氧传感器与A/F反馈控制探究

三元催化转化器的转化效率受空燃比影响，如图4-8所示。当空燃比小于14.7时，一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）的转化效率低而NO_x的转化效率将近90％以上；当空燃比大于14.7时，结果相反；只有当发动机在标准的理论空燃比14.7附近工作时，三元催化转化器的转化效率最佳。为此，必须精确控制空燃比，使三元催化转化器在理论空燃比附近很窄的范围内工作。

1.氧传感器的功用

氧传感器是废气氧传感器（Exhaust Gas Oxygen Sensor，EGO）的简称。为了能够精确地控制空燃比，使三元催化转化器的转化效率最佳，一般在三元催化转化器前面的排气歧管或排气管内安装有氧传感器，如图4-9所示。氧传感器用来检测废气中氧的浓度，以确定实际空燃比值比理论空燃比值大还是小，并把信号输送给ECU，ECU根据氧传感器的反馈信号对喷油量进行修正，使实际空燃比A/F值约为14.7，过量空气系数λ控制在0.98～1.02之间。

图4-8 转化效率与空燃比的关系

图4-9 氧传感器的安装位置

2.氧传感器的类型

目前使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种，其中应用最多的是氧化锆式氧传感器。

（1）氧化锆（ZrO₂）式氧传感器 氧化锆式传感器的主要元件是由氧化锆材料烧结的多孔性试管状陶瓷体，也称为锆管。该类传感器的基本结构如图4-10所示。锆管固定在带安装螺纹的固定钢套中，锆管的内、外表面都镀覆一层多孔铂膜作为电极，内表面与大气相通，外表面与排气管中的废气相接触。为防止废气对铂膜的腐蚀，锆管外表面的铂膜上覆盖有一层多孔性陶瓷层。锆管外面的防护缸套上开有槽口或圆孔，废气通过槽口与锆管外表面接触。氧传感器的接线端有一金属护套，其上开有一个孔，使锆管内表面与大气相通。

图4-10 氧化锆式氧传感器的基本结构

氧化锆式氧传感器的工作原理如图4-11所示。锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气在温度较高时发生电离。由于锆管内、外侧含氧量不一致而存在浓度差，因此氧离子从大气侧向排气侧扩散，当氧离子移动时即会产生电动势，从而使锆管形成一个微电池，在两铂电极间产生电压。

当发动机以较浓的混合气（即空燃比A/F小于14.7，过量空气系数λ小于1）运转时，废气中氧离子含量少，但一氧化碳（CO）较多，在锆管外表面的铅催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使锆管外表面氧离子的浓度变为零。由于锆管内表面与大气相通，氧离子浓度很大，这就使得锆管内、外侧氧浓度差较大，两个铂电极之间的电位差较高，约为0.9V，如图4-12所示。

当发动机以较稀的混合气（空燃比A/F大于14.7，过量空气系数λ大于1）运转时，废气中氧离子含量较多，但一氧化碳（CO）较少，在锆管外表面的铅催化作用下，即使一氧化碳（CO）全部与氧离子发生反应，锆管外表面还有富余的氧离子存在，因此锆管内、外侧氧浓度差较小，两个铂电极之间的电位差较低，约为0.1V。

当空燃比A/F接近于理论空燃比值14.7，过量空气系数λ接近于1时，废气中氧离子和一氧化碳（CO）含量都很少。在锆管外表面的铅催化作用下氧离子与一氧化碳（CO）发生反应，从缺氧状态急剧变化为富氧状态。由于氧离子浓度差急剧变化，两个铂电极之间的电位差也随之急剧变化，使传感器输出电压在0.9～0.1V之间变化。

图4-11 氧化锆式氧传感器的工作原理

1—陶瓷体 2—铂电极 3、4—电极引线点 5—排气管 6—陶瓷防护层 7—排气 8—大气

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图4-12 氧化锆式氧传感器输出电压与空燃比的关系

要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭窄的范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.1～0.8V之间不断变化（通常每10s内变化8次以上）。如果氧传感器输出电压变化过缓（每10s少于8次）或电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则说明氧传感器有故障，需进行检修。

氧化锆式氧传感器必须满足发动机温度高于60℃、传感器自身温度高于400℃以及发动机在怠速工况或部分负荷工作时，才能进行正常工作。早期使用的氧传感器靠废气加热，这种传感器必须在发动机起动运转数分钟后才能开始工作，它只有一根接线与ECU相连。现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器（加热型氧传感器），这种传感器内部有一个电加热元件，可在发动机起动后的20～30s内迅速将氧传感器加热至工作温度，使氧传感器在发动机处于较低温度时就开始工作。

