汽车用氧传感器

汽车用氧传感器
摘要：随着人们对汽车的需求越来越大，汽车已逐渐成为人们生活的必需品。

而随之带来的污染、能源短缺等问题也就越来越严重。

因此，对于汽车排放出来的有害气体的净化处理越来越受到重视。

车用传感器地迅速发展在汽车尾气排放的控制，节省燃料和进化空气方面起到了重要作用。

本文简述了氧传感器的功能、构造、工作原理及其类型,指出我国加速发展汽车用氧传感器的必要性。

关键词：汽车尾气排放净化氧气传感器
引言：氧传感器用于检测废气中剩余氧气的含量,并将此量值以电信号的形式传给电控单元, 电控单元根据这个信号修正喷油量的多少, 形成发动机在该工况下所需浓度的混合气, 使三元催化反应器(在理论空燃比时)发挥最佳的净化效果, 且使发动机实现了闭环控制状态。

汽车尾气中不仅含有未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳, 而且含有致癌物质氮氧化物。

现在, 汽车造成的污染问题已引起了全世界的关注, 工业发达国家制订了愈来愈严格的尾气排放标准。

目前, 汽车用氧传感器主要包括浓差电池型ZrO2传感器、极限型ZrO2传感器、半导体型TiO2传感器。

近年来,氧传感器在汽车上的应用日益广泛,汽车用氧传感器的发展十分迅猛。

1977年汽车用固体电解质型氧传感器还不足20万只, 但到1980年已超过百万只,1984年达到40万只,迄今每年有数千万只用于汽车工业。

氧传感器在钢铁工业等领域也获得大量应用,其产量已占整个气体传感器的39% ,居于首位。

1.氧传感器的构造及工作原理
常用的氧传感器有氧化锆传感器与氧化钛传感器。

氧化钛传感器是用二氧化钛(TiO2)作为敏感元件,由于高纯度二氧化钛是一种在常温具有高电阻的半导体,
若氧气不足,氧化钛的晶格就出现缺陷,导致
电阻值减少。

实际使用中接一个电阻器与二
氧化钛构成分压电路,降低蓄电池电压。

对应
混合气浓稀变化,二氧化钛的阻值低高变化,
相应地钛氧传感器向电控单元提供一个高低
变化的电压。

氧化锆( ZrO2) 是一种具有氧离子传导
性的固体电解质, 并有部分氧化钇起稳定作用。

它能在氧浓度差的作用下产生电动势。

实际使用的氧化锆传感器是一种封闭不透气的管状体, 氧化锆陶瓷体的两侧表面上是用透气的多孔薄铂层作电极, 陶瓷体的内侧电极与大气相通; 外侧则与排气接触。

外侧的铂电极如一个小催化器, 它接触到的排气就在该处起化学反应。

另外, 在通排气的一侧还涂有一层多孔的陶瓷以防止沾污, 再在外部套有一个带长缝槽的耐热金属套管, 对陶瓷体起保护作用, 以防止机械冲击与热冲击的破损。

由于所用的陶瓷材料在温度超过300 e 时能使氧离子化,传感器的排气侧与大气侧的氧分压不同时从氧分压高的大气侧向排气侧移动氧离子,在两界限面的电极之间产生一个电压E。

该电压的大小为E = ( RT / 4F ) ln( Po2e/ Po2a) 式中: Po2e为排气中的氧分压; T为排气绝对温度;Po2a为大气中的氧分压; F为法拉第常数; R为通用气体常数。

此电压是传感器两侧氧分不同程度的度量。

大气中的氧分是稳定的, 而排气中的余氧量则完全取决于供给发动机混合气成分与燃烧。

如果发动机供给浓混合气, 废气中剩余氧较少, 外电极上吸附的氧离子则少, 电压输出相对较高, 一般在800~ 1000mV; 稀混合气时废气中剩余氧较多, 则外电极上产生较多的氧离子, 电压输
出相对较低, 一般为100mV; 当供给浓混合气向
稀混合气过渡时输出电压450~500mV。

