电控汽油／CNG两用燃料发动机氧传感器故障模拟试验

李阳阳，袁华智，蹇小平

（1.长安大学汽车学院，陕西西安 710064；2.陕西省交通新能源开发应用与汽车节能重点实验室，陕西西安 710064；3.长安大学杂志社，陕西西安 710064）

为应对全球能源危机、环境的恶化以及温室气 体效应，新能源汽车正成为国际汽车界研发的热点［1］。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［2］。压缩天然气（compressed natural gas，CNG）汽车的推广应用和发展速度非常快，但CNG 汽车使用和维修人员对CNG 汽车的原理、结构特点等比较生疏，CNG 发动机一旦发生故障，不仅影响性能，而且诊断比较困难。

近年来，中国许多专家学者做了一系列相关研究［3］。在汽油机的故障诊断模拟方面，长安大学蹇小平等针对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故障试验台，系统地完成了相关传感器故障的模拟试验［4］；南京林业大学的解梅等以大宇轿车用王子1.8L发动机为基础，搭建了因教学而设计的电控发动机故障模拟试验台［5］，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；在氧传感器的试验方面，薛玉荣在汽油发动机正常运转时，突然切断氧传感器信号，测取此时发动机相应数据，并做了对比分析，但研究未涉及氧传感器信号丢失部分的试验［6］；孟鑫等研究了基于OBD 系统的氧传感器失效模拟及试验，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，但并未进行氧传感器的故障模拟试验［7］；王宏伟基于捷达王轿车AHP发动机分析了氧传感器的结构原理与故障，但并未用试验加以验证［8］；王赟松介绍了氧传感器基本工作原理和检测方法，提出了用氧传感器波形诊断带有三元催化反应器的发动机故障的方法［9］；另有研究人员在自行搭建的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，进行了进气压力传感器和氧传感器的故障模拟试验，但相关试验仅仅限于传感器信号丢失部分，没有进行传感器信号异常的相关试验［10－12］。

以上研究大多是单独针对电控汽油机的故障模拟或者是氧传感器的部分试验，目前，涉及天然气发动机氧传感器的故障模拟试验则相对较少；所出现的发动机故障试验台基本都只涉及到普通电控汽油机，对天然气发动机进行故障模拟的基本没有。电控天然气发动机与普通电喷发动机一样，依靠多个传感器反馈发动机的工作状态，并依次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，因此，开展汽油／CNG 两用燃料发动机氧传感器故障模拟试验，对于使用和维修人员了解天然气发动机故障机理，提高对天然气发动机故障诊断和维修水平都具有重要的意义。

本模拟试验是在自行开发的汽油／CNG 发动机故障模拟试验台上完成的［9－11］。试验用发动机为三菱汽油／CNG 发动机，燃气系统采用意大利OMVEL电控燃气系统，传感器为加热型二氧化锆氧传感器。试验所用的仪器设备主要有：CW100型电涡流测功机；AVL 4000型五气分析仪；4165型点火提前角仪。

1 试验系统设计

电控汽油／CNG 两用燃料发动机故障模拟试验系统是在汽油／CNG 两用燃料发动机试验台架的基础上，配以发动机电控系统电路故障模拟试验台、传感器信号模拟显示系统、燃气系统故障模拟装置以及排放分析仪等组成的一个综合试验系统，其组成如图1所示。

图1 电控汽油／CNG 两用燃料发动机故障模拟试验系统Fig.1 Fault simulation system for electronically controlled gasoline／CNG flexible－fuel engine

1.1 氧传感器结构及工作原理

氧传感器安装在发动机排气管中，用以检测排气中氧的浓度，并向ECU 发出反馈信号，再由ECU控制喷油器喷油量的增减，从而使混合气的空燃比控制在理论值附近。因此，在使用三元催化转换器发动机上，氧传感器是必不可少的元件。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO，HC和NOx的净化能力将急剧下降。

