介绍双氧传感器的使用及工作情况.doc

摘要本文简述了双氧传感器的工作原理，并根据工作原理分析了氧传器故障的产生原因对汽车发动机的影响，以及失效判断原理。关健词： 氧传感器 过量空气系数 三元催化器作者：于洪波介绍双氧传感器的使用及工作情况绪论：随着汽车工业的发展，汽车尾气所带来的环境污染问题日益严重。因此，有效地控制汽车尾气，减少其对环境污染已成为当今重要的研究课题之一1。许多汽车在发动机排放系统中装有三元催化转换器，以降低排放污染。空燃比一旦偏离理论空燃比(14.7：1)，三元催化剂对CO，HC和NOx的净化能力急剧下降。故在排气管中插入氧传感器，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。双氧传感器系统的应用也是为了实现尾气监测和低尾气排放控制的目的。2005年4月27日国家环保总局公布了中国轻型汽车第、第阶段排放标准，即GBl8352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国、阶段），也就是平时所说的国、国，相当于欧、欧。这两个标准分别将于2007年7月1日和2010年7月1日开始在全国实施。而北京市自2005年12月30日起执行国家第三阶段机动车排放标准。国排放标准的最大变化包括两方面:（1）大幅度削减单车的污染物排放，其排放比达到国标准车辆减少50%以上；（2）加装车载排放诊断系统（OBD）。其中增加双氧传感器系统是重要部分之一。一、安装OBD的意义OBD（on-Board Diagnostics）即车载诊断系统。车辆装备OBD系统后，在车辆的使用期内确保系统能识别造成排放超标的故障和损坏的类型以及故障可能存在的位置，并以故障代码的形式将该信息储存在电控单元的存储器内。我国国、国标准中参考采用了EOBD技术体系。EOBD即欧洲车载诊断系统，其排放限制标准为:HC为0.4g/km，CO为3.2g/km，NOx0.6g/km。安装OBD系统后，可通过其监测机动车与排放有关的零部件是否正常工作，并及时对故障发出警报。主要监测包括三元净化器效率降低、失火和氧传感器失效等。所以加装OBD系统的国车辆，可以及时发现车辆的故障和污染超标的情况，并警告司机尽快进行维修，同时有利于维修企业对车辆故障的诊断和维修。通过OBD系统和新标准的共同作用，才能更好地达到控制机动车污染的目的，才能更有效地改善大气环境。二、OBD系统的监控内容及原理（一）双氧传感器催化器效率的监控1三元催化器效率监控的意义由三元催化转化器的空燃比特性可知，只有在过量空气系数=1（A/F=14.7）附近的狭窄范围内，三种有害成分NOx、CO、HC的净化效率才能同时达到最高。因此要想提高三元催化转化器的净化率，必须使发动机的实际空燃比接近理论空燃比。通过催化器监控系统是为了及时发现催化器的故障，并提醒车主进行必要检修，寻找导致催化器工作效率下降的原因，从而保证催化器始终具有较高的净化效率。采用OBD系统监控催化器工作效率的方法主要有3种:双氧传感器法、双碳氢传感器法、双温度传感器法。其中采用双氧传感器进行监控的方法应用较为广泛。所谓双氧传感器法，是在三元催化器后增加第二个氧传感器使电脑可以比较三元催化器前后排气管中氧的浓度，即双氧传感器系统。2OBD系统诊断标准当催化器系统性能退化到HC排放超过极限值（EOBD为0.4g/km）时，系统认为有故障。3催化器效率监控原理通过空燃比闭环控制原理确保空燃比在理论空燃比附近，但由于系统的响应延迟导致实际的空燃比总是以一定的频率在理论值附近波动，因此在三元催化转化器的水洗涂层中添加了能够具有储存和释放氧的稀土元素铈，这样空燃比波动时能提高催化器净化效率。当空燃比较大时，铈能够吸收废气中多余的氧气，而当混合气较浓时，铈又能够释放出所吸收的氧气参与废气在催化器中的氧化反应。