随着废气中
氧含量的多少,传感器输出电压低高变化。

常用的
工作范围输出电压为100~ 900mV, 不会超过113 V.
氧化锆传感器的特性是其输出电压随混合气成分
而变化, 它以过量空气系数K= 1 为界限。

传感器
的输出电压在K=1前后发生急剧变化。

如图1所示。

2.加热型氧量传感器与非加热型氧量传感器
为了保证氧量传感器具有稳定的输出信号，就必需使其处于高温环境中。

因此，一般可以把它安装在离发动机较近、温度较高的位置。

同时车用氧传感器都设计成内部加热型,它能快速预热,使发动机冷起动时就能提供令人满意的信号。

且能在长时间的怠速运行时保持较高的传感器温度,保证较好的空燃比,有助于烧掉传感器上的沉积物达到自洁的目的。

非加热型氧量传感器末端有排气孔，大多数排气孔都是宽缝型，目的是保护陶瓷在使用中免受热冲击。

在要求装宽缝型传感器的车上安装窄缝型，那么需要花很长的时间加热到工作温度，由于不能维持传感器足够热而无法进行正常工作，车子在怠速时会进入开环状态。

但在要求装窄缝型传感器的车上装宽缝型，则不存在任何问题。

3、氧量传感器在三元系统中的作用
在发动机控制系统中，氧量传感器、三元催化剂与电子控制供油系统为一套，即所谓的三元系统，此系统是现代发动机控制的核心内容。

氧量传感器可以用于空燃比控制及催化剂的监视器。

1）空燃比控制与氧量传感器
现在大批量生产的氧量传感器都是检测理论空燃比点的，它用于三元催化剂中，净化效率最高且将废气控制于理论空燃比的反馈系统上。

采用的大多是铂锗
等贵金属催化剂, 可以同时解决CO
2的氧化和减少NO
2
的排放, 将大部分的污染
成分转化成无害的成分, 但是它只能用于空气/ 燃料混合物化学配比点附近很窄的一个范围内, 所以需要用闭环回路精确控制空燃比, 反馈信号由安装在通往催化转换器的尾气管内的氧传感器传送。

这种电子控制燃料喷射加三元催化反应器的反馈控制系统由于对发动机的影响较小, 而成为尾气净化的主流。

三元催化剂的净化率一般是用空气过剩率λ的函数来表示。

λ=1意味着是理论空燃比，小于1时为浓状态，大于1时为稀状态。

装用氧量传感器的三元催化方式中，氧量传感器的输出信号Vs可以正确地检测出λ=1的位置，利用这一点，可以实现在λ=1的附近处，在发动机燃烧时，使三元催化剂对CO、HC、NOx3种有害物质的净化率最高，即通过上述控制，实现排放气体的一次净化。

