13, 比气耗对比见图 14。
图 12 负荷特性曲线下的过量空气系数Figure 12. Excess air coefficients under load characteristic curve氧传感器信号丢失后, 过量空气系数增大, 只是在大负荷的时候出现小范围的下降, 但仍较原机略高。气耗与比气耗在中小负荷时下降, 在大负荷时与原机接近。燃气ECU检测不到氧传感器的反馈信号, 燃料供给系统以较小的量向发动机供气, 过量空气系数增大。在中小负荷的时候, 这种比理论混合气稀一些的混合气其浓度更接近经济混合气的浓度, 气耗和比气耗均下降。当负荷增大时, 节气门开度增大, 混合气加浓, 过量空气系数比中小负荷时略降。大负荷时, 在输出同样功率的情况下, 氧传感器信号丢失后发动机的节气门开度必须大于原机的节气门开度, 较大的节气门开度使得发动机获得更多的混合气, 因此, 气耗与比气耗与原机相当。
4.1.4 信号丢失对中等负荷工况排放的影响
选择转速为2 500 r·min-1、节气门开度为25%的负荷特性曲线分析氧传感器信号丢失对发动机排放的影响。氧传感器信号丢失前后, CO排放对比见图 15。氧传感器信号丢失后, CO排放显著降低, 这是因为发动机喷气量减少, 过量空气系数变大, 氧含量相对较高, 燃烧更充分, CO排放降低。
氧传感器信号丢失对HC排放的影响见图 16, 从中可以看出, 氧传感器信号丢失后, 中小负荷时, HC排放明显增加, 大负荷时, HC排放与原机基本相同。这是因为当氧传感器信号丢失后, 混合气变稀, 中小负荷时发动机缸内温度相对较低, 冷态的气缸壁对火焰产生的热与活化基物质起着吸收的作用, 火焰在气缸壁表面产生的激冷与淬熄现象更为明显, HC排放增加。大负荷时, 混合气不再像小负荷时那样稀, 进入气缸的混合气总量较大, 燃烧温度相应提高, 淬熄现象减弱, HC排放与原机相当。
氧传感器信号丢失对NOx排放的影响见图 17, 从中可以看出, 氧传感器信号丢失后, NOx排放下降, 在小负荷时更为明显。当氧传感器信号丢失后, 混合气变稀, 燃烧温度降低, 尤其是小负荷的时候燃烧温度更低。NOx的生成需要高温高压, 稀混合气导致燃烧温度和压力下降, NOx生成受阻, 排放下降。
4.2 信号异常试验
4.2.1 信号异常对怠速工况的影响
在怠速工况下, 分别模拟0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 V的直流电压, 替代原有的氧传感器信号进行故障模拟试验。图 18~21分别为怠速工况下氧传感器信号异常对过量空气系数、CO排放、HC排放、NOx排放的影响。
图 18 怠速工况下信号异常对过量空气系数的影响Figure 18. Influence of signal anomaly on excess air coefficient under idle condition
图 19 怠速工况下信号异常对CO排放的影响Figure 19. Influence of signal anomaly on CO emission under idle condition
图 20 怠速工况下信号异常对HC排放的影响Figure 20. Influence of signal anomaly on HC emission under idle condition
图 21 怠速工况下信号异常对NOx排放的影响Figure 21. Influence of signal anomaly on NOx emission under idle condition当模拟信号电压低于0.5 V时, 过量空气系数从1.0下降到0.9左右, 混合气变浓; 当模拟信号电压高于0.5 V时, 过量空气系数上升到1.8左右, 混合气变稀。当模拟信号电压持续低于0.5 V时, 发动机燃气ECU断定氧传感器输出信号为低电压, 即反应此时混合气过稀, 燃气ECU会对混合气进行一定程度的加浓, 造成实际过量空气系数下降, 混合气变浓; 当信号电压持续大于0.5 V时, 情况恰好相反。
当混合气较浓时, CO排放上升, CO是烃类燃料的燃烧中间产物, 过浓的混合气导致燃烧不完全, 造成了过多的CO排放。当混合气变稀时, 燃烧会比较充分, 混合气处于富氧状态, 可以将CO氧化成CO2, CO排放下降, 并低于正常值。HC的排量变化趋势与CO排量变化趋势一致, 这是因为HC的产生是由于燃烧不完全生成的, 其产生条件与CO比较相近, 但过浓或过稀的混合气都会导致HC排放高于正常值。NOx的排放变化与CO和HC不同, NOx排放始终都低于正常值, 这是因为混合气浓度偏离理论混合气后, 燃烧相对不充分, 燃烧温度降低, 使NOx排量下降, 基本为0。
4.2.2 信号异常对中等负荷工况的影响
当转速为2 500 r·min-1、节气门开度为25%时, 分别模拟0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 V的直流电压, 代替原有的氧传感器信号进行故障模拟试验。图 22~26分别为中等负荷工况下氧传感器信号异常对过量空气系数、转矩、CO排放、HC排放、NOx排放的影响。
图 22 中等负荷工况下信号异常对过量空气系数的影响Figure 22. Influence of signal anomaly on excess air coefficient under medium-load condition
图 23 中等负荷工况下信号异常对转矩的影响Figure 23. Influence of signal anomaly on torque under medium-load condition
图 24 中等负荷工况下信号异常对CO排放的影响Figure 24. Influence of signal anomaly on CO emission under medium-load condition
