CN106837569A - 一种车用宽域氧传感器老化监控系统及故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种车用宽域氧传感器老化监控系统及故障诊断方法。利用发动机及其传感器执行器、ECU控制器、宽域氧传感器智能驱动芯片等部件，对宽域氧传感器进行老化监控。ECU控制器负责对宽域氧传感器老化故障进行检测和判断，利用强制振荡，比较从宽域氧传感器实际采集的λ信号和λ参考信号，计算两者最小斜率比，根据斜率比判断宽域氧传感器是否存在老化故障。此系统能够准确地检测出宽域氧传感器的老化故障，且对于安装有宽域氧传感器的车辆均适用。

Description

一种车用宽域氧传感器老化监控系统及故障诊断方法

技术领域

属于车载诊断系统技术领域。

背景技术

氧传感器用在排放控制系统中以维持发动机的空燃比为理论空燃比。氧传感器测量发动机排放中的氧含量，并参照大气中氧浓度确定排气中的氧浓度。如果排气中的氧浓度与大气中的氧浓度存在差别时，氧传感器将会产生一个信号输出。

传统氧传感器的不足之处是只能感知混合气是浓还是稀，无法分辨混合气浓或稀的程度。当空燃比在理论空燃比附近波动时，氧传感器电压会高低跳变。在低排放应用领域，宽域氧传感器(UEGO)传感器由于成本价格大幅降低而得到了广泛应用，宽域氧传感器和传统氧传感器的浓稀跳变特性不同，宽域氧传感器不但能检测出排气的氧浓度的高低，同时也能够正确检测出实际的空燃比，从而可以通过λ闭环控制进一步降低排放。

经过一段时间的使用，宽域氧传感器可能会因为被重复加热和冷却或者氧传感器中的碳被燃料添加剂氧化而导致宽域氧传感器输出响应迟滞的现象，这是氧传感器老化的表现。

宽域氧传感器通常安装在催化器上游，在世界各国车载诊断系统(OBD)相关的法规中，催化器上游氧传感器的老化检测内容无一例外的被列为强制要求，属于OBD法规规定要检测的部件。

传统两点式氧传感器输出信号在λ闭环控制作用下通常呈现出浓稀动态变化特性，利用这个特性可以诊断出其输出信号是否发生响应迟滞老化。与两点式氧传感器不同的是，宽域氧传感器由于可以精确输出空燃比信号，所以不会呈现出浓稀动态变化特性，这给宽域氧传感器的老化诊断带来了困难。

发明内容

本发明针对宽域氧传感器老化诊断的困难，提供了一种宽域氧传感器老化监控系统，主要包括ECU控制器、宽域氧传感器智能驱动芯片和宽域氧传感器；

宽域氧传感器用于向ECU提供当前排气管中空气的氧浓度信号。

宽域氧传感器智能驱动芯片负责宽域氧传感器的空气的氧浓度信号采集处理，转换为过量空气系数λ，并且负责宽域氧传感器的加热，以使氧传感器尽快进入正常工作温度。

ECU控制器根据当前宽域氧传感器采集值，通过控制进气量、喷油量、喷油和点火时刻对发动机汽缸内空燃比和λ进行调节。

车用宽域氧传感器老化故障诊断方法：

前提条件：要求宽域氧传感器不存在短路断路等电气类故障，负荷、转速变化不大(+/-5％范围内)，系统λ闭环控制介入前提下才能进行宽域氧传感器的老化诊断，否则诊断结果不可信。

1)当ECU控制器正在对发动机进行λ闭环控制，且要求发动机负荷和转速变化量在±5％范围内时，在宽域氧传感器的期望λ的基础上，通过ECU控制器控制进气阀和喷油器，使宽域氧传感器的λ采集值信号波动中叠加一个方波，对期望λ进行强制振荡，从宽域氧传感器采集的λ信号会围绕恒定的期望值进行振荡；

2)ECU控制器根据λ闭环喷油修正乘法因子反推λ参考模型值，λ参考模型值由λ闭环喷油修正乘法因子经过一个二阶延时和低通滤波得到，λ闭环喷油修正乘法因子是从宽域氧传感器采集的λ值与λ期望的理论值的偏差，该因子为λ闭环控制输出，可直接采集获得；

3)ECU控制器比较从宽域氧传感器实际采集的λ值和λ参考模型值，分别计算两者在强制振荡上升沿处的最大斜率和下降沿处的最小斜率，并且分别相除两者的最大斜率和最小斜率，从中取最小值作为实际采集的λ值和λ参考模型值斜率最小比值；

