基于ETAS系統的車用氧傳感器綜合性能測試

劉振峰， 張 虎， 顧力強

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引言

隨著汽車工業的發展以及人們對環境保護意識的不斷加強，汽車尾氣排放標準要求亦愈來愈嚴格［1］。氧傳感器作為汽車尾氣排放監測的核心部件，其綜合性能的試驗研究也越來越受到廣泛的重視。對發動機尾氣排放的控制，主要是對噴油量的控制，其最終可歸結為對空燃比的精確控制［2］。本文基于ETAS汽車應用開發軟硬件及發動機實驗臺架系統的基礎上對汽車氧傳感器綜合性能的測試方法進行了研究。通過原理設計、硬件的選型、數據采集和顯示的實現等搭建了氧傳感器綜合性能測試平臺臺架系統，并進行了實驗研究。

1 氧傳感器空燃比控制策略與建模

發動機主要工作在穩態和瞬態工況，即穩態部分負荷工況、怠速工況和瞬態工況［3］。通過對各工況下空燃比的控制方式和控制要求的分析，重點研究了發動機控制中的各個工況下空燃比控制策略。控制策略采用MAP圖的形式來確定控制量的值，即把事先經過優化的控制值以二維(見圖1)、三維圖(見圖2)的形式存入EPROM，運行時根據工況查表即可，此種方式計算時間短，且結果精確［4］。

圖1 不同轉速與節氣門開度下的噴油量二維圖

圖2 不同轉速與節氣門開度下的噴油量三維脈譜圖

對于穩態部分負荷工況下空燃比的控制，采用開環與閉環控制相結合，開環環節采用查MAP圖的形式，確定基本噴油量［5］。以EGO信號為反饋信號，實行空燃比閉環控制，將空燃比限制在理論值附近，閉環控制算法采用PID控制，如圖3所示。該模塊主要有開環控制模塊和閉環修正模塊［6］。開環控制是由發動機轉速和進氣管壓力通過查MAP表來獲得穩態部分負荷時的基本噴油量。

圖3 穩態部分負荷工況控制器模型

對于瞬態工況下空燃比的控制，采用開環控制，利用進氣管壓力觀察器理論和動態油膜補償模型，精確計算進氣量和對燃油的補償，使空燃比盡可能接近理論空燃比［7］。在瞬態工況下，由于進氣管動態油膜效應的影響，使得噴油器噴出的燃油不等于實際進入氣缸的燃油;此外，由于瞬態工況下的氣體充、排效應，導致進氣管壓力傳感器測量到的進氣管壓力不準確，若將此測量值作為進氣壓力去查噴油MAP表肯定會造成偏差。為消除此偏差，在所設計的瞬態工況控制模塊中加入了2個修正模塊:進氣管壓力觀察器模塊和動態油膜補償器模塊［8］。如圖4所示，最終燃油量由觀察模塊所得基本量加上油膜補償量得到。

圖4 瞬態工況控制器模型

對于怠速工況下空燃比的控制，轉速穩定性采用閉環控制，以轉速為反饋信號，通過控制怠速閥的開度，來實現轉速的穩定性控制，控制算法采用PID控制;噴油控制采用空燃比閉環控制，控制模型和穩態部分工況一樣［9］。熱機怠速控制模塊存在空燃比閉環控制與轉速穩定性閉環控制。空燃比閉環控制環節跟穩態工況空燃比閉環控制模塊相同，以排氣氧傳感器信號為反饋信號，通過反饋信號修正基本噴油量，達到精確控制空燃比的目的［10］。轉速穩定性閉環控制環節以發動機轉速為反饋信號，通過該反饋信號控制怠速旁通氣道的流通面積，從而達到對進氣量的控制。怠速工況的PID控制模塊如圖5所示。

圖5 怠速工況的PID控制器模型

2 仿真空燃比與實際空燃比的比較

由于瞬態工況下的空燃比控制比穩態工況下的空燃比控制要復雜很多，所以本文根據建立的空燃比數學模型，利用Matlab/Simulink進行仿真研究，然后將實測空燃比曲線與仿真空燃比曲線進行比較［11］。測試過程:將計算好的X和τf及轉速、噴油脈寬的階躍變化和節氣門的開度輸入代入Matlab/Simulink仿真模型中，便可得到相應工況下因噴油階躍變化而引起的空燃比的仿真結果。

