氧传感器的介绍课件

氧传感器的介绍氧传感器的介绍n氧传感器概述n二氧化锆氧传感器n二氧化钛（TiO2）式氧传感器n稀薄混合比传感器稀薄混合比传感器n氧传感器的安装n氧传感器的检修氧传感器的介绍氧传感器概述1氧传感器氧传感器概述概述n1973年开始制定了汽车排放法规，到了1978年排放法规更为严格。为了与新的排放法规相适应，在汽车上采用了三元催化剂排气净化装置。为充分发挥三元催化剂的净化特性，需要把空燃比控制在理论空燃比（=1）附近的狭窄范围内，如图1-80所示。n发动机废气中的氧含量直接反映发动机空燃比，因此检测发动机废气中的氧含量是控制混合气空燃比的有效手段。废气中的氧气超过一定限度说明混合气偏稀，而废气中完全没有氧气侧说明混合气偏浓，偏浓混合气将会造成排气污染。氧传感器概述1973年开始制定了汽车排放法规，到了192n氧传感器的作用是指示发动机中混合气的燃烧是否完全，测定废气中的氧含量，然后将检测的结果及时反馈给发动机的控制系统，以便使发动机控制系统不论发动机机械状态如何，都能有效地对燃料系统进行调控，把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内，使装有三元催化转换器的发动机达到最佳的排气净化效果。氧传感器装在排气歧管或前排气管内，如图1-81所示。氧传感器的作用是指示发动机中混合气的燃烧是否完全，测定废气中3图1-81氧传感器的安装位置1-排气歧管2-氧传感器现在已经实用化了的氧传感器，有氧化锆（ZrO2）氧传感器和二氧化钛（TiO2）氧传感器两种。氧化锆氧传感器，是利用氧化锆高温时其内外两侧氧浓度差，使其产生电动势的特性来测量废气中氧的浓度。二氧化钛氧传感器是利用二氧化钛周围氧气分压的不同而进行氧化或还原反应，从而使电阻发生变化的原理来测量废气中氧的浓度。根据氧传感器是否需要加热，可将氧传感器分为加热式和不加热式，二氧化钛氧传感器为加热式，氧化锆氧传感器有加热型的也有不加热型的。加热式氧传感器上一般有3根引线（三线式），其中一根为信号线，另外两根为加热线；而不加热式氧传感器为单线式，即只有一根信号线。图1-81氧传感器的安装位置现在已经实用化了4二氧化锆氧传感器n图1-82所示为氧化锆氧传感器的结构，该传感器由可产生电动势的多孔二氧化锆陶瓷管、具有导线作用的套管以及为防止氧化锆管破损的防护罩与导入排气的通气窗等构成。在试管状氧化锆元素的内外两侧，设置了白金电极，为了保护白金电极，用陶瓷包覆电极外侧，内侧输入氧浓度高的大气，外侧输入氧浓度低的汽车排出气体。二氧化锆氧传感器图1-82所示为氧化锆氧传感器的结构，该传感5图1-82氧化锆式氧传感器的结构a）结构图b）局部放大图1-防护置2-氧化锆体3-壳体4-输出接头5-外套6-导线7-电动势8-大气一侧的白金电极9-固态电解质（氧化锆元素）10-排气一侧的白金电极11-涂层（陶瓷）12-排气13-大气图1-82氧化锆式氧传感器的结构6图1-83a所示氧化锆式氧传感器的作用原理，氧化锆在高温下具有这样一种特性，即当内外侧的氧浓度差较大时，就会产生电动势，这种传感器的工作和干电池的原理相似，氧传感器的二氧化锆起到类似电触液的作用。在高温时，二氧化锆能导电，如果此时两个极板接触的气体的含氧量不同，极板之间就会产生一个微量电压。这是因为氧离子带两个自由电子，即有负电荷，而二氧化锆吸收氧离子，结果负电荷积聚在靠铂极一侧的二氧化锆表面。氧传感器利用这一性质，在氧化锆管内侧导入大气（氧浓度高），外侧接触氧浓度低的排气。因此，随着排气中的氧浓度变化，其内外侧浓度比也在变化，在氧不足的过浓混合气侧，其氧浓度比较大，使之产生电动势。同时，在氧过剩的稀薄混合气侧，其氧浓度比较小，使之几乎不产生电动势。氧传感器的工作原理图1-83a所示氧化锆式氧传感器的作用原理，氧化锆在高温下具7氧传感器的介绍课件8即使在过浓混合气燃烧时，排气中也会有少量氧存在。因此，只有氧化锆管，不能形成可获得充分电动势的氧浓度比。