氧传感器资料

氧传感器资料

第1楼：

深入了解氧传感器(转自：pcauto)

前言：相信看过许多杂志、书籍或是在本站上的一些文章，都有遇上这类的话题，也应该大略了解其作用。不过在本篇将更详尽的叙述到氧传感器的种类，及在引擎回馈控制与废气管理上的作用与重要性。在这里我们也介绍到如何利用示波器来截取氧传感器之讯号，并加以判断其作用、控制、回馈及性能好坏。

一、氧传感器的构造与作用

在讨论氧传感器(Oxygen Sensor 或简称 O2 sensor)之前，我们先来研究引擎燃烧后所产生的有害废气。一般汽车所排放的废气特别是对人体有害的，主要有三种：一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)，其中 CO,HC 只要使汽油完全地燃烧即可将这两者废气减至最低，然而当汽油达到完全燃烧时温度容易升高，连带的也就使得NOx剧增，在这部份可利用EGR来减少其发生量。但这对于废气的管制显然还不够的，要使引擎所有的转运范围皆达到其控制标准，因此加入了三元触媒转化器( Three-Way Catalyst Converter 或简称 TWC)的控制。触媒转化器基本上就是氧化与还原的作用，如图所示

内部有着极为细微的孔洞并含有大量的贵金属：铂(氧化触媒)及铑(还原触媒)，它能将上述三种有害的气体藉由氧化及还原的作用，转化成无害的气体或是一般的废气，其化学作用如下：

2CO + O2 → 2CO2

2C2H6 + 2CO → 4CO2 + 6H2O

2NO + 2CO → N2 + 2CO2

有无触媒所造成的废气影响

然而触媒转化器的使用条件相当严苛，除了须达到较高工作温度外，最重要的是它的最大净化率是发生在理论混合比附近(14.7:1)如上图，也就是说引擎的燃烧须控制在14.7:1 空燃混合之下，要达到此细微之标准并不容易，所以才藉由氧传感器的作用将空燃比转换成数据供给引擎计算机进而调整到理论范围，稍后也将述说到引擎计算机如何利用含氧感知的讯号来作回馈的作用，使其空燃比维持在14.7:1附近。

二、氧化锆型氧传感器(ZrO2 Oxygen Sensor)

氧化锆(ZrO2)为固态电解质的一种，它有一种特性就是在高温时氧离子易于移动。此型氧传感器将氧化锆烧结成管状，并与内层与外层涂上白金(Pt)，这就是氧化触媒的作用，当氧离子移动时即会产生电动势，而电动势的大小是依氧化锆两侧的白金所接触到的氧而定，最外层则覆盖一层保护壳。如下图所示

内层白金面所大气接触，所以氧气浓度高，外层白金与排气接触，氧气浓度低。当混合比较高时，排放的废气所含的氧相对地减少，因此氧化锆两侧的白金所接触到的氧气高低落差大，所产生的电动势也相对高(将近1V)；当混合比稀时，燃烧完所多余的氧气较多，氧化锆两侧的白金层的氧气落差小，因此所产生的电动势低(将近0V)。由上述的情形可得到下图表

所以引擎控制计算机由此电压讯号即可侦测到当时混合比的状况。然而氧传感器须在高温才能发挥正常用作(400℃~900℃)，因此当引擎刚开始发动时，氧传感器尚未开始作用，须等到达到其作工温度才开始有电动势的产生，所以之后的氧传感器皆改良成加热型，如前图4所示，也就是利用陶瓷加热器来使得传感器能也迅速地达到正常的作工状态，因此目前的车型几乎可以在引擎发动30秒后，氧传感器即可供给计算机正确的讯号，有些车型甚至可以达到更低的时间。

三、氧化钛型氧传感器(TiO2 Oxygen Sensor)

