工程硕士学位论文 宽域氧传感器控制器开发.pdf

工程硕士学位论文宽域氧传感器控制器开发_ _ 湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在_年解密后适用本授权书。2、不保密口。（请在以卜.相应方框内打“J”）作者签名：日期：年 月 日导师签名：日期：年 月 日宽域氧传感器控制器开发摘要当今社会，汽车对于人们的日常生活变得日益不可或缺，汽车保有量也呈现 逐年增长的趋势。与此同时，由汽车带来的环境污染问题也愈发严重，再加上能 源枯竭问题的出现，使得稀薄燃烧技术在汽车发动机上的采用逐渐广泛起来。此 时，传统的氧传感器已经不能够满足稀薄燃烧技术的要求，测量范围更宽、精度 也更高的宽域氧传感器逐渐成为主流。决定于其特殊的工作原理，宽域氧传感器 需要配合有专门的控制器才能够正常工作。本课题作为湖南省科技计划项目“汽车用宽域氧传感器的研制”的一部分，基于Bosch公司生产的LSU4.2型宽域氧传感器开发了一款宽域氧传感器控制器,论文的主要研究内容如下：1.介绍了宽域氧传感器及其控制器的工作原理，并与传统的氧浓差型氧传感 器和极限电流型氧传感器进行比较，分析了宽域氧传感器的优势之处。2.设计了宽域氧传感器控制器的硬件部分。控制器采用MC9S12P128单片机 作为主芯片，CJ125控制芯片作核心控制模块；利用单片机输出一路PWM脉冲 控制串联在加热回路中的MOS管，实现氧传感器的加热控制；采用CAN通信方 式实现单片机与ECU之间的数据传输；采用直流开关稳压器将汽车上+12V系统 电源电压转化成控制器需要的稳定电压。3.采用C语言设计了宽域氧传感器控制器的软件部分，实现了氧传感器的加 热控制、混合气4值计算以及单片机与ECU间的数据传输。论文采用了卡尔曼滤 波进行数字滤波；基于氧传感器温度控制的典型特点，研究了模糊PI D控制策略 对氧传感器进行加热控制。4.在发动机台架上对开发的控制器进行了静态和动态标定实验，修正与评价 了控制器的工作性能。关键词：宽域氧传感器；卡尔曼滤波；模糊PI D控制；CAN通信；标定实验II工程硕士学位论文AbstractAutomobiles are becoming more and more necessary for our daily life nowadays,and the rate of automobile ownership is rising year by year.At the same time,environmental pollution produced by automobiles is getting increasingly serious and fuel energy is decreasing gradually.Therefore,lean burn technology becomes more and more widely used in automotive engines.Traditional EGO sensor cannot apply to lean burn engines,while UEGO sensor(Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor),which can measure in wider range and more accurately,is becoming more and more popular gradually.Because of its special working principle,UEGO sensor cannot operate normally but equipped with particular controller.This project is a part of Hunan Science and Technology Planning Project Development of UEGO Sensor for Automobiles”.I n this thesis,a UEGO controller is developed based on Bosch LSU4.2 UEGO.Following is the main content of the research:1.The