宽频氧传感器原理及故障诊断.doc

宽 频 氧 传 感 器 原 理 及 故 障 诊 断J I A N G S U U N I V E R S I T Y成 人 本 科 毕 业 论 文宽频氧传感器原理及故障诊断学 院 名 称： 专 业 班 级： 学 生 姓 名： 陈泉江 指导教师姓名： 毕胜强 指导教师职称： 2010年12月III 摘 要当今汽车工业得到了快速的发展。被称为移动烟囱的汽车尾气，其有害成分包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、硫化物(SOx)以及微粒物质等。汽车尾气净化的主要方法是利用催化剂将其有害成分CO、HC和NOX通过化学反应转化成为无害的CO2、H2O和N2。关键技术是汽车发动机电子控制燃油喷射系统、氧传感器和三元催化反应器及电控模块组成的空燃比闭环反馈控制系统。氧传感器对于提高燃烧效率、 降低污染排放量和三元催化起着重要的作用。它们调节汽车发动机的空燃比（A/F，空气与汽油的质量比），精确地控制燃油的燃烧过程，既提高燃烧效率，节省能源，又能大幅降低尾气的污染。宽频氧传感器是为满足现代汽车高排放标准而设计的新型检测型氧传感器。本文在介绍汽车尾气排放控制技术和汽车用氧传感器的基础上，重点介绍了宽频氧传感器的结构和工作原理，并对宽频氧传感器的常见故障及其诊断和测试方法进行了详尽的论述。关键字：宽频氧传感器；排放控制；故障诊断目 录第一章 绪论.11.1本文的研究背景.11.2本文的研究内容.1第二章 汽车尾气排放控制系统.22.1汽车尾气污染.22.1.1机动车尾气排放中的主要污染物.22.1.2 控制机动车尾气污染物排放的措施和方法.22.2柴油机排放控制技术.32.3汽油机排放控制技术.6第三章 汽车用氧传感器. .83.1氧传感器的类型.83.2氧化锆式氧传感器结构原理.83.3氧化钛式氧传感器的结构原理.11第四章 宽频氧传感器的工作原理及检修.134.1普通氧化锆式氧传感器(ZrO2)的工作特性.134.2宽频氧传感器的结构特点及控制原理.134.2.1结构及工作特点.134.2.2控制原理.144.3宽频氧传感器常见故障现象.154.3.1氧传感器中毒.154.3.2氧传感器积炭.164.3.3氧传感器陶瓷碎裂.164.3.4加热器电阻丝烧断.164.3.5氧传感器内部线路断脱.164.3.6电器连接器锁止机构损坏，造成电路连接松动的故障.164.4宽频氧传感器的故障诊断.164.4.1检查氧传感器电阻.174.4.2检查氧传感器输出电压.174.4.3外观颜色检查.174.5宽频氧传感器的测试方法.17第五章 结论.20致 谢.21参考文献.22第一章 绪论1.1 本文的研究背景随着汽车工业的迅速发展，汽车保有量的不断增加，汽车有害气体排放已逐渐成为城市大气污染的主要来源之一。为了挽救日益恶劣的大气环境，世界各国相继制定了汽车排放法规，来控制汽车排放污染。据有关专家研究，汽车有害排放主要来源于尾气排放，有效地抑制尾气排放污染，是治理汽车有害气体排放污染的关键。为了降低尾气排放污染，世界各领域的相关专家和研究机构，从产生污染物的原因着手，在汽油品质提高、发动机燃烧性能改善以及有害废气净化处理等方面展开研究，并取得了有效的成果。近年来，车辆被要求安装车载诊断系统，用来监视所有与排放有关的车辆零部件和系统的性能，以达到节约燃料和减少排放的目的。目前应用于汽车上的尾气传感器只有氧传感器。氧传感器的主要作用是通过反馈控制空燃比接近于理想值，因为三元催化转换器的转化效率在理想空燃比等于1附近达到最高。氧传感器是汽车发动机燃油反馈控制系统的重要部件，在空燃比控制中有着非常重要的作用。随着人们环保意识的日渐加深和汽车排放法规的逐渐严格，传统的开关型氧传感器已不能满足高排放标准的要求，它只能显示跳变混合气浓稀两种状态而不能显示浓稀的程度，取而代之的是控制精度更高的宽频氧传感器。1.2 本文的研究内容 本文首先介绍汽车尾气排放中的主要污染物及柴油机和汽油机的排放控制技术；然后介绍了汽车尾气排放控制系统中常用的氧传感器的结构及工作原理；最后重点论述了宽频氧传感器的结构、工作原理及优点，并对宽频氧传感器常见的故障及其诊断和测试方法进行详尽的说明。