第7章：全范围空燃比传感器

第7章：全范围空燃比传感器7.1、全范围空燃比传感器的发展过程及种类7.2、固体电解质传感器7.3、阻值变化型传感器（不讲授）7.4、全范围空燃比传感器应用举例全范围空燃比传感器的基本定义：全范围空燃比传感器，是相对普通的传感器而言的，普通氧量传感器仅能检测λ=1的理论空燃比点，而全范围空燃比传感器可以检测从浓到稀的整个范围的空燃比。该传感器是利用氧浓差电池原理和氧气泵的泵电原理，能连续检测混合气从过浓到理论空燃比再到稀薄状态整个过程的一种传感器。当混合气过浓时，氧泵就会吸入O2到测定室中；而当排放气比混合气空燃比稀薄时，则从测定室中放出02到排气中去。全范围空燃比传感器的结构原理:全范围空燃比就是利用这一特点用氧气泵供给出、入测定室的O2，使排放气保持在理论空燃比上。这样就通过测定氧泵的电流值I，来测定排放气体中的空燃比A/F。混合气空燃比在过浓一侧为负电流，在稀薄一侧为正电流，当理论空燃比A/F为14.7时，电流值为零，即可连续测量出空燃比。7.1全范围空燃比传感器的发展过程及种类全空燃比传感器主要有两大类：1984年丰田公司采用了临界电流型稀燃传感器和反馈系统空燃比为22：1；1986年，本田公司开始采用NTK公司生产的泵电池型稀燃传感器，空燃比为16～18：1；1991年本田公司采用了从14.7～22：1的全空燃比传感器。7.2固体电解质传感器1、浓差电池型传感器：普通二氧化锆传感器只能在空燃比为1附近有较好的特性；浓差电池型传感器与氧传感器完全相同，经过对氧传感器的改进后，就可以将它直接用于稀燃域改进方法：①、在二氧化锆传感元件中参入少量的三氧化铁，以减少温度对传感器的影响。②、在传感器中增加一个加热器，保证传感器一直处于高温环境下工作，同时减小发动机尾气对传感器的影响。这样传感器就可以工作在空燃比14.6～18：1此类传感器与二氧化锆传感器特性相同主要用于稀薄燃烧区域其输出电压为：⑴、浓差电池型传感器结构原理'/4ln/sqERTFppR、T、F是常数，Ps,Pq－为基准极、测试极的氧分压；温度为850℃时E和Pq的关系曲线⑵、输出特性随着空燃比的增加，其输出电压减小。温度的变化对输出电压的影响很大。通过一直保持传感元件处于高温环境下，就可以在宽范围的工作条件下实现稀薄控制。发动机转速与传感元件温度的关系：2、临界电池型传感器⑴、原理与特性：当固体电解质两端的氧气有浓度差时，就会产生电动势；反之，当其两端加上电压时，就可以输送氧气，氧通过固体电解质被从电池的阴极泵到阳极，这样就产生电流。'/4ln/sqERTFppPS与Pq为浓度差。⑵、结构：为了得到与环境气氛中氧气浓度有关的、比较稳定的极限电流，在ZrO2电池的阴极上由尖晶石制成的约600um的扩散障，限制氧气向阳极输出，以此产生极限电流与氧分压成线性关系。⑶、电流与电压的性能曲线当外加电压的增强时，会引起泵电流的增加量逐渐变小，这时的电流成为临界电流。P－总压力；PO2－氧分压；F-法拉第常数；S-负极面积L-多孔层厚度；DO2－氧气多孔层系数221ln1/POOFSIDTlPP临界电流Ip与尾气中的氧浓度或空燃比A/F大致成正比例关系。因此这种部件可以用作空燃比传感器。P－总压力；P02－氧分压；最佳工作区域221ln1/POOFSIDTlPP⑷、1984年丰田公司汽车所用传感器结构1－引出线（外侧电极）；2－加热器引出线；3－引出线（内侧电极）；4－二氧化锆电解质和陶瓷涂敷层；5－护罩；6－比较电极；7－陶瓷加热器；3、泵电池型传感器⑴、原理同时利用氧量浓差电池原理和氧量泵的泵电池型传感器。电流通O2泵－氧气输送－浓度差－电压一片二氧化锆元件作氧泵使用，另一片做氧检测元件使用⑵、结构两块板状ZrO2元件粘合而成，二者之间有一狭长的缝隙。两片元件中的一片用作O2泵使用，另一片用作O2检测元件使用。⑶、输出电压与不同泵电流及空燃比关系⑷、特点：不需要比较电极，所以可以做到完全防水设计，也不必担心由于防水问题造成传感器的误动作。因氧泵电流过大，所以从原理上还不适用于A/F大于20的超稀薄区域。由于氧传感元件上没有比较基准电极，难以用于理论空燃比点及浓侧的控制等一些理由，当时并没有使用。⑸、改进型的NTK牌泵电池传感器（全范围空燃比传感器UEGO）①、结构：由三张片状二氧化锆固体电解质构成，其内部设有扩散腔与扩散孔；1张为二氧化锆固体电解质O2泵电池；1张为O2传感器元件；1张作为隔板用，以确保氧基准腔的准确程度。②、特点：UEGO传感器的氧元件上设有基准电极，因此它克服了泵电池传感器的缺点，可以完成理论空燃比的控制。但因基准电极需引入大气，所以有渗水的可能性。③、传感器的基本特性此曲线与普通氧传感器特性曲线非常相似通过测定IP电流值，可以测定尾气中的A/F值。④、传感器的输出电压与加热器外加电压的关系宽带型氧传感器（6线式氧传感器）工作原理：当尾气中的氧含量高于扩散间隙内的氧含量时，将尾气中的氧泵入到扩散间隙中，如果尾气中的氧含量低于扩散间隙内的氧含量时，将扩散间隙中氧泵出到尾气中由于扩散间隙中氧浓度变化产生的电势差发生变化，通过电子控制单元输出电压随尾气氧含量变化。7.4全范围空燃比传感器应用举例1、检测催化剂的老化氧传感器2、检测断火END