宽域空燃比传感器

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宽域空燃比传感器

    固体导电氧离子电解质单元是用来测量废气中可燃物和氧浓度的装置。这个单元由管状电解质、两个相反的电极和安装在外电极表面的多孔扩散层组成。传感器利用电子线圈“泵”氧离子来保持两电极间电压不变，既可以测量浓空燃比也可以测量稀空燃比。宽域测量的能力对内燃机空燃比控制有足够的吸引力。
    它的性能如下：
测量范围（过量空气系数λ）：0.8~∞
阶跃响应时间常数（63%）  ：200ms
热起时间                ：≤80s（20℃）
    我们在热循环和污染的耐久性测试中，发现假如进行初始的老化处理，相对误差（Δλ/λ）将可以控制在±5%之内。

背景

    理想状况应该是在发动机起动、暖机、加减速、高速运转和怠速的过程中，对每缸的空燃比都进行控制。此外，控制器应被设计成能够适应不同发动机、发动机不同的驱动模式，然后控制空燃比。然而，适应这个要求的宽域的、快速响应的、廉价的空燃比传感器和控制技术现在还没有。在这个领域，下面两个系统开创了新纪元：
    1.1977年，“博士”公司用λ传感器和一个三元催化器组成λ控制系统并把它装在了2.1升的Volvo发动机上；
    2.1984年，丰田和Nippondenso采用了稀混合比传感器的稀燃控制系统，并把它装在1.6升丰田发动机上。
    第一个产品通过排放法规，第二个产品改善了燃油经济性。
    未来的空燃比控制技术正在寻找这样的传感器，它有从稀到浓的全量程线性空燃比信号。在全程用反馈控制将回改善排放，也会有最好的控制来改善经济性（mileage），甚至在高速时也是这样。而且总系统的花费将减少，传感器可以用学习和自适应控制方法，安装在低价位的汽车上。

需求和技术趋势

    作为解决油价增涨的问题，代用燃料问题的一部分技术，稀燃发动机已经在开发之中了。稀燃技术必须重新考虑发动机自身、进气系统、供油系统、点火系统、排放控制系统。只有在稀燃情况下运行良好的发动机才可以用到空燃比传感器实现闭环控制。假如能够检测浓的空燃比，不但冷起动问题、火花塞污染问题就迎刃而解了，而且发动机也会获得良好的加速性能。也就是说，空燃比的宽域控制是解决稀燃发动机控制的关键。
    图1显示了将来能够实现的一种空燃比技术。空燃比的可测范围变得更宽以致于从浓到稀的空燃比都可线性测量，结果全程空燃比都可以用反馈控制。
    起动和加速时的浓空燃比在过去是不可测的。而现在能够实现，这样就可以改善这一区域的控制精度。进一步讲，计算机速度越快越先进，系统就可以拥有越多的子系统。通过使用学习和自适应方法，发动机和它的附属装置的不同性能，以及随时间的变化就可以自己更正和调整。在这些方法的影响下，每部分的花费将减少，因此保证了整个系统花费的减少，以及工程设计时间的减少。如图所示，通过从动力、经济、排放模式中选择最佳的驱动模式，将来系统将会得到最佳控制。

说明

表1显示了性能说明。说明的设计是基于氧传感器的说明。

表1    性能说明
No        项目        说明
1        测量范围        过量空气系数λ：0.8~Air
2        精度        Δλ/λ≤±2%(其它点)
Δλ/λ≤±4%(λ:0.8~1.5)
3        相关废气温度        Δλ/λ≤±2%(其它点):400~700℃
Δλ/λ≤±4%(λ:0.8~1.5):400~700℃
4        阶跃响应时间常数        τ≤250ms
5        电压        Δλ/λ≤±5%    V:10~16V
6        起动时间        t≤3min    起始温度20℃
7        耐久性测验        Δλ/λ≤±5%
7.1        热循环测试        室稳/5min   850℃/5min  2000循环
7.2        热冲击测试        110℃/s       30次
7.3        发动机台架耐久性测试        5000rpm,6kg.m,750℃   2*104 km


