氧传感器与空燃比传感器.ppt
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1、 氧传感器和空燃比传感器氧传感器和空燃比传感器氧传感器和空燃比传感器都安装在发动氧传感器和空燃比传感器都安装在发动机的排气管上,与排气管中的废气接触,用机的排气管上,与排气管中的废气接触,用来检测排气中氧气分子的浓度,并将其转换来检测排气中氧气分子的浓度,并将其转换成电压信号。成电压信号。ECM根据这一信号对喷油量进行调整,根据这一信号对喷油量进行调整,以实现对可燃混合气浓度的精确控制,改善以实现对可燃混合气浓度的精确控制,改善发动机的燃烧过程,达到即降低排放污染,发动机的燃烧过程,达到即降低排放污染,又减少燃油消耗的目的。又减少燃油消耗的目的。只能在理论空燃比附近工作的传感器称只能在理论空燃
2、比附近工作的传感器称为氧传感器,可以在整个稀薄燃烧区范围内为氧传感器,可以在整个稀薄燃烧区范围内工作的传感器称为空燃比传感器。工作的传感器称为空燃比传感器。1、氧传感器的结构与工作原理氧传感器的结构与工作原理氧传感器可以安装在发动机的排气管上氧传感器可以安装在发动机的排气管上(见图(见图2.56),位于三元催化转化器的前面),位于三元催化转化器的前面或后面。或后面。安装在三元催化转化器前面的氧传感器安装在三元催化转化器前面的氧传感器的作用是通过检测废气中氧分子的浓度,让的作用是通过检测废气中氧分子的浓度,让ECM获得可燃混合气浓度的反馈信号,据此获得可燃混合气浓度的反馈信号,据此对喷油量的控制
3、进行修正,使混合气的空燃对喷油量的控制进行修正,使混合气的空燃比更接近于理论空燃比。比更接近于理论空燃比。图图2.56氧传感器的安装位置氧传感器的安装位置1氧传感器(左前)氧传感器(左前)2进气管进气管 3氧传感器(右前)氧传感器(右前)4三元催化转化器三元催化转化器 5氧传感器(后)氧传感器(后)6排气管排气管 7预热式三元催化转换器预热式三元催化转换器氧传感器通常和安装在排气管中段氧传感器通常和安装在排气管中段的三元催化反应器一同使用,以保证混的三元催化反应器一同使用,以保证混合气的空燃比处于接近理论空燃比的一合气的空燃比处于接近理论空燃比的一个窄小范围内,从而使三元催化反应器个窄小范围内
4、,从而使三元催化反应器能充分发挥其净化作用。能充分发挥其净化作用。安装在三元催化转化器后面的氧传安装在三元催化转化器后面的氧传感器则用于监测三元催化转化器的工作感器则用于监测三元催化转化器的工作效率,以保证其能正常发挥作用。效率,以保证其能正常发挥作用。氧化锆氧传感器内有一个由氧化锆氧化锆氧传感器内有一个由氧化锆陶瓷体制成的一端封闭不透气的管状体陶瓷体制成的一端封闭不透气的管状体(简称锆管,见图(简称锆管,见图2.57)。)。锆管的内外表面各自覆盖着一层透锆管的内外表面各自覆盖着一层透气的多孔性薄铂层,作为电极。气的多孔性薄铂层,作为电极。锆管内表面电极与空气相通,外表锆管内表面电极与空气相通
5、,外表面则与废气接触。面则与废气接触。氧化氧化锆锆型氧传感器型氧传感器 图图2.57氧传感器的结构氧传感器的结构1保护罩保护罩 2接线端子接线端子 3外壳(接地)外壳(接地)4空气侧铂电极空气侧铂电极 5氧化锆陶氧化锆陶瓷体(锆管)瓷体(锆管)6排气侧铂电极排气侧铂电极 7加热器加热器 8陶瓷涂层陶瓷涂层锆管外部套有一个带长缝槽的耐热锆管外部套有一个带长缝槽的耐热金属套管,对锆管起保护作用。金属套管,对锆管起保护作用。在外电极表面还有一层多孔陶瓷涂在外电极表面还有一层多孔陶瓷涂层,这样既可以防止废气烧蚀电极,又层,这样既可以防止废气烧蚀电极,又可保证废气渗进保护层,和电极接触。可保证废气渗进保
