氧传感器及催化转化器

图２－６０ 窄带型氧化锆式氧传感器 和输出信号
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Leabharlann Baidu 第六节 催化转化器和氧传感器
１）氧化锆式氧传感器 氧化锆式氧传感器的基本元件是专用陶瓷体，
即制二 成氧 试化 管锆 式（的Ｚ管ｒ状Ｏ，亦２）称锆固管体。电锆解管质固。定陶在瓷带体 有安装螺丝的固定套中，其内表面与大气相通， 外表面与废气相通。锆管内外表面都覆盖着一 层多孔性的铂膜作为电极。氧传感器安装于排 气管上，为了防止废气中的杂质腐蚀铂膜，在 锆管外表的铂膜上覆盖有一层多孔的陶瓷层， 并且还加装一个防护套管，套管上开有槽口。 氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有 一孔，用于锆管内表面与大气相通，电线将锆 管内表面铂极经绝缘套从传感器引出。
１，窄带型氧传感器的结构和工作原理 传统陶瓷是以氧化物为主，主要是天然硅酸盐矿
物的烧结体，而新型陶瓷还有氮、碳、硼和砷 的氧化物。现在，陶瓷（Ｃｅｒａｍｉｃ） 是 指经高温烧结而成的多晶态无机材料的总称。 陶瓷性能主要由其组成和微观结构的特点而定。
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结构和显微组织的多样性决定了陶瓷具有多种功 能和广泛用途，这里只介绍功能性陶瓷材料。 功能性陶瓷材料是通过各种物理因素如声、光、 热、电、磁、气作用而显示出独特功能的材料。 例氧如 化， 钛Ｚ ）ｒ 的Ｏ 高２温电（子二陶氧瓷化，锆对）于、氧Ｔ气ｉ浓Ｏ度２ 差（显二 示出优良的敏感特性。
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３，催化转化器的工作条件
温度是催化转化器的一个很重要的影响因素。 有效转化污染物的最低温度是２５０℃，而要 达到转化率高且寿命长的理想状况，温度应为 ４００℃ ～８００℃。当温度达到８００ ℃ ～１０００℃ 时，稀有金属会烧结在ＡＬ ２Ｏ３载体的表面上，减小了有效催化接触面 积，并加速催化剂的热老化。温度超过１００ ０℃，会使催化剂迅速变质，很快就变得无用。
知识点滴：防止高温出现的主要方法是发展极 度可靠的缸内失火识别系统。电控点火系的失 火识别功能为达到这些标准做出了很大贡献。
另一个能保证长期可靠工作的条件是发动机使 用专用的无铅汽油。发动机的残余机油也会使 催化转化器“中毒”。
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二。氧传感器
（一）氧传感器的类型 根据监测混合气浓度的范围，氧传感器可分为 窄带式和宽带式两 种。窄带型又分为氧化锆式 和氧化钛式两种氧传感器。
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（２）金属单体式。金属单体仅是有限地使用， 它们主要用作预催化（启动催化器），装在紧 靠发动机的位置，这样发动机冷启动后就可以 更快地进行催化转化。使用中的主要问题是它 的价格比陶瓷单体昂贵。
涂在陶瓷单体或金属单体表层上的活性催化物 质都为稀有金属铂和钯或铂和铑。活性催化物 质依附在氧化铝的洁净表面上，这个载体表层 使催化转化器的有效表面积增大了几千倍。
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（３）ＮＯｘ储存式催化转化器。缸内直接喷 射的稀燃发动机排出ＮＯｘ的浓度明显高于传 统的动力装置。ＮＯｘ储存式催化转化器利用 稀废气中的氧气将氮氧化物氧化为硝酸盐，聚 集在转化器的活性物质表面。当催化剂的能力 快要耗尽时，储存催化剂必须能再生。再生的 方法是将发动机的工况暂时切换到均匀的浓混 合气状态，这时所提供的大量的ＣＯ促使硝酸 盐还原成氮气。发动机管理系统的ＥＣＵ根据 已存储的数据来评价转化器的吸收和释放性能， 以此来控制储存和再生状态。装在催化转化器 前后的两只氧传感器共同监测排放值。
考虑过热失效大大限制了安装位置的选择范围， 最终只能采取折中方式。通过改善涂层的
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热稳定性（临界温度达到９５０℃）有望缓解 这种局面。催化转化器在良好的工作条件下， 至少能运行１０万千米。另外，若发动机工作 不正常，如失火，可能使催化剂的温度达到１ ４００℃以上，则会将载体材料烧熔而使转化 器完全损坏。
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２。催化转化对象 （１）双床催化转化器。双床催化转化器由两
个串联的催化单元组成，因此命名“双床”。 这种方案只用于发动机在浓混合气（λ＜１）， 即空气不足的场合。废气在进入氧化催化转化 器之前，先通过一个催化转化还原装置还原氮 氧化物，然后又有空气喷在两个转化器之间。 第二级催化氧化碳氢化合物和一氧化碳。因为 只有在浓混合气条件下才能工作，所以从燃油 经济性的角度来看，双床原理是缺乏吸引力的。 它的优点是能够使用在没有电子控制的简单的 混合气形成系统中。它的一个很大的缺点是，
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催化转化器是降低尾气排放的装置，它是燃烧 后处理。转化器内的贵金属钯，铂，铑作为催 化剂，将尾气中的有害气体HC.C0转化成水和 CO2，将氮氧化物转化成氧气和氮气。催化转 化器必须是混合气在理论空燃比附近才能发挥 最大的作用，为了有效的利用三元催化，净化 尾气要提高空燃比的控制精度，就需要通过氧 传感器来检测尾气中氧气浓度来判别空燃比的 大小，以修正实际喷油量。
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一.催化转化器的结构和类型 结构：催化转化器由金属外壳、载体和活性催
化剂层组成。 分类：1.现在主要有两种不同的载体装置，即
陶瓷单体式和金属单体式。 （１）陶瓷单体式。陶瓷材料为耐高温的镁铝
硅酸盐，这种单体结构对机械应力特别敏感， 所以需要将它装在一个金属壳内。壳体内壁与 载体之间是直径约为０.２５ｍｍ的高合金钢丝 缠绕成的柔性金属网。金属网必须是柔性的， 以弥补汽车行驶底盘碰撞挤压产生的机械应力。
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在稀混合气的条件下还原氮氧化物的过程中会 生成氨气（ＮＨ３），一部分氨气在随后的空 气喷射中会再次氧化变化氮氧化物。
（２）三元催化转化器。三元催化也叫单床转 化器。优越性主要在于它能将三种污染物都除 去一大部分。催化高效率的条件是发动机吸入 的混合气始终保持在理论空燃比附近。所以三 元催化转化器必须和氧传感器组成的闭环控制 结合在一起，才能达到的最有效的污染净化系 统，这就是最严格的排放限制要求使用这种系 统的原因。