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空燃比分析儀與氧傳感器的工作原理
空燃比分析儀與氧傳感器的工作原理
隨著汽車市場(chǎng)的不斷壯大，有越來(lái)越多的人從事汽車改裝和維修工作。空燃比分析儀作為一款測(cè)試混合氣空燃比（AFR：Air Fuel Ratio）的專業(yè)工具，在汽車改裝領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，市場(chǎng)上也出現(xiàn)多種類似產(chǎn)品。接下來(lái)我將以市場(chǎng)上比較有代表性的空燃比分析儀為例，來(lái)介紹一下此款產(chǎn)品的工作原理，廣大汽車愛(ài)好者和改裝維修人員可以參考一下，更好的選擇適合自己的那款產(chǎn)品。
介紹空燃比分析儀，就不得不從氧傳感器說(shuō)起。
1、氧傳感器的功能
測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中氧氣含量，確定混合氣（燃料+空氣）是否*燃燒。
2、氧傳感器的分類以及原理
按材料分，分為能夠產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)變化的氧化鋯型（ZrO2）和能夠產(chǎn)生電阻變化的氧化鈦（TiO2）型。
氧化鋯（ZrO2）型氧傳感器的工作原理
將ZrO2燒結(jié)成試管裝并在內(nèi)測(cè)和外側(cè)鍍有白金電極，其內(nèi)測(cè)注入大氣并使氧濃度保持一定，而外側(cè)則處于接觸排氣的狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)外層產(chǎn)生濃度差時(shí)，氧離子從氧濃度高的一側(cè)向低的一側(cè)流動(dòng)，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。
氧化鈦（TiO2）型氧傳感器工作原理
氧化鈦（TiO2）在大氣中具有絕緣性，而在某一溫度以上時(shí)，鈦和氧之家的結(jié)合性減弱，在氧氣極少的狀態(tài)下出現(xiàn)脫氧，變成低電阻的氧化半導(dǎo)體。脫氧的氧化鈦的電阻迅速下降。但是，在存在氧氣的環(huán)境匯總，它又能重新獲取氧氣，所以，電阻值又可以恢復(fù)到原來(lái)的值。
按工作測(cè)量范圍分，分為寬域型氧傳感器和窄域型氧傳感器
窄域型氧傳感器能夠測(cè)量過(guò)量空氣系數(shù)（λ）大于1或小于1，即混合氣是濃還是稀，但是濃多少貨稀多少，窄域氧傳感器是檢測(cè)不出來(lái)。寬域氧傳感器能夠測(cè)量混合氣λ=0.5-∞，接下來(lái)我會(huì)重點(diǎn)介紹一下寬域型氧傳感器的工作原理。
3、寬域型氧傳感器的工作原理
這里之所以要重點(diǎn)介紹寬域型氧傳感器，是因?yàn)檫@種氧傳感器是空燃比分析儀的核心部件，空燃比分析儀輸出的空燃比信號(hào)都是通過(guò)寬域氧傳感器獲取的。本文基于BOSCH公司的LSU寬域氧傳感器為例，介紹其工作原理。
寬域型氧傳感器是在窄域型的基礎(chǔ)上增加了可改變排氣中氧含量的氧泵改進(jìn)而成，它能夠測(cè)出的空燃比信號(hào)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖1 寬域氧傳感器LSU4.2結(jié)構(gòu)示意圖
模塊1：加熱器（Heater）
LSU系列氧傳感器是屬于氧化鋯型，這種材料在自身溫度高于300℃才能開(kāi)始工作，以LSU4.2型氧傳感器為例，當(dāng)溫度在750℃時(shí)處于*工作狀態(tài)。所以一般的氧傳感器都會(huì)內(nèi)置加熱器，以維持氧傳感器工作所需的溫度。
模塊2：參考室（Reference air duct）
參考室中沖入的是自然空氣。
模塊3：監(jiān)測(cè)室，又叫擴(kuò)散室（Diffusion gap）
監(jiān)測(cè)室中的空燃比始終在理論空燃比（λ=1）附近。
模塊4：泵電池（Pumping cell）
從監(jiān)測(cè)室中泵入或泵出氧，以維持感應(yīng)單元（ZrO2管）內(nèi)外的電動(dòng)勢(shì)在0.45 V 左右。
模塊5：感應(yīng)單元（Sensing cell）
也就是我們通常所說(shuō)的鋯管，內(nèi)外表面均覆蓋著一層多孔性的鉑膜，鉑既可以作為電極又具有催化作用。其內(nèi)表面與參考?xì)怏w（Reference air）接觸，外表面與廢氣（Exhaust gas）接觸。
模塊6：外圍控制單元（Closed loop controller）
