空燃比测控装置

摘 要：针对当前CNG发动机燃料无法充分燃烧而造成的能源浪费和大气污染问题。设计了一种基于宽域氧传感器的空燃比测控装置，该装置以STM32F103ZET6为控制核心，使用Bosch公司最新的LSU 4.9宽域氧传感器检测尾气，氧气传感器的温度控制采用PID闭环控制调节，实现对空燃比进行实时监控。以液晶电阻触摸屏为人机交互界面，完成氧气传感器加热控制、温度监测、空燃比、氧气含量和空燃比曲线显示功能。结果表明，本系统可完成数据采集、调理、存储、传输和处理整套功能，灵敏度高，反应时间段，采集数据直观显示，便于操作。

关键词：宽域氧传感器；CNG发动机；空燃比

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2015） 02-0000-01

今年来我国的经济得到了飞速的发展，但是伴随而来的能源消耗和污染问题接踵而至，尤其是大气污染问题，雾霾在我国的大部分地区频繁出现，给人们的健康和出行带来了严重的影响。而造成大气污染的重要原因之一就是发动机的尾气排放。本课题针对发动机不充分燃烧问题，研究CNG发动机空燃比控制策略和控制技术，开发了一种空燃比测控装置，实现CNG发动机最佳空燃比闭环控制，保证CNG发动机安全高效运行，有效的减少了燃油量和排气量，实现了能源的高效利用，在很大程度上减少尾气污染问题。

该测试系统主要由：氧气传感器、氧气传感器调理电路、温度采集电路、嵌入式显示模块、电源模块以及配套计算机软件和电缆组成。

一、系统整体框图

图1

二、主控制器

系统采用STM32F103ZET6为控制核心，含有两个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，拥有12kB Flash，64KB RAM，32位RISC性能处理器，72 MHz运行频率，16Mbit SPI串行Flash，丰富的外设接口，能够快速准确的对空燃比和氧传感器的温度进行实时监测控制。

三、宽域氧气传感器工作原理

在一定条件下（780℃和铂催化），利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。在高温及铂的催化下，带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上。由于大气中的氧气比废气中的氧气多，套管上与大气相通一侧比废气一侧吸附更多的负离子，两侧离子的浓度差产生电动势。当套管废气一侧的氧浓度低时，在电极之间产生一个高电压（0.6～1V），这个电压信号被送到ECU放大处理，ECU把高电压信号看作浓混合气，而把低电压信号看作稀混合气。

四、宽域氧传感器的调理电路工作原理

1.采集传感器氧传感膜片的反馈电压值VS，并与参考电压值（450mv）进行比较，从而反应发动机缸内混合气的状态。

2.VS电压与参考电压差值经过运算放大电路产生泵电流控制信号IP，再经过PID调节输出理想的泵电流控制信号IP，经传输到传感器，调节流经泵氧膜片排气中的氧气含量与理想的氧气含量相同。

3.采集泵电流通过某一特定的电阻产生的电压，将此电压经过两级放大电路形成0-5V之间变化的波形，将此波形传输到控制芯片并显示，从而观测氧传感器中排气中氧气的含量。

4.传感器的温度的实时监测，通过温度自动控制修正测量过程中由于温度变化带来的影响。

宽域氧传感器的泵电流的大小和方向反应了尾气的浓稀程度，传感器再将IP转换成电压Vout输出。同样通过改变IP的大小和方向就可以实现控制扩散室中尾气的浓度。宽域氧传感器的控制环路将泵电流IP信号通过内部调理电路转换成线性电压Vout，此电压的变化从0～5V连续变化，主控芯片接到宽域氧传感器的反馈的电压信号后将信号电压与基准电压比较，判定尾气的浓度后对加以控制。

五、温度采集电路

由于氧传感膜片的内阻阻值随温度变化而变化，所以可通过监测膜片的内阻值，实现对温度的监控，由CJ125的UR引脚输出。再通过ADC采集引脚UR电压信号，以此信号为加热控制的依据，通过PWM控制驱动加热电路，实现对加热电路的控制。

六、嵌入式显示模块

系统采用3.2电阻屏为人机交互界面，通过触屏控制可完成氧气传感器加热控制、温度监测、空燃比、氧气含量和空燃比曲线显示等功能。

七、电源

工作电压9-15V（典型电压12V），可直接经电源适配器连接汽车电源。

八、结束语

随着社会的发展，人们的生活水平不断提高，私家车的数量在与日俱增，大气污染的也随之加重。空燃比测控的研究有效的解决了燃料不充分燃烧造成的能源浪费和尾气污染问，缓解了大气污染问题。空燃比测控不仅可以应用于汽车发动机中，还可以应用于各种和燃料燃烧有关的方面，例如：飞机引擎的空燃比测定、加热炉热平衡的空燃比优化控制等。空燃比测控实现了能源的高效利用，最大程度上减少了废气的排放。

参考文献：

[1]陈林林，孙仁云 等.天然气发动机空燃比测控策略的研究与仿真[J].电子科技大学学报，2007，2：294-297

[2]申博，李国岫 等.天然气发动机空燃比发动机智能控制策略的研究[J].车用发动机，2005，1：1-4

[3]曹红兵，齐飞林.ZrO2氧传感器在在汽车排放控制系统中的应用[J].汽车电器，2008，4：8-12

[4]刘利，卓斌.PID控制在电控汽油机λ闭环控制中的应用及相关参数的标定[J].车用发动机，2000，2：17-20

[作者简介]李兆鑫（1992.10-），男，河北石家庄人，本科在读，研究方向：自动化；指导老师：杨朝。