汽車傳感器課件氣體

第八章氣體濃度傳感器的結構、原理與檢測汽車傳感器第一節概述第二節氧傳感器第三節稀薄混合比傳感器第四節全范圍空燃比傳感器第五節煙度濃度傳感器第六節柴油機煙度傳感器第一節概述

氧傳感器用于發動機電控燃油噴射系統中，檢測發動機排放氣體中氧的含量來獲得混合氣的空燃比信息，輸入到ECU實現空燃比反饋控制。

稀薄混合比傳感器用于稀薄燃燒發動機空燃比反饋控制系統中，檢測出稀薄燃燒區空燃比信息，輸入到ECU實現發動機稀薄燃燒。

全范圍空燃比傳感器是一種傳感器能連續檢測混合氣從濃到稀的整個范圍的空燃比。

煙塵濃度傳感器用于駕駛室內空氣凈化裝置中，檢測煙霧濃度的信息，輸入到空氣凈化裝置控制電路，實現空氣凈化控制。

排煙傳感器用于柴油機電子控制系統中，檢測發動機排氣中形成的煙炭或未燃燒的炭顆粒的信息，輸入到ECU調節空氣與燃油的供給，以減少排氣中的黑煙。第二節氧傳感器為降低汽車尾氣排放污染，目前汽車發動機的排氣管上普遍安裝了三元催化轉化器，它能凈化排氣中的CO、HC和NOx三種有害氣體的成分。1）三元催化轉化器對發動機在接近理論空燃比的范圍燃燒的排氣有較好的凈化作用；

2）催化劑最適合的工作溫度是400~800℃，過高的溫度使催化劑過早老化，縮短使用壽命；

3）發動機竄機油會降低催化劑活性；

4）燃燒含鉛油，鉛顆粒隨廢氣排放會覆蓋在催化劑表面，使催化劑作用面積減少，降低催化器的轉換效率；影響三元催化轉化器凈化排氣的效率因素2.氧傳感器的種類汽車上采用的氧傳感器有兩種：氧化鈦（TiO2）式氧傳感器，本身帶有一個電加熱器；氧化鋯（ZrO2）式氧傳感器，熱型氧傳感器和非加熱型氧傳感器。檢測排放氣體中氧的含量來獲得發動機燃燒的混合氣空燃比信號，并將檢測結果轉變成電壓信號輸入ECU，ECU根據氧傳感器輸人的信號，對噴油量進行修正，使混合氣濃度保持在理想范圍內，實現空燃比的反饋控制。1.氧傳感器的作用由于混合氣的空燃比對三元催化轉化器凈化效率有明顯影響，就需要檢測排氣中的氧濃度信號，以控制混合氣的空燃比。氧傳感器就是排氣中的氧濃度的傳感器。

氧化鋯是一種固態電解質，在高溫下（高于300℃）呈現離子導電現象。在氧化鋯兩側面分別燒結鉑電極，在一定溫度下，當電解質兩側氧濃度不同時，高濃度側的鉑電極正電，低氧濃度側鉑極帶負電。使兩側的電極間產生了電位差，即氣體的氧電勢。該電勢與氧化鋯兩側的氧濃度和氣體溫度成正比。