第二章 汽车尾气排放控制系统随着我国社会的快速发展，人们的生活水平不断提高，各类机动车的使用数量在不断增加，这对我国的空气环境质量带来很大的影响。如何让人们即享受到 经济发展后的交通便利，又能有效地降低机动车污染物排放对环境的危害，越来越成为摆在各级环境保护工作者面前的严峻问题。2.1 汽车尾气污染2.1.1 机动车尾气排放中的主要污染物机动车尾气成分非常复杂，有一百种以上，其主要污染物包括：一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、碳氢化合物（HC）、铅（Pb）、苯并芘（B8P）等。这些污染物不仅污染环境,对人体也有巨大危害。一氧化碳（CO）：是一种化学反应能力低的无色无味的窒息性有毒气体，对空气的相对密度为0.9670。它的溶解度很小,吸入过量的CO会使人发生气急、嘴唇发紫、呼吸困难甚至死亡。长期吸入CO对城市居民身体健康是一个潜在威胁，其生成主要受混合气浓度的影响，在局部缺氧或低温条件下，燃烧中的碳不能完全氧化生成CO2而CO作为中间产物生成。氮氧化物（NOX）：是在内燃机汽缸内大部分气体中生成的，NOX的排放量取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素。氮氧化合物进人肺泡后，能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激作用，增加肺毛细管的通透性，最后造成肺气肿。碳氢化合物（HC）：碳氢化合物尽管在汽车尾气中含量不多，但其构成成分中含有一种已被世界公认的强致癌物质。铅（Pb）：汽车主要靠燃烧汽油（柴油）行驶。而汽油是一种易燃易爆的液体，为了防止爆炸，人们往往在汽油里添加一种抗爆剂四乙基铅。汽车尾气中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，进而产生慢性危害，尤其是铅，一旦进入人的大脑组织，便紧紧粘附在脑细胞的关键部位，从而导致人的智能发育障碍和血红素制造障碍等后果。2.1.2 控制机动车尾气污染物排放的措施和方法1.使用清洁能源型交通工具进行替代。使用电力或太阳能动力来机车代替机动车，近几年来，电动自行车的兴起，部分减少了城市摩托车的使用量，使很多城市的机动车尾气排放量有所降低。但电力机车存在一次充电行驶公里短，载货量小的不便，使电力汽车在使用上并不普及；开辟地铁，施行电力牵引行驶，尤其在大城市人口稠密的地区开辟地下通道，同时可解决乘车难问题以及减少大气环境污染；建立无车区，建立永久性的行人专用区和禁止汽车行驶的住宅区；使用具有高速，安全，平稳，无震动，不污染环境，节省能源等诸多性能的磁悬浮列车。2.加强行政管理，减少和消除汽车尾气对大气环境的污染。不断提高我国的汽车排放标准，强化新车准入制度对不符合排放标准的新车采取三不措施：不准出厂，不准销售和不准上牌，促使各汽车企业加紧对节能减排汽车的开发；完善机动车的尾气检测体系，促进机动车的维护保养机动车尾气排放检查和机动车的定期维护保养对于减少汽车污染非常重要，通过建立严格合理的机动车的尾气检测管理体系，发挥其应有的功效，监督在用机动车的实际尾气排放情况。3.提高燃油质量。燃油质量是影响汽车尾气污染的关键因素，应尽快建立清洁油品质量标准和有效监管体系。要鼓励兼并或关闭小的炼油企业，防止不合格的燃油流向市场。因此，应当全面提高燃油质量，研制清洁油品，加强监管体系，有效控制机动车尾气污染。2.2 柴油机排放控制技术1.改善燃油品质降低燃油中的含硫量。在燃烧过程中，柴油中的硫约有98%转化为SO2，其余的2%成为硫酸盐颗粒，部分SO2，被进一步氧化与燃烧过程中生成的H2O结合，形成H2SO4和硫酸盐(CaSO4 等)，增加了微粒的排放量。当燃料中的硫从0.12%下降到0.05%时，微粒排放量将减少8%10%。减少燃油中的芳香烃成分。根据燃油的馏程，合理提高燃油的十六烷值。进行柴油的乳化处理。在柴油中加入适当的乳化剂，通过燃料中水的汽化降低气缸套的温度和燃烧温度，减少NOX的排放；另外，乳化燃料中的水分子迅速汽化膨胀，成为微细的燃料油滴，促进了与空气的迅速混合，加速了燃烧，减少了气缸内的激冷层，有利于 HC的生成。