operating principles of UEGO sensor and its controller are introduced.Compared with traditional EGO and limiting current oxygen sensor,the advantages of UEGO sensor is analyzed.2.The UEGO controller hardware is designed.MC9S12P128 is used as master chip and CJ125 as core control module.MOSFET in heating circuit is controlled by PWM from MC9S128P128 to control the temperature of UEGO.CAN is applied to transfer data between MC9S12P128 and ECU.The+12V system voltage is converted to voltage applied to UEGO controller by DC voltage regulator.3.The UEGO controller software is programmed with C language to control the temperature of UEGO,caltulate lambda and data-transfer between MCU and ECU.Kalman filtering is applied to filter digital signals.Based on the typical feature of UEGO temperature controlling,fuzzy PI D control is applied to control the temperature of UEGO.4.Static and dynamic calibration experiments of UEGO are conducted on the engine bench to correct and evaluate the working performance of UEGO controller.Key Words:UEGO;Kalman filtering;Fuzzy PI D control;Calibration experimentsin宽域氧传感器控制器开发目录学位论文原仓I性声明和学位论文版权使用授权书.I摘要.IIAbstract.I TI插图索引.VI附表索引.VIII第1章绪论.11.1 开发的背景和意义.11.2 国内外研究现状.41.2.1 国外研究现状.41.2.2 国内研究现状.61.3 课题来源和主要研究内容.71.4 本章小结.8第2章 宽域氧传感器的工作原理.92.1 氧浓差型氧传感器.92.1.1 工作原理.92.1.2 管式氧浓差型氧传感器.102.1.3 片式氧浓差型氧传感器.112.2 极限电流型氧传感器.122.3 宽域氧传感器.142.4 本章小结.17第3章 宽域氧传感器控制器硬件设计.183.1 总体方案.183.2 主芯片.193.2.1 MC9S12P128 单片机.193.2.2 MC9S12P128单片机最小系统.203.2.3 MC9S12P128单片机扩展电路.213.3 控制集成模块CJ125.223.3.1 CJ125 控制芯片.223.3.2 CJ125的外围电路.253.4 氧传感器加热控制电路.253.4.1 PWM 控制原理.25IV工程硕士学位论文3.4.2 加热控制电路.263.5 CAN通信模块.273.6 电压转换模块.283.7 本章小结.29第4章 宽域氧传感器控制器软件设计.304.1 开发环境简介.304.2 主程序.304.3 主程序初始化.314.4 A/D转换及滤波子程序.314.5 卡尔曼滤波器设计.324.5.1 系统数学模型的建立.324.5.2 滤波器计算原型.334.5.3 滤波模型的建立.334.6 温度控制模块.344.7 模糊PI D控制器设计.354.7.1 模糊PI D控制的基本原理.364.7.2 