新型汽车传感器、执行器原理与故障检测第七章气体浓度传感器

1、第七章 气体浓度传感器,新型汽车传感器、执行器原理与故障检测,第七章 气体浓度传感器,一、概述 随着汽油缸内直接喷射发动机GDI和燃油分层喷射发动机FSI的大量使用，均质稀薄燃烧技术也日益成熟，只能在理论空燃比附近间接测量混合气浓度的二氧化钛和二氧化锆氧气传感器已不能适应监测的需要，宽量程氧传感器随之出现。这种传感器能在混合气极稀薄条件下，连续地检测出空燃比，实现稀薄领域的反馈控制。 氮氧化物是可燃混合气在高温、高压下燃烧后的产物，稀薄燃烧技术的应用，使在高温富氧的条件下更易生成NOJ，为了降低排放，在还原存储型催化转化器的后端加装了感测氮氧化物浓度的NOx传感器，用于给ECU传输NOx浓度信号，使电控发动机适时对存储在还原存储型催化转化器中的氮氧化物进行催化还原，最终以氮气形式排出车外。烟雾浓度传感器用于空气净化装置中，该传感器通过检测烟雾浓度，可使空气净化器自动运转或停止，从而达到净化驾驶室内空气的目的。 发动机上进行反馈控制的传感器是氧传感器，它安装在发动机的排气管上，它的作用是通过检测排放气体中氧的含量来获得混合气的空燃比浓稀信息，并将检测结果转变成电压信号输入ECU，ECU根

2、据氧传感器输人的信号，不断地对喷油脉宽进行修正，使混合气浓度保持在理想范围内，实现空燃比的反馈控制，即闭环控制。利用氧传感器对发动机混合气的空燃比进行闭环控制后，能使过量空气系数控制在0.981.02之间，使发动机在各种工况下获得最佳浓度的混合气，使有害气体的排放量降到最低，减少汽车排气污染。 目前汽车上采用的氧传感器有二氧化钛TiO2式和二氧化锆ZrO2宽量程氧传感器式。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,第七章 气体浓度传感器,二、二氧化锆式氧传感器 1.二氧化锆式氧传感器的结构和工作原理 二氧化锆式氧传感器的基本元件是二氧化锆陶瓷管（固体电解质），陶瓷体制成管状，因此亦称锆管。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，锆管内外表面都覆盖着一层多孔性的透气铂膜作为电极，氧传感器安装在排气管上，其内表面与大气接触，外表面与废气接触，为了防止废气中的杂质腐蚀铂膜，在锆管外表面的铂膜上覆盖着一层多孔的氧化铝保护层，并加装了一个防护套管，套管上开有通气槽。这样既可以防止废气烧蚀电极，又可保证废气渗进保护层和电极接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一孔，用于锆管内表面与大气

3、相通，导线将锆管内表面铂极经绝缘套从传感器引出，如图7-1所示。锆管的陶瓷体是多孔的，允许氧渗入该固体电解质内，温度高于300时，氧气发生电离，氧气渗入锆管的多孔陶瓷体，由于锆管内、外侧氧含量不一致，存在浓度差，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如图7-2所示。当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以较浓的混合气运转时，排气中氧含量少，但CO、CxHy等较多。这些气体在锆管外表面的铂催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使锆管外表面氧气浓度变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓度差加大，两铂极间电压陡增，可以产生约1V的电压；当混合气的实际空燃比大于理论空燃比，即发动机以较稀的混合气运转时，氧气浓度高，CO、CxHy浓度低，在锆管外表面的铂催化作用下，即使CO、CxHy气体完全与氧发生反应，排气中仍有残余的氧存在，由于内外两侧氧的浓度差较小，几乎不能产生电动势，此时输出电压几乎为零。结果，锆管传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变。,第七章 气体浓度传感器,根据氧传感器所产生的电压值就可测量氧传感器外表面氧气含量，而发动机废气排放中