外圍控制單元可以自己搭建模擬電路實(shí)現(xiàn)，為了達(dá)到更高的測(cè)量精度，BOSCH公司設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)芯片CJ125，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧傳感器的加熱控制、信號(hào)采集、故障診斷等功能。
LSU4.2工作原理：
廢氣由擴(kuò)散孔進(jìn)入監(jiān)測(cè)室，感應(yīng)單元能夠感知廢氣中的濃稀狀況，并產(chǎn)生高于或低于參考電壓Uref的電壓Vs。2個(gè)電壓信號(hào)輸入到OTA運(yùn)放（跨到運(yùn)放輸入是電壓信號(hào)，輸出是電流信號(hào)），輸出的泵電流Ip信號(hào)用于泵入或泵出監(jiān)測(cè)室中的氧。
當(dāng)廢氣中的氧濃度為0時(shí)（此時(shí)為理論空燃比），廢氣進(jìn)入監(jiān)測(cè)室，此時(shí)感應(yīng)單元產(chǎn)生等于參考電壓Uref的電壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)放后輸出Ip為0，說(shuō)明此時(shí)為理論空燃比，不需要泵入或泵出氧。
當(dāng)廢氣為稀混合氣時(shí)，廢氣進(jìn)入監(jiān)測(cè)室后CO與廢氣中的多余的氧產(chǎn)生反應(yīng)，感應(yīng)單元表面的氧變化微小，所以產(chǎn)生低于參考電壓Uref 電壓，zui終的輸出Ip將使泵電池從監(jiān)測(cè)室中泵出多余的氧，以維持監(jiān)測(cè)室中的空燃比為理論空燃比。
當(dāng)廢氣為濃混合氣時(shí)，廢氣進(jìn)入監(jiān)測(cè)室后，由于廢氣中沒(méi)有多余的氧，感應(yīng)單元表面附著的氧與廢氣中CO產(chǎn)生反應(yīng)，zui終感應(yīng)單元表面的氧為0的狀態(tài)，產(chǎn)生的電壓高于參考電壓Uref，zui終的輸出Ip將使泵電池向監(jiān)測(cè)室中泵入氧，以維持監(jiān)測(cè)室中的空燃比為理論空燃比。
因?yàn)椴煌瑵舛鹊幕旌蠚庑枰萌牖虮贸龅难醪煌员秒娏鱅p與廢氣中的氧濃度一一對(duì)應(yīng)，也與混合氣的空燃比一一對(duì)應(yīng)。
經(jīng)過(guò)上面的詳細(xì)介紹，想必大家已經(jīng)知道了BOSCH的寬域型氧傳感器LSU系列的工作原理了吧，如果還有疑問(wèn)，請(qǐng)加 2364172431。
以美國(guó)ECOTRONS公司推出的*代空燃比分析儀ALM為例，它使用的就是LSU4.2氧傳感器，包括美國(guó)Innovate生產(chǎn)的LM-2和LC-1產(chǎn)品都是使用的LSU4.2。
在我們上面介紹LSU4.2的原理時(shí)，可以知道，LSU4.2輸出信號(hào)是否，與參考室中參考空氣息息相關(guān)。如果參考空氣不是理論中的空氣，那么我們zui終得出空燃比將有誤差。而這也是實(shí)際生活中我們常遇到的情況，因?yàn)榘惭b氧傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)周圍，空氣質(zhì)量一般會(huì)很差，參考空氣很容易被發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣或其他其他污染源污染。一旦參考空氣被污染了，傳感器整體的特性曲線都會(huì)產(chǎn)生偏移，這種偏移在英文里叫做“Characteristic Shifted Down”，或者CSD，字面翻譯為特性曲線下移。這就是早期LSU4.2氧傳感器在使用中遇到的zui大問(wèn)題。BOSCH公司也因此需要承擔(dān)很大的保修成本。
為了解決這個(gè)問(wèn)題BOSCH公司重新設(shè)計(jì)了氧傳感器，也就是LSU4.9。它的使用*脫離了參考空氣，在氧傳感器內(nèi)部不再設(shè)計(jì)任何自然界氣體。現(xiàn)在的技術(shù)中，實(shí)際的泵電流會(huì)與一個(gè)參考泵電流保持平衡。泵電流同樣反映了真實(shí)的空燃比，但是他的參考標(biāo)準(zhǔn)不再是參考空氣了，而是一個(gè)標(biāo)定好的電信號(hào)曲線，這條曲線在任何環(huán)境都會(huì)一直保持不變。
美國(guó)ECOTRONS公司跟上了LSU系列氧傳感器的更新步伐，及時(shí)推出了第二代空燃比分析儀ALM-S（單通道），ALM-II（多通道，zui高支持12通道）。二代空燃比分析儀ALM-S使用BOSCH推出LSU4.9氧傳感器。
接下來(lái)我們將重點(diǎn)介紹空燃比分析儀。
