三元催化器的氧存储能力检测方法和检测装置技术领域
本发明涉及一种三元催化器的氧存储能力检测方法和检测装置。
背景技术
随着对环境保护要求的不断提高，发动机的排量日益减小、效率逐
渐增高，同时，对于车辆上任何可能导致车辆排放物超标的零部件的失
效，都要求车载系统(OBD)有效地报告问题。特别是当作为车辆排放
物催化转化设备的三元催化器效率低下时，车载故障检测系统必须报告
故障。
目前，车载检测系统对三元催化器的检测方法包括：在怠速工况下，
对发动机进行燃油的偏稀/偏浓控制；测量前后氧传感器的反应时间差，
根据这个时间差对三元催化器的效率进行判断，具体方法如下步骤：
(1)催化器饱和吸氧。在该阶段，发动机空燃比偏稀，排放尾气中
氧气过剩，多元氧气被催化器吸收，使催化器在这个阶段充分吸收氧气，
处于一个可知的状态。
(2)氧存储能力测量。在该阶段，发动机空燃比偏浓，排放尾气中
氧气不足，多余的不充分燃烧物将消耗催化器储存的氧气，从消耗完催
化器内储存的氧气所需的多余燃油推算催化器的氧存储能力。
上述方法基于以下原理：
OSC(gramsO2)T＝MAF(t)×ABS(FR-1)×(MO2/Mair)×t_OSC0 (1)
其中：
OSC(grams O2)T为催化器的氧存储能力
MAF(t)为发动机的进气流量，怠速工况下该值稳定；
FR为测量工况时的真实当量空燃比(当量空燃比＝空燃比/14.7)，是常
量；
MO2/Mair为空气中氧气所占百分比，为常量；
t_OSC0为测量过程中前后氧的反应时间差；
MAF(t)×ABS(FR-1)×(MO2/Mair)为测量过程中消耗的催化器内的氧
气量。其中，ABS()是进行绝对值计算的函数。
由于进气量、空燃比、空气中氧气所占比例都是常量，因此催化器
的氧存储能力就与前后氧传感器的反应时间差t_OSC0成正比。
为了追求好的燃油经济性，在发动机向小排量发展的过程中，发动
机怠速工况下的进气量MAF(t)越来越小。在这种工况下，由于发动机进
气量小，利用上述方法对三元催化器的效率进行检测，会产生以下不利
后果：
一、由于进气量MAF(t)小，对于同一催化器，由于氧存储能力
OSC(grams O2)T一样，在测量过程中的当量空燃比不变的情况下，会
导致检测时间t_OSC0变长，从而影响检测速度。
二、由于进气量MAF(t)小，进气量的测量精度差，小进气量情况下
进气量测量误差可达10％，导致测量结果OSC(grams O2)T散差变大，
使得测量结果精度变差。
三、在小进气量条件下进行空燃比的偏稀/偏浓控制，使发动机缸内
燃烧变差，导致发动机稳定性变差，转速波动过大，使得发动机有熄火
的风险。
因此有必要设计一种新型检测方法，以克服现有技术的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种检测速度更快、测
量精度更高的检测方法。
本发明的氧存储能力检测方法包括：a.在车辆运行时，使催化器饱
和吸氧；b.当催化器饱和吸氧后，从前氧反应时刻开始，以预定采样周
期获取特定时刻的发动机进气流量；c.利用所获取的发动机进气流量，
根据下式，计算每一个采样时刻的催化器储氧量：
MAF ( t x ) × ABS ( FR - 1 ) × ( MO 2 / Mair ) × ∂ t , ]]>其中：
MAF(t)是发动机进气流量，该变量随时间变化；FR是当量空燃比，
该值为常量；MO2/Mair是空气中氧气所占百分比，为常量；是采样周
期，tx为采样时刻，ABS是进行绝对值运算的函数；
d.对根据步骤c中计算得到的，从前氧反应时刻开始、至后氧反应
时刻结束的催化器储氧量进行累加，其中，前氧反应时刻是前氧传感器
信号的电压上升穿越第一预定值的时刻；后氧反应时刻是后氧传感器信
