汽车氧传感器的应用研究

-159- 1. 空燃比反馈控制系统 三元催化转换器由镀有铂、锗催化剂 的微孔陶瓷构成，装在排气消音器的前面， 通过化学反应能把发动机排出的有害废气 CO、HC和NOX转换成无害气体CO2、H2O 和N2。然而，在这些催化反应中催化剂的 反应特性与通过的尾气中所含的氧量有关， 因此由催化反应所导致的净化效率就与发 动机的空气和燃料的比例A/F有关。当发 动机空燃比维持在理论空燃比(14.7:l)附近 时，三元催化转换效率为最佳，见图1所示。 空燃比一般用来表示可燃混合气的成 份，定义为空气与燃料的质量比。理论上 1 kg汽油完全燃烧并生成CO2和H2O时需 要14.7kg空气，比值14.7即称为理论空燃 比。理论空燃比对我们理解可燃混合气如 何燃烧有重要意义。混合气的浓与稀可参 照参数过量空气系数：实际空气量与理论 空气量的比，用λ表示。当λ=1，即实际 空燃比等于理论空燃比。相对而言，混合气 浓（空燃比小于理论空燃比或λ<1），所供 的空气量小于理论空气量，这种混合气不 足以完全燃烧，汽油浓度大，称为稠密。对 完全燃烧来讲氧气过少，有利于提高发动 机动力性，但燃油经济性将下降，且易生成 较多的CO和HC降低排放性能；反之，当 混合气稀(空燃比大于理论空燃比或λ>1)， 对完全燃烧来讲氧气过多，有利于提高燃 油经济性，但发动机动力性将受损失，且易 生成较多的NOx降低排放性能。因此，有 效地控制实际空燃比在理论空燃比附近， 将有利于提高汽车发动机的经济性、动力 性和降低排放污染。 汽车氧传感器的 应用研究 刘卉 江苏省扬州市扬州职业大学 摘 要 本文讲述了氧传感器在汽车尾气净化中的作 用，两种氧传感器的发展，结构、工作原 理和比较，最后提出了氧传感器的发展展望。 关键词 空燃比;汽车尾气净化;汽车尾气排放;氧传感器 引言 当今汽车工业得到了快速的发展。被 称为移动烟囱的汽车尾气，其有害成分包 括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧 化物(NOx)、硫化物(SOx)以及微粒物质(铅 化物、碳烟、油雾等)、臭气(甲醛、丙稀醛 等)等；其中CO、HC和NO是汽车污染控 制的主要大气污染成分。汽车尾气净化的 主要是利用催化剂将其有害成分CO、 HC和NOX通过化学反应转化成为无害的 CO2、H2O和N2。关键技术是汽车发动 机电子控制燃油喷射系统(EFI)、氧传感器 (EGO，排气氧传感器Exhaust Gas Oxygen Sensor) 和三元催化反应器（Three Way Catalyst Converter简称TWC）及电控模 块(ECU)组成的空燃比闭环反馈控制系统。 其中，氧传感器对于提高燃烧效率、降低污 染排放量和三元催化起着重要的作用。它 们调节汽车发动机的空燃比（A/F，空气 与汽油的质量比），精确地控制燃油的燃烧 过程，既提高燃烧效率，节省能源，又能大 幅降低尾气的污染。另一方面，在汽车尾气 中剩留的有害气体，在外电极铂的催化作 用下，可与氧相互反应，进一步达到净化的 目的。汽车使用时必须安装氧传感器控制 的电子喷射系统才能达到环保要求。 目前在汽车中用氧传感器控制空燃比 的反馈控制系统有两种。一种是三元催化 系统，它在Volvo中被首次应用，随即被日 本、美国公司用来降低汽车尾气有害气体 的排放量，是目前控制汽车达标的主要措 施。另一个系统为稀薄燃烧系统，它是丰田 公司1984年首次应用的。三元催化方式(氧 传感器、三元催化剂与电子控制供油系统， 即所谓三元系统)在降低汽车排放技术中处 于主导地位。本文主要说明氧传感器在三 元催化方式中的应用原理。 