在柴油中掺烧一定比例的消烟添加剂。将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，通过促进碳烟粒子在膨胀过程中再燃烧，来促进和消除喷袖器头部的积碳，可使碳烟颗粒PM的排放减少30%50%。2.柴油机机内净化柴油机机内净化是对燃烧过程进行优化，便发动机混合气均匀、燃烧充分、 工作柔和、起动可靠、排放低。改进燃烧系统。改进燃烧系统指的是燃烧室的形状、供油系统、进气流动的最佳匹配。应保证在发动机整个工况范围内，燃油在燃烧室中均匀分布，有合适的气体流动，有合理的喷油规律和喷油定时。采用电控制喷油泵、电控泵一喷嘴、 电子调速器、可变涡流系统、多气门化和中央配置喷油器等措施，既可改善柴油机性能，又可降低柴油机尾气排放物，尤其是颗粒PM物质的排放。防止机油上串。由于柴油机排放颗粒状物质的相当部分是由串入燃烧室的机油的不完全燃烧造成的，所以应尽可能地减少串入的机油量。防止和减少机油串入燃烧室，应通过加强机体刚度，改善气缸盖与机体的连接、减少气缸工作面的变形，改善活塞、活塞环和气缸表面的设计，加强机油控制，减少从气门推杆泄漏的机油等措施来实现。采用增压中冷技术。废气涡轮增压提高了气缸内平均有效压力，过量的空气系数和整个循环的平均温度可使柴油机颗粒物的排放量降低50%左右，并减少 CO和CH的排放。利用中冷技术，NOX的排放量可降低60%70%。采用柴油电控喷射技术。柴油电控技术己从位置控制、时间控制发展到目前的共轨式电控高压喷射。电子控制柴油机高压喷射技术(如电控高压共轨喷射)的应用可使柴油机通过最佳喷油定时、最佳喷油率和预喷射的控制与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节，使颗粒排放降低40%以上。并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。采用废气再循环(EGR)技术。废气再循环(EGR)是将一部分排出的废气导入进气系统中，通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低NOX的排放。利用废气再循环(EGR)来降低NOX 的排放，需要与电子控制技术相结合，根据柴油机负荷、转速、 冷却水温度、传感器及启动开关信号，由 ECU对EGR率和EGR 随机进行控制，保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低尾气中 NOX 的排放。3.排气后处理柴油机排气后处理可以用氧化催化转化器以降低HC和CO的排放量和颗粒 PM状物质中的有机成分。用选择性还原催化转换器在富氧条件下还原NOX；用微粒过滤装置收集柴油机排气中的颗粒状物质等。加装氧化型催化转化器。柴油机加装氧化型催化转化器是一种有效的机外净化排气中的可燃气体和可溶性SOF有机组分的常用措施。加装氧化型催化转化器(以铂 Pt、把Pd贵重金属作为催化剂)能使HC、CO减少50%，颗粒PM减少50% 70%，其中的多环芳烃和硝基多环芳烃也有明显减少。对于HC转化效率较高的氧化催化器还可有效地减少排气的臭味。氧化催化器的缺点是会将排气中的SO2， 氧化为SO3，生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒，额外增加颗粒物质排放量。所以，柴油机氧化催化器一般使用于含硫量较低的柴油燃料，并要保证催化剂及载体、 发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常，使挣化效果达到最佳。采用颗粒过滤及再生技术。颗粒过滤由颗粒过滤器和再生装置组成。颗粒过滤器通过其中有极小孔隙的过滤介质(滤芯)捕集柴油机排气中的固定碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。颗粒过滤器对碳的过滤效率较高，可达到 60%90%。在过滤过程中，颗粒过滤在过滤器内会导致柴油机排气背压升高，当排气背压达到1620kPa 时，柴油机性能开始恶化，因此必须定期除去颗粒，便过滤器恢复到原来的工作状态，即过滤器再生。