漆正剛，曾廣智，Gary Spring，許勻峰，王 聰，詹 迅

(重慶長安偉世通發(fā)動機控制系統(tǒng)有限公司產品研發(fā)部，重慶 401120)

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2015204

汽油車前氧傳感器響應性能主動診斷策略研究

漆正剛，曾廣智，Gary Spring，許勻峰，王 聰，詹 迅

(重慶長安偉世通發(fā)動機控制系統(tǒng)有限公司產品研發(fā)部，重慶 401120)

本文提出一種基于頻率和振幅的汽油車前氧傳感器電壓信號響應性能主動診斷策略。通過在特定工況下主動快速調整閉環(huán)燃油調節(jié)因子的波動幅度，以快速改變排氣系統(tǒng)廢氣成分，并在合理的采樣區(qū)間內計算氧傳感器電壓跳變頻率與跳變振幅，測試氧傳感器電壓信號響應性能。以氧電壓跳變頻率對主動燃油調節(jié)過程進行監(jiān)控，以氧電壓跳變振幅作為故障診斷指標。實車試驗驗證的結果表明，所提出的診斷方法能有效診斷氧傳感器從濃到稀遲滯、從稀到濃遲滯和雙向遲滯等典型響應故障，具有良好的實用性。

氧傳感器；主動診斷；電壓跳變；頻率；振幅

前言

車載診斷(on board diagnosis, OBD)系統(tǒng)是汽油車發(fā)動機電噴系統(tǒng)的重要組成部分，OBD識別并指示造成排放超標的故障原因、損壞類型和故障可能存在的位置，以故障代碼的形式將故障信息存儲于電控單元存儲器內，為售后維修提供極大便利[1-2]。氧傳感器信號直接用于閉環(huán)燃油控制，其信號精確度對于控制污染物排放影響至關重要，是OBD系統(tǒng)重要診斷項目之一，也是國家法規(guī)強制要求進行排放認證的三大項目之一[3-4]。

信號響應遲滯是加熱型排氣氧傳感器(heated exhaust gas oxygen sensor, HEGO)最常見的故障，主要滯后形式有氧電壓(實際指氧傳感器電壓，下同)從濃到稀方向遲滯、從稀到濃方向遲滯和從濃到稀及從稀到濃雙向遲滯。HEGO信號響應遲滯，會直接導致氧電壓跳變周期變長，因此國內學術界對于氧傳感器電壓響應速度的診斷主要從電壓濃稀轉換的時間角度出發(fā)。文獻[2]、文獻[5]和文獻[6]中提出以氧傳感器轉換速率、轉換頻率和轉換速率比等指標對氧傳感器電壓信號的響應速度進行診斷，其本質都是通過統(tǒng)計計算濃稀平均轉換時間，再與時間閾值比較從而得出診斷結論。除此之外，國內學術界關于氧傳感器信號響應診斷的公開文獻并不多見。本文中基于發(fā)動機控制系統(tǒng)平臺，提出一種以氧電壓跳變頻率和振幅為指標的前氧傳感器響應主動診斷策略，經試驗驗證具有良好的診斷效果。

1 氧電壓響應主動診斷邏輯構建

與基于時間角度對氧電壓信號進行自然搜集、判斷的被動過程[2,5-6]相比，主動診斷在滿足特定工況條件下通過主動快速調整閉環(huán)燃油調節(jié)因子的方式，使排氣系統(tǒng)廢氣成分快速變化，系統(tǒng)通過計算頻率和振幅的方式測試前氧電壓信號對于廢氣成分快速變化的反應速度，結合排放循環(huán)工況下的污染物排放值，判斷氧傳感器信號響應遲滯是否有使污染物排放結果超標風險。主動診斷基本流程見圖1。

主動診斷基本流程是：(1)診斷進入條件的判斷，進入條件主要有發(fā)動機轉速、負荷、車速和各參量變化率等工況條件，發(fā)動機水溫、進氣溫度和前后氧傳感器溫度等溫度條件，進入閉環(huán)燃油持續(xù)時間和發(fā)動機運行時間等時間條件，以及閉環(huán)燃油調節(jié)因子合理性范圍等；(2)閉環(huán)燃油主動燃油調節(jié)，快速高頻改變系統(tǒng)廢氣濃稀狀態(tài)；(3)在采樣區(qū)間內搜集前氧電壓信號，為后續(xù)計算做準備；(4)計算采樣區(qū)間信號的跳變頻率與跳變振幅；(5)判斷跳變頻率是否在設定區(qū)間，監(jiān)測主動燃油調節(jié)功能是否出錯；(6)如果計算出的跳變頻率處于合理區(qū)間內，則判斷故障完成診斷，本次駕駛循環(huán)不再進入主動診斷功能，否則重新進入。

