氧傳感器結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)集成應(yīng)用研究

易開紅，楊 政，余小舟

（重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023）

汽車改變了人類生活方式，但與此同時(shí)對(duì)空氣品質(zhì)也產(chǎn)生了巨大的影響。汽車尾氣中含有CO、HC和NOX等有毒、有害氣體，自從1970年有些國家制定了嚴(yán)格的汽車廢氣排放法規(guī)以來，汽車廢氣凈化裝置蓬勃發(fā)展，起主導(dǎo)地位的是三元催化轉(zhuǎn)換器技術(shù)，為了使三元催化轉(zhuǎn)換器凈化效率最好，氧傳感器是必不可少的器件［1］。自從1976年博世公司首先在沃爾沃車上裝用了氧傳感器以來，氧傳感器已成為燃燒控制技術(shù)中最重要的功能部件之一。氧傳感器的作用，不僅用于通過檢測尾氣中氧氣含量閉環(huán)控制混合氣空燃比，達(dá)到三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率最佳以及提升燃油經(jīng)濟(jì)性的目的，而且還能通過安裝在催化轉(zhuǎn)換器后端檢測出催化劑的老化狀況［2］。

氧傳感器作為電子燃油噴射系統(tǒng)核心部件，長期由電噴系統(tǒng)供應(yīng)商打包供貨，與電子控制單元（ECU）硬件集成、匹配標(biāo)定等技術(shù)一直被全球少數(shù)的幾家公司（如BOSCH、DENSO等）所掌握，該現(xiàn)狀不利于主機(jī)廠進(jìn)行精細(xì)化標(biāo)定，不利于品質(zhì)快速提升，也不利于成本有效控制。為此，深入研究氧傳感器與ECU之間的集成應(yīng)用十分重要，世界一流汽車公司已經(jīng)掌握該技術(shù)，中國少數(shù)企業(yè)如比亞迪、長安、奇瑞等也開展了該傳感器的集成應(yīng)用研究，并逐步投入實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用。

氧傳感器包括開關(guān)型和寬域型，本文僅分析、研究應(yīng)用時(shí)間長、范圍廣的開關(guān)型氧傳感器。

1 氧傳感器工作原理及典型結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

按傳感元件的材料劃分，氧傳感器分為氧化鋯型（ZrO2）和氧化鈦型（TiO2），兩者基本工作原理不同［3］。

氧化鈦型傳感器的工作原理與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器類似，內(nèi)部包含的電阻器阻值隨被測量氧氣的變化而不同，據(jù)此反饋信號(hào)至ECU控制空燃比。當(dāng)前，氧化鈦型傳感器僅有少數(shù)車輛使用，本文不作進(jìn)一步分析。

氧化鋯型傳感器的核心元件氧化鋯為固態(tài)電解質(zhì)的一種，具有在高溫時(shí)氧離子易于移動(dòng)的特性，此型氧傳感器將氧化鋯燒結(jié)成管狀或者片狀，并在內(nèi)層與外層涂上起氧化觸媒作用的鉑金（Pt），高溫時(shí)能使氧氣發(fā)生電離，產(chǎn)生氧離子。傳感器的工作原理類似于固體原電池，氧化鋯外側(cè)暴露于汽車廢氣中，氧離子濃度將根據(jù)實(shí)際工況的不同而變化，內(nèi)側(cè)為參考空氣，氧離子濃度是恒定不變的，根據(jù)電化學(xué)原理，兩側(cè)電極間氧離子因濃度的差異發(fā)生移動(dòng)，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生電勢差，即信號(hào)電壓，這樣即可定性檢測出廢氣中氧氣含量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比為稀時(shí)，廢氣中氧離子濃度相對(duì)較高，內(nèi)外電極間氧離子濃度差就小，亦即電勢差小，傳感器的輸出電壓信號(hào)接近0V；反之，當(dāng)空燃比為濃時(shí)，廢氣中氧離子濃度也相對(duì)較低，內(nèi)外電極間氧離子濃度差就大，亦即電勢差大，傳感器的輸出電壓接近1V。

氧化鋯產(chǎn)生電勢差滿足能斯特方程（Nernst equation）［3］：

式中：E——電勢差；R——?dú)怏w常數(shù)；T——絕對(duì)氣體溫度；F——法拉第常數(shù)；PO2Ai——參考空氣氧分壓；PO2Exh——廢氣氧分壓。氧傳感器典型響應(yīng)曲線呈“S”形，如圖1所示。

圖1 氧傳感器響應(yīng)曲線

1.2 典型結(jié)構(gòu)

氧傳感器按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以分為管式、平板式結(jié)構(gòu)，也可分為呼吸型、泵電流型結(jié)構(gòu)。

1.2.1 管式、平板式結(jié)構(gòu)

根據(jù)氧化鋯燒結(jié)的形狀，氧傳感器可分為管式和平板式結(jié)構(gòu)。

1）管式是把各個(gè)功能層疊在一起，氧化鋯成為管狀，加熱器位于鋯管的中心位置。管式氧傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2）平板式即為采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)把各個(gè)功能層（內(nèi)外電極、加熱元件等）疊在一起，氧化鋯成為片狀。平板式氧傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 管式氧傳感器結(jié)構(gòu)

