氧傳感器測試臺架設(shè)計研究

劉運(yùn)瀟

（上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國家工程實驗室 上海200240，

顧夢妍

（上海工程技術(shù)大學(xué) 上海201620）

1 氧傳感器試驗研究的現(xiàn)狀、意義

汽車工業(yè)的飛速發(fā)展帶來的排放污染是如今廣泛關(guān)注的問題，逐漸嚴(yán)格的排放法規(guī)對汽車發(fā)動機(jī)運(yùn)行的空燃比精確控制提出了較高的要求。車用氧傳感器是汽車發(fā)動機(jī)電噴系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，電噴系統(tǒng)利用氧傳感器提供的信號反饋至ECU，ECU采用相應(yīng)的控制策略使發(fā)動機(jī)的空燃比保持在理想空燃比附近，從而達(dá)到燃油噴射閉環(huán)控制的效果。

氧傳感器的研發(fā)過程需要對樣件反復(fù)進(jìn)行的發(fā)動機(jī)臺架測試，包括性能測試、耐鹽霧、耐水浸以及壽命試驗等。因此需要搭建一個高性能、可靠性高的測試系統(tǒng)來滿足氧傳感器研發(fā)過程中的各項測試需要。國外氧傳感器生產(chǎn)廠商如BOSCH、DELPHI等自身都有完善的測試系統(tǒng)，將氧傳感器搭配配套的電噴系統(tǒng)，加上專業(yè)的的數(shù)據(jù)采集與標(biāo)定的硬件和軟件來進(jìn)行檢測，測試系統(tǒng)成熟，性能較好。國內(nèi)氧傳感器企業(yè)大多數(shù)依托于專門的測試機(jī)構(gòu)或高校來進(jìn)行測試，測試臺架，發(fā)動機(jī)電噴系統(tǒng)以及采集標(biāo)定等軟硬件有時存在不能很好匹配的問題，測試精度和可靠性不能保證。

因此，本文提出一種氧傳感器性能測試的臺架方案。在實驗室現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)臺架及其控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合ETAS的采集硬件和軟件，又采用BOSCH的LSU寬域氧傳感器作為空燃比基準(zhǔn)，構(gòu)建了一個基于空燃比控制的氧傳感器測試系統(tǒng)。

2 試驗臺架方案分析

總體的測試方案可以大致分為基礎(chǔ)臺架部分，信號采集系統(tǒng)以及參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)。

基礎(chǔ)試驗臺架中采用的發(fā)動機(jī)為某直列四缸發(fā)動機(jī)，聯(lián)接南峰機(jī)電CW系列電渦流測功機(jī)，基礎(chǔ)臺架的控制采用配套的南峰機(jī)電控制柜，臺架的打火啟動，發(fā)動機(jī)傳感器信號的監(jiān)視以及各種工況的調(diào)節(jié)均通過臺架的測控系統(tǒng)來操控。測試中的氧傳感器裝在排氣管上，三元催化劑前。試驗時除了一個作為基準(zhǔn)的寬域氧傳感器，可以對排氣管道進(jìn)行改裝以安裝多個被測氧傳感器同時被測，提高測試效率，但是必須消除安裝位置不同導(dǎo)致信號差異的原因。試驗中使用13.5V的直流電源為被測件加熱。

信號采集部分中氧傳感器的電壓信號通過串口連接氧傳感器的信號線，利用ETAS公司的ES1000中的A/D模塊接收轉(zhuǎn)換，然后連接到PC中，上位機(jī)采用ETAS提供的INCA軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行多格式的存儲。作為基準(zhǔn)的空燃比信號，通過寬域氧傳感器與空燃比分析儀ES630連接進(jìn)行高精度的lambda值顯示，信號通過ES1000也轉(zhuǎn)接到PC中INCA的顯示界面中，方便數(shù)據(jù)對比以及存儲。

在性能測試過程中，本方案采用意昂科技的128pins的可標(biāo)定ECU，并使用配套的motohawk模塊化工具進(jìn)行D2P快速原型的方法編寫發(fā)動機(jī)的控制策略。上位機(jī)通過mototune標(biāo)定軟件與ECU利用USBCAN卡通過CAN網(wǎng)絡(luò)通信，可以實現(xiàn)程序燒寫下載以及參數(shù)標(biāo)定功能。

總體的臺架試驗方案架構(gòu)如圖1，測試中所有連接的信號線均需采用屏蔽線，防止信號相互干擾。

3 試驗控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要要達(dá)到目標(biāo)除了實現(xiàn)基本的發(fā)動機(jī)控制功能，要還能實現(xiàn)對各工況下發(fā)動機(jī)空燃比的精確控制。