模糊PI D控制器设计.364.7.3 模糊PI D加热控制.424.8 4值计算模块.424.9 CAN通信模块.434.10 本章小结.44第5章宽域氧传感器控制器标定实验.455.1 静态标定实验.455.2 动态标定实验.465.3 本章小结.50总结与展望.51参考文献.53附录A宽域氧传感器控制器硬件电路图.56致谢.57V宽域氧传感器控制器开发插图索引图1.1三元催化转换器净化率与几的关系.2图1.2二元催化系统.3图1.3宽域氧传感器.3图2.1氧浓差型氧传感器输出特性曲线.10图2.2非加热型管式氧浓差型氧传感器.11图2.3加热型管式氧浓差型氧传感器.11图2.4片式氧浓差型氧传感器.12图2.5极限电流型氧传感器工作原理示意图.12图2.6不同空燃比情况下的电流电压特性曲线.14图2.7极限电流型氧传感器输出特性曲线.14图2.8宽域氧传感器工作原理示意图.15图2.9宽域氧传感器输出特性曲线.16图2.10宽域氧传感器连接器标定电阻.17图3.1宽域氧传感器控制器硬件结构示意图.18图3.2 MC9S12P128单片机引脚图.19图 3.3 MC9S12P128 电源电路.20图 3.4 MC9S12P128 时钟电路.21图 3.5 MC9S12P128 复位电路.21图3.6 MC9S12P128单片机扩展电路.22图3.7 CJ125寄存器.24图3.8 CJ125外围电路.25图3.9 PWM 控制原理.26图3.10氧传感器加热控制电路.26图3.11 CAN通信模块硬件电路图.27图3.12电压转换电路.29图4.1 主程序流程图.31图4.2主程序初始化流程图.31图4.3 A/D转换及滤波子程序流程图.32图4.4卡尔曼滤波程序流程图.34图4.5温度控制模块程序流程图.35图4.6模糊PI D控制器结构图.36VI工程硕士学位论文图 4.7 E,EC,AKp,AKi,AKd 隶属度函数.37图4.8模糊PI D加热控制程序流程图.42图4.9%值计算模块程序流程图.43图4.10 CAN通信模块流程图.43图5.1 LC-2型空燃比分析仪.45图5.2输出电压U与混合气4值的关系曲线.46图5.3 向41突变时氧传感器控制器输出信号.47图5.4 向41突变时LC-2型空燃比分析仪输出信号.47图5.5 41向 1突变时氧传感器控制器输出信号.48图5.6 41向1突变时LC-2型空燃比分析仪输出信号.48图5.7 41反向突变时氧传感器控制器输出信号.48图5.8 反向突变时LC-2型空燃比分析仪输出信号.49图5.9 41正向突变时氧传感器控制器输出信号.49图5.10%1正向突变时LC-2型空燃比分析仪输出信号.49VII宽域氧传感器控制器开发附表索引表1.1汽油车国ni、国iv、国v排放标准限值对照表.1表2.1连接器各弓I脚的含义.16表3.1 CJ125控制芯片各引脚的含义.22表3.2 CJ125故障码的含义.24表3.3 I R2110引脚含义.27表3.4 TJA1050引脚含义.28表4.1语言变量赋值表.37表4.2 AKp模糊控制规则表.38表4.3跖模糊控制规则表.38表4.4 AKd模糊控制规则表.39表4.5 AKp模糊查询表.40表4.64跖模糊查询表.41表4.7 AKd模糊查询表.41表5.1标定后4值与输出电压U的对应关系.46VIII工程硕士学位论文第1章绪论1.1 开发的背景和意义当今社会，汽车对于人们的日常生活变得日益不可或缺，汽车保有量也呈现 逐年增长的趋势。据统计，截止至2013年，全球汽车保有量早已突破10亿大关，其中我国也已经达到1.37亿辆。与2003年的2400万辆这个数字相比，十年来我 国汽车年均增加1100多万辆，其增长速度之快显而易见。在当前和今后一个时 期，我国汽车保有量的增长仍将保持强劲势头。汽车在给我们的日常生活带来无数便利的同时，也造成了许多负面影响，例 如交通事故、能源消耗、尾气污染以及噪声等，其中最突出、最严重的便是汽车 尾气给大气环境所带来的污染问题。有相关资料表明，汽车尾气污染已经成为大 中型城市空气质量的第一大污染源。汽车尾气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NO。和微颗粒物等主要污染物不仅会直接影响人们的身体健 康，雾霾、酸雨以及光化学烟雾等当前主要环境问题的产生都与汽车尾气的排放 有着十分密切的关系。