线性宽域氧传感器的特性分析

郭应兵，廖发良（.陕西交通职业技术学院监理公司，陕西 西安 7008；.陕西交通职业技术学院汽车工程系，陕西 西安 7008）

线性宽域氧传感器的特性分析

郭应兵1，廖发良2
（1.陕西交通职业技术学院监理公司，陕西 西安 710018；2.陕西交通职业技术学院汽车工程系，陕西 西安 710018）

摘 要：线性宽域氧传感器能够连续检测空燃比为10～20的混合气，相当于过量空气系数0.686～1.405，测量范围广，尤其能进行过稀混合气的测量。通过分析，该传感器信号电压为0～5V，其工作曲线平滑、线性度极强，并且检测方法简单。随着内燃机稀燃技术的推进，其应用无疑越来越广。

关键词：宽量程；氧传感器；输出特性；测试分析

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

随着全球对汽车尾气排放要求的日益提高，各种先进的内燃机技术越来越多地装车应用，其可燃混合气的范围日渐扩展，传统的开关型氧传感器已不能满足全范围对混合气浓度测试的要求，一种新型的全量程线性宽域氧传感器开发问世，并逐渐装车使用。

1、普通氧传感器的特性分析

普通氧传感器一般有4根线，其中2根是加热线，第3根是信号线，另1根是接地线。它是在陶瓷体两侧附着二氧化错涂层，在350℃或更高的温度下能传导氧离子，传感器两侧氧气的浓度差使两个表面之间产生电位差，且工作曲线非常陡峭，混合气在接近理论空燃比时，输出0.45V电压。混合气稍偏浓时，输出电压就突变为0.6V～0.9V；反之，混合气变稀后，输出电压突变为0.3V～0.1V，如图1。氧传感器的最高极值电压为0.9V，最低极值电压为0.1V，意即混合气过浓或过稀普通氧传感器已无法测量。0.1V～0.9V的两状态电压信号已无法满足对汽车排放的控制。它只能在混合气为14.7:1的理论空燃比下，在混合气燃烧后，对排气中的含氧量在比较狭窄的范围内进行检测，对于现代普遍采用的稀燃技术发动机，已超出普通氧传感器的测量范围。

2、线性宽域氧传感器的结构原理

线性宽域氧传感器（Universal Exhaust Gas Oxygen Sens，简称UEGO）能够提供准确的空燃比反馈信号给ECU，从而ECU精确地控制喷油时间，使气缸内混合气浓度始终保持理论空燃比值。线性宽域氧传感器的使用提高了ECU的控制精度，最大限度地发挥了三元催化器的作用，更加有效地降低了有害气体的排放。

根据氧传感器的制造材料不同，宽域型氧传感器可分为以氧化锆为基体的固化电解质型和利用氧化物半导体电阻变化型两大类，前者装车使用较多。

2.1 线性宽域氧传感器的结构

宽域氧传感器的结构如图2所示，它由1个普通窄范围浓差电压型氧传感器（氧化锆参考电池、1个界限电流型氧传感器、氧化锆泵电池）及扩散小孔、扩散室构成。它需要一个专门设计的传感器控制器来控制其正常工作，在图2中传感器控制器用A和B表示。尾气通过扩散小孔进入扩散室，氧化锆参考电池感知混合气的浓度后，产生电压Us，根据混合气浓度的不同，富油的浓混合气将产生高于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个方向的泵电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵入扩散室内进行化学分解反应，在废气中产生水和一氧化碳及一些氧化物，附着在泵氧元的表面。在化学反应中将过多的碳氢化合物分解，从而降低了废气的浓度，使扩散室恢复到Us电压为0.45V的尾气含氧浓度的平衡状态。相反，富氧的稀混合气将产生低于参考电压UsRef 的Us，传感器控制器将产生一个反方向的泵电流IP，该泵电流IP将氧气泵出扩散室。当HC燃料或氧气被中和时，参考电池产生的电压Us等于参考电压UsRef,此时的泵电流IP就反映了混合气的浓度，传感器控制器将泵电流IP转换成输出电压Uout通过改变泵电流的极性（电流流动方向）与大小就可以达到平衡扩散室里的尾气含氧量，如何将这个变化的泵电流再去控制发动机ECU对喷油器喷油时间的调整，是至关重要的。在控制环路中有一块DSP（数字信号处理器）电路，该电路有二路输出，一路将变化的泵电流信号通过放大数模转换成线性电压，此电压从0V～5V连续变化，去控制发动机ECU的空燃比调整。另一路输出脉宽调制信号去控制COM场效应开关晶体管导通与截止时间，给加热器提供电流，加热氧传感器。

