線性寬域氧傳感器的特性分析

郭應(yīng)兵，廖發(fā)良（.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院監(jiān)理公司，陜西 西安 7008；.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程系，陜西 西安 7008）

線性寬域氧傳感器的特性分析

郭應(yīng)兵1，廖發(fā)良2
（1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院監(jiān)理公司，陜西 西安 710018；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程系，陜西 西安 710018）

摘 要：線性寬域氧傳感器能夠連續(xù)檢測(cè)空燃比為10～20的混合氣，相當(dāng)于過(guò)量空氣系數(shù)0.686～1.405，測(cè)量范圍廣，尤其能進(jìn)行過(guò)稀混合氣的測(cè)量。通過(guò)分析，該傳感器信號(hào)電壓為0～5V，其工作曲線平滑、線性度極強(qiáng)，并且檢測(cè)方法簡(jiǎn)單。隨著內(nèi)燃機(jī)稀燃技術(shù)的推進(jìn)，其應(yīng)用無(wú)疑越來(lái)越廣。

關(guān)鍵詞：寬量程；氧傳感器；輸出特性；測(cè)試分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.027

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-71-03

引言

隨著全球?qū)ζ?chē)尾氣排放要求的日益提高，各種先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)越來(lái)越多地裝車(chē)應(yīng)用，其可燃混合氣的范圍日漸擴(kuò)展，傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)型氧傳感器已不能滿(mǎn)足全范圍對(duì)混合氣濃度測(cè)試的要求，一種新型的全量程線性寬域氧傳感器開(kāi)發(fā)問(wèn)世，并逐漸裝車(chē)使用。

1、普通氧傳感器的特性分析

普通氧傳感器一般有4根線，其中2根是加熱線，第3根是信號(hào)線，另1根是接地線。它是在陶瓷體兩側(cè)附著二氧化錯(cuò)涂層，在350℃或更高的溫度下能傳導(dǎo)氧離子，傳感器兩側(cè)氧氣的濃度差使兩個(gè)表面之間產(chǎn)生電位差，且工作曲線非常陡峭，混合氣在接近理論空燃比時(shí)，輸出0.45V電壓?；旌蠚馍云珴鈺r(shí)，輸出電壓就突變?yōu)?.6V～0.9V；反之，混合氣變稀后，輸出電壓突變?yōu)?.3V～0.1V，如圖1。氧傳感器的最高極值電壓為0.9V，最低極值電壓為0.1V，意即混合氣過(guò)濃或過(guò)稀普通氧傳感器已無(wú)法測(cè)量。0.1V～0.9V的兩狀態(tài)電壓信號(hào)已無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)汽車(chē)排放的控制。它只能在混合氣為14.7:1的理論空燃比下，在混合氣燃燒后，對(duì)排氣中的含氧量在比較狹窄的范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于現(xiàn)代普遍采用的稀燃技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)，已超出普通氧傳感器的測(cè)量范圍。

2、線性寬域氧傳感器的結(jié)構(gòu)原理

線性寬域氧傳感器（Universal Exhaust Gas Oxygen Sens，簡(jiǎn)稱(chēng)UEGO）能夠提供準(zhǔn)確的空燃比反饋信號(hào)給ECU，從而ECU精確地控制噴油時(shí)間，使氣缸內(nèi)混合氣濃度始終保持理論空燃比值。線性寬域氧傳感器的使用提高了ECU的控制精度，最大限度地發(fā)揮了三元催化器的作用，更加有效地降低了有害氣體的排放。

根據(jù)氧傳感器的制造材料不同，寬域型氧傳感器可分為以氧化鋯為基體的固化電解質(zhì)型和利用氧化物半導(dǎo)體電阻變化型兩大類(lèi)，前者裝車(chē)使用較多。

2.1 線性寬域氧傳感器的結(jié)構(gòu)