由圖6看出，實測與仿真空燃比曲線在上升沿與下降沿都有圓滑的過渡，而且兩者基本一致。由于仿真的起始階段存在積分的滯環誤差，所以在0～0.5 s時，仿真得到的空燃比出現了較大的誤差，而在系統運轉穩定后兩者基本吻合。因此證明所用油膜模型的正確性以及實測空燃比與仿真空燃比的一致性。

圖6 實測空燃比與仿真空燃比曲線

3 氧傳感器綜合性能測試實驗

氧傳感器綜合性能測試臺架主要由發動機、發動機分析儀、ETAS ES1000、MotoTune、ETAS ES630 λ 測量模塊、ECU等硬件系統組成［12］，如圖7所示。被測氧傳感器通過ES1000進行數據采集和監測，然后將采集信號傳送至計算機，計算機通過INCA軟件實現對氧傳感器數據的測量和標定，同時選擇保存一段較為理想的數據作進一步分析，然后過CAN總線將數據輸入ECU，通過ECU實現對發動機的反饋控制，從而控制發動機的轉速和轉矩，達到控制的目的。對于實驗中所要求的不同空燃比測試條件，可以用計算機通過MOTOTUNE軟件進行對噴油時間MAP的控制，從而實現對空燃比的改變。另外做空燃比參考用的博世寬域氧傳感器與ES630連接，將信號傳送給ES1000數據采集分析儀，如圖8所示。

圖7 測試臺架

圖8 測試臺架結構設計圖

3.1 氧傳感器的開關特性試驗

對氧傳感器進行開關特性測試的目的是考察其在特定溫度下的響應性能，即氧傳感器的輸出電壓信號對輸入空燃比信號的響應性能，并對所得特性曲線進行分析［13］。測試步驟［14］:①調整發動機轉速及負載獲得穩定的尾氣溫度350、800℃;②調整空燃比的輸出波形為0.95～1.05的方波，頻率為1 Hz;③記錄氧傳感器的輸出信號，最少16周期波形。

由圖9、10可以看出，當λ值在濃燃燒狀態和稀薄燃燒狀態之間切換時，傳感器輸出電動勢保持在高于800 mV(濃燃燒狀態)的時間都要多于保持在低于120 mV(稀薄燃燒狀態)的時間。從2個不同溫度下的開關特性曲線比較可以發現，800℃下的開關特性曲線與350℃下的開關特性曲線相比，除了波形的峰值有略微的下降外，其他特征基本相似，無明顯變化。

圖9 350℃時氧傳感器開關特性曲線

圖10 800℃時氧傳感器開關特性曲線

3.2 氧傳感器靜態特性試驗

對氧傳感器進行靜態特性測試的目的是獲得它的靜態特性變化曲線，從而考察其在濃混合氣下是否有高而穩定的輸出電壓，在稀混合氣下是否有低而穩定的輸出電壓，在理論空燃比附近是否有一個大的電壓突變，對排氣濃度變化是否作出了相應的快速電壓開關作用。靜態特性的測試步驟［15］:①穩定尾氣溫度在(350±5)℃，氧傳感器加熱器接13.5 V直流電源;②開環狀態下，λ調整為0.95，穩定20 s，開始記錄氧傳感器輸出信號;③λ以0.006步長增加到1.05，記錄每個點的氧傳感器輸出信號;④反方向λ以0.006的步長從1.05 遞減到 0.95。

