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氧传感器相关知识笔记

空燃比概念

空燃比即空气与燃料的比例。汽油的理想空燃比 14.7 : 1,这里的比值是质量比,单位是 g。也就是说 1g 的汽油完全燃烧,需要 14.7g 的空气。比值越小,混合气体中的汽油占比越大,或者说混合气体偏浓;反之,比值越大,混合气体中的空气占比越大,或者说混合气体偏稀。

过量空气系数(lambda)

由于其它燃料(柴油、氢气、天然气等)的理想空燃比并非 14.7 : 1,因此行业中引入了一个过量空气系数(lambda)。

lambda 是实际空燃比与理论空燃比的比值,由此可以推导出:当 lambda 为 1 时,为理想燃烧情况(也就是说在汽油机中,当 lambda 为 1 时,实际空燃比为 14:7 : 1);当 lambda < 1 时,表示混合气体偏浓;当 lambda > 1 时,表示混合气体偏稀。

当 lambda < 0.5 (过浓)或者 lambda > 1.4 (过稀)时,缸内的气体将无法点燃。

一般情况下,当发动机高功率运行时,lambda 值大约在 0.9 左右;当发动机运行于经济工况时,lambda 值大约在 1.1 左右。

排放

混合气体燃烧,主要会产生三种有害物质:一氧化碳 CO,碳氢化合物 HC,氮氧化合物 NOx。

emission.png

如图所示,在汽油机中,当空燃比为理想值 14.7 : 1(也就是 lambda 为 1)时,废气中 CO 和 HC 接近最低,但 NOx 的含量接近最高。但由于经过刻意的设计,此时三元催化器的转化效率是最高的,最终排出的尾气是最干净的(还有一个前提条件是温度达到 600 摄氏度左右)。

氧传感器的作用

前氧传感器在三元催化器之前,可以通过发动机排出的空气中的含氧量来判断燃烧状态。将此信息反馈给 ECU,ECU 便可以不断地根据氧传感器返回的信息来调节喷油量,从而达到不同控制策略(巡航需要经济性、加速需要动力性等)下预期的燃烧效果。

后氧传感器在三元催化器之后,通过氧含量来监控三元催化器的工作效率。不过在现在一些新的车型上,后氧传感器也参与燃油修正。

诊断仪/软件当中经常用 Bank x Sensor y 表示传感器的编号。Bank 1 Sensor 1 表示第一列气缸的第一个传感器,通常是前氧传感器;以此类推 Bank 1 Sensor 2 表示第一列气缸的第二个传感器,通常是后氧传感器。而 Bank 2 Sensor 1 通常出现在 V 型发动机上,此类发动机有两列气缸,每列对应一个三元催化器,每个三元各有两个氧传感器。

氧传感器的工作原理

氧化锆式传感器是比较常见的氧传感器,它的工作原理见下图:

sensor.jpg

它的结构像一支试管,有内外两个面。将它插入排气管中之后,外侧的那个面直接与排气管中的废气接触,内侧一面则直接通着大气。“试管壁”中间层的材料就是二氧化锆,外侧和内侧分别包裹着一层铂。二氧化锆充当着电解质的角色,当温度足够高(> 350 摄氏度)的时候,它便会开始传递氧离子,大约在 650 摄氏度左右工作效率最高。包裹着二氧化锆内外两侧的两层铂,成为两个电极,这样就形成一个电池了(能斯特电池)。它的内侧通着大气,始终是富氧环境,含氧量始终固定(大气氧含量 21%);外侧含氧量就是尾气中的含氧量,是一直随着燃烧状况在变化的,相对内侧一定是更少的。因此大气一侧空气中的氧分子会失去两个正电荷,变成氧离子,往排气管一侧走,大气一侧成了正极,废气一侧成了负极,这样就有了电压。

跟三元催化器一样,氧传感器也怕铅和硫,这两种元素容易使它中毒。

当混合气体偏浓时,废气一侧含氧量相对少,大气侧与废气侧的电位差就比较大,因此产生的电压也比较大,但一般不会超过 0.9v;相反当混合气体偏稀时,废气一侧含氧量相对多,大气侧与废气侧的电位差比较小,产生的电压也比较小,一般最小低至 0.1v。

o2sensor-voltage.png

如上图,二氧化锆有一个特性,就是达到工作温度之后,如果混合气体浓,废气侧无氧,大气侧氧离子就移动得很活跃。在混合气由浓变稀的过程中,氧离子的活跃程度几乎不怎么变化,表现为电压几乎一直维持在 0.9v 左右;直到过量空气系数 lambda 接近 1,废气侧开始逐渐有氧时,氧离子的活跃程度才开始下降,但是下降得很快,lambda 稍微超过 1 一些,氧离子就变得很不活跃了。因此此种氧传感器能够精确测量的,只有在 lambda 为 1 附近很窄的一段范围。也就是说,多数情况下,它只能知道混合气体浓了还是稀了,但具体浓了多少还是稀了多少无从得知——除非正好 lambda 值落在 1 附近。这种氧传感器叫作阶跃式氧传感器,又叫窄域氧传感器。