寬域氧傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由1個(gè)普通窄范圍濃差電壓型氧傳感器（氧化鋯參考電池、1個(gè)界限電流型氧傳感器、氧化鋯泵電池）及擴(kuò)散小孔、擴(kuò)散室構(gòu)成。它需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳感器控制器來(lái)控制其正常工作，在圖2中傳感器控制器用A和B表示。尾氣通過(guò)擴(kuò)散小孔進(jìn)入擴(kuò)散室，氧化鋯參考電池感知混合氣的濃度后，產(chǎn)生電壓Us，根據(jù)混合氣濃度的不同，富油的濃混合氣將產(chǎn)生高于參考電壓UsRef的Us，傳感器控制器將產(chǎn)生一個(gè)方向的泵電流Ip，該泵電流Ip將氧氣泵入擴(kuò)散室內(nèi)進(jìn)行化學(xué)分解反應(yīng)，在廢氣中產(chǎn)生水和一氧化碳及一些氧化物，附著在泵氧元的表面。在化學(xué)反應(yīng)中將過(guò)多的碳?xì)浠衔锓纸?，從而降低了廢氣的濃度，使擴(kuò)散室恢復(fù)到Us電壓為0.45V的尾氣含氧濃度的平衡狀態(tài)。相反，富氧的稀混合氣將產(chǎn)生低于參考電壓UsRef 的Us，傳感器控制器將產(chǎn)生一個(gè)反方向的泵電流IP，該泵電流IP將氧氣泵出擴(kuò)散室。當(dāng)HC燃料或氧氣被中和時(shí)，參考電池產(chǎn)生的電壓Us等于參考電壓UsRef,此時(shí)的泵電流IP就反映了混合氣的濃度，傳感器控制器將泵電流IP轉(zhuǎn)換成輸出電壓Uout通過(guò)改變泵電流的極性（電流流動(dòng)方向）與大小就可以達(dá)到平衡擴(kuò)散室里的尾氣含氧量，如何將這個(gè)變化的泵電流再去控制發(fā)動(dòng)機(jī)ECU對(duì)噴油器噴油時(shí)間的調(diào)整，是至關(guān)重要的。在控制環(huán)路中有一塊DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）電路，該電路有二路輸出，一路將變化的泵電流信號(hào)通過(guò)放大數(shù)模轉(zhuǎn)換成線性電壓，此電壓從0V～5V連續(xù)變化，去控制發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的空燃比調(diào)整。另一路輸出脈寬調(diào)制信號(hào)去控制COM場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通與截止時(shí)間，給加熱器提供電流，加熱氧傳感器。

總之，線性寬域型氧傳感器由兩大部分組成：

一部分為感應(yīng)室，它的一面與大氣接觸而另一面是測(cè)試腔，通過(guò)擴(kuò)散孔與排氣接觸，和普通氧化鋯氧傳感器一樣，由于感應(yīng)室兩側(cè)的氧含量不同而產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，一般的氧化鋯傳感器將此電壓作為控制單元的輸入信號(hào)來(lái)控制混合比，而寬域型氧傳感器與此不同的是，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元需把感應(yīng)室兩側(cè)的氧含量保持一致，讓電壓值維持在0.45V，這個(gè)電壓只是電腦的參考標(biāo)準(zhǔn)值。

另一部分是傳感器的關(guān)鍵部件泵氧元，泵氧元一邊是排氣，另一邊是與測(cè)試腔相連。泵氧元就是利用氧化鋯傳感器的反作用原理，將電壓施加于氧化鋯組件即泵氧元上，這樣會(huì)造成氧離子的移動(dòng)，把排氣中的氧泵入測(cè)試腔當(dāng)中，使感應(yīng)室兩側(cè)的電壓值維持在0.45V。這個(gè)施加在泵氧元上變化的電壓，就是反映氧含量的信號(hào)電壓。如果混合氣太濃，那么排氣中含氧量下降，此時(shí)從擴(kuò)散孔益出的氧較多，感應(yīng)室的電壓升高。為達(dá)到平衡發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元增加控制電流使泵氧元增加泵氧效率，使測(cè)試腔的氧含量增加，這樣可以調(diào)節(jié)感應(yīng)室的電壓恢復(fù)的0.45v；相反混合氣太稀，則排氣中的含氧量增加，這時(shí)氧要從擴(kuò)散孔進(jìn)入測(cè)試腔，感應(yīng)室電壓降低，此時(shí)泵氧元向外排出氧來(lái)平衡測(cè)試腔中的含氧量，使感應(yīng)室的電壓維持在0.45v。所以，加在泵氧元上的電壓可以保證當(dāng)測(cè)試腔內(nèi)的氧多時(shí)，排出腔內(nèi)的氧，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的控制電流是正電流；當(dāng)腔內(nèi)的氧少時(shí)，進(jìn)行供氧，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的控制電流是負(fù)電流。以上過(guò)程供給泵氧元的電流就反映了排氣中的乘余空氣含量系數(shù)。

2.2 線性寬域氧傳感器的工作原理

線性寬域氧傳感器是在普通開(kāi)關(guān)型氧傳感器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)泵氧膜片。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排放氣體流經(jīng)寬域氧傳感器頭部時(shí)，它將反饋一個(gè)電壓信號(hào)給傳感器控制器，控制器以此判定缸內(nèi)混合氣濃度，隨后控制器將產(chǎn)生一個(gè)泵電流流經(jīng)線性寬域氧傳感器泵氧膜片，從而消耗過(guò)量的氧氣或燃料，使氣缸內(nèi)混合氣的濃度始終維持在理論值附近。