可溶性SOF氧化催化。利用白金和钮等贵重金属作为催化剂的组成成份，以氧化铝和二氧化硅制成蜂窝状陶瓷作为载体，用于可溶性 SOF 的催化转化。在正常的排气温度环境下，存在于尾气中SOF可溶性有机物在催化剂的作用下被氧化(逐步氧化为 SO2, H2SO4及硫酸盐)，并被催化剂吸附，可溶性SOF在高温时脱离催化剂载体，随废气排出而达到净化。通过氧化催化，可溶性 SOF 降低率达到60%80%，从而降低全部颗粒PM排放的20%30%。因此氧化催化载体应满足低温吸附SOF 性好，高温与SOF 脱离性好等要求。4.采用代用燃料采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然气(压缩天然气 CNG，液化天然气 LNG)、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、氢燃料及与柴油掺烧的复合燃料等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源代用燃料。2.3 汽油机排放控制技术1.车用汽油机机内净化技术电子控制燃油喷射系统。电子控制燃油喷射系统(EFI)利用传感器检测发动机的各种状态，经微机判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。1995年以后，国外汽油机几乎100%采用EFI系统，而其中绝大多数是多点电喷汽油车。目前，我国已停止生产化油器式汽油车。可变进气流通截面及可变配气定时系统。采用可变进气流通截面可改善中速运转及部分负荷时的汽油机性能，并可控制燃烧速率。采用可变配气定时系统可调节缸内剩余废气量，降低 NOx排放，改善怠速性能。废气再循环。发动机工作过程中，将一部分排气引到吸入的新鲜空气(或混合气)中并返回气缸进行再循环的方法称为废气再循环(EGR)，可有效控制NOx的排放。但由于它减少了进气充量中的含氧量，只宜在部分负荷时采用，以使HC不致明显增加。要最大限度地减少NOx含量，又不影响汽油机经济性和HC排放，需采取有效调整装置来优化整个工作范围内的废气再循环。电控技术是解决这一矛盾的有效手段。最近国外电控EGR技术获得成功，已使其成为现代车用汽油机的有机组成部分。我国也开始应用电控EGR技术。燃烧系统优化设计。不同的燃烧室形状会使汽油机性能有很大差别。燃烧室设计的重要原则之一是面容比小，即尽可能紧凑；火花塞尽可能布置在燃烧室中央，以缩短火焰传播距离。紧凑的燃烧室可直接使汽油机的热效率提高，HC和CO排放降低；与推迟点火提前角或EGR联用，可同时降低NOx排放。2.车用汽油机机外净化技术综观人类治理汽车排放污染的历程，在20世纪70年代中期以前主要是采用以改善发动机燃烧过程为主的各种机内净化技术。这些技术尽管对降低排气污染起到了很大作用，但效果有限，且不同程度地对汽车的动力性和经济性带来负面效应。随着排放法规的日益严格，人们开始考虑包括催化转化器在内的各种机外净化技术。三效催化剂( TWC)的研制成功使汽车排放控制技术产生了突破性的进展，它可使汽油车排放的CO、HC和NOx同时降低90 %以上。目前，电子控制汽油喷射加三效催化转化器已成为国际上汽油车排放控制技术的主流除少量微型车和中、重型货车外，所有汽油车都采用了催化转化器，特别是汽油机轿车和轻型卡车，它们采用三效催化剂的比例分别为91.6 %和100%。由此可以看出三效催化转化器在排放控制技术中的重要地位。此外，机外净化技术还有曲轴箱强制通风装置、二次空气喷射控制系统和燃油蒸发控制系统。3.车用汽油机的催化转化技术催化转化技术已成为成熟技术而被汽车界接受。目前，国外在降低成本、提高性能和使用寿命方面进行了深入研究：通过纳米技术提高贵金属附着载体的能力，从而减少贵金属含量(可降低 15%40%)；催化剂储氧材料CeO2的研究已进入第三代，这是高性能催化剂的基础；适应稀薄燃烧(空燃比达 22)富氧条件下的NOx还原催化剂的研究十分活跃，日本东京大学和美国密执安大学分别研制了双功能催化剂，降低了二氧化硫和水蒸气对催化剂的影响，也提高了催化剂的热稳定性；净化稀燃汽车尾气中 NOx 的另一种途径“吸附-还原法”的研究，即在富氧条件下，先将 NOx 用吸附剂储存起来(形成硝酸盐)，然后在贫氧或受热加温条件下由硝酸盐释放出Nox，NOx与 HC或CO反应，被还原为N2。