故此，三元催化反应器通常与电子计 算机控制系统结合在一起，用氧传感器检 测尾气中的氧浓度并将其信号反馈到 ECU，又通过ECU发出指令来控制调节燃 料供给系统。这样就构成一个自动控制空 燃比的闭合环路，见图2所示。为此,利用 氧传感器检测排放气体中的氧浓度及微机 反馈控制来调整发动机空燃比，成为必不 可少的手段；同时也表明，氧传感器是使该 系统最有效地发挥作用必不可少的部件。 2. 氧传感器基本原理和在空燃比反 馈控制系统中的应用 目前，市场上汽车氧传感器产品按工 作原理分为浓差电压型、极限电流型、半导 体电阻型（前两者通常采用掺杂稳定剂的 ZrO2基电解质，以氧空位离子传导导电； 后者以氧化物半导体对氧气的氧化还原产 生电子导电）；按其应用分为理论空燃比传 感器(即λ传感器)、稀薄空燃比传感器、宽 范围空燃比传感器；按其结构分为套管式 和平板式；按其材料分为氧化锆和二氧化 钛两种氧传感器。 2.1 两种材料的氧传感器的发展 二氧化锆的离子导电性最早研究是在 1900年，而真正将氧传感器应用于汽车上 则是在1976年，由德国博世BOSCH公司 首先在瑞典VOLVO汽车上装用了氧化锆 氧传感器，实现了汽车尾气空燃比的反馈 控制。之后通用、福特、丰田、日产等汽车 都先后开发了氧传感器并应用于汽车上来 控制汽车尾气。目前二氧化锆传感器已是 应用在汽车上较成熟的氧传感器。二氧化 钛（TiO2）属N型半导体材料，其阻值大 小取决于材料温度及周围环境中氧离子的 浓度，因此可以检测排气中的氧离子浓度。 氧化物半导体表面可选择性地吸附某种气 体，利用其氧化物薄膜的电阻率变化可制 成气敏元件是由日本的清山哲郎在1962年 图1 三元催化反应器的净化效率 与空燃比的关系 图2 尾气闭环控制系统 -160- 中国科技信息2008年第21期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Nov.2008制 造 发现的，而二氧化钛传感器在汽车上的应 用是日本于1982年才开始使用，丰田公司 于1984年研制成功了管芯式氧化钛传感 器，1985年研制成功厚膜式氧化钛传感器 并批量生产，并且之后在全球得到迅速的 发展。氧化钛式一般都为加热型传感器，由 于价格便宜，且不易受到硅离子的腐蚀，因 此随着新技术，特别是纳米加工技术发展， 二氧化钛传感器将更具有广阔的前景。 2.2 二氧化锆传感器的结构与工作原 理 氧化锆氧传感器的基本元件是专用陶 瓷体，即ZrO2固体电解质(简称ZrO2传感 元件)。陶瓷体制成试管式的管状，亦称锆 管。其内外表面都覆盖了一层多孔性的铂 膜作为电极。由于在汽车上使用，环境条件 苛刻，寿命要求长，为防止废气中的杂质腐 蚀铂膜，在ZrO2传感元件的铂膜上覆盖一 层多孔氧化铝保护层，并且还加装一个防 护套管。氧化锆氧传感器外形和内部结构 如图3所示。氧传感器内侧通大气，外侧直 接与废气接触。由于发动机空间有限，传感 器外形设计成U型，内电极为厚膜技术固 定的多孔Pt(铂)膜，外电极采用有机悬胶液 涂敷Pt膜上再溅射Pt薄膜的方法制备，以 提高三项界面的催化活性。为增加其机械 强度，整个传感器装在不锈钢套筒内，然后 固定在发动机与排气管的连接处（氧化锆 氧传感器必须满足发动机温度高于60℃、 氧传感器自身温度高于300℃，以及发动机 工作在怠速工况或部分负荷3个条件时才 能正常调节混合气浓度，因此，将其安装在 温度较高的排气管上（如图4所示））。尾气 温度在300～950℃之间变化，为保证传感 器在稳定温度下工作，同时，为了使氧传感 器迅速达到工作温度（300℃）而投入工作， 经常采用加热器对锆管进行加热。