发动机电控系统的结构与维修5章1氧传感器

• 对应Φa<1的浓混合气工况，输出电压V。约为1V，
• 对应于Φa>1的稀混合气工况，输出电压就小得多了。
氧化锆型氧传感器输出特性(理论计算)
• 实际上在混合气浓度由浓变稀和由稀变浓的过程中，氧传感器输出
电压的升降曲线是不重合的，如图5-3所示。 • 有效的铂的催化作用有助于减小这种差别，但随着氧传感器的使
第5 章 控制系统的主要器件—5.1氧传感 器
主讲：朱明
高级技师.经济师,工程 师
高级技能专业教师 汽车维修工高级考评 员
• 汽车电控系统的汽组车成：电控系统的组成
• 传感器→控制电脑（ECU）→执行器 •
• 汽车电控系统的汽组车成：电控系统的组成
• 传感器→控制电脑（ECU）→执行器 • 传感器 • 是电脑控制系统的眼睛，它用于观察各种变化的物理、化
• 常用的氧传感器按照所用感应组件的材料分为：
• 氧化锆型和氧化钛型。
•
在排气含氧量为零的前后，这两种氧传感器的输出电
压都会发生突变，只是发生突变的原理不同。
•
近年来还出现了一种宽域空燃比传感器，其输出电压
随空燃比变化而连续变化，可用于稀燃发动机的空燃比控 制。
• 常见的氧传感器又有单引线、双引线和三根引线之分，； 单引线的为氧化锆式氧传感器；
值，则在选定了该电压值作为比较基准后，ECU根据输出电压比该电
压值是高还是低来判断混合气是浓或稀，一旦由于某种原因(如陶瓷
组件老化、温度变化等)造成该电压值所对应的Φa不再是1了，就会
引起混合气稀、浓的错判。为了获得陡直阶跃的输出特性，人们除了
采用上述自加热措施外，还一再努力提高氧化锆材料的纯度、增加铂 的用量，这些都使氧传感器的成本随之提高。
• 内外表面均覆盖着一层多孔性的铅膜，
• 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；
• 电线将锆管内表面铂极经绝缘套
• 从此接线端引出。
5．1．1 氧化锆型氧传感器p42
• （1）氧化锆式氧传感器 • 氧化锆在温度超过300℃后，才能进行正常工作。早期使用的氧传感
•
ECU根据来自氧传感器的电动势差别判断空燃比的低或高，并相
应地控制喷油持续的时间。但是，如氧传器有故障使输出的电动势不
正常，（ECU）电脑就不能精确控制空燃比。所以氧传感器还能弥补
由于机械及电喷系统其它件磨损而引起空燃比的误差。可以说是电喷
系统中唯一有“智能”的传感器。
5．1 氧传感器p42
氧传感器， 安装在排气歧管上， 是利用陶瓷敏感元件 测量各类加热炉或排 气管道中的氧电势， 由化学平衡原理计算 出对应的氧浓度，达 到监测和控制炉内燃 烧空燃比，保证尾气 排放达标的测量元件 。
• 双引线的为氧化钛式氧传感器；
• 三根引线的为加热型氧化锆式氧传感器，
• 原则上三种引线方式的氧传感器是不能替代使用的。
氧传感器的工作原理
5．1．1 氧化锆型氧传感器p42
• （1）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陶瓷管（固体电解质），亦
称锆管（图 1）。
• 锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，
5．1 氧传感器
氧传感器，安装在排p4气2 歧管上，
5．1 氧传感器p42
5．1 氧传感器p42
氧传感器的工作原理 (传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用) 1. 其在一定条件下（高温和铂催化），利用氧化锆骨外两侧的氧浓度差， 产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21%，浓混合气 燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废 气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。 2.在高温及铂的催化下，带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上 。由于大气中的氧气比废气中的氧气多，套管上与大气相通一侧比废气一侧 吸附更多的负离子，因而两侧离子的浓度差便可生产电动势。 3.当套管废气一侧的氧浓度低时，在电极之间产生一个高电压（0.6～1V） ，这个电压信号被送到ECU放大处理，ECU把高电压信号看作浓混合气，而把 低电压信号看作稀混合气。根据氧传感器的电压信号，电脑按照尽可能接近1 4.7：1的理论最佳空燃比来稀释或加浓混合气。 4. 氧传达感器只有在高温时（端部达到300℃以上）其特性才充分体现， 才能输出电压；它在约800℃时，对混合气的变化反应最快，而在低温时这种 特性会发生很大变化。