图 25 中等负荷工况下信号异常对HC排放的影响Figure 25. Influence of signal anomaly on HC emission under medium-load condition
图 26 中等负荷工况下信号异常对NOx排放的影响Figure 26. Influence of signal anomaly on NOx emission under medium-load condition信号异常对过量空气系数的影响基本与怠速时相一致, 均是当模拟信号电压低于0.5 V时, 过量空气系数变小, 混合气变浓; 当信号电压高于0.5 V时, 过量空气系数变大, 混合气变稀。
当模拟信号电压低于0.5 V时, 混合气略浓于理论混合气, 转矩与正常值相比变化不大; 当模拟信号电压大于0.5 V时, 混合气较稀, 转矩下降较大。
信号异常对CO排放的影响基本与怠速时相一致, 当混合气较浓时, CO排放上升; 当混合气变稀时, CO排放下降, 并低于正常值。信号异常对HC排放的影响与怠速时刚好相反。在中等负荷时, 发动机转速较快, 混合气较浓时, 缸内温度较高, HC排放比正常情况略有升高, 但变化不大; 当混合气浓度变稀后, 会引起此时缸内燃料的着火期延长且火焰传播速度下降, 此时的转速较快使得燃烧时间缩短, 存在不完全燃烧现象, HC排放上升。
当模拟信号电压低于0.5 V时, NOx排放低于正常值, 这是因为较浓的混合气使缸内氧含量降低, 不利于NOx的生成; 当模拟信号电压高于0.5 V时, NOx排放基本为0, 这是因为过稀的混合气造成发动机缸内燃烧不完全, 缸内温度下降, 进一步降低了NOx的排放。
5. 结语
本文系统分析了天然气发动机氧传感器故障对发动机性能的影响, 为天然气发动机故障诊断提供了新的手段, 总结的试验现象都是基于试验用发动机的基础上, 发动机种类选取不同度可能引起相关试验数据的变化, 个别之处不一定具有通用性, 应注意剔除发动机的独有特征。受试验条件的影响, 本文只对氧传感器信号丢失和信号异常做出模拟, 但是没有模拟频率改变等现象, 以后可以通过增加相关设备, 如信号发生器等来完善这方面的工作, 从而使研究更加深入。对氧传感器的工作性能与产生故障后的性能影响需作进一步研究。
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图 9 外特性曲线下的过量空气系数
Figure 9. Excess air coefficients under external characteristic curve
图 12 负荷特性曲线下的过量空气系数
Figure 12. Excess air coefficients under load characteristic curve
图 18 怠速工况下信号异常对过量空气系数的影响
Figure 18. Influence of signal anomaly on excess air coefficient under idle condition
图 19 怠速工况下信号异常对CO排放的影响
Figure 19. Influence of signal anomaly on CO emission under idle condition
图 20 怠速工况下信号异常对HC排放的影响
Figure 20. Influence of signal anomaly on HC emission under idle condition
图 21 怠速工况下信号异常对NOx排放的影响
Figure 21. Influence of signal anomaly on NOx emission under idle condition
图 22 中等负荷工况下信号异常对过量空气系数的影响
Figure 22. Influence of signal anomaly on excess air coefficient under medium-load condition
图 23 中等负荷工况下信号异常对转矩的影响
Figure 23. Influence of signal anomaly on torque under medium-load condition
图 24 中等负荷工况下信号异常对CO排放的影响
Figure 24. Influence of signal anomaly on CO emission under medium-load condition
图 25 中等负荷工况下信号异常对HC排放的影响
Figure 25. Influence of signal anomaly on HC emission under medium-load condition
图 26 中等负荷工况下信号异常对NOx排放的影响
Figure 26. Influence of signal anomaly on NOx emission under medium-load condition
表 1 发动机技术参数
Table 1. Technical parameters of engine
表 2 信号丢失对怠速工况的影响
Table 2. Influence of signal loss on idle condition
状态 转速/(r·min-1) 喷气脉宽/ms 过量空气系数 CO排放/% HC排放/10-6 NOx排放/10-6 正常 780 5.2 1.114 0.26 60 8 丢失 731 4.9 1.212 0.08 146 3 
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