氧传感器结构及系统集成应用研究

易开红，杨 政，余小舟

（重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023）

汽车改变了人类生活方式，但与此同时对空气品质也产生了巨大的影响。汽车尾气中含有CO、HC和NOX等有毒、有害气体，自从1970年有些国家制定了严格的汽车废气排放法规以来，汽车废气净化装置蓬勃发展，起主导地位的是三元催化转换器技术，为了使三元催化转换器净化效率最好，氧传感器是必不可少的器件［1］。自从1976年博世公司首先在沃尔沃车上装用了氧传感器以来，氧传感器已成为燃烧控制技术中最重要的功能部件之一。氧传感器的作用，不仅用于通过检测尾气中氧气含量闭环控制混合气空燃比，达到三元催化转化器转化效率最佳以及提升燃油经济性的目的，而且还能通过安装在催化转换器后端检测出催化剂的老化状况［2］。

氧传感器作为电子燃油喷射系统核心部件，长期由电喷系统供应商打包供货，与电子控制单元（ECU）硬件集成、匹配标定等技术一直被全球少数的几家公司（如BOSCH、DENSO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，也不利于成本有效控制。为此，深入研究氧传感器与ECU之间的集成应用十分重要，世界一流汽车公司已经掌握该技术，中国少数企业如比亚迪、长安、奇瑞等也开展了该传感器的集成应用研究，并逐步投入实际项目中应用。

氧传感器包括开关型和宽域型，本文仅分析、研究应用时间长、范围广的开关型氧传感器。

1 氧传感器工作原理及典型结构

1.1 工作原理

按传感元件的材料划分，氧传感器分为氧化锆型（ZrO2）和氧化钛型（TiO2），两者基本工作原理不同［3］。

氧化钛型传感器的工作原理与发动机冷却液温度传感器类似，内部包含的电阻器阻值随被测量氧气的变化而不同，据此反馈信号至ECU控制空燃比。当前，氧化钛型传感器仅有少数车辆使用，本文不作进一步分析。

氧化锆型传感器的核心元件氧化锆为固态电解质的一种，具有在高温时氧离子易于移动的特性，此型氧传感器将氧化锆烧结成管状或者片状，并在内层与外层涂上起氧化触媒作用的铂金（Pt），高温时能使氧气发生电离，产生氧离子。传感器的工作原理类似于固体原电池，氧化锆外侧暴露于汽车废气中，氧离子浓度将根据实际工况的不同而变化，内侧为参考空气，氧离子浓度是恒定不变的，根据电化学原理，两侧电极间氧离子因浓度的差异发生移动，此时将会产生电势差，即信号电压，这样即可定性检测出废气中氧气含量。当发动机空燃比为稀时，废气中氧离子浓度相对较高，内外电极间氧离子浓度差就小，亦即电势差小，传感器的输出电压信号接近0V；反之，当空燃比为浓时，废气中氧离子浓度也相对较低，内外电极间氧离子浓度差就大，亦即电势差大，传感器的输出电压接近1V。

氧化锆产生电势差满足能斯特方程（Nernst equation）［3］：

式中：E——电势差；R——气体常数；T——绝对气体温度；F——法拉第常数；PO2Ai——参考空气氧分压；PO2Exh——废气氧分压。氧传感器典型响应曲线呈“S”形，如图1所示。

图1 氧传感器响应曲线

1.2 典型结构

氧传感器按照不同的分类标准，可以分为管式、平板式结构，也可分为呼吸型、泵电流型结构。

1.2.1 管式、平板式结构

根据氧化锆烧结的形状，氧传感器可分为管式和平板式结构。

1）管式是把各个功能层叠在一起，氧化锆成为管状，加热器位于锆管的中心位置。管式氧传感器结构如图2所示。

2）平板式即为采用丝网印刷技术把各个功能层（内外电极、加热元件等）叠在一起，氧化锆成为片状。平板式氧传感器结构如图3所示。

图2 管式氧传感器结构

图3 平板式氧传感器结构

1.2.2 呼吸型、泵电流型结构

由氧传感器工作原理可知，要求内侧参考空气腔的氧气含量不变，为了满足此条件，需要及时补充内侧氧气。根据补充内侧（参考空气腔）氧气的方式，氧传感器可以分为呼吸型和泵电流型。

1）呼吸型氧传感器的参考空气腔通过微小孔道（特殊呼吸薄膜）与外界新鲜空气相通，腔内气体与环境大气保持平衡，以此保持腔内氧气含量不变。

2）泵电流型氧传感器需要ECU向传感器信号端提供电流（典型值：7～13μA），以将废气侧的氧离子泵进参考空气腔，从而使腔内氧气含量保持不变。

2 系统集成应用分析

为了达到氧传感器灵活选型，需要实现传感器与ECU系统集成应用（即ECU供应商为A，氧传感器供应商为B等其他厂家的这类应用）。氧传感器系统集成应用分析步骤如图4所示。

图4 氧传感器系统集成分析步骤

2.1 硬件电路匹配分析

2.1.1 信号电路匹配分析

氧传感器需要能稳定地工作，ECU接口电路需与之匹配。呼吸型、泵电流型的ECU电路不尽相同，区别主要体现在是否包含提供泵电流的电路。

呼吸型氧传感器对应ECU与之匹配电路典型结构如图5所示，仅部分ECU包含虚线框内的电路，其作用主要体现在3个方面：滤波、电压预置、内阻诊断。

图5 呼吸型氧传感器信号匹配电路

泵电流型氧传感要求ECU配置相应的电路硬件提供泵电流，同时，配置电阻使得泵电流限制在允许值范围。典型匹配电路如图6所示，其作用主要体现在4个方面：滤波、电压预置、内阻诊断、泵电流提供。