由此可知，当车辆在相对稳定的转速和负载下运转时，如果三元催化转化器工作正常，则催化器下游的废气中氧含量将会很小；相反如果催化器的工作效率及氧的储存能力下降，则催化器下游的废气中氧含量会很高。在三元催化转化器上、下游各安装一个氧传感器来估计氧存储能力。正常运行的催化转化器因其储氧功能而使下游氧传感器的动态响应与上游氧传感器相比受到明显阻尼，下游氧传感器动态响应曲线振幅将非常小（见图1）。反之，如果下游氧传感器电压信号的波形非常接近上游氧传感器（见图2），则ECU认为三元催化转化器的工作效率过低，系统认为有故障。（二）上游氧传感器劣化的监控1氧传感器的作用要想提高三元催化转化器的净化率，使发动机的实际空燃比接近理论空燃比，在电控系统中，普遍采用氧传感器来测量排气中的氧浓度，以便为ECU提供反馈信号，控制空燃比收敛于理论值（空燃比闭环控制）。2OBD系统诊断标准OBD系统监测氧传感器信号电压是否超出可能范围、响应速度是否过低、跳变时间之比是否超出规定范围、转换频率是否过低、氧传感器是否活性不足、氧传感器是否加热过慢等。如果前置氧传感器响应特性信号退化到排放物达到OBD排放极限值，系统认为故障。3上游氧传感器监控原理上游氧传感器信号电压是否超出可能范围。氧传感器信号电压在空气过量系数=1处发生阶跃。在稳定工况下，当1时，氧传感器信号电压约为100mv。当ECU进入闭环控制后，氧传感器信号电压应在1000mv和100mv之间不断波动（图3（a）。如图当出现图3（b）、图3（c）时，ECU将设置上游氧传感器信号电压超出可能范围的故障信息记录。上游氧传感器信号电压响应速度过低随着氧传感器的老化，其信号电压响应速度越来越低，表现为动态响应曲线趋于平缓，其斜率的绝对值变小（图3（d）。在ECU进入闭环控制情况下，ECU连续监测氧传感器一段时间，记录其信号电压，每次从低于300mv到高于600mv（混合气从稀到浓）和从高于600mv到低于300mv（混合气从浓到稀）跳变所经历的时间及跳变次数，分别求出跳变时间的平均值。如果此平均值超过规定值，则ECU认为该氧传感器已老化。上游氧传感器信号电压跳变时间比超出规定范围氧传感器信号电压从高到低跳变时间和从低到高跳变时间之比也反映氧传感器老化。随着氧传感器的老化，此比值增大。闭环控制时，100s监测期间内信号电压跳变时间之比的平均值不在40.4之间，ECU认为该氧传感器已老化。上游氧传感器信号电压跳变频率过低当氧传感器老化时，信号电压跳变频率减小。如果在闭环控制的情况下，100s的监测期间中信号电压从低到高和从高到低的跳变次数小于45次，ECU认为该氧传感器已老化。上游氧传感器活性不足如果信号电压稳定在450mv附近，而非在100mv1000mv之间不断跳变，即在400mv500mv之间跳变达30s以上，表明该传感器活性不足或信号电路为开路。 2006年起北京开始实施国标准，所有在北京销售的新车都要加装双氧传感器系统，现在在用车多数为前后四线的阶越型氧传感器，为了实现控制的更精准和稳定，所以像本田的稀混合比传感器(Lean Air Fuel Sensor)和BOSCH的宽域型氧传感器( Wide-band Oxygen Sensor)将是未来的发展方向和必然趋势。 致谢本文是在朱军老师精心指导和大力支持下完成的。朱军老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于机械增压与涡轮增压方面的知识。感谢朱军老师、潘之浩老师等对我的教育培养。他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。感谢我的同学们三年来对我学习、生活的关心和帮助。感谢我的爸爸妈妈，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法