（2）氧化钛式氧传感器 氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随废气中氧含量变化而变化的特性制成的，故又称为电阻型氧传感器。氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似，在其前端护罩内部有一个氧化钛厚膜元件。氧化钛厚膜元件的电阻与元件周围氧离子的浓度有关，同时氧化钛厚膜元件的电阻也随温度的不同而变化，因此，在氧化钛式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钛式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。传感器的密封与防水十分方便，利用玻璃或滑石粉等密封即可达到使用要求。此外，在电极引线与护套之间设置了一个硅橡胶密封圈，可以防止水汽进入传感器内部而腐蚀电极。氧化钛式氧传感器的结构如图4-13所示。

当发动机以较稀的混合气（空燃比A/F大于14.7，过量空气系数λ大于1）运转时，废气中氧离子含量较多，传感器元件周围的氧离子浓度较大，二氧化钛呈现低阻状态。当发动机以较浓的混合气（空燃比A/F小于14.7，过量空气系数λ小于1）运转时，废气中氧离子含量少，传感器元件周围的氧离子浓度较小，二氧化钛呈现高阻状态，从而大大提高了传感器灵敏度。由此可见，氧化钛式氧传感器在混合气的空燃比A/F值接近于理论空燃值时电阻值产生突变，如图4-14所示。当给氧化钛式氧传感器施加一个稳定的工作电压时，便可得到一个交替变化的信号电压。

稳定的工作电压一般由ECU内部的稳压电路提供。氧化钛式氧传感器的工作电路如图4-15所示。ECU的端子2将一个恒定的1V工作电压加在氧化钛式氧传感器的一端上，传感器的另一端与ECU的端子4相接。当排出的废气中氧浓度随发动机混合气浓度变化而变化时，氧传感器的电阻随之发生改变，ECU端子4上的电压降也随之变化。当端子4上的电压高于参考电压时，ECU即判定混合气过浓；当端子4上的电压低于参考电压时，ECU即判定混合气过稀。通过ECU的反馈控制，可保持混合气的浓度在理论空燃比附近。在实际的反馈控制过程中，氧化钛式氧传感器与ECU连接的端子4上的电压也是在0.1～0.9V之间不断变化，这一点与氧化锆式氧传感器是相似的。

图4-13 氧化钛式氧传感器的结构

图4-14 氧化钛式氧传感器的特性

图4-15 氧化钛式氧传感器的工作电路

氧化钛式传感器必须满足发动机温度高于60℃、传感器自身温度高于600℃以及发动机在怠速工况或部分负荷下工作时才能正常工作，调节混合气的浓度。大部分三元催化转化器使用带加热器的氧传感器（加热型氧传感器），这种传感器内部有一个电加热元件，可在发动机起动后迅速将氧传感器加热至工作温度而投入工作。

现在多数中高级轿车的三元催化转化器前、后各装有一个氧传感器，它们分别提供了表示催化净化前、后废气中氧含量的输出电压，前（主）氧传感器用作空燃比反馈控制信号，后（副）氧传感器信号输入给ECU，以检测三元催化转化器的转化效率。通过两个传感器的压差就可以检测出三元催化转化器的工作状态是否正常。

3.空燃比反馈控制

为了最有效地利用三元催化转化器对废气的催化净化作用，必须采用氧传感器的反馈信号对空燃比进行精确的反馈控制。

在反馈控制过程中，空燃比、氧传感器输出的电压信号和空燃比反馈控制信号三者之间有一定的变化关系。假定开始时实际混合气偏浓（空燃比比理论空燃比大），此时氧传感器输出高电平信号。ECU收到这一信号后，通过减小（开始骤降，然后缓降）反馈修正系数，使喷油持续时间缩短，喷油器的喷油量减少。由于喷油量减少，混合气很快变稀。当混合气浓度变低（空燃比小于理论空燃比）时，氧传感器输出低电平信号。ECU接收到这一信号后，又使反馈修正系数增大（开始快升，然后缓升），结果使喷油持续时间延长，喷油器的喷油量增加，致使混合气又很快变浓。如此反复循环，不断地对空燃比进行反馈控制，最终使混合气的实际空燃比稳定在理论空燃比附近。

当汽油机电控系统对混合气空燃比采取反馈控制时，混合气的浓度基本上在理论空燃比附近，但这种空燃比对发动机某些工况是不适用的。如发动机起动以及刚起动未暖机时，发动机冷却液温度低，此时需要较浓的混合气，如果进行反馈控制时供给理论空燃比浓度的混合气，那么发动机可能会熄火。又如发动机处于大负荷或高转速工况时，也需要较浓的混合气，如果进行反馈控制时供给的混合气空燃比也在理论空燃比附近，则会使发动机动力不足。所以，ECU对空燃比的控制还包括在下列状态下不需要进行反馈控制的判定：①一般在发动机起动时；②起动后燃油量修正（加浓）时；③冷却液温度使燃油量修正时；④节气门全开（大负荷、高转速）时；⑤加、减速燃油量修正时；⑥燃油中断停供时；⑦从氧传感器输入的空燃比过稀信号持续时间大于规定值时；⑧从氧传感器送来的空燃比过浓信号持续时间大于规定值时。