号的电压上升穿越第二预定值的时刻。
优选地，所述当量空燃比为14.7。
优选地，所述第一预定值是450毫伏。
优选地，所述第二预定值是450毫伏。
本发明提供的氧存储能力检测装置包括：进气量采样单元、乘法器、
累加器，其中，所述进气量采样单元用于获得在预定时刻发动机的进气
流量；所述乘法器用于将以下物理量相乘：MAF(tx)、ABS(FR-1)、
MO2/Mair、其中，MAF(t)是发动机进气流量，该变量随时间变化；
FR是当量空燃比，该值为常量；MO2/Mair是空气中氧气所占百分比，
为常量；是采样周期，tx为采样时刻，ABS是进行绝对值运算的函数。
所述累加器用于对乘法器计算得到的，从前氧反应时刻开始、至后氧反
应时刻结束的催化器储氧量进行累加，其中，前氧反应时刻是前氧传感
器信号的电压上升穿越第一预定值的时刻；后氧反应时刻是后氧传感器
信号的电压上升穿越第二预定值的时刻。
优选地，所述当量空燃比为14.7。
优选地，所述第一预定值是450毫伏。
优选地，所述第二预定值是450毫伏。
本发明的技术方案改变了检测试验时的工作条件，将现有技术中的
在怠速条件下的检测改变为在车辆行驶途中进行检测。另外，本发明的
技术方案改变了检测测量的对象，检测对象从时间变为具体的催化器储
氧量，使得测量更加准确。
相对于现有技术，本发明在对发动机进行检测时，可以避免在怠速
的小进气量条件下进行空燃比的偏置控制试验，而且避免了对发动机运
行控制稳定性进行干扰，消除了发动机转速波动风险。
在运行过程中，发动机进气量MAF(tx)更大，在催化器氧存储能力
OSC(grams O2)T不变的条件下，检测时间变短，提高了检测的成功率，
使催化器检测更容易完成，保证了催化器检测的试验条件与次数。
由于进气量MAF(tx)大，MAF(tx)的测量误差变小，因此实际空燃比
控制更稳定，减小了测量计算误差波动范围，提高了催化器氧储存量的
测量精度，可以更好地保证催化器检测结果的可靠性。
附图说明
图1是本发明一种实施方式中的三元催化器的氧存储能力检测方法
的流程图；
图2是本发明一种实施方式中的三元催化器的氧存储能力检测装置
的结构示意图。
具体实施方式
本发明一种具体实施方式中用于三元催化器的氧存储能力检测方法
包括以下步骤：
在步骤201，在车辆运行时，使催化器饱和吸氧。催化器在这个阶段
充分吸收氧气，处于一个可知的状态。在车辆运行过程中，发动机进气
量MAF(tx)大，因此进气量的测量更加精确，使得最终氧存储能力的测量
也更加精确，根据本实施方式中的试验，氧存储能力的测量误差小于5％。
本发明的氧存储能力检测方法是基于以下原理实现的：
OSC ( gramsO 2 ) T = ∫ t 0 t 1 MAF ( t ) * ABS ( FR - 1 ) * ( MO 2 / Mair ) ]]>
其中，OSC(grams O2)T是催化器的氧存储能力；MAF(t)是发动机
的进气流量，车辆行驶时该量是变化的，为变量；FR是当量空燃比，为
常量；MO2/Mair是空气中氧气所占百分比，为常量；t0是前氧反应时刻，
即：前氧传感器信号从低电压上升到高电压，穿越450毫伏的时刻；t1
是后氧反应时刻，即：后氧传感器信号从低电压上升到高电压，穿越450
毫伏的时刻；
的物理含义是测量过程中消耗
的催化器内的氧气量，积分从前氧反应时刻t0开始，到后氧反应时刻t1
结束。
因此，在步骤202，当催化器饱和吸氧后，从前氧反应时刻开始，以
预定采样周期获取特定时刻的发动机进气流量。通过计算机技术，保证
对进气量的快速取样，从而实现所述积分计算。在本发明的一个实施例
中，采样周期为10ms，即每10ms取样一次。
在步骤203，利用所获取的发动机进气流量，根据下式，计算每一个
采样时刻的催化器储氧量：
