氧传感器工作原理:氧传感器的工作原理

2021/11/09 07:05 · 传感器知识资讯 ·  · 氧传感器工作原理:氧传感器的工作原理已关闭评论
摘要:

氧传感器工作原理:氧传感器的工作原理;;;;;;当有电压加在固体电解质ZrO2;上时,O2;会在内电极(阴极)上得到电子形成O2-,O2-通过ZrO2;的传递作用,在外电极(阳极)上放电,O2-又变成O2,这样氧就通过固体电解质被从电极的阴极泵到

氧传感器工作原理:氧传感器的工作原理  第1张

传感器工作原理:氧传感器的工作原理

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; ; ; ; ;当有电压加在固体电解质ZrO2;上时,O2;会在内电极(阴极)上得到电子形成O2-,O2-通过ZrO2;的传递作用,在外电极(阳极)上放电,O2-又变成O2,这样氧就通过固体电解质被从电极的阴极泵到阳极,通常称此电池为泵氧电池,外加电压为泵电压,产生电流为泵电流。泵氧过程中,外加泵电压的增加所导致的泵电流的增加会逐渐减小,最后出现泵电流在一定的电压范围内不变或变化很小的现象,电流达到饱和,这个电流被称为极限电流。
下面是本田4线A/F传感器是极限电流式工作原理,请供参考:
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;宽带氧传感器(带参考电压的)氧传感器工作原理:氧传感器的工作原理  第2张

氧传感器工作原理:氧传感器的工作原理

硬件型号:EQRN380-30发动机氧传感器
系统版本:传感系统

汽车上的氧传感器工作原理与干电池相似,传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。其基本工作原理是:在一定条件下,利用氧化锆内外两侧的氧浓度差,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。 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,两侧离子的浓度差产生电动势。

在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上,氧传感器是必不可少的元件。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。