为使传 感器在低温条件下就投入工作，加热器的 加热温度一般设定为300℃。温度对氧传感 器电动势的影响如图5所示。 1）电池特性 ZrO2传感元件陶瓷体是多孔的，允 许氧渗入该固体电解质内，温度较高时，氧 气发生电离。ZrO2氧传感器的工作原理与 干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类 似电解液的作用。其基本工作原理：在一定 条件下（高温和铂催化），利用氧化锆内外 两侧的氧浓度差产生电位差，则在固体电 解质内部氧离子从大气一侧向排气一侧扩 散，使锆管形成微电池，在锆管铂极间产生 电压。氧化锆氧传感器工作原理如图6所 示。化学反应过程： 内电极（参比电极）O2+4e→2O2- 外电极（工作电极）2O2-→O2+4e E=(RT/4F)(lnPs-lnPr)式中R为气体 常数(8.314J/(mol·K))；T为工作绝对温度 (T)；F为法拉第常数(96480C/mol)；Pr、Ps： 排出气体与大气中的氧分压，Pa起电力E 与氧分压比的对数成正比，氧传感器表面 的氧浓度差越大，起电力也越大。 2）开关特性 当混合气稀(空燃比大或λ>1)时，排 气中氧的含量高，CO浓度较小，即使CO 全部都与氧离子发生化学反应，锆管外表 面上还是有多余的氧离子存在。因此，传感 元件内外侧氧浓度差小，则内外侧两电极 之间产生的电压很低(接近0V)；反之，混合 气浓(空燃比小或当λ<1)时，在排气中几 乎没有氧，CO、HC、H2的含量较多，这 些成分在锆管外表面的铂的催化下，与氧 发生反应生成CO2气体，消耗废气中残余 的氧，使锆管外表面氧浓度变成零。由于锆 管内表面与大气相通，氧离子浓度很大，这 样使得锆管内、外两侧的氧浓度差突然增 大，两极间产生的电压也增大(约1V)。在 理论空燃比附近（即λ=1），排气中的氧离 子和CO含量都很少。在铂催化剂的作用 下，氧离子与CO的化学反应从缺氧状态 （CO过剩、氧离子浓度为0）急剧变化为富 氧状态（CO为0、氧离子过剩）。由于氧离 子浓度差急剧变化，因此，铂电极之间的电 位差急剧变化，使氧传感器输出电压信号 有一突变，其输出特性见图7。 当λ=1.00时，废气净化率最高，此 时传感器的输出电压处于临界状态。 当λ<1.00时，发动机工作在缺氧状 态，输出电压接近于1.0V。 当λ>1.00时，发动机工作在富氧状 态，输出电压接近于0.0V。 因此，通过氧传感器的信息反馈，使 空气过剩率始终保持在以λ=1.00为中心 的狭小范围内，从而将废气组分中有害气 体的排出量控制在最低限，经空气净化器 后，废气含量只占发动机管道内含量的1/ 10，另外通过测量净化气体前后的氧偏 图9 TiO2氧传感器的结构 图8 氧传感器输出信号与空燃比 反馈控制过程图7 锆氧传感器输出特性 图6 氧化锆氧传感器工作原理 图5 温度对氧传感器电动势的影响 图4 氧传感器安装位置 图3 氧化锆氧传感器外形和内部结构 -161- 差，还可以监测发动机的工作是否正常。 反馈控制原理参见图8。 3）响应时间 当混合气体浓度发生变化时,氧传感器 的电压输出从开始变化到最终输出的90% 之间所需的时间，即为响应时间。氧传感器 的响应时间一般不超过10S。响应时间越 短，则其灵敏度越高。 2.3 二氧化钛传感器的结构与工作原 理 1）构造 氧化钛式氧传感器（结构如图9所示） 必须满足发动机温度高于60℃、氧传感器 自身温度高于600℃，以及发动机工作在怠 速工况或部分负荷3个条件时才能正常调 节混合气浓度，因此，氧化钛式氧传感器也 安装在温度较高的排气管上。同时，采用了 直接加热方式使氧传感器迅速达到工作温 度（600℃）而投入工作。