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空燃比含氧感知器是什麼

 

含氧感知器的種類與功能

Close loop( 閉迴路 ) 與 Open loop( 開迴路 ) 的運作

空燃比

含氧感知器故障時的症狀

含氧感知器的測試方法

空燃表 DIY

含氧感知器的種類與功能

一顆引擎的供油回饋控制,是由位於排氣管端的含氧感知器/Lambda (λ)感應器所主宰。行車電腦(ECU )在閉迴路的運作情形下,將依照含氧感知器所得到的數據,來持續調整供油量(稀->濃->稀)以達到一個動態平衡。在正常的使用情形下,含氧感知器的平均使用壽命約3 萬至5 萬英里,但是在不正常的運作環境下則會遞減。

 

附有加熱線阻的含氧感知器能在短短的 8 秒內將工作溫度提升到 500 ° C !

含氧感知器所送出的電壓訊號,代表的是排氣管端未燃燒掉的氧氣量。在到達工作溫度(300 °C )後它感應端的 二氧化鋯 (zirconium dioxide element ) 會將陪氣管內偵測到的剩餘含氧與大氣中的含氧量做一個比較,當差異越大時(剩餘含氧量越少,供油越濃),輸出訊號就越大。含氧感知器的輸出訊號,依種類的不同而有 0-1 伏特(窄域型)與 0-5 伏特(寬域型)的差異,一般車上最常見的是屬於前者。

 

為了讓含氧感知器迅速到達工作溫度,通常線組中會含有一條加熱用的線。以窄域的含氧感知器而言,它的一般工作範圍在 0.2 ~ 0.8 伏特之間。而經過當量燃燒 (Stoichiometric)後的含氧量,在電壓的表現上大約是在 0.45 伏特(空燃比 =14.7 , λ=1)左右。有關空燃比的定義,在後面的章節會再敘述。除了上述的功能,含氧感知器的正常運作與否也會影響觸媒轉化器的氧化(一氧化碳-CO與碳氫化合物-HC)與還原(氮氧化合物-Nox)的功能。這在現在嚴苛的排氣標準與油耗而言,是不可忽略的一環。

既然我們知道 當量燃燒的含氧感知器訊號等於0.45伏特,為什麼不讓它永遠維持在這個理想值呢?答案很簡單:因為你永遠不可能只用一個速度開車,而引擎運作的環境也是持續不停地在變化(水箱冷卻液的溫度、油溫、進氣溫度、節氣門開啟的角度、空氣流量計/ 絕對壓力感知器的訊號、引擎轉速、冷器壓縮機運作等),這些不同的運作環境所需要的供油量都不同。所以,含氧感知器的正常運作是會持續地擺盪(稀->濃->稀)。窄域的含氧感知器的工作範圍,在0.2~0.8伏特之間,每當電壓從高變低或者由低變高的時候,就產生了一個有效計數(cross count)。一個正常的含氧感知器在怠速時的有效計數應該至少有1~2次,巡航的時候則提升至4~5次。從濃到稀的反應時間大約在50至100毫秒,稀到濃則需要75至150毫秒,如果反應時間變慢或有效計數變少的時候,就是該換新的含氧感知器的時候了。

Close loop(閉迴路)與Open loop(開迴路)的運作

Close loop(閉迴路)的運作模式: 顧名思義,就是利用含氧感知器本身所得到的訊號進行回饋與修正(稀->濃->稀)。通常閉迴路的模式是指一般的熱車後的怠速與巡航狀態,這時後含氧感知器嘴主要的功能在於減少廢氣的排放與減少油耗。

Open loop(開迴路)的運作模式: 冷車發動與全油門衝刺時的供油量是完全依照電腦晶片內的設定,含氧感知器所測得的訊號則完全不被參考。這項設計在冷車剛發動的時候的用意,是要讓含氧感知器與觸媒轉化器本身盡快到達工作溫度(有的本身有加熱用的線組,一般能夠在短短的8秒內加溫到500 °C),讓車子能快速到達正常的工作溫度而且減少廢氣的排放。至於全油門衝刺的情況下,空燃比來回的擺盪,會因為供油將有一瞬間處於稀薄燃燒而易稀導致引擎爆震。所以在上述這兩種運作的情況之下含氧感知器都不會介入供油量的調控,這就是所謂的Open loop(開迴路) 運作模式。

