氧傳感器結構及系統集成應用研究

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，但與此同時對空氣品質也產生了巨大的影響。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格的汽車廢氣排放法規以來，汽車廢氣凈化裝置蓬勃發展，起主導地位的是三元催化轉換器技術，為了使三元催化轉換器凈化效率最好，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控制混合氣空燃比，達到三元催化轉化器轉化效率最佳以及提升燃油經濟性的目的，而且還能通過安裝在催化轉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核心部件，長期由電噴系統供應商打包供貨，與電子控制單元（ECU）硬件集成、匹配標定等技術一直被全球少數的幾家公司（如BOSCH、DENSO等）所掌握，該現狀不利于主機廠進行精細化標定，不利于品質快速提升，也不利于成本有效控制。為此，深入研究氧傳感器與ECU之間的集成應用十分重要，世界一流汽車公司已經掌握該技術，中國少數企業如比亞迪、長安、奇瑞等也開展了該傳感器的集成應用研究，并逐步投入實際項目中應用。

氧傳感器包括開關型和寬域型，本文僅分析、研究應用時間長、范圍廣的開關型氧傳感器。

1 氧傳感器工作原理及典型結構

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動機冷卻液溫度傳感器類似，內部包含的電阻器阻值隨被測量氧氣的變化而不同，據此反饋信號至ECU控制空燃比。當前，氧化鈦型傳感器僅有少數車輛使用，本文不作進一步分析。

氧化鋯型傳感器的核心元件氧化鋯為固態電解質的一種，具有在高溫時氧離子易于移動的特性，此型氧傳感器將氧化鋯燒結成管狀或者片狀，并在內層與外層涂上起氧化觸媒作用的鉑金（Pt），高溫時能使氧氣發生電離，產生氧離子。傳感器的工作原理類似于固體原電池，氧化鋯外側暴露于汽車廢氣中，氧離子濃度將根據實際工況的不同而變化，內側為參考空氣，氧離子濃度是恒定不變的，根據電化學原理，兩側電極間氧離子因濃度的差異發生移動，此時將會產生電勢差，即信號電壓，這樣即可定性檢測出廢氣中氧氣含量。當發動機空燃比為稀時，廢氣中氧離子濃度相對較高，內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接近0V；反之，當空燃比為濃時，廢氣中氧離子濃度也相對較低，內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。

氧化鋯產生電勢差滿足能斯特方程（Nernst equation）［3］：

式中：E——電勢差；R——氣體常數；T——絕對氣體溫度；F——法拉第常數；PO2Ai——參考空氣氧分壓；PO2Exh——廢氣氧分壓。氧傳感器典型響應曲線呈“S”形，如圖1所示。

圖1 氧傳感器響應曲線

1.2 典型結構

氧傳感器按照不同的分類標準，可以分為管式、平板式結構，也可分為呼吸型、泵電流型結構。

1.2.1 管式、平板式結構

根據氧化鋯燒結的形狀，氧傳感器可分為管式和平板式結構。

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

2）平板式即為采用絲網印刷技術把各個功能層（內外電極、加熱元件等）疊在一起，氧化鋯成為片狀。平板式氧傳感器結構如圖3所示。

圖2 管式氧傳感器結構

圖3 平板式氧傳感器結構

1.2.2 呼吸型、泵電流型結構

由氧傳感器工作原理可知，要求內側參考空氣腔的氧氣含量不變，為了滿足此條件，需要及時補充內側氧氣。根據補充內側（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，腔內氣體與環境大氣保持平衡，以此保持腔內氧氣含量不變。

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

2 系統集成應用分析

為了達到氧傳感器靈活選型，需要實現傳感器與ECU系統集成應用（即ECU供應商為A，氧傳感器供應商為B等其他廠家的這類應用）。氧傳感器系統集成應用分析步驟如圖4所示。

圖4 氧傳感器系統集成分析步驟

2.1 硬件電路匹配分析

2.1.1 信號電路匹配分析

氧傳感器需要能穩定地工作，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，區別主要體現在是否包含提供泵電流的電路。