穩(wěn)態(tài)空燃比控制結(jié)合開環(huán)控制與閉環(huán)控制。開環(huán)部分根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與進(jìn)氣歧管壓力，通過查詢噴油MAP來確定基本噴油量，以及根據(jù)臺架傳感器信號的空氣溫度、冷卻水溫和電池電壓信號等通過特定的補(bǔ)償曲線計算噴油補(bǔ)償量，除此之外還有人工標(biāo)定的窗口；閉環(huán)控制部分是根據(jù)氧傳感器信號通過PID控制轉(zhuǎn)化為對噴油量的修正量，將空燃比限制在理論空燃比附近。

圖1 氧傳感器測試臺架總體方案Fig.1 The everall framwork of testing bench for oxygen sensor

瞬態(tài)空燃比的控制由于進(jìn)氣管充排氣現(xiàn)象和壓力傳感器的響應(yīng)滯后、油膜動態(tài)特性影響以及閉環(huán)控制速度的落后等因素存在一定的偏差，本文采用開環(huán)控制，建立進(jìn)氣管壓力觀察器理論和動態(tài)油膜補(bǔ)償模型，一方面提高空氣流量速率的測量精度，另一方面根據(jù)特定的動態(tài)油膜模型計算對燃油的補(bǔ)償，使空燃比盡可能接近理論空燃比。

怠速工況下轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性采用閉環(huán)控制，以轉(zhuǎn)速為反饋信號，通過控制怠速閥的進(jìn)氣量，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。

基本的控制策略中需要工況判斷模塊，從而將各工況的控制模塊有機(jī)的結(jié)合起來。工況判斷模塊主要根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和變化速率來決定當(dāng)時所屬工況的。工況判斷邏輯如下：

若 節(jié)氣門開度＝0 和轉(zhuǎn)速n≤900r/min

然后 起動工況；

圖2 穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷工況控制器模型Fig.2 Steady part load state controller model

圖3 瞬態(tài)工況控制模塊Fig.3 Transient state control module

若 節(jié)氣門開度＝0和轉(zhuǎn)速n≤900r/min 然后 怠速工況；

若 節(jié)氣門開度變化率＞2或＜2 然后 瞬態(tài)工況；

若 節(jié)氣門開度＞80% 然后 滿負(fù)荷工況；Else部分負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況。

基于上述控制方法，采用D2P快速原型方法在simulink中編寫測試用的發(fā)動機(jī)控制策略，自動生成目標(biāo)代碼，通過CANUSB卡在線寫入可標(biāo)定ECU，開發(fā)過程高效、便捷。

4 試驗驗證

氧傳感器的性能測試主要包括激活測試、開關(guān)特性測試以及靜態(tài)空燃比測試。

激活試驗是在發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，先將發(fā)動機(jī)尾氣旁通離開測試通道，并停止對氧傳感器加熱，當(dāng)尾氣溫度達(dá)到預(yù)定的溫度后，手動微調(diào)標(biāo)定使發(fā)動機(jī)空燃比保持在1，觸發(fā)開關(guān)特定，開始數(shù)據(jù)采集，則同時打開加熱電源與使尾氣通過氧傳感器通道，則可以測試出氧傳感器從無信號到開關(guān)信號正常的響應(yīng)時間，以及正常后的高低電壓值。

圖4 工況判斷模塊Fig.4 Condition decision module

圖5 氧傳感器測試試驗流程Fig.5 The testing process of oxygen sensor measurment

對氧傳感器進(jìn)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(jìn)行分析。

進(jìn)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，在理論空燃比點(diǎn)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。同時，還要考慮在Lambda增大和減小時，兩條靜態(tài)特性曲線之間存在何種區(qū)別。

開關(guān)特性與靜態(tài)空燃比測試的試驗流程如圖所示。

圖6 氧傳感器激活測試響應(yīng)Fig.6 The oxygen sensor activation measurement response

圖7 Lambda增大和減小時氧傳感器的靜態(tài)特性曲線對比Fig.7 During the Lambda increase or reduce the oxygen sensor steady state characteristic curve comparison

5 結(jié)論

測試結(jié)果證明本文中提到的氧傳感器測試臺架方案設(shè)計合理，運(yùn)行可靠。專用發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，在各測試工況下能夠?qū)崿F(xiàn)對空燃比較高精度的控制，準(zhǔn)確采集到氧傳感器各性能指標(biāo)的數(shù)據(jù)?？偟膩碚f，本測試臺架方案為氧傳感器的研發(fā)過程提供較好的測試試驗平臺。

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