本实验所涉及的氧传感器是加热型二氧化锆氧传感器，二氧化锆在传感器内部以电极形式存在。被测气体（排气）与参比气（大气）中的氧浓度有差异时，在350℃的温度条件下，会使二氧化锆产生电势差，并以电信号的形式输出。当混合气浓度低时，排气中所含氧量多，两侧浓度小，只产生小的电压；反之，当混合气浓度高时，产生高电压。通过试验可知，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；而在λ＜1时，输出电压接近1V。

1.2 氧传感器信号丢失故障系统设计

图2 汽油／CNG 两用燃料发动机故障模拟试验台Fig.2 Test－bed for simulation tests on the oxygen sensor failures of gasoline／CNG flexiblefuel engine

本试验首先对氧传感器信号丢失故障进行了模拟。分别对怠速及中等负荷工况的氧传感器信号丢失故障进行了模拟，所涉及设备为汽油／CNG 两用燃料发动机故障模拟试验台，其外观如图2所示，其上含有氧传感器、转速传感器等十余个传感器的信号通断开关，通过操作相应开关，即可模拟传感器的通断故障。

1.3 氧传感器信号异常故障系统设计

本试验对氧传感器在发动机怠速及中等负荷工况（节气门开度为25%、转速为2 000r／min）的信号失真故障进行了模拟。信号失真试验通过本课题组所设计的故障模拟系统实现。故障模拟系统的运行流程原理如图3所示：传感器信号先通过信号采集处理单元选择及处理后，通过板卡的A／D 转换进入工控机，经工控机内部的信号模拟显示系统软件处理后，输出模拟信号至发动机ECU。

图3 故障模拟系统运行流程Fig.3 Workflow of fault simulation system

1.3.1 信号采集处理控制单元

故障模拟系统的信号采集处理控制单元外观如图4所示。其功能为在信号输入工控机前对其进行滤波、限流、选择等处理。其中对氧传感器信号的处理主要为低通滤波处理，其中设计的低通滤波电路如图5所示。

图4 信号采集处理控制单元Fig.4 Unit for collecting，processing and controlling signals

图5 低频信号处理电路Fig.5 Low frequency signal processing circuit

1.3.2 数据采集卡

传感器的信号经过滤波处理之后，要通过数据采集卡进行采集处理才能进入工控机内进行进一步的模拟和处理。因此数据采集卡是整个系统的核心部件，它的传输速度、功能将直接影响到故障模拟控制的质量。本试验中的数据采集卡选用的是美国NI公司的PCI－6251DAQ（数据采集）卡以及PCI－6132多功能高速率DAQ 卡。

其中氧传感器的信号会先经过NI PCI－6251的数字I／O 线进入工控机内部处理；工控机对传感器的模拟信号输出时也是依靠此采集卡完成。PCI－6132在此系统中主要完成对曲轴位置传感器信号、凸轮轴位置传感器以及爆震传感器信号的采集。

1.3.3 信号采集显示系统

信号采集显示系统为LabVIEW 编写的软件平台。LabVIEW 是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C 和BASIC 开发环境，但是产生的程序是框图形式的。由G 语言编写的程序包括前面板和数据流框图程序2个主要组成部分。

1）前面板

前面板也就是用户界面，与真实的物理仪器（如示波器、万用表等）面板相似。前面板可以包括旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或者鼠标获取数据显示结果。图6是所设计的本系统的前面板。

图6 故障模拟控制程序前面板Fig.6 Front panel of fault simulation program

2）数据流框图程序

本系统中对氧传感器信号进行模拟处理的数据流框图如图7所示。

图7 氧传感器信号模拟流框图Fig.7 Block diagram of oxygen sensor signal simulation

程序首先根据采集程序中采集到的信号特征，将其输入到一个功能类似函数信号发生器的程序中，则此程序输出符合条件的信号，在此基础上，可以对其进行频率、振幅以及偏置设定，从而完成对信号的幅值增减以及频率变化（仅针对氧传感器信号）。由于此信号为工控机根据波形参数产生的，因此波形会发生变化，但不影响模拟。

1.4 五气分析仪使用原理

本实验对发动机排放测定选用的为AVL Di－Gas 4000Light五气分析仪。

五气分析仪对CO，CO2和HC 采用不分光红外法（NDIR，non－dispersive infrared analyzer）进行测量，O2，NOx均采用电化学方法（CLD，chemiluminescent detector）测量。

