劉振峰， 張 虎， 顧力強(qiáng)

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)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(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)，汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求亦愈來愈嚴(yán)格［1］。氧傳感器作為汽車尾氣排放監(jiān)測(cè)的核心部件，其綜合性能的試驗(yàn)研究也越來越受到廣泛的重視。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的控制，主要是對(duì)噴油量的控制，其最終可歸結(jié)為對(duì)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(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)汽車氧傳感器綜合性能的測(cè)試方法進(jìn)行了研究。通過原理設(shè)計(jì)、硬件的選型、數(shù)據(jù)采集和顯示的實(shí)現(xiàn)等搭建了氧傳感器綜合性能測(cè)試平臺(tái)臺(tái)架系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 氧傳感器空燃比控制策略與建模

發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況，即穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷工況、怠速工況和瞬態(tài)工況［3］。通過對(duì)各工況下空燃比的控制方式和控制要求的分析，重點(diǎn)研究了發(fā)動(dòng)機(jī)控制中的各個(gè)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(yùn)行時(shí)根據(jù)工況查表即可，此種方式計(jì)算時(shí)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(duì)于穩(wěn)態(tài)部分負(fù)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(hào)為反饋信號(hào)，實(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣管壓力通過查MAP表來獲得穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷時(shí)的基本噴油量。

圖3 穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷工況控制器模型

對(duì)于瞬態(tài)工況下空燃比的控制，采用開環(huán)控制，利用進(jìn)氣管壓力觀察器理論和動(dòng)態(tài)油膜補(bǔ)償模型，精確計(jì)算進(jìn)氣量和對(duì)燃油的補(bǔ)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(jìn)氣管動(dòng)態(tài)油膜效應(yīng)的影響，使得噴油器噴出的燃油不等于實(shí)際進(jìn)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(jìn)氣管壓力傳感器測(cè)量到的進(jìn)氣管壓力不準(zhǔn)確，若將此測(cè)量值作為進(jìn)氣壓力去查噴油MAP表肯定會(huì)造成偏差。為消除此偏差，在所設(shè)計(jì)的瞬態(tài)工況控制模塊中加入了2個(gè)修正模塊:進(jìn)氣管壓力觀察器模塊和動(dòng)態(tài)油膜補(bǔ)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(bǔ)償量得到。

圖4 瞬態(tài)工況控制器模型

對(duì)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(hào)，通過控制怠速閥的開度，來實(shí)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(jī)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(hào)為反饋信號(hào)，通過反饋信號(hào)修正基本噴油量，達(dá)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為反饋信號(hào)，通過該反饋信號(hào)控制怠速旁通氣道的流通面積，從而達(dá)到對(duì)進(jìn)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(shí)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(jìn)行仿真研究，然后將實(shí)測(cè)空燃比曲線與仿真空燃比曲線進(jìn)行比較［11］。測(cè)試過程:將計(jì)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(shí)測(cè)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(shí)，仿真得到的空燃比出現(xiàn)了較大的誤差，而在系統(tǒng)運(yùn)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(shí)測(cè)空燃比與仿真空燃比的一致性。

圖6 實(shí)測(cè)空燃比與仿真空燃比曲線

3 氧傳感器綜合性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

氧傳感器綜合性能測(cè)試臺(tái)架主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)分析儀、ETAS ES1000、MotoTune、ETAS ES630 λ 測(cè)量模塊、ECU等硬件系統(tǒng)組成［12］，如圖7所示。被測(cè)氧傳感器通過ES1000進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，然后將采集信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過INCA軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)氧傳感器數(shù)據(jù)的測(cè)量和標(biāo)定，同時(shí)選擇保存一段較為理想的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析，然后過CAN總線將數(shù)據(jù)輸入ECU，通過ECU實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的反饋控制，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，達(dá)到控制的目的。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所要求的不同空燃比測(cè)試條件，可以用計(jì)算機(jī)通過MOTOTUNE軟件進(jìn)行對(duì)噴油時(shí)間MAP的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)傳送給ES1000數(shù)據(jù)采集分析儀，如圖8所示。

圖7 測(cè)試臺(tái)架

圖8 測(cè)試臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.1 氧傳感器的開關(guān)特性試驗(yàn)

對(duì)氧傳感器進(jìn)行開關(guān)特性測(cè)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(hào)對(duì)輸入空燃比信號(hào)的響應(yīng)性能，并對(duì)所得特性曲線進(jìn)行分析［13］。測(cè)試步驟［14］:①調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)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(hào)，最少16周期波形。

由圖9、10可以看出，當(dāng)λ值在濃燃燒狀態(tài)和稀薄燃燒狀態(tài)之間切換時(shí)，傳感器輸出電動(dòng)勢(shì)保持在高于800 mV(濃燃燒狀態(tài))的時(shí)間都要多于保持在低于120 mV(稀薄燃燒狀態(tài))的時(shí)間。從2個(gè)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(shí)氧傳感器開關(guān)特性曲線

圖10 800℃時(shí)氧傳感器開關(guān)特性曲線

3.2 氧傳感器靜態(tài)特性試驗(yàn)

對(duì)氧傳感器進(jìn)行靜態(tài)特性測(cè)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(gè)大的電壓突變，對(duì)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(cè)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(hào);③λ以0.006步長(zhǎng)增加到1.05，記錄每個(gè)點(diǎn)的氧傳感器輸出信號(hào);④反方向λ以0.006的步長(zhǎng)從1.05 遞減到 0.95。

由圖11看出，被測(cè)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(shí)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(shí)的靜態(tài)特性曲線構(gòu)成了一個(gè)封閉的回路。這是因?yàn)闈馊紵隣顟B(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(dāng)從濃燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)化為稀薄燃燒狀態(tài)時(shí)，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(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，因而在過了λ=1之后容易出現(xiàn)跳變;當(dāng)從稀薄燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)化為濃燃燒狀態(tài)時(shí)，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(shí)間較短，因而在λ=1附近的變化相對(duì)平坦。該氧傳感器綜合性能測(cè)試平臺(tái)所測(cè)量的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)相符合，表明本研究所建立的氧傳感器測(cè)試平臺(tái)能滿足氧傳感器性能試驗(yàn)要求。

圖11 λ增大和減小時(shí)氧傳感器的靜態(tài)特性曲線

4 結(jié)語

通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下空燃比控制策略的研究，對(duì)空燃比控制器進(jìn)行建模，并用快速原型開發(fā)方法實(shí)現(xiàn)控制策略。通過搭建測(cè)試臺(tái)架對(duì)氧傳感器的性能進(jìn)行綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，運(yùn)用數(shù)據(jù)處理方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、作圖與分析，研究被測(cè)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。

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