而在氧化锆管表面覆盖多孔铂时，不仅具有电极的作用，还有催化剂作用，即2CO+O2一2CO2通过这种作用，过浓混合气燃烧时生成的排气与铂（催化剂）接触，使该部分残存的低浓度氧几乎与一氧化碳（CO）完全反应，由于铂表面的O2浓度几乎为零（其表面CO浓度也相应减少），故氧浓度比非常大，从而可产生1V左右的电动势。故采用具有催化剂作用的铂作电极，可使电动势以理论空燃比为界发生突变。即使在过浓混合气燃烧时，排气中也会有少量氧存在。因此，只有氧9n对于稀薄混合气燃烧生成的排气，由于存在高浓度的O2与低浓度的CO，即使CO与O2完全反应，也会有剩余的O2存在，故氧浓度比低，几乎不产生电压。n此外，在接近理论空燃比的排气中，存在着低浓度的CO与O2，在铂表面O2从与CO完全反应状态（CO过剩，O2为零），急剧向氧过剩状态（CO为零，O2过剩）变化，氧浓度比也急剧变化，从而使电动势急剧变化，图1-83b、c所示为氧化锆式氧传感器的输出特性。但上述特性只在温度比较高的条件下才能充分体现出来，在低温时，这种特性会发生很大变化，这时为了能够得到稳定的输出，应把氧传感器安装在不使温度降低的位置，如可把图1-84所示的陶瓷加热器置于氧化锆元素的内侧，使氧化锆氧传感器保持较高温度，这种方法已经实用化了。n图1-85a所示为氧化锆式氧传感器的空燃比反馈控制系统实例，在该系统中，为对排气中的CO、HC、NOx三种成分同时获得高净化率，而采用了三元催化剂。为使三元催化剂发挥最佳效果，必须在各种工况下，总是使空燃比控制在理论值水平附近。因此，使用氧化锆式氧传感器来检测排气中的氧浓度，通过发动机电控单元的反馈控制，即可实现控制空燃比的反馈控制。对于稀薄混合气燃烧生成的排气，由于存在高浓度的O2与低浓度的10图1-84带加热器的氧化锆式氧传感器1-氧化锆2-加热器（陶瓷表面）图1-84带加热器的氧化锆式氧传感器11n图1-85b所示为反馈控制系统工作原理，空燃比大时，排气中氧浓度增高，氧传感器把这种状态转变为电信号输入ECU。然后，ECU控制增加燃油喷射量。同样，空燃比小于理论空燃比时，排气中氧浓度降低，氧传感器把这种浓度状态输入ECU然后ECU控制减少喷油量，使之恢复原来状态。就是这样，反馈控制系统通过反复地进行这种动作，使空燃比接近理论值水平。n图1-86所示为氧传感器与ECU的连接电路。排气氧浓度与大气氧浓度的差值可产生电动势，把该电动势在输入回路的比较器中与基准电压对比，以0.45V以上为1（浓信号），以0.45V以下为0（稀薄信号）输入ECU。图1-85b所示为反馈控制系统工作原理，空燃比大时，排气中氧12n图1-85氧化锆式氧传感器的空燃比反馈控制系统框图na）系统框图b）工作原理图n1-吸入空气量信号2-冷却水温度信号3-空气流量计或负压传感器4-转速传感器5-发动机6-三元催化剂7-氧传感器8-喷油器9-燃油喷射量信号10-ECU11-转速信号12-喷油时间补充回路13-决定基本喷射时间电路图1-85氧化锆式氧传感器的空燃比反馈控制系统框图13n图1-86氧传感器与ECU的连接电路n1-氧传感器2-基准电压3-比较器4-电图1-86氧传感器与ECU的连接电路14二氧化钛（TiO2）式氧传感器n二氧化钛式氧传感器采用TiO2 N型半导体元件制成，该传感器也与氧化锆式氧传感器一样，可通过检测排气中氧浓度控制空燃比。n图3所示为二氧化钛式氧传感器的结构，TiO2元件为一圆板状电极在绝缘体（陶瓷）的削端，装有一TiO2热敏电阻元件，从其两电极与两元件的中点共引出3根导线。同时，在绝缘体的表面缠绕着钨丝加热圈，从中又引出两根导线。n二氧化钛氧传感器的工作原理同氧化锆式氧传感器的工作原理有很大不同，它是利用导体二氧化钛（TiO2），依周围氧气分压的不同而进行氧化或者还原反应，使电阻发生变化。n图3 二氧化钛式氧传感器结构及特性二氧化钛（TiO2）式氧传感器二氧化钛式氧传感器采用TiO215a、b）结构c）特性1-TiO2氧传感器元件2-壳体3-绝缘体4-端子5-陶瓷连结片6-导线7-TiO2热敏电阻元件a、b）结构c）特性16n氧分压如果偏离理论空燃比，则呈阶跃变化。