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1、I河南职业技术学院毕业设计（论文）题 目 汽车发动机氧传感器波形分析1汽车发动机氧传感器波形分析摘要：随着汽车排放法规的逐渐严格和对汽车排气污染控制的重视，电控燃油喷射加三元催化器的发动机正成为普遍配置。在此系统中，氧传感器是进行闭环反馈控制的主要元件。正常工作时，氧传感器随时测定发动机排气管中的氧含量，以检测发动机燃烧状况。当发动机出现燃烧故障时，必然引起氧传感器电压信号的变化，可以通过观察氧传感器的信号波形来判断和排除这些故障。关键词：氧传感器 构造原理 工作特性 波形分析随着汽车工业的发展，汽车正在成为人们日常出行的普遍工具，随之而来的环境污染和能源问题也日益突出，尤其是汽车尾气对环境的
2、污染，由于氧传感器对于控制汽车对环境的污染的重要作用，因此研究和分析氧传感器的波形对于排除汽车故障和减少汽车对环境的污染就显得十分重要了。一、一、氧传感器的构造及其原理自 1976 年德国博世公司率先在瑞典沃尔沃(VOLV0)轿车上装用氧传感器之后，通用、福特、丰田、日产等汽车公司相继完成了氧传感器的开发与应用工作。汽车发动机燃油喷射系统采用的氧传感器分为二氧化锆(zrO2)式和二氧化钛(TiO2)式两种类型，二氧化锆式又分为加热型与非加热型两种，二氧化钛式一般都为加热型。由于实用的二氧化钛式氧传感器价格便宜(每只售价约 600 元人民币)，且不易受到硅离子的腐蚀，因此越来越多的汽车采用这种氧
3、传感器。（一）、二氧化锆(zrO2)式氧传感器的构造及其工作原理二氧化锆式氧传感器的外形如图 1 所示，主要由钢质护管、钢质壳体、锆管、加热元件、电极组威。 ，在固体电解质粉末(ZrO2、TiO2 等)中添加少量的添加剂后通过压力成形，再烧结而成；绝缘体的成形工艺2完全相同。二氧化锆晶体的体积蛮化量会因晶体老化而失效(阻止氧离子扩散)，加入添加剂的目的就是防止二氧化锆晶体的老化。常用的添加剂有三氧化二钇(Y2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化二镱(Yb2O)。锆管制作成试管形状，以便氧离子能均匀扩散与渗透。锆管为了防止发动机排出的废气腐蚀外层铂电极，在外层铂电极表面还涂敷一层陶瓷
4、保护层。图 1 二氧化锆氧传感器外形在锆管的内、外表面都涂覆一层金属铂(Pt)作为电极，并用金属线与传感器信号输出端子连接。金属铂除了起到电极作用将信号电压引出传感器之外，另一个更重要的作用是催化作用。在催化剂铂的作用下，当发动机排气中的一氧化碳(CO)有害气体与氧气(O2)接触时，就会生成二氧化碳(CO2)无害气体，其化学反应方程式为 2CO+O2=2C02 二氧化锆陶瓷管的强度很低，而且安装在排气管上承受排气压力冲击。为了防止锆管受排气压力冲击而造成陶瓷管破碎，因此将锆管封装在钢质护管内。护管上制作有若干个小孔，以便于排气流通。在钢质壳体上制作有六角螺边和螺纹，以便安装和拆卸传感器。国产轿
5、车大都采用非加热型氧传感器，其线束插头只有一个或两个接线端子；中高档轿车大都采用加热型氧传感器，其线束插头有三个或四个接线端子。加热器采用陶瓷加热元3件制成，没在锆管内侧，由汽车电源通入电流进行加热。由于二氧化锆式氧传感器在 300。以上的环境中时，才能输出稳定地信号电压，因此加热的目的是保证低温(排气温度在 150200以下)时，氧传感器就能投人工作，从而减少有害气体的排放量。二氧化锆式氧传感器工作原理如图 2 所示。因为锆管内侧与氧离子浓度高的大气相通，外侧与氧离子浓度低的排气相通，且锆管外侧的氧离平随可燃混合气浓度变化而变化，所以当氧离子在锆管中扩散时，锆管内外表面之间的电位差将随可燃混