呼吸型氧傳感器對應ECU與之匹配電路典型結構如圖5所示，僅部分ECU包含虛線框內的電路，其作用主要體現在3個方面：濾波、電壓預置、內阻診斷。

圖5 呼吸型氧傳感器信號匹配電路

泵電流型氧傳感要求ECU配置相應的電路硬件提供泵電流，同時，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，其作用主要體現在4個方面：濾波、電壓預置、內阻診斷、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 ℃區間，為了使傳感器獲得最佳的工作信號，需要對傳感元進行加熱。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，與加熱驅動電路連接，該端口輸出占空比信號，不加熱時維持與主繼電器端相同的電壓，加熱時電壓拉低至搭鐵電位。

氧傳感器老式加熱驅動電路通過場效應管等分離器件實現，現今通常采用集成電路來驅動。

圖6 泵電流型氧傳感器信號匹配電路

2.2 加熱策略分析

根據燃燒分析，發動機尾氣中含有大量水氣，占比高達10%以上，露點溫度前，存在大量的液態水。氧化鋯具有當溫度超過350℃左右時遇到液態水易熱沖擊炸裂的物理特性，因此，加熱策略及參數標定極為關鍵，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：露點前，以較小功率進行預加熱，避免傳感元受熱沖擊炸裂損壞；露點后，進行全功率加熱，以便傳感元盡快達到最佳工作溫度。

此外，鋯元件溫度過高或者變化過快均會加速其老化，為了避免此問題，全功率加熱一段時間后（通常為氧化鋯溫度達到750℃左右時）調整至部分功率加熱，通過調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，當氧化鋯溫度達到900℃左右時，加熱控制關閉，停止加熱，實現高溫保護。

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構較小，鋯元件與加熱層直接貼合，加熱功率較低。

冷機狀態氧傳感器典型加熱策略如圖7所示。

圖7 冷機狀態氧傳感器加熱策略

加熱量與加熱器電阻值以及加熱有效電壓密切相關。不同型號產品的加熱器電阻值不同，相同加熱策略下加熱量則不同，會密切影響傳感器信號輸出。因此，氧傳感器集成應用時需要精確標定加熱相關參數。

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

圖8 不同溫度傳感器輸出信號

圖9 不同型號傳感器輸出信號

2.3 集成應用綜合評價

2.3.1 信號特性與閉環修正

電噴系統閉環控制下，氧傳感器穩定工作時輸出信號呈現類似正弦波形，其信號品質受匹配電路、加熱溫度等因素影響。傳感器信號品質評價指標有反應時間、幅值、周期等，單級催化器前氧傳感器信號參數典型值見表1［4］。

在發動機電噴控制中，為了同時降低HC、 CO和NOx，必須把混合氣的空然比很好地控制在催化轉化器轉化效率最佳的窗口內，如圖10所示［5］。這依賴于燃油修正系數閉環控制來實現，氧傳感器信號是閉環控制的核心參數，與燃油修正系數對應關系示意如圖11所示［5］。

圖10 閉環控制與排放關系圖

圖11 傳感器信號與燃油修正系數對應關系

不同的氧傳感器的輸出信號、響應特性將直接影響發動機燃油閉環的控制，需要在前期對相關特征點進行標定，同時跟蹤檢查燃油修正系數。不同傳感器信號差異對燃油修正系數造成影響，如圖12所示。

圖12 不同傳感器信號差異對燃油修正系數影響

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，不同的接口電路、預設電壓，將影響診斷閾值的設置。圖13為閾值設置示意圖。

圖13 電路診斷閾值示意圖

2）信號合理性診斷：由于不同的氧傳感器信號輸出、響應存在差異，相同傳感器不同車型布置位置、控制策略等也存在差異，因此需要先預設傳感器特性參數，再結合實車轉轂、排放測試數據進行精細化標定。信號合理性診斷如圖14所示。

圖14 信號合理性診斷示意圖

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診斷的能力，往往是通過在特性工況下主動控制空燃比，同時監控前、后氧傳感器輸出信號的差異來評估其催化能力是否滿足排放法規要求。氧傳感器信號的精確標定分析是該診斷功能的核心。正常三元催化劑診斷信號如圖15a所示；異常三元催化劑診斷信號如圖15b所示。

圖15 三元催化劑診斷信號

3 結束語

隨著排放法規日益嚴格，汽油機的空燃比需要快速、準確閉環控制，氧傳感器作為電噴系統核心部件參與氧含量檢測。氧化鋯型傳感器占據著市場主導地位，無論是管式結構還是平板式結構，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；需要在匹配時對氧傳感器信號參數進行精確標定，提升燃油經濟性，滿足國家排放法規。

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