所以说，在采用三元催化剂的反馈系统中，为得到优秀的传感器特性，氧量传感器是非常重要的部件。

作为氧量传感器的基本特性，除了基本的空燃比特性，响应特性之外，还有内阻特性。

在常温下，氧量传感器的内阻过高，与控制器的一般输入阻抗相比，已经无法进行测量，尾气造成传感原件处于高温状态，要测量的话就要等到内阻下降。

一般控制器都有检测元件的内阻，保存此前的反馈控制参数的功能。

就目前氧量传感器的品种来看，厂家主要生产的是带加热器的氧量传感器，以便启动
发动机之后，尽快使传感器进入工作状态。

此外，在低温范围内，空燃化在适当范围内变化时，三元催化剂本身的净化率还高一些，所以要根据发动机的性能选用特性适当的氧量传感器。

只有实现了传感器、燃油控制系统与三元催化剂的最佳组合才能获得优秀的净化特性。

2）氧量传感器在车载自我诊断系统中的应用
(1)检测催化剂老化法规中规定：当尾气达到限制值得1.5倍时，报警灯应该点亮报警。

对这一要求的检测，可采用直接检测尾气成分的办法。

在三元催化剂的净化效率较高时，催化剂的氧气存储能力强，在催化剂的作用下，尾气空燃比的变化即氧气分压的变化得以缓和，催化剂后的氧量分压变化的幅度小。

也就意味着氧量传感器的振动幅度变小，当催化剂老化时，存储能力消失，催化剂前与后的氧气分压的变化幅度为0，所以催化剂前与后的氧量传感器的输出幅度相同。

在测定过程很重要的事情是：两个传感器的特性要保持稳定。

在估计出氧量传感器自身特性的杂散性及变化量后，就需要加大测量时的开环氧量变化幅度，但上限则取决于车辆的运转性能。

对氧量传感器来说，它安装在底盘下方、振动大、水气多、有飞石、环境很差。

此外，传感器的地电位点又远离微机组件，地电位的不同也会影响氧量传感器的特性,所以原则上,传感器都用外壳屏蔽起来。

（2）空燃比控制车用自我诊断—Ⅱ法规要求：控制用氧量传感器及燃油控制也能进行自我诊断，这时，也能采用检测催化剂后的氧量传感器的输出信号的办法，与前方相比，催化剂后方的尾气中的未燃烧成分经催化剂后已反应完成，所以对氧量传感器来说，稳定平衡的测定表示出理想的输出。

就普通的二氧化锆氧量传感器来说，在处于对HC、CO、NOx的最大净化效率，在闭环控制中，催化剂下游的氧量传感器输出电压的平均值为700～800mV。

反之，当传感器的输出大幅度偏离这一范围时，可以判定为，空燃比控制的某处出现异常。

即可以将其作为一种诊断参数。

催化剂下游传感器的输出电压是稳定的，但因其响应很迟，所以不能直接用于控制。

（3）断火检测发动机断火将引起催化剂异常发热，造成催化剂老化。

因此，车用自我诊断—Ⅱ法规还规定：应检测出断火，并发出警报。

检测断火的方法有两种,一种是直接法，即利用催化剂温度传感器、氧量传感器与离子电流传感器等直接检测断火状况；另一种是间接法，利用曲轴角度传感器检测发动机因
断火引起的转速变化。

氧量传感器检测断火的要点：发生断火时，尾气中剩有未燃烧的燃油与空气，其中有一部分在排气歧管及氧量传感器的表面燃烧，大部分还是残存于尾气中，因此，可以用氧量传感器检测残存的空气，因为这时的输出信号表示为“稀”即其数量为0，所以，可用氧量传感器检测是否发生断火。

4、汽车用氧传感器的发展趋势
对作为三元催化剂系统中的重要部件氧量传感器来说，首先要求的是其质量的可靠性。

此外，作为车辆发动机上的部件来说，要求其设计充分体现出质量的要求。

氧量传感器的作用，不仅停留在为了提高三元催化剂的净化效率，仅控制混合比的阶段，在催化剂变换器的前后装两个传感器可以按车载自我诊断系统的规定检测出催化剂的老化状态，进一步在整个燃烧控制技术中发挥中坚作用。

目前, 汽车中发动机空燃比控制系统以三元催化系统为主, 因而浓差型ZrO2 氧传感器与半导体型T iO2 氧传感器得到较大的发展, 其中浓差型ZrO2 氧传感器的发展尤为迅速, 每年用于汽车的浓差型ZrO2 氧传感器高达上亿支, 但随着人类环境保护要求的提高以及对汽车燃烧效率的关注, 贫燃烧系统有可能在将来成为汽车发动机空燃比控制系的主流, 这就会促成极限式ZrO2 氧传感器的飞速发展。

另外,随着人类文明的进步,对生活质量的提高,会对氧传感器的特性提出更高的要求, 就激励人们必须不断地进行深入研究, 开发出性能更为优异的氧传感器来满足人类的要求。

参考文献
[1] 赵艳琴王玲朱靖等汽车用氧传感器的研究与进展
[2] 艾永生洪敏于寅车用氧传感器的使用与维护.沈阳市汽车检测中心.
[3] 董辉汽车用传感器北京大学出版社.
[4] 简家文杨邦朝张益康汽车用氧传感器的工作原理及其应用. 四川成都
电子科技大学信息工程学院康达电子有限公司。