为了使这类催化剂能在富氧贫氧交替的气氛中工作，借助电控手段对催化剂再生，即每隔5060s由发动机管理系统自动控制节气门减小开度,使空燃比由2223 变到10左右，同时点火提前角也由上止点前350CA推迟到50CA，这一期间持续 510s(催化剂再生)，其NOx净化效率可达70%90 %，通过合理调节，燃油经济性的恶化可控制在1%以内。第三章 汽车用氧传感器 氧传感器(EGO)又称为氧量传感器，通过监测排气中氧离子的含量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0.981.02之间(空燃比A/F约为14.7)，使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到降低有害气体的排放量和节约燃油的目的。3.1 氧传感器的类型氧传感器分为氧化锆(ZrO2 )式和氧化钛( TiO2 )式两种类型。氧化锆式氧传感器又分为加热型与非加热型氧传感器两种，氧化钛式一般都为加热型传感器。由于氧化钛式氧传感器价格比氧化锆式便宜，且不易受到硅离子的腐蚀，为越来越多的汽车采用。3.2 氧化锆式氧传感器结构原理1.结构特点如图1所示，氧化锆式氧传感器主要由钢质护管、钢质壳体、锆管、加热元件、电极引线、防水护套和线束连接器等组成。锆管是在二氧化锆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。锆管制作成试管形状，以便氧离子能均匀扩散与渗透。锆管内表面通大气，外表面通排气，为了防止发动机排出的废气腐蚀外层铂电极，在外层铂电极表面还涂敷有一陶瓷保护层。在锆管的内、外表面都涂覆有一层金属铂作为电极，并用金属线与传感器信号输出端子在催化剂铂的作用下，发动机排气中的CO与O2接触时，就会生成 CO2。氧化锆陶瓷管的强度很低，而且安装在排气管上，承受排气压力冲击。为了防止锆管受排气压力冲击而造成陶瓷管破碎，将锆管封装在钢质护管内。护管上制有若干个小孔以便于排气流通。在钢质壳体上制有六角对边和螺纹，以便于安装和拆卸传感器。1.防护置 2.氧化锆体 3.壳体 4.输出接头 5.外套 6.导 7.电动势 8.大气侧的白金电极 9.固态电解质(氧化铁元素) 10.排气一侧的白金电极 11.涂层(陶瓷) 12.排气 13.大气图1 氧化锆式氧传感器氧化锆式氧传感器有加热型与非加热型两种。国产轿车大都采用非加热型氧传感器，其线束连接器只有1个或2个接线端子；中高档轿车大都采用加热型氧传感器，其线束连接器有3个或4个接线端子。加热器采用陶瓷加热元件制成，设在锆管内侧，由汽车电源通入电流进行加热。由于氧化锆式氧传感器在300 以上环境时，才能输出稳定的信号电压，因此，加热的目的是保证低温(排气温度在 150200以下)时，氧传感器能投入工作，从而减少有害气体的排放量。2.测量原理如图2所示，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，且锆管外侧的氧离子随可燃混合气浓度变化而变化。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。1.铂电极 2.多孔陶瓷层 3.排气 4.标准空气 5.铂电极 6.固体电解质(氧化锆) 7.电动势图2 氧化式氧传感器的工作原理3.工作特性如图3所示，当供给发动机的可燃混合气较浓(即空燃比A/F小于14.7或过量空气系数小于1)时，排气中氧离子含量较少、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CO2气体，使外表面上氧离子浓度为零。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，约为0.9V。图3 氧传感器工作特性当供给发动机的可燃混合气较稀(即空燃比大于 14.7或过量空气系数大于 1)时，排气中氧离子含量较多、CO浓度较小，即使 CO全部都与氧产生化学反应，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，约为0.1V。