圖3 平板式氧傳感器結(jié)構(gòu)

1.2.2 呼吸型、泵電流型結(jié)構(gòu)

由氧傳感器工作原理可知，要求內(nèi)側(cè)參考空氣腔的氧氣含量不變，為了滿足此條件，需要及時(shí)補(bǔ)充內(nèi)側(cè)氧氣。根據(jù)補(bǔ)充內(nèi)側(cè)（參考空氣腔）氧氣的方式，氧傳感器可以分為呼吸型和泵電流型。

1）呼吸型氧傳感器的參考空氣腔通過微小孔道（特殊呼吸薄膜）與外界新鮮空氣相通，腔內(nèi)氣體與環(huán)境大氣保持平衡，以此保持腔內(nèi)氧氣含量不變。

2）泵電流型氧傳感器需要ECU向傳感器信號(hào)端提供電流（典型值：7～13μA），以將廢氣側(cè)的氧離子泵進(jìn)參考空氣腔，從而使腔內(nèi)氧氣含量保持不變。

2 系統(tǒng)集成應(yīng)用分析

為了達(dá)到氧傳感器靈活選型，需要實(shí)現(xiàn)傳感器與ECU系統(tǒng)集成應(yīng)用（即ECU供應(yīng)商為A，氧傳感器供應(yīng)商為B等其他廠家的這類應(yīng)用）。氧傳感器系統(tǒng)集成應(yīng)用分析步驟如圖4所示。

圖4 氧傳感器系統(tǒng)集成分析步驟

2.1 硬件電路匹配分析

2.1.1 信號(hào)電路匹配分析

氧傳感器需要能穩(wěn)定地工作，ECU接口電路需與之匹配。呼吸型、泵電流型的ECU電路不盡相同，區(qū)別主要體現(xiàn)在是否包含提供泵電流的電路。

呼吸型氧傳感器對(duì)應(yīng)ECU與之匹配電路典型結(jié)構(gòu)如圖5所示，僅部分ECU包含虛線框內(nèi)的電路，其作用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：濾波、電壓預(yù)置、內(nèi)阻診斷。

圖5 呼吸型氧傳感器信號(hào)匹配電路

泵電流型氧傳感要求ECU配置相應(yīng)的電路硬件提供泵電流，同時(shí)，配置電阻使得泵電流限制在允許值范圍。典型匹配電路如圖6所示，其作用主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：濾波、電壓預(yù)置、內(nèi)阻診斷、泵電流提供。

2.1.2 加熱電路匹配分析

氧化鋯最佳工作溫度在650～800 ℃區(qū)間，為了使傳感器獲得最佳的工作信號(hào)，需要對(duì)傳感元進(jìn)行加熱。氧傳感器加熱電路通常為：一端接整車主繼電器，另一端接ECU控制端，與加熱驅(qū)動(dòng)電路連接，該端口輸出占空比信號(hào)，不加熱時(shí)維持與主繼電器端相同的電壓，加熱時(shí)電壓拉低至搭鐵電位。

氧傳感器老式加熱驅(qū)動(dòng)電路通過場效應(yīng)管等分離器件實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)今通常采用集成電路來驅(qū)動(dòng)。

圖6 泵電流型氧傳感器信號(hào)匹配電路

2.2 加熱策略分析

根據(jù)燃燒分析，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中含有大量水氣，占比高達(dá)10%以上，露點(diǎn)溫度前，存在大量的液態(tài)水。氧化鋯具有當(dāng)溫度超過350℃左右時(shí)遇到液態(tài)水易熱沖擊炸裂的物理特性，因此，加熱策略及參數(shù)標(biāo)定極為關(guān)鍵，加熱器需要通過不同的占空比精確控制加熱功率，以此確保：露點(diǎn)前，以較小功率進(jìn)行預(yù)加熱，避免傳感元受熱沖擊炸裂損壞；露點(diǎn)后，進(jìn)行全功率加熱，以便傳感元盡快達(dá)到最佳工作溫度。

此外，鋯元件溫度過高或者變化過快均會(huì)加速其老化，為了避免此問題，全功率加熱一段時(shí)間后（通常為氧化鋯溫度達(dá)到750℃左右時(shí)）調(diào)整至部分功率加熱，通過調(diào)整占空比盡量保持傳感器陶瓷體氧化鋯的溫度恒定；受廢氣溫度的影響，當(dāng)氧化鋯溫度達(dá)到900℃左右時(shí)，加熱控制關(guān)閉，停止加熱，實(shí)現(xiàn)高溫保護(hù)。

管式氧傳感器由于傳感器體積較大，加熱棒與鋯元件未直接連接，為了達(dá)到快速升溫的目的，其需要更大的加熱功率；平板式氧傳感器由于結(jié)構(gòu)較小，鋯元件與加熱層直接貼合，加熱功率較低。

