開關(guān)型氧傳感器加熱控制應(yīng)用研究

楊 政， 薛亞飛， 于彬彬， 黃 璨

（重慶長安汽車股份有限公司， 重慶 400023）

1 前言

隨著日趨嚴(yán)苛的國家油耗、 排放等法規(guī)要求相繼實(shí)施，為了使發(fā)動機(jī)達(dá)到更優(yōu)的排放、 油耗， 需要使發(fā)動機(jī)盡量在理論空燃比附近工作。 氧傳感器作為發(fā)動機(jī)閉環(huán)控制、三元催化劑監(jiān)控的重要零部件， 其能夠直接影響發(fā)動機(jī)的排放、 油耗等性能。

由于氧傳感器在工作過程中， 對溫度變化較為敏感，不同溫度對輸出信號、 產(chǎn)品耐久、 故障診斷等都會有較大影響， 所以氧傳感器標(biāo)定最為核心的就是加熱溫度的標(biāo)定，通過對加熱溫度的標(biāo)定， 可以將傳感器控制在合理區(qū)間，從而實(shí)現(xiàn)氧傳感器信號的精確輸出以及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品長期使用的耐久性能。 但氧傳感器作為電噴系統(tǒng)核心部件， 其標(biāo)定匹配能力一直被全球少數(shù)的幾家公司如BOSCH、 DELPHI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。 為此， 深入研究氧傳感器加熱標(biāo)定， 掌握標(biāo)定技術(shù)十分重要。 本文將對應(yīng)用時間長、 范圍廣的開關(guān)型氧傳感器的加熱標(biāo)定控制進(jìn)行分析。

2 氧傳感器基本原理

2.1 基本原理

氧化鋯型傳感器是以氧化鋯為固態(tài)電解質(zhì)， 高溫時能使氧氣發(fā)生電離， 產(chǎn)生氧離子。 其能夠隨發(fā)動機(jī)排氣中氧氣濃度的變化而對應(yīng)輸出0～1V電壓， 實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)燃油閉環(huán)的控制， 其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氧傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

氧傳感器典型響應(yīng)曲線呈 “S” 形， 但溫度對其信號輸出也有較大影響。 氧傳感器響應(yīng)曲線如圖2所示。 所以， 如何有效控制氧傳感器的工作溫度， 成為影響發(fā)動機(jī)閉環(huán)控制的重要因素。

圖2 氧傳感器響應(yīng)曲線

2.2 基本控制電路

氧傳感器要能穩(wěn)定工作， ECU接口電路需與之匹配。其與ECU連接的匹配電路如圖3所示。

圖3 氧傳感器匹配電路

3 加熱控制介紹

氧傳感器一般工作溫度區(qū)間為600～800℃。 氧傳感器內(nèi)有一加熱元件電阻 （可以簡單理解為加熱絲）， 加熱控制主要是通過負(fù)極電路拉低的方式實(shí)現(xiàn)， 調(diào)節(jié)加熱電路實(shí)效電壓來實(shí)現(xiàn)對加熱功率P的調(diào)節(jié)。 溫度過高或過低都不利于氧傳感器正常工作。

式中： P——加熱功率； U——實(shí)際蓄電池電壓； u——名義加熱電壓；t——關(guān)閉加熱時間。 其加熱標(biāo)定控制流程如圖4所示。

圖4 開關(guān)氧傳感器加熱標(biāo)定流程

3.1 標(biāo)定準(zhǔn)備

由于氧傳感器加熱控制涉及露點(diǎn)標(biāo)定以及傳感器加熱溫度監(jiān)控等問題， 所以需要在進(jìn)行正式標(biāo)定前， 將針對露點(diǎn)標(biāo)定和氧傳感器樣件進(jìn)行布熱電偶改制。 圖5為排氣露點(diǎn)測試布置， 圖6為氧傳感器熱電偶布置。

