氧传感器

第六章氧传感器6.1氧(O2)传感器的基本介绍6.2氧传感器的开发背景6.3氧传感器在三元系统中的作用6.4氧传感器的材料与工作原理6.5氧传感器的结构与特点6.6氧传感器使用中的问题6.7氧传感器的评定技术6.1氧(O2)传感器的基本介绍6.1.1二氧化锆型氧(O2)传感器氧(O2)传感器可用于电子控制燃油喷射装置中的反馈系统;用以检测排放气体中的氧气浓度、空燃比的浓稀，监测气缸内是否按理论空燃比(15:1)进行燃烧，并向计算机反馈。这种传感器的结构如图6一1所示，它是由产生电动势的二氧化锆管、起电极作用的衬套以及防止二氧化锆管损坏和导入汽车排气的进气孔组成的。二氧化锆管的内、外表面均涂覆有薄薄一层铂，铂既可以成为电极又具有电势放大作用。二氧化锆管的外表面处于氧气浓度较低的汽车所排放的气体中，而管的内表面则导入周围空气，两表面氧气浓度之差就会产生电动势。下一页返回6.1氧(O2)传感器的基本介绍二氧化锆型传感器的工作原理如下所述:当空燃比较浓时，排放气体中的氧气比较少，大气中的氧离子通过二氧化锆管后产生电压，所以指示灯亮;反之，当空燃比较低时，氧气浓度很高，所以产生的电压很低，指示灯不亮。上一页下一页返回6.1氧(O2)传感器的基本介绍6.1.2带加热器的二氧化锆氧浓淡电动势型氧(O2)传感器为了保证氧传感器具有稳定的输出信号，就需要使其处于300℃以上的环境中，因此，一般可以把它安装在离发动机较近、温度较高的位置处，但是，由于设计上的原因，有时必须将其安装在离发动机较远、温度较低的位置处，在这种位置处也能工作的是带加热器的氧传感器，即在排放气体温度为150℃~200℃时可以工作。上一页下一页返回6.1氧(O2)传感器的基本介绍这种传感器的工作原理与前面介绍过的无加热器氧传感器完全相同，在试管形的固体电解质的内侧设置了陶瓷加热器，在给加热器加上电压之后，从内侧进行加热，所以在低温下就可以工作。传感器的结构如图6-2所示。在这种场合下，氧传感器是作电子控制燃油喷射装置上的空燃比反馈控制传感器用的，用以检测排放气体中的氧气浓度。上一页下一页返回6.1氧(O2)传感器的基本介绍在空燃比反馈系统中，当空燃比稀薄时，排放气体中的氧浓度增加，氧传感器把“稀薄状况”通知计算机，然后，计算机发出信号增加喷油量，由此，当空燃比比理论值还浓时，排放气体中的氧浓度降低，氧传感器把“较浓状况”通知计算机，然后计算机减少喷油量，又回复到原来状态。如上所述，反馈系统就是这样往复动作，从而把空燃比控制在理论值。氧传感器的性能与温度有很大的关系。上一页下一页返回6.1氧(O2)传感器的基本介绍6.1.3二氧化钛型氧(OZ)传感器这种氧传感器采用了半导体材料二氧化钛，二氧化钛属N型半导体，其电阻值的大小取决于周围环境的氧浓度情况，因此，二氧化钛型传感器和二氧化锆型传感器一样，也可以用作检测排放气体中的氧浓度。二氧化钛型氧传感器的结构如图6一3所示。在二氧化钛元件中嵌有圆板形铂电极，它的周围有陶瓷。在绝缘体的一端，就是二氧化钛元件和热敏电阻，从两极和两个元件的连接点处共引出3根引线。在绝缘体表面上绕有钨丝，以其作为氧传感器的加热器，并引出2根引线。上一页下一页返回6.1氧(O2)传感器的基本介绍当周围氧气比较多时，二氧化钛的阻值增大;反之，当周围氧气比较少时，二氧化钛的阻值减小，所以，二氧化钛氧传感器的阻值在理论空燃比附近处急剧变化，输出电压也急剧地变化。用二氧化钛制作的氧传感器有3个端子，即“基准电源”、“输出”和“搭铁”。二氧化钛的阻值随温度的变化情况如图6一4所示。与二氧化钛元件串联的热敏电阻起温度补偿作用。当温度很低时，二氧化钛的阻值很大而无法正常工作，对此进行快速预热激活，所以传感器上配装了加热器上面所说的二氧化钛氧传感器，还有耐铅中毒能力强、产品体积小的优点。