 

空燃比

 

空燃比是Air-Fuel-Ratio,即空氣與燃油的比例。之前提到的當量燃燒(Stoichiometric) 的含氧感知器的空燃比=14.7,也就是14.7份的空氣混合1份的汽油所燃燒後的產物是接近一個化學平衡的結果。大於這個值,空燃比就變稀,小於這個值,則變濃。空燃比的稀或濃,對於引擎的運作影響很大:點火時間、排氣溫度、爆震、最大汽缸燃燒壓力、各種廢氣排放量、最大動力輸出等等,均受到空燃比的變化而告有不同的影響(詳見下圖)。有鑒於空燃比的重要性,所以在大部分的馬力輸出圖上也會附有空燃比在各轉速區域的變化,作為進一步調教供油曲線的依據。行車電腦在整合所有相關感應器的訊號後,便會送出控制噴油嘴開/關時間的脈波寬度(Pulse width)。相同的脈波寬度在更高的引擎轉速之下,意味著更長的開啟時間,因為在高轉速的時候的噴油嘴可噴射的總時間相對的縮短。要更容易了解噴油嘴在不同轉速的開啟時間,可以使用汽車專用電表的工作週率 (Duty cycle)功能。Duty cycle表現的是在各個轉速區域與單位時間變化的開/關比例。

空燃比與最大馬力、最佳扭力輸出範圍、各種廢氣排放量與油耗等的相關變化。

 

含氧感知器故障時的症狀

 

  • 油耗增加:故障的含氧感知器最多會多耗掉 30% 的汽油量。
  • 引擎運轉的問題:不正常的震動,油門反應遲緩。
  • 噴油嘴燈亮起。
  • 行車電腦 (ECU) 的紀錄中有空燃比相關的故障碼出現。
  • 持續供油過濃的時候,則容易因為多餘的汽油在觸媒端燃燒而導致觸媒溶化。
  • 持續供油過稀的時候, 排氣中的碳氫化合物含量偏高 ( 觸媒無法有效轉換 ) ,排氣檢測不合格。

 

含氧感知器的測試方法

窄域的含氧感知的正常冷車電壓為0.45伏特左右,在熱車完畢後應該在0.2至0.8伏特之間擺蕩(反應時間約 100 毫秒)。當某一項運作條件的變化超過含氧感知器所能夠修正的範圍的時候,便有可能會出現持續供油過濃或過稀的情形。如果在怠速與一般巡航的時後的含氧感知器輸出電壓(close loop)持續顯示過濃( 0.8伏特)的話則代表可能有以下的情況產生: 此為 Fluke 87V 專業電表。窄域的含氧感知器的輸出範圍在 0-1 伏特之間,所以使用一般簡便型的三用電表即可。

 

Weber 節氣門角度感應器 (TPS) 的開啟角度與輸出電壓的變化。

 

  • 汽油壓力調壓閥工作壓力超過標準值。從油軌回到汽油箱的管徑因為被壓迫而導致回油量變少,汽油壓力升高。測試方法:可測試油軌的壓力是否跟原廠值一致。
  • 噴油嘴緊密性不佳。測試方法:必須拆下才可進行測試。
  • 作動不正常或的碳罐淨化控制系統(電磁閥),使得噴入進氣歧管的蒸發燃油量不一致。測試方法:直接將它的線阻暫時拆下,再發動,等完全熱車後再測含氧感知器的輸出訊號。
  • 對於使用歧管絕對壓力感知器(MAP,Manifold Absolute Pressure)的車種,可以檢查MAP對應不同真空值的表轉輸出電壓是否過低。低MAP輸出訊號會使ECU 將供油增加。測試的時候應該先測試進氣歧管的真空壓力,再比對MAP端的真空值。
  • 節氣門角度感應器(TPS,Throttle Position Sensor)的偽訊號:如果在怠速的時候的TPS訊號被ECU誤解為節氣門有開啟的狀態(短路),則供油會較濃。測試方法:在引擎熄火的狀態下,先不踩油門測試TPS測試並紀錄此時輸出的電壓,再將油門緩慢地踩到底,同時也觀察電壓的上升是否呈線性。一般的TPS是利用可變電阻的原理,將輸出訊號維持在0~5伏特之間,所以合理的怠速TPS訊號應該在0.4~0.6伏特之間,全油門的電壓則應該在4伏特以上。另外,油門拉動節氣門的鋼索的鬆緊度也值得留意一下。
  • 節氣門角度感應器(TPS,Throttle Position Sensor)的偽訊號:如果在怠速的時候的TPS訊號被ecu誤解為節氣門有開啟的狀態(短路),則供油會較濃。測試方法:在引擎熄火的狀態下,先不踩油門測試TPS測試並紀錄此時輸出的電壓,再將油門緩慢地踩到底,同時也觀察電壓的上升是否呈線性。一般的TPS是利用可變電阻的原理,將輸出訊號維持在0~5伏特之間,所以合理的怠速TPS訊號應該在0.4~0.6伏特之間,全油門的電壓則應該在4伏特以上。另外,油門拉動節氣門的鋼索的鬆緊度也值得留意一下。

