汽车发动机氧传感器的应用与发展

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拖拉机与农用运输车第４期２００６年８月
之和相当的阻力转矩，即铡功机的转矩设定僵２’Ｄ应为
％＝（Ｌ—ｂ一，ｃ）詈＋ｔ一啊
（１２）
式中，令ｋ＝Ｌ—Ｉｏ—Ｉｃ为车辆的电模拟惯量，詈为理论角加速度，
％＝半［ｒ州，Ｄ“）百ｄｏ，｝ｅ】＋。一啊（１３） 将式（１１）代入式（１２）可得测功机的转矩设定值％设定应为
第３３卷第４期 ２００６年８月
拖拉机与农用运输车 Ｔｒａｃｔｏｒ＆Ｆａｒｍ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ
Ｖ０１．３３ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．，２００６
汽车发动机氧传感器的应用与发展
黄丽芳
（仲恺农业技术学院机电工程系，广州５１０２２５）
摘要：主要介绍了车用氧传感器的发展过程以及汽车发动机常见的氧传感器的类型、结构及工作原理，提出了氧传感器目前存
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，并且之后在全球得到迅速的发展。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韵前景。 ２结构及工作原理¨“１ ２．１二氯化锆传感器
传感器，用来检测排旨中含氧的量，并将检测的结果转变为电压信号
或电阻信号输入控制单元（ＥＣＵ）作为空燃比闭环修正的依据，从而
不断修整喷油时问和喷油量，使混合气的浓度收敛于理论值（＾＝
１４．８），以达到控制发动机废气中有害气体含量的目的。
．
１ 发展过程
在汽车发动机上常用的氧传感器是二氧化锆传感器和二氧化钛 传感器。
豳１ 非加热型二氯化锆曩传感叠的结构 Ｆｊｇ．１ ＳｔｎＩｃｔＩ鹏ｏｆ Ｎｏ－ｈｅａｔ Ｚｒ０２ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ
收稿日期：２００５—１０—０８
万方数据
黄丽芳：汽车发动机氧传感器的应用与发展
１１
外表面上的催化剂铂的作用下，与０２发生反应，消耗排气中的０２， 使得锫管内外两侧氧浓度差大，丽产生较高电动势，约为９００ ｍＶ。
在的问题及研究方向。
关键词：氧传感器；汽车发动机；二氧化锆传感器；二氯化钛传感器
中圈分类号：１１Ｐ２１２．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６－０００６（２００６）０４－００１０—０２
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ＨＵＡＮＧ Ｌｉ－ｆａｎｇ
一
其输出特性曲线【２］见图３。
圈２加热型二氯化锆氯传感嚣的结构 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｚｒ０２ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ
≯宙粤吾舞
、、－＿．．一
１４．８ 空燃比
圈３二■化锖曩传量■输出特性曲线 Ｆｉｇ．３ Ｏｕｔｐｕｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｚｒ０２ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ ２．２二氯化钛传感器 二氧化钛传感器是一种氧化物半导体氧传感器，它利用Ｔｉ０２的 氧敏特性，即是根据周围气氛的氧分压自身进行氧化或还原反应，而 导致Ｔｉ０２的电阻变化。汽车用二氧化钛传感器的基本结构见图４。 它由钛管、钢质壳体、加热元件和接线端子组成。当混合气偏稀时， 排气中的含氧高，钛管外表面氧浓度高，二氧化钛出现高电阻值状 态；当混合气偏浓时，排气中的含氧量低，钛管外表面上氧浓度很低， 二氧化钛便出现低电阻值状态，其电阻输出特性曲线【２ Ｊ见图５。利 用ＥＣＵ为二氧化钛氧传感器提供一个恒压电源，使得氧化钛氧传感 器根据混合气浓度的变化，向ＥＣＵ反馈变为电压信号输出，见图６。 由于’Ｉｘ０２的电阻受温度影响较大，在电路中加接一个起温度补偿的 作用的热敏电阻Ｒｔ，见图７。
转速ｎ／（ｒ·ｍｉｎ－１）
圈２电涡流测功机机械特性 Ｆｉｇ．２ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ
对于等效车辆阻力转矩，转矩与转速之间的关系为一确定关系，
故从测功机机械特性与等效阻力转矩曲线上取二者的交点，对所对
应点的转速与励磁电流关系进形曲线拟合，既可得其励磁电流与转