2 主動燃油調節(jié)功能

在不進行前氧傳感器信號響應測試時，正常的閉環(huán)燃油調節(jié)因子根據(jù)氧傳感器電壓信號的實時狀態(tài)靠自適應算法作自調整，將混合氣濃度始終控制在理論空燃比上下的小區(qū)間內，以兼顧HC，CO和NOx對空燃比濃稀程度具有不同敏感特性的兩類排放物的轉化率[7-8]。

自適應算法的基本原理如下：

(1)

式中：β為閉環(huán)燃油調節(jié)因子；ρrev為燃油調節(jié)因子反向跳變幅度；S為氧傳感器濃(+1)稀(-1)狀態(tài)，由氧傳感器信號反饋狀態(tài)實時更新；Rmult為調節(jié)系數(shù)；Tsec為系統(tǒng)延遲時間，包括氧傳感器對廢氣濃度的響應延遲、系統(tǒng)通過計算過程識別到氧傳感器電壓濃稀轉換過程延遲和噴油器燃油噴射濃度變化到排氣系統(tǒng)廢氣濃度(λ)產生實際變化之間的延遲等三大延遲部分，如圖2所示；βbias為燃油調節(jié)因子偏差，調整偏差值可以將β整體偏離當量比。以上各參數(shù)均是通過一系列與工況相關的查表求值，再經過一系列修正得出。

滿足診斷條件后，閉環(huán)燃油進入新的自調節(jié)模式。自適應算法采用新的系統(tǒng)延遲時間以及新的燃油調節(jié)因子偏差，并且引入主動燃油因子，疊加到基本閉環(huán)燃油調節(jié)因子上，即

(2)

βnew(t)=β(t)+βmod(t)

(3)

式中：Tsec1和βbias1分別為新的系統(tǒng)延遲時間和燃油調節(jié)因子偏差；βnew為新的閉環(huán)燃油調節(jié)因子；βmod為主動燃油因子。

這樣設計的目的是為實現(xiàn)主動燃油獨立于正常閉環(huán)燃油的匹配標定，以最低程度減小對排放控制的影響。βmod疊加到正常閉環(huán)燃油因子后，在加快調節(jié)因子振蕩頻率的同時大幅度增加調節(jié)因子振蕩幅度，迫使廢氣濃度產生跳躍式變化。響應特性良好的氧傳感器能夠在電壓值Uus上迅速反映出廢氣濃度的跳躍變化，在燃油調節(jié)因子發(fā)生反向跳變之前就達到理想的電壓高低幅度。產生遲滯的氧傳感器由于對廢氣濃度反應速度減慢，在燃油調節(jié)因子發(fā)生反向跳變之前仍然未達到理想的電壓高低幅度，此時反向跳變的閉環(huán)燃油調節(jié)因子將廢氣濃度調整到相反方向，致使電壓振幅始終無法達到理想幅度。

主動燃油因子βmod計算流程如圖3所示，可以實現(xiàn)方波和正弦波等多種波形調節(jié)。如果需要方波，只須將查表函數(shù)fn_lam_shape所有值標定為1。頻率fdes決定主動燃油調節(jié)速率的快慢，Amult決定主動燃油調節(jié)因子波動幅度，這兩個參數(shù)是氧傳感器響應測試的關鍵標定量。Lcyc計數(shù)器控制主動燃油因子調節(jié)的循環(huán)次數(shù)。

3 信號采樣與識別

3.1 采樣區(qū)間的控制

主動燃油調節(jié)開始后，雖然氣缸內混合氣燃燒狀況立即發(fā)生變化，但由于系統(tǒng)存在時間延遲，氧傳感器對新的閉環(huán)燃油模式完全穩(wěn)定適應也需要一個過程，故應確保在氧傳感器測量點處搜集的電壓信號變化是主動閉環(huán)燃油調節(jié)的真實反映。

系統(tǒng)為此設定專門的計數(shù)器和標定限值，它們以當前的發(fā)動機轉速傳感器信號為基準進行循環(huán)計數(shù)。當計數(shù)值達到標定限值后，系統(tǒng)開始搜集前氧傳感器電壓值，即采樣開始，并從0開始累加采樣時間。與此同時，主動燃油調節(jié)循環(huán)次數(shù)計數(shù)器Lcyc也從0開始計數(shù)(圖3)，當其計數(shù)達到限值后采樣結束，并指令退出主動燃油調節(jié)，重新返回正常的閉環(huán)燃油模式。

