第七章 气体浓度传感器

汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/181第七章气体浓度传感器汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/182第一节概述•用于检测汽车内外产生的各种气体浓度：–氧传感器•是燃油喷射反馈控制最重要的传感器，通过检测排放气体中氧气的含量，间接反映出混合气空燃比的高低，反馈给ECU–空燃比传感器•能够连续检测出混合气从浓到稀的整个范围的空燃比–烟雾浓度传感器•与空气净化器配套使用，通过检测烟雾浓度，使空气净化器自动运转或停止，达到净化驾驶室空气的目的–碳烟传感器•主要针对柴油机排除的黑烟导致空气污染，通过检测排气中碳烟或未燃烧碳粒的浓度反馈信号给ECU，从而自动调节空气与燃油的供给汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/183第二节氧传感器•理论空燃比14.7﹕1（质量比）图7-1氧传感器外形与安装位置1－排气管2－氧传感器汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/184第二节氧传感器•安装位置：发动机排气管道上•工作原理：排气中氧气的浓度取决于混合气的空燃比，当混合气较浓时（空燃比小于14.7：1），在燃烧过程中氧气分子被全部耗尽，排气中几乎没有氧分子；当混合气较稀薄时（空燃比大于14.7：1），在燃烧过程中氧分子未能全部耗尽，排气中含有氧分子，且混合气越稀薄，排气中氧分子浓度越大。•氧传感器发出的信号间接反映了混合气空燃比的高低，将电信号传递给ECU，不断对喷油量进行修正，严格控制空燃比。汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/185第二节氧传感器•三元催化反应器能同时净化排气中CO、HC和NOx三种主要的有害成分•但三元催化转换器只有在混合气的空燃比处于接近理论空燃比的一个窄小范围内，才能有效地起到净化作用，如图7-2所示图7-2三元催化反应器净化效率特性曲线汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/186图7-4二氧化锆氧传感器工作原理第二节氧传感器1.二氧化锆氧传感器以二氧化锆作为电解质，当排气与大气中氧气含量有较大差异时，能在二氧化锆两侧的电极产生电动势。由于锆管两侧氧气浓度不同，故电离程度不同，形成电势差，进而形成与两侧浓度比成一定函数关系的电信号。汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/187图7-6氧传感器输出特性曲线图第二节氧传感器根据氧传感器工作原理，可以通过实验得出其输出特性曲线，图7-5，7-6.混合气越浓----燃烧后氧气含量越小----锆管两侧氧气浓度差别大---电离电动势大。反之：混合气越稀---燃烧后氧气含量越大---锆管两侧氧气浓度差别小----电离电动势小。空燃比较小时，混合气较浓，锆管两侧形成0.8-1V的电压；当混合气较稀是，锆管两侧只有0.1V电压，其输出电压以理论空燃比为界产生突变，如右图。汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/188图7-7氧传感器与电控单元ECU的连接图7-8带加热器的氧传感器与ECU的连接电路第二节氧传感器由于氧化锆需在温度超过300℃时才能正常工作，因此仅仅靠排气加热，会使得开环控制时间较长，因此，多数汽车使用带加热器的氧传感器（图7-3b），可以在发动机启动后20~30s将氧传感器加热至工作温度。汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/189第二节氧传感器•电控单元ECU根据氧传感器信号进行喷油量修正：•输出信号大于500mV时，混合气过浓，实际空燃比小于理论空燃比，电控单元ECU命令喷油器减少喷油量，使混合气体逐渐变稀；•输出信号小于500mV时，混合气体过稀，实际空燃比大于理论空燃比，ECU命令喷油器增加喷油量，使混合气逐渐变浓。汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1810图7-9反馈控制特性曲线图a）混合气实际空燃比b）氧传感器输出电压c）喷油量第二节氧传感器由于发动机工作要经过近期、压缩、做功、排气以及氧传感器响应等过程，因此空燃比的控制基本控制在一个小的范围内动态变化。氧传感器的输出电压也在0.1~0.8V之间不断变化，通常每10s变化8次，若变化过缓（小于8次）或者输出电压保持不变，说明反馈系统故障汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1811图7-11二氧化钛氧传感器工作原理图1－二氧化钛氧传感器2－电控单元3－基准电压4－输出电压降第二节氧传感器1.