    很长时间氧化锆稳定的氧化钇都是氧传感器的材料，能够线性化测量空燃比的传感器，只是利用氧离子输送和氧气扩散的极谱分析仪方法。
    在形状方面，工业测量装置通常用管状，但是汽车中也有用电子管形状的。最近已经积极展开具有良好工艺性、高性能的多层形状装置的研究。例如，日立把传感器改善为多层形状和电子管形状，获得了良好性能。但是，日立最终还是决定选择电子管形状作为他们第一代产品，因为已经证明它更可靠一些。电子管形状在处于高温和污染情况下，有如下问题：
1）使用大量昂贵的铂；
2）由于辐射热，热起时间长；
3）多孔等离子体传播层只用来决定扩散速度；
    传感器最基本的结构是固体电解质的一个电极作为参考电极暴露在空气中，另一个作为测量电极被暴露在废气中的多孔扩散隔板保护。这种结构由一个集成单元构成，包括加热线圈，驱动线圈，氧离子控制电流和一个信号进程线圈。

传感器的主要功能

    下面讨论集成了传感器和驱动线圈的宽域空燃比传感器的主要功能。
    图2是传感器的主要结构。传感器的多孔扩散层是电子管形状传感器的元素测量部分，它是由连接空气和测量电极的小孔和通道组成，它可以被一个单管和扩散腔代替。在按箭头所指方向在电极上加上直流电（DC）后，被预热到工作温度的单元就会有电流Ip。在氧化锆的固体电解质中，氧离子电流就被从测量电极”泵”到参考电极。然而氧离子把电子吸引到测量电极附近并”泵”出到电解质中，因此引起氧离子短路。然后氧气以受限制的速度通过扩散管进入到扩散区中，在平衡状态下，氧离子的电流数量和氧气受限制的扩散速度的扩散数量相等。因此，得到如下等式：

              ——(1)
其中：
F：Farada常数      
R：气体常数     
T：单元的绝对温度     
D；气体扩散常数
S：管的等效面积
L：管的等效长度
Ri:单元两个电极间的电阻
E：集成单元的电动势
Pe：废气中氧浓度
Pd：测量电极氧浓度
Pa：参考电极（空气）氧浓度

    上面等式右边第一项IpRi表示氧离子电流在两极见的压降，等式右边第二项E表示单元两极间的电动势。
    在稀空燃比区域，是按照箭头所指方向”泵”氧离子，废气中氧浓度与电流Ip对应。电极间电压Vs由于有到参考电压Vr的负反馈线圈而保持不变。结果，在稀区电流Ip与过量空气系数成正比，在浓区，氧离子流动方向与稀区相反，并在铂电极的催化作用下，氧化可燃物、H2、CO、HC，结果H2、CO、HC通过扩散器以有限速度通过扩散管扩散到扩散腔中。在平衡状态，氧离子的”泵”电流和H2、CO、HC的扩散流数量成正比。反电流和Ip与浓区的过量空气系数λ成正比。
    在理论空燃比点，氧、H2、CO、HC非常少以致于电流Ip近乎为零，两极间电压Vs就是单元电动势E。
    为了用电池组驱动线圈，作为浮动电动势，测量电极上设置了偏电压V0。在理论空燃比点，Ip=0，就获得输出电压E0（=V0+Vr）。

电子管结构

    电子管是由氧化锆和氧化钇、两个铂电极、一个多孔陶瓷扩散层组成。玻璃绝缘层使氧离子不能诱导两导体间的漏电流。影响传感器性能和耐久性的因素是电解质、测量电极和扩散层的接触面积。为了避免由于热循环和温度冲击而使接触面积变化，每种材料都必须做热扩散特性匹配。