随着环境污染的日趋严重，以及公众环保意识的不断增强，汽车尾气排放问 题也越来越受到重视。自从上世纪60年代美国加州实施汽车排放法规以来，各国 也根据其各自的情况相继推出排放法规和标准，以控制汽车尾气中污染物的排放。根据所规定的排放物的限值的不同，国际上当前流行的的排放法规主要分为美国、欧洲和日本三种体系。表1.1汽油车国III、国IV、国V排放标准限值对照表排放标准排放限值(g/km)COHCNOX国III标准2.200.200.15国IV标准1.000.100.08国V标准1.000.100.06我国以欧洲排放标准体系作为基础，吸收学习欧美国家排放体系建立的经验,并结合我国的实际情况，也颁布了自己的排放法规。本世纪以来，我国的汽车排 放标准已经从最初的国I标准提高到了国IV标准，排放标准每上升一级便对汽车 尾气污染物的排放控制得更加严格。2013年2月1日起，北京市在全国率先开始 执行京V标准。2014年5月1日，上海市也提前实施了国V标准，全国范围的国宽域氧传感器控制器开发V标准也将在未来几年内颁布实施。汽油车国III、国IV、国V排放标准限值的 对照如表1.1所示。目前，汽车尾气的净化普遍采用的是通过安装在排气管中的三元催化转换器（Three-way Catalyst,简称TWC）来完成，此装置可以将尾气中由于发动机不完全 燃烧所产生的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物等有害气体进行氧化和还原作 用，从而转换成二氧化碳、氮气和水等对环境无害的物质。三元催化转换器的催 化反应特性与尾气中氧的含量有很大关系，而尾气中氧的含量又与可燃混合气的 浓稀程度有关系。因此，这里首先需要介绍一下空燃比与过量空气系数这两个概念，这是实际 工程应用中对于混合气浓稀程度的两种不同的表示方法。空燃比是指可燃混合气 中所含的空气质量和燃油质量的比值，用A/F表示，汽油机的理论空燃比大约为 A/F=14.7；过量空气系数是指完全燃烧1kg燃油实际供给的空气质量与完全燃烧 1kg燃油理论上所需的空气质量，用；I表示。在实际应用中常用2来表示混合气的 浓稀程度，但在混合气浓稀控制系统中则常用空燃比来表示，因此本论文中把空 燃比和过量空气系数结合使用，以空燃比418)使燃油充分燃烧，大大降低 了汽车尾气中污染物的排放量，此项技术同时还提高了燃油的利用率，使得发动 机极大程度地实现了节能减排这一理念。但是，如果空燃比过大的话，容易导致 发动机熄火，使得输出功率降低，也会造成燃油不充分燃烧，尾气污染反而会更 加严重。所以对于稀薄燃烧系统而言，有必要利用氧传感器将其空燃比控制在一 个合理的范围内。由于传统的氧传感器决定于其内部结构与工作原理，在；1=1附近时可以进行 精确测量，而在其他空燃比情况下其灵敏度大大降低，只能大致反映出混合气的 状态是浓或稀，却不能精确地反映出混合气的浓稀程度。而稀薄燃烧发动机混合 气的空燃比在4=1之外，其值可以达到4=2以上甚至更高。因此，传统的氧传感 器已经不能够满足稀薄燃烧技术的要求，测量范围更宽、精度也更高的宽域氧传 感器(UEGO)应运而生。图1.3所示为宽域氧传感器外形图。宽域氧传感器在传统的氧化错氧传感器的基础上增加了一个泵氧元来调节尾 气中氧的含量网。与传统的氧化错氧传感器将敏感元件所输出的电压信号直接作 3宽域氧传感器控制器开发为空燃比的测量指标不同，宽域氧传感器借助于专门的控制器对泵氧元施加一个 控制电流从而使回路中产生饱和的泵电流，泵电流的大小和方向可以精确地反映 出混合气的浓稀程度，ECU据此相应地调节喷油脉宽，从而实现在稀薄燃烧空燃 比范围内的精准控制。另外，宽域氧传感器对于其工作的温度范围也有较高的要 求，需要有加热设备来控制其工作温度。基于以上原因，宽域氧传感器需要配合 专门的控制器才能够正常工作。宽域氧传感器控制器可以集成在ECU空燃比控制系统中，为ECU提供实时 的空燃比信息，从而使ECU对空燃比精确控制；也可以配合宽域氧传感器组成空 燃比分析仪，作为独立的仪器应用于发动机空燃比的测量。目前，世界上宽域氧传感器的生产厂家主要有日本NTK公司以及德国Bosch 公司等，现在只应用在如奥迪、大众、沃尔沃等部分轿车上，尚未得到广泛应用。但随着排放法规的日趋严格，预计在未来几年内宽域氧传感器将成为主流，完全 取代传统的氧化倍氧传感器。