氧传感器原理

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1、汽车氧传感器是电喷发动机控制系统中关键的传感部件，是控制汽车尾气排 放、降低汽车对环境污染、提高汽车发动机燃油燃烧质量的关键零件。氧传感器 均安装在发动机排气管上。哦朋嘴空燃比博感黯（主氧传愍轉）三元僥比器氧传感器安装位置一：作用氧传感器是排气氧传感器的简称，其功用是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，并将该信号转变为电信号输入到发动机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（力控制在0.98-1.02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之目的。

2、同时也可以确保三 效催化转化器对排气中的碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化合物（NOX）三种污染物都有最大 的转化效率，最大程度地进行排放污染物的转化和净化。现代汽车普遍采用的宽带式氧传感器还具有检查 气缸失火和判缸功能。二：类型发动机燃油喷射系统采用的氧传感器分为氧化锆（ZrO2 ）式、氧化钛（TiO2）式和六线宽带式三种 类型。氧化锆式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。氧传感器安装 在排气管上。3二氧化锆式氧传感器氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆（ZrO2）陶瓷管（固体电解 质），亦称锆管（图7-33a）。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中内外表面

3、均覆盖着一层多孔性的铂膜, 其内表面与大气接触，外表面与废气接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个用于锆管内 腔与大气相通的孔，电线将锆管内表面的铂极经绝缘套从此接线端引出。（一）氧化锆（ZrO2）式氧传感器结构图1保护套管2内表面铂电极层3氧化锆陶瓷体4外表面铂电极层5多孔氧化铝保护层6线束 接头电压原理图锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离。由于锆管内、外侧氧含量不一致, 存在浓差，因而氧离子从大气侧向排气一侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压（图 7-33b）。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，排气中氧含量

4、少，但 CO、HC、H2等较多。这些气体在锆管外表面的铂催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使 锆管外表面氧气表面变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓度差加大，两铂极间电压陡增。因此锆管传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近IV。氧传感器的工作特性如下图所示。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 气系数入小于1）时，排气中氧离子含量较少，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，使外表面上氧离子的浓度为 0。由于锆管内表面

5、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。14-7 . (1)1.传感器的电动势2.CO浓度3无铂电极时的电动势4氧离子浓度当供给发动机的可燃混合气较稀（即空燃比A/F大于14.7或过量空气系数入大于1）时，排气中氧离子含量较多，CO浓度较小，即使CO全部都与氧离子发生化学反应，锆管外表面上还是多有余的氧离子存在。因此，锆管内、外表面之间的氧离子浓度差较小，两个铂电极之间的电位差较低，约为0.1V。当空燃比（A/F）接近与理论空然比14.7 （或过量空气系数入接近于1）时，排气中的氧离子和CO含 量都很少。在催化剂铂的作用

6、下，氧离子与CO的化学反应从缺氧状态（CO过剩、氧离子浓度为0）急剧 变化为负氧状态（CO为0、氧离子过剩）。由于氧离子浓度差急剧变化，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。氧化锆式氧传感器必须满足发动机温度高于60C、氧传感器自身温度高于300C以及发动机工作在怠 速工况和部分负荷三个条件时才能正常调节混合气浓度，因此将其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（300C）而投入工作，采用加热器对锆管进行加热。为使传感器在低温条 件下就投入工作，加热器的加热温度一般设定为300Co氧化詰元辟个硅橡胶密封垫圈，可以防止水汽浸入传感

7、器内部而腐蚀电极。1.加热元件2.二氧化钛元件3基片4垫圈5密封圈6壳体7滑石粉填料8密封釉9护套10电极引线11.连接焊点12密封衬垫13.传感器引线（二）氧化钛（TiO2）式氧传感器二氧化钛（TiO2）属N型半导体材料。氧化钛氧传感器与氧化锆式氧传感器相似结构如图7-35所示,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。钢质壳体上制有螺纹，以便于传感器安装。与氧化锆（ZrO2）式传感器不同的是，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达到使用要求。此外，在电极引线与护套之间设置一结构图由于二氧化钛半导体材料的电阻具有

