氧传感器测试台架设计研究

刘运潇

（上海交通大学汽车电子控制技术国家工程实验室 上海200240，

顾梦妍

（上海工程技术大学 上海201620）

1 氧传感器试验研究的现状、意义

汽车工业的飞速发展带来的排放污染是如今广泛关注的问题，逐渐严格的排放法规对汽车发动机运行的空燃比精确控制提出了较高的要求。车用氧传感器是汽车发动机电喷系统的关键部件，电喷系统利用氧传感器提供的信号反馈至ECU，ECU采用相应的控制策略使发动机的空燃比保持在理想空燃比附近，从而达到燃油喷射闭环控制的效果。

氧传感器的研发过程需要对样件反复进行的发动机台架测试，包括性能测试、耐盐雾、耐水浸以及寿命试验等。因此需要搭建一个高性能、可靠性高的测试系统来满足氧传感器研发过程中的各项测试需要。国外氧传感器生产厂商如BOSCH、DELPHI等自身都有完善的测试系统，将氧传感器搭配配套的电喷系统，加上专业的的数据采集与标定的硬件和软件来进行检测，测试系统成熟，性能较好。国内氧传感器企业大多数依托于专门的测试机构或高校来进行测试，测试台架，发动机电喷系统以及采集标定等软硬件有时存在不能很好匹配的问题，测试精度和可靠性不能保证。

因此，本文提出一种氧传感器性能测试的台架方案。在实验室现有的发动机台架及其控制系统基础上，结合ETAS的采集硬件和软件，又采用BOSCH的LSU宽域氧传感器作为空燃比基准，构建了一个基于空燃比控制的氧传感器测试系统。

2 试验台架方案分析

总体的测试方案可以大致分为基础台架部分，信号采集系统以及参数标定系统。

基础试验台架中采用的发动机为某直列四缸发动机，联接南峰机电CW系列电涡流测功机，基础台架的控制采用配套的南峰机电控制柜，台架的打火启动，发动机传感器信号的监视以及各种工况的调节均通过台架的测控系统来操控。测试中的氧传感器装在排气管上，三元催化剂前。试验时除了一个作为基准的宽域氧传感器，可以对排气管道进行改装以安装多个被测氧传感器同时被测，提高测试效率，但是必须消除安装位置不同导致信号差异的原因。试验中使用13.5V的直流电源为被测件加热。

信号采集部分中氧传感器的电压信号通过串口连接氧传感器的信号线，利用ETAS公司的ES1000中的A/D模块接收转换，然后连接到PC中，上位机采用ETAS提供的INCA软件对数据进行实时监控，并能对数据进行多格式的存储。作为基准的空燃比信号，通过宽域氧传感器与空燃比分析仪ES630连接进行高精度的lambda值显示，信号通过ES1000也转接到PC中INCA的显示界面中，方便数据对比以及存储。

在性能测试过程中，本方案采用意昂科技的128pins的可标定ECU，并使用配套的motohawk模块化工具进行D2P快速原型的方法编写发动机的控制策略。上位机通过mototune标定软件与ECU利用USBCAN卡通过CAN网络通信，可以实现程序烧写下载以及参数标定功能。

总体的台架试验方案架构如图1，测试中所有连接的信号线均需采用屏蔽线，防止信号相互干扰。

3 试验控制系统设计

控制系统主要要达到目标除了实现基本的发动机控制功能，要还能实现对各工况下发动机空燃比的精确控制。

稳态空燃比控制结合开环控制与闭环控制。开环部分根据发动机转速与进气歧管压力，通过查询喷油MAP来确定基本喷油量，以及根据台架传感器信号的空气温度、冷却水温和电池电压信号等通过特定的补偿曲线计算喷油补偿量，除此之外还有人工标定的窗口；闭环控制部分是根据氧传感器信号通过PID控制转化为对喷油量的修正量，将空燃比限制在理论空燃比附近。

图1 氧传感器测试台架总体方案Fig.1 The everall framwork of testing bench for oxygen sensor

瞬态空燃比的控制由于进气管充排气现象和压力传感器的响应滞后、油膜动态特性影响以及闭环控制速度的落后等因素存在一定的偏差，本文采用开环控制，建立进气管压力观察器理论和动态油膜补偿模型，一方面提高空气流量速率的测量精度，另一方面根据特定的动态油膜模型计算对燃油的补偿，使空燃比尽可能接近理论空燃比。

怠速工况下转速稳定性采用闭环控制，以转速为反馈信号，通过控制怠速阀的进气量，来实现转速的稳定性控制，控制算法采用PID控制；喷油控制采用空燃比闭环控制，控制模型和稳态部分工况一样。

基本的控制策略中需要工况判断模块，从而将各工况的控制模块有机的结合起来。工况判断模块主要根据发动机转速、节气门开度和变化速率来决定当时所属工况的。工况判断逻辑如下：

若 节气门开度＝0 和转速n≤900r/min

然后 起动工况；

图2 稳态部分负荷工况控制器模型Fig.2 Steady part load state controller model

图3 瞬态工况控制模块Fig.3 Transient state control module

若 节气门开度＝0和转速n≤900r/min 然后 怠速工况；

若 节气门开度变化率＞2或＜2 然后 瞬态工况；

若 节气门开度＞80% 然后 满负荷工况；Else部分负荷稳态工况。

基于上述控制方法，采用D2P快速原型方法在simulink中编写测试用的发动机控制策略，自动生成目标代码，通过CANUSB卡在线写入可标定ECU，开发过程高效、便捷。

4 试验验证

氧传感器的性能测试主要包括激活测试、开关特性测试以及静态空燃比测试。

激活试验是在发动机稳态运行时，先将发动机尾气旁通离开测试通道，并停止对氧传感器加热，当尾气温度达到预定的温度后，手动微调标定使发动机空燃比保持在1，触发开关特定，开始数据采集，则同时打开加热电源与使尾气通过氧传感器通道，则可以测试出氧传感器从无信号到开关信号正常的响应时间，以及正常后的高低电压值。

图4 工况判断模块Fig.4 Condition decision module

图5 氧传感器测试试验流程Fig.5 The testing process of oxygen sensor measurment

对氧传感器进行开关特性测试的目的是考察其在特定温度下的响应性能，即氧传感器的输出电压信号对输入空燃比信号的响应性能，并对所得特性曲线进行分析。

进行静态特性测试的目的是获得它的静态特性变化曲线，从而考察其在浓混合气下是否有高而稳定的输出电压，在稀混合气下是否有低而稳定的输出电压，在理论空燃比点附近是否有一个大的电压突变，对排气浓度变化是否作出了相应的快速电压开关作用。同时，还要考虑在Lambda增大和减小时，两条静态特性曲线之间存在何种区别。

开关特性与静态空燃比测试的试验流程如图所示。

图6 氧传感器激活测试响应Fig.6 The oxygen sensor activation measurement response

图7 Lambda增大和减小时氧传感器的静态特性曲线对比Fig.7 During the Lambda increase or reduce the oxygen sensor steady state characteristic curve comparison

5 结论

测试结果证明本文中提到的氧传感器测试台架方案设计合理，运行可靠。专用发动机控制系统运行正常，在各测试工况下能够实现对空燃比较高精度的控制，准确采集到氧传感器各性能指标的数据。总的来说，本测试台架方案为氧传感器的研发过程提供较好的测试试验平台。

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