当空燃比A/F接近于理论空燃比14.7(或空气系数接近于1)时，排气中的氧离子和CO都很少。在催化剂铂的作用下，氧离子与CO的反应从缺氧状态(CO过剩、氧离子浓度为零)变化为富氧状态(CO为零、氧离子过剩)。由于氧浓度差急剧变化，因此，铂电极之间的电位差急剧变化，使传感器输出电压从0.9V急剧变化到0.1V。由图3可见，当可燃混合气浓时，如果没有催化剂铂的催化作用使氧离子浓度急剧减小到零，在混合气由浓变稀时，固体电解质两侧氧离子的浓度差将连续变化，传感器的电动势将按曲线1所示连续变化，即电动势不会出现跃变现象。这正是氧化锆式氧传感器必须定期(汽车每行驶80万km)更换的原因。因为在使用过程中，燃油和润滑油硫化产生的硅酮等颗粒物质附着在铂电极表面上会导致铂电极逐渐失效；此外，传感器内部端子处用于防水的硅橡胶会逐渐污染内侧电极。4.工作条件氧化锆式氧传感器必须满足3个条件才能正常调节混合气浓度：发动机温度高于60。氧传感器自身温度高于300。发动机工作在怠速工况和部分负荷工况。因此，氧传感器安装在温度较高的排气管上。同时，为了使氧传感器迅速达到工作温度(300)而投入工作，现代汽车采用了加热器对锆管进行加热。加热器一般采用陶瓷加热元件制成，并引出两个电极直接由汽车电源(1214 V)通电进行加热。加热器的加热温度一般设定为300。3.3 氧化钛式氧传感器的结构原理1.结构特点如图 4 所示 ,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。1.氧化钛 2.加热器(陶瓷表面)图4 氧化钛式氧传感器钢质壳体上制有螺纹，以便于传感器安装。与氧化锆式氧传感器不同的是，氧化钛式氧传感器不需要与大气压进行比较，因此传感元件的密封与防水十分方便，利用玻璃或滑石粉等密封即可达到使用要求。此外，在电极引线与护套之间设置一个硅橡胶密封衬垫，可以防止水浸入传感器内部而腐蚀电极。氧化钛传感元件目前使用较多的有芯片式和厚膜式2种。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。二氧化钛是一种多孔性的陶瓷材料，达到激活温度(规定温度为 600)需要的时间很短，这对降低发动机刚刚起动后HC的排放量十分有利。2.测量原理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，其电阻值与过量空气系数的关系如图5所示。当发动机的可燃混合气浓(过量空气系数小于1)时，由于燃烧不完全，排气中会剩余少量氧气，传感元件周围的氧离子很少，二氧化钛呈现高阻状态。与此同时，在催化剂铂的催化作用下，使剩余氧离子与排气中的CO 产生化学反应，生成CO2，将排气中的氧离子进一步消耗掉，从而大大提高了传感器的灵敏度。当发动机混合气稀(过量空气系数大于1)时，排气中氧离子含量较多，传感元件周围的氧离子浓度较大，二氧化钛呈现低阻状态。因此，氧化钛式氧传感器的电阻将在混合气的过量空气系数约为1(空燃比A/F约为14.7)时产生突变。当给氧传感器施加稳定的电压时，在其输出端便可得到一个交替变化的信号。该稳定电压一般由ECU内部的稳压电源提供。3.工作条件氧化钛式氧传感器能正常调节混合气应满足的条件：发动机温度高于 60 。氧传感器自身温度高于600。发动机工作在怠速工况和部分负荷工况。1.TiO2氧传感器元件 2.壳体 3.绝缘体 4.端子 5.陶瓷连结片 6.导线 7.热敏电阻元件图5 二氧化钛式氧传感器结构及特性第四章 宽频氧传感器的工作原理及检修氧传感器的作用是监测尾气中氧的浓度，并将信息反馈给控制单元修正喷油量，实现发动机的闭环控制，减少有害气体的排放。随着发动机电控技术的发展，普通的4线制氧传感器由于其检测范围的局限性，已不能满足汽车工况的需求，因而宽频氧传感器在汽车上的应用越来越广泛。但是，由于对这类传感器的使用或维护不当，容易出现故障，导致汽车运转不良、排放超标。为了快速检修此类故障，必须从普通氧传感器的工作特点入手，分析宽频氧传感器的工作机理及检修要领，以便准确、方便地排除故障。