传感器结构

    图4显示了传感器结构。传感器有4个终端，其中2个终端是电极，另两个是陶瓷加热器。陶瓷加热器终端对氧化的耐久性由于加了玻璃而得到改善。图5是电子管和传感器外形。

传感器驱动线圈

    图6是线圈的电路图。线圈是由空燃比传感器部分和单元加热部分构成。传感器部分通过负反馈来稳定两极间电压Vs，进而控制”泵”电流。输出电压从0到变化范围内调节。加热部分被用来测量电阻，通过负反馈稳定电阻控制加热电流。这个线圈的特点是氧的双极电流是通过测量电极电场的单极电压输送。

性能测试

    图7是台架发动机的输出性能。测试所用发动机是无氧传感器反馈控制的多点喷射发动机（1.8升,4缸）。在宽广的空燃比范围内，CPL都会进行水温补偿。λ从0.8到∞都可以测量到。在理论空燃比点（λ=1.0）输出电压E0是2.5V，等于标准电压Vr=0.45与浮动电压V0=2.05V之和。这些电压设置在线圈里。在这种情况下，电流Ip为0，电压E0是常数，不随输出特性变化。和传感器相连的线圈输出调整被设置成λ=1.5时输出电压为4.0V，在空气（λ=∞）中，输出电压为7.3V。图中白点和黑点依据最大温差为146℃的废气数据，由温差所引起的误差小于±1%。
    图8是电压-电流特性曲线，是在台架上用人造气体测试出的。人造气体由O2、CO和N2组成，不包括H2和HC。图8的数据并不和图7的一样，尤其是在浓区。这条电压-电流特性曲线是传感器自己的特性，不包括线圈。因此最主要的参数就是扩散膜的扩散电阻。线圈的工作点电阻设置为30Ω，基本上等于内阻。
    图9表示了对空燃比的阶跃响应时间常数的发动机数据，包括上升时间和下降时间，时间常数τ都在200ms之内。响应的延迟也可以保护电子管。去除保护电子管的因素，电子管的时间常数将在100ms之内。
    图10表明了当起动发动机后，测量精度要求在5%以内时定义的上升时间。图中，空燃比的参考值是由已经被加热的空燃比仪测量的。上升时间为75s。
    图11表明台架上发动机在每天10小时的全负荷运转后的热循环和污染耐久性试验结果。行驶里程是用燃油消耗除以平均燃油消耗率12km/l而得。温度循环线突变特性是老化前观察10,000公里 时得到的。变化的原因似乎是由于对扩散层的热压引起微小裂缝，进而增加”泵”电流引起的。老化处理的目标在于制造过程中用热压给电子管造成微小裂缝。在平常使用时，裂缝就减少了热压。另一方面，对于污染，10小时的全负荷运行中保持空燃比，虽然未燃成分如碳烟吸附在电子管上，但是在稀燃时期，它们很容易被去除。因此，用无铅汽油的污染过度变化可以小到刚能点火。
    图12显示了由于对固体电解质和扩散膜的热压造成的输出特性变化，温度控制在5分钟室温、5分钟850℃。图中表明，老化处理使得正常使用时热循环冲击下的传感器输出变化减小。然而，必须研究老化处理后最好状况的鉴别。例如，图中老化线是保持排温在900℃1个小时获得。
    图13表明使用传感器进行λ控制的发动机（1升，4缸）的空燃比线以及稀燃发动机（1.6升，4缸）在10工况法驱动的空燃比线。

总结

    我们已经陈述了用于发动机反馈控制的宽域空燃比传感器。传感器有4个组件，插座形状，包括电子管形状的氧化锆单元，单元有管状陶瓷加热器的多孔扩散层覆盖。驱动线圈用了两种驱动方法，它包括限制电流测量方法和电场方法。温度控制系统能测量内阻并可以通过反馈稳定单元温度。性能如下：
测量范围（过量空气系数λ）：0.8~∞
阶跃响应时间常数（63%）  ：≤200ms
热起时间                ：≤75s（20℃）
热循环和污染耐久性试验表明如果经过老化处理输出相对误差（Δλ/λ）小于±5%

jack-meng

楼上的兄弟，你可否把你这资料的原文分享给我看看，特别是其中的图表，都看不到，我现在很需要学习这个
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injetor1

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