6、护层,和电极接触。发动机运转时,锆管两侧存在氧浓度差,发动机运转时,锆管两侧存在氧浓度差,使锆管形成微电池,在锆管两个铂电极间产生使锆管形成微电池,在锆管两个铂电极间产生一个微小的电压见图一个微小的电压见图2.58(a)。)。当混合气的实际空燃比小于理论空燃比,当混合气的实际空燃比小于理论空燃比,即发动机以较浓的混合气运转时,排气中即发动机以较浓的混合气运转时,排气中缺氧,锆管中氧离子移动较快,并产生缺氧,锆管中氧离子移动较快,并产生0.60.9V的电压;当混合气的实际空燃比大的电压;当混合气的实际空燃比大于理论空燃比,即发动机以较稀的混合气于理论空燃比,即发动机以较稀的混合气运转时,废气中有
7、一定的氧分子,使锆管运转时,废气中有一定的氧分子,使锆管中氧离子的移动能力减弱,只产生中氧离子的移动能力减弱,只产生0.10.3V的电压。的电压。氧传感器信号随混合气成分不同而氧传感器信号随混合气成分不同而变化的,并以理论空燃比为界产生突变变化的,并以理论空燃比为界产生突变见图见图2.58(b)。)。图图2.58氧传感器工作原理图氧传感器工作原理图ECM根据氧传感器的信号电压的高低判根据氧传感器的信号电压的高低判定混合气的浓度。定混合气的浓度。当信号电压大于当信号电压大于0.45V时,时,ECM判定混合判定混合气过浓;相反,当信号电压低于气过浓;相反,当信号电压低于0.45V时,时,ECM判定
8、混合气过稀。判定混合气过稀。ECM根据氧传感器传来的信号,及根据氧传感器传来的信号,及时对混合气的浓度进行修正,使之尽可时对混合气的浓度进行修正,使之尽可能接近能接近14.7 1的理论空燃比。的理论空燃比。因此氧传感器是因此氧传感器是ECM控制可燃混合控制可燃混合气浓度的重要传感器。气浓度的重要传感器。氧化锆的这种特性只有在较高温度时氧化锆的这种特性只有在较高温度时(600左右)才能充分体现出来,左右)才能充分体现出来,带加热器的氧传感器内有一个陶瓷加热带加热器的氧传感器内有一个陶瓷加热元件(见图元件(见图2.57),可在发动机起动后的),可在发动机起动后的2030s内迅速将氧传感器加热至工作
9、温度(见内迅速将氧传感器加热至工作温度(见图图2.59)。)。采用氧传感器的发动机必须使用无铅汽采用氧传感器的发动机必须使用无铅汽油。油。图图2.59氧传感器的控制电路氧传感器的控制电路1加热器加热器 2氧传感器氧传感器氧化钛型氧传感器氧化钛型氧传感器 相对于氧化锆型的氧传感器是以产生电压的相对于氧化锆型的氧传感器是以产生电压的讯号,氧化钛讯号,氧化钛(T氧化钛型氧传感器氧化钛型氧传感器iO2)型则型则是利用电阻的变化来判别其中的含氧量。在某是利用电阻的变化来判别其中的含氧量。在某个温度以上钛与氧的结合微弱,在氧气极少的个温度以上钛与氧的结合微弱,在氧气极少的情况下就必须放弃氧气,因此缺氧而形
10、成低电情况下就必须放弃氧气,因此缺氧而形成低电阻的氧化半导体。相反的,若氧气较多,则形阻的氧化半导体。相反的,若氧气较多,则形成高电阻的状态。就像水温度传感器一样,有成高电阻的状态。就像水温度传感器一样,有着电阻高低的变化,这时只要供给一参考电压,着电阻高低的变化,这时只要供给一参考电压,即可由电压来可知冷却水的温度。即可由电压来可知冷却水的温度。假设计算机供给氧传感器假设计算机供给氧传感器5V的参考电压,当混合的参考电压,当混合比浓时电阻低所得到电压较高比浓时电阻低所得到电压较高(将近将近5V),若混,若混合比较稀时电阻高所得到的电压较低合比较稀时电阻高所得到的电压较低(将近将近0V),因此
11、由电阻的变化即可得知当时混合比的状,因此由电阻的变化即可得知当时混合比的状况,不过近来的车型为了使氧化钛型氧传感器况,不过近来的车型为了使氧化钛型氧传感器有着与氧化锆型相同的变化,即将参考电压改有着与氧化锆型相同的变化,即将参考电压改成成1V,所以其电压即成了,所以其电压即成了01V的范围内。另的范围内。另外由于高温下电阻容易产生变化,因此氧化钛外由于高温下电阻容易产生变化,因此氧化钛型氧传感器会设一温度补偿电路,以反应温度型氧传感器会设一温度补偿电路,以反应温度高低所产生误差。高低所产生误差。1 1、氧化钛式氧传感器、氧化钛式氧传感器 2 2、1V1V电压端子电压端子 3 3、ECU 4EC