空燃比λ则是根据尾气中的CO2，CO，HC 和O2的体积分数由燃料组成计算而得。其公式为

式中：

α为燃料中碳的质量分数，pCO2，pCO，pHC，pO2分别为尾气中各成分的体积分数。这种方法的误差约为3%，且具有实时性测量的优点，因此在各种试验测量中应用广泛。

2 试验结果分析

2.1 信号丢失对怠速的影响

发动机暖机之后，以正常的怠速工况运行，记录有关参数，然后利用控制面板上的开关切断传感器信号，记录相应参数的变化，测得数据见表1。

表1 氧传感器信号丢失对怠速的影响Tab.1 Effect of oxygen sensor signal lost on idling

试验表明，氧传感器信号丢失后，相关参数发生了明显变化：喷气脉宽变小，λ增大，发动机转速从780r／min下降到731r／min，CO 排放降低，HC 排放增加，NOx排放降低。产生以上变化的原因是：断开氧传感器信号，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，发动机进入故障模式运行，ECU 控制燃气供给系统以低于正常的供气量向发动机供气。导致燃气供给系统在故障模式下以低浓度混合气进行燃料供给的原因如下：燃气ECU 实质上时燃油ECU 的“翻译器”，其喷气信号由喷油信号计算得来［13］；当氧传感器信号丢失后，原机燃油ECU 会进入开环控制模式，即喷油脉宽＝基准脉宽＋矫正值；由于每台发动机的传感器特性、喷油器特性不尽相同，标定出的开环控制参数还会有一定的误差，所以会造成此时混合气的λ值与理论值有所偏差［14］，燃气ECU 对这个有偏差的值进行了翻译，也造成了混合气浓度与理论浓度的一定偏离。经过试验，原机断开氧传感器信号后，随即测试了几个工况点后发现，原机开环控制的混合气浓度确实偏低，λ值大约在1.1左右。另外由于天然气属于气体燃料，润滑性能比汽油等液态燃料要差，对喷射器的针阀偶件造成磨损较大，长期使用后会造成供气量增大［15］，因此燃气ECU在翻译燃油脉宽时，会有意略微减小燃气基准脉宽，这样可以延长喷射器的使用时间，有助于降低成本。

综上所述，信号丢失会导致混合气浓度降低，从而导致发动机动力下降，转速降低；由于混合气浓度较低，使得汽缸中的氧气相对充足，CO 排放降低；同时，浓度过低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，因此HC排放明显增加；虽然氧气含量较高，但缸内温度较低，NOx排放降低。

2.2 信号丢失对中等负荷工况的影响

1）信号丢失对发动机动力性的影响

通过对比原机和信号丢失情况下，节气门开度为32%的部分速度特性来分析对发动机动力性的影响。氧传感器信号丢失前后速度特性的过量空气系数λ的对比如图8所示，气耗量对比如图9所示，转矩和功率的对比如图10所示。

图8 信号丢失对λ的影响Fig.8 Effect of signal lost onλ

图9 信号丢失对气耗的影响Fig.9 Effect of signal lost on NG consumption

图10 信号丢失对转矩和功率的影响Fig.10 Effect of signal lost on torque and power

从图8～图10中可以看出：氧传感器信号丢失后发动机的转矩和功率均下降，λ增大，气耗量减少。氧传感器信号丢失后燃气ECU 无法得到反馈信号，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，混合气浓度较低，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，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，而且低浓度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。

2）信号丢失对发动机燃料经济性的影响

通过对比原机和信号丢失情况下n＝2 500r／min的负荷特性来分析氧传感器信号丢失对发动机燃料经济性的影响。氧传感器信号丢失前后过量空气系数的对比如图11所示，气耗及比气耗的对比如图12、图13所示。

