基于ETAS系统的车用氧传感器综合性能测试

刘振峰， 张 虎， 顾力强

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

0 引言

随着汽车工业的发展以及人们对环境保护意识的不断加强，汽车尾气排放标准要求亦愈来愈严格［1］。氧传感器作为汽车尾气排放监测的核心部件，其综合性能的试验研究也越来越受到广泛的重视。对发动机尾气排放的控制，主要是对喷油量的控制，其最终可归结为对空燃比的精确控制［2］。本文基于ETAS汽车应用开发软硬件及发动机实验台架系统的基础上对汽车氧传感器综合性能的测试方法进行了研究。通过原理设计、硬件的选型、数据采集和显示的实现等搭建了氧传感器综合性能测试平台台架系统，并进行了实验研究。

1 氧传感器空燃比控制策略与建模

发动机主要工作在稳态和瞬态工况，即稳态部分负荷工况、怠速工况和瞬态工况［3］。通过对各工况下空燃比的控制方式和控制要求的分析，重点研究了发动机控制中的各个工况下空燃比控制策略。控制策略采用MAP图的形式来确定控制量的值，即把事先经过优化的控制值以二维(见图1)、三维图(见图2)的形式存入EPROM，运行时根据工况查表即可，此种方式计算时间短，且结果精确［4］。

图1 不同转速与节气门开度下的喷油量二维图

图2 不同转速与节气门开度下的喷油量三维脉谱图

对于稳态部分负荷工况下空燃比的控制，采用开环与闭环控制相结合，开环环节采用查MAP图的形式，确定基本喷油量［5］。以EGO信号为反馈信号，实行空燃比闭环控制，将空燃比限制在理论值附近，闭环控制算法采用PID控制，如图3所示。该模块主要有开环控制模块和闭环修正模块［6］。开环控制是由发动机转速和进气管压力通过查MAP表来获得稳态部分负荷时的基本喷油量。

图3 稳态部分负荷工况控制器模型

对于瞬态工况下空燃比的控制，采用开环控制，利用进气管压力观察器理论和动态油膜补偿模型，精确计算进气量和对燃油的补偿，使空燃比尽可能接近理论空燃比［7］。在瞬态工况下，由于进气管动态油膜效应的影响，使得喷油器喷出的燃油不等于实际进入气缸的燃油;此外，由于瞬态工况下的气体充、排效应，导致进气管压力传感器测量到的进气管压力不准确，若将此测量值作为进气压力去查喷油MAP表肯定会造成偏差。为消除此偏差，在所设计的瞬态工况控制模块中加入了2个修正模块:进气管压力观察器模块和动态油膜补偿器模块［8］。如图4所示，最终燃油量由观察模块所得基本量加上油膜补偿量得到。

图4 瞬态工况控制器模型

对于怠速工况下空燃比的控制，转速稳定性采用闭环控制，以转速为反馈信号，通过控制怠速阀的开度，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［9］。热机怠速控制模块存在空燃比闭环控制与转速稳定性闭环控制。空燃比闭环控制环节跟稳态工况空燃比闭环控制模块相同，以排气氧传感器信号为反馈信号，通过反馈信号修正基本喷油量，达到精确控制空燃比的目的［10］。转速稳定性闭环控制环节以发动机转速为反馈信号，通过该反馈信号控制怠速旁通气道的流通面积，从而达到对进气量的控制。怠速工况的PID控制模块如图5所示。

图5 怠速工况的PID控制器模型

2 仿真空燃比与实际空燃比的比较

由于瞬态工况下的空燃比控制比稳态工况下的空燃比控制要复杂很多，所以本文根据建立的空燃比数学模型，利用Matlab/Simulink进行仿真研究，然后将实测空燃比曲线与仿真空燃比曲线进行比较［11］。测试过程:将计算好的X和τf及转速、喷油脉宽的阶跃变化和节气门的开度输入代入Matlab/Simulink仿真模型中，便可得到相应工况下因喷油阶跃变化而引起的空燃比的仿真结果。

