氧量传感器

第六章 氧量传感器,第六章 氧传感器,第六章 氧量传感器,6.1 概述,一、问题提出,第六章 氧量传感器,氧传感器是排气氧传感器（EGO，Exhaust Gas Oxygen Sensor）的简称，又称为氧量传感器。功用：通过监测排气中氧离子的含量来获得混合气的空燃比信号，并将空燃比信号转变为电信号输入发动机ECU。ECU根据氧传感器信号对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制（闭环控制），从而将过量空气系数（）控制在098102之间的范围内，使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达刭降低有害气体排放量和节约燃油之目的。安装在发动机的排气管上。,二、氧传感器的作用,第六章 氧量传感器,三、氧传感器的分类,氧传感器主要有两种类型:二氧化锆氧传感器二氧化钛氧传感器,第六章 氧量传感器,6.2 二氧化锆氧传感器,一、氧化锆氧传感器的结构,氧化锆氧量传感器的结构,第六章 氧量传感器,锆管是在二氧化锆（ZrO2）固体电解质粉末中添加少量的添加剂压力成形后，再烧结而成的陶瓷管。加入添加剂的目的就是防止二氧化锆晶体老化。常用的添加剂有氧化钇（Y2O3、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化镱（Yb2O3）等 。在锆管的内、外表面都涂覆有一层金属铂（Pt）作为电极，并用金属线与传感器信号输出端子连接。金属铂除了起到电极作用将信号电压引出传感器之外，另一个更重要的是催化作用。,第六章 氧量传感器,带加热器的氧化锆传感器结构图6陶瓷加热元件,第六章 氧量传感器,当电解质的表面与内部之间氧气的浓度不同（即存在浓度差）时，氧气浓度高处的氧离子就会向浓度低的一侧扩散，以求达到平衡状态。当固体电解质表面设置集中用多孔电极之后，在其两个表面之间就可得到电动势E，因此将其称为“氧浓差电池”，该电动势的表达式为,二、氧化锆氧传感器的工作原理,E=（RT/4F）ln（Pb/Pm）式中：R气体常数；T一绝对温度；F法拉第常数； Pb、Pm分别为基准电极与测定电极上的氧气分压值。,第六章 氧量传感器,原理：锆管内侧与氧离子浓度高的大气相通，外侧与氧离子浓度低的排气相通，当氧离子在锆管中扩散时，锆管内外表面之间的电位差将随可燃混合气浓度变化而变化，即锆管相当于一个氧浓差电池，传感器的信号源相当于一个可变电源。,第六章 氧量传感器,浓混合气时，二氧化锆传感器的工作状态,稀混合气时，二氧化锆传感器的工作状态,小,大,第六章 氧量传感器,三、氧化锆氧传感器的工作特性,低温区稀状态下氧传感器的输出电压比较低（传感器元件内阻大）,高温区浓状态下氧传感器的输出电压增高（氧分压小）,第六章 氧量传感器,当供给发动机的可燃混合气较浓时，一氧化碳（CO）浓度较大。在锆管外表面催化剂铂的催化作用下，氧离子几乎全部都与CO发生氧化反应生成二氧化碳（CO2）气体，使外表面上氧离子浓度为0。由于锆管内表面与大气相通，氧离子浓度很大，因此锆管内、外表面之间的氧离子浓度差较大，两个铂电极之间的电位差较高，约0.9v。当供给发动机的可燃混合气较稀时，排气中氧离子含量较多、CO浓度较小，即使CO全部都与氧离子产生化学反应，锆管外表面上还是有多余的氧离子存在。因此，锆管内、外表面之间氧离子的浓度差较小，两个铂电极之间的电位差较低，约0.1v。,第六章 氧量传感器,四、电路图,第六章 氧量传感器,五、氧化锆氧传感器的工作条件,氧化锆式氧传感器必须满足以下3个条件，才能正常调节混合气浓度：（l）发动机温度高于60；（2）氧传感器自身温度高于300；（3）发动机工作在怠速工况和部分负荷工况。,第六章 氧量传感器,6.3氧化钛氧传感器,一、氧化钛氧传感器的结构,氧化钛氧传感器的结构,二氧化钛（TiO2）属于N型半导体材料，其阻值大小取决于材料温度以及周围环境中氧离子的浓度，因此可以用来检测排气中的氧离子浓度。,当温度低时，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。,第六章 氧量传感器,氧化钛式氧传感器的外形与氧化锆式氧传感器相似，主要由二氧化钛传感元件、钢质壳体、加热元件和电极引线等组成。与氧化锆（ZrO2）式氧传感器不同的是，氧化钛式氧传感器不需要与大气进行比较。加热元件用钨丝或陶瓷材料制成，加热的目的是使传感元件二氧化钛温度保持恒定，从而使传感器的输出特性不受温度影响。 目前使用较多的氧化钛传感元件有芯片式和厚膜式两种。,第六章 氧量传感器,氧化钛氧传感传感元件结构图,分压电阻（从蓄电池电压上分出1V电压作传感器电源。）,TiO2厚膜,加热器,结构特点：加热器、电极分压电阻制成一体，可降低成本，无需比较元件，防水设计比较简单不易出现铅中毒现象。,中间层作用：保护加热器、提高耐久性，还可防止加热器电源误加到传感元件上。,第六章 氧量传感器,阻值变化型氧传感器的阻值R与氧分压PO2的关系按下述公式变化：,二、氧化钛式氧传感器的工作原理及输出特性,由于二氧化钛半导体材料的电阻具有随氧离子浓度的变化而变化的特性，因此氧化钛式氧传感器的信号源相当于一个可变电阻。,第六章 氧量传感器,第六章 氧量传感器,三、电路图,第六章 氧量传感器,6.4、氧传感器的评价指标,评价氧传感器特性的指标主要有传感器的响应时间理论空燃比附近产生高且稳定的电压突变传感器的温度性能（高温、低温存放，热循环（冲击）反应灵敏性机械性能（抗拉、扭矩、冲击、振动强度和尾气密封程度）传感器抗中毒性（尾气空燃比与老化、铅中毒、磷中毒、硅中毒）,第六章 氧量传感器,6.5、两种氧传感器比较,二氧化钛氧传感器和氧化锆传感器的主要区别在于：氧化锆传感器是将排气中剩氧分子含量的变化转换为电压的变化输出，而二氧化钛氧传感器则将排气中剩氧分子含量的变化转换成传感器的电阻变化。 浓差电池型氧化锆氧传感器的特点是：具有高精度、高可靠性，是目前汽车排气检测方面应用最广泛的氧传感器。但还存在结构复杂、成本较高、材料制备困难等问题，并且不能使用于含铅汽油。氧化物半导体型TiO2氧传感器不需要参考电极、结构简单、尺寸小、成