控制器性能的好坏会直接影响氧传感器的性能，市 场上的控制器及空燃比分析仪几乎全都是国外开发生产，并且价格也非常昂贵，我国尚未掌握其核心技术，相关的生产厂家更是寥寥无几。因此，开展宽域氧传 感器控制器的研究和开发，不仅可以为我国发动机空燃比控制的研究提供一定的 技术积累，也可以进一步推进氧传感器控制器及空燃比分析仪的国产化，具有十 分重要的理论意义和实用价值。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状宽域氧传感器控制器以及空燃比分析仪近年来在国外一直是研究的热点。许 多国外的科研人员在宽域氧传感器控制器的结构、控制方法等方面进行了大量的 研究工作，而且多家公司目前也已经推出非常成熟的产品。P.Botsaris 与 A.Polyhroniadis 基于 Motorola 68HC1 lai 微处理器设计 了一款 宽带废气空燃比控制器身，并介绍了硬件设计方案和软件流程，不过对软件算法 并未进行详细说明。美国Ford公司开发了一款宽域氧传感器控制器口叫 并已申请专利，控制器 可以同时连接2个宽域氧传感器。专利对于氧传感器控制器主要模块和外部接口 做出了相关介绍，不过并未给出其具体的硬件电路。L.Poggio等人提出采用PI D策略进行氧传感器泵电流的控制，介绍了控制器 的各个模块主要的组成部分与功能，但并没有给出硬件电路和软件算法口”。4工程硕士学位论文S.Bolz提出了采用专用的集成控制芯片来设计宽域氧传感器控制器的方案，给出了主要模块的电路结构，并采用模拟PI D控制器来控制宽域氧传感器的泵电 流口工Bruce Bowling与Al Grippo等人基于DSP设计的精密宽域氧传感器控制器口 匹配Bosch公司生产的LSU4系列氧传感器使用，其泵电流采用PI D策略进行控 制；动态响应时间低于100ms；设备可以通过CAN与UART两种方式与ECU或 外部系统进行通讯。控制器内设计了专门的加热控制电路，使氧传感器能够稳定 在合适的温度范围，从而保持最佳的工作状态。德国Bosch公司针对LSU系列宽域氧传感器开发了专用的集成控制芯片 CJ125并利用此芯片设计了一款控制器Lambda Tronic,目前已投入市场。这款 控制器可以连接2个宽域氧传感器，能够实现对氧传感器的信号处理、温度控制 以及故障诊断。其性能优越，空燃比;I的控制范围广(0.754.0),动态响应时间 短，支持CAN总线方式与ECU进行通讯。V.Hackel等人介绍了基于CJ125设计 宽域氧传感器控制器的方案。德国ETAS公司开发的ES63x系列空燃比测量模块适用于Bosch公司生产 的LSU系列宽域氧传感器，ES630/ES635是单通道版，ES631/ES636是双通道版；设备可以输出A/F、4及其倒数，还可以输出尾气中氧的含量、氧传感器的内阻 以及泵电流等多种信号；能够检测大气压力和排气压力，并补偿大气压力对；I测 量造成的影响；设备通过RS232接口与ECU或外部系统进行通讯，并支持SBM 协议；配备的高性能加热器能够保证氧传感器在5s内即可达到工作温度；设备还 可以自动检测传感器和接线故障。ETAS公司还开发有AWS2型、LA4型和ES43x 系列的空燃比测量模块，其基本功能与ES63x系列相同，但并无压力补偿功能。日本Horiba公司生产的MEXA-7304型便携式空燃比分析仪口,I匹配其专用的 宽域氧传感器使用；其空燃比;I的测量范围广(0.27530),动态响应时间短，大 约仅为80ms；设备能够同时进行A/F、4以及尾气中氧含量的测量；可以通过 RS232标准通信接口与ECU或外部系统进行通讯。美国Ecotrons公司牛产的ALM系列空燃比分析仪现有单通道和多通道版本，最高支持12通道，配合Bosch公司LSU4.9宽域氧传感器使用，支持汽油、柴油 以及天然气等燃料；设备采用Bosch公司研发的CJ125控制芯片构成控制电路，动态响应迅速，信号噪声小，测量精确；可以测量A/F、2、发动机转速以及尾 气中氧的含量，测量的空燃比范围宽(4=0.65无穷大)，尤其在2=1.53.0稀 燃范围更加精确；通讯方式兼容串口、USB、蓝牙和CAN总线；显示部分采用独 立的AFR表头。