2.1.2 加热电路匹配分析

氧化锆最佳工作温度在650～800 ℃区间，为了使传感器获得最佳的工作信号，需要对传感元进行加热。氧传感器加热电路通常为：一端接整车主继电器，另一端接ECU控制端，与加热驱动电路连接，该端口输出占空比信号，不加热时维持与主继电器端相同的电压，加热时电压拉低至搭铁电位。

氧传感器老式加热驱动电路通过场效应管等分离器件实现，现今通常采用集成电路来驱动。

图6 泵电流型氧传感器信号匹配电路

2.2 加热策略分析

根据燃烧分析，发动机尾气中含有大量水气，占比高达10%以上，露点温度前，存在大量的液态水。氧化锆具有当温度超过350℃左右时遇到液态水易热冲击炸裂的物理特性，因此，加热策略及参数标定极为关键，加热器需要通过不同的占空比精确控制加热功率，以此确保：露点前，以较小功率进行预加热，避免传感元受热冲击炸裂损坏；露点后，进行全功率加热，以便传感元尽快达到最佳工作温度。

此外，锆元件温度过高或者变化过快均会加速其老化，为了避免此问题，全功率加热一段时间后（通常为氧化锆温度达到750℃左右时）调整至部分功率加热，通过调整占空比尽量保持传感器陶瓷体氧化锆的温度恒定；受废气温度的影响，当氧化锆温度达到900℃左右时，加热控制关闭，停止加热，实现高温保护。

管式氧传感器由于传感器体积较大，加热棒与锆元件未直接连接，为了达到快速升温的目的，其需要更大的加热功率；平板式氧传感器由于结构较小，锆元件与加热层直接贴合，加热功率较低。

冷机状态氧传感器典型加热策略如图7所示。

图7 冷机状态氧传感器加热策略

加热量与加热器电阻值以及加热有效电压密切相关。不同型号产品的加热器电阻值不同，相同加热策略下加热量则不同，会密切影响传感器信号输出。因此，氧传感器集成应用时需要精确标定加热相关参数。

同一传感器不同温度条件信号输出差异情况如图8所示；相同加热策略不同型号传感器信号输出差异情况如图9所示。

图8 不同温度传感器输出信号

图9 不同型号传感器输出信号

2.3 集成应用综合评价

2.3.1 信号特性与闭环修正

电喷系统闭环控制下，氧传感器稳定工作时输出信号呈现类似正弦波形，其信号品质受匹配电路、加热温度等因素影响。传感器信号品质评价指标有反应时间、幅值、周期等，单级催化器前氧传感器信号参数典型值见表1［4］。

在发动机电喷控制中，为了同时降低HC、 CO和NOx，必须把混合气的空然比很好地控制在催化转化器转化效率最佳的窗口内，如图10所示［5］。这依赖于燃油修正系数闭环控制来实现，氧传感器信号是闭环控制的核心参数，与燃油修正系数对应关系示意如图11所示［5］。

图10 闭环控制与排放关系图

图11 传感器信号与燃油修正系数对应关系

不同的氧传感器的输出信号、响应特性将直接影响发动机燃油闭环的控制，需要在前期对相关特征点进行标定，同时跟踪检查燃油修正系数。不同传感器信号差异对燃油修正系数造成影响，如图12所示。

图12 不同传感器信号差异对燃油修正系数影响

2.3.2 整车在线诊断（OBD）

氧传感器OBD诊断主要分为3个板块。

1）线路通路、断路、短路诊断：该诊断主要为电线路或传感器损坏检查，主要与ECU接口电路相关，不同的接口电路、预设电压，将影响诊断阈值的设置。图13为阈值设置示意图。

图13 电路诊断阈值示意图

2）信号合理性诊断：由于不同的氧传感器信号输出、响应存在差异，相同传感器不同车型布置位置、控制策略等也存在差异，因此需要先预设传感器特性参数，再结合实车转毂、排放测试数据进行精细化标定。信号合理性诊断如图14所示。

图14 信号合理性诊断示意图

3）三元催化剂诊断：在整车排放控制中，三元催化剂起到了十分重要的作用，但其本身没有自我状态诊断的能力，往往是通过在特性工况下主动控制空燃比，同时监控前、后氧传感器输出信号的差异来评估其催化能力是否满足排放法规要求。氧传感器信号的精确标定分析是该诊断功能的核心。正常三元催化剂诊断信号如图15a所示；异常三元催化剂诊断信号如图15b所示。

图15 三元催化剂诊断信号

3 结束语

随着排放法规日益严格，汽油机的空燃比需要快速、准确闭环控制，氧传感器作为电喷系统核心部件参与氧含量检测。氧化锆型传感器占据着市场主导地位，无论是管式结构还是平板式结构，均需要ECU硬件电路匹配；需要通过占空比精确控制加热功率，避免过早、过快、过度加热损坏传感元；需要在匹配时对氧传感器信号参数进行精确标定，提升燃油经济性，满足国家排放法规。

随着中国汽车工业的发展，国家排放法规日渐加严，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，本次氧传感器系统集成应用的研究，也能为其它电喷零部件的拆包工作提供一定的参考意义。