二氧化锆的离子导电性最早研究是在１９００年，从最初的研究到 理论机理的提出，再到１９６１年美国科学家Ｗｅｉｓｓｂａｒｔ和Ｒｕｋａ成功制 做了第一个氧化锆氧传感器大约经历了６１年的时间，而真正将氧传 感器应用于汽车上则是在１９７６年，由德国ＢＯＳＣＨ公司首先在 ＶＯＬ＇ｑＯ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。之后美国、日本等都先后开发了氧传感器并应用于汽车上 来控制汽车尾气。随着汽车尾气排放所带来的环境污染的严重，二氧 化锆氧传感器经过改进成为加热型二氧化锆传感器，来保证发动机在 负荷小、排气温度低时，加热器通电保证氧传感器在正常的工作温度 内工作，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。
汽车的燃料燃烧效率和尾气有客气体排放量的控制。
为了满足汽车尾气排放法规的要求，电控发动机一般都设有一
个闭环混合气成分调节系统，在发动机运行工况下能精确地控制混
合气的成分，使过量空气系数等于１附近，并装有三元催化排气净化
装置，使尾气中的有害成分ＮＯ。，ＣＯ，ＨＣ的排放量大幅度降低。为
了提高排气净化的效果，在三元催化排气净化装置系统里设置了氧
速的关系方程
，＝ｋｏ＋ｋｌｎ＋ｋｚｎ２
式中，—一测功机励磁电流，Ａ
（１６）
ｋ。，ｋ。，也——拟合曲线的常数项、转速项系数、转速平方项系数
在测功机加载时，根据所测得的转速，为其提供相对应的励磁电
流即可得到所希望的阻力转矩。电涡流测功机励磁电流对外加电压
的单位阶跃响应关系可表示为
ｉLeabharlann Baidu（ｔ）＝（１一ｅ一地Ⅳ７）／Ｒ
Ｔ＝＝＿ｃｊ＝√＿ｎ—＋ｌ＿∥专Ｃｎ．＋—１．—０４Ｃ一】
（１５）
卜测功机转矩，Ｎ·ｍ 式中ｃ。，ｃ２——与测功机结构参数及励磁电流有关的常数
ｎ——测功机转子转速，ｒ／ｍｉｎ 在不同励磁电流下测得ＣＷｌ５０电涡流测功机部分机械特性曲 线与东方红１３０２Ｒ履带拖拉机等效阻力转矩如图２所示。
昌
己 意 埭 辩
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圈４二—化技曩传薯■的结构
Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ １１０２ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｅｏｒ
空燃比 圈５＝氯化钛■传童■电阻输出特性曲线 Ｆｉｇ．５ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｏｕｔｐｕｔ ＣｈａｍｃｔｅｄｓＵｃ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｔｉ０２ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ
＞宙掣ｆＲ舞
１４．８ 空燃比
２．２车辆转向时的阻力转矩模型 用前述２．１同样的分析方法可得，在稳态行驶工况下车辆内外
侧履带所受行驶阻力在测功机上的对应转矩设定值％；，ｒ。分别为
ｏ
［乏】＝ 等。
㈢
亟讥 ］ｌＩ√１
㈣，
３车辆行驶载荷在电涡流测功机上的实现
电涡流测功机的转矩与其励磁电流、转子转速有关，在其励磁电
流不变的情况下，电涡流测功机的机械特性为∞Ｊ
（Ｚｈｏｎｇｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０２２５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｐｒｉｍａｒｉｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ－ｕｓｅ ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｎｓｏｒｓ，ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｔｙｐｅ， ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｓｏｍｅ ｐｏｐｕｌａｒ ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｏｆｆｅｒｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅ】【ｉｓｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ ｓｏｎｓｏｒ８．
氧传感器，它们的比较见表ｌ。 裹１ Ｚ旧２氯传毫嚣和＂１＂ｉ０２一传毫器的比较
