关于汽车氧传感器的探讨

一、引言
氧传感器在很多领域都有广泛的应用，例如监控热处理炉、冶金、试验测量等，且在实验测试和环境监测中发挥着重要的作用。在现阶段，氧传感器又越来越多的用于空燃比α（α=空气质量/燃料质量。即Air Fuel Ratio，A/F）的控制中，用来检测、控制排放汽车尾气有害气体量，使其排出的气体为清洁的气体，以及有效提高汽油的燃烧效率，以达到燃料燃烧完全、排放污染物含量最低、发动机的动力性能和经济性最佳的目的。为了进行对气体中氧含量的监控，使汽车的废气排放符合规定标准，目前广泛采用三元催化系统，其关键部件是空燃比传感器，它能检测出与理论空燃比的偏差值。空燃比传感器有多种，实际应用的有氧传感器，二氧化钛和NOx型传感器还有待进一步研究。
在汽车排气管上装置一个氧传感器，用来检测排气的质量，并将其变换成信号。汽车发动机控制单元ECU根据氧传感器提供的这个信号，不断地检测和调整发动机喷油器的喷油量，使它能形成一个接近理论空燃混合气比，从而达到控制目的，并有效地提高发动机性能及汽车的经济性，因此，氧传感器就起着至关重要的作用。
二、汽车氧传感器的分类
当前，在汽车中采用氧传感器进行空燃比反馈控制系统控制的方式主要有两种：一种是三元催化转化系统，另一种是稀薄燃烧系统。
①三元催化转化系统
三元催化转化系统是一个由氧传感器和三元催化转化器组成的空燃比闭环控制系统，它能够极大地减少发动机产生的有害排放物。此系统中应用的传感器类型是氧浓差电池型氧传感器，自从1976年德国博世（Bosch）公司成功地将其应用于沃尔沃（Volvo）汽车以来，通用、福特、丰田、日产等汽车公司相继完成了氧传感器的开发与应用工作，这是目前控制汽车排放污染的主要措施之一。
三元催化转化系统为当前控制汽车尾气排放达标的常用手段。此系统中的三元催化转化器安装在发动机排气管上，采用铂（Pt）和铑（Rh）的混合物作为催化剂。它采用铂（Pt）作为催化剂，氧化尾气中的HC及CO，同时又利用铑（Rh）作催化剂让尾气里的有害NOx气体进行还原，生成CO2、N2、H2O等无害气体。该系统中，发动机废气的空燃比被氧传感器检测到，氧传感器将其控制在理论空燃比处（A/F=14.7）附近，因为在理论空燃比处，NOx、CO、HC才可以一同被催化剂反应掉，三元催化转化器的转化效率最高。而绝大多数进气道喷射汽油机空燃比A/F=12.6～17。因此，在三元催化转化系统中，氧传感器的作用是通过监测尾气中的氧离子的含量来获取混合气空燃比信号，并将之反馈给电子控制单元ECU，使空燃比被严格控制在理论空燃比附近很窄的范围内（A/F=14.4～15）。使用三元催化的优点在于经济性好和净化效果佳，不足之处是成本较高。和汽油机比较，柴油机主要是在稀薄混合气下运行，其尾气排气中的氧有较大的浓度，依据氧传感器的运行特点，较难实现准确的控制。
下图是氧浓差电池型氧传感器的工作原理及特性图。

②稀薄燃烧系统
为了降低汽车排放而普遍采用的三元催化转化系统要求空燃比被控制在14.7附近很窄的范围内，这是以牺牲燃料经济性为前提的。稀薄燃烧系统是1984年日本丰田（Toyota）公司首次使用，其目的在于基于排放有害气体量小于规定值前提下，有效提高燃料利用率。之后，现代汽车发动机越来越多地采用稀薄燃烧技术。采用稀薄燃烧系统后，发动机转矩变化增大的现象在空燃比提高到23时才出现（在普通汽油机空燃比为19左右时便出现），因此可以在转矩变化的允许范围内，利用空燃比的增加，在大于17的稀薄燃烧范围内，利用足够的氧使燃料燃烧都转化成H2O和CO2，降低NOx浓度至允许范围。这样，由于改善了燃烧状况，不仅排放控制和转矩变化这两个要求都得以满足，同时也提高了燃油的利用率。然而，一味增加空燃比会导致发动机熄火，造成动力输出下降，并且由于燃烧的不充分，污染反而更加严重，所以需要将空燃比控制在一定的范围之中。因此，在稀薄燃烧系统中，通过氧传感器的使用，精确对发动机废气空燃比进行控制。要求氧传感器能够在一个较宽的空燃比范围内（15≤A/F≤23）对汽车排放的氧浓度进行连续检测，以控制空燃比在一个较宽的稀薄范围内。
广泛用于三元催化转化系统的氧浓差电池型传感器不适于稀薄燃烧范围空燃比的控制，因此，极限电流型氧传感器引起了国内外研究人员的广泛重视。
极限电流型氧传感器是以ZrO2氧浓差电池型传感器为基础加以改进而产生的，它利用ZrO2氧浓差电池型传感器两端加上一定电压时其电流与排放气体氧浓度成正比这一特性，连续检测出稀薄燃烧区的空燃比。
极限电流型氧传感器具有灵敏度高、控制精度好、响应速度快等特点，它弥补了氧浓差电池型氧传感器对稀薄燃烧区空燃比响应慢、灵敏度低的不足。因此，适用于宽范围空燃比的极限电流型氧传感器已成为主要发展趋势。目前，一汽宝来轿车已开始采用这种传感器。
氧浓差电池型氧传感器应用于三元催化转化系统中，能使空燃比被严格控制在理论空燃比附近很窄的范围内。对于稀薄燃烧系统极限电流型氧传感器能够在一个较宽的空燃比范围内对汽车排放的氧浓度进行连续检测，控制空燃比在一个较宽的稀薄范围内。对于整个浓燃烧和稀薄燃烧范围的空燃比控制，融理论空燃比控制与稀薄空燃比控制为一体的双电池极限电流型氧传感器则具有优势，是一种检测范围极宽的广域氧传感器。稀薄燃烧系统有可能成为将来汽车发动机空燃比反馈控制系统的主流，这将促进极限电流型氧传感器和双电池极限电流型氧传感器的飞速发展。

