汽车氧传感器性能分析论文

汽车氧传感器性能分析

姓名：荣艳华学号：3090405027

摘要：本文简述了氧传感器的发展，结构，工作原理以及技术参数，并根据结构和工作原理分析了氧传器故障的产生原因及对汽车发动机的影响，引用具体案例，提出了检测、诊断方法。汽车氧传感器对于缓解汽车尾气对环境的污染，缓解温室效应有很重要的作用，因此研制与开发新型氧传感器对于汽车行业的发展刻不容缓。

1 引言

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。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。

1.1氧传感器的过去

早在70年代初，德国Bosch汽车公司与日本电装公司就开始了汽车氧传感器的研制；1976年瑞典Volvo车首次安装了Bosch公司研制的氧传感器；1977年日本丰田也开始安装了电装公司研制的氧传感器。从此，以氧传感器信号来控制空燃比的排气净化方法在汽车上得到迅速普及。

1.2氧传感器的现状

汽车行业是目前国际上应用传感器最大市场之一，现在世界上汽车年产量在4000万辆以上，其中日本的年产量达1000万辆以上。从世界各国公布的专利情况来看，各主要汽车生产厂家和电气、元件生产厂家，都很重视汽车传感器的研制和生产。而氧传感器的申报专利数，居汽车传感器的首位，这反映了该传感器的技术难度和各国的重视程度。控制汽车空燃比用的氧传感器在日本以每年50％-60％的速度增长。就我国来说，仅近三年需改加氧传感器的旧车就超过2000万辆，每年新生产的轿车所需的氧传感器也超过200万个。目前，一辆普通家用轿车大约要安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上的传感器数量可多达200余只。据报道，2000年汽车传感器的市场为61.7亿美元 (9.04亿件产品)，2005年达到84.5亿美元(12.68亿件产品)，增长率为6.5％(按美元计)和7.0％(按产品件数计)，所以，氧传感器(氧探头)的市场前景非常广阔，对氧传感器的研究也成为热点。

1.3氧传感器的发展

氧传感器的研究主要集中在以下几个方向：

1、低工作氧传感器的研究

由于现有的氧传感器必须在较高温度下才能正常工作，给制造和使用带来许多不方便。因此，低温度氧传感器的研究进行的很活跃，为此引入了许多新的结构和材料，如CeO2、CoO、SrTiO3、LaCaO3等，这在将来有着不可估量的发展空间。

2、扩大空燃比控制测量区域

这样可以使氧传感器能连续计量控制从过浓区域到理想空燃比再到稀薄燃烧区域的整个状态，实现反馈控制，从而更好地实现尾气排放标准的要求。

3、传感器的薄膜化和小型化

用薄膜化和微机械工艺制备的小型化氧传感器具有性能优异、价格便宜等优点，且易实现集成化、全固态化及多功能化。

4、研究改进保护层材料

氧传感器的保护层和电极往往由于灰尘、油、硅等成分而发生堵塞，大大影响了传感器

的性能，为此改进保护层材料改进制造工艺，提高传感器的抗劣化性能是一个重要的研究方向。

2 氧传感器应用

2.1氧传感器的分类

发动机的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降。所以为了使装有三元催化转换装置的发动机达到最佳的排气净化性能，必须把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内。氧传感器用于检测进入三元催化转换装置的排气气体状态，是使用三元催化转换装置发动机上必不可少的传感器。目前已在汽车上使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种。

2.1.1氧化锆式氧传感器

氧化锆式氧传感器(见图1)的基本元件是专用陶瓷体，即氧化锆(ZrO2)固体电解质，陶瓷体制成管状(锆管)，固定在带有安装螺纹的固定套中。锆管表面装有透气铂电极，配有护管及电接头，其内表面与大气相通，外表面与废气相通，外表面还加装了一个防护套管，套管上开有通气槽。锆管的陶瓷体是多孔的，允许氧渗入该固体电解质内，温度较高时(高于300℃)，氧气发生电离，如果在陶瓷体内(大气)外(废气)侧的氧气浓度不同，就会在2个铂电极表面产生电压降，含氧量高的一侧为高电位。当混合气稀时，排气中含氧多，两侧浓度差小，只产生小的电压；反之，混合气浓时，产生高电压。传感器的电压输出特性（如图2）所示。根据所测电压值就可测量氧传感器外表面氧气含量，而发动机废气排放中的氧含量主要取决于混合气的空燃比，因此，ECU根据氧传感器输入的电信号分析汽油的燃烧状况，以便及时修正喷油量，使空燃比处于理想状况，即λ=1，所以这种传感器又称为λ传感器。

图1. 氧化锆式氧传感器在排气管中的结构

图2. 氧化锆式氧传感器的电压输出特性

2.1.2氧化钛式氧传感器

氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛(TiO2)材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性构成的，故又称为电阻型氧传感器[5]。二氧化钛是在室温下具有很高电阻的半导体，但当排气中氧含量少(混合气浓)时，氧分子将脱离，使其晶体出现缺陷，便有更多的电子可用来传递电流，材料的电阻亦随之降低。此种现象与温度和氧含量有关，因此，欲将二氧化钛在300～900℃的排气温度中连续使用，必须作温度补偿。图3为氧化钛式氧传感器的结构示意图，它具有2个二氧化钛元件，一个是具有多孔性的用来感测排气中氧含量的二氧化钛陶瓷，另一个则为实心二氧化钛陶瓷，用作加热调节，补偿温度误差。该传感器外端以具有孔槽的金属管作为防护套，一方面让废气进出，另一方面防止里面二氧化钛元件受到外物撞击，传感器接线端以橡胶作为密封材料，防止外界气体渗入。它一般安装在排气歧管或尾管上，可借助排气高温将传感器加热至适当的工作温度。氧化钛式氧传感器的优点是结构简单，造价便宜，抗腐蚀、抗污染能力强，经久耐用，可靠性高。

图3. 氧化钛式氧传感器结构示意图

2.2氧传感器的功能

测定发动机排气中氧气含量，确定汽油与空气是否完全燃烧。电子控制器根据这一信息实现以过量空气系数λ=1为目标的闭环控制，以确保三元催化转化器对排气中HC、CO和