線性寬域氧傳感器的特性分析

郭應兵，廖發良（.陜西交通職業技術學院監理公司，陜西 西安 7008；.陜西交通職業技術學院汽車工程系，陜西 西安 7008）

線性寬域氧傳感器的特性分析

郭應兵1，廖發良2
（1.陜西交通職業技術學院監理公司，陜西 西安 710018；2.陜西交通職業技術學院汽車工程系，陜西 西安 710018）

摘 要：線性寬域氧傳感器能夠連續檢測空燃比為10～20的混合氣，相當于過量空氣系數0.686～1.405，測量范圍廣，尤其能進行過稀混合氣的測量。通過分析，該傳感器信號電壓為0～5V，其工作曲線平滑、線性度極強，并且檢測方法簡單。隨著內燃機稀燃技術的推進，其應用無疑越來越廣。

關鍵詞：寬量程；氧傳感器；輸出特性；測試分析

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

隨著全球對汽車尾氣排放要求的日益提高，各種先進的內燃機技術越來越多地裝車應用，其可燃混合氣的范圍日漸擴展，傳統的開關型氧傳感器已不能滿足全范圍對混合氣濃度測試的要求，一種新型的全量程線性寬域氧傳感器開發問世，并逐漸裝車使用。

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根是信號線，另1根是接地線。它是在陶瓷體兩側附著二氧化錯涂層，在350℃或更高的溫度下能傳導氧離子，傳感器兩側氧氣的濃度差使兩個表面之間產生電位差，且工作曲線非常陡峭，混合氣在接近理論空燃比時，輸出0.45V電壓。混合氣稍偏濃時，輸出電壓就突變為0.6V～0.9V；反之，混合氣變稀后，輸出電壓突變為0.3V～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，意即混合氣過濃或過稀普通氧傳感器已無法測量。0.1V～0.9V的兩狀態電壓信號已無法滿足對汽車排放的控制。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，對排氣中的含氧量在比較狹窄的范圍內進行檢測，對于現代普遍采用的稀燃技術發動機，已超出普通氧傳感器的測量范圍。

2、線性寬域氧傳感器的結構原理

線性寬域氧傳感器（Universal Exhaust Gas Oxygen Sens，簡稱UEGO）能夠提供準確的空燃比反饋信號給ECU，從而ECU精確地控制噴油時間，使氣缸內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型和利用氧化物半導體電阻變化型兩大類，前者裝車使用較多。

2.1 線性寬域氧傳感器的結構

寬域氧傳感器的結構如圖2所示，它由1個普通窄范圍濃差電壓型氧傳感器（氧化鋯參考電池、1個界限電流型氧傳感器、氧化鋯泵電池）及擴散小孔、擴散室構成。它需要一個專門設計的傳感器控制器來控制其正常工作，在圖2中傳感器控制器用A和B表示。尾氣通過擴散小孔進入擴散室，氧化鋯參考電池感知混合氣的濃度后，產生電壓Us，根據混合氣濃度的不同，富油的濃混合氣將產生高于參考電壓UsRef的Us，傳感器控制器將產生一個方向的泵電流Ip，該泵電流Ip將氧氣泵入擴散室內進行化學分解反應，在廢氣中產生水和一氧化碳及一些氧化物，附著在泵氧元的表面。在化學反應中將過多的碳氫化合物分解，從而降低了廢氣的濃度，使擴散室恢復到Us電壓為0.45V的尾氣含氧濃度的平衡狀態。相反，富氧的稀混合氣將產生低于參考電壓UsRef 的Us，傳感器控制器將產生一個反方向的泵電流IP，該泵電流IP將氧氣泵出擴散室。當HC燃料或氧氣被中和時，參考電池產生的電壓Us等于參考電壓UsRef,此時的泵電流IP就反映了混合氣的濃度，傳感器控制器將泵電流IP轉換成輸出電壓Uout通過改變泵電流的極性（電流流動方向）與大小就可以達到平衡擴散室里的尾氣含氧量，如何將這個變化的泵電流再去控制發動機ECU對噴油器噴油時間的調整，是至關重要的。在控制環路中有一塊DSP（數字信號處理器）電路，該電路有二路輸出，一路將變化的泵電流信號通過放大數模轉換成線性電壓，此電壓從0V～5V連續變化，去控制發動機ECU的空燃比調整。另一路輸出脈寬調制信號去控制COM場效應開關晶體管導通與截止時間，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：