Ｔａｂ—．—１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｚｒ０２ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｔｉ０２ ＯｘｙＱｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ Ｚｒ０２氧传感器Ｔｉ０２氧传感器
４存在的问题及展望１７“１ 目前氧传感器已广泛用于电控汽车发动机，但在使用中仍存在
降低氧传感器的工作温度是目前氧传感器研究的主要方向。随 着新材料开发和控制系统的研发将不断有新的传感器产品的出现和 改进。例如，日本ＮＧＫ火花塞有限公司研制出的一种新型快速启动 的氧传感器，采用了新材料和新的温控系统，通过缩小加热区和降低 阻抗，改进了加热区，使这种氧传感器的低温性得到改善，在１５ ｓ内 达到闭环控制，从而避免发动机在冷启动时高的排放废气ＣＯ和ＨＣ 含量。 ４．３小型化
氧传感器的发展要求是小型化、性能优、可靠性高且结构简单、 成本低。目前的研究是基于传统材料ｚ由２和Ｔｉ０２基础上。掺加一 些稳定剂提高机体材料的性能以提高氧传感器的性能。随着新工艺 技术的发展和应用，包括采用微细加工技术和薄膜技术，甚至纳米技 术，必将使得氧传感器各项指标更趋于完善。
参考文献：
’
［１］吴兴惠，王彩君．传感器与信号处理［Ｍ］．北京：电子工业出版杜．１９９８．
圈６二氯化钛曩传感嚣电压信号输出波形 Ｆｉｇ．６ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ １１０２ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ
万方数据
圈７电路曩理 Ｆ．ｇ ７ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｙ
３ Ｚｒ０２和ＴｉＣ）２氧传感器的比较‘５娟’
Ｚｒ０２和Ｔｉ０２氧传感器是目前在电控发动机上最常使用的两种
不少问题，主要表现在： ４．１易老化和失效
氧传感器出现老化和失效影响着传感器的使用寿命。在我国氧 传感器使用约８万ｋｍ就要更换。氧传感器出现老化和失效主要表 现以下几方面：一方面由于含铅汽油的铅在低温下呈固体状态，堆积 在传感器元件的表面，造成氧传感器元件表面载体结构堵塞的铅中 毒；另外一方面是由于汽油或润滑剂硫化产生的硅酮堆积在传感器 元件表面造成氧传感器元件表面载体结构堵塞失效的硅中毒。再者 由于热效应和机械冲击也会造成氧传感器的老化。 ４．２工作温度较高（通常在３００℃以上）
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｎｓｏｒ；Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅ；Ｚｒ０２ ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｎｓｏｒ；Ｔｉ０２ ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｎｓｏｒ
随着电子控制技术在汽车发动机上的广泛应用，传感器已广泛
应用于发动机的控制、维护保养、安全、环境保护以及汽车发动机的
研发。其中氧传感器作为传感器的一个重要部分被应用于电子控制
氧化锆是氧离子固态电解质材料，具有高的离子导电率，而单斜 晶结构的离子导电率很低，因此常用的Ｚｒ０２都采用以ＣａＯ和Ｙ２０３ 为稳定剂，使Ｚｒ０２晶体的正方氟化物结构稳定到较低的使用温度。 目前用于汽车上二氧化锫氧传感器有两种，一种是非加热型，其结构 如图ｌ，一种是加热型。多数汽车采用加热型氧传感器，其结构如图 ２，它由产生电动势的二氧化锆管、起电极作用的衬套以及防止二氧 化锆管损坏和导入汽车排气的进气孔等组成。二氧化锫的内外表面 均涂覆有薄薄一层铂，铂既可以成为电极又具有电动势放大作用。 该传感器在室温时，它是绝缘体，但在超过３００。Ｃ，就能够使氧离子 化。由于传感器的外测处于排气管内，氧离子浓度低；内侧则与大气 相通，氧离子浓度高，在氧离子浓度差的作用下，就会出现氧离子由 传感器的内测向传感器的外测扩散，而产生两极的电动势。浓度差 越大，该电动势就越大，即是当混合气偏稀，排气中的含氧高，而ＣＯ 浓度低，即使ＣＯ与０２发生反应，仍然有残余的０２存在，锆管内外 两侧氧浓度差小，产生的电动势小，约为１００ ｍＶ；当混合气偏浓。排 气中的含氧量低，同时伴有较多的未完全燃烧的产物ＣＯ，ＨＣ在锫管
（１７）
对于电涡流测功机，采用脉冲调制技术（ＰＷＭ），即可实现模拟
加载∞ｏ。由电路理论可知：电感电压为有限值时，在跳变脉冲电压 的作用下，电感中的电流不变。电涡流测功机励磁绕组为感性阻抗， 在脉冲信号的作用下，绕组中的电流按指数规律变化。脉冲上升沿 与下降沿的电流ｉ￡（ｔ），ｉ’￡（ｔ）分别为