总之，线性宽域型氧传感器由两大部分组成：

一部分为感应室，它的一面与大气接触而另一面是测试腔，通过扩散孔与排气接触，和普通氧化锆氧传感器一样，由于感应室两侧的氧含量不同而产生一个电动势，一般的氧化锆传感器将此电压作为控制单元的输入信号来控制混合比，而宽域型氧传感器与此不同的是，发动机控制单元需把感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V，这个电压只是电脑的参考标准值。

另一部分是传感器的关键部件泵氧元，泵氧元一边是排气，另一边是与测试腔相连。泵氧元就是利用氧化锆传感器的反作用原理，将电压施加于氧化锆组件即泵氧元上，这样会造成氧离子的移动，把排气中的氧泵入测试腔当中，使感应室两侧的电压值维持在0.45V。这个施加在泵氧元上变化的电压，就是反映氧含量的信号电压。如果混合气太浓，那么排气中含氧量下降，此时从扩散孔益出的氧较多，感应室的电压升高。为达到平衡发动机控制单元增加控制电流使泵氧元增加泵氧效率，使测试腔的氧含量增加，这样可以调节感应室的电压恢复的0.45v；相反混合气太稀，则排气中的含氧量增加，这时氧要从扩散孔进入测试腔，感应室电压降低，此时泵氧元向外排出氧来平衡测试腔中的含氧量，使感应室的电压维持在0.45v。所以，加在泵氧元上的电压可以保证当测试腔内的氧多时，排出腔内的氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流；当腔内的氧少时，进行供氧，此时发动机控制单元的控制电流是负电流。以上过程供给泵氧元的电流就反映了排气中的乘余空气含量系数。

2.2 线性宽域氧传感器的工作原理

线性宽域氧传感器是在普通开关型氧传感器的基础上增加了一个泵氧膜片。当发动机排放气体流经宽域氧传感器头部时，它将反馈一个电压信号给传感器控制器，控制器以此判定缸内混合气浓度，随后控制器将产生一个泵电流流经线性宽域氧传感器泵氧膜片，从而消耗过量的氧气或燃料，使气缸内混合气的浓度始终维持在理论值附近。

线性宽域氧传感器的工作原理为：

1）采集传感器的反馈信号；

2）产生泵电流控制信号；

3）通过采集泵电流流经某一特定电阻产生的电压，得知泵电流的大小，再通过AD转换输入到控制芯片；

4）测量传感器的内阻变化，通过AD转换输入到控制芯片，从而产生一个控制传感加热器的信号，使传感器始终保持在最佳工作温度。

宽域型氧传感器的基本控制原理就是以普通氧化锆型氧传感器为基础扩展而来。氧化锆型氧传感器有一特性，就是当氧离子移动时会产生电动势。若相反将电动势加在氧化锆组件上，即会造成氧离子的移动，根据此原理，发动机控制单元能获取控制值。

3、线性宽域氧传感器的特性分析

线性宽域氧传感器的输出特性如图3，其工作曲线平滑，线性度极强，信号电压为0～5V，能够连续检测的空燃比为10～20，相当于过量空气系数从0.686～1.405的范围，测量范围非常大，特别是能进行过稀混合气的测量。当线性电压为2.5V时，混合气就达到了理论空燃比14.7的控制。在检测宽量程氧传感器时，不能用万用表及示波器进行直接测量氧传感器的端口线束电压，只能用相关的专用检测仪进行数据流分析。在少数车上如新款本田，安装在三元催化转化器上游的线性宽域氧传感器，其信号为泵电流信号，如图4，这种氧传感器又称空燃比（AFR）传感器。

4、线性宽域氧传感器的测试方法

线性宽域氧传感器端子3和4是加热器，其电压值为12V；端子1是信号输出，端子5和6是参考电压，端子2是泵电流输入，有部分氧传感器端子5和6是作为同一个端子输出。对线性宽域氧传感器检测时，通常采用两种方法：一是利用仪器进行数据流的读取，从而获取信号电压，判断信号是否正常；二是通过线路接口端，采用人工方法测量加热器的端电压，从而判断加热器电路是否正常。

维修站通常采用的方法是读取数据流进行分析。发动机控制单元将线性宽域氧传感器的电流信号转化为电压信号，然后通过数据流读取显示出来。线性宽域氧传感器的电压规定值为1.0V～2.0V。电压值大于1.5V时，判定混合气过稀；电压值小于1.5V时，判定混合气过浓。若电压值为OV、1.5V、4.9V不变化时，说明氧传感器线路故障。用示波器测量电压波形，峰值最高可达4.9V。

5、结论

线性宽域氧传感器能够连续检测的空燃比为10～20，相当于过量空气系数0.686～1.405，测量范围非常大，特别是能进行过稀混合气的测量，其工作曲线平滑，线性度极强，传感器检测方法简单，随着内燃机稀燃技术的推进，其应用无疑越来越广。

参考文献

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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

作者简介：郭应兵，就职于陕西交通职业技术学院监理公司，担任副总经理职务。

中图分类号：U464

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2015)10-71-03