氧化钛式氧传感 器是利用二氧化钛(TiO2)材料的电阻值随排 气中氧含量的变化而变化的特性制成的， 故又称电阻型氧传感器（阻抗特性如图10 示）。二氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆 式氧传感器相似，在传感器前端的保罩内 是一个二氧化钛膜元件。纯二氧化钛在常 温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦 缺氧，其晶格便出现缺陷，电阻随之减小。 由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化， 因此，在二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。 R=Aexp（-E/RT）·PO21/m，式 中 ： R：波兹曼常数，J/K；A：常数； E：活化能，J；1/m：依赖于晶格缺陷 性质的指数； PO2：氧分压，Pa；R：气体常数，J/ mol K；T：绝对温度，K 如果偏离理论空燃比，PO2则会发生逐 步的变化。所以，通过测定氧分压，亦即传 感器的电阻变化，就能测定与理论空燃比 的偏移数值。 2）工作原理 电控单元ECU将一个恒定的1V电压 加在二氧化钛氧传感器的正极，并将传感 器负极上的电压降与电控单元控制程序中 设定的参考电压相比较，如图11。当发动 机的可燃混合气浓（A/F<14.7）时，排气 中氧含量少，二氧化钛氧传感器外表面氧 很少，二氧化钛呈现低电阻；当发动机的可 燃混合气稀（A/F>14.7）时，排气中氧含 量大，二氧化钛氧传感器外表面氧很多，二 氧化钛呈现高电阻；电阻在混合气空燃比 为理论空燃比14.7（即λ=1.00）时产生 突变。通过这样反馈控制，使混合气的浓度 保持在理论空燃比附近的狭小范围内。 2.4 两种材料氧传感器的区别 2.5 氧传感器在空燃比反馈控制系统中 的作用 发动机空燃比反馈控制原理如图12所 示。ECU接收到氧传感器的反馈信号后， 将其信号电压与基准电压进行比较，以判 定混合气的浓稀程度进行控制。空燃比反 馈控制的实质就是通过氧传感器信号执行 回归理论进行空的控制。在该系统中，当空 燃比稀薄时，排放气体中的氧浓度增加，氧 传感器把“稀薄状态”微机，氧传感器 输出低电位信号，ECU收到这一信号后， 使反馈修正系数增大(先骤升，后缓升)，结 果使喷油器延长喷油持续时间增加喷油； 当空燃比较浓时，排放气体中的氧浓度降 低，氧传感器把“较浓状况”通知微机，则 氧传感器输出高电位信号，ECU收到这一 信号后，使反馈修正系数减小(先骤降，后 缓降)，喷油器缩短喷油持续时间减少喷 油。由于喷油量减少，混合气随之又很快变 稀。ECU根据氧传感器的输出信号对混合 气空燃比进行控制的过程，称为闭环式控 制。但由于控制系统的反馈控制过程需要 一定时间(包括可燃混合气吸入汽缸、尾气 流过氧传感器及氧传感器响应时间等)，故 实际控制的混合气的空燃比总是保持在理 论空燃比14.7附近的一个狭窄范围内。 3. 展望 从目前情况来看，针对氧传感器材料 的研究重点应在以下几个方面： 1）研究改进保护层材料，提高抗劣化 性，增强透气性 汽油和机油中含有铅、硫、磷等杂质， 会使传感器性能大幅度下降，而灰尘、油、 硅等成分则会堵塞传感器保护层和电极。 为此，需改进保护层材料使传感器元件抗 劣化性能提高。 2）提高氧传感器材料的环境适应性， 延长使用寿命 对于汽车用氧传感器其工作环境很恶 劣，处于500℃～800℃的高温下，平时还 要承受30℃左右的气候温度的影响。因此， 扩大其工作温度范围，尤其是高温区工作。 