空燃比測控裝置

摘 要：針對當前CNG發動機燃料無法充分燃燒而造成的能源浪費和大氣污染問題。設計了一種基于寬域氧傳感器的空燃比測控裝置，該裝置以STM32F103ZET6為控制核心，使用Bosch公司最新的LSU 4.9寬域氧傳感器檢測尾氣，氧氣傳感器的溫度控制采用PID閉環控制調節，實現對空燃比進行實時監控。以液晶電阻觸摸屏為人機交互界面，完成氧氣傳感器加熱控制、溫度監測、空燃比、氧氣含量和空燃比曲線顯示功能。結果表明，本系統可完成數據采集、調理、存儲、傳輸和處理整套功能，靈敏度高，反應時間段，采集數據直觀顯示，便于操作。

關鍵詞：寬域氧傳感器；CNG發動機；空燃比

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-01

今年來我國的經濟得到了飛速的發展，但是伴隨而來的能源消耗和污染問題接踵而至，尤其是大氣污染問題，霧霾在我國的大部分地區頻繁出現，給人們的健康和出行帶來了嚴重的影響。而造成大氣污染的重要原因之一就是發動機的尾氣排放。本課題針對發動機不充分燃燒問題，研究CNG發動機空燃比控制策略和控制技術，開發了一種空燃比測控裝置，實現CNG發動機最佳空燃比閉環控制，保證CNG發動機安全高效運行，有效的減少了燃油量和排氣量，實現了能源的高效利用，在很大程度上減少尾氣污染問題。

該測試系統主要由：氧氣傳感器、氧氣傳感器調理電路、溫度采集電路、嵌入式顯示模塊、電源模塊以及配套計算機軟件和電纜組成。

一、系統整體框圖

圖1

二、主控制器

系統采用STM32F103ZET6為控制核心，含有兩個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，擁有12kB Flash，64KB RAM，32位RISC性能處理器，72 MHz運行頻率，16Mbit SPI串行Flash，豐富的外設接口，能夠快速準確的對空燃比和氧傳感器的溫度進行實時監測控制。

三、寬域氧氣傳感器工作原理

在一定條件下（780℃和鉑催化），利用氧化鋯內外兩側的氧濃度差，產生電位差，且濃度差越大，電位差越大。在高溫及鉑的催化下，帶負電的氧離子吸附在氧化鋯套管的內外表面上。由于大氣中的氧氣比廢氣中的氧氣多，套管上與大氣相通一側比廢氣一側吸附更多的負離子，兩側離子的濃度差產生電動勢。當套管廢氣一側的氧濃度低時，在電極之間產生一個高電壓（0.6～1V），這個電壓信號被送到ECU放大處理，ECU把高電壓信號看作濃混合氣，而把低電壓信號看作稀混合氣。

四、寬域氧傳感器的調理電路工作原理

1.采集傳感器氧傳感膜片的反饋電壓值VS，并與參考電壓值（450mv）進行比較，從而反應發動機缸內混合氣的狀態。

2.VS電壓與參考電壓差值經過運算放大電路產生泵電流控制信號IP，再經過PID調節輸出理想的泵電流控制信號IP，經傳輸到傳感器，調節流經泵氧膜片排氣中的氧氣含量與理想的氧氣含量相同。

3.采集泵電流通過某一特定的電阻產生的電壓，將此電壓經過兩級放大電路形成0-5V之間變化的波形，將此波形傳輸到控制芯片并顯示，從而觀測氧傳感器中排氣中氧氣的含量。

4.傳感器的溫度的實時監測，通過溫度自動控制修正測量過程中由于溫度變化帶來的影響。

寬域氧傳感器的泵電流的大小和方向反應了尾氣的濃稀程度，傳感器再將IP轉換成電壓Vout輸出。同樣通過改變IP的大小和方向就可以實現控制擴散室中尾氣的濃度。寬域氧傳感器的控制環路將泵電流IP信號通過內部調理電路轉換成線性電壓Vout，此電壓的變化從0～5V連續變化，主控芯片接到寬域氧傳感器的反饋的電壓信號后將信號電壓與基準電壓比較，判定尾氣的濃度后對加以控制。

五、溫度采集電路

由于氧傳感膜片的內阻阻值隨溫度變化而變化，所以可通過監測膜片的內阻值，實現對溫度的監控，由CJ125的UR引腳輸出。再通過ADC采集引腳UR電壓信號，以此信號為加熱控制的依據，通過PWM控制驅動加熱電路，實現對加熱電路的控制。

六、嵌入式顯示模塊

系統采用3.2電阻屏為人機交互界面，通過觸屏控制可完成氧氣傳感器加熱控制、溫度監測、空燃比、氧氣含量和空燃比曲線顯示等功能。

七、電源

工作電壓9-15V（典型電壓12V），可直接經電源適配器連接汽車電源。

八、結束語

隨著社會的發展，人們的生活水平不斷提高，私家車的數量在與日俱增，大氣污染的也隨之加重。空燃比測控的研究有效的解決了燃料不充分燃燒造成的能源浪費和尾氣污染問，緩解了大氣污染問題?？杖急葴y控不僅可以應用于汽車發動機中，還可以應用于各種和燃料燃燒有關的方面，例如：飛機引擎的空燃比測定、加熱爐熱平衡的空燃比優化控制等?？杖急葴y控實現了能源的高效利用，最大程度上減少了廢氣的排放。

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[作者簡介]李兆鑫（1992.10-），男，河北石家莊人，本科在讀，研究方向：自動化；指導老師：楊朝。