賴健明， 劉昌文， 楊延相， 張 平， 郗大光

(1.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072;2.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072；3.浙江大學(xué) 能源工程系，浙江 杭州 310027；4.浙江福愛(ài)電子有限公司,浙江 杭州 310018)

基于LabVIEW的高效氧傳感器檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

賴健明1， 劉昌文1， 楊延相2， 張 平3， 郗大光4

(1.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072;2.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072；3.浙江大學(xué) 能源工程系，浙江 杭州 310027；4.浙江福愛(ài)電子有限公司,浙江 杭州 310018)

為了實(shí)現(xiàn)批量的氧傳感器的高效下線檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的氧傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。該方案采用按設(shè)定好空燃比變化規(guī)律循環(huán)的電控單元(ECU)控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，其產(chǎn)生的尾氣用來(lái)同時(shí)檢測(cè)一組氧傳感器。LabVIEW獲取ECU的空燃比變化規(guī)律同時(shí)控制單片機(jī)AD采樣獲得到的各氧傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)實(shí)時(shí)處理獲得的數(shù)據(jù)將得到一系列的氧傳感器性能參數(shù)。當(dāng)判斷所有參數(shù)測(cè)量完后，LabVIEW將自動(dòng)停止測(cè)量過(guò)程。通過(guò)用戶自定義且可標(biāo)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，軟件將直接給出每只所測(cè)氧傳感器的性能評(píng)價(jià)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確快速地檢測(cè)出氧傳感器的各種性能指標(biāo)，包括起燃激活時(shí)間、稀濃信號(hào)大小、稀濃響應(yīng)速度等。

氧傳感器； 性能檢測(cè)方法； 發(fā)動(dòng)機(jī)； 空燃比； LabVIEW

0 引 言

隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)都趨向于使用閉環(huán)控制的電噴系統(tǒng)，以消除產(chǎn)品空燃比控制的制造散差和耐久變化。氧傳感器是其中控制排放的關(guān)鍵一環(huán),一旦出現(xiàn)故障，電控單元(electronic control unit,ECU)將無(wú)法實(shí)時(shí)獲知排氣中的氧濃度信息，因而不能對(duì)空燃比散差進(jìn)行回饋控制，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放大幅增加、油耗增加、怠速不穩(wěn)[1]。因此，必須對(duì)生產(chǎn)的氧傳感器在下線時(shí)進(jìn)行性能參數(shù)的嚴(yán)格而準(zhǔn)確的檢測(cè)評(píng)判。

本文采用LabVIEW檢測(cè)系統(tǒng)與FAI(free armature injection)發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)相結(jié)合的方式，利用ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)在不同模式下產(chǎn)生不同狀態(tài)的廢氣，進(jìn)行氧傳感器性能檢測(cè)。FAI電噴系統(tǒng)采用電磁式脈沖加壓獨(dú)立噴射技術(shù)，并通過(guò)工作氧傳感器檢測(cè)排氣中的氧分子濃度，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并傳給ECU，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣的空燃比的精確控制[2]。本文利用LabVIEW圖形化編程環(huán)境，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的8通道氧傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)與ECU和下位機(jī)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧傳感器的快速自動(dòng)檢測(cè)、評(píng)價(jià)功能。

1 系統(tǒng)的工作原理與構(gòu)成

當(dāng)氧化鋯型氧傳感器的探頭溫度達(dá)到激活溫度以上時(shí)，氧化鋯就成為固態(tài)電解質(zhì)，氧離子從高濃側(cè)向低濃側(cè)擴(kuò)散，由此在兩電極間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)在理論當(dāng)量比附近會(huì)出現(xiàn)突然變化。開(kāi)關(guān)型氧傳感器直接利用氧傳感器輸出的電動(dòng)勢(shì)來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的稀濃[3]。

氧傳感器能夠正常工作，首先必須處于激活狀態(tài)，因此激活時(shí)間是一個(gè)重要指標(biāo)。其次濃狀態(tài)信號(hào)大小和稀狀態(tài)信號(hào)大小必須處于一定范圍，才能夠正確無(wú)誤地使用氧傳感器信號(hào)。再有對(duì)混合氣稀濃變化的響應(yīng)時(shí)間，也會(huì)影響信號(hào)的正確使用，特別是反饋調(diào)節(jié)的空燃比波動(dòng)結(jié)果。最后，傳感器電路不能斷路和短路，否則，用錯(cuò)誤的信號(hào)反饋控制內(nèi)燃機(jī)就會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果[4]。以上這些指標(biāo)經(jīng)過(guò)量化為參數(shù)，作為本系統(tǒng)評(píng)判氧傳感器性能的依據(jù)。

ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)按一定規(guī)律變化的空燃比工作，同時(shí)氧傳感器也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)規(guī)律變化的信號(hào)。LabVIEW上位機(jī)通過(guò)分析已有的ECU控制規(guī)律和采集到的氧傳感器電壓信號(hào)，分析各個(gè)性能參數(shù)與控制測(cè)量過(guò)程的啟停。用戶通過(guò)自己對(duì)氧傳感器的性能要求，填入或調(diào)入評(píng)價(jià)指標(biāo)，軟件直接通過(guò)對(duì)每只氧傳感器的實(shí)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià)指標(biāo)的比較，判斷出氧傳感器的品質(zhì)等級(jí)或合格與否。

本文所開(kāi)發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)由FAI電噴發(fā)動(dòng)機(jī)、設(shè)定好測(cè)量時(shí)序的ECU、排氣測(cè)量段、傳感器裝卡操作機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、AD采樣處理單元MECU和相應(yīng)的軟件組成，其裝置如圖1所示。

圖1 檢測(cè)裝置組成Fig 1 Composition of detecting device

2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

氧傳感器通過(guò)氣壓裝卡操作機(jī)構(gòu)固定在小型汽油發(fā)電機(jī)組的排氣測(cè)量段，可實(shí)現(xiàn)快速裝卸，其信號(hào)傳出線與MECU相連。

發(fā)動(dòng)機(jī)由經(jīng)改造的FAI電噴ECU閉環(huán)控制，按照檢測(cè)參數(shù)的需求，ECU將控制發(fā)動(dòng)機(jī)以一定的時(shí)序變化供油狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)由一系列濃狀態(tài)、當(dāng)量比反饋狀態(tài)和稀狀態(tài)組成的過(guò)程。

MECU使用Freescale處理器MC9SAW60作為主控芯片，其具有高達(dá)40 MHz的工作頻率，8通道10位快速AD采樣功能，完全滿足氧傳感器檢測(cè)需要。每通道A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，氧傳感器可以等效為有一定內(nèi)阻的電池，RO等效為氧傳感器內(nèi)阻，VO等效為氧傳感器的能斯特電動(dòng)勢(shì)。電源電壓通過(guò)R1，R2分壓形成參考電壓Vm，與MΩ級(jí)電阻R3相連，氧傳感器經(jīng)過(guò)R4限流電阻，與單片機(jī)相連。這里，氧傳感器內(nèi)阻RO、氧傳感器電壓VO和采樣電壓VC之間滿足如下關(guān)系，I為經(jīng)過(guò)R3的電流

Vm-VO=I(RO+R3+R4),

(1)

(2)

在氧傳感器處于冷態(tài)時(shí)Ro可看作無(wú)限大，采樣電壓VC基本等于參考電壓Vm，而在氧傳感器激活以后，Ro遠(yuǎn)小于R3，VC則基本等于氧傳感器電壓VO。在測(cè)試開(kāi)始后首先根據(jù)采樣得到的每個(gè)待測(cè)氧傳感器的冷態(tài)電阻，用來(lái)判斷傳感器連接電路是否短路[5]。

圖2 采樣電路Fig 2 Sampling circuit

單片機(jī)TPM2CH1捕獲管腳與ECU的狀態(tài)輸出口相連，用于獲得ECU的工作狀態(tài)。

下位機(jī)MECU編程使用Freescale公司的CodeWarrior開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)子程序模塊化編程，實(shí)現(xiàn)整體功能，具體程序結(jié)構(gòu)和流程如圖3所示。

圖3 MECU程序流程Fig 3 Flow chart of MECU program

本系統(tǒng)中，使用LabVIEW編程上位機(jī)軟件，設(shè)計(jì)采用生產(chǎn)者消費(fèi)者模式接收存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和狀態(tài)機(jī)模式控制界面跳轉(zhuǎn)，保證數(shù)據(jù)傳輸不失幀，同時(shí)具備控制測(cè)量過(guò)程、數(shù)據(jù)回放、評(píng)價(jià)處理等功能。其對(duì)數(shù)據(jù)的處理與對(duì)過(guò)程的控制如圖4。

圖4 LabVIEW程序數(shù)據(jù)處理與控制邏輯Fig 4 Data processing and control logic of LabVIEW program

3 參數(shù)測(cè)量策略與參數(shù)評(píng)價(jià)體系

根據(jù)氧傳感器在FAI電噴系統(tǒng)中的實(shí)際使用要求，本檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)以下幾個(gè)參數(shù):

