λ传感器的故事

一、燃烧与λ(Lambda)

这个故事先从火讲起。人类对火的认识得从远古说起。火这种自然现象一直伴随着人类的文明发展，有喜也有忧。大伙儿都看到了大兴安岭的大火和美国西部每年发生的山火，这样的自然灾难造成了巨大的经济损失和人员伤亡。神话故事中，能够驾驭主宰火的人都被认为是英雄，他(她)们是神仙。哪吒小老弟就是这样的人物，您看他脚下的风火轮!他是没打败悟空，可没人说他是狗熊。但他的风火轮绝对比不了现代的火箭，他也万万没想到我们现在的交通工具是肚子里着火的家伙，我们把这叫做内燃机。

我们的祖先把火形象地勾画了出来。如果仔细地看火这个字，您还可以看到下面的干柴，上面的空气，和中间熊熊燃烧的火焰。当然他们也早就知道点烟用的打火机。打马掌的铁匠炉是一个很好的例子，师傅们总是先添好煤，再使劲拉风箱，使火越烧越旺。这些都说明燃烧本身需要空气和燃料。

人类对燃烧每一次更进一步的认识都曾带来技术革新，用科学的方法去研究燃烧就变成了很自然的途径，现在更是如此，目前对燃料电池的研究就是典型的例子，也许不久的将来咱们就能修这种车?

燃烧本身是一种剧烈的氧化还原反应，它不仅仅需要气和燃料。而且还有一个非常重要的因素，那就是气和燃油的比在中国，他没有一本与车有关的证书，连汽车驾驶执照都没有。

在美国，他是美国汽车工程学会会员，先后获得各种资格证书不胜枚举，包括ASE主技师证书、ASE L1发动机高级技师、加州汽车尾气主技师证书……

他曾是国内一科研机构的科技工作者。为了继续深造，他自费赴美国留学。

因为勤工俭学，他走进了美国汽车维修行业，而且这一千就是20余年。先后工作过的汽车修理厂有10多家。目前他是美国北加州一家奔驰48店的一线汽修技师，在这里他已经工作了3年多，因为每天都能学到新东西。

1975年上高中，学工学农时，在北二汽当过学徒工。

1978年上大学，1982年大学物理系毕业。

1986年自费赴美留学，读物理系研究生，勤工俭学，从事修车。通过博士资格考试后，虽成绩优异，但论文还没完成就弃学从工。为此把家人气得够呛。可能是嫌当工人“太小”?怎么着也应该混个师长、旅长什么的。

例必需合适，气太多了或燃油太多都不能燃烧。那么，什么是最佳的平衡呢?它是从哪来的?

空气的成份相对比较简单，约78％的氮气，21％的氧气，真正对燃烧有帮助的是氧气。燃油的成份比较复杂，如汽油，他是一大堆碳氢化合物的综合物，在分子结构上，有直链的，有单键环状的，有双键的。还有少量的添加剂。汽油和空气混合，完全燃烧后，得到的是二氧化碳和水。化学家们把汽油中碳氢化合物平均起来和空气结合写出完全燃烧的化学方程式，并由此得出空气对汽油的质量比例，14.7比1。也就是说，如果完全燃烧，1g汽油必须用14.7g的空气。当然，他们还不厌其烦地用实验来检验。

上面咱们可以看出，完全燃烧引出了一个很好的概念，就是化学平衡点，德国人给它起了一个美妙动听的名字：Stoichiometry。它的意思是空气和汽油一点也不多，一点也不少，十全十美，完美无缺的正好，您说世界上有这种事吗?

咱们刚才说到汽油的空燃质量比是14.7比1，可千万记住这个比例跟体积没关系。还有，不同的燃料空燃比也不一样，那是因为燃料中的碳氢化合物的成份不同，比如说，天然气17.2比1，石油液化气15.5比1，乙醇9.0比1，甲醇6.4比1，氢气34比1，柴油14.6比1，等等。值得强调的是，这些都是空气质量对各种燃料质量在完全燃烧下的比例。

您已经看到了有这么多比例。那么有没有一个统一的概念对不同燃料来表达这种平衡呢?或定量地标出到底是气多还是油多?还真让您猜对了，它的名字更响亮，叫λ(Lambda)。希腊字母的“λ”，极像中文“进入”的“入”字，那好，咱们就进去看看它为什么漂亮吧!