4.1 普通氧化锆式氧传感器(ZrO2)的工作特性氧化锆式氧传感器为4线制，属于主动、平面型氧传感器，仅适用于标准空燃比附近范围。在350或更高的温度下能传导氧离子，传感器两侧氧气的浓度差使两个表面之间产生电位差，且工作曲线非常陡峭。混合气在接近标准空然比时，输出0.45V电压；混合气偏浓时，输出0.60.9V电压；混合气偏稀时，输出0.10.3V电压。由于该氧传感器只能在比较狭窄的范围内(0.10.9V) 工作，当尾气过浓或过稀时无法检测，因此有一定的局限性。4.2 宽频氧传感器的结构特点及控制原理4.2.1 结构及工作特点为了克服普通氧传感器的上述缺陷，人们开发出了新一代氧传感器宽频氧传感器。宽频氧传感器为6线制，属于线性、电流型氧传感器，在全空燃比范围内(=0.74.0)起作用。它由1个普通窄范围浓度差电压型氧传感器ZrO2 (能斯特元件)、氧气泵单元(ZrO2)、加热线圈、传感器控制器及扩散小孔、扩散室等构成(见图1)。当排气管废气中的氧离子通过扩散通道进入测量区时，氧气泵单元泵入或泵出氧离子，并使氧浓度达到=1，以使其电压值控制在0.45V附近，即将普通氧传感器的输出电压(能斯特电压为0.45V)送到传感器内的运算放大器，通过与 EC输入传感器的1-5脚比较电压比较后，运算放大器控制泵电流Ip，ECU可以通过消耗的泵电流Ip计算出排气管中实际的氧浓度，进而控制喷油量。图1 宽频氧传感器结构4.2.2 控制原理混合气过稀时：氧气泵在原来的转速(相同泵电流Ip)的泵氧量与通过扩散通道进入测量室的氧量叠加后，使得测量室中氧的含量较多，O2信号电压值下降，富氧的稀混合气产生低于参考电压Uref的电压值，传感器控制器就会产生泵电流，自动减小单元泵的工作电流 Ip(使泵入测试室的氧量减少)，使O2信号尽快恢复到0.45V的电压值。ECU接收到单元泵的工作电流Ip(控制单元将其折算成电压值信号)，根据减少的泵电流Ip，ECU加大喷油量。混合气过浓时：氧气泵在原来的转速(相同泵电流Ip)的泵氧量与通过扩散通道进入测量室的氧量叠加后，使得测量室中氧的含量较少，O2信号电压值上升，稀氧的浓混合气产生高于参考电压Uref的电压值，传感器控制器就会产生泵电流，自动增加单元泵的工作电流Ip(使泵入测试室的氧量增加)，使O2信号尽快恢复到0.45V的电压值。ECU接收到单元泵的工作电流Ip(控制单元将其折算成电压值信号)，根据增加的泵电流Ip，ECU减少喷油量。宽频氧传感器的工作过程可以模拟成图2，电路图如3所示(新甲壳虫轿车氧传感器电路)。图2 宽频氧传感器的工作过程图3 氧传感器电路4.3 宽频氧传感器常见故障现象4.3.1 氧传感器中毒 氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障，尤其是经常使用含铅汽油的汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几千千米。如果只是轻微的铅中毒，接着使用一箱不含铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作。但往往由于过高的排气温度，而使铅侵入其内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时就只能更换了。 另外，氧传感器发生硅中毒也是常有的事。一般来说，汽油和润滑油中含有的硅化合物燃烧后生成的二氧化硅，硅橡胶密封垫圈使用不当散发出的有机硅气体，都会使氧传感器失效。因而要使用质量好的燃油和润滑油。修理时要正确选用和安装橡胶垫圈，不要在传感器上涂敷制造厂规定使用以外的溶剂和防粘剂等。 4.3.2 氧传感器积炭 由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积炭，或氧传感器内部进入了油污或尘埃等沉积物，就会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的信号失准，E C U不能及时地修正空燃比。产生积炭的主要表现为油耗上升、排放浓度明显增加。此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。 