3.2 采樣信號的頻率和振幅識別

系統(tǒng)以30ms的采樣周期從氧傳感器電路讀取電壓值。定義氧電壓從高電壓跳過切換點(一般為0.45V)達到低電壓為從濃到稀跳變，從低電壓跳過切換點達到高電壓為從稀到濃跳變，一次從濃到稀跳變加一次從稀到濃跳變構成一個完整的氧電壓跳變周期。在采樣區(qū)間內，須識別到氧電壓跳變次數(shù)，在采樣結束后，根據(jù)式(4)計算出氧電壓跳變頻率，以監(jiān)測主動燃油調節(jié)功能是否正確實現(xiàn)了以設定頻率fdes進行燃油的濃稀調整。

(4)

式中：fact為氧電壓跳變頻率；Scnt為氧電壓跳變次數(shù)；Tsample為采樣時間。

根據(jù)氧電壓跳變的定義，只須實時比較前后兩次電壓采樣值和切換點的大小，即可判斷氧電壓是否發(fā)生了跳變。然而，采樣過程中不可避免會有信號噪聲的干擾，特別是目前通常采用電子模擬裝置模擬電壓信號遲滯的過程中，由于模擬裝置處理電路產生的噪聲和氧傳感器本身噪聲的疊加，造成電壓信號在切換點附近的小區(qū)域內反復振蕩切換，使氧電壓跳變計數(shù)器Scnt無法準確計數(shù)，如圖4所示。

為過濾噪聲信號對計數(shù)器的干擾，在切換點附近設計一個回差區(qū)域，當首次識別到電壓跳變并累加計數(shù)器后，系統(tǒng)暫時鎖定計數(shù)器，當判斷到氧電壓信號跳變到回差區(qū)域外時，計數(shù)器鎖定解除，否則保持鎖定狀態(tài)。氧電壓跳變計數(shù)器計數(shù)流程如圖5所示。圖中：Uus為當前電壓采樣值；Uus_lst為上一采樣值；lock_flg為鎖定標志位；Uswtpoint為電壓跳變切換點；Uhyst為回差區(qū)域控制值。

在采樣區(qū)間內采集到的氧電壓信號，通過實時統(tǒng)計學分析計算濃峰值電壓和稀峰值電壓的平均值，在采樣結束后根據(jù)濃峰值電壓和稀峰值電壓即可計算出采樣區(qū)間內的電壓信號振幅。在主動燃油調節(jié)過程中，搜集到的氧電壓信號經常會呈現(xiàn)在某個循環(huán)中峰值電壓相較其余循環(huán)峰值電壓過低現(xiàn)象，因此在計算峰值電壓平均值時需要識別過低的峰值電壓并從計算中移除，消除對于峰值平均值計算的不良影響。經過識別后對于統(tǒng)計計算有效的電壓信號，一律通過rolling average算法進行過濾處理[9]：

rolav(St,St-Δt,C)=(St-St-Δt)×C+St-Δt

(5)

式中：rolav(…)為當前計算循環(huán)返回值；St為當前需要處理的有效值；St-Δt為上次計算循環(huán)返回值；C為過濾常數(shù)。

識別過低的峰值電壓，通過以下循環(huán)流程判斷，同時進行每一個主動燃油調節(jié)循環(huán)的峰值濃/稀電壓過濾處理，以便采樣結束時計算氧電壓跳變振幅。

(1) 采樣過程開始時，將平均濃電壓Uvegorh_bar、平均稀電壓Uvegoln_bar、峰值濃電壓Uvegopkrich和峰值稀電壓Uvegopklean全部初始化為濃稀電壓切換點Uswtpoint。

(2) 由當前電壓采樣值與平均濃電壓Uvegorh_bar比較，如果Uus>Uvegorh_bar-0.1，則允許平均濃電壓與峰值濃電壓過濾更新，否則舍棄；由當前電壓采樣值與平均稀電壓Uvegoln_bar比較，如果Uus

(3) 通過前后兩個氧電壓采樣值與跳變切換點Uswtpoint比較判斷是處于由濃到稀跳變或者由稀到濃跳變過程，是處于持續(xù)濃過程或者持續(xù)稀過程。

(4) 當識別到氧電壓由稀到濃跳變，并且處于持續(xù)濃過程(氧電壓大于0.45V)時，通過對采樣值取大方式，持續(xù)更新記錄持續(xù)濃過程的最大氧電壓值Uvego_pk_rh，并在接下來一次識別到氧電壓由濃到稀的跳變時按式(6)和式(7)過濾處理為峰值濃電壓Uvegopkrich：