4)ECU控制器判断：如果这个比值小于老化限值，则说明宽域氧传感器响应迟滞，存在老化故障；否则宽域氧传感器工作状态正常，不存在老化故障。

本发明的有益效果：

本发明克服了宽域氧传感器不会呈现出浓稀动态变化特性，而给宽域氧传感器的老化诊断带来的困难，实现了宽域氧传感器的老化监控及诊断。

附图说明

图1宽域氧传感器老化监控系统示意图；

图2发动机混合气浓稀控制方法中λ闭环喷油修正乘法因子和λ采集值的关系，虚线为从宽域氧传感器采集的λ值，实线为λ闭环喷油修正乘法因子；

图3宽域氧传感器老化故障诊断的算法；

图4λ强制振荡情况下的λ采集信号和模型信号。粗实线为λ强制振荡设定值，细实线为λ模型输出信号，虚线为λ采集信号。

具体实施方式

下面以实施例的形式对本发明技术方案做进一步解释和说明。

宽域氧传感器老化监控系统如附图1所示，

主要包括ECU控制器、宽域氧传感器智能驱动芯片和宽域氧传感器；

其中，宽域氧传感器用于向ECU提供当前排气管中空气浓稀信号，通常使用过量空气系数λ进行表征；

宽域氧传感器智能驱动芯片负责宽域氧传感器的λ信号采集处理和宽域氧传感器的加热，加热可以使氧传感器尽快进入正常工作温度，不同类型宽域氧传感器的正常工作温度有差异，通常在400℃以上，技术人员可根据实际所使用的宽域氧传感器调整加热温度。

ECU控制器根据当前宽域氧传感器采集值，通过控制进气量、喷油量、喷油和点火时刻对发动机汽缸内空燃比和λ进行调节，并根据宽域氧传感器智能驱动芯片完成监控数据的处理。

此外，进气温度压力传感器用于向ECU控制器提供当前进气温度和压力，节气门通过ECU控制器控制进气量。

喷油器通过ECU控制器发出喷射油量和喷油时刻命令。

火花塞通过ECU控制器发出发动机气缸内油气混合气点燃时刻命令；进排气阀则用于控制进排气时刻。

车用宽域氧传感器老化故障诊断方法：

前提条件：要求宽域氧传感器不存在短路断路等电气类故障，负荷、转速变化不大(+/-5％范围内)，系统λ闭环控制介入前提下才能进行宽域氧传感器的老化诊断，否则诊断结果不可信。

1)当ECU控制器正在对发动机进行λ闭环控制，且发动机负荷和转速的变化量在±5％范围内时，在宽域氧传感器的期望λ的基础上，通过ECU控制器控制进气阀和喷油器，使宽域氧传感器的λ采集值信号波动中叠加一个方波，对期望λ进行强制振荡，从宽域氧传感器采集的λ信号会围绕恒定的期望值进行振荡；

本实施例中催化器类型为三元催化转化装置，要求期望的λ＝1，以保护三元催化装置，此时对废气的综合转化效率为最高，因此期望的＝1，其他催化器则根据自身特性，即最高转化效率确定期望的λ。

方波的幅值由空气流量决定，空气流量越大，则方波幅值越大，方波幅值为固定值(参考值0.03)，周期则可以选择固定值(参考值1s)。

2)ECU控制器根据λ闭环喷油修正乘法因子反推λ参考模型值，λ参考模型值由λ闭环喷油修正乘法因子经过一个二阶延时环节和低通滤波得到，λ闭环喷油修正乘法因子是从宽域氧传感器采集的λ与期望λ的理论值的偏差。

图2所示为计算λ闭环喷油修正乘法因子和实际λ值的关系。二阶延时环节的时间常数和发动机的负荷、转速和温度有关，不同发动机特性导致的延时也不同。延时主要考虑的是废气在排气管中流动到氧传感器采集点所需要的时间和氧传感器自身响应的延时。

其中二阶延时环节的时间常数应当根据不同发动机稳态工况(包括负荷和转速)时的阶跃响应加以确定，时间常数的确定过程分三步实现，具体步骤如下：首先在不同发动机负荷和转速以及同样的发动机温度下调整λ期望值，其幅值和叠加的振荡方波幅值一致，观察二阶延时环节响应，通过调整二阶延时环节时间常数输入，和实际λ进行比较，如果延时期间的二阶环节λ输出值低于阶跃幅值20％，则认为可以接受，并以当前设置的二阶延时环节的时间常数作为当前发动机负荷、转速和温度下的二阶延时基础量；第二步，在同样的温度下，重复上述工作，在其他发动机转速、负荷下获取对应工况的二阶延时基础量，并做成三维图表，其中z轴为二阶延时基础量，发动机负荷、转速分别为x轴和y轴(负荷坐标可以采用0,25,35,45,55,65,75,80，单位：％；转速坐标可以采用800,1000,1400,2000,3000,4000,5000，单位：转/分)；第三步，确定发动机温度影响的乘法修正因子，其趋势为温度越高，修正因子越小，做成二维图表，其中x轴为温度值，y轴为乘法修正因子(温度参考值为0.0,18.0,36.0,54.0,72.0,90.0，对应的修正因子参考值为1,1,1,0.99,0.99,0.97)。最后根据实际工况经过查表获得二阶延时基础量并经过乘法修正因子修正后即可得到最终的二阶延时环节的时间常数。

低通滤波主要用于排除氧传感器信号的瞬时异常波动，时间常数(推荐值：50ms)的设定主要依据氧传感器信号异常波动持续时间，以把异常波动排除且不影响正常信号采集为宜。