4.3.3 氧传感器陶瓷碎裂 氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而失效。因此，处理时要特别小心，发现问题及时更换。 4.3.4 加热器电阻丝烧断 对于加热型氧传感器，如果加热器电阻丝烧蚀，就很难使传感器达到正常的工作温度而失去作用。加热器断路的故障，在发动机低速或冷车运转时，氧传感器无法工作，没有信号输出，只有发动机高速或大负荷时尾气温度升高，氧传感器才可有信号输出。4.3.5 氧传感器内部线路断脱4.3.6电器连接器锁止机构损坏，造成电路连接松动的故障4.4 宽频氧传感器的故障诊断宽频氧传感器性能的检查分为三种情况，一是检测氧传感器电阻；二是测量氧传感器电压输出信号；三是观察氧传感器外观的颜色。4.4.1 检查氧传感器电阻当发动机温度达到正常后，拔下氧传感器的导线连接器，用电阻表检测传感器端子之间的电阻值，电阻值应符合具体车型标准值的要求。前氧传感器3-4针脚的电阻为2.510，后氧传感器1-2针脚的电阻为6.447.5，否则应更换氧传感器。注：后氧传感器只负责校验，当前氧传感器出现故障时，发动机进入开环紧急运行状态。4.4.2 检查氧传感器输出电压以宝来轿车为例，起动发动机，使发动机达到正常工作温度，并维持发动机怠速运转。不能用万用表直接测量氧传感器信号端子的输出电压，而应通过专用解码器读取数据流。发动机控制单元将宽频氧传感器的电流信号转化为电压值显示出来，其规定电压值为 1.02.0V。电压值大于1.5V时表示混合气过稀；电压值小于 1.5V时，表示混合气过浓。当电压值为0V、1.5V、4.9V的恒定值时，表明氧传感器本身或其线路有故障。也可用示波器观察其电压峰值，当拔掉某个气缸的高压分火线(断火)后，排气中的含氧量将下降，如果其指示的峰值电压有所升高，说明氧传感器性能良好(其变化范围在0.45V左右)。4.4.3 外观颜色检查通过观察氧传感器顶部的颜色，可以判断故障的原因。氧传感器顶部的正常颜色为淡灰色，如果发现氧传感器顶部颜色发生变化，则预示着氧传感器存在故障或故障隐患。氧传感器顶部呈黑色，是由于积碳污染造成的，可拆下氧传感器后清除其上的积碳。氧传感器顶部呈红棕色，说明氧传感器受铅污染，此时甚至不起净化作用。如果氧传感器顶部呈白色，说明是硅污染造成的，原因是发动机在维修时使用了不符合要求的硅密封胶，此时必须更换氧传感器。4.5 宽频氧传感器的测试方法宽频带氧传感器单件检测(图4)只有1项：端子3和4是加热器，不应该开路，加在上面的电压为12V，端子1是信号输出，端子5和6是参考电压，端子2是泵电流输入。有的宽频带氧传感器端子5和6是作为同一个端子输出(图5)。也可以通过专用检测仪读取数据流进行分析。图4 宽频氧传感器的检测图5 6针脚宽频氧传感器电器连接器检查宽带传感器最好的方法是采用检测仪和废气分析仪进行配合检查。如果检测仪的空燃比参数与废气分析仪的值不匹配，则需要进行进一步的检查。可根据以下4个步骤进行检查诊断。(1)检查加热器电路。采用电流钳及示波器来检查电流的变化。(2)分开传感器线束接头。用万用表检查泵单元输出和输入线路之间的修正电阻，阻值应该在30300之间。Porsche Cayenn e车系1和5脚之间在20电阻值是90110之间(实际维修中的检测值)。(3)插上传感器的接头，用万用表检查参考地电压，数值应该在2.42.7V之间。(4)检查泵单元和氧化锆单元信号。用一个双通道示波器，连接示波器的地线到参考地，接着连接一个通道到氧化锆单元信号线，另一个通道连接泵单元输入信号。氧化锆单元信号电压应该一直保持在0.45V。如果不是首先检查电路，接着检查输入泵单元。泵单元电压会以0.50.6V的幅度波动，示波器要设置为AC耦合，这样才显示得出负的电压值。在混合汽从最浓变为稀时，会产生一个大于1.0V的电压变化。例如，检测宝来车三元催化器的前、后氧传感器时，可以利用V.A.G1551通过读取数据流的方法进行诊断分析，显示组33的第二区显示的是三元催化器前的宽带氧传感器电压值，显示组36的第一区显示的是三元催化器后的氧化锆氧传感器的电压值。宽带氧传感器的电压值应在12V