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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）的專業工具，在汽車改裝領域發揮著重要作用，市場上也出現多種類似產品。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，分為能夠產生電動勢變化的氧化鋯型（ZrO2）和能夠產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燒結成試管裝并在內測和外側鍍有白金電極，其內測注入大氣并使氧濃度保持一定，而外側則處于接觸排氣的狀態。當內外層產生濃度差時，氧離子從氧濃度高的一側向低的一側流動，從而產生電動勢。
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，鈦和氧之家的結合性減弱，在氧氣極少的狀態下出現脫氧，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（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，其結構示意圖如下：
圖1 寬域氧傳感器LSU4.2結構示意圖
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。所以一般的氧傳感器都會內置加熱器，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：監測室，又叫擴散室（Diffusion gap）
監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）
從監測室中泵入或泵出氧，以維持感應單元（ZrO2管）內外的電動勢在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，為了達到更高的測量精度，BOSCH公司設計出驅動芯片CJ125，實現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測室，感應單元能夠感知廢氣中的濃稀狀況，并產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），廢氣進入監測室，此時感應單元產生等于參考電壓Uref的電壓，經過運放后輸出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，廢氣進入監測室后CO與廢氣中的多余的氧產生反應，感應單元表面的氧變化微小，所以產生低于參考電壓Uref 電壓，zui終的輸出Ip將使泵電池從監測室中泵出多余的氧，以維持監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產生反應，zui終感應單元表面的氧為0的狀態，產生的電壓高于參考電壓Uref，zui終的輸出Ip將使泵電池向監測室中泵入氧，以維持監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。
經過上面的詳細介紹，想必大家已經知道了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生產的LM-2和LC-1產品都是使用的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。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動機周圍，空氣質量一般會很差，參考空氣很容易被發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，在氧傳感器內部不再設計任何自然界氣體。現在的技術中，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“從技術角度分析為什么LSU4.9優于LSU4.2”，所以我們必須選擇配備LSU4.9的空燃比分析儀，相關廠家如ETAS和美國ECOTRONS，BOSCH是ETAS的zui大股東，他們的產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來說，美國ECOTRONS生產的ALM-S可以滿足大多數用戶的需求。
在前面我們已經說過了，空燃比分析儀的本質就是氧傳感器的外圍控制電路。控制電路又包括 1）加熱驅動和溫度感知電路 2）Vs反饋Ip控制及驅動電路 3）Ip感知和電壓Vout輸出電路 4）穩壓電源、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成。
1）加熱驅動和溫度感知電路
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。所以加熱驅動電路必須是閉環的反饋控制電路，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阻是由陶瓷構成的，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經過一個電阻后輸出電壓，直接指示空燃比信號。
4）穩壓電源、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。