λ也是一个比例，称作过量空气系数，咱们以前看到的平衡后的空燃比很完美uB?好，咱就用它做分母。分子咱们用实际的空燃比怎么样?您这主意还真不错!咱就这么定了，就像您刚解决了一个技术难题修好了一辆车一样，咱们击掌庆祝一下。

λ=实际供给的空气质量／理论上汽油完全燃烧所需空气质量

庆祝完之后，咱还得回头再看看，分母的意义很明显，它是理想的空燃比。分子呢?什么是实际空燃比?眉头一皱，还真想出来了，它就是咱们实际测量的空燃比吧?说的不错，可还是得慢点儿，那些从事发动机控制的专家们有别的主意，因为要控制发动机的燃油量，总得有个目标值，燃料是已知的，比如说用汽油，理想空燃比就知道了。如果还知道进多少气，设定一个λ值作为控制目标，那就可以实际控制供油量了。所以λ值的意义得看在什么场合下用，它既可以表示实际测量的结果，比如说通过尾气分析仪测出的具体A值，它也能表示发动机油控要达到的目标值，比如说我们想要让三元催化器有效地工作，供油必须达到A值在1.000正负不超过0.5％的范围内。分子的涵义具有多重性，这样一来，使λ本身具有实际测量值或控制目标值的涵义。

A在油控设计中是傲居群首的参数，很多其他参数都围着它打转，比如说短期燃油修正指数，长期燃油修正指数等等，修正什么?还不就是修正^吗?既然它这么重要，我们这些汽车医师理所当然地应对它有深入地理解和反复地实践，您说是不是?行，这回咱又能再庆祝一下了。

二、λ传感器的诞生

在汽车上装尾气传感器首先是为了测A，再用它参与燃油的控制，后来人们发现它还有许多别的用途，比如把它们在三元催化器前的信号和后面的信号做比较来看催化器老化的程度，咱们以后再说这些。

大多数车上用的是常规ZrO₂(氧化锆)氧传感器，ZrO₂是一种陶瓷材料。在它的晶格中有晶体缺陷，这样的缺陷能吸附储藏氧离子。如果把ZrO₂晶片的两个侧面放在氧离子浓度不同的环境下，两个侧面之间就会产生一个电压，这个电压的起源是ZrO₂晶体内部氧离子的分布不均匀，电压值能用(Nernst)方程表示。有一点，必须强调，咱们说的是氧离子，可不是氧气。

如图1所示，把ZrO₂晶体1两侧的表面加上用铂做的透气金属电极2，加上透气绝缘层，再涂上一层透气的保护层6，加上电阻加热器，就做成了ZrO₂氧传感器的原始模型。 我们就用它判断λ值是否等于1。如图2所示，如果电压低于0.450V，λ大于

1，叫做稀。电压高于0.450V，λ小于1，叫做浓。稀或浓都是对一个基本点而言，这个基本点就是化学平衡点(Stoichiometric Point)。具体定量的描述是：λ大于1(气多油少)为稀，等于1正好，λ小于1(气少油多)为浓。由此可以看出，理解化学平衡这个观念的重要性。

ZrO₂氧传感器在理论上理解油控和实际诊断查毛病都有很重要的意义，咱们不妨多聊聊。在咱们汽车维修行业对ZrO₂氧传感器有一个误区，认为它是测量尾气中氧气的浓度或含量，这不仅在国内，美国也是如此。这样误解的来源主要有两方面：第一，它的名字叫氧传感器，当然是测氧气的含量。第二，燃烧是氧化反应，反应结果的氧气含量自然决定了油气的平衡，那好，咱们就看这些论点是否对?

