一種寬域氧傳感器控制器的研發

李 游

(無錫職業技術學院，江蘇 無錫 214121)

近年來隨著稀薄燃燒技術在發動機領域中的廣泛應用，普通的開關型氧傳感器已不能滿足空燃比閉環控制的要求，取而代之的是控制精度更高的線性輸出寬域氧傳感器。寬域氧傳感器能夠提供可燃混合氣不同混合狀態的準確空燃比反饋信號給發動機電子控制單元ECU，而不像普通氧傳感器那樣只能反映可燃混合氣是稀或濃兩種混合狀態。寬域氧傳感器是一種氧化鋯型寬域空燃比傳感器，由一個能檢測出化學計量比的氧傳感器和檢測臨界電流的氧泵組成，即在普通開關型氧傳感器的基礎上加上一個氧泵組成。這種傳感器在稀燃發動機混合氣空燃比控制上起著極其重要的作用。寬域氧傳感器的出現可以說在一定程度上彌補了開關型氧傳器無法實現的功能，實現了混合氣空燃比的量化控制。寬域氧傳感器屬于可控制的傳感器，它在工作過程中的電流和溫度等信號需要進行控制，故寬域氧傳感器的使用需配備相應的電子控制單元。有的控制單元是集成在發動機電子控制單元ECU中的，也有的控制單元是獨立存在的。本課題的主要任務就是設計一個獨立的寬域氧傳感器控制單元。

目前，寬域氧傳感器系統主要匹配德國Bosch公司和日本NTK公司的寬域氧傳感器產品。德國Bosch公司在汽車零部件領域具備很強的開發能力，它的寬域氧傳感器產品是6線式的；在研究的過程中，我們主要對Bosch LSU 4(O 258 007 057)寬域氧傳感器的組成結構進行了深入的研究。LSU 4寬域氧傳感器包括3個組成部分：工作單元總成、線束和連接器，其中工作單元總成包括：尾氣擴散通道、泵氧膜片、氧傳感膜片、基準氧氣室 和加熱元件。加熱元件的作用是：一方面，在冷機狀態下使寬域氧傳感器在短時間內(達到正常工作時所需的溫度；另一方面，始終保持寬域氧傳感器在正常工作溫度750℃時可靠穩定地工作。寬域氧傳感器加熱元件的功率為10W，20℃時阻值為3.2Ω，而在-40℃時阻值為2.1Ω。如果不使用加熱元件對寬域氧傳感器進行加熱，而是靠發動機的排氣熱量對傳感器進行加熱，寬域氧傳感器也能夠工作，只是響應速度略慢一些。泵氧膜片是氧化鋯材科的。當電流通過泵氧膜片時，就有氧分子順著與電流相反的方向由膜片一側移向另一側。利用這一特點就可以在氧泵上施加不同方向的電流，使氧氣泵入或抽出檢測室，而使檢測室內被測氣體的含氧量始終保持在與空燃比λ=l時的排氣含氧量相等的水平。氧傳感膜片也是氧化锫材料的，氧傳感膜片的作用就在于它能以其輸出電壓提供一個被測氣體含氧量λ=l時的排氣含氧量是否相等的判。氧傳感膜片一側的基準氧氣室中裝的是空氣，另一側是發動機尾氣。當發動機工作時，氧傳感膜片兩側的氧濃度差即造成輸出電壓。寬域氧傳感器的泵電流就反映了尾氣的濃度，傳感器控制器將泵電流轉換成輸出電壓。通過改變泵電流的極性(電流流動方向)與大小就可以達到平衡擴散室里的尾氣含氧量，如何將這個變化的泵電流再去控制發動機ECU對噴油器噴油時間的調整，是至關重要的。