稳定性、耐久性，成为近年来材料改进的一 个方向。同时整个元件在很大温差快速变 化下，其可靠性、抗劣性的改进也是一个关 键问题。 3）扩大空燃比控制测量区域 实现广域空燃比的测量控制是近年来 一个热门研究方向。这样可使氧传感器能 连续计量控制从过浓区域(富油区)到理想空 燃比再到稀薄区域(贫油区)的整个状态，实 现广域反馈控制。 图12 空燃比反馈控制系统 图11 氧化钛式氧传感器工作原理 表1 ZrO2氧传感器和 TiO2氧传感器的比较 图10 TiO2氧传感器的阻抗特性 下转第164页 -164- 中国科技信息2008年第21期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Nov.2008制 造 4）提高测t、反馈信号的精确度， 增强对瞬时变化状态的反馈控制能力。 由于西方发达国家对排放废气法规日 趋严格，因而要求氧传感器测量信号的精 度不断提高，以利于提高控制能力。同时对 瞬时变化的排气也要求做到及时测量修正。 5）传感器的薄膜化和小型化。 用薄膜化和微机械制备的小型化 氧传感器具有性能优异、价格便宜等特点， 且易实现集成化、全固态化以及多功能化。 4. 结语 车用氧传感器是发动机电子控制系统 中关键的传感部件，也是控制汽车尾气排 放、降低汽车排放物污染、提高发动机燃烧 质量、节省燃油的重要部件。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 器的申报专利数居汽车传感器的首位。预 计汽车氧传感器市场在10年内将以每年 30%的增长幅度增加到年用量10亿支左右。 据估计，目前我国汽车氧传感器的年需量 在500万支以上，其产值超过10亿元人民 币。总之，随着我国汽车工业的迅猛发展， 随着汽车技术的进步和传感器制造工艺技 术的提高，汽车用氧传感器将会不断完善 发展，其发展前景十分广阔。 上接第161页Lγα、Lγb——分别为从主流道中心 到型腔a、b的流动通道的长度，mm； Lgα、Lgb——分别为型腔a、b的浇口 长度，mm。 通过一个例子说明： 如图1所示为相同塑件10个型腔的模 具流道分布图，各浇口为矩形窄浇口，各分 流道直径相等，分流道dγ=6mm，各浇口 的长度Lg=1.25mm，为保证浇口平衡进 料，确定浇口截面的尺寸。 从图中的型腔排布可以看出，A2、 B2、A4、B4型腔对称布置，流道的长度 相同；A3、B3、A5、B5对称相同；A1、 B1对称相同。为了避免两浇口和中间浇口 的截面相差过大，可以A2、B2、A4、B4 为基准，先求出这两组浇口的截面尺寸， 再求另外三组浇口的截面尺寸。 在实际生产中浇注系统的平衡调整应 为： （1）首先将各浇口的长度、宽度和厚 度加工成对应相等的尺寸。 （2）试模后检验每个型腔的塑件质量， 特别要检查一下晚充满的型腔其塑件是否 产生补缩不足缺陷。 （3）将晚充满、有补缩不足缺陷型腔 的浇口宽度略微修大。尽量不改变浇口厚 度，因为浇口厚度改变对压力损失较为敏 感，浇口冷却固化的时间也会前后不一致。 在上述试模的整个过程中，注射压力、 熔体温度、模具温度、保压时间等成型工艺 应与正式批量生产时的工艺条件相一致。 3 结论 通过上述可知，在一模多腔的塑 料注射成型过程中，注射模具中的浇注系 统的平衡的状态越好，各型腔成形制品的 质量越高，制品的成型性能越好。在本文 中，通过对相同塑件一模十腔浇注系统的 平衡的分析，得出有助于改善浇注系统平 衡的经验。 根据前面分析可知，需要选取探测灵 敏度高的磁敏传感器，一般霍尔器件不完 全能够满足检测要求。