基于ETAS系統(tǒng)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(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展以及人們對環(huán)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(jiān)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(fā)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(jié)為對空燃比的精確控制［2］。本文基于ETAS汽車應(yīng)用開發(fā)軟硬件及發(fā)動機實驗臺架系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(shè)計、硬件的選型、數(shù)據(jù)采集和顯示的實現(xiàn)等搭建了氧傳感器綜合性能測試平臺臺架系統(tǒng)，并進行了實驗研究。

1 氧傳感器空燃比控制策略與建模

發(fā)動機主要工作在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況，即穩(wěn)態(tài)部分負荷工況、怠速工況和瞬態(tài)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(fā)動機控制中的各個工況下空燃比控制策略?？刂撇呗圆捎肕AP圖的形式來確定控制量的值，即把事先經(jīng)過優(yōu)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(jù)工況查表即可，此種方式計算時間短，且結(jié)果精確［4］。

圖1 不同轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度下的噴油量二維圖

圖2 不同轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度下的噴油量三維脈譜圖

對于穩(wěn)態(tài)部分負荷工況下空燃比的控制，采用開環(huán)與閉環(huán)控制相結(jié)合，開環(huán)環(huán)節(jié)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(huán)控制，將空燃比限制在理論值附近，閉環(huán)控制算法采用PID控制，如圖3所示。該模塊主要有開環(huán)控制模塊和閉環(huán)修正模塊［6］。開環(huán)控制是由發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣管壓力通過查MAP表來獲得穩(wěn)態(tài)部分負荷時的基本噴油量。

圖3 穩(wěn)態(tài)部分負荷工況控制器模型

對于瞬態(tài)工況下空燃比的控制，采用開環(huán)控制，利用進氣管壓力觀察器理論和動態(tài)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(tài)工況下，由于進氣管動態(tài)油膜效應(yīng)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(tài)工況下的氣體充、排效應(yīng)，導(dǎo)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(shè)計的瞬態(tài)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(tài)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(tài)工況控制器模型

對于怠速工況下空燃比的控制，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性采用閉環(huán)控制，以轉(zhuǎn)速為反饋信號，通過控制怠速閥的開度，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性控制，控制算法采用PID控制;噴油控制采用空燃比閉環(huán)控制，控制模型和穩(wěn)態(tài)部分工況一樣［9］。熱機怠速控制模塊存在空燃比閉環(huán)控制與轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性閉環(huán)控制。空燃比閉環(huán)控制環(huán)節(jié)跟穩(wěn)態(tài)工況空燃比閉環(huán)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(zhuǎn)速穩(wěn)定性閉環(huán)控制環(huán)節(jié)以發(fā)動機轉(zhuǎn)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(tài)工況下的空燃比控制比穩(wěn)態(tài)工況下的空燃比控制要復(fù)雜很多，所以本文根據(jù)建立的空燃比數(shù)學(xué)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(zhuǎn)速、噴油脈寬的階躍變化和節(jié)氣門的開度輸入代入Matlab/Simulink仿真模型中，便可得到相應(yīng)工況下因噴油階躍變化而引起的空燃比的仿真結(jié)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(huán)誤差，所以在0～0.5 s時，仿真得到的空燃比出現(xiàn)了較大的誤差，而在系統(tǒng)運轉(zhuǎn)穩(wěn)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(fā)動機、發(fā)動機分析儀、ETAS ES1000、MotoTune、ETAS ES630 λ 測量模塊、ECU等硬件系統(tǒng)組成［12］，如圖7所示。被測氧傳感器通過ES1000進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，然后將采集信號傳送至計算機，計算機通過INCA軟件實現(xiàn)對氧傳感器數(shù)據(jù)的測量和標定，同時選擇保存一段較為理想的數(shù)據(jù)作進一步分析，然后過CAN總線將數(shù)據(jù)輸入ECU，通過ECU實現(xiàn)對發(fā)動機的反饋控制，從而控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(xiàn)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(shù)據(jù)采集分析儀，如圖8所示。

圖7 測試臺架

圖8 測試臺架結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3.1 氧傳感器的開關(guān)特性試驗

對氧傳感器進行開關(guān)特性測試的目的是考察其在特定溫度下的響應(yīng)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(yīng)性能，并對所得特性曲線進行分析［13］。測試步驟［14］:①調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速及負載獲得穩(wěn)定的尾氣溫度350、800℃;②調(diào)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(tài)和稀薄燃燒狀態(tài)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(tài))的時間都要多于保持在低于120 mV(稀薄燃燒狀態(tài))的時間。從2個不同溫度下的開關(guān)特性曲線比較可以發(fā)現(xiàn)，800℃下的開關(guān)特性曲線與350℃下的開關(guān)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(guān)特性曲線

圖10 800℃時氧傳感器開關(guān)特性曲線

3.2 氧傳感器靜態(tài)特性試驗

對氧傳感器進行靜態(tài)特性測試的目的是獲得它的靜態(tài)特性變化曲線，從而考察其在濃混合氣下是否有高而穩(wěn)定的輸出電壓，在稀混合氣下是否有低而穩(wěn)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(yīng)的快速電壓開關(guān)作用。靜態(tài)特性的測試步驟［15］:①穩(wěn)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(huán)狀態(tài)下，λ調(diào)整為0.95，穩(wěn)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(tài)特性曲線類似于磁力學(xué)中的滯回特性曲線，其中λ減小時的靜態(tài)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(tài)特性曲線構(gòu)成了一個封閉的回路。這是因為濃燃燒狀態(tài)下，尾氣中氧濃度極低，CO等含量較大;但在稀薄燃燒狀態(tài)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(tài)轉(zhuǎn)化為稀薄燃燒狀態(tài)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(yīng)時間，因而在過了λ=1之后容易出現(xiàn)跳變;當從稀薄燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)化為濃燃燒狀態(tài)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(yīng)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(shù)據(jù)與標準參考數(shù)據(jù)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(tài)特性曲線

4 結(jié)語

通過對發(fā)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(fā)方法實現(xiàn)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(shù)據(jù)處理方法對實驗數(shù)據(jù)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(jié)，得出相關(guān)結(jié)論。

［1］陳 昊，趙煒華.電控發(fā)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(fā)動機精確空燃比控制方法的研究［J］.內(nèi)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(fā)動機空燃比控制方法研究［D］.沈陽:東北大學(xué)，2008.

［4］夏 淵，劉建華，張 欣，等.發(fā)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(xué)，2005.

［6］毛 峰.電控汽油機噴油控制策略研究［D］.西安:長安大學(xué)，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(tǒng)，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(tài)工況空燃比模型的研究［D］.長沙:長沙理工大學(xué)，2010.

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

［10］王曉光，潘 明.基于NoisⅡ的車用氧傳感器的測試系統(tǒng)［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(fā)動機臺架測試［J］.開發(fā)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(fā)生產(chǎn)一體化解決方案［R］.2010-01.

［13］魯植雄，謝 劍.汽車傳感器動態(tài)與靜態(tài)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(yè)標準［S］.