上一页返回6.2氧传感器的开发背景自从1970年有些国家制定了严格的汽车废气排放法规以来，大大加快了汽车排放净化装置的研制步伐，一开始时出现了许多种类的净化装置，随着技术不断地革新，不断地加以淘汰，最后留下来的也就是合理的系统，即可以同时净化NOx、CO及HC三种有害物质的三元催化方式。在此系统中占主导地位的是催化剂技术的发展与氧传感器的成功开发，氧传感器是使此系统最有效地发挥作用必不可少的部件。下一页返回6.2氧传感器的开发背景从原理上讲，氧传感器有足够的理由成立。但因汽车使用非常广泛，氧传感器必须能承受苛刻环境，要长期保证稳定的性能，当初，生产厂家并没有充分的把握。但当无论如何都需要这一部件时，不仅从事传感器开发的部件厂，而且包括汽车制造厂的开发部门，以及与汽车技术有关的技术人员、研究人员从各个角度作了大量的研究。上一页下一页返回6.2氧传感器的开发背景1976年，博世公司首先在沃尔沃车上装用了氧传感器，借此机会，通用、福田、丰田、日产相继完成了氧传感器的开发工作。时至今日，氧传感器已成为燃烧控制技术中最重要的功能部件，在对排放已订立法规的国家里，它已是到处可见的普通产品。氧传感器是为解决废气净化而开发出的部件，但目前来说，节油问题与提高发动机的性能问题都与氧传感器有很大的关系，因此，就要求性能更好，可靠性更高的传感器。下面采用比较的方法，对二氧化锆型与二氧化钛型氧传感器加以说明。上一页返回6.3氧传感器在三元系统中的作用6.3.1空燃比控制与氧传感器先来说明三元催化剂系统的基本原理与氧传感器的作用。现在大批量生产的氧传感器都是检测理论空燃比点的，它用于三元催化中，净化效率最高且将废气控制于理论空燃比的反馈系统上。三元催化剂的净化率一般是用空气过剩率A的函数来表示。A=1意味着是理论空燃比，小于1时为浓状态，大于1时为稀状态。下一页返回6.3氧传感器在三元系统中的作用下面说明氧传感器的基本特性与系统的控制方法。图6一5是有代表性的空燃比反馈系统的概括。一般来说，喷油量的控制主要采取图(1)所示的控制法。对燃烧后废气而言，氧传感器的输出信号如图(2)所示。比较电平大致相当于理论空燃比点时氧传感器的输出电平，通常将其调整在0.5左右，但实际上，氧传感器的空燃比特性是变化着的.从图(3)中还可以看出，控制电路具有将出信号滞后时间再输出的功能.图(4)是积分电路，与积分量相应，逐渐地增加喷油量。也有采用图(5)所示办法的，在比较器翻转时，提高整个系统的反馈频率.上一页下一页返回6.3氧传感器在三元系统中的作用从前面的说明中可知:氧传感器的基本空燃比特性、浓与稀状态的响应特性对尾气空燃比的影响很敏感，因此应适当地调整系统侧的参数:，以维持三元催化的最高净化效率。近些年来，随着数字计算机的发展，通过适当的调整可以做到这些参数与发动机的各种工况条件相协调，按各种使用目的加以区分。作为氧传感器的基本特性，除了上面讲过的基本空燃比特性、响应特性之外，还有内阻特性。此外，在低温范围内，空燃比在适当范围内变化时，三元催化剂本身的净化效率还高些，所以要根据发动机的性能选用特性适当的氧传感器。上一页下一页返回6.3氧传感器在三元系统中的作用6.3.2氧传感器在车载自我诊断系统中的应用从1994年开始实施的车载自我诊断系统一Ⅱ法规中规定:车辆上必须配有排放系统部件的故障自我诊断系统。其中也包含有很多利用氧传感器诊断的技术，下面分项加以说明。上一页下一页返回6.3氧传感器在三元系统中的作用(1)检测催化剂老化。法规中规定:当尾气达到限制值的1.5倍时，报警灯应该点亮报警。对这一要求的检测，可采用直接检测尾气成分的办法。(2)空燃比控制。车用自我诊断一Ⅱ法规要求:控制用氧传感器及燃油控制也能进行自我诊断，这时，也可以采用监测催化剂后的氧传感器的输出信号的办法，与前方相比，催化剂的后方尾气中的未燃烧成分经催化剂后已反应完成，所以，对氧传感器来说，稳定平衡尾气的测定表示出理想的输出。上一页下一页返回6.3氧传感器在三元系统中的作用(3)断火检测。发动机断火将引起催化剂异常发热，造成催化剂老化。因此，车用自我诊断-Ⅱ法规还规定:应检测出断火，并发出警报。