目前利用磁阻传感 器已研制出JLY-1B智能微裂纹检测仪能 够检出10-14～10-8T的磁场，而另一种磁 通门检测器除了能够满足检测敏度外，还 可根据需要做成笔尖状，以便贴近螺纹沟 槽底部表面运动，提高检测灵敏度。 3、信号的处理 信号处理就是将磁敏传感器获得的漏 磁信号经过一系列的处理转化成电信号通 过二次以表显示出来，信号处理过程如图4 所示。 五、工件的探测 资料显示[2]，管道螺纹连接处受到轴 向载荷作用，螺纹各牙受力很不均匀，啮合 螺纹两端的数牙受力最大，中部螺纹受力 却很小，在啮合螺纹两端产生缺陷的可能 性最大。研究表明[1]，随着测量提离高度（探 头与探测表面间距）的增加，裂纹Hy值随 之变小。 因此，在探测缺陷时，为了提高检测 灵敏度，将工件局部磁化，达到饱和磁场， 探头（磁敏传感器）做成针状，同时将探头 从啮合螺纹中部开始沿螺纹沟槽底部向螺 纹两端沿螺旋线运动。在此过程中，工件的 励磁装置与探头运动应保持同步，针形探 头贴近螺纹沟槽表面，探头运行的速度应 缓慢且速度均匀，当探头在啮合螺纹中部 运动探测过程中会接受到螺纹沟槽产生的 漏磁场强度B参，以此作为缺陷信号参考 值，在探头螺旋前进过程中如果遇到缺陷 就会产生如图2所示的缺陷信号分布图，探 头的布置如图5。 六、结论 1、本文所提出的管道内螺纹漏磁探测 方法是通过查取相关资料得出的理论可行 性设计，对管螺纹探测技术的实际应用有 一定的启发作用； 2、本文所提到的探测方法是从螺纹中 部开始探测，利用探头在螺纹沟槽中螺旋 前进过程中接受到的无缺陷漏磁场和有缺 陷漏磁场比对的方法实现对缺陷检出； 3、本文所提到的探测系统是根据现在 最新信号处理、磁阻传感器、人工智能系统 的理论研究成果而设计的。 上接第162页 参考文献 [1] 鲁植雄，赵兰英.汽车传感器检测图解 （第二版）[M].南京：江苏科学技术出版社. 2007.10 [2] 华道生.中外汽车故障诊断检修400例 [M].北京：机械工业出版社.1998.10 [3] 宋福昌等.汽车传感器识别与检测图解 [M].北京：电子工业出版社.2003.6 [4] 鲁植雄，谢剑.汽车传感器动态与静态 测析200Q&A[M].北京：人民交通出版社. 2005.11 [5] 潘旭峰等.现代汽车电子技术[M].北京： 北京理工大学出版社》.1998.1(1998.8重 印) [6] 王启瑞.汽车电气及电子设备[M].合肥： 安徽科学技术出版社.2000.8 [7] 杨妙梁.汽车实用电子技术与90年代 市场需求[M].北京：中国物质出版社.1996. 10 [8] 赖慧豪.氧传感器对汽车排放的监控及 检测方法[J].汽车维修.2007.3.(9~11)(完整 的) 作者简介 刘卉（1977－ ），女，江苏扬州人，江苏省 扬州市扬州职业大学教师，讲师，东南大学 电气系在读硕士，研究方向：电工理论与新 技术。 参考文献 [1] 齐卫东.塑料模具设计与制造[M].北京： 高等教育出版社.2004.7:92-104 [2] 陈为国，李和平.非平衡浇注系统的人 工平衡设计与数值仿真[J].模具工业.2006. 5：38-43 [3] 贾颖莲，何世松.Pro/E在注塑模具设 计中的研究与应用[J].煤矿机械.2007.5: 75-77 作者简介 李俊彬（1963- ），男，汉，江西南昌人， 副教授，现任教务处处长。主要从事模具的 力学分析等方面的研究，发表论文（论著） 数篇（部）。 参考文献 [1]徐章遂，徐英，王建斌等．裂纹漏磁 定量检测原理与应用．北京：国防工业 出版社．2005．9； [2]高连新，金烨．套管连接螺纹的受力 分析与改善措施．上海交通大学学报． 2004．38(10)：1729-1732