1990年，美国国会通过清洁空气修正案，老布什总统签字生效，确定1996年(1996款的车)OBD系统在美国正式启用，以致上世纪90年代初期在美国掀起了讨论OBD的热潮，可谓是火红的年代。ZrO₂氧传感器当时也已被广泛应用，对这么重要的油控传感器，当然人们不会置之不理。

1992年，美国环保局(部级单位)的Bozek等人在汽车工程学会的刊物上发表论文，详细地描述了他们对ZrO₂氧传感器所做的实验结果，实验由一系列组成，其中有一个很有意思，把ZrO₂接触尾气，的部分放在密封的容器内，然后抽真空，抽到氧气的浓度低于0.1％，还是没有电压，用惰性气体清除后加很少氢气，电压马上接近0.8V。清除后，加一点一氧化碳，也能超过0.45V。说是氧传感器，怎么对这么低的氧气都没响应哪?而对还原气体的响应这么强烈，因此一时之间，人们开玩笑地把ZrO₂氧传感器叫做氢传感器，这一下可捅了马蜂窝，玩笑还没开多久，就又有一篇论文在同样的刊物上发表。

1993年，福特汽车公司的Wang等人站出来说话，您想想，福特是什么公司啊?他们的研究人员能是吃素的吗?论文把很多当时多年从事这方面研究的名人论文例为参考，以起到擂鼓助威之效。论文的内容从理论开始，又做了很多实验，用实验的结果证实理论。您可能好奇，他们都说了什么了?他们说的主要就是我反复强调的化学平衡的观念，在尾气中，不仅仅自由的氧气重要，其他能与氧气发生反应的气体也很重要，比如说，氢气、一氧化碳、甚至于没燃烧完全而被排出的碳氢化合物。ZrO₂氧传感器本身是一个电化学传感器，它测的是这种化学平衡。当然论文中还谈到了许多能使测量λ值偏离理想λ值的机制。

三、λ传感器的功力

假设您是孙悟空，顺着气流钻到发动机的肚子里，再到排气歧管，观看整个燃烧的过程，您就会发现几个现象，实际上，燃料并不能在发动机中100％完全燃烧，在排气歧管里有至少上千种化合物和没有来得及反应完全的半成品，总体上是一群乌合之众。另外在氧化还原反应的平衡附近，各种气体的浓度都没有突然的变化。这么乱七八糟的，怎么找到底是油多还是气多呀?气和油的平衡点到底在哪儿啊?这要是“八戒”肯定没辙，可“老孙”有方法，他有他的金箍棒。

您把“老孙”的金箍棒想象成ZrO₂氧传感器，一头在空气里，一头在尾气中，而且在尾气中的一头还有许多层。从棒里向外走，第一层是由很多微孔做的金属铂电极，铂就是白金，这个东西好，它既导电还是很好的催化剂。不是反应不够完全吗?“老孙”就催化使它们进一步发生反应，尽量完全。而且铂这一层直接接触ZrO₂晶体，里面存有氧离子，外边(尾气中)的氧不够，“老孙”就通过铂电极到里边(ZrO₂晶体中)来借氧离子。这种氧化还原反应就在表面上发生，就像一场没完没了的战斗，有的搏斗是一对一的，有的是一个对一堆，特激烈。“老孙”一边笑，一边看热闹，还偷着清点铂向ZrO₂晶体借了多少氧离子救兵。“老孙”偷着清点氧离子数目，不是他想还，而是因为他知道借氧离子说明A小于1，油多气少，属于浓，电压高于0.45V。而且，他还明白，有的时候，借的多并不代表尾气中氧气的浓度低，而是需要氧参加反应的各种其他气体和半成品的浓度高。所以“老孙”从来就不把它叫氧传感器，而叫传感器。