图11 信号丢失对λ的影响Fig.11 Effect of signal lost onλ

图12 信号丢失对气耗的影响Fig.12 Effect of signal lost on NG consumption

图13 信号丢失对比气耗的影响Fig.13 Effect of signal lost on specific NG comsumption

试验表明：氧传感器信号丢失后过量空气系数λ一直高于原机，只是在大负荷的时候出现一定的下降，但仍较原机略高。气耗及比气耗在小负荷时明显低于原机，在大负荷的时候与原机接近。信号丢失后，ECU 检测不到氧传感器信号，控制燃料供给系统以较小的量向发动机供气，过量空气系数高于原机。在中小负荷的时候，这种比理论混合气浓度低一些的混合气其浓度更接近经济混合气的浓度，因此气耗和比气耗均低于原机。当负荷增加的时候，节气门开度增大，触发满负荷信号，ECU 可使混合气浓度增加，所以过量空气系数比中小负荷时略有下降。大负荷时，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，大的节气门开度使得发动机获得更多的混合气。因此，虽然混合气浓度低于原机，氧传感器信号丢失后发动机在大负荷时的气耗及比气耗与原机相当。

3）信号丢失对发动机排放的影响

通过对比原机和信号丢失情况下n＝2 500r／min的负荷特性氧传感器信号丢失前后发动机排气中的CO，HC 以及NOx的浓度变化分析信号丢失对发动机排放的影响。

CO 排放对比如图14所示。可以看出，氧传感器信号丢失后，CO 的排放显著降低，这是因为CO的生成主要是由于燃料的不完全燃烧，氧传感器信号丢失后，发动机喷气量减少，过量空气系数变大，氧气含量相对较高，燃烧更充分，CO 的排放降低。

图14 信号丢失对CO 排放的影响Fig.14 Effect of signal lost on CO emission

氧传感器信号丢失前后HC 排放对比如图15所示。可以看出，氧传感器信号丢失后，中小负荷时，HC的排放量明显增加，大负荷时，HC的排放量与原机基本相同。这是因为当氧传感器信号丢失后，混合气浓度降低，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 排放量增加。大负荷时，混合气浓度不再像小负荷时那样低，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排放量与原机相当。

图15 信号丢失对HC排放的影响Fig.15 Effect of signal lost on HC emission

氧传感器信号丢失前后NOx排放对比如图16所示。可以看出，氧传感器信号丢失后NOx的排放量低于原机，在小负荷时这一变化更为明显。产生这种现象的原因是，信号丢失后，混合气浓度降低，燃烧温度比较低，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，低浓度的混合气导致燃烧温度和压力下降，因此NOx的生成受阻，排放下降。

图16 信号丢失对NOx 排放的影响Fig.16 Effect of signal lost on NOxemission

2.3 信号失真对怠速的影响

怠速时通过故障模拟系统模拟出0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8V 的直流电压信号，将其替代氧传感器的原机信号输入至发动机ECU中，并对发动机相关参数进行测量。

图17为怠速工况下信号异常对λ的影响。从图17中可以看出，信号对λ的影响基本分为两种情况。当模拟信号电压低于0.5V 时，λ会从1下降到0.9左右，即混合气浓度增加；当模拟信号电压高于0.5V 时，λ会从1上升到1.8左右，即混合气浓度降低。这是因为信号电压持续低于0.5V 时，发动机ECU 会将其断定为氧传感器输出信号为低电压，即反映此时混合气浓度过低，ECU 会在一定程度上增加混合气的浓度，最终造成了实际λ下降，混合气浓度增加；当信号电压持续高于0.5V 时，情况恰好相反。

图18～图20分别为怠速工况下信号异常对发动机排放CO，HC，NOx的影响。其对应混合气λ的变化而变化，也呈两极趋势。当混合气浓度较高时，此时排放中CO 量相对应于正常情况的排量上升，这是由于CO 是烃类燃料的燃烧中间产物，浓度过高的混合气导致燃烧不完全，造成了过多的CO排放；当混合气浓度降低时，燃烧会比较充分，并且混合气中含氧量较大，可以将CO 氧化成CO2，使CO 排放量下降，并低于正常值。HC 的排放量变化趋势与CO 排放量变化趋势一致，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。值得注意的是，浓度过高或过低的混合气都会导致HC 的排放量高于正常值。NOx的排放变化与CO 和HC 不同，当混合气浓度过高或过低时，NOx的排量都低于正常值，这是因为混合气浓度偏离理论混合气后，燃烧相对不充分，燃烧温度低，使排量下降，基本为0。