检测断火的方法有两种，一种是直接法，即利用催化剂温度传感器、氧传感器与离子电流传感器等直接检测断火状况;另一种是间接法，利用曲轴角度传感器检测发动机因断火引起的转速变化。上一页返回6.4氧传感器的材料与工作原理6.4.1二氧化锆型已经批量生产的二氧化锆部件的结构原理如图6一6所示。它是由一端已密封的试管状固体电解质元件、其表面的铂电极及保护用陶瓷层组成的。一般的尾气中含有未燃烧成分与剩余的氧，为了弄清楚准确的空气过剩率，就需要使这些未燃烧成分与剩余的氧进行反应以达平衡状态。通过电极上所用铂的催化作用，可以促进其反应的进行。从空气过剩率与平衡氧分压的关系可知，以λ=1.00处为界，平衡氧分压出现了急剧的变化。下一页返回6.4氧传感器的材料与工作原理氧传感器将产生图6-7所示的电压。二氧化锆型氧传感器的电动势随温度的变化情况，如图6-8所示。低温区浓状态下氧传感器的输出电压比较低，这是传感器元件的内阻在低温区时相当高的原因造成的，即使利用输入阻抗很高的普通电压表也无法测出其输出电压。高温区浓状态下氧传感器的输出电压也比较低，这是由高温下氧分压引起的。上一页下一页返回6.4氧传感器的材料与工作原理低温区稀状态下氧传感器的输出电压增高，这是非平衡气体影响所造成的，对此点后面还要加以说明，总之，要想在低温区快速利用传感器时，就要降低传感器的内阻，采用高输入阻抗的电压表。也需要设法在传感器内设加热器，以加热传感元件。上一页下一页返回6.4氧传感器的材料与工作原理ZrO2有三种晶体:单斜晶体(M)，正方晶体(T)及立方晶体(C)，其中M/T的转换，会使晶体体积变化4%左右，这很容易使晶体老化。当ZrO2中加入Y2O3,CaO,MgO,Yb2O3后，就可以控制M/T的转移，增加其稳定性。强度的机理与T/M的转移存在着一定关系，利用这一机理制成的二氧化锆陶瓷简称为TTZ或ZTC。对传感器来说，电导率是一项很重要的参数，为了保证批量生产的传感器在经受严格的热循环后电特性保持正常，若稳定性很好的话，往往选定Y2O3在4~6mol%。上一页下一页返回6.4氧传感器的材料与工作原理传感器上，二氧化锆固体电解质的外侧电极涂敷有陶瓷保护层。对传感器的性能来说，催化剂特性有两个重要的作用。一是尾气中存在有未燃烧的气体，由此造成测量误差，催化剂对此起着平衡作用;另一个是，因电极上进行的是电化学反应，其内容包括电子的移动、氧分子的吸附，脱离，氧离子的形成，因移动与脱离而渗入固体电解质，而作为逆反应包括从固体电解质中捕获氧离子，使其移动，形成氧分子，形成气态等，催化剂都担负着重要作用。上一页下一页返回6.4氧传感器的材料与工作原理6.4.2二氧化钛型二氧化钛的熔点是1750℃，它以三种状态存在，氧化钛(B)、锐钛矿形(A)、板钛矿形(B)。其中的R形从低温到高温一直是稳定状态，没有必要像ZrO2那样，需要考虑状态转移的问题，是适合制作传感器的材料，下面以多孔形TiO2陶瓷的电阻温度特性为例加以说明，如图6一9所示，将此图大致分5个方面加以说明。上一页下一页返回6.4氧传感器的材料与工作原理(1)表面的化学吸附。这是指表面靠化学吸附的O2,H2O,CO,HC气体与TiO2表面之间电子转移所引起的现象，这主要从室温至400℃可以发现:电阻的变化程度随温度及表面状态而变化。(2)TiO2自身体电阻的变化。随着温度的升高，热量激励出的载流子的数量增多。所以，电阻减小。这种变化相当于热量形成空穴的能量，这是TiO2固有的性质.(3)氧分压的影响.(4)非平衡气体的影响.(5)原子价控制的影响.上一页返回6.5氧传感器的结构与特点6.5.1圆筒形二氧化锆传感器为保证二氧化锆传感器能够安装在汽车等的排气管上，都用金属件将陶瓷零件—二氧化锆件保护起来。二氧化锆氧传感器大致可分为带加热器和不带加热器两种，其结构分别如图6一10和图6一11所示。近年来，随着发动机的改进，尾气温度有下降的趋势，为了获取更稳定的信号，加