實際應用中，若在氧傳感器探頭中，其高濃度側氣體（如空氣）氧濃度已知，作為參比氣，如能測出氧探頭的輸出電勢E和被測氣體的絕對溫度T，即可算出被測氣體的氧濃度。

1.氧化鋯氧傳感器的測氧原理一、氧化鋯式氧傳感器的結構、原理

空氣氧濃度約20.6%，則有以空氣為參比氣的能斯特公式：E=0.0215Tln（0.2059／廢氣氧濃度）

E—氧傳感器輸出電動勢；

T—被測氣體的絕對溫度。如圖氧化鋯式氧傳感器的基本元件是專用陶瓷體制成管狀鋯管，固定在帶有安裝螺紋的固定套中。鋯管內、外表面裝有透氣鉑電極，配有護管及電接頭，其內表面與大氣相通，外表面與廢氣相通，外表面還加裝了一個防護套管，套管上開有通氣槽。導入廢氣保護管套排氣管廢氣鋯管鉑電極彈簧引線絕緣支架導線空氣進氣槽排氣管2.氧傳感器的結構氧化鋯式傳感器安裝結構簡圖及工作原理廢氣大氣陶瓷體防護層排氣管陶瓷體鉑電極電極引線點電極引線點鋯管的陶瓷體是多孔的，允許氧滲入該固體電解質內，溫度較高時(高于300℃)，氧氣發生電離。當鋯管內表面的大氣與外表面的廢氣氧氣濃度不同，就會在兩個電極產生電位差，含氧量高的一側為高電位。3.氧化鋯式氧傳感器工作原理當混合氣稀時，排氣中含氧多，兩側濃度差小，只產生小的電壓；反之，混合氣濃時，產生高電壓。傳感器的電壓輸出特性如圖所示。根據所測電壓值就可測量氧傳感器外表面廢氣的含氧量，而發動機廢氣排放中的氧含量主要取決于混合氣的空燃比，因此，ECU根據氧傳感器輸入的電信號分析汽油的燃燒狀況，以便及時修正噴油量，使空燃比處于理想狀況，即=1。所以這種傳感器又稱為空燃比傳感器或傳感器。氧化鋯式傳感器電壓輸出特性濃稀理論空燃比氧傳感器安裝在發動機的排氣管上。氧傳感器被安裝在發動機的排氣管，直接與高溫排放廢氣接觸。因此，氧傳感器密封要求具有良好的耐熱性。4.氧化鋯式氧傳感器安裝氧化鈦式氧傳感器是利用二氧化鈦(TiO2)材料的電阻值隨排氣中氧含量的變化而變化的特性構成的，故又稱為電阻型氧傳感器。氧化鈦在某個溫度以上鈦與氧的結合微弱，在氧氣極少的情況下就必須放棄氧氣，因此缺氧而形成低電阻的氧化半導體。相反的，若氧氣較多，則形成高電阻的狀態。此種現象與溫度和氧含量有關，因此，欲將二氧化鈦在300～900℃的排氣溫度中連續使用，必須作溫度補償。利用氧化鈦式氧傳感器電阻隨含氧量變化來判斷混合氣濃度。當混合氣濃度高時，則排氣中含氧量少，傳感器電阻低；反之亦然。二、氧化鈦式氧傳感器的結構、原理1.氧化鈦氧傳感器的測氧原理如圖為氧化鈦式氧傳感器的結構示意圖，有兩個二氧化鈦元件，一個是具有多孔性二氧化鈦陶瓷的用來感測排氣中氧含量的，另一個為實心二氧化鈦陶瓷，用作加熱調節，補償溫度誤差。傳感器用具有孔槽的金屬管作為防護套，讓廢氣進出，同時防止二氧化鈦元件受到外物撞擊，傳感器接線端以橡膠作為密封材料，防止外界氣體滲入。2.氧傳感器的結構導線二氧化鈦元件陶瓷絕緣材料接線頭金屬外殼陶瓷元件金屬保護管

ECU提供氧傳感器5V的參考電壓，當混合比濃時電阻低所得到電壓較高，若混合比較稀時電阻高所得到的電壓較低，因此由電阻的變化即可得知當時混合比的狀況，近來為了使氧化鈦型氧傳感器有著與氧化鋯型相同的變化，即將參考電壓改成1V，其電壓即成了0~1V的范圍內。空氣過量系數3.氧化鋯式氧傳感器工作原理類似于熱電阻溫度傳感器的原理。氧化鈦式氧傳感器一般安裝在排氣歧管或尾管上，可借助排氣高溫將傳感器加熱至適當的工作溫度。4.氧化鈦氧傳感器的安裝排氣歧管早期汽車上使用的控制空燃比氧傳感器為ZrO2固體電解質氧傳感器，屬于氧濃度差電池型，利用電池兩極間的電勢差與兩極間氧濃度比值的對數成正比的能斯特公式測定氧濃度，但其存在結構復雜、價格昂貴、貴金屬催化劑容易受鉛毒害等缺點。