6、合气浓度变化而变化，即锆管相当于一个氧浓差电池，传感器的信号源相当于一个可变电源。二氧化锆式氧传感器工作特性如图 3a 所示。当供给发动机的可燃混合气较浓即空燃比(AF)小于 147 或过量空气系数 小于 1时，排气中氧离子含量较少、一氧化碳(CO)浓度较大。在锆管外表面催化剂铂的催化作用下，氧离子几乎全部都与 CO 发生氧化反应而生成二氧化碳(CO2)气体，使外表面上氧离子浓度为零。由于锆管图 2 氧传感器工作原理4内表面与大气相通，氧离子浓度很大，因此锆管内、外表面之间的氧离子浓度差较大，两个铂电极之间的电位差较高，约为 09V。当可燃混合气较稀即空燃比(AF)大于 147 或过量空气系数
7、 大于 1时，排气中氧离子含量较多、CO 浓度较小，即使 CO 全部都与氧离子产生化学反应，锆管外表面上还是有多余的氧离子存在。因此，锆管内、外表面之间氧离子的浓度差较小，两个铂电极之间的电位差较低，约为01V。当空燃比(AF)接近于理论空燃比 147(或过量空气系数 接近于 1)时，排气中的氧离子和 CO 含量都很少。在催化剂铂的作用下，氧离子与 CO 的化学反应从缺氧状态(CO 过剩，氧离子浓度为 0)急剧变化为富氧状态(CO 为 0，氧离子过剩)。由于氧离子浓度差急剧变化，因此铂电极之间的电位差急剧变化，使传感器输出电压从 09V 急剧变化到01V。由图 3a 可见，当可燃混合气浓时，如
8、果没有催化剂铂的催化作用使氧离子浓度急剧减小到 0，那么在混合气由浓变稀时，固体电解质两侧氧离子的浓度差将连续变化，传感器的电动势将按曲线 3 所示连续变化，即电动势不会出现跃变现象。这正是二氧化锆式氧传感器必须定期(汽车每行驶 80 000km)更换的原因。因为在使用过程中，汽油和润滑油硫化产生的硅酮等颗粒物质附着在铂电极表面上会导致铂电极逐渐失效；此外，传感器内部端子处用于防水的硅橡胶会逐渐污染内侧电极。二氧化锆式氧传感器必须满足发动机温度高于 60、氧传感器自身温度高于 300及发动机工作在怠速工况和部分负荷上况三个条件下才能正常调节混合气浓度，因此将其安装在温度较高的排气管上。同时，为
9、了使氧传感器迅速达到工作温度(3000)而投入工作，因此采用了加热器5对锆管进行加热。加热器一般采用陶瓷加热元件制成，并引出两个电极直接由汽车电源(1214V)通电进行加热。传感元件产生的电动势与加热温度的关系如图 3b 所示，为使传感器在低温条件下就能投人工作，加热器的加图 3 氧传感器工作特性热温度一般设定为 300。（二） 、二氧化钛(TiO2)式氧传感器的构造及其工作原理二氧化钛(TiO2)属于 N 型半导体材料，其阻值大小取决于材料温度及周围环境中氧离子的浓度，因此可以用来检测排气中的氧离子浓度。1975 年，美国福特汽车公司率先利用二氧化钛材料研制成功了芯片二氧化钛式传感器，197
10、6 年研制出了用金属铂(Pt)作催化剂的芯片二氧化钛式传感器，1979 年又研制成功了用热敏电阻进行温度补偿的二氧化钛式传感器。丰田公司于 1984 年研制成功了管芯二氧化钛式传感器，1985年研制成功厚膜二氧化钛式传感器，并批量生产。二氧化钛式氧传感器的外形与二氧化锆式氧传感器相似，主要由二氧化钛传感元件、钢质壳6体、加热元件和电极引线等组成。钢质壳体上制有螺纹，以便于传感器安装。与二氧化锆式氧传感器不同的是，二氧化钛式氧传感器不需要与大气压进行比较，因此传感元件的密封与防水十分方便，利用玻璃或滑石粉等密封即可达到使用要求。此外，在电极引线与护套之间设置一个硅橡胶密封衬垫，可以防止水汽侵入传
11、感器内部而腐蚀电极。目前使用较多的二氧化钛传感元件有芯片式和厚膜式两种。芯片式将铂金属线埋入二氧化钛芯片中，金属铂兼作催化剂用。厚膜式采用半导体封装工艺中的氧化铝层压板工艺制成，从而使成本降低、可靠性提高。加热元件用钨丝或陶瓷材料制成，加热的目的是使传感元件的二氧化钛温度保持恒定，从而使传感器的输出特性不受温度影响。因为二氧化钛是一种多孔性的陶瓷材料，利用热传导方式对二氧化钛芯片或厚膜可以直接进行加热，所以加热效率高，达到激活温度(规定温度为 600)需要的时间很短，这对降低发动机刚刚起动后碳氢化合物的排放量十分有利。二氧化钛式氧传感器工作原理阻值变化型二氧化钛式传感器的阻值 R 与氧分压 P