線性寬域氧傳感器的工作原理為：

1）采集傳感器的反饋信號(hào)；

2）產(chǎn)生泵電流控制信號(hào)；

3）通過(guò)采集泵電流流經(jīng)某一特定電阻產(chǎn)生的電壓，得知泵電流的大小，再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換輸入到控制芯片；

4）測(cè)量傳感器的內(nèi)阻變化，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換輸入到控制芯片，從而產(chǎn)生一個(gè)控制傳感加熱器的信號(hào)，使傳感器始終保持在最佳工作溫度。

寬域型氧傳感器的基本控制原理就是以普通氧化鋯型氧傳感器為基礎(chǔ)擴(kuò)展而來(lái)。氧化鋯型氧傳感器有一特性，就是當(dāng)氧離子移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。若相反將電動(dòng)勢(shì)加在氧化鋯組件上，即會(huì)造成氧離子的移動(dòng)，根據(jù)此原理，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元能獲取控制值。

3、線性寬域氧傳感器的特性分析

線性寬域氧傳感器的輸出特性如圖3，其工作曲線平滑，線性度極強(qiáng)，信號(hào)電壓為0～5V，能夠連續(xù)檢測(cè)的空燃比為10～20，相當(dāng)于過(guò)量空氣系數(shù)從0.686～1.405的范圍，測(cè)量范圍非常大，特別是能進(jìn)行過(guò)稀混合氣的測(cè)量。當(dāng)線性電壓為2.5V時(shí)，混合氣就達(dá)到了理論空燃比14.7的控制。在檢測(cè)寬量程氧傳感器時(shí)，不能用萬(wàn)用表及示波器進(jìn)行直接測(cè)量氧傳感器的端口線束電壓，只能用相關(guān)的專(zhuān)用檢測(cè)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析。在少數(shù)車(chē)上如新款本田，安裝在三元催化轉(zhuǎn)化器上游的線性寬域氧傳感器，其信號(hào)為泵電流信號(hào)，如圖4，這種氧傳感器又稱(chēng)空燃比（AFR）傳感器。

4、線性寬域氧傳感器的測(cè)試方法

線性寬域氧傳感器端子3和4是加熱器，其電壓值為12V；端子1是信號(hào)輸出，端子5和6是參考電壓，端子2是泵電流輸入，有部分氧傳感器端子5和6是作為同一個(gè)端子輸出。對(duì)線性寬域氧傳感器檢測(cè)時(shí)，通常采用兩種方法：一是利用儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)流的讀取，從而獲取信號(hào)電壓，判斷信號(hào)是否正常；二是通過(guò)線路接口端，采用人工方法測(cè)量加熱器的端電壓，從而判斷加熱器電路是否正常。

維修站通常采用的方法是讀取數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元將線性寬域氧傳感器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)流讀取顯示出來(lái)。線性寬域氧傳感器的電壓規(guī)定值為1.0V～2.0V。電壓值大于1.5V時(shí)，判定混合氣過(guò)稀；電壓值小于1.5V時(shí)，判定混合氣過(guò)濃。若電壓值為OV、1.5V、4.9V不變化時(shí)，說(shuō)明氧傳感器線路故障。用示波器測(cè)量電壓波形，峰值最高可達(dá)4.9V。

5、結(jié)論

線性寬域氧傳感器能夠連續(xù)檢測(cè)的空燃比為10～20，相當(dāng)于過(guò)量空氣系數(shù)0.686～1.405，測(cè)量范圍非常大，特別是能進(jìn)行過(guò)稀混合氣的測(cè)量，其工作曲線平滑，線性度極強(qiáng)，傳感器檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，隨著內(nèi)燃機(jī)稀燃技術(shù)的推進(jìn)，其應(yīng)用無(wú)疑越來(lái)越廣。

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Characteristic Analysis of Linear Wide Range Oxygen Sensor

Guo YingBing1, Liao Faliang2
（1.Supervision Company, Shaanxi College of Communication Technology, Shaanxi Xi’an 710018；2.Department of Automotive Engineering,Shaanxi College of Communication Technology, Shaanxi Xi’an 710018）

Abstract:Linear wide domain oxygen sensor can continuously detect air-fuel mixed gas ratio is 10 to 20, equivalent to the excess air coefficient 0.686 to 140.5, measuring range wide, especially for thin mixed gas measurement.through the analysis of the sensor signal voltage 0 ~ 5V, and the working curve smoothing, linearity is strong, and the detection method is simple, as the engine lean combustion technology advance, the application will undoubtedly become more and more widely.

Keywords:wide range; oxygen sensor; output characteristics; test analysis

作者簡(jiǎn)介：郭應(yīng)兵，就職于陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院監(jiān)理公司，擔(dān)任副總經(jīng)理職務(wù)。

中圖分類(lèi)號(hào)：U464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2015)10-71-03