三、片式氧传感器在汽车电喷系统中地作用
当前，汽车电喷发动机的控制系统通常有两种，一种是三元催化控制系统，另外一种是贫燃控制系统。
为了将三元催化系统把碳氢化合物与NOx、CO等化合反应成N2、CO2及H2O等无污染物质，需要将空燃比严格控制在理想空燃比A/F处，这样氧化还原才能达到最佳的效果。
如果空燃比小于理论空燃比，就会缺氧燃烧，排放的尾气氧分压低；相反，则是富氧燃烧，排放的尾气里有着较高的氧分压。因为尾气中氧分压在理论空燃比处突然发生了改变，因而要求在理论空燃比附近，汽车ZrO2氧传感器的输出氧电势也要突变。浓差电池型ZrO2氧传感器是把被测的氧分压变换为电势信号形式的氧传感器。尽管其在不同温度下，所发生的输出电势幅度变化不一样，然而发生跳跃时，它们对应的空燃比都是相同的，因而在理论空燃比附近，浓差电势型氧传感器相对于空燃比变化反应非常敏感，能够利用它的输出电势当成反馈信号，严格地把空燃比控制在理论空燃比处。
稀薄燃烧系统是在燃烧时，引进大量的空气，在稀薄状态下让燃油燃烧，它的空燃比相比三元催化控制系统来说，空燃比要更高一些，所以基于该系统前提下，燃料消耗率要低。通常对于稀薄燃烧系统的氧传感器来说，需要把空燃比控制在16至21的空间里。
四、汽车片式氧传感器加热方式
片式氧传感器通过三层叠压形成一个整体，在加热片上覆盖的是加热电极，将其连接通电源后，能快速地对传感器加热。因为陶瓷间的传热性能很好，片式氧传感器能够迅速地和汽车排放的尾气具有相近的温度。管式氧传感器是利用加热器来释放出热量，其是依靠空气传热给锆管，因而片式氧传感器相对于管式氧传感器来说，传热速度更快一些。我国自2000年起，就开始强制采用发动机电喷装置，其和三元催化剂一同构成了排放控制及空燃比控制系统，这样，就可以有效地控制污染尾气排放的途径。将氧传感器应用至电喷装置的反馈系统里，能够让喷射装置做到闭环控制，准确地对燃油的喷射量和喷射时间进行控制，促进燃油充分燃烧，从而能够使汽车提升功率、降低油耗、显著降低污染排放。
五、结束语
从世界各国公布的专利情况来看，各主要汽车生产国都很重视汽车传感器的研制和生产，氧传感器的申报专利数据居汽车传感器的首位。目前，对氧传感器的研究主要集中在以下几个方面：降低工作温度，进一步扩大空燃比控制区域以实现广域空燃比控制，减少起动时间，薄膜化，集成化和小型化，改进保护层材料。
当前世界上每年用于检测汽车尾气的传感器都有近亿个，而传感器的主要技术却被欧美日等国掌握，我国在此项技术上，尚处于初级研发阶段，使用的车载氧传感器大都依靠进口。所以，加大氧传感器件研发力度，不但可以打破欧美日的垄断、保护自身经济利益，还可以促进能源有效利用，对环境保护有着极其重要的意义。
[参考文献]
[1]张洪润，傅瑾新，吕泉等.传感器应用设计300例（上册）[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.
[2]陈天耀.浅谈汽车氧传感器故障检修[J].汽车电器,2008,（6）：47~48.
[3]曹红兵,齐飞林.ZrO2氧传感器在汽车排放控制系统中的应用研究[J].汽车电器,2008,（4）：8~12.
[4]童建平,陈慧萍.汽车用空气质量流量计的设计[J].传感器与微系统,2007，26（12）：80~81下转84.
[5]吴丹丹，谢光远，黄海琴等.平板式ZrO2氧传感器叠压工艺的研究[J].武汉科技大学学报,2008,31（6）：583~586.
[6]黄海琴，谢光远，王杏等.平板式ZrO2氧传感器制备工艺新进展[J].传感器世界,2009,15（1）:33~35.
（作者单位：贵州大学职业技术（师范）学院电子信息实验室）