由圖11看出，被測氧傳感器的靜態特性曲線類似于磁力學中的滯回特性曲線，其中λ減小時的靜態特性曲線在λ=1附近變化更為平緩，所以與λ增大時的靜態特性曲線構成了一個封閉的回路。這是因為濃燃燒狀態下，尾氣中氧濃度極低，CO等含量較大;但在稀薄燃燒狀態下，尾氣中CO等濃度較低，而氧氣含量較大。CO比氧氣更容易吸附在多孔鉑電極表面。當從濃燃燒狀態轉化為稀薄燃燒狀態時，氧氣分子不容易取代CO在多孔鉑電極上的吸附位置，需要更長的響應時間，因而在過了λ=1之后容易出現跳變;當從稀薄燃燒狀態轉化為濃燃燒狀態時，CO很容易取代氧氣分子在多孔鉑電極上的吸附位置，響應時間較短，因而在λ=1附近的變化相對平坦。該氧傳感器綜合性能測試平臺所測量的數據與標準參考數據相符合，表明本研究所建立的氧傳感器測試平臺能滿足氧傳感器性能試驗要求。

圖11 λ增大和減小時氧傳感器的靜態特性曲線

4 結語

通過對發動機各工況下空燃比控制策略的研究，對空燃比控制器進行建模，并用快速原型開發方法實現控制策略。通過搭建測試臺架對氧傳感器的性能進行綜合測試實驗研究，運用數據處理方法對實驗數據進行處理、作圖與分析，研究被測氧傳感器的性能特性，并通過分析與總結，得出相關結論。

［1］陳 昊，趙煒華.電控發動機氧傳感器對排放影響的研究［J］.上海汽車，2007，12(8):24-25.

CHEN Hao，ZHAO Wei-hua.Research on the effect of the oxygen sensor of electronically controlled engine to emissions［J］.Shanghai Auto，2007，12(8):24-25.

［2］孟嗣宗，郭少平，張文海.發動機精確空燃比控制方法的研究［J］.內燃機工程，1999(2):19-20.

MENG Si-zong，GUO Shao-ping，ZHANG Wen-hai.Research on accurate air-fuel ratio control strategy of SI engines［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，1999(2):19-20.

［3］黃 建.基于MATLAB的汽油發動機空燃比控制方法研究［D］.沈陽:東北大學，2008.

［4］夏 淵，劉建華，張 欣，等.發動機空燃比控制策略的研究［J］，汽車工程，2002，24(1):33-34.

XIA Yuan，LIU Jian-hua，ZHANG Xin，et al.A study on the control strategies for engine air-fuel ratio［J］.Automative Engineering，2002，24(1):33-34.

［5］鄒 華.電控汽油機控制策略分析與研究［D］.武漢:武漢理工大學，2005.

［6］毛 峰.電控汽油機噴油控制策略研究［D］.西安:長安大學，2007.

［7］周志賓，王季峰，辛明華.汽車氧傳感器輸出電壓特性研究［J］.傳感器與微系統，2007，26(5):30-32.

ZHOU Zhi-bin，WANG Ji-Feng，XIN Ming-Hua.Research on voltage characteristics of automobile oxygen sensor［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2007，26(5):30-32.

［8］劉省波.汽油機瞬態工況空燃比模型的研究［D］.長沙:長沙理工大學，2010.

［9］郭宏志.汽油發動機怠速工況下控制方法的研究［D］.長春:吉林大學，2009.

［10］王曉光，潘 明.基于NoisⅡ的車用氧傳感器的測試系統［J］.微計算機信息，2009，25(4):273-275.

WANG Xiao-guang，PAN Ming.Detecting the system of automative oxygen sensor based on Nois Ⅱ［J］.Microcomputer Information，2009，25(4):273-275.

［11］羅志安，肖建中，夏 風，等.氧化鋯氧傳感器的發動機臺架測試［J］.開發與研究，2005(1):22-23.

LUO Zhi-an，XIAO Jian-zhong，XIA Feng，et al.Test of zirconia sensor based on the test bench［J］.Research ＆ Development，2005(1):22-23.

［12］意昂神州(北京)科技有限公司.D2P ECU研發生產一體化解決方案［R］.2010-01.

［13］魯植雄，謝 劍.汽車傳感器動態與靜態測試［M］.北京:人民交通出版社，2006:8-41.

［14］Szafranski G，Czyba R.Fast prototyping of three-phase BLDC motor controller designed on the basis of dynamic contraction method［C］//IEEE 10th International Workshop on Variable Structure Systems.IEEE，2008:100-105.

［15］QCT/803.1—2008，中華人民共和國汽車行業標準［S］.