美国ECM公司生产的Lambda5220快速空燃比分析仪,适合台架与车载使 用，兼容Bosch LSU4.2/4.9、NTK 4mA/6mA以及DELPHI OSL等型号的宽域氧 5宽域氧传感器控制器开发传感器；其动态响应时间低于150ms；设备能够输出几、A/F、氧含量、泵电流以 及氧传感器的内阻等信号，可以补偿大气压力对4测量造成的影响；设备具有6 路线性化05V模拟输出，支持CAN、USB和RS232等方式通讯，可以传送数 据到多种数据采集系统；车载使用时设备可以通过汽车点火开关信号来控制开关 机。美国I nnovate公司开发了多款空燃比分析仪，包括LC-1、LC-2、LM-K LM-2 等型号，有单通道和双通道两种版本。产品采用独家专利Direct Digital多频率技 术，兼容各种类型的燃料；其自我校准电路可补偿温度、高度和传感器的状态的 变化；配有数字输入输出和2路可编程线性模拟输出，通过RS-232串行通讯接 口与ECU进行通讯，也可通过USB接口与电脑连接PS。1.2.2国内研究现状国内对于宽域氧传感器及其控制器的研发尚处于起步阶段，技术水平相对落 后，难以与国外产品进行竞争，在我国各大OEM主机厂以及科研机构采用的基 本都是国外的产品。目前国内科研人员对于宽域氧传感器及其控制器的研究取得 了部分成果，但能够生产成熟的控制器产品的厂家寥寥无几。西华大学的孙伟利用Freescale公司的MC9S08AW32单片机作为主控芯片，Bosch公司的CJ125芯片作为其核心控制模块，开发了一款宽域氧传感器控制单 元21,控制单元能够通过液晶屏显示空燃比的值。设计者对于硬件电路没有详细 介绍，也没有设计专门的温度检测与控制模块，只是利用尾气温度来给氧传感器 加热；只对控制器的输出电压与空燃比;I的静态关系进行了评价，没有研究其动 态响应特性。大连理工大学的刘瑞祥等人几乎采用完全模拟电路设计了宽范围氧传感器控 制器2汽 匹配日本NTK公司的宽域氧传感器使用，应用于新型柴油机的EGR系 统后，在控制污染物的排放方面取得了良好的效果。设计者对控制器各个模块的 电路进行了详细介绍，但对于氧传感器温度的控制采用的是开环控制的方式；设 计者只是对控制器进行了静态标定实验，并没有进行动态标定实验，动态性能有 待提高。合肥工业大学的田丰开发了以Microchip公司的PI C16F877单片机作为主控 芯片的便携式空燃比仪囚,可以同时采集发动机空燃比2和转速两种信号。但是 设备没有温度控制模块；泵电流的控制是通过查表方式来产生泵电流，并没有控 制策略；设计者同样进行了控制器的静态标定实验，但没有动态标定实验。北京交通大学开发了一款宽域氧传感器控制器24，匹配日本NTK公司的宽 域氧传感器使用。专利对于电路部分做了详细说明，设计几乎采用完全模拟电路 实现对宽域氧传感器的加热控制和空燃比输出信号的滤波、放大以及反馈控制，6工程硕士学位论文设备的稳定性能较差；其输出信号随空燃比的变化在。5V范围内线性变化；设 计者对控制器进行了静态特性分析，并没有进行动态标定实验。中国汽车工程研究院股份有限公司设计了一款宽域氧传感器控制器Pl。控制 器设计有氧传感器加热闭环控制模块和故障诊断模块，通过采集并处理氧传感器、发动机转速传感器和进气压力传感嚣等处的信号，计算出实时的空燃比值，然后 通过信号输出模块发送给ECU。设计者对控制器的静态特性进行了分析，但并没 有对其进行动态标定实验。上海交通大学与上海海能汽车电子有限公司的冒晓建、宋君花等人采用 Freescale公司的MPC561型单片机作为主控芯片，Bosch公司的CJ125芯片作为 其核心控制模块，设计了应用于天然气发动机的宽域氧传感器控制系统PT。系统 中设计有氧传感器加热闭环控制电路；建立了空燃比闭环自适应控制模型，提高 了系统的动态响应性能；设计者对控制系统进行了动态性能分析，没有进行静态 标定实验。合肥工业大学DSP实验室的张进、陈佳臻和张媛媛等人员基于dSPACE开发 了宽带型废气氧传感器控制器mJ文章详细介绍了氧传感器的温度检测、加热 驱动、氧浓差电压测量以及泵电流测量等模块的硬件电路，而且利用数字PI D实 现了加热驱动的分段控制以及泵电流的反馈控制；基于Matlab/Simulink模块进行 了控制器的软件设计；借助于发动机台架对控制器的静态特性进行了标定实验，并研究了其动态特性。上海格令汽车电子有限公司开发的宽域氧传感器控制器以,该产品目前已投 入市场。