阶跃式氧传感器有四根线束,其中两根接着电极的两侧。负极接地,现在一般都不是在车身接地,而是在 ECU 内部有个虚拟的接地。并且有些车型会给一个参考电压,例如 1.5v,加上传感器本身的电压,测量到的结果就是电压在 1.6v ~ 2.4v 之间变化。不同的车型给的电压大小会有所不同。

氧传感器温度在 600 摄氏度以上时,电压变化的频率是每 10 秒 8 次。如果温度过低,这个频率会降低。早期的氧传感器只有一根线束,连接着正极信号线,负极直接搭铁。二氧化锆本身靠排气管加热。但是冷启动时,排气温度上来得慢,为了让氧传感器尽快进入工作状态,现在的氧传感器都加入了一个加热器,就又多了两根线束。加上铂电极的两根,就一共有四根线束。

加热器靠占空比控制输入电压的大小,从而调整自身的温度。加热器的电阻值一般在 10 欧以下,并且会随温度改变,温度升高,阻值也会升高。加热器温度普遍在 350 ~ 700 摄氏度左右。这个温度是一个估算值,并不是靠温度传感器检测到的真实温度。加热器最终产生的实际温度会使二氧化锆内阻也发生变化,ECU 会根据其产生的信号电压来判断温度,然后根据这个温度控制占空比,来调节加热器的温度。

宽域氧传感器

如果在二氧化锆两侧的电极人为地通上电,氧离子就会在电压的作用下运动,从电极的一侧移动到另一侧,这样就形成了一个“氧泵”,又叫泵氧元。通过改变电流的方向,可以控制氧离子的流向。

由此人们设计出了一种结构,可以放大阶跃式氧传感器的测量范围:

wide-range-sensor.jpg

如图。既然二氧化锆只在有氧无氧的临界范围内对氧含量敏感,那么就想办法制造这么一个环境。于是人们把原先的氧传感器(2)靠近废气一侧的电极用一个腔室隔开(6),这个腔室叫取样室。别一侧仍然与大气接触(4)。取样室的一侧是能斯特电池(2)——即原先的传感器。另一侧是个氧泵(1)。氧泵的另一侧则与废气接触。同时取样室中有个扩散孔与废气接通,这样废气就能够不断地进入取样室。当能斯特电池(2)检测到混合气偏浓时,ECU 会通知氧泵(1)往取样室(6)内泵氧,直到能斯特电池(2)测得 lambda 为 1,也就是电压为 0.45v。相反,当能斯特电池(2)检测到混合气偏稀时,ECU 会通知氧泵(1)从取样室(6)往外抽氧,直到能斯特电池(2)测得 lambda 为 1。最后,通过计算氧泵在这段时间内通过的电流的流向和大小,就能得知废气浓了多少或是稀了多少。

由于多了个氧泵,原先阶越式氧传感器的四根线束在宽域氧传感器里就变成了六根线束。氧泵和能斯特电池可以共用一根接地线,因此也有五根线束的宽域氧传感器。

燃油修正

ECU 在出厂的时候,会设定好一个基础的喷油量。喷出的油到气缸里燃烧之后,排出废气,被前氧传感器检测到。如果氧传感器电压 < 0.45v,检测到的结果就是混合气体偏稀,则 ECU 会增加喷油量,例如增加 2%;相反如果检测到混合气体偏浓,则 ECU 会尝试减少喷油量。下一次喷油量就是调整之后的量,如果还稀/浓了,ECU 就会再次调整。这样不断地根据前氧传感器返回的信号调整喷油量,就是“短期燃油修正”。

短期燃油修正稳定在某个范围一段时间之后,ECU 会把这个值写入存储器,覆盖原始的基本喷油量。之后短期燃油修正就在这个新的基础上进行。也就是说正常情况下,长期燃油修正写入之后,短期燃油修正应该是在 0 附近的范围上下轻微浮动。

当长期燃油修正超过极限值的时候(比如 25%),ECU 无法继续调整喷油量,就会报故障码:混合气体过稀(P0171)/浓(P0172)。

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从修电脑转职到修车。

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