3)ECU控制器比较从宽域氧传感器实际采集的λ值和λ参考模型值，分别计算两者在强制振荡上升沿处的最大斜率和下降沿处的最小斜率，并且分别相除两者的最大斜率和最小斜率，从中取最小值作为实际采集的λ值和λ参考模型值斜率最小比值；

如图4所示，在λ强制振荡情况下，λ采集信号和λ模型信号呈现出振荡的特性，但是λ模型信号作为参照比较恒定，斜率也固定；无故障的宽域氧传感器采集的λ信号和λ模型信号应当一致，然而随着传感器的老化，采集的λ输出信号响应迟滞，斜率也会发生变化，逐渐偏离参考值，由此可将其作为传感器老化的判断依据。

4)ECU控制器判断：如果这个比值小于老化限值，则说明宽域氧传感器响应迟滞，存在老化故障；否则宽域氧传感器工作状态正常，不存在老化故障。

Claims (6)

1.一种宽域氧传感器老化监控系统，其特征在于，该系统主要包括ECU控制器、宽域氧传感器智能驱动芯片和宽域氧传感器；

宽域氧传感器用于向ECU提供当前排气管中空气的氧浓度信号；

宽域氧传感器智能驱动芯片负责宽域氧传感器的空气的氧浓度信号采集处理，转换为过量空气系数λ，并且负责宽域氧传感器的加热，以使氧传感器尽快进入正常工作温度；

ECU控制器根据当前宽域氧传感器采集值，通过控制进气量、喷油量、喷油和点火时刻对发动机汽缸内空燃比和λ进行调节。

2.一种车用宽域氧传感器老化故障诊断方法，具体步骤如下：

前提条件：要求宽域氧传感器不存在短路断路等电气类故障，负荷、转速变化在+/-5％范围内，系统λ闭环控制介入前提下才能进行宽域氧传感器的老化诊断，否则诊断结果不可信。

1)当ECU控制器正在对发动机进行λ闭环控制，且要求发动机负荷和转速变化量在±5％范围内时，在宽域氧传感器的期望λ的基础上，通过ECU控制器控制进气阀和喷油器，使宽域氧传感器的λ采集值信号波动中叠加一个方波，对期望λ进行强制振荡，从宽域氧传感器采集的λ信号会围绕恒定的期望值进行振荡；

2)ECU控制器根据λ闭环喷油修正乘法因子反推λ参考模型值，λ参考模型值由λ闭环喷油修正乘法因子经过一个二阶延时环节和低通滤波得到，λ闭环喷油修正乘法因子是从宽域氧传感器采集的λ值与λ期望的理论值的偏差，该因子为λ闭环控制输出，可直接采集获得；

3)ECU控制器比较从宽域氧传感器实际采集的λ值和λ参考模型值，分别计算两者在强制振荡上升沿处的最大斜率和下降沿处的最小斜率，并且分别相除两者的最大斜率和最小斜率，从中取最小值作为实际采集的λ值和λ参考模型值斜率最小比值；

4)ECU控制器判断：如果这个比值小于老化限值，则说明宽域氧传感器响应迟滞，存在老化故障；否则宽域氧传感器工作状态正常，不存在老化故障。

3.根据权利要求2所述的车用宽域氧传感器老化故障诊断方法，其特征在于，步骤1)中所述期望λ根据催化器自身特性，以最高转化效率的λ为期望λ。

4.根据权利要求2所述的车用宽域氧传感器老化故障诊断方法，其特征在于，步骤1)中方波幅值为0.03，周期为1s。

5.根据权利要求2所述的车用宽域氧传感器老化故障诊断方法，其特征在于，步骤2)中二阶延时环节的时间常数的确定具体步骤如下：

第一步，在不同发动机负荷和转速以及同样的发动机温度下调整λ期望值，其幅值和叠加的振荡方波幅值一致，观察二阶延时环节响应，通过调整二阶延时环节时间常数输入，和实际λ进行比较，如果延时期间的二阶环节λ输出值低于阶跃幅值20％，则认为可以接受，并以当前设置的二阶延时环节的时间常数作为当前发动机负荷、转速和温度下的二阶延时基础量；

第二步，在同样的温度下，重复上述工作，在其他发动机转速、负荷下获取对应工况的二阶延时基础量，并做成三维图表，其中z轴为二阶延时基础量，发动机负荷、转速分别为x轴和y轴；

第三步，确定发动机温度影响的乘法修正因子，其趋势为温度越高，修正因子越小，做成二维图表，其中x轴为温度值，y轴为乘法修正因子；

最后根据实际发动机负荷、转速经过查表获得二阶延时基础量并经过乘法修正因子修正后即可得到最终的二阶延时环节的时间常数。

6.根据根据权利要求5所述的车用宽域氧传感器老化故障诊断方法，其特征在于，第三步中二维图表中，当温度分别为0.0,18.0,36.0,54.0,72.0,90.0时，所对应的修正因子值分别为1,1,1,0.99,0.99,0.97。