柴油机宽带空燃比氧传感器结构及应用

测定排气中的氧浓度是判别发动机气缸内混合气空燃比的依据。众所周知，在电喷汽油机中巳广泛应用由氧化锆（ZrO₂）多孔陶瓷材料制作的氧传感器（图8-14）来实现混合气空燃比的闭环控制（图8-15），以确保三元催化转化器对CO、HC和NO_x的高效转化效率。由于欧洲通常将表征空燃比（=14.7×过量空气系数）的过量空气系数用λ表示，因此氧传感器也被称为λ传感器。

图8-14 电喷汽油机用的氧传感器

图8-15 发动机混合气空燃比的闭环控制

氧化锆陶瓷材料是一种固体电解质，具有氧离子电导特性，氧化锆型氧传感器的工作原理（图8-16a）就如同一个由氧浓度差驱动的“微电池”。在400℃以上高温下，若氧化锆陶瓷传感元件外表面处排气中的氧浓度与内表面处气体（大气）中的氧浓度有很大差别的话，那么其内外侧两铂电极之间就会产生电压。当气缸内混合气稀（空燃比大）时，排气中的氧浓度高，传感元件内外侧的氧浓度差小，其内外侧电极之间产生的电压很低（接近0V）；反之，当气缸内混合气浓（空燃比小）时，排气中几乎没有氧，传感元件内外侧的氧浓度差很大，其内外侧电极之间产生的电压就高（约1V），而在化学计量空燃比（14.7）即过量空气系数λ=1附近的狭窄窗口范围内，氧传感器的输出电压会出现跃变，如图8-16b所示，犹如一个开关信号，因此电喷汽油机所用的这种氧传感器又被称之为开关型氧传感器。在氧化锆传感元件的表面涂覆的铂涂层起催化作用，能促使排气中的氧与CO反应，减少排气中的含氧量，以提高氧传感器的灵敏度。由于氧化锆只有在400℃以上的温度时才能正常工作，为保证氧化锆元件在发动机进气量小、排气温度低时也能正常工作，大多数氧传感器都在氧化锆传感元件中装有加热元件，由电控单元根据需要进行控制，以使氧化锆元件尽快达到正常工作温度而发挥作用。

图8-16 电喷汽油机氧传感器的工作原理和输出电压特性

电喷汽油机所用的三元催化转化器在气缸内混合气过量空气系数λ=1附近时对CO、HC和NO_x的转化效率最高，因此其电控单元可以应用开关型氧传感器输出电压在过量空气系数λ=1，即化学计量空燃比（14.7）附近的狭窄窗口范围内出现跃变的特性作为判别气缸中混合气浓和稀的信号，对混合气空燃比进行精确的闭环控制，这对于汽油机在过量空气系数λ=1附近工况运行是非常有利的。但是，这种氧传感器的电压输出特性并不适合于柴油机，因为柴油机大部分时间是在过量空气系数λ远大于1的情况下运行的，因此要求氧传感器的电压输出信号必须具有随排气中的氧浓度连续均匀变化的特性。通常汽油机用的开关型氧传感器只能识别混合气是浓还是稀，而柴油机用的宽带空燃比氧传感器却能真实地测量出混合气的空燃比（过量空气系数），这样就能大大改善柴油机空燃比闭环控制的动态响应性能。(www.xing528.com)

图8-17示出了近年来开发出的用于柴油机的宽带空燃比氧传感器结构。它是以普通开关型氧化锆氧传感器为基础扩展而成的，其核心测量元件是由能检出燃气空燃比的氧传感膜片（“氧电池”）和检测临界电流的泵氧膜片（“氧泵”）组成的，其工作原理如图8-18a所示。柴油机排气通过传感器头部的排气扩散孔进入检测室，而基准氧气室内是外界空气（氧浓度为21%），氧传感膜片的作用是提供被测排气中的含氧量与过量空气系数λ=1时排气中的含氧量是否相等的判据。

由于前文巳提及开关型氧化锆氧传感器的电压输出特性在过量空气系数λ=1时才出现突跳，因此只有当被测排气中的氧浓度接近过量空气系数λ=1时的情况，才能提供相对准确的判据。另外，泵氧膜片也是由氧化锆陶瓷材料制成的，但其功能正好与氧传感膜片相反，即当对其施加电压，其中有电流通过时，就会有氧离子顺着与电流相反的方向由膜片的一侧移向另一侧，完成“泵氧”功能。这样，只要利用氧传感膜片的输出电压特性对泵氧膜片的功能进行控制，就能使检测室内的排气氧浓度由原来的状态迅速变为过量空气系数λ=1时的水平，而根据为达到上述目的所需的电流方向和大小，就能间接确定柴油机排气中的氧浓度，并进一步推算出气缸内混合气的空燃比。

图8-17 宽带空燃比氧传感器结构

1—测量元件 2—双层保护套 3—密封环 4—密封填料 5—传感器壳体 6—防护套 7—接线柱 8—接线夹 9—特氟隆套管 10—特氟隆软套管 11—导线 12—密封圈

图8-18 宽带空燃比氧传感器的工作原理及其输出电压特性

图8-18b示出了这种宽带空燃比氧传感器的输出电压特性，即泵氧电流随混合气过量空气系数的变化关系。由图可见，当过量空气系数λ=1时泵氧电流为零，在稀混合气区域（λ>1），泵氧电流为正值，而在浓混合气区域（λ<1），泵氧电流为负值，但是特性曲线在两个区域内的斜率明显不同，而柴油机基本上是在稀混合气区域内运行，该区域的输出特性比较理想，因此这种宽带空燃比氧传感器适用于在电控柴油机上对喷油量（也即空燃比）进行闭环控制，即以实测排气中的氧浓度和进气空气质量流量所确定的实际喷油量作为反馈信号对程序所预设的喷油量进行校正，以达到优化燃烧和降低废气排放的目的。