此控制器匹配Bosch公司LSU系列的宽域氧传感器使用；控制器设计有 加热闭环控制电路来控制氧传感器保持在最佳的工作温度；设计有氧传感器故障 诊断功能；可以通过RS-232串行通讯接口或CAN总线方式与ECU进行通讯。1.3 课题来源和主要研究内容本课题是湖南省科技计划项目“汽车用宽域氧传感器的研制”（立项编号：2012GK3155）的一部分，基于Bosch公司生产的LSU4.2型宽域氧传感器开发了 一款宽域氧传感器控制器，论文研究的主要内容有：1.宽域氧传感器的工作原理分析，包括宽域氧传感器的内部结构和工作原理、宽域氧传感器控制器的控制方法和原理等；2.采用Freescale公司开发的MC9S12P128型单片机作为主控芯片、Bosch公 司开发的CJ125控制芯片作为核心控制模块进行宽域氧传感器控制器硬件部分的 开发；3.利用CodeWarrior软件作为开发平台，采用C语言编程设计宽域氧传感器 控制器的软件部分;7宽域氧传感器控制器开发4.在发动机台架上对开发的宽域氧传感器控制器进行静态和动态标定实验,修正与评价氧传感器控制器的工作性能。1.4 本章小结本章首先论述了宽域氧传感器及其控制器的应用背景及意义，然后介绍了国 内外对于宽域氧传感器控制器的研究现状，最后说明了课题的来源，明确了论文 的主要研究内容。8工程硕士学位论文第2章 宽域氧传感器的工作原理自从1973年氧传感器首次应用于汽车发动机的排放系统以来，氧化错氧传感 器依靠其灵敏性高、可靠性好、寿命长等优点，一直在多种汽车用氧传感器中占 据主流地位。40余年来汽车用氧传感器经历了几次的换代升级，最新出现的宽域 氧传感器在测量精度和测量范围等方面与其他氧传感器相比都更具有优势，其敏 感元件采用的依然是氧化错材料。宽域氧传感器是在前几代氧化错氧传感器的基 础上发展而来的，因此在对宽域氧传感器的工作原理进行深入探究之前，有必要 首先介绍一下这几款氧传感器。2.1 氧浓差型氧传感器2.1.1 工作原理氧浓差型氧传感器是基于德国物理化学家Walther Nernst在1889年提出的能 斯特(Nernst)原理设计的，其敏感元件采用的是氧化错固体电解质。氧传感 器安装在发动机排气歧管附近，氧化错的一侧与尾气相通，而另一侧则是参考空 气。由于尾气中和参考空气中的氧含量存在浓度差，当温度达到约300时氧化 错就具备了离子导电性，氧会以离子形态通过氧化错电解质由高浓度的参考空气 一侧向低浓度的尾气一侧进行扩散，根据Nernst原理，氧离子的扩散运动会使氧 化错的两侧会产生电动势。氧化错电解质就相当于一个氧浓差电池，参考空气一 侧是电池的阳极，尾气一侧是电池的阴极。电动势的大小与氧化错两侧气体中氧 离子浓度之比的对数成线性关系，可以按照式(2.1)进行计算：E=-ln(2.1)4F pex这就是Nernst方程。式中：E表示氧化错两侧产生的电动势；火表示气体常 数，其值为火=8.314/加。尸人；T表示氧化错的热力学温度，单位为K；厂表示 法拉第常数，其值为厂=96485。加。尸；夕何表示参考空气中的氧浓度；)时表示尾 气中的氧浓度。由于在没有任何催化剂的情况下氧化错两侧产生的电动势的值很小，因此氧 化错的两侧需要涂有伯(Pt)作为催化剂。伯能够促使尾气中残留的Ch与CO发生 反应生成C02，从而使氧化错两侧的氧浓度差增大，则产生的电动势也就随之而 增大34。通常将伯电极加工为多孔薄膜形态以提高氧传感器的工作性能。同时伯 也起到电极的作用，氧传感器通过铝电极及导线向ECU输出电压信号。为了防止 9宽域氧传感器控制器开发粕层被尾气污染腐蚀而导致性能变差甚至失效，伯层上还会涂有一层多孔陶瓷起 到保护作用。根据Nernst方程，由于参考空气中的氧浓度是固定值，因此当氧传感器达到 工作温度时，氧化错两侧的电动势随尾气中氧浓度的变化而变化，而尾气中的氧 浓度又与混合气的空燃比有关，因此氧传感器输出的电压信号便可以间接反映出 混合气的空燃比情况。氧浓差型氧传感器的输出特性曲线如图2.1所示。根据输出特性曲线可以看 出，当混合气的2/“一三三一S0 0 1 2过量空气系数;1图2.1氧浓差型氧传感器输出特性曲线氧浓差型氧传感器具有响应快、精度高、可靠性好、寿命长等优点，是目前 采用三元催化系统的汽车卜.应用最为广泛的氧传感器。根据敏感元件设计形状的 不同，氧浓差型氧传感器可以分为管式和片式的两种，最早出现的是管式的。