TiO2是一種良好的氧敏材料，氧電阻式TiO2氧傳感器因其結構簡單、價格較低、體積小、抗腐蝕、抗污染能力強、經久耐用、可靠性高，不需要參比氣體電極而得到了廣泛的應用。三、兩種氧傳感器的比較氧傳感器產生故障會造成其反饋信號出現異常，從而使電腦失去對混合氣空燃比的調節。若混合氣控制比不精確，會使排氣凈化惡化，因而必須及時排除故障或更換。導致氧傳感器出現故障的原因如下：氧傳感器破碎失效；氧傳感器內部進入油污或塵埃等沉積物，使傳感器信號失真；使用含鉛汽油使傳感器中毒，而使其失效；此外，傳感器橡膠墊及涂劑也會使傳感器失效；電加熱器故障也可能造成傳感器在發動機起動及低溫時不工作。四、氧傳感器的故障原因德國大眾在發動機實驗臺上運轉實驗氧傳感器沉積物情況氧傳感器一般有單線、雙線、三線、四線4種引線形式。單線為氧化鋯式氧傳感器；雙線為氧化鈦式氧傳感器；三線和四線為氧化鋯式氧傳感器。三線和四線的區別：三線氧傳感器的加熱器負極和信號輸出負極共用一根線，四線氧傳感器的加熱器負極和信號負極分別各用一根線。五、氧傳感器的檢測（1）氧傳感器加熱器電阻的檢測點火開關置于“OFF”，拔下氧傳感器的導線連接器，用萬用表Ω檔測量氧傳感器接線端中加熱器端子與自搭鐵端子間的電阻，其電阻值應符合標準值；具體數值參見具體車型說明書。如不符合標準，應更換氧傳感器。測量后，接好氧傳感器線束連接器，以便作進一步的檢測。

測量氧傳感器反饋電壓時，應先拔下氧傳感器線束連接器插頭，對照被測車型的電路圖，從氧傳感器反饋電壓輸出端引出一條細導線，然后插好連接器，在發動機運轉時從引出線上測量反饋電壓。（2）氧傳感器反饋電壓的檢測使發動機以2500r/m轉速運轉。電壓應在0～1V變換如電壓保持在0V或1V不變，改變油門開度的辦法人為地改變混合氣濃度：突然踏下油門踏板時產生濃混合氣，反饋電壓應上升；突然松開油門時產生稀混合氣，反饋電壓應下降。若沒有變化，說明氧傳感器已損壞，應更換。在采用上述方法檢測時，良好的氧化鈦式氧傳感器輸出端電壓應以2.5V為中心上下波動，否則可拆下傳感器并暴露在空氣中，冷卻后測量其電阻值。若阻值很大，說明傳感器良好；反之，則傳感器已損壞，應予更換。（3）氧化鈦式氧傳感器的檢測如果測得的電壓值在0V且保持不變，則需反復開、閉節氣門，使發動機轉速變化。此時，若電壓隨節氣門的開閉而變，則表明氧傳感器良好；若電壓值仍為0V，則說明氧傳感器已經損壞。如果測得的電壓值在1V且保持不變，則需拆去進氣歧管上的一根真空軟管，讓混合氣變稀。此時，若電壓值開始變化，則說明氧傳感器有效，否則，說明氧傳感器已損壞，應更換。第三節稀薄混合比傳感器稀薄燃燒是指通過提高發動機內混合氣的空燃比，大于理論空燃比數值的狀態下燃燒。理論空燃比是發動機的一個基本參數，如果要讓發動機實現稀薄燃燒，就必須具備兩個條件：很高的點火能量，空氣能跟汽油充分混合。稀薄燃燒技術的發動機混合氣的汽油與空氣比可達1:25以上。通用、福特、豐田、本田、日產等汽車公司先后展開稀薄燃燒技術研發。隨著進氣口燃料噴射技術的發展和稀混合氣傳感器技術的開發，精密控制空燃比已成為可能。進入90年代，三菱汽車公司研制出來的缸內直噴技術使稀燃技術又進了一步，三菱缸內噴注汽油機(GDI)，可令混合比達到40:1。大眾的直噴汽油發動機(FSI)，則是采用了一個高壓泵，汽油通過一個分流軌道(共軌)到達電磁控制的高壓噴射氣門。本田最新的VTEC發動機也將采用稀燃技術。