5．1 氧传感器p42
氧传感器的作用
氧传感器的作用
5．1 氧传感器p42
• 氧传感器的作用
•
电喷车为获得高排气净化率，降低排气中（CO）一氧化碳、（HC
）碳氢化合物和（NOx）氮氧化合物成份，必须利用三元催化器。但 为了能有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接 近理论空燃比。
氧传感器的工作原理
氧传感器的工作原理
5．1 氧传感器p42
• 氧传感器的组成
•
主氧传感器包括一根加热氧化锆元件的热棒，加热棒受（ECU）
电脑控制，当空气进量小（排气温度低）电流流向加热棒加
• 热传感器，使能精确检测氧气浓度。
•
在试管状态化锆元素（ZRO2）的内外两侧，设置有白金电极，为
了保护白金电极，用陶瓷包覆电极外侧，内侧输入氧浓度高于大气，
• 电动势的大小正比于两侧氧气分压力比值的对数。当发动机以曲：≤
1的混合气工作时，理论上排气中应无氧气，实际上由于燃烧反应不
完全，总还有一些未燃的O2存在。
•
采用金属铂作电极是为了利用铂的氧化催化作用，使铂膜表面浓
混 形合成气如燃图烧5-2生b所成物示中的阶的跃残存形氧O2与传C感O、器H输C发出生特反性应：而消除，这样就可以
•.
电控汽油喷射系统主要组件
电控汽油喷射系统中的控制系统
• 电控汽油喷射系统中的控制系统由电控单元、各种传感器、执行器， 以及连接它们的控制电路所组成。不同类型的电控汽油喷射系统的控 制功能、控制方式和控制电路的布置不完全一样，但基本原理相似。
电子控制汽油喷射系统传感器
• 传感器
• 是感知信息的 部件，负责向 电子控制单元 （ECU）提供 发动机和汽车 运行状况。
•
在早先高效转化窗口中值偏浓时，按照Φa=1来控制
还可以兼顾排放和节油。
• 而在高效转化窗口中值已经偏稀的情况下，若仍按Φa=1 来控制，则在排放和节油两方面就都不合理了。
• 从这一点来考虑，氧传感器输出特性成图5-3那样的斜 线是有好处的，因为可以在斜线所对Φa区间灵活选择闭 环控制的比较电压，使其对应的Φa与具体催化剂的空燃 比特性相匹配。
• 实际上还做不到使氧化锆型氧传感器的输出特性在Φa为1时发生陡直 的阶跃。另一方面，随着技术的发展和电控系统开发实践的增多，
• 对氧传感器输出特性也有了一些新的看法。
对氧传感器输出特性也有了一些新的看法。 p44
• 首先，随着三效催化剂配方和工艺的改进，已有一些催化 剂的高效率转化所对应的空燃比窗口的中值略大于1 。
器靠排气加热，这种传感器必须在发动机起动运转数分钟后才能开始工 作，它只有一根接线与ECU相连 • （图 2（a））。 • 大部分汽车使用带加热器的氧传感器 • （图 2（b））， • 这种传感器内有一个电加热元件， • 可在发动机起动后的20-30s内迅速将 • 氧传感器加热至工作温度。 • 它有三根接线，一根接ECU， • 另外两根分别接地和电源。
用和老化，上述不重合情况将会越来越严重。 • 氧传感器必须及时更换， • 进口氧传感器的使用寿命约为 • 4．6万千米或900小时。
温度对传感器输出的影响p44
• 在如图5—1所示氧传感器的结构中安排了一个加热器。这是因为Zr02 的电导率和铂的催化作用都与温度有关。图5-4中给出了两个不同温 度下的实测氧传感器输出特性，随着温度的升高，实测输出特性是向 着理论计算特性(图中虚线)趋近的。
• 设加热管的目的就是要保证Zr02管的温度在7000C左右。
实现准确的空燃比闭环控制p44
• 过去认为，要实现准确的空燃比闭环控制，使Φa保持在1±0.01之内
，氧传感器的输出电压Vo必须在Φa=1且发生图5-2b那样陡直的阶跃 变化。
•
如果输出特性是图5-3那样的斜线，Φa=1只对应于一个输出电压