氧传感器工作原理:氧传感器的工作原理与检测方法

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目前,汽车上采用的氧传感器有氧化钛(TiO2)式和氧化锆(ZrO2)式两种。氧化锆式氧传感器又分为加热型氧传感器和非加热型氧传感器两种。氧化钛式氧传感器本身带有一个电加热器。大部分汽车使用带加热器的氧传感器,这种传感器是在原来传感器的基础上,增加了一个陶瓷加热元件用于加热传感器,可在发动机启动后的20~30s内迅速将氧传感器加热至工作温度,扩大了空燃比闭环控制的工作范围,故又称为加热型氧传感器。氧传感器有一线制、二线制、三线制、四线制4种类型,其结构如图1所示。一线制只有一根信号线与发动机ECU连接,传感器的另一极直接搭铁;二线制的两根线均与ECU相连,一根为信号线,另一根进入ECU后搭铁;三线制、四线制均属于加热式氧传感器,由于添加了两根加热电阻的接线,和氧传感器信号线组合成为三线制或四线制。加热电阻的两根接线,一根直接接控制继电器或主继电器,接受12V加热电源,一根由ECU控制搭铁端,控制加热电阻加热时间。氧传感器加热器是正比例系数热敏元件,在传感器与线束断开的情况下,可以通过检测加热器的阻值来对加热元件进行检测。
图1 氧传感器的结构随着排放法规越来越严格,现在越来越多的车辆都在三元催化转化器的前后端分别安装了氧传感器,称为双氧传感器系统,一个在三元催化转化器之前,称作为主氧传感器或上游氧传感器,用于混合气反馈控制,发动机电控单元根据主氧传感器的反馈信号,增加或减少喷油量,将实际空燃比控制在理论空燃比附近;另一个位于三元催化转化器之后,称作副氧传感器或下游氧传感器,用于监测三元催化转化器的催化净化效率。当三元催化转化器损坏时,其转化效率丧失,这时在其前后的排气管中的氧气量十分接近,几乎相当于没有安装三元催化转化器,前、后两个氧传感器的信号电压波形就趋于相同,并且电压波动范围也趋于一致,此时表明三元催化转化器转化能力下降。
1二氧化锆式氧传感器以日产新阳光车系加热型氧传感器例,介绍二氧化锆式氧传感器的识别与检测方法。(1)二氧化锆式氧传感器的识别日产新阳光车系加热型氧传感器位于三元催化器之后,用于监测废气中的氧含量。即使空燃比(A/F)传感器的开关特性改变,空燃比仍然可以根据加热型氧传感器发出的信号,控制在化学计量比范围内。二氧化锆式氧传感器由二氧化锆陶瓷制成,如图2所示。二氧化锆会产生电压,在氧气充足时大约为1V,而在含氧稀薄时减小到0。
图2 日产新阳光车系加热型氧传感器的构造
(2)二氧化锆式氧传感器检测示例新款捷达轿车使用二氧化锆式氧传感器的电路如图3所示,T4C/1、T4C/2端为加热元件插头,T4C/1端供电来自J519经燃油泵继电器J17的端子87R提供蓄电池电压,T4C/2端为搭铁端,接ECU,由ECU控制加热时间;T4C/3、T4C/4端为氧传感器信号端,其中,T4C/3为信号电压正极,T4C/4为信号电压负极(即搭铁端)。
图3 新款捷达轿车使用二氧化锆式氧传感器的电路二氧化锆式氧传感器的检测方法如下:01 解码器检测▼氧传感器的异常工作会在ECU中存储故障码。因此,通过专用解码器或通用解码器,可以查出氧传感器的故障码——氧传感器G39、G130无信号,或氧传感器G39、G130对正极短路,也可通过读取数据流来判断氧传感器是否故障。如果氧传感器示数长时间停滞在一个数值不变或变化缓慢,则说明氧传感器有故障。02 检测加热元件的电阻▼在室温下,可用万用表进行检测。检测时,拔下氧传感器线束插头,检测插头上端子T4C/1与T4C/2之间的电阻,在常温下该阻值应为1~5Ω。如果常温下该阻值为∞,则说明加热元件断路,应更换氧传感器。03 检测氧传感器加热元件的电源电压▼氧传感器加热元件的电压为蓄电池电压,当点火开关接通使燃油泵继电器触点接通时,加热元件的电源即被接通。检测加热元件的电压时,拔下氧传感器插头,启动发动机,检测插接器插座上的端子T4C/1与T4C/2之间的电压,电压值应不低于11V。如果该电压值为零,则说明熔丝S5(10A)断路或燃油泵继电器触点接触不良,分别检修即可。04 检测传感器的信号电压▼由于当氧传感器工作温度低于300℃时,氧传感器没有达到正常工作温度,无信号输出,因此应在二氧化锆式氧传感器处于300℃以上的工作状态时测量其输出电压。用汽车万用表测压法检查二氧化锆式氧传感器的具体方法:使发动机转速在2500r/min运行约90s,插头与插座连接,将数字式万用表连接到氧传感器端子T4C/3与T4C/4连接的导线上,当供给发动机浓混合气(加速踏板突然踩到底)时,信号电压应为0.7~1.0V;当供给发动机稀混合气(拔下空气流量传感器至发动机之间的真空管)时,信号电压应为0.1~0.3V;否则说明氧传感器损坏,应予以更换。05 检测氧传感器的信号变化频率▼可将一个发光二极管和一个300Ω的电阻串联接在传感器T4C/3与T4C/4端子连接的导线之间进行检测。二极管正极连接到3#端子上,二极管负极经300Ω电阻连接到插接器4#端子上。发动机怠速或部分负荷运转时,发光二极管应当闪亮。闪亮频率每分钟应不低于10次,如果二极管不闪亮或闪亮频率过低,则说明氧传感器损坏,应更换传感器。06 示波器检测▼用示波器检测氧传感器输出的信号波形,可以很直观地确定氧传感器是否良好。测试方法:启动发动机,使传感器预热到300℃以上,发动机处于闭环工作状态时,用探针连接到传感器插接器信号端子T4C/2和T4C/3上,发动机从怠速开始增大转速,观察氧传感器输出信号波形,并与标准波形比较,判断传感器的好坏。如图4所示为氧传感器在怠速和转速2500r/min时输出信号波形。
图4 氧传感器在怠速和转速为2500r/min时输出信号波形
2二氧化钛式氧传感器(1)二氧化钛式氧传感器的构造
二氧化钛式氧传感器的结构与二氧化锆式氧传感器的结构相似,主要由二氧化钛传感元件(钛管)、钢质壳体、加热元件和接线端子、护套等组成,如图5所示。
图5 二氧化钛式氧传感器的结构
二氧化锆式氧传感器和二氧化钛式氧传感器的主要区别:二氧化锆式氧传感器是将排气中氧含量的变化转化为电压的变化;二氧化钛式氧传感器是将排气中氧含量的变化转化为电阻的变化。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。芯片式是将铂金属线埋入二氧化钛芯片中,金属铂兼作催化剂用;厚膜式是采用半导体封装工艺中的氧化铝层压板工艺制成。此外还有热敏电阻进行温度补偿的二氧化钛式传感器等。新型二氧化钛式氧传感器由发动机ECU提供1V基准电压,外形和原理与二氧化锆式氧传感器相似,但为了使二氧化钛式氧传感器有着与二氧化锆式氧传感器相同的变化,即和二氧化锆式氧传感器输出的0~1V的电压值相一致,将参考电压由原来的5V变为1V;同时,为了降低传感器的重量和更换时的成本,将其中的精密电阻转移到了ECU内部,因此,在传感器的接线上减少一条引出线。其结构如图6所示。
图6 新型二氧化钛式氧传感器的结构
(2)二氧化钛式氧传感器的工作原理二氧化钛式氧传感器与二氧化锆式氧传感器在测量氧气浓度的原理上有很大的不同:二氧化锆式氧传感器是以浓差电池原理为基础,通过浓度差异产生电压,判断混合气的稀与浓;而二氧化钛式氧传感器则是利用气敏电阻的原理,通过氧气浓度引起的二氧化钛电阻值的改变来判定混合气状态,故又称电阻型氧传感器。电控单元(ECU)的C端子将一个恒定的1V电压加在二氧化钛式氧传感器的A端上,传感器的另一端子B与ECU的D端子相接,如图7所示。
图7 二氧化钛式传感器的工作原理
当排出的废气中氧浓度随发动机混合气浓度变化而变化时,氧传感器的电阻随之改变,ECU的D端子电位也随着变化,当D端子上的电压高于参考电压时,ECU判定混合气过浓;当D端子上的电压低于参考电压时,ECU判定混合气过稀。通过ECU的反馈控制,可保持混合气的浓度在理论空燃比附近。在实际的反馈控制过程中,二氧化钛式氧传感器与ECU连接的D端子上的电压也是在0.1~0.9V之间不断变化,这一点与二氧化锆式氧传感器是相似的。
小提示:在发动机运转过程中,氧传感器和反馈控制系统并不是任何时候都起作用。ECU是通过开环和闭环两种方式对发动机的喷油量进行控制的。在发动机启动、大负荷及暖机过程中需要较浓的混合气,此时ECU处于开环控制状态,氧传感器不起作用。因为氧传感器只有在高温下(一般在390℃)才能正常工作,产生可靠的信号。只有当发动机达到正常工作温度后,ECU才进行闭环控制,氧传感器起反馈作用。而当氧传感器出现故障、输出信号异常时,电控单元会自动切断氧传感器的反馈作用,发动机进入开环控制。
(3)二氧化钛式氧传感器的检测方法
当二氧化钛式氧传感器出现故障、输出信号异常时,电控单元会自动切断氧传感器的反馈作用,使发动机进入开环控制工作状态。二氧化钛式氧传感器的检测方法与二氧化锆式氧传感器基本相同。具体检测方法如下:01 检查加热器电阻▼用高阻抗数字式万用表欧姆挡对氧传感器的加热电阻值进行测试,拔下氧传感器线束插头,测试氧传感器A、B接线柱间的电阻值。正常情况下,其阻值为5~7Ω。如果阻值为∞,说明加热电阻烧断,应更换氧传感器。02 检查氧传感器电源电压▼打开点火开关,用万用表电压挡测量传感器的电源电压,如图8所示,其标准值应为1V。
图8 检查氧传感器电源电压03 检查氧传感器加热器电源电压▼如图9所示,打开点火开关,用万用表电压挡测。
图9 检查氧传感器加热器电源电压04 检查氧传感器反馈电压▼如图10所示,接通点火开关,并启动发动机使其在怠速下正常运转,然后用电压表测量电控单元(ECU)的4号接脚与搭铁之间的电压值,其值应在0.2~0.8V内变动。当发动机提高转速后,其电压值应为0.6~1.0V,否则应更换氧传感器。
图10检 查氧传感器反馈电压05 动态测试▼使发动机充分预热,拔下燃油压力调节器的真空软管,堵上歧管,混合气加浓(空燃比减小)。在怠速状态下测量电控单元(ECU)连接器的端电压,氧传感器上的电压应大于0.5V,否则应更换氧传感器。试传感器的加热电源电压,其标准值应为12V。
氧传感器工作原理:氧传感器的工作原理  第3张