稀薄混合比傳感器應用在采用稀薄燃燒技術的發動機空燃比反饋控制系統中。這種傳感器也和氧傳感器一樣，利用氧化鋯元件測定排氣中的氧濃度，從而測定空燃比。稀薄混合比傳感器特點是能在混合氣極稀薄領域中，連續地檢測出稀薄燃燒區空燃比，實現稀薄領域的反饋控制。達到降低燃料消耗的目的。還有一種傳感器能連續檢測混合氣從濃到稀的整個范圍的空燃比，稱為全范圍空燃比傳感器。如圖為稀薄混合比傳感器的結構。傳感器內部有氧化鋯陶瓷元件和加熱器，它的工作原理是利用傳感器電極兩端施加一定的外加電壓時其電流與排氣中氧濃度成正比這一特性，可以連續地檢測出稀薄燃燒區域的空燃比。圖1稀薄混合比傳感器的結構2.氧傳感器的結構與原理電流檢測電阻

大氣側電極加熱圈氧化鋯固體電解質排氣側電極涂層護殼排氣稀薄混合比傳感器的輸出特性對于稀薄混合比傳感器，在電極兩端施加一定電壓時，將產生與排氣中氧濃度成正比的電流，這樣就可以在稀薄燃燒領域連續檢測出空燃比變化。所以稀薄混合比傳感器與普通氧化鋯式氧傳感器在工作原理上有區分。豐田卡利那牌汽車上T-LCS系統裝用了稀薄混合比傳感器，用以在稀薄混合氣狀態下對空燃比進行反饋控制，其系統的構成如圖所示：排氣噴射信號ECU獨立噴射稀薄混合比傳感器空氣噴油器點火線圈

