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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
隨著汽車市場的不斷壯大,，有越來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，市場上也出現(xiàn)多種類似產(chǎn)品,。接下來我將以市場上比較有代表性的空燃比分析儀為例,，來介紹一下此款產(chǎn)品的工作原理，廣大汽車愛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起,。
1,、氧傳感器的功能
測定發(fā)動機排氣中氧氣含量，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)生電動勢變化的氧化鋯型（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)測和外側(cè)鍍有白金電極,，其內(nèi)測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)。當內(nèi)外層產(chǎn)生濃度差時,，氧離子從氧濃度高的一側(cè)向低的一側(cè)流動,，從而產(chǎn)生電動勢。
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,，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,，電阻值又可以恢復到原來的值,。
按工作測量范圍分，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量過量空氣系數(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不出來,。寬域氧傳感器能夠測量混合氣λ=0.5-∞,，接下來我會重點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
這里之所以要重點介紹寬域型氧傳感器,，是因為這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都是通過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而成,，它能夠測出的空燃比信號,，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℃才能開始工作,，以LSU4.2型氧傳感器為例,，當溫度在750℃時處于*工作狀態(tài)。所以一般的氧傳感器都會內(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)測室，又叫擴散室（Diffusion gap）
監(jiān)測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)測室中泵入或泵出氧,，以維持感應單元（ZrO2管）內(nèi)外的電動勢在0.45 V 左右。
模塊5：感應單元（Sensing cell）
也就是我們通常所說的鋯管,，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)表面與參考氣體（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現(xiàn)，為了達到更高的測量精度,，BOSCH公司設計出驅(qū)動芯片CJ125，實現(xiàn)對氧傳感器的加熱控制,、信號采集,、故障診斷等功能。
LSU4.2工作原理：
廢氣由擴散孔進入監(jiān)測室,，感應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個電壓信號輸入到OTA運放（跨到運放輸入是電壓信號,，輸出是電流信號）,，輸出的泵電流Ip信號用于泵入或泵出監(jiān)測室中的氧。
當廢氣中的氧濃度為0時（此時為理論空燃比）,，廢氣進入監(jiān)測室,，此時感應單元產(chǎn)生等于參考電壓Uref的電壓，經(jīng)過運放后輸出Ip為0,，說明此時為理論空燃比,，不需要泵入或泵出氧。
當廢氣為稀混合氣時,，廢氣進入監(jiān)測室后CO與廢氣中的多余的氧產(chǎn)生反應,，感應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)測室中泵出多余的氧,，以維持監(jiān)測室中的空燃比為理論空燃比。
當廢氣為濃混合氣時,，廢氣進入監(jiān)測室后,，由于廢氣中沒有多余的氧，感應單元表面附著的氧與廢氣中CO產(chǎn)生反應,，zui終感應單元表面的氧為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)測室中泵入氧，以維持監(jiān)測室中的空燃比為理論空燃比,。
因為不同濃度的混合氣需要泵入或泵出的氧不同,，所以泵電流Ip與廢氣中的氧濃度一一對應，也與混合氣的空燃比一一對應,。
經(jīng)過上面的詳細介紹,，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,，請加 2364172431,。
以美國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，可以知道,，LSU4.2輸出信號是否,，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,。而這也是實際生活中我們常遇到的情況，因為安裝氧傳感器的發(fā)動機周圍,，空氣質(zhì)量一般會很差,，參考空氣很容易被發(fā)動機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大問題。BOSCH公司也因此需要承擔很大的保修成本,。
為了解決這個問題BOSCH公司重新設計了氧傳感器,，也就是LSU4.9。它的使用*脫離了參考空氣,，在氧傳感器內(nèi)部不再設計任何自然界氣體?，F(xiàn)在的技術(shù)中，實際的泵電流會與一個參考泵電流保持平衡,。泵電流同樣反映了真實的空燃比,，但是他的參考標準不再是參考空氣了，而是一個標定好的電信號曲線，這條曲線在任何環(huán)境都會一直保持不變,。
美國ECOTRONS公司跟上了LSU系列氧傳感器的更新步伐,，及時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。
接下來我們將重點介紹空燃比分析儀,。
對于普通客戶來說,，他選擇空燃比分析儀只是看一下發(fā)動機大概的空燃比，對分析儀的測量精度和響應時間沒有太高的要求,，所以市場上有一種叫做空燃比計（或空燃比表）的設備,，這種設備原理簡單，價格便宜,，是普通客戶的,。
但是，一旦你要做發(fā)動機標定,，對信號的準確性和響應時間要求極嚴,。而LM-2和LC-1等以LSU4.2氧傳感器為主體的測試設備，顯然不能滿足我們的要求,，原因很簡單,，LSU4.9從信號精度和響應時間上,，都比LSU4.2要強,，詳細的資料請參考文章“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ECOTRONS,，BOSCH是ETAS的zui大股東，他們的產(chǎn)品在市場上被普遍接受,，但是價格過于昂貴,。對于一般汽車改裝和汽車科研機構(gòu)來說，美國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)說過了,，空燃比分析儀的本質(zhì)就是氧傳感器的外圍控制電路?？刂齐娐酚职?nbsp;1）加熱驅(qū)動和溫度感知電路 2）Vs反饋Ip控制及驅(qū)動電路 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)動和溫度感知電路
這塊電路設計是否合理,，直接影響到氧傳感器的正常使用和壽命。對于氧傳感器，他只有在特定溫度下才可以正常工作,，測得的信號才更準確,，以LSU4.9為例，它的工作溫度是780攝氏度,，溫度高或低,，都直接影響了測量精度。所以加熱驅(qū)動電路必須是閉環(huán)的反饋控制電路,，也就是說一邊測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，因為氧傳感器的加熱內(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,，會極大的縮短氧傳感器的壽命，嚴重的會直接損壞氧傳感器,。所以只有達到露點溫度時才可以給氧傳感器加熱,。
2）Vs反饋Ip控制及驅(qū)動電路
泵電流Ip直接反應了實際的空燃比信號，Ip的大小和方向是受Vs電壓控制的,，實際控制電路中Vs電壓與參考電壓Vref（0.45v）進行比較,，通過一個OTA運放后直接輸出電流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都是電壓信號，所以我們需要將泵電流Ip經(jīng)過一個電阻后輸出電壓,，直接指示空燃比信號,。
4）穩(wěn)壓電源、參考電壓和虛擬地電路
這里我們重點說一下虛擬地電路,，對應LSU管腳是VM,，這個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Vun-VM=450mv時,，此時空燃比為理論空燃比。
5）氧傳感器故障診斷電路
主要針對氧傳感器的信號采集電路和加熱電路是否有故障,，例如加熱器對GND或電源短路,，加熱器電壓過低或過高，VM對GND或電源短路等,。
有了以上部分電路,，一個空燃比分析儀的雛形就出來了。因為我們已經(jīng)成功的對氧傳感器進行了控制，而且采集到了我們需要的空燃比信號,。接下來就是想辦法將信號輸出,，讓一些外圍顯示設備或者ECU能夠獲取空燃比信號。