圖5 排氣露點(diǎn)測試布置

圖6 氧傳感器熱電偶布置

3.2 露點(diǎn)標(biāo)定

當(dāng)混合空燃比等于1時， 排氣中水蒸氣約占12.5%， 在發(fā)動機(jī)起動后且排氣系統(tǒng)溫度較低的一段時間內(nèi)， 水蒸氣可能會冷凝到排氣管壁上， 而如果在這段時間內(nèi)氧傳感器陶瓷體 （鋯元件） 超過一定溫度 （不同產(chǎn)品存在差異）， 并且冷凝水飛濺到氧傳感器陶瓷體上， 陶瓷體就可能由于熱應(yīng)力而破裂。 一般而言， 排氣管壁溫度在50℃左右其水蒸氣就不會再冷凝， 溫度更高則會蒸發(fā)。 所以露點(diǎn)標(biāo)定就是驗(yàn)證在不同的溫度下從起動到水消失的時刻， 以便保證后續(xù)氧傳感器能夠全功率加熱快速起燃。 圖7為露點(diǎn)-溫度時間關(guān)系曲線。

圖7 露點(diǎn)-溫度時間關(guān)系曲線

若露點(diǎn)標(biāo)定時間過短，傳感器在液態(tài)水蒸發(fā)前就開始全功率加熱， 則容易出現(xiàn)傳感器水沖擊溫沖裂紋失效。 圖8為裂紋失效。

圖8 裂紋失效

3.3 預(yù)加熱標(biāo)定

在發(fā)動機(jī)未過露點(diǎn)前，為了讓通過露點(diǎn)后的氧傳感器快速升溫， 可以在露點(diǎn)前進(jìn)行預(yù)加熱， 通過加載小電壓 （一般2～3V） 將氧傳感器溫度控制在350℃以內(nèi) （該溫度內(nèi)即使遇到冷凝水也不會導(dǎo)致開裂）， 這樣在露點(diǎn)后全功率加熱氧傳感器能夠更快地達(dá)到目標(biāo)溫度。

3.4 全功率加熱標(biāo)定

在通過露點(diǎn)后， 氧傳感器需要全功率加熱 （最大電壓約13V）， 使氧傳感器能夠以最快速度達(dá)到目標(biāo)溫度， 但是由于電壓過大， 其持續(xù)加熱時間不能太長， 過長的時間會導(dǎo)致氧傳感器溫度超過1000℃ （不同產(chǎn)品約有差異） 極限耐溫限值， 從而導(dǎo)致氧傳感器超高溫產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋失效，如圖9所示。

圖9 網(wǎng)狀裂紋失效

3.5 穩(wěn)態(tài)工況、變工況加熱標(biāo)定

隨著發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行， 工況會隨時變化， 對應(yīng)排氣溫度、 排氣流量都會存在較大變動， 導(dǎo)致排氣熱量對傳感器的加熱量波動， 加熱電路補(bǔ)償熱量也需要進(jìn)行調(diào)整， 保證氧傳感器始終運(yùn)行在最優(yōu)溫度區(qū)間。 圖10為根據(jù)某機(jī)型實(shí)際標(biāo)定的加熱控制表。

圖10 氧傳感器加熱電壓-排氣溫度-流量關(guān)系表

該加熱控制尤其需要注意對相關(guān)極端工況 （高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷） 的穩(wěn)態(tài)、 瞬態(tài)的數(shù)據(jù)檢查 （圖11）， 避免出現(xiàn)短時超溫情況， 其長期累積后也容易導(dǎo)致氧傳感器裂紋失效。

圖11 工況 （車速） -溫度檢查

3.6 加熱溫度的監(jiān)控

由于氧傳感器內(nèi)阻隨溫度升高而降低 （圖12）， 所以在部分控制系統(tǒng)上也通過對內(nèi)阻的監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)對氧傳感器是否達(dá)到目標(biāo)溫度的反饋， 對加熱標(biāo)定的精度提升有較大好處。

圖12 氧傳感器內(nèi)阻-溫度曲線

3.7 整體加熱控制過程

根據(jù)上述整個加熱流程后， 就基本實(shí)現(xiàn)了氧傳感器加熱標(biāo)定工作， 氧傳感器加熱控制示意如圖13所示。

圖13 氧傳感器加熱控制示意圖

4 結(jié)束語

隨著國Ⅵ法規(guī)執(zhí)行日趨臨近， 后續(xù)對發(fā)動機(jī)燃燒控制要求越來越高。 氧傳感器作為閉環(huán)控制的重要零部件， 其匹配工作尤為重要。 通過對氧傳感器加熱進(jìn)行精確控制，避免過早、 過度加熱損壞氧傳感器， 能夠較好保證氧傳感器信號的精度， 從而提升燃油經(jīng)濟(jì)性， 滿足國家排放法規(guī)。隨著國家排放法規(guī)日益嚴(yán)格， 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， 本次氧傳感器加熱控制應(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。