所以利用测定的氧气分压，即传感器的电阻变化，就能测得空燃比的偏离差值。与空燃比相对应的传感器电阻值的变化特性如图1-89c所示，图中以理论空燃比为界，电阻值产生跃变。n当周围气体介质中的氧元素多时，二氧化钛的电阻值增大；反之，氧元素少时，电阻值减小。与氧化锆式氧传感器相同，由于在理论空燃比附近电阻值急剧变化，故其输出电压也急剧变化。n二氧化钛式氧传感器的三个端子分别是基准电源、传感器输出端和接地端。由于二氧化钛的电阻随温度变化，故串联热敏电阻后具有温度补偿作用。在低温状态下，二氧化钛电阻值增大，影响其正常的性能，为使其快速升温以活化其性能，可装有加热线圈。二氧化钛式氧传感器虽然比氧化锆式氧传感器结构简单、体积小、便宜，但电阻二氧化钛式氧传感器虽然比氧化锆式氧传感器结构简单、体积小、便宜，但电阻随温度的变化大。因此，需要加设温度修正回路，内装加热器，以便使高温下的二氧随温度的变化大。因此，需要加设温度修正回路，内装加热器，以便使高温下的二氧化钛式氧传感器检测特性比较稳定。化钛式氧传感器检测特性比较稳定。氧分压如果偏离理论空燃比，则呈阶跃变化。所以利用测定的氧气分17稀薄混合比传感器稀薄混合比传感器n电控汽油喷射发动机稀薄燃烧领域空燃比反馈控制系统中，采用了稀薄混合比传感器。该传感器与氧化锆式氧传感器一样，使用氧化锆元件测定排气中的氧浓度，从而来测定空燃比。该传感器的特点是在超稀薄燃烧领域进行空燃比的反馈控制，与氧化催化剂相结合，达到降低燃料消耗的目的。n图1 所示为稀薄混合比传感器的结构，它内部装有氧化锆陶瓷元件与加热圈。n图1 稀薄混合比传感器结构n1-电流检测电阻2-大气侧电极3-加热圈4-氧化锆固体电解质5-排气侧电极6-涂层7-护壳8-排气稀薄混合比传感器电控汽油喷射发动机稀薄燃烧领域空燃比反馈控18n燃料电池氧传感器燃料电池氧传感器1920氧传感器的安装n氧传感器一般安装在汽车的排气管上氧传感器的安装氧传感器一般安装在汽车的排气管上21氧传感器的介绍课件22氧传感器的介绍课件23氧传感器的检修n氧传感器的信号电压作为反映空燃比状况的最直接数据，在故障诊断中是一个非常重要的参考数据。闭环状态下，氧传感器的工作电压一般为0109V。通常情况下，维修人员使用示波器检测或用电控检测仪读取相应数据流。氧传感器的检修氧传感器的信号电压作为反映空燃比状况的最直接数24n在没有设备的情况下，又将如何检修氧传感器呢?n用一个发光二极管搭到信号输出端和搭铁。氧传感器正常工作时，在每一个浓稀循环，信号电压达到发光二极管0607V的门坎电压时，发光二极管便会闪亮一次；如果混合气过稀，发光二极管一直不亮；如果混合气过浓，发光二极管会一直亮着；如果氧传感器损坏，一般会长亮或不亮。n检查氧传感器的好坏，还有一个简单便捷的方法，在氧传感器的信号输出端再从蓄电池正极引入一根电源线，发光二极管发亮，这样便可以在回路中形成0607V的模拟信号电压。根据发动机的工作状况是否改善，便可以轻松判断出氧传感器是否损坏。在没有设备的情况下，又将如何检修氧传感器呢?25n如果氧传感器性能不良，并非一定要更换才行，氧传感器由于积炭和汽油中铅元素的影响，会在长久的工作时，在外壁上附着一种灰白色的物质，即俗名“铅中毒”，这样会影响测量精度。所以应对氧传感器进行还原。方法如下：驾驶车辆，将连接口固定在1挡，油门踩到底，车高速行驶后突然松开，并重复多次。或将氧传感器卸下，用氧焊枪对准，直至烧白为止。n维修中有很多人将发光二极管作为试灯使用，但真正用来检测氧传感器却并不多见。巧妙利用发光二极管0607V门坎电压特性，可以取代对氧传感器读取数据流、设定示波器的操作。能够快速检查出空燃比的状况。另外，模拟0607V的信号电压，可以快速诊断出氧传感器的好坏。n在低档位、高负荷的工况下多次重复，为“铅中毒”的氧传感器的还原提供了最佳催化环境。在氧焊枪的高温灼烧下，也可以快速还原如果氧传感器性能不良，并非一定要更换才行，氧传感器由于积炭和26n谢谢大家n再见！谢谢大家27