陳煥波， 周 坤， 簡家文， 張 鑫， 鄒 杰

(寧波大學(xué) 信息與工程學(xué)院,寧波 315211)

空燃比分析儀是一種監(jiān)測燃燒后高溫廢氣中剩余氧氣含量的專業(yè)儀器，對于控制高溫燃燒狀態(tài)、減少廢氣中污染物的排放至關(guān)重要[1].空燃比分析儀主要用來測量過量空氣系數(shù)(理論空燃比/實際空燃比，用λ值來表示)和氧氣濃度值這兩個參數(shù)，它由寬域氧(UEGO)傳感器和控制系統(tǒng)兩部分組成.文中中所使用的UEGO傳感器是目前整車市場上廣泛使用的博世LSU4.9氧傳感器，控制系統(tǒng)由寧波大學(xué)(NBU)自主研發(fā)，可實時監(jiān)測UEGO傳感器的各個參數(shù).

針對空燃比分析儀的標(biāo)校方法，一般地分為濃燃(λ<1)和稀燃(λ>1)兩段分別標(biāo)校[2-4]，獲得的分段函數(shù)非連續(xù)，不能精確描繪極限電流Ip和過量空氣系數(shù)λ值的關(guān)系.同時該方法存在測量精度低，特別在λ=1附近處、二次標(biāo)校難以及計算成本大等缺點.為此文中提出了從濃燃至稀燃全量程的一段標(biāo)校方法.使用該方法除了可以彌補上述缺點外，在實際產(chǎn)品中具有極大的使用指導(dǎo)意義.

1 空燃比分析儀工作原理

空燃比分析儀由UEGO傳感器和控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.UEGO傳感器是內(nèi)嵌加熱器的平面氧化鋯雙電池結(jié)構(gòu)的極限電流氧傳感器，主要由擴(kuò)散小孔、測試腔、參比腔、加熱器、泵電池和能斯特電池組成[5].以稀燃情況為例，當(dāng)含有氧氣的廢氣由擴(kuò)散小孔進(jìn)入測試腔，基于氧濃差電池原理，由于測試腔和參比腔之間存在氧氣濃度差，在氧化鋯兩側(cè)電極上會產(chǎn)生一個能斯特電動勢V.

式中:R為氣體常數(shù)(8.314J/(mol·K))；T為工作溫度(K)；F為法拉第常數(shù)；P1為參比氣體氧分壓值；P2為被測氣體氧分壓值.

該能斯特電動勢與控制系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的450mV參考電壓(理想空燃比狀態(tài)時λ=1，對應(yīng)的能斯特電動勢為450 mV)進(jìn)行比較，通過比較器輸出的信號反饋至控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)動態(tài)地調(diào)節(jié)測試腔內(nèi)的氧氣濃度值，使其達(dá)到理想空燃比狀態(tài).具體過程為控制系統(tǒng)在泵電池兩極加載一個泵電壓，在測試腔內(nèi)的陰極處會得到電子形成氧離子(O2+4e→2O2-).氧離子穿過氧化鋯層在陽極處失去電子生成氧氣(2O2-→O2+4e)，因此測試腔內(nèi)的氧氣就被排出腔外.電子的得失及氧離子的移動會形成電流Ip，當(dāng)泵電壓增大到一定值時，會使得測試腔內(nèi)陰極表面的氧氣濃度值接近于0，Ip也不會再增大，此時形成極限電流.極限電流的正負(fù)代表了電流的方向，腔內(nèi)氧氣泵出電流為正，外界氧氣泵入電流為負(fù).

圖1 空燃比分析儀結(jié)構(gòu)圖

此外，UEGO傳感器在780℃左右才能穩(wěn)定工作，因此，空燃比分析儀的控制系統(tǒng)設(shè)計了加熱電路，并采回實時的溫度值做到閉環(huán)反饋的PID控制.同時為了得到不同氣氛下的極限電流值Ip，控制系統(tǒng)還增加了AD采樣電路，并將由單片機換算后的Ip顯示在人機交互界面上.