一部分為感應室，它的一面與大氣接觸而另一面是測試腔，通過擴散孔與排氣接觸，和普通氧化鋯氧傳感器一樣，由于感應室兩側的氧含量不同而產生一個電動勢，一般的氧化鋯傳感器將此電壓作為控制單元的輸入信號來控制混合比，而寬域型氧傳感器與此不同的是，發動機控制單元需把感應室兩側的氧含量保持一致，讓電壓值維持在0.45V，這個電壓只是電腦的參考標準值。

另一部分是傳感器的關鍵部件泵氧元，泵氧元一邊是排氣，另一邊是與測試腔相連。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，這樣會造成氧離子的移動，把排氣中的氧泵入測試腔當中，使感應室兩側的電壓值維持在0.45V。這個施加在泵氧元上變化的電壓，就是反映氧含量的信號電壓。如果混合氣太濃，那么排氣中含氧量下降，此時從擴散孔益出的氧較多，感應室的電壓升高。為達到平衡發動機控制單元增加控制電流使泵氧元增加泵氧效率，使測試腔的氧含量增加，這樣可以調節感應室的電壓恢復的0.45v；相反混合氣太稀，則排氣中的含氧量增加，這時氧要從擴散孔進入測試腔，感應室電壓降低，此時泵氧元向外排出氧來平衡測試腔中的含氧量，使感應室的電壓維持在0.45v。所以，加在泵氧元上的電壓可以保證當測試腔內的氧多時，排出腔內的氧，這時發動機控制單元的控制電流是正電流；當腔內的氧少時，進行供氧，此時發動機控制單元的控制電流是負電流。以上過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。

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關型氧傳感器的基礎上增加了一個泵氧膜片。當發動機排放氣體流經寬域氧傳感器頭部時，它將反饋一個電壓信號給傳感器控制器，控制器以此判定缸內混合氣濃度，隨后控制器將產生一個泵電流流經線性寬域氧傳感器泵氧膜片，從而消耗過量的氧氣或燃料，使氣缸內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；

2）產生泵電流控制信號；

3）通過采集泵電流流經某一特定電阻產生的電壓，得知泵電流的大小，再通過AD轉換輸入到控制芯片；

4）測量傳感器的內阻變化，通過AD轉換輸入到控制芯片，從而產生一個控制傳感加熱器的信號，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擴展而來。氧化鋯型氧傳感器有一特性，就是當氧離子移動時會產生電動勢。若相反將電動勢加在氧化鋯組件上，即會造成氧離子的移動，根據此原理，發動機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，信號電壓為0～5V，能夠連續檢測的空燃比為10～20，相當于過量空氣系數從0.686～1.405的范圍，測量范圍非常大，特別是能進行過稀混合氣的測量。當線性電壓為2.5V時，混合氣就達到了理論空燃比14.7的控制。在檢測寬量程氧傳感器時，不能用萬用表及示波器進行直接測量氧傳感器的端口線束電壓，只能用相關的專用檢測儀進行數據流分析。在少數車上如新款本田，安裝在三元催化轉化器上游的線性寬域氧傳感器，其信號為泵電流信號，如圖4，這種氧傳感器又稱空燃比（AFR）傳感器。

4、線性寬域氧傳感器的測試方法

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是作為同一個端子輸出。對線性寬域氧傳感器檢測時，通常采用兩種方法：一是利用儀器進行數據流的讀取，從而獲取信號電壓，判斷信號是否正常；二是通過線路接口端，采用人工方法測量加熱器的端電壓，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據流進行分析。發動機控制單元將線性寬域氧傳感器的電流信號轉化為電壓信號，然后通過數據流讀取顯示出來。線性寬域氧傳感器的電壓規定值為1.0V～2.0V。電壓值大于1.5V時，判定混合氣過稀；電壓值小于1.5V時，判定混合氣過濃。若電壓值為OV、1.5V、4.9V不變化時，說明氧傳感器線路故障。用示波器測量電壓波形，峰值最高可達4.9V。

5、結論

線性寬域氧傳感器能夠連續檢測的空燃比為10～20，相當于過量空氣系數0.686～1.405，測量范圍非常大，特別是能進行過稀混合氣的測量，其工作曲線平滑，線性度極強，傳感器檢測方法簡單，隨著內燃機稀燃技術的推進，其應用無疑越來越廣。

參考文獻

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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

作者簡介：郭應兵，就職于陜西交通職業技術學院監理公司，擔任副總經理職務。

中圖分類號：U464

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-71-03