1)冷態(tài)電阻RC:為氧傳感器在環(huán)境溫度下的電阻，用于檢測(cè)內(nèi)部是否有短路現(xiàn)象。

2)基本活化時(shí)間TS1：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，氧傳感器內(nèi)阻隨著溫度不斷升高而下降，因而，采樣電壓也會(huì)下降。采樣電壓到達(dá)1 020 mV以下的時(shí)間，記為T(mén)S1，作為表征氧傳感器啟動(dòng)過(guò)程的快慢的指標(biāo)之一。

3)濃態(tài)電壓Vr：氧傳感器激活后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)為過(guò)濃時(shí)，最大采樣電壓值。

4)稀態(tài)電壓Vl：氧傳感器激活后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)為過(guò)稀時(shí)，最小采樣電壓值。

5)最大稀濃切換幅度RDL：在預(yù)定時(shí)間后，ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行稀濃切換，采樣電壓的相應(yīng)變化幅度最大值為RDL，RDL也作為表征氧傳感器激活快慢的指標(biāo)之一。

6)濃稀響應(yīng)時(shí)間t2：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)從濃轉(zhuǎn)稀，采樣電壓下降到(Vr+Vl)/2以下的時(shí)間。

7)稀濃響應(yīng)時(shí)間t3：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)從稀轉(zhuǎn)濃，采樣電壓上升到 (Vr+Vl)/2以上的時(shí)間。

在氧傳感器安裝完成之后，ECU上電發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，傳感器溫度低，根據(jù)硬件電路和電壓采樣值，可以得到RC。

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的運(yùn)行狀態(tài)過(guò)程模式如圖5所示，ECU傳出一定頻率的脈沖寬度調(diào)制(PHM)波用以表征混合氣稀濃狀態(tài)，經(jīng)LabVIEW解析后，以0,1,2,3分別代表停機(jī)、稀態(tài)、當(dāng)量比、濃態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。ECU先以當(dāng)量比控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，傳出的狀態(tài)信號(hào)為2，這時(shí)的待測(cè)氧傳感器信號(hào)因溫度不斷上升導(dǎo)致內(nèi)阻下降，當(dāng)采樣電壓的峰值達(dá)到預(yù)設(shè)電壓值(例如：1 020 mV)以下的時(shí)間，記為T(mén)S1，此時(shí)可認(rèn)為氧傳感器已經(jīng)基本進(jìn)入活化狀態(tài)。在預(yù)設(shè)時(shí)間(例如：60 s)以后，ECU開(kāi)始稀濃切換(每種狀態(tài)持續(xù)2s、連續(xù)2次)，將這2次電壓幅度變化最大值作為RDL。RDL大于一定值，才正式確認(rèn)氧傳感器已經(jīng)進(jìn)入活化狀態(tài)。之后，ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)以當(dāng)量比控制運(yùn)行20 s，以充分加熱氧傳感器。再以濃狀態(tài)運(yùn)行20 s，測(cè)試氧傳感器保持濃信號(hào)的能力，將濃狀態(tài)最后2s的平均值記為Vr，之后，ECU再開(kāi)始稀濃切換(稀態(tài)1 s，濃態(tài)2 s，連續(xù)2次)，過(guò)程中稀態(tài)電壓最小值為Vl，由濃轉(zhuǎn)稀過(guò)程中，采樣電壓下降到 (Vr+Vl) /2以下的平均時(shí)間記為t2。由稀轉(zhuǎn)濃過(guò)程中，采樣電壓上升到 (Vr+Vl) /2以上平均時(shí)間值記為t3。t2和t3是表征氧傳感器對(duì)廢氣中氧濃度變化的響應(yīng)快慢的指標(biāo)。待檢測(cè)完畢所有參數(shù)后，上位機(jī)軟件將立即處理數(shù)據(jù)，并直接顯示結(jié)果。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)示意圖Fig 5 Schematic diagram of engine operating status

LabVIEW通過(guò)處理得到以上參數(shù)后，用戶通過(guò)點(diǎn)擊“評(píng)價(jià)”按鈕，可以修改、保存或加載評(píng)價(jià)方案，由于不同通道的氧傳感器溫度差異和應(yīng)用于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)氧傳感器的性能要求不一樣，用戶可以用標(biāo)準(zhǔn)的氧傳感器標(biāo)定每個(gè)安裝位置的檢測(cè)指標(biāo)，從而制定結(jié)果盡可能一致的評(píng)價(jià)方案標(biāo)準(zhǔn)。軟件編程中，通過(guò)移位寄存器，將評(píng)價(jià)方案動(dòng)態(tài)地加載到每一次數(shù)據(jù)處理中。