冷機(jī)狀態(tài)氧傳感器典型加熱策略如圖7所示。

圖7 冷機(jī)狀態(tài)氧傳感器加熱策略

加熱量與加熱器電阻值以及加熱有效電壓密切相關(guān)。不同型號(hào)產(chǎn)品的加熱器電阻值不同，相同加熱策略下加熱量則不同，會(huì)密切影響傳感器信號(hào)輸出。因此，氧傳感器集成應(yīng)用時(shí)需要精確標(biāo)定加熱相關(guān)參數(shù)。

同一傳感器不同溫度條件信號(hào)輸出差異情況如圖8所示；相同加熱策略不同型號(hào)傳感器信號(hào)輸出差異情況如圖9所示。

圖8 不同溫度傳感器輸出信號(hào)

圖9 不同型號(hào)傳感器輸出信號(hào)

2.3 集成應(yīng)用綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 信號(hào)特性與閉環(huán)修正

電噴系統(tǒng)閉環(huán)控制下，氧傳感器穩(wěn)定工作時(shí)輸出信號(hào)呈現(xiàn)類似正弦波形，其信號(hào)品質(zhì)受匹配電路、加熱溫度等因素影響。傳感器信號(hào)品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)有反應(yīng)時(shí)間、幅值、周期等，單級(jí)催化器前氧傳感器信號(hào)參數(shù)典型值見表1［4］。

在發(fā)動(dòng)機(jī)電噴控制中，為了同時(shí)降低HC、 CO和NOx，必須把混合氣的空然比很好地控制在催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率最佳的窗口內(nèi)，如圖10所示［5］。這依賴于燃油修正系數(shù)閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)，氧傳感器信號(hào)是閉環(huán)控制的核心參數(shù)，與燃油修正系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系示意如圖11所示［5］。

圖10 閉環(huán)控制與排放關(guān)系圖

圖11 傳感器信號(hào)與燃油修正系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

不同的氧傳感器的輸出信號(hào)、響應(yīng)特性將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃油閉環(huán)的控制，需要在前期對(duì)相關(guān)特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)跟蹤檢查燃油修正系數(shù)。不同傳感器信號(hào)差異對(duì)燃油修正系數(shù)造成影響，如圖12所示。

圖12 不同傳感器信號(hào)差異對(duì)燃油修正系數(shù)影響

2.3.2 整車在線診斷（OBD）

氧傳感器OBD診斷主要分為3個(gè)板塊。

1）線路通路、斷路、短路診斷：該診斷主要為電線路或傳感器損壞檢查，主要與ECU接口電路相關(guān)，不同的接口電路、預(yù)設(shè)電壓，將影響診斷閾值的設(shè)置。圖13為閾值設(shè)置示意圖。

圖13 電路診斷閾值示意圖

2）信號(hào)合理性診斷：由于不同的氧傳感器信號(hào)輸出、響應(yīng)存在差異，相同傳感器不同車型布置位置、控制策略等也存在差異，因此需要先預(yù)設(shè)傳感器特性參數(shù)，再結(jié)合實(shí)車轉(zhuǎn)轂、排放測試數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化標(biāo)定。信號(hào)合理性診斷如圖14所示。

圖14 信號(hào)合理性診斷示意圖

3）三元催化劑診斷：在整車排放控制中，三元催化劑起到了十分重要的作用，但其本身沒有自我狀態(tài)診斷的能力，往往是通過在特性工況下主動(dòng)控制空燃比，同時(shí)監(jiān)控前、后氧傳感器輸出信號(hào)的差異來評(píng)估其催化能力是否滿足排放法規(guī)要求。氧傳感器信號(hào)的精確標(biāo)定分析是該診斷功能的核心。正常三元催化劑診斷信號(hào)如圖15a所示；異常三元催化劑診斷信號(hào)如圖15b所示。

圖15 三元催化劑診斷信號(hào)

3 結(jié)束語

隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)格，汽油機(jī)的空燃比需要快速、準(zhǔn)確閉環(huán)控制，氧傳感器作為電噴系統(tǒng)核心部件參與氧含量檢測。氧化鋯型傳感器占據(jù)著市場主導(dǎo)地位，無論是管式結(jié)構(gòu)還是平板式結(jié)構(gòu)，均需要ECU硬件電路匹配；需要通過占空比精確控制加熱功率，避免過早、過快、過度加熱損壞傳感元；需要在匹配時(shí)對(duì)氧傳感器信號(hào)參數(shù)進(jìn)行精確標(biāo)定，提升燃油經(jīng)濟(jì)性，滿足國家排放法規(guī)。

隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，國家排放法規(guī)日漸加嚴(yán)，中國汽車品牌迫切需要打破國外公司的技術(shù)壟斷、捆綁銷售，逐步將電噴零部件選型、匹配等核心技術(shù)掌握在自己手中，本次氧傳感器系統(tǒng)集成應(yīng)用的研究，也能為其它電噴零部件的拆包工作提供一定的參考意義。