相对于氧化锆型的氧传感器是以产生电压的讯号，氧化钛(TiO2)型则是利用电阻的变化来判别其中的含氧量。在某个温度以上钛与氧的结合微弱，在氧气极少的情况下就必须放弃氧气，因此缺氧而形成低电阻的氧化半导体。相反的，若氧气较多，则形成高电阻的状态。就像水温度传感器一样，有着电阻高低的变化，这时只要供给一参考电压，即可由电压来可知冷却水的温度。假设计算机供给氧传感器5V的参考电压，当混合比浓时电阻低所得到电压较高(将近5V)，若混合比较稀时电阻高所得到的电压较低(将近0V)，因此由电阻的变化即可得知当时混合比的状况，不过近来的车型为了使氧化钛型氧传感器有着与氧化锆型相同的变化，即将参考电压改成1V，所以其电压即成了0~1V的范围内。另外由于高温下电阻容易产生变化，因此氧化钛型氧传感器会设一温度补偿电路，以反应温度高低所产生误差。

四、稀混合比传感器(Lean Air Fuel Sensor)

稀混合比传感器，外观与一般的传感器差不多不过大多为5pin插座，因为多了一条控制线

面前所叙述到的氧化锆及氧化钛型氧传感器其工作范围都是在λ=1附近( λLamda 空气过剩比率，当λ=1时为是理论混合比)，一旦超出此范围，其反应性能便降低。当引擎须要作稀混合控制时、甚至超稀薄燃烧(20:1以上)这一类型的氧传感器便无法胜任了。

所以才有稀混合比传感器的产生，它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。若采一反向程序，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计算机控制我们所想要的比例值。以下我们以HONDA LAF Sensor 控制为例作一解说：如下图所示

将传感器的感应组件分为两部份，与排气管废气接触的Sensor 1，及与大气接触的Sensor 2。比较不同的是Sensor 1，它不是比较废气与大气之间的含氧量，而是比较废气与扩散室(Diffusion chamber)之间的含氧量，与氧化锆型的传感器一样，它会将电压讯号传送给计算机。但重点在于扩散室的含氧量是ECU(引擎计算机)所制造出来的，就如上面所说到一样，只要我们送入一电压讯号即可

改变氧离子的移动，一样的，只要改修电压的大小即可改变含氧量。此一目的就是要让Sensor 1 持续维持着0.45V的电压讯号，也就是说Sensor 1一直在λ=1附近变化。

当混合比渐渐变浓时，Sensor 1电压讯号持续增加，不过ECU并不想让Sensor 1有这样的反应，为了使它能维持0.45V的讯号，ECU将Sensor 2上的控制线的电压降低，使得扩散室的含氧量降低，必要时甚至送出负电压。因此Sensor 1充压讯号即会下降。同样的，当混合比变稀时，Sensor1的电压值慢慢的减低，Sensor2上的控制线便调升其电压值，让扩散室的含氧量升高，Sensor1的讯号值又开始回升，于是经由计算机的强制作用，使得Sensor1能一直保持在0.45附近。引擎计算机由Sensor2控制线的电压值及Sensor1的反应电压值，经由计算即可得知当时实际的混合比为何。

五、宽域型氧传感器( Wide-band Oxygen Sensor)

接下所介绍的是BOSCH 的宽域型氧传感器，其实它的作用原理与稀混合比传感器相同，都是再利用一条控制线来改变含氧的反应，其构造图如下：

1.感应室(Nernst cell)

2.参考室(Reference cell)

3.加热组件(Heater)

4.扩散孔(Diffustion gap)

5.加压室(Pump cell)

6.排气管(Exhaust pipe)

它的构造大致上包括含氧感应室(Nernst cell)，这部份就是和LAF的Sensor1一样的作用，及含氧加压室(Pump cell)和一个加热组件(Heater)。引擎的废气会经由扩散孔(Diffusiton gap)，来到感应室与加压室之间。引擎电压会送一讯号来到加压室以作为废气中含氧的参考值，藉由改变电流大小及方向来改变感应室的输出，并且由这个加压电流 Ip (Pump current)可得到与空气过剩率(λ值)的相对图表