2 測試環(huán)境介紹

極限電流Ip與測試氣體的λ值存在一一對應(yīng)的關(guān)系，因此，文中的工作就是在濃燃至稀燃的全量程范圍內(nèi)找到一個具有工程應(yīng)用價值的公式對空燃比分析儀進(jìn)行標(biāo)校.為此文中搭建了針對空燃比分析儀的測試環(huán)境，其示意圖如圖2所示.測試環(huán)境由氣源發(fā)生裝置、氣路控制面板、測試腔體及尾氣排出裝置4個部分組成.其中，燃燒臺將煤氣和空氣按照一定比例燃燒產(chǎn)生氣源；氣路控制面板內(nèi)部的氣體流量計可控制流速；測試腔體包含進(jìn)氣孔和出氣孔及5個測試孔，可滿足5支傳感器同時測量，實驗中只用到兩支傳感器，故用其他傳感器將其余三孔封閉；尾氣排出裝置將尾氣排至空曠的大氣環(huán)境中.

圖2 測試環(huán)境示意圖

3 測試過程及數(shù)據(jù)分析

測試時利用燃燒臺設(shè)置12種不同λ值的氣氛(燃燒臺僅產(chǎn)生近似準(zhǔn)確的氣氛，此次不作為標(biāo)準(zhǔn)儀器).測試氣體依次通過空燃比分析儀和HORIBA-730λ儀(作為標(biāo)準(zhǔn)儀器)，待氣氛穩(wěn)定后記錄空燃比分析儀顯示的極限電流值和HORIBA-730λ儀的λ值，共12組Ip-λ值.多次重復(fù)上述實驗未發(fā)現(xiàn)差異較大者，遂取平均值.從濃燃至稀燃的12組Ip-λ值如表1所示，表中數(shù)據(jù)λ值從0.811至2.460，與其對應(yīng)的極限電流Ip從-1.113 mA至1.298 mA,呈正相關(guān).

分別以λ值和極限電流Ip為橫、縱坐標(biāo)，利用Origin軟件將表1的Ip-λ值進(jìn)行多項式擬合，擬合后的調(diào)整R方為0.997，說明擬合度較高，具體公式如下：

(1)

對(1)式進(jìn)行求導(dǎo)得：

(2)

Ip∈[-1.112,1.298]時，(2)式為正，即斜率恒大于0，驗證了實驗數(shù)據(jù)的正相關(guān)性.將擬合后的公式通過燒錄軟件寫入空燃比分析儀的控制系統(tǒng)中，完成標(biāo)校.為了驗證標(biāo)校后空燃比分析儀的測量精度，仍舊使用燃燒臺產(chǎn)生不同濃度的氣氛，記錄相應(yīng)的Ip-λ值；博世LSU4.9氧傳感器的datasheet中亦給出了若干組標(biāo)準(zhǔn)Ip-λ值.將測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)繪制于同一坐標(biāo)軸中，如圖3所示.兩條曲線趨勢一致且高度重合.當(dāng)λ<1時,Ip<0;當(dāng)λ>1時,Ip>0,符合UEGO傳感器的基本原理亦符合前述分析.在λ=1附近處曲線連續(xù)光滑，克服了兩段標(biāo)校的缺陷.

表1 λ值與極限電流Ip對應(yīng)關(guān)系表

圖3 空燃比分析儀與LSU4.9氧傳感器的Ip-λ值對比圖

文中還進(jìn)行了標(biāo)校后空燃比分析儀與HORIBA-730λ儀的對比測試.實驗過程同標(biāo)校時一致，使用燃燒臺產(chǎn)生不同濃度的氣氛，同時記錄兩臺設(shè)備的λ值.實驗數(shù)據(jù)如表2所示.表2中兩組數(shù)據(jù)最大相對誤差不超過1%.空燃比分析儀對HORIBA-730λ儀有較好的數(shù)據(jù)跟蹤.

表2 空燃比分析儀與HORIBA-730λ儀測試數(shù)據(jù)對比

4 結(jié) 論

從寬域氧氣傳感器的工作機理出發(fā)，通過搭建標(biāo)準(zhǔn)氣氛測試臺，結(jié)合自主開發(fā)的控制系統(tǒng)進(jìn)行多次試驗，獲得了多組Ip-λ數(shù)據(jù).利用Origin軟件進(jìn)行一段式公式擬合，完成了從濃燃至稀燃Ip-λ值的一段式標(biāo)定.該方法克服了傳統(tǒng)兩段式標(biāo)校方法精度低、實用性差等諸多缺點.將擬合后的公式應(yīng)用于控制系統(tǒng)，實驗證明使用該標(biāo)定方法獲得的數(shù)據(jù)與傳感器標(biāo)準(zhǔn)手冊的參數(shù)高度一致，并且能夠準(zhǔn)確跟蹤HORIBA-730λ儀，最大誤差不超過1%.