氧感測器與空燃比

現如今氧感測器已經成為了汽油機標配，主要的用途就是檢測尾氣中所剩餘的氧氣含量。對於均質混合氣的汽油機來說，其核心原理就是精確控制混合氣的中空燃比，從而調節噴油脈寬至理論空燃比區間14.7。此時的過量空氣係數λ約為0.997~0.999。因為只有在這個區內內，三元催化器對於NO、HC、CO的轉化效率較高。

氧感測器一般分為兩種即窄範圍、寬範圍氧感測器，也成為窄氧與寬氧。目前由於需求與成本之間的原因，對於均質混合氣發動機來說安裝的一般都是窄氧感測器。傳統的窄氧感測器只能工作在一個較小的範圍（A/F=14.7附近），而新開發的寬氧感測器可以在10:1~30:1的範圍內精確反饋空燃比。下面大聖主要介紹下氧化鋯型窄氧感測器：

窄氧感測器

其基本工作原理是採用了氧化鋯（ZrO2）對氧離子的擴散作用。當混合氣較稀時，排氣中氧含量較高，感測器內、外兩側氧差別很小，氧化鋯產生的電壓低，約為100mV；反之當混合氣較濃時，排氣中幾乎沒有氧，產生的電壓就高（800~900mV）。其表面的鉑起到催化作用，使排氣中的氧和CO反應，生成CO2，這樣就使得氧化鋯兩側的氧濃度差別變得更大。於是在理論的化學計量比附近，感測器的輸出電壓會產生跳變。這種氧感測器只能知道混合器的λ是>1或者<1，無法測量其具體的數值。

氧感測器對溫度的高低非常敏感，一般要求達到350℃以上才能正常工作，一般的工作溫度範圍在350~900℃。為了保證感測器在冷啟動條件下儘快達到正常工作溫度，在感測器內部還需裝有加熱棒。

空燃比的控制

由於以下原因，即使加入空燃比的自學習功能也無法始終保證發動機的過量空氣係數λ一直等於1。

（1）窄氧感測器只能探測到此時的混合氣是濃還是稀，無法知道此時的真實空燃比的精確數值。

（2）對於空燃比的實時修正只能緩慢的進行，如果修正過快可能會造成車輛突然加速、減速，影響駕駛性。

（3）由於一些製造的誤差、行駛磨損、氣缸漏氣、感測器精度誤差等不可抗拒的因素。

（4）由於時間延遲效應，即使噴油量調整為過量空氣係數λ為1，EMS也無法立刻知道。

閉環條件

並不是在所有工況下，汽油機始終在空燃比A/F=14.7附近運轉。只有在怠速和部分負荷工況下且結束暖機過程以後，才能激活空燃比閉環控制。為了保證發動機有良好的性能以及避免催化器過熱，在以下工況下進行開環控制，而不進行閉環控制。

發動機啟動期間

啟動後加濃期間

大負荷加濃期間

冷卻液溫度低於規定值

斷油時

氧感測器輸出的空燃比信號稀/濃且持續時間大/小於規定值

空燃比的閉環控制

EMS把氧感測器輸入信號與規定的參考電壓值進行比較，此值是「濃」和「稀」間的中值，對於氧化鋯感測器約為0.45V。為了方便控制，通常設立一個死區，例如：某發動機將死區設為±150mV；當高於600mV時，認為混合器偏濃，低於300mV時認為偏稀。當混合器偏濃時，噴油修正係數會突變到一個具體的值，以便儘快修正混合氣成分。然後以某一斜率繼續改變，直至回到理論空燃比並超越之。這樣混合氣也會在「濃」和「稀」的狀態下來回震蕩，但空燃比的實際平均值應為14.7。

空燃比學習控制

發動機的各種工況的基本噴油持續時間都存於EMS的存儲器中，這些數值一般對於同一型號的發動機而言都是相對標準的數值（台架標定實驗）。但在使用過程中由於供油系統或者發動機性能的變化，實際的空燃比相對於理論空燃比的偏離會不斷增大。雖然空燃比的反饋修正可以修正空燃比的誤差，但是其修正範圍是一定的。EMS為了降低這種誤差，根據反饋值的變化情況，設定了一個學習修正係數，以實現燃油噴射時間的總的修正。為了防止掉電丟失，這個MAP一般儲存在外部EEPROM或者用flash模擬的EEPROM中。當運行條件發生變化時，學習修正量會立刻反映到噴油時間上，因此提高了過渡工況運行時空燃比的控制精度。