8、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7-36所示。过證空气系数当发动机混合气稀（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。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 气中会剩余一定的氧气，传感元件周围的氧离子很少，在催化剂铂的作用下，使剩余氧离子与排气中的一 氧化碳CO发生化学反应，生成二氧化碳CO2,将排气中的氧离子进一步消耗掉，二氧化钛呈现高阻状态, 从而大大提高了传感器灵敏度。由上可见，氧化钛式氧传感器的电阻将在混合气的过量空气系数

9、入约1 （空燃比A/F约为14.7）时产 生突变。当给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。氧化钛式氧传感器必须满足发动机温度高于60C、氧传感器自身温度高于600C以及发动机工作在怠 速工况和部分负荷三个条件才能正常调节混合气温度。因此，氧化钛式氧传感器也安装在温度较高的排气 管上，同时采用了直接加热方式使氧化钛传感元件温度迅速达到工作温度（600C）而投入工作。（三）宽带氧传感器前面所叙述到的氧化锆型氧传感器的工作范围是在入=1附近产生一个跳跃性的输出电压变化，一旦超 出此范围，其反应性能便降低。当发动机需要作稀混合或浓混合控制时，这一类型的氧传感器便无法胜任 了，

10、使得发动机的燃油控制不能十分精确。所以才有宽带氧传感器的产生，新型的宽带氧传感器被用在宝来 车的三元催化器前，该传感器的信号是一个几乎呈线性增长的电流作为入的输出值，结果入值能在发动机 全部转速范围内被测量到。常见的氧化锆氧传感器被用在宝来车的三元催化器后面。宽带氧传感器的基本 控制原理就是以氧化锆型氧传感器为基础而加以扩充，前面有述说过：氧化锆型氧传感器有一特性，就是 当氧离子移动时会造成电动势的产生。若采用反向程序，将电压施加于氧化锆组件上，即会造成氧离子的 移动，根据此一步骤即可由发动机控制单元控制我们所想要的比例值。泉电S?寒程蒐传聒确的茎构勺 T 1 T T 10 It H U N

11、15肾门l中拙宽弟型氫传感器构造图(平囱式1感应4 ； * 参考宅;37川热勿1件；J押Iji-TL 汁一抓卜k祗仃Tl懵宽带氧传感器将传感器的感应组件分为两部份，一部分是上图中的感应室1 (NERNST CELL)，它 一面与参考室2大气(FRESH AIR)接触，另一面是加压室5(MEASURING RANGE)通过扩散孔(DIFFUSION CHANNEL)与排气接触，就像普通的氧化锆氧传感器一样，由于感应室两侧氧含量的不同 而产生一个电动势，但不同的是发动机控制单元要把感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在 0.45V,这就需要传感器的另一部分来完成。另一部分是传感器的关键部件泵氧

12、元(OXYGEN PUMPCELL)，泵氧元一边是排气另一边与加压室相连。泵氧元就是利用氧化锆传感器的反作用原理，将电压施 加于氧化锆组件(泵氧元)上，即会造成氧离子的移动，把排气中的氧泵入加压室当中，使感应室两侧 压值维持在0.45V。如果混合气太浓，则排气中的含氧量下降，此时从扩散孔溢出的氧比较多，感应室的电压升高，发 动机控制单元增加控制电流是泵氧元增加它的泵效率来使施压室的氧含量增多，这样可以调节感应室的电 压回复到0.45V；相反如果混合气太稀，则排气中的含氧量上升，此时氧要从扩散孔进入加压室，感应室 电压降低，泵氧元又要向外排出氧来平衡加压室中的氧含量，使感应室电压维持在0.45V。总之，加在泵 氧元上的电压可以保证当加压室内的氧多时，排除腔内的氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流； 而当腔内的氧少时，供氧，这时发动机控制单元的控制电流是负电流，这一过程使提供给泵氧元的电流就 反映了排气中的入值。孩心元件泵单-元扩散障废气参垮股加热器参考电压t/pabout