•
氧传感器具有一种特性，在理论空燃比（14.7：1）附近它输出
的电压有突变。这种特性被用来检测排气中氧气的浓度并反馈给电脑
，以控制空燃比。当实际空燃比变高，在排气中氧气的浓度增加而氧
传感器把混合气稀的状态（小电动势：O伏）通知ECU。当空燃比比理
论空燃比低时，在排气中氧气的浓度降低，而氧传感器的状态（大电 动势：1伏）通知（ECU）电脑。
上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的 范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.1-0.8V之间不断 变化（通常每10s内变化8次以上）。如果氧传感器输出电 压变化过缓（每1Βιβλιοθήκη Baidus少于8次）或电压保持不变（不论保持 在高电位或低电位），则表明氧传感器有故障，需检修。 •
氧化锆型氧传感器输出特性(理论计算) p43
学量，并将这些物理这些物理、化学量转变为电脑可识别 的电信号，例如水温传感器、空气流量计等。 • 控制电脑（ECU） • 是整个控制系统的指挥部，它用于分析处理各种信息，并 操作各个执行器来完成整个系统工作。 • 执行器 • 是电脑控制系统的手，它用于执行电脑发出的各种命令， 它可把命令变成对控制对象的具体动作，例如喷油器、怠 速马达、点火线圈等。
5．1．1 氧化锆型氧传感器p42
• （1）氧化锆式氧传感器
•
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 3）。
5．1．1 氧化锆型氧传感器p42
5．1．1 氧化锆型氧传感器p42
对氧传感器输出特性也有了一些新的看法。
• 其次，研究发现，闭环控制空燃比时会发生空燃比随负荷升高而变稀
的现象，
• 原因：
• 氧传感器只能感受排气中的自由氧，不能感受存在于NOx中的氧，而 负荷升高时NOx生成量增多，结果使同一Φa在发动机负荷高时排气中 的氧气分压较低，氧传感器就会输出一个较高的电压，使正常的混合 气被ECU误判为偏浓而通过指令减少喷油，导致实际空燃比偏稀而催 化剂对NOx的转化率降低。
外侧输入的氧浓度低于汽车排出气体浓度。
•
采用三元催化器后，必须使用无铅汽油，否则三元催化器和氧传
感器会很快失效。
•
注意，氧传感器在油门稳定，配制标准混合时较为重要的作用
，而在频繁加浓或变稀混合时，（ECU）电脑将忽略氧传感器的信息
，氧传感器就不能起作用。
• 现有的氧传感器分为片式和管式两种
5．1 氧传感器p42
• 氧化锆陶瓷材料(Zr02)是一种固体电解质，具有氧离子电导特性。
•
氧化锆型传感器是一个由氧浓度差驱动的微电池。如图5-1所示，
在氧化锆陶瓷管3的两侧各镀上一层多孔涂层1和4作为电极，管内侧与
空气接触(氧含量20．8％)，外侧与排气接触(氧含量低)，两侧的氧气
分压不等。
•
当Zr02陶瓷体温度超过3000C时，
电子控制汽油喷射系统传感器
电子控制汽油喷射系统传感器 5．1 氧传感器p42
5．1 氧传感器p42
氧传感器： 在使用三元催化转换器以减
少排气污染的发动机上，是 必不可少的元件。
由于混合气的空燃比一旦偏 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，故在排气管中安 装氧传感器，用以检测排气 中氧的浓度，并向ECU发出反 馈信号，再由ECU控制喷油器 喷油量的增减，从而将混合 气的空燃比控制在理论值附 近。
• 管表面及管内吸附的氧离子化，
• 并且氧离子会从氧气分压高的
• 大气侧向氧气分压低的排气侧流动，
• 在排气侧堆积较多的氧离子，
• 造成两侧铂膜的电位差，
• 排气侧为负极，空气侧为正极。
5．1．1 氧化锆型氧传感器p42
• （1）氧化锆式氧传感器 • 要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际
• 对于这种现象，若氧传感器输出特性呈陡直阶跃就无法纠正，而有一 条斜线段的输出特性则可以通过相应适当地改变闭环控制的比较电压
值的办法加以解决(负荷升高时相应适当加大比较电压)，即进行所谓 “氧传感器中值电压修正”。
•
只要电控系统能进行这种中值电压修正，不同工况下因排气温