氧传感器工作原理:氧传感器的组成与工作原理

现在的汽车上主要运用的氧传感器有二氧化锆氧传感器、二氧化钛氧传感器及宽域型氧传感器三种,下面将重点介绍二氧化锆氧传感器结构、原理以及检测方法。
氧传感器的作用
氧传感器用于检测废气中的氧含量并获得混合气的空燃比浓稀信号,该信号输入ECM后,ECM 根据该信号调整发动机的喷油量,实现闭环控制,使催化转换器更好地发挥净化作用。

二氧化锆氧传感器的组成结构
二氧化锆氧传感器由锆管(传感元件)、电极和防护套管等组成,如下图所示。锆管是由含有少量钇的二氧化锆(ZrO2)制成的固态电解质元件,在锆管内、外两侧涂覆一层多孔性铂膜电极。锆管内侧通大气,外侧与排气接触。

(汽车维修技术网
二氧化锆氧传感器的组成构造(单线)
二氧化锆氧传感器的工作原理
工作时,在高温废气冲刷下,氧气发生电离,由于锆管内侧氧离子浓度高,外侧氧离子浓度低,在氧浓差作用下,氧离子从大气侧向排气侧扩散,从而形成了氧浓度差电池,如下图所示。

当混合气稀时,排气中含氧量高,锆管内外两侧浓度差小,产生的电动势小,大约为100mV。
当混合气浓时,排气中含氧量低,浓度差大,产生的电动势高,大约为900mV。电动势的高低以理论空燃比为界限发生突变,如下图。

氧传感器输出特性曲线
氧传感器的输出特性与排气温度有关,当排气温度低于300℃时,氧传感器的输出特性不稳定。
发动机刚刚启动后,由于排气温度偏低,氧传感器不工作,发动机在开环状态下工作。只有排气温度升高后,氧传感器才工作。所以,氧传感器的安装位置应在排气温度较高处。
有的车型上安装有排气温度传感器,当排气温度传感器的信号达到一定值后ECU 才根据氧传感器的信号进行空燃比反馈修正一调整喷油量、控制混合气的浓度,即发动机开始进行闭环控制。

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