二氧化钛氧传感器利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量变化而变化的特性构成的，是一种电阻型传感器汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1812第二节氧传感器•二氧化锆氧传感器与二氧化钛氧传感器的区别：–二氧化锆传感器将废气中氧分子含量的变化转换成电压的变化；–二氧化钛传感器将废气中氧分子含量的变化转化成电阻的变化。•需要注意的是：–发动机运行中并不是任何时刻、任何工况下都处于反馈控制状态，电控单元是通过开环和闭环两种控制来对喷油量进行控制的。发动机启动、大负荷及暖机运转中，需要较浓的混合气，此时电控单元是开环控制，当氧传感器达到工作温度后才能闭环控制。–此外，采用氧传感器进行反馈控制的发动机必须使用无铅汽油，避免铅分子附着在氧传感器表面阻碍氧离子的扩散，造成氧传感器中毒，在使用和维修作业中要选用质量较好的燃油和润滑油，里程80000公里时要更换氧传感器汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1813图7-12氧传感器的检测第二节氧传感器氧传感器反馈系统如有故障，发动机运转中故障警告灯会亮起，读取故障代码，故障原因除了氧传感器损坏、线路短路、断路或电控单元内反馈控制电路有温度外，必须就能行检测，找出故障原因。检测方法：见P52氧传感器的检测：视频1视频2视频3更多请点击更多请点击更多请点击汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1814第三节稀薄混合气传感器•在超稀薄燃烧领域进行空燃比的反馈控制，与氧化催化剂结合，达到降低燃料消耗的目的。图7-13稀薄混合气传感器的基本结构1－排气2－检流电阻3－大气侧电极4－加热器5－二氧化锆固体电解质6－排气侧电极7－涂覆层8－护罩工作原理：传感器点击两端施加一定电压时，其电流与排气中氧浓度成正比，从而连续检测出稀薄燃烧区的空燃比。功能：除了采用理论空燃比进行三元催化转换器方式净化排气外，还以稀薄燃烧法降低NOx的排放。因为三元催化器只有在空燃比14.7附近时，才能起到应有的净化作用，一旦超过某个值（19），发动机扭矩会增大，无法提高空燃比，三元催化器基本不能起到净化作用，而采用了稀薄混合气体传感器则可将空燃比调整到23，扭矩才会增大，可在扭矩变化的范围内是的废气排放符合限制值。汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1815第三节稀薄混合气传感器图7-14稀薄混合气传感器的基本特性汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1816图7-15稀薄燃烧系统的构成第三节稀薄混合气传感器汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1817第四节烟尘浓度传感器•当烟尘浓度传感器感知烟尘的存在时，就会使空气净化器自动运转；没有烟尘时就会使空气净化器自动停止工作，使车内空气始终保持清洁。图7-16烟尘浓度传感器的结构1－烟雾进口2－光敏元件3－发光元件4－电路部分汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1818第四节烟尘浓度传感器•工作原理：发光器件（发光二极管）产生肉眼看不见的红外线，在空气中没有烟雾的时候红外线射不到光敏原件上，当有烟尘时，间歇的红外线通过漫反射进入光敏器件，从而感测到烟雾的存在，将信号传送给ECU，控制空气净化器。图7-17烟尘浓度传感器的工作原理1－工作电路2－细缝3－光敏元件4－发光元件5－烟粒子6－香烟汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1819第四节烟尘浓度传感器图7-19空气净化系统的组成1－控制开关2－烟尘浓度传感器3－吸入口4－排出口5－空气净化器出口汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1820第五节柴油机排烟传感器•柴油等重碳氢化合物的不完全燃烧会形成大量炭烟，柴油机作为汽车动力日益增加，虽然其本身的CO和HC排放很低，但是排除的黑烟会导致周围空气污染，所以在排气系统中，广泛采用可以测量柴油机排烟的传感器，用于检测发动机排气中形成的炭烟或未燃烧碳粒，并提供一种能表示炭烟存在的输出信号给ECU，从而自动调节空气和燃料的供给。汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1821第五节柴油机排烟传感器图7-21柴油机排烟传感器的工作原理1－绝缘体2－电极3－催化剂4－缝隙图7-22传感器的结构图1－中间体2－金属体3－传感器感应头本体4－其它金属丝5－焊点6－缝隙7－催化剂8－铂丝9－Al2O3粉与粘合剂10－接线盒汽车电子控制基础——第七章气体浓度传感器2020/2/1822