MAF ( tx ) × ABS ( FR - 1 ) × ( MO 2 / Mair ) × ∂ t - - - ( a ) ]]>
其中：MAF(t)是发动机进气流量，tx为采样时刻，该变量随时间变
化；FR是当量空燃比，该值为常量；MO2/Mair是空气中氧气所占百分
比，为常量；是采样周期，ABS()是进行绝对值运算的函数。
在步骤203中，从前氧反应时刻t0开始，每10ms对发动机进气流
量MAF(tx)采样一次，然后进行上述式(a)的运算。当采样时间超过后
氧反应时刻t1时，采样和计算停止。
在步骤204，对根据步骤203中算式计算得到的从前氧反应时刻开
始、至后氧反应时刻结束的催化器储氧量进行累加。将前氧反应时刻至
后氧反应时刻期间的所有累加，
因为10毫秒取样一次，所以(t1-t0)秒内有100×(t1-t0)个采样点，因
此，累加结果是：
Σ 1 100 ( t 1 - t 0 ) MAF ( tx ) / 100 * ( FR - 1 ) * ( MO 2 / Mair ) ]]>
即：
OSC ( gramsO 2 ) T = ∫ t 0 t 1 MAF ( t ) * ABS ( FR - 1 ) * ( MO 2 / Mair ) ]]>
= Σ 1 100 ( t 1 - t 0 ) MAF ( tx ) / 100 * ( FR - 1 ) * ( MO 2 / Mair ) ]]>
累加的结果就是前氧反应时刻到后氧反应时刻之间的催化器氧存
储量。
其中，前氧反应时刻是前氧传感器信号的电压上升穿越第一预定值
的时刻；后氧反应时刻是后氧传感器信号的电压上升穿越第二预定值的
时刻。
本发明对检测工况和测量内容作了改进，结合发动机电子控制器
ECU、前后氧传感器以及电喷系统的各个元件，通过软件设计，实现了
一种新的催化器氧存储能力检测方法。
本发明在车辆行驶过程中，对车辆发动机空燃比进行偏稀/偏浓的主
动插入控制，改变检测试验的测量工况。同样，由于是在行驶过程中进
行插入试验，发动机的进气量不再稳定，这时，不能简单的测量检测试
验时前后氧传感器的反应时间差来判断催化器的效率。而是采用了对催
化器真实储氧能力的测量作为测量对象，进行检测。
相应地，本发明还提供了一种用于三元催化器的氧存储能力检测装
置300，如图2所示，在一种实施方式中，所述氧存储能力检测装置300
包括：进气量采样单元301、乘法器302、累加器303。
所述进气量采样单元301用于获得在预定时刻发动机的进气流量。
进气量采样单元301可以由流量传感器和相应的计算机软件模块和硬件
控制单元实现。
所述乘法器302用于进行乘法运算，在本发明中，用于将MAF(tx)、
ABS(FR-1)、MO2/Mair、相乘。其中，MAF(t)是发动机进气流量，该
变量随时间变化；FR是当量空燃比，该值为常量；MO2/Mair是空气中
氧气所占百分比，为常量；是采样周期，tx为采样时刻，ABS是进行
绝对值运算的函数。
所述累加器303用于对乘法器计算得到的，从前氧反应时刻开始、
至后氧反应时刻结束的催化器储氧量进行累加，其中，前氧反应时刻是
前氧传感器信号的电压上升穿越第一预定值的时刻；后氧反应时刻是后
氧传感器信号的电压上升穿越第二预定值的时刻。优选地，所述当量空
燃比为14.7；所述第一预定值是450毫伏；所述第二预定值是450毫伏。
本领域技术人员可以理解，所述乘法器302、累加器303均可以由软
件模块或电子电路实现。
虽然本发明公开了上述实施例，但具体实施例并不是用来限定本发
明的，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以作
出一些修改和润饰，因此本发明的保护范围应当以所附的权利要求书界
定的范围为准。