1 寬域氧傳感器硬件設計

在寬域氧傳感器接口控制單元的研究發面，主要研究了寬域氧傳感器接口控制單元的組成，寬域氧傳感器接口控制單元硬件設計，寬域氧傳感器接口控制單元軟件設計。寬域氧傳感器接口控制單元包括以下五個部分：電源電路，微控制器，寬域氧傳感器接口電路集成模塊，液晶顯示模塊，串行通訊接口。電源電路：首先開關型可調式電壓調節模塊電路用于將24V轉化為14V；其次消耗型電壓調節模塊電路用于將14V轉化為5V。微控制器：其主要負責AD數據采集、液晶顯示模塊控制、串口通訊以及寬域氧傳感器的加熱元件控制和故障診斷等。寬域氧傳感器接口電路集成模塊：其主要用于寬域氧傳感器泵電流Ip的控制和泵電壓信號的放大。液晶顯示模塊：其用于實時顯示發動機缸內混合氣的空燃比數值。串行通訊接口：其用于寬域氧傳感器接口控制單元與發動機電子控制單元(ECU)之間進行通訊。寬域氧傳感器接口控制單元硬件設計包括寬域氧傳感器接口控制單元微處理器，寬域氧傳感器接口電路集成模塊，寬域氧傳感器接口控制單元液晶顯示模塊和寬域氧傳感器接口控制單元電源電路與通訊電路。微處理器采用freescale公司生產的MC9S08AW32CFDE 8位高性能微控制器，44引腳LQFP封裝，4MHz的外部石英晶振。MC9S08AW32CFDE其主要特性有：（1）8 位 HCS08 中央處理器(CPU)；（2）20MHz內部總線頻率；（3）具有模塊保護與安全選項功能的32KB片上在線可編程FLASH 存儲器，單線背景調試模式(BDM)；（4）2KB 片上 RAM；（5）時鐘源選項包括：晶體、諧振器、外部時鐘或內部生成的具有高精度NVM調整的時鐘；（6）系統保護；（7）功率節省模式等待及兩種停止模式；（8）44 引腳 LQFP 封裝。

2 控制器軟件的設計

軟件具體設計內容如下：（1）文本顯示區域首地址0x0000、文本顯示區域寬度32字節；（2）圖形顯示區域首地址0x0800、圖形顯示區域寬度32字節；（3）使用內部CGROM，邏輯或合成的顯示方式。(4)開啟文本和圖形顯示方式，允許光標顯示和閃爍的顯示開關設置。最后，我們對寬域氧傳感器接口控制單元試驗驗證，為了驗證寬域氧傳感器接口控制單元所采集的信號是否能夠準確地反映不同工況下缸內混合氣的空燃比，從而將控制單元連同寬域氧傳感器接在臺架試驗發動機上，對控制單元進行試驗驗證。系統試驗總體方案如下：將Bosch LSU 4(O 258 007 057)寬域氧傳感器連接到發動機捧氣管上，然后連接寬域氧傳感器與控制單元，嚴格按照氧傳感器連接器上標示的信號代碼進行連接，接著在已安裝的氧傳感器附近安裝寬域氧傳感器及空燃比分析儀，之后通過發動機測控系統調解臺架試驗發動機混合氣空燃比，讀取標定用空燃比分析儀LA4顯示的空燃比讀數，與此同時測量寬域氧傳感器接口控制單元混合氣空燃比線形輸出電壓，最后調解臺架試驗發動機混合氣空燃比分別穩定在 0.8、0.9、1.0、1.1和1.2點處，然后再分別讀取寬域氧傳感器接口控制單元混合氣空燃比線性輸出電壓值，最后通過線性擬合的方法實現寬域氧傳感器接口控制單元實時數據顯示。

總結，本文首先完成了資料的收集及整體部分的規劃，組織開發及相關零部件的選型、購買，之后對寬域氧傳感器、微控制器和寬域氧傳感器接口電路集成模塊進行了深入的研究；其次在理論基礎上，設計了寬域氧傳感器控制單元硬件電路。通過對電路的仿真和電路板的檢測，驗證了硬件電路的可靠性。隨后進行控制系統軟件程序設計，完成了對寬域氧傳感的信號采集和液晶顯示。最后在發動機試驗臺架上對寬域氧傳感器接口控制單元進行系統試驗，試驗結果表明本控制單元能夠采集寬域氧傳感器的反饋信號并且可以進行實時數據顯示，該控制系統是可行的。

［1］陳曄，王振鎖.加熱與非加熱型氧傳感器在摩托車電噴系統中應用的對比分析[J].上海交通大學學報，2007，41(12).

［2］姜耀華，顧明.基于寬域氧傳感器的發動機空燃比測試系統設計[J].農業工程學報，2009，25(12).

［3］劉俊剛，李靜波.一種實現組合燃燒模式閉環控制的寬域氧傳感器控制器[J].車用發動機，2012，6(3).

［4］孫偉，唐嵐.寬域氧傳感器接口控制單元開發[J].西華大學學報，2007，26(4).

［5］曹紅兵，齊飛林.ZrO2氧傳感器在汽車排放控制系統種的應用研究[J].汽車電器，2008，4.

［6］劉崇耀，劉華.寬帶氧傳感器原理及檢測[J].汽車維修與保養，2013，4.

［7］趙青,常愛民.汽車用氧傳感器介紹與研究進展[J].儀表技術與傳感器,2002,6(12).

［8］關順賢.詳解汽車寬帶型氧傳感器[J].遼寧科技學院學報，2005，7(3).