根據(jù)用戶選擇的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，軟件將自動(dòng)得到評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

取某一組氧傳感器進(jìn)行測(cè)量，完成整個(gè)測(cè)量流程后，經(jīng)軟件分析得到如表1所示。

表1 氧傳感器性能參數(shù)實(shí)測(cè)舉例Tab 1 Measured performances parameter of oxygen sensor

通過(guò)對(duì)該組傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：

1)通道5中Vr過(guò)低，Vl直接為0，表明該氧傳感器無(wú)法正常獲得氧濃差電壓，為不合格產(chǎn)品。

2)通道7,8中t2過(guò)大，表明這2只傳感器的稀濃響應(yīng)過(guò)慢，可能與氧傳感器外圍保護(hù)層有關(guān)[6]。

3)其他傳感器所有參數(shù)基本較好。

用標(biāo)準(zhǔn)氧傳感器作為待測(cè)氧傳感器，可以進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定，再考慮到實(shí)際電噴系統(tǒng)性能要求，確定一個(gè)優(yōu)良差的三級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，軟件將對(duì)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)做出優(yōu)良差判斷。本例使用表2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab 2 Evaluation criterion

可以得到表1所測(cè)一組傳感器的最后評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6所示，其中對(duì)號(hào)表示優(yōu)；感嘆號(hào)表示合格；叉號(hào)表示不合格。由軟件輸出結(jié)果可以看出，其中傳感器5,7,8的指標(biāo)不合格。

將該組氧傳感器分別安裝在FAI電噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，使用5#氧傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU直接判斷為失效氧傳感器，使用7#，8#氧傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)，空燃比波動(dòng)劇烈，燃燒扭矩波動(dòng)大，且排放變差，超出三效催化劑催化窗口。安裝其余編號(hào)氧傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)均運(yùn)行正常。結(jié)果顯示:該系統(tǒng)對(duì)氧傳感器的檢測(cè)合理有效。

圖6 氧傳感器性能評(píng)價(jià)結(jié)果Fig 6 Performance evaluation result of oxygen sensor

5 結(jié) 論

本文開(kāi)發(fā)了一種新的用于高效檢測(cè)氧傳感器的裝置，使用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣檢測(cè)氧傳感器，且空燃比由ECU直接控制，8個(gè)產(chǎn)品檢測(cè)流程在2 min內(nèi)完成，檢測(cè)高效可靠。通過(guò)LabVIEW上位機(jī)軟件和FAI電噴ECU以及測(cè)量MECU實(shí)時(shí)通信，可以自動(dòng)控制測(cè)量過(guò)程，并根據(jù)可標(biāo)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)直接判斷氧傳感器是否合格，減少了人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量評(píng)價(jià)的半自動(dòng)化，效率高。該裝置可用于氧傳感器生產(chǎn)的下線檢測(cè)。

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[2] 郗大光，高 君.電噴摩托車(chē)用氧傳感器的快速檢測(cè)系統(tǒng)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē).2006，35(6)：35-38

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賴健明 (1990-)，男，江西廣昌人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)電子控制。

Development of high efficient inspecting system for oxygen sensor based on LabVIEW

LAI Jian-ming1， LIU Chang-wen1， YANG Yan-xiang2， ZHANG Ping3， XI Da-guang4

(1.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Internal Combustion Research Institute,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.Department of Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;4.FAI Electronics Company,Hangzhou 310018,China)

In order to achieve the goal of high efficient inspection of oxygen sensor in production line,a kind of inspecting system for oxygen sensor is designed based on LabVIEW program system.The system detects a group of oxygen sensors via exhaust gaseous produced by engine which is controlled by ECU with preset running cycle process of changing air-fuel ratio.LabVIEW acquires ECU air-fuel ratio change rule and output signal of oxygen sensors at the same time,and these datas are processed simultaneously.With all the necessary performance parameters of the oxygen sensors are detected,the process of detecting will terminated by LabVIEW automatically.According to the criteria which can be calibrated set up by user，the software will present evaluation results of each oxygen sensor directly.Experimental results show that this system can inspect all the performance parameters accurately and rapidly,including the light-on time,thin and dense signal and response rate,etc.

oxygen sensor; performance inspection method; engine;air-fuel ratio; LabVIEW

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0105—04

2013—11—15

TP 212.2

A

1000—9787(2014)08—0105—04