开关型氧传感器加热控制应用研究

杨 政， 薛亚飞， 于彬彬， 黄 璨

（重庆长安汽车股份有限公司， 重庆 400023）

1 前言

随着日趋严苛的国家油耗、 排放等法规要求相继实施，为了使发动机达到更优的排放、 油耗， 需要使发动机尽量在理论空燃比附近工作。 氧传感器作为发动机闭环控制、三元催化剂监控的重要零部件， 其能够直接影响发动机的排放、 油耗等性能。

由于氧传感器在工作过程中， 对温度变化较为敏感，不同温度对输出信号、 产品耐久、 故障诊断等都会有较大影响， 所以氧传感器标定最为核心的就是加热温度的标定，通过对加热温度的标定， 可以将传感器控制在合理区间，从而实现氧传感器信号的精确输出以及实现产品长期使用的耐久性能。 但氧传感器作为电喷系统核心部件， 其标定匹配能力一直被全球少数的几家公司如BOSCH、 DELPHI等所掌握。 该现状不利于主机厂进行精细化标定， 不利于品质快速提升。 为此， 深入研究氧传感器加热标定， 掌握标定技术十分重要。 本文将对应用时间长、 范围广的开关型氧传感器的加热标定控制进行分析。

2 氧传感器基本原理

2.1 基本原理

氧化锆型传感器是以氧化锆为固态电解质， 高温时能使氧气发生电离， 产生氧离子。 其能够随发动机排气中氧气浓度的变化而对应输出0～1V电压， 实现对发动机燃油闭环的控制， 其结构如图1所示。

图1 氧传感器结构示意图

氧传感器典型响应曲线呈 “S” 形， 但温度对其信号输出也有较大影响。 氧传感器响应曲线如图2所示。 所以， 如何有效控制氧传感器的工作温度， 成为影响发动机闭环控制的重要因素。

图2 氧传感器响应曲线

2.2 基本控制电路

氧传感器要能稳定工作， ECU接口电路需与之匹配。其与ECU连接的匹配电路如图3所示。

图3 氧传感器匹配电路

3 加热控制介绍

氧传感器一般工作温度区间为600～800℃。 氧传感器内有一加热元件电阻 （可以简单理解为加热丝）， 加热控制主要是通过负极电路拉低的方式实现， 调节加热电路实效电压来实现对加热功率P的调节。 温度过高或过低都不利于氧传感器正常工作。

式中： P——加热功率； U——实际蓄电池电压； u——名义加热电压；t——关闭加热时间。 其加热标定控制流程如图4所示。

图4 开关氧传感器加热标定流程

3.1 标定准备

由于氧传感器加热控制涉及露点标定以及传感器加热温度监控等问题， 所以需要在进行正式标定前， 将针对露点标定和氧传感器样件进行布热电偶改制。 图5为排气露点测试布置， 图6为氧传感器热电偶布置。

图5 排气露点测试布置

图6 氧传感器热电偶布置

3.2 露点标定

当混合空燃比等于1时， 排气中水蒸气约占12.5%， 在发动机起动后且排气系统温度较低的一段时间内， 水蒸气可能会冷凝到排气管壁上， 而如果在这段时间内氧传感器陶瓷体 （锆元件） 超过一定温度 （不同产品存在差异）， 并且冷凝水飞溅到氧传感器陶瓷体上， 陶瓷体就可能由于热应力而破裂。 一般而言， 排气管壁温度在50℃左右其水蒸气就不会再冷凝， 温度更高则会蒸发。 所以露点标定就是验证在不同的温度下从起动到水消失的时刻， 以便保证后续氧传感器能够全功率加热快速起燃。 图7为露点-温度时间关系曲线。

图7 露点-温度时间关系曲线

若露点标定时间过短，传感器在液态水蒸发前就开始全功率加热， 则容易出现传感器水冲击温冲裂纹失效。 图8为裂纹失效。

图8 裂纹失效

3.3 预加热标定

在发动机未过露点前，为了让通过露点后的氧传感器快速升温， 可以在露点前进行预加热， 通过加载小电压 （一般2～3V） 将氧传感器温度控制在350℃以内 （该温度内即使遇到冷凝水也不会导致开裂）， 这样在露点后全功率加热氧传感器能够更快地达到目标温度。

3.4 全功率加热标定

在通过露点后， 氧传感器需要全功率加热 （最大电压约13V）， 使氧传感器能够以最快速度达到目标温度， 但是由于电压过大， 其持续加热时间不能太长， 过长的时间会导致氧传感器温度超过1000℃ （不同产品约有差异） 极限耐温限值， 从而导致氧传感器超高温产生网状裂纹失效，如图9所示。

图9 网状裂纹失效

3.5 稳态工况、变工况加热标定

随着发动机正常运行， 工况会随时变化， 对应排气温度、 排气流量都会存在较大变动， 导致排气热量对传感器的加热量波动， 加热电路补偿热量也需要进行调整， 保证氧传感器始终运行在最优温度区间。 图10为根据某机型实际标定的加热控制表。

图10 氧传感器加热电压-排气温度-流量关系表

该加热控制尤其需要注意对相关极端工况 （高转速高负荷） 的稳态、 瞬态的数据检查 （图11）， 避免出现短时超温情况， 其长期累积后也容易导致氧传感器裂纹失效。

图11 工况 （车速） -温度检查

3.6 加热温度的监控

由于氧传感器内阻随温度升高而降低 （图12）， 所以在部分控制系统上也通过对内阻的监控来实现对氧传感器是否达到目标温度的反馈， 对加热标定的精度提升有较大好处。

图12 氧传感器内阻-温度曲线

3.7 整体加热控制过程

根据上述整个加热流程后， 就基本实现了氧传感器加热标定工作， 氧传感器加热控制示意如图13所示。

图13 氧传感器加热控制示意图

4 结束语

随着国Ⅵ法规执行日趋临近， 后续对发动机燃烧控制要求越来越高。 氧传感器作为闭环控制的重要零部件， 其匹配工作尤为重要。 通过对氧传感器加热进行精确控制，避免过早、 过度加热损坏氧传感器， 能够较好保证氧传感器信号的精度， 从而提升燃油经济性， 满足国家排放法规。随着国家排放法规日益严格， 中国汽车品牌迫切需要打破国外公司的技术垄断、 捆绑销售， 逐步将电喷零部件选型、匹配等核心技术掌握在自己手中， 本次氧传感器加热控制应用的研究， 也能为其它电喷零部件的拆包工作提供一定的参考意义。