Uvegopkricht=rolav(Uvego_pk_rh,Uvegopkricht-Δt,C1)

(6)

(7)

在整個持續(xù)濃過程中，對所有電壓采樣信號值按式(8)和式(9)持續(xù)更新計算平均濃電壓Uvegorh_bar：

Uvegorh_bart=rolav(Uus,Uvegorh_bart-Δt,C2)

(8)

(9)

平均濃電壓在下一次判斷到氧電壓由稀到濃跳變后處于持續(xù)濃過程時由步驟(2)舍棄過低的濃峰值電壓循環(huán)。圖6示意了氧電壓在濃電壓側的處理過程，其中序號d的循環(huán)由于峰值電壓過低被系統(tǒng)識別并舍棄。

(5) 與步驟(4)類似，當識別到氧電壓由濃到稀跳變，并且處于持續(xù)稀過程(氧電壓小于0.45V)時，通過對采樣值取小方式，持續(xù)更新記錄持續(xù)稀過程的最小氧電壓值Uvego_pk_ln，并在接下來一次識別到氧電壓由稀到濃的跳變時按式(10)過濾處理為峰值稀電壓Uvegopkrlean：

Uvegopkleant=rolav(Uvego_pk_ln,Uvegopkleant-Δt,C1)

(10)

在整個持續(xù)稀過程中，對所有電壓采樣信號值按式(11)持續(xù)更新計算平均稀電壓Uvegoln_bar：

Uvegoln_bart=rolav(Uus,Uvegoln_bart-Δt,C2)

(11)

平均稀電壓在下一次判斷到氧電壓由濃到稀跳變后處于持續(xù)稀過程時由步驟(2)舍棄過高的稀峰值電壓循環(huán)。

采樣結束時，系統(tǒng)根據(jù)式(4)計算氧電壓跳變頻率fact，根據(jù)式(12)計算氧電壓跳變振幅Uvego_amp：

Uvego_amp=Uvegopkrich-Uvegopklean

(12)

3.3 主動燃油自糾錯

主動燃油調節(jié)頻率由fdes控制，采樣結束后計算的氧電壓跳變頻率fact可以反映燃油系統(tǒng)是否受控在合理區(qū)間。如果滿足：

abs(fact-fdes)≤ferr_band

(13)

其中頻率誤差范圍ferr_band=fdes/Lmax

(14)

則表明主動燃油調節(jié)過程合理，將計算的電壓振幅Uvego_amp與標定限值比較，從而判斷是否產生氧電壓響應故障，如果小于標定限值則報告故障，如果大于標定限值表明當前氧傳感器老化程度不會有使污染物排放超標風險，測試通過，結束診斷。

如果跳變頻率超出合理范圍，表明主動燃油調節(jié)過程出錯，系統(tǒng)需要重新診斷。然而，當計算出的跳變頻率低于進行主動診斷的頻率下限ffreq_min時，即

fact

(15)

表明氧電壓缺乏跳變，無法滿足響應測試要求，本次駕駛循環(huán)放棄主動診斷，但當前嚴重的氧傳感器故障會由其他相關診斷策略識別。

4 主動診斷試驗研究

4.1 試驗硬件

以裝備LSF4型號的階躍信號加熱型氧傳感器的某微型商用車型為試驗研究對象，使用氧傳感器老化模擬裝置Aged HEGO Simulator-model 606對前氧傳感器信號進行劣化模擬處理，使用LA4空燃比采集器測量HEGO處實際廢氣濃度，使用HORIBA排放分析設備采集分析排放污染物，使用標定軟件ATI Vision進行數(shù)據(jù)采集。

在整車與PCM之間通過一個自制的轉接盒連接，斷開轉接盒上前氧傳感器信號PIN腳，將整車反饋的前氧信號輸入到老化模擬裝置內進行劣化處理，再將劣化后的前氧信號輸出給PCM以供閉環(huán)燃油控制。試驗裝置的連接實物圖如圖7所示。

4.2 功能試驗驗證

在發(fā)動機完全熱機后，以中小節(jié)氣門開度掛5擋70km/h的車速行車，維持發(fā)動機轉速在2 500r/min，此時進氣質量流量、發(fā)動機負荷和前氧傳感器溫度等所有進入條件均趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)自動進入閉環(huán)主動燃油調節(jié)。在相同的工況下，分別針對新鮮態(tài)氧傳感器無信號遲滯狀態(tài)(No delay)、模擬從濃到稀遲滯狀態(tài)(R-L delay)、從稀到濃遲滯狀態(tài)(L-R delay)和雙向遲滯狀態(tài)(R-L and L-R delay)進行試驗(有信號遲滯的狀態(tài)一律使用相同老化程度的設置方式)，使用ATI Vision軟件采集的試驗結果如圖8～圖11所示。