由图6看出，实测与仿真空燃比曲线在上升沿与下降沿都有圆滑的过渡，而且两者基本一致。由于仿真的起始阶段存在积分的滞环误差，所以在0～0.5 s时，仿真得到的空燃比出现了较大的误差，而在系统运转稳定后两者基本吻合。因此证明所用油膜模型的正确性以及实测空燃比与仿真空燃比的一致性。

图6 实测空燃比与仿真空燃比曲线

3 氧传感器综合性能测试实验

氧传感器综合性能测试台架主要由发动机、发动机分析仪、ETAS ES1000、MotoTune、ETAS ES630 λ 测量模块、ECU等硬件系统组成［12］，如图7所示。被测氧传感器通过ES1000进行数据采集和监测，然后将采集信号传送至计算机，计算机通过INCA软件实现对氧传感器数据的测量和标定，同时选择保存一段较为理想的数据作进一步分析，然后过CAN总线将数据输入ECU，通过ECU实现对发动机的反馈控制，从而控制发动机的转速和转矩，达到控制的目的。对于实验中所要求的不同空燃比测试条件，可以用计算机通过MOTOTUNE软件进行对喷油时间MAP的控制，从而实现对空燃比的改变。另外做空燃比参考用的博世宽域氧传感器与ES630连接，将信号传送给ES1000数据采集分析仪，如图8所示。

图7 测试台架

图8 测试台架结构设计图

3.1 氧传感器的开关特性试验

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［13］。测试步骤［14］:①调整发动机转速及负载获得稳定的尾气温度350、800℃;②调整空燃比的输出波形为0.95～1.05的方波，频率为1 Hz;③记录氧传感器的输出信号，最少16周期波形。

由图9、10可以看出，当λ值在浓燃烧状态和稀薄燃烧状态之间切换时，传感器输出电动势保持在高于800 mV(浓燃烧状态)的时间都要多于保持在低于120 mV(稀薄燃烧状态)的时间。从2个不同温度下的开关特性曲线比较可以发现，800℃下的开关特性曲线与350℃下的开关特性曲线相比，除了波形的峰值有略微的下降外，其他特征基本相似，无明显变化。

图9 350℃时氧传感器开关特性曲线

图10 800℃时氧传感器开关特性曲线

3.2 氧传感器静态特性试验

对氧传感器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。静态特性的测试步骤［15］:①稳定尾气温度在(350±5)℃，氧传感器加热器接13.5 V直流电源;②开环状态下，λ调整为0.95，稳定20 s，开始记录氧传感器输出信号;③λ以0.006步长增加到1.05，记录每个点的氧传感器输出信号;④反方向λ以0.006的步长从1.05 递减到 0.95。

由图11看出，被测氧传感器的静态特性曲线类似于磁力学中的滞回特性曲线，其中λ减小时的静态特性曲线在λ=1附近变化更为平缓，所以与λ增大时的静态特性曲线构成了一个封闭的回路。这是因为浓燃烧状态下，尾气中氧浓度极低，CO等含量较大;但在稀薄燃烧状态下，尾气中CO等浓度较低，而氧气含量较大。CO比氧气更容易吸附在多孔铂电极表面。当从浓燃烧状态转化为稀薄燃烧状态时，氧气分子不容易取代CO在多孔铂电极上的吸附位置，需要更长的响应时间，因而在过了λ=1之后容易出现跳变;当从稀薄燃烧状态转化为浓燃烧状态时，CO很容易取代氧气分子在多孔铂电极上的吸附位置，响应时间较短，因而在λ=1附近的变化相对平坦。该氧传感器综合性能测试平台所测量的数据与标准参考数据相符合，表明本研究所建立的氧传感器测试平台能满足氧传感器性能试验要求。

图11 λ增大和减小时氧传感器的静态特性曲线

4 结语

通过对发动机各工况下空燃比控制策略的研究，对空燃比控制器进行建模，并用快速原型开发方法实现控制策略。通过搭建测试台架对氧传感器的性能进行综合测试实验研究，运用数据处理方法对实验数据进行处理、作图与分析，研究被测氧传感器的性能特性，并通过分析与总结，得出相关结论。

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