對(duì)于普通客戶來(lái)說(shuō)，他選擇空燃比分析儀只是看一下發(fā)動(dòng)機(jī)大概的空燃比，對(duì)分析儀的測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有太高的要求，所以市場(chǎng)上有一種叫做空燃比計(jì)（或空燃比表）的設(shè)備，這種設(shè)備原理簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，是普通客戶的。
但是，一旦你要做發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定，對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確性和響應(yīng)時(shí)間要求極嚴(yán)。而LM-2和LC-1等以LSU4.2氧傳感器為主體的測(cè)試設(shè)備，顯然不能滿足我們的要求，原因很簡(jiǎn)單，LSU4.9從信號(hào)精度和響應(yīng)時(shí)間上，都比LSU4.2要強(qiáng)，詳細(xì)的資料請(qǐng)參考文章“從技術(shù)角度分析為什么LSU4.9優(yōu)于LSU4.2”，所以我們必須選擇配備LSU4.9的空燃比分析儀，相關(guān)廠家如ETAS和美國(guó)ECOTRONS，BOSCH是ETAS的zui大股東，他們的產(chǎn)品在市場(chǎng)上被普遍接受，但是價(jià)格過(guò)于昂貴。對(duì)于一般汽車改裝和汽車科研機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，美國(guó)ECOTRONS生產(chǎn)的ALM-S可以滿足大多數(shù)用戶的需求。
在前面我們已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，空燃比分析儀的本質(zhì)就是氧傳感器的外圍控制電路。控制電路又包括 1）加熱驅(qū)動(dòng)和溫度感知電路 2）Vs反饋Ip控制及驅(qū)動(dòng)電路 3）Ip感知和電壓Vout輸出電路 4）穩(wěn)壓電源、參考電壓和虛擬地電路 5）氧傳感器故障診斷電路，之后我們逐一分析每塊電路的構(gòu)成。
1）加熱驅(qū)動(dòng)和溫度感知電路
這塊電路設(shè)計(jì)是否合理，直接影響到氧傳感器的正常使用和壽命。對(duì)于氧傳感器，他只有在特定溫度下才可以正常工作，測(cè)得的信號(hào)才更準(zhǔn)確，以LSU4.9為例，它的工作溫度是780攝氏度，溫度高或低，都直接影響了測(cè)量精度。所以加熱驅(qū)動(dòng)電路必須是閉環(huán)的反饋控制電路，也就是說(shuō)一邊測(cè)量氧傳感器的溫度一邊加熱，如果溫度低于780℃，就加大加熱占空比，反之亦然。
氧傳感器的天敵就是水滴，因?yàn)檠鮽鞲衅鞯募訜醿?nèi)阻是由陶瓷構(gòu)成的，如果在上面有水滴的情況下盲目給LSU4.9加熱，會(huì)極大的縮短氧傳感器的壽命，嚴(yán)重的會(huì)直接損壞氧傳感器。所以只有達(dá)到露點(diǎn)溫度時(shí)才可以給氧傳感器加熱。
2）Vs反饋Ip控制及驅(qū)動(dòng)電路
泵電流Ip直接反應(yīng)了實(shí)際的空燃比信號(hào)，Ip的大小和方向是受Vs電壓控制的，實(shí)際控制電路中Vs電壓與參考電壓Vref（0.45v）進(jìn)行比較，通過(guò)一個(gè)OTA運(yùn)放后直接輸出電流Ip，Ip的方向指示了空燃比是濃還是稀，Ip大小指示了空燃比濃多少和稀多少。
3）Ip感知和電壓Vout輸出電路
一般空燃比分析儀的輸出信號(hào)都是電壓信號(hào)，所以我們需要將泵電流Ip經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻后輸出電壓，直接指示空燃比信號(hào)。
4）穩(wěn)壓電源、參考電壓和虛擬地電路
這里我們重點(diǎn)說(shuō)一下虛擬地電路，對(duì)應(yīng)LSU管腳是VM，這個(gè)虛擬地電路一般為參考電壓的0.5倍。是專門提供給LSU內(nèi)部的泵單元的（Pumping Cell），當(dāng)Vun-VM=450mv時(shí)，此時(shí)空燃比為理論空燃比。
5）氧傳感器故障診斷電路
主要針對(duì)氧傳感器的信號(hào)采集電路和加熱電路是否有故障，例如加熱器對(duì)GND或電源短路，加熱器電壓過(guò)低或過(guò)高，VM對(duì)GND或電源短路等。
有了以上部分電路，一個(gè)空燃比分析儀的雛形就出來(lái)了。因?yàn)槲覀円呀?jīng)成功的對(duì)氧傳感器進(jìn)行了控制，而且采集到了我們需要的空燃比信號(hào)。接下來(lái)就是想辦法將信號(hào)輸出，讓一些外圍顯示設(shè)備或者ECU能夠獲取空燃比信號(hào)。