“老孙”还有一个毛病，爱跟人开玩笑，给别人起外号。一天，他半正经地宣布：氧传感器根本测不了氧气的浓度，测的都是我借多少兵，从今日起，我不叫它“氧传感器”，而叫“需氧传感器”。可能是借累了生气?虽然这比氧传感器是测氧气含量更有道理，但“猴哥”的这个玩笑还是有点儿大，人们叫它氧传感器不是因为它测不测氧气的浓度，而是ZrO₂晶体能储存容纳氧离子，如果从测什么来定义应该是λ传感器。

铂很贵，直接放在尾气这么污浊的环境中很容易脏，所以外面有一个透气的保护层，手摸上去有点像细沙纸。用它来遮住大块的脏东西，而让气体通过。外面还有一个金属外壳，用来导气和挡住更大的妖精，这样能延长氧传感器的使用寿命。保护层上有很多小孔，这些小孔用肉眼看不出来，它们的尺度比气体分子大些。不同的气体通过保护层的阻力不一样，阻力的大小主要取决于气体分子的大小，就类似于咱们常人能通过的一道门，让潘长江和姚明来通过效果不一样。要有这么一连串高1.8m的门，让他们哥俩通过这些门赛跑，您说谁先到达终点?气体通过这一层到达铂电极的受阻效应叫做扩散，小个儿的氢总能先到，大个儿的碳氢化合物就到得晚，有点像蚂蚁和大象的区别，一氧化碳居中，不前也不后，当然氧气也同时跟它们一起参加赛跑，一边儿跑还一边儿跟它们打打闹闹，能反应一下就反应一下，可是能量太低，反应并不剧烈。扩散效应能造成ZrO₂氧传感器信号偏移。

这些气体到了铂电极表面受到催化，就使得反应的能量域值大大降低，域值就是门槛儿的意思。催化的功能就是降低反应的能量门槛儿。要使催化有效，温度很关键，直接影响催化反应的结果。因此加热保温就变得很重要。另外，温度还会影响ZrO₂晶体内氧离子的活性，因此，现在氧传感器大多有加热器，加热器有点像电褥子或农家火炕，这样冬天睡觉才舒服。

咱们尽管想方设法让这个氧化还原的反应能完全真实地反映λ值。但反应还是不会达到100％，因为催化效率不可能100％。氢与氧的反应容易。一氧化碳次之，最头疼的是碳氢化合物，它们之中有的特别懒，使劲揍它也效果甚微。甲烷是最坏的之一，还有一些大个儿分子的碳氢化合物，就是催化，也很不容易参加反应。我们常看到失火的时候，会排出未燃烧的碳氢化合物和氧气，即使是λ控制值已小于1的好几个百分点的浓混合气，ZrO₂氧传感器上的平衡读数还是小于0.45V的稀读数。所以，催化的效率也能造成λ的信号偏移。

我们还能看到几点：

1.常规ZrO₂氧传感器的特征曲线在λ等于1.000时很陡峭，也就是在λ等于1.000时的电压变化幅度最大，因此，很多人把它叫做λ开关。但这个开关并不是一个理想的开关，这是由于它的曲线上方和下方有圆角存在。尽管如此，在油控负反馈程序的设计中，它还是常常被拿来当作开关使用。

2.氧传感器是气体电化学传感器，它的一端靠外界的空气供氧气，虽然需要氧气量不大，但在维修中要注意不能把呼吸的渠道堵死。博世生产的氧传感器大多用电线呼吸，在维修中切忌用锡焊或在插头上用防锈油，好心不一定是好方法。NGK／NTK或Denso生产的传感器有些有吸气孔，就在传感器体的导线引出口附近，所以切忌用喷雾式化学清洗剂来喷，如发动机漏油在上面也会影响吸气。

3.在用示波器或数字万用表检测的时候需注意油控的状态，在闭环状态下，氧传感器的信号已参与控制，会有起伏。如果要用示波器的话，最好能与解码器一起用，以观察控制的状态，还可以作对比。

好啦，故事就讲到这吧。

(特别感谢李玉茂老师在本文编辑中给予的帮助)

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