12、o2 的关系按下述图 4 公式变化：由于二氧化钛半导体材料的电阻具有随氧离子浓度的变化而变化的特性，因此二氧化钛式氧传感器的信号源相当于一个可变电阻，其电阻值与过量空气系数的关系如图 5 所示。7图 5 二氧化钛 EGOS 的特性当发动机混合气稀(过量空气系数大于 1)时，排气中氧离子含量较多，传感元件周围的氧离子浓度较大，二氧化钛呈现低阻状态。当发动机的可燃混合气浓(过量空气系数小于 1)时，由于燃烧不完全，排气中会剩余一定的氧气，传感元件周围的氧离子很少，在催化剂铂的催化作用下，使剩余氧离子与排气中的一氧化碳(CO)产生化学反应，生成二氧化碳(CO2)，将排气中的氧离子进一步消耗掉，二氧化
13、钛呈现高阻状态，从而大大提高了传感器的灵敏度。 由上可见，二氧化钛式氧传感器的电阻将在混合气的过量空气系数 约为 1空燃比(AF)约为 147时产生突变。其电路如图 6 所示，在其输出端便可得到一个交替变化的信号。该稳定电压一般由 ECU 内部的稳压电路提供。8图 6 二氧化钛式 EGOS 工作电路二氧化钛式氧传感器必须满足发动机温度高于 60、氧传感器自身温度高于 600以及发动机工作在怠速工况和部分负荷工况三个条件才能正常调节混合气浓度。因此，二氧化钛式传感器也安装在温度较高的排气管上，同时采用了直接加热方式使二氧化钛传感元件温度迅速达到工作温度(600)而投入工作。二、氧传感器的波形分析
14、（一） 、氧传感器的正常波形常用的汽车氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种。以氧化锆式为例，正常情况下当闭环控制时(见图 7)，氧传感器的电压信号大约在 0 至 1V之间波动，平均值约 450mV。当混合气浓度稍浓于理论空燃比时，氧传感器产生约 800mV 的高电压信号；当混合气浓度稍稀于理论空燃比时，氧传感器产生接近 100mV 的低电压信号。当然，不同类型的氧传感器其实际波形并不完全相同。一般亚洲和欧洲车氧传感器(博世)信号电压波形上的杂波要少，尤其是丰田凌志车氧传感器信号电压波形的重复性好，而且对称、清楚，美国车（不是采用亚洲的发动机和电子反馈控制系统）9杂波要多。 ”但需要指出，氧化钛型氧
15、传感器反馈给发动机电控单元的电压，一般是 1V 范围内变化，也有少数的是 5V 范围内变化的。（二） 、引起氧传感器的信号波形出现异常的原因 当氧传感器及微机控制装置无故障，而氧传感器信号波形异常，如果不是在某些特殊工况下由于发动机控制策略所引起的，一般表明发动机有故障。这些故障造成汽图 7 正常的多点喷射发动机氧传感器波形缸内混合气燃烧不正常，进而使排气中的氧含量变化，氧传感器的信号波形就出现异常。一般发动机的下列故障会引起氧传感器信号波形产生严重杂波。1、点火系故障，如某缸火花塞损坏、某缸高压分线损坏或分电器、分电器转子、点火线圈等损坏。这些故障可使部分氧“不经消化”即排出缸外，从而使排气
16、中的氧含量升高。102、由机械原因引起的压缩泄漏，如气门烧损、活塞环断裂或磨损过度等造成的压缩泄漏，使点火之前的压缩温度、压缩压力不够，造成燃烧不完全甚至缺火。3、真空泄漏，例如进气道、进气管上的真空软管等处存在泄漏。如果真空泄漏使混合气空燃比达到 17 以上时，就可引起因混合气过稀而发生的缺火，造成排气氧含量增大。4、喷油系统故障。个别缸喷油器的喷油量过多或过少(喷油器卡在开的位置或堵塞)，造成混合气过浓或过稀。当个别缸的混合气空燃比达到 13 以下或 17 以上时，将可能引起缺火，亦可造成排气氧含量异常。（三） 、氧传感器波形异常分析1、喷油系统和点火系统故障引起缺火时的氧传感器波形分析 图 8是喷油器损坏后的氧传感器波形。此例中，排气中氧不均衡或存在缺火使氧传感器电压波形产生严重杂波，这些杂波彻底毁坏了燃料反馈控制系统对混合气的控制能力。在图形上表现为氧传感器的信号电压波形的尖峰，覆盖氧传感器的整个信号电压范围。通过更换喷油器以后，发动机工作恢复正常，且氧