4、的氧含量主要取决于混合气的空燃比，因此，ECU根据氧传感器输入的电信号分析汽油的燃烧状况，以便及时修正喷油量，使空燃比处于理想状况，即使空气过量系数=1，所以这种传感器又称为传感器。要准确地完全保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的，实际上氧传感器对喷油器的反馈调节是动态的，只能使混合气在理论空燃比附近一个较小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.10.8V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10s内少于8次）或电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明氧传感器本体或线路有故障，需检查线路或更换传感器。,第七章 气体浓度传感器,2.加热型二氧化锆式氧传感器 二氧化锆式氧传感器输出信号的强弱与工作温度有关，只有在300 以上时传感器才能正常工作，早期使用的氧传感器靠排气加热，这种传感器必须在发动机启动运转数分钟后才能开始工作，因此，电控发动机在氧传感器正常工作之前是开环控制。现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器，这种传感器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2030s内迅速将氧传感器加热至工作温度，

5、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、两线制、三线制、四线制四种类型如图7-3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;两线制的两根线均与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襞传感器，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，可以通过测量加热器的阻值来对加热元件进行检测。,第七章 气体浓度传感器,3.双氧传感器系统 现代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，发动机电脑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

6、效率。 因为正常运行的三元催化转化器在转化CxHy和CO时要消耗氧气。所以副氧传感器输出的电压信号比主氧传感器输出的电压信号波动要缓慢得多，两个氧传感器电压幅度差值可反映出三元催化转化器存储氧以及转换有害气体的能力。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。OBD-监视系统正是根据这个原理来检测三元催化转化器转化效率的。,第七章 气体浓度传感器,第七章 气体浓度传感器,三、二氧化钛式氧传感器 1.二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。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。 二氧化钛的电阻值与温度和含氧量有关。当周围气体介质中的氧元素多时，二氧化钛的电阻值增大；反之，氧元素少时，电阻值

7、减小。在室温下，二氧化钛是具有很高电阻的半导体，当二氧化钛式氧传感器被放人排气管中后，排气中氧含量少（混合气浓）时，其晶体出现空缺，产生更多的电子用来传送电流，材料的电阻亦随之大大降低；当混合气较稀时，排气中氧较多，二氧化钛阻值将增加，特别是=1在临界点处产生突变，过量空气系数与二氧化钛电阻值的关系如图7-3所示。,第七章 气体浓度传感器,第七章 气体浓度传感器,2.新型二氧化钛式氧传感器的构造 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相同的变化，即和二氧化锆式氧传感器输出的01V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7-4所示。 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端相接，如图7-5所示。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

8、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0.10.9V之间不断变化，这一点与二氧传锆式氧传感器是相似的。,第七章 气体浓度传感器,第七章 气体浓度传感器,四.氧传感器检测 1.新款捷达二氧化锆式检测 新款捷达使用二氧化锆式氧传感器，部件代号G39、G130，其接线图和端子布置如图7-6所示，T4c/1、T4c/2端为加热元件接头， T4c/1端供电来自J519经燃油泵继电器J17的端子87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）。,第七章 气体浓度传感器,第七章 气体浓度传感器,（1）故障现象判断 氧传感器对汽车电子控制燃油喷射发动机正常运转和尾气排放起着至关重要的作用，一旦氧传感器或其连接线路出现故障，不但会使排放超标，还会出现回火、放炮、怠速熄火、

9、发动机运转失准、油耗增大等各种故障，使发动机工况恶化。 （2）解码器检测 氧传感器的异常工作，都会在ECU中存储故障码。因此，通过专用或通用解码器，可以查出氧传感器的故障代码00525-氧传感器G39、G130无信号，或氧传感器G39、G130对正极短路，或者通过读取数据流，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，说明氧传感器有故障。 （3）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，在常温下阻值应为15。如常温下阻值为无穷大，说明加热元件断路，应更换氧传感器。 （4）检测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，检测连接器插座上的端子T4c/1与T4c/2之间的电压，电压值应不低于11V。如电压为零，说明熔断丝（S5 10A）断路或燃油泵继电器触点接触不良，分别检修即可。 （5）检测传感器的信号电压 因为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是：使发动机转速在25O0r/min运行约90s左右，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（节气门突然踩到底）时，信号电压应为0.71.0V；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0.10.3V。否则说明氧传感器失效，应予以更换。,第七章 气体浓度传感器,6）检测氧传感器的信号变化频率 可将一只发光二极管和一只3O0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，二极管的负极经3OO 电阻连接到连接器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，如二极管不闪或闪亮频率过低，说明氧传感器失效，应更换传感器。用万表检测检查在10s内摆动的次数8次或更多。 （7）示波器检测 用示波器检测氧传感器输出的信号波形，可

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