2.1.2 管式氧浓差型氧传感器决定于氧化倍固体电解质的特点，氧浓差型氧传感器在其温度达到300C时 开始工作，而在750C左右时对混合气空燃比的变化反应最为灵敏Bl。早期的管 式氧传感器并没有专门的加热电路，仅仅依靠发动机尾气的热量进行加热，氧传 感器的启动时间很长，需要一两分钟才能达到300C的最低工作温度。这种氧传10工程硕士学位论文感器只有一根线，用于将电压信号输出至ECU,电压的另一极利用氧传感器的金 属外壳搭铁。图2.2所示为非加热型管式氧浓差型氧传感器的结构图。图2.2非加热型管式氧浓差型氧传感器1尾气入口 2氧化错管3 铝电极4弹簧5 绝缘座 6导线7空气入口 8金属保护罩为了解决非加热型氧传感器启动时间太长的问题，1983年带有加热元件的管 式氧传感器诞生。这种氧传感器在其氧化错空腔内装有加热陶瓷，从而使得在发 动机起动后2030秒内氧传感器即可达到工作温度Ml。图2.3所示为加热型管式 氧浓差型氧传感器的结构图。氧化错管加热元件箱电极/图2.3加热型管式氧浓差型氧传感器2.1.3 片式氧浓差型氧传感器尽管带有加热元件的管式氧浓差型氧传感器达到其工作温度仅需要半分钟左 右的时间，但在这段时间内汽车发动机尾气中仍然会排放出大量的污染物。因此，为了尽量避免发动机的早期排放，就需要尽可能地缩短氧传感器的启动时间，使 其能够尽快达到工作温度，控制混合气的空燃比在4=1附近。于是20世纪80年 代末，片式氧浓差型氧传感器问世。这种氧传感器将加热元件与氧化错敏感元件 集于一体，制成薄片，其体积比管式的更小，加热元件的热量可以直接传导至敏 感元件，热效率更高。因此相比于管式氧传感器，片式氧传感器的启动时间进一 步缩短，可以达到8秒以内；其另一个优点是功耗更低，仅约为管式氧传感器的 一半卬。图2.4所示为片式氧浓差型氧传感器的结构图。带有加热元件的氧浓差型氧传感器有三线型和四线型的两种：三线型的两根 线作为加热线与加热元件相连，另一根线用于电压信号输出，电压的另一极利用 氧传感器外壳搭铁；四线型的两根线是加热线，另外两根线则用于信号输出Ml。11宽域氧传感器控制器开发图2.4片式氧浓差型氧传感器1金属保护罩2支撑陶瓷3金属外壳4固定夹片5导线6支撑陶瓷7金属夹片8固定套9密封粉体10支撑体11 敏感元件12废气入孔2.2 极限电流型氧传感器氧浓差型氧传感器的输出特性决定了它在理论空燃比附近的反馈控制具有比 较高的精度，然而在稀薄燃烧范围内(即41时)，却只能够反映混合气的浓稀 情况，输出一个近似于0.1V的电压信号，并不能反映出混合气的具体空燃比值，ECU也就无法实现在稀薄燃烧范围内对于混合气空燃比的精准控制。因此，针对 稀薄燃烧系统，研究人员在片式氧浓差型氧传感器的基础上开发了极限电流型氧 传感器。如果氧化倍固体电解质两侧的气体中氧浓度不同，当温度超过300C时，氧 化错两侧会因氧离子的扩散运动产生电动势，且在750C左右时氧化错对氧离子 的移动活性达到最佳。相反，在合适的温度下，如果氧化错的两侧存在外加电压 的话，就可以使氧离子被动地通过氧化错固体电解质进行扩散而在回路中产生电 流3极限电流型氧传感器就是基于这一理念制成的。1 23PO u O7Up4图2.5极限电流型氧传感器工作原理示意图1敏感元件2扩散室3扩散小孔4参考室5加热元件极限电流型氧传感器的工作原理如图2.5所示，其氧化错敏感元件采用的是 片式结构。敏感元件两侧除了涂有伯(Pt)起到催化剂和电极的作用外，还在一侧 覆盖有一个带有扩散小孔的扩散障。扩散障包围形成的扩散室通过扩散小孔与尾 12工程硕士学位论文气相通，而另一侧则与外界大气相通，但极限电流型氧传感器工作时并不需要空 气作为参考气体。在敏感元件的两侧施加有一个电压，称为泵电压。工作时氧化 错固体电解质相当于一个泵氧电池，与外界大气相通的一侧是电池的阳极，尾气 一侧则是电池的阴极。泵电压的正极与泵氧电池的阳极相连，负极与电池的阴极 相连。而且，为了使氧传感器保持750C左右的最佳工作温度，其内部还设计有 专门的加热元件。当氧传感器达到工作温度时，在泵电压的作用下，阴极的氧分子获得电子而 形成氧离子，氧离子通过氧化错固体电解质移动至阳极，在阳极氧离子失去电子 又变成氧分子，就这样扩散室中的氧被排出至外界大气中，这个过程称为泵氧。在阴极和阳极发生的电化学反应的方程式NS分别为：阴极：O2+4e-2O2-(2.2)阳极：2O2-O2+4e(2.3)泵氧过程会在由外加电压与氧化错组成的回路中产