图17 信号异常对λ的影响Fig.17 Effect of signal distortion onλ

图18 信号异常对CO 排放的影响Fig.18 Effect of signal distortion on CO emission

图19 信号异常对HC排放的影响Fig.19 Effect of signal distortion on HC emission

图20 信号异常对NOx 排放的影响Fig.20 Effect of signal distortion on NOxemission

2.4 氧传感器信号失真对中等负荷工况的影响

选择25%的节气门开度和2 000r／min 的转速，通过故障模拟系统模拟氧传感器的输出信号，分别 选 择0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8V 的直流电压信号来取代传感器的原机信号进行故障模拟。试验数据如图21～图25所示。

图21 信号异常对λ的影响Fig.21 Effect of signal distortion onλ

图22 信号异常对转矩的影响Fig.22 Effect of signal distortion on torque

图23 信号异常对CO 排放的影响Fig.23 Effect of signal distortion on CO emission

图24 信号异常对HC排放的影响Fig.24 Effect of signal distortion on HC emission

图25 信号异常对NOx 排放的影响Fig.25 Effect of signal distortion on NOxemission

从图21中可以看出，中等负荷工况下，信号异常对λ的影响基本与怠速时相一致，均是当信号电压低于0.5V 时，λ变小，混合气浓度增加；当信号电压高于0.5V 时，λ变大，混合气浓度降低。此时发动机输出转矩变化如图22所示，可以看出，当信号电压低于0.5V时，由于此时混合气浓度略高于理论混合气，此时转矩与正常值相比变化不大；当信号电压高于0.5V 时，此时混合气浓度较低，转矩下降较大。发动机排气中的CO 随信号改变而发生的变化如图23所示，其变化情况与怠速工况下的变化基本一致。发动机排气中的HC受信号异常的影响情况如图24所示，其变化趋势与怠速时刚好相反，这是因为中等负荷时，发动机转速较快，缸内温度较高，浓度略高的混合气燃烧较为完全，因此此时排放的HC量相比正常情况略有升高，但变化不大；但当混合气浓度降低后，会引起此时缸内燃料的着火期延长且火焰传播速度下降，又因为此时的转速较快，使得燃烧冲程时间缩短，此时会有大量燃料未完全燃烧便被排出，造成HC 的排放量上升。NOx的排放随信号电压改变而变化的曲线如图25所示，当信号电压低于0.5 V 时，NOx的排放量低于正常值3 300×10－6，约为800×10－6，这是因为浓度较高的混合气使缸内氧含量降低，不利于NOx的生成；当信号电压高于0.5V时，NOx的排放量基本为0，与正常情况相比有更大程度地下降，这是因为浓度过低的混合气造成发动机缸内燃烧不完全，缸内温度下降，进一步减少了NOx的排放。

3 结 论

1）氧传感器信号丢失后，怠速时燃气供给量减少，转速下降，HC排放放增加，CO 和NOx排放放降低；32%节气门开度速度特性下混合气浓度降低，转矩和功率下降；2 500r／min负荷特性下气耗和比气耗下降，CO和NOx排放量减少，HC排放量增加。

2）氧传感器信号失真后，怠速时如果信号电压低于0.5V，喷气量增加，混合气浓度增加，转速下降，CO，HC 排放量增加，NOx排放量为0；如果信号电压高于0.5V，喷气量减少，混合气浓度降低，转速下降，CO 排放量下降，HC 排放量增加，NOx排放量为0。25%节气门开度，2 000r／min的转速下如果信号电压低于0.5V，喷气量增加，混合气浓度增加，转矩与原机相差不大，CO，HC 排放量增加，NOx排放量降低；如果电压高于0.5V，喷气量减少，混合气浓度降低，转矩下降明显，CO，NOx排放量降低，HC排放量增加。

3）由于试验条件限制，本文仅对怠速和中等负荷时氧传感器的故障进行模拟，对于大负荷时的故障模拟试验，可作为下一步工作的方向。

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