分電器加熱控制點火信號負壓轉換閥旋流控制閥各傳感器信號氧濃度信號氧化催化全范圍空燃比傳感器的結構如圖所示。該傳感器是利用氧濃差電池原理和氧氣泵的泵電原理，能連續檢測混合氣從過濃到理論空燃比再到稀薄狀態整個過程的一種傳感器。第四節全范圍空燃比傳感器當混合氣過濃時，氧泵就會吸入O2到測定室中；而當排放氣比混合氣空燃比稀薄時，則從測定室中放出O2到排氣中去。全范圍空燃比就是利用這一特點用氧氣泵供給出人測定室的O2，使排放氣保持在理論空燃比上。這樣就通過測定氧泵的電流值I，來測定排放氣體中的空燃比A/F。全范圍空燃比傳感器原理氧泵就是利用氧化鋯傳感器的反作用原理，將電流施加于氧化鋯組件上，這樣會造成氧離子的移動，把排氣中的氧泵入測試腔當中，使感應室兩側的電壓值維持在450mv這個施加在泵氧元上變化的電流，才是我們要的氧含量信號?；旌蠚饪杖急仍谶^濃一側為負電流，在稀薄一側為正電流，當理論空燃比A/F為14.7時，電流值為零，即可連續測量出空燃比。污染：香煙煙霧、灰塵等煙塵污染。措施：煙濃度傳感器與空氣凈化器配套使用。檢測煙霧，凈化器自動運轉，否則停轉，總是保持乘員室內空氣處于凈化狀態。第五節煙度濃度傳感器煙霧進口光電型散射光式煙度濃度傳感器結構光敏元件發光元件電路部分光典型散射式煙度濃度傳感器的結構：發光元件；光敏元件；信號處理電路光敏元件發光元件工作電路煙粒子香煙細縫工作原理：發光元件間歇的發出不可見的紅外光。無煙霧時，紅外光射不到光敏元件上，電路不工作；有煙霧時，煙粒子對紅外光進行漫反射，光敏元件接受到紅外光，電路工作，啟動空氣凈化器內的鼓風機電機旋轉。發光電路光敏電路脈沖振蕩電路修正電路放大同步電路延遲定時電路信號判別電路煙度濃度傳感器的內部電路電路工作原理：脈沖振蕩電路：保證收發光同步，防止外界光干擾。延時定時電路：檢測煙霧后，鼓風機一次連續工作至少2分鐘。豐田公司馬克Ⅱ型汽車就裝用了煙濃度傳感器，檢測到煙霧污染就自動接通空氣凈化器使其工作。車內空氣凈化系統的構成：空氣濾清器本體、控制開關、煙度濃度傳感器煙霧濃度傳感器的外觀：本體（設置有許多細縫）+蓋板當煙霧濃度達到0.3%·m-3,即抽1~2根香煙時，即可使煙度濃度傳感器動作，此外還設有靈敏度調整按鈕以調整傳感器的靈敏度。濾清器除臭盒鼓風電動機及風扇風扇細縫濾清器外殼格柵鼓風電動機調速電阻空氣凈化器本體的結構：鼓風機電動機、風扇、濾清器、調速電阻、殼體。濾清器采用加活性炭的濾紙式結構，在濾清器側面塑料盒內放有中和除臭劑，目的是增大除臭作用。鼓風電動機旋轉時帶動風扇旋轉，在吸風口處把灰塵、煙霧等吸入，把經濾清器過濾、除臭的空氣在出風口處吹響乘員室內。自動空氣凈化系統電路第六節柴油機煙度傳感器在采用電子控制式柴油機上，廣泛采用一種可以連續測量柴油機排煙的傳感器，用它來檢測發動機排放氣體中形成的碳煙和未燃燒的碳粒，并把表示碳煙存在的電信號輸人電子控制單元ECU，ECU根據煙度信號調節空氣和柴油的供給量，以達到完全燃燒減少碳煙。該傳感器頭是由絕緣材料和兩個貴金屬電極組成，暴露在煙氣中的電極周圍涂有強化催化劑材料，使沉積在電極上的碳能迅速被氧化，保持電極清潔，滿足連續測量的要求。工作原理圖：傳感器的感應頭由絕緣體1、電極2和催化劑3組成。絕緣體中埋有兩個電極，電極下端伸出絕緣體，兩電極之間保持很小的縫隙，并涂有絕緣強催化劑，電極上端連接直流電源，圖中A為電流表，表盤上標有對應的煙度值，A1、A2與ECU相連。柴油機煙度傳感器的工作原理圖絕緣體電極催化劑縫隙當感應頭連接到電路中時，由于電極之間的電阻很大，電流表A無電流指示或指示很微小的電流，當感應頭插人煙氣中時，縫隙中充滿了碳煙，形成碳橋，電極之間的電阻就發生變化，碳煙少電阻大，碳煙多電阻小，電流表的讀數隨碳煙的多少相應變化。所以，在ECU系統中，ECU輸出的電信號也隨碳煙的多少作相應變化。在傳感頭的電極涂有強催化劑，加上煙氣中有充足的氧氣存在，沉積在電極上的碳煙能迅速氧化，不會因電極上的碳煙堆積而使測量失效，在煙氣溫度較高