Close loop 持續顯示過稀(0.2伏特)的可能因素與測試方法:

  • 含氧感知器輸出的訊號線可能有接地 (Earthed/Grounded),導致訊號過低。
  • 於使用歧管絕對壓力感知器(MAP,Manifold Absolute Pressure)的車種,可以檢查MAP對應不同真空值的表轉輸出電壓是否過高。高MAP輸出訊號會使ECU將供油減少。測試方法同上。
  • 噴油嘴部分阻塞也會造成供油過稀的情形。拆下使用ASNU徹底清洗即可。
  • 供油系統內有水份也會造成供油過稀的假象。
  • 油壓力調壓閥工作壓力低於標準值。低汽油壓力,不論在哪一個轉速區域都會造成供油不足的情況。從油軌回到汽油箱的管徑因為被壓迫而導致回油量變少,汽油壓力升高。測試方法:可測試油軌的壓力是否跟原廠值一致。
  • 含氧感知器的周圍有漏氣,導致含氧感知器所判讀上的誤差。
  • 空氣噴射系統控制閥,Air injection system(這裡指的二次空氣是指直接將空氣噴入排氣管端,以提升燃燒溫度) 在閉回路的時候不應該將空氣導入排器官端,不燃會有供油過稀的假象。

Bosch 5Bar 汽油壓力調壓閥

不同種類的 絕對壓力感知器 (MAP)

在正常開迴路 (Open Loop) 之下的運作,供油若過濃的時候,含氧感知器必須能夠產生至少0.8 伏特的電壓,在供油過稀的時候,則為0.175 伏特以下的表現。

除了上述的原因,有對含氧感知器有害的成份進入燒室也會造成含氧感知器的故障,這些成份包括:不正當的加入汽油添加物、汽油中還有鉛、矽(水箱冷卻液或使用不正確的墊片膠)、磷 ( 機油燃燒後的產物) 等。

PERMATAX 的 墊片膠共有 6 種,各種的用途不同,但是要注意一定要用有註明 Sensor/O2 safe 的才不會使含氧感知器受損。

 

 

空燃表 DIY

 

絕大部分的空燃表都是利用一顆LM3914晶片控制,將含氧感知器的訊號分成由10顆各別代表不同空燃比的LED(下面的連結有用20顆,甚至30顆LED所組成的空燃表)。以下是一些有提供完整線路圖與DIY製作的網頁連結 :

 

LM3914晶片詳細規格與應用範圍

利用LM3914晶片與 20顆LED來顯示高解析度的空燃比

利用LM3914晶片與 30顆LED來顯示高解析度的空燃比

對應寬域型含氧感知器的空燃表DIY-1

對應寬域型含氧感知器的空燃表 DIY-2

對應寬域型含氧感知器的空燃表套件-1

對應寬域型含氧感知器的空燃表套件-2

 

Innovate Motorsports 所研發的LM-1寬域含氧感知器套件,可以同時紀錄引擎轉速、增壓值(渦輪或機械增壓的車種)、進氣溫度與空燃比的變化,是相當專業的套件,價格也很實際。

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