從試驗結果可以看出，主動閉環(huán)燃油調節(jié)開始后，閉環(huán)燃油調節(jié)因子便以更快頻率和更大幅度跳變，實測空燃比隨主動燃油的波動而大幅度波動，整個過程持續(xù)時間大約為5～6s。沒有信號遲滯的電壓跳變振幅大約為0.8V，而經過不同方式進行信號老化處理的氧電壓跳變振幅均在0.4V左右，只是從濃到稀遲滯與從稀到濃遲滯的振幅要略大于雙向遲滯的跳變振幅。試驗結果說明主動診斷策略能夠明顯區(qū)分正常響應的氧傳感器與故障氧傳感器，以振幅為指標評價氧傳感器信號響應性能具有合理性。

4.3 排放試驗驗證

由于主動燃油調節(jié)功能引起燃油系統(tǒng)的較大程度波動，必然導致排放結果惡化，但是主動燃油模式下的閉環(huán)燃油也給最大程度減小對排放的影響提供了充足的標定空間。經過排放試驗驗證，采用標定合適的氧傳感器主動診斷方式進行HEGO主動診斷時產生的污染物排放值可以控制在國五I型排放標準的3%以內。

表1為4個ECE工況加1個EUDC工況組合排放循環(huán)的污染物排放結果，表2為國五標準要求的基準質量小于1 305kg的第二類車OBD極限值[4]。采用相同老化程度設置的3種方式，R-L遲滯與L-R遲滯幾乎同時使排放污染物接近國五OBD限值，只是R-L遲滯使NOx接近限值，而L-R遲滯使非甲烷碳氫化合物(NMHC)和CO接近限值；雙向遲滯則使3種污染物幾乎都接近限值?；?種老化方式計算的振幅值差異較小，且排放污染物袋采結果差異也在合理的誤差范圍內，說明氧傳感器主動診斷策略具有良好的適應性。

表1 不同劣化方式下污染物排放值

表2 國五法規(guī)標準OBD極限值

5 結論

(1) 提出主動閉環(huán)燃油調節(jié)概念，并在現(xiàn)有閉環(huán)燃油控制系統(tǒng)基礎上進行了主動閉環(huán)燃油控制方法設計。

(2) 考慮閉環(huán)燃油系統(tǒng)延遲時間，確定合理的氧傳感器信號采樣區(qū)間。為屏蔽電子老化模擬裝置處理電路噪聲信號對氧傳感器跳變正常計數(shù)的影響，設計了防噪聲計數(shù)算法。采用rolling average算法對氧電壓信號進行過濾處理，設計氧電壓跳變振幅計算方法。

(3) 通過實車道路試驗和國五I型排放試驗，對氧傳感器響應主動診斷策略進行試驗驗證。試驗結果表明控制策略具有良好的適應性和實用性。

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A Study on the Active Diagnosis Strategy for the Response Performance ofUpstream HEGO Sensor in a Gasoline Vehicle

Qi Zhenggang, Zeng Guangzhi, Gary Spring, Xu Yunfeng, Wang Cong & Zhan Xun

DepartmentofProductionDevelopment,Chang’anVisteonEngineControlSystemCo.,Ltd.,Chongqing401120

An active diagnosis strategy for the response performance of upstream HEGO sensor voltage signals in a gasoline vehicle based on its frequency and amplitude is proposed in this paper. By actively and quickly modulating the fluctuation of closed-loop fuel regulating factor in particular working conditions, the constituents of exhaust gas is changed quickly. Then the jumping frequency and amplitude of HEGO sensor voltage is calculated in proper sampling intervals, and the response performance of HEGO sensor voltage signals is tested. The jumping frequency of HEGO sensor voltage is used to monitor active fuel regulating process, while its amplitude is used as fault diagnosis indicator. The results of real vehicle tests show that the diagnosis strategy proposed is very practical and effective in identifying typical HEGO sensor response faults, such as rich-to-lean delay, lean-to-rich delay and bidirectional delay.

HEGO sensor; active diagnosis; voltage jump; frequency; amplitude

原稿收到日期為2015年7月2日，修改稿收到日期為2015年8月10日。