12、U 4、输出电压端子、输出电压端子氧化钛式氧传感器对比氧化锆式氧传感器的工作氧化钛式氧传感器对比氧化锆式氧传感器的工作原理有很大的不同,它是利用多孔状导体原理有很大的不同,它是利用多孔状导体TiO2的导电性随排气中氧含量的变化而变化的特性的导电性随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的,故又称电阻性氧传感器。这种制成的,故又称电阻性氧传感器。这种传感器传感器的结构简单、体积小、成本低,但是在的结构简单、体积小、成本低,但是在300900工作时,电阻值随温度变化较大,所工作时,电阻值随温度变化较大,所以必须用温度补偿的方法来提高精度,通常用以必须用温度补偿的方法来提高精度,通常用另一个实心另一个实
13、心TiO2导体作为温度补偿。导体作为温度补偿。2、空燃比传感器的结构与工作原理空燃比传感器的结构与工作原理空燃比传感器又叫宽带氧传感器空燃比传感器又叫宽带氧传感器(或宽范围氧传感器、线性氧传感器、(或宽范围氧传感器、线性氧传感器、稀混合比氧传感器等)。稀混合比氧传感器等)。它能连续检测出稀薄燃烧区的空燃比,可它能连续检测出稀薄燃烧区的空燃比,可正常工作的空燃比范围大约为正常工作的空燃比范围大约为12 120 1,使,使得得ECM在非理论空燃比区域范围内实现喷油量在非理论空燃比区域范围内实现喷油量的反馈控制成为可能。的反馈控制成为可能。空燃比传感器有两种结构形式:单元件和空燃比传感器有两种结构形
14、式:单元件和双元件。双元件。1)单元件空燃比传感器单元件空燃比传感器单元件空燃比传感器的氧化锆元件单元件空燃比传感器的氧化锆元件采用平面型结构,两侧有铂电极,其中采用平面型结构,两侧有铂电极,其中正极通过空气腔与大气相通,负极与排正极通过空气腔与大气相通,负极与排气之间有一多孔性的扩散障碍层和多孔气之间有一多孔性的扩散障碍层和多孔氧化铝层,排气管中的氧分子可以通过氧化铝层,排气管中的氧分子可以通过多孔性氧化铝层和扩散障碍层到达阴极多孔性氧化铝层和扩散障碍层到达阴极表面。表面。控制电路使正极的电压高于负极控制电路使正极的电压高于负极见图见图2.61(a),从而在氧化锆元件),从而在氧化锆元件中产
15、生一个泵电流,阴极上的氧分子在中产生一个泵电流,阴极上的氧分子在此电流的作用下移动到阳极。此电流的作用下移动到阳极。ECM内的平衡监控电路控制泵电流的内的平衡监控电路控制泵电流的大小,通过改变两极之间的电压差,使泵大小,通过改变两极之间的电压差,使泵电流达到饱和状态。电流达到饱和状态。达到饱和状态时的泵电流的大小取决达到饱和状态时的泵电流的大小取决于氧向扩散腔的扩散速率,并与排气中的于氧向扩散腔的扩散速率,并与排气中的氧分子浓度成正比,或与混合气的空燃比氧分子浓度成正比,或与混合气的空燃比数值成反比。数值成反比。此电流的大小在此电流的大小在ECM内部被转换成内部被转换成与混合气空燃比数值成正比
16、的电压信号。与混合气空燃比数值成正比的电压信号。实际的空燃比信号电压值在实际的空燃比信号电压值在2.44.0V变化见图变化见图2.61(b)。)。单元件空燃比传感器和氧传感器一样,单元件空燃比传感器和氧传感器一样,有有4根接线见图根接线见图2.61(a),其中),其中2根为氧根为氧化锆的化锆的2个电极,之间的电压差约为个电极,之间的电压差约为0.4V;另;另外外2根为加热器的接线。根为加热器的接线。图图2.60单元件空燃比传感器单元件空燃比传感器1陶瓷涂层陶瓷涂层 2多孔氧化铝多孔氧化铝 3扩散障碍层扩散障碍层4氧化铝氧化铝 5空气空气 6加热器加热器 7铂电极铂电极图图2.61单元件空燃比传
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