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汽車發動機氧氣感測器

汽車發動機氧氣感測器

開車的朋友有時在某個時間,會發現在汽車發動機儀錶盤上會突然出現下面這個圖標。熟悉汽車的朋友都知道這是發動機自檢故障燈,如果汽車啟動后還是常亮的話,一般都表示發動機某個部位出現了故障。

發動機故障燈

如果車輛的年限比較久的話,很多情況下,這個故障燈一般都會和某個部件名詞相關——發動機氧氣感測器。接下來,我們就和大家一起聊一聊這個與汽車發動機緊密相關的氧氣感測器

氧氣感測器

對汽車發動機而言,氧氣感測器並不是一開始就存在的,為滿足環保部門日益嚴格的汽車排放要求,電噴發動機越來越得到廣泛應用,氧氣感測器則是電噴發動機中的一個非常重要的部件。

在使用三元催化轉換器減少排氣污染的發動機上,氧氣感測器是必不可少的元件。由於混合氣的空燃比一旦偏離理論空燃比,三元催化劑對CO、HC和NOx的凈化能力將急劇下降,故在排氣管中安裝氧氣感測器,用以檢測排氣中氧的濃度,並向ECU發出反饋信號,再由ECU根據來自氧氣感測器的信號差別判斷空燃比的低或高,並相應地控制噴油持續的時間。

同時,氧氣感測器還能彌補由於機械及其它件磨損而引起空燃比的誤差。可以說,它是電噴系統中唯一有「智能」的感測器。

氧氣感測器概念及工作原理

氧氣感測器是利用陶瓷敏感元件測量各類加熱爐或排氣管道中的氧電勢,由化學平衡原理計算出對應的氧濃度,從而達到監測和控制燃燒空燃比,以保證產品質量及尾氣排放達標的測量元件。

其實,氧氣感測器並不僅僅應用在汽車發動機,它還廣泛應用於各類煤燃燒、油燃燒、氣燃燒等爐體的氣成分控制,它是目前最佳的燃燒氣成分測量方式,具有結構簡單、響應迅速、維護容易、使用方便、測量準確等優點。運用該感測器進行燃燒氣成分測量和控制既能穩定和提高產品質量,又可縮短生產周期,節約能源。

氧氣感測器的結構

氧氣感測器是利用了Nernst原理。其核心元件是一種多孔的ZrO2陶瓷管,它是一種固態電解質,兩側面分別燒結上多孔鉑(Pt)電極。在一定溫度下,由於兩側氧濃度不同,高濃度側(陶瓷管內側4)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子(4e)結合形成氧離子O2-,使該電極帶正電,O2-離子通過電解質中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(廢氣側),使該電極帶負電, 即產生電位差,且濃度差越大,電位差越大。

大氣中氧的含量為21%,濃混合氣燃燒后的廢氣實際上不含氧,稀混合氣燃燒後生成的廢氣或因缺火產生的廢氣中含有較多的氧,但仍比大氣中的氧少得多。

在高溫及鉑的催化下,帶負電的氧離子吸附在氧化鋯套管的內外表面上。由於大氣中的氧氣比廢氣中的氧氣多,套管上與大氣相通一側比廢氣一側吸附更多的負離子,兩側離子的濃度差產生電動勢。

當套管廢氣一側的氧濃度低時,在電極之間產生一個高電壓(0。6~1V),這個電壓信號被送到ECU放大處理,ECU把高電壓信號看作濃混合氣,而把低電壓信號看作稀混合氣。根據氧氣感測器的電壓信號,電腦按照儘可能接近14.7:1的理論最佳空燃比來稀釋或加濃混合氣。

因此氧氣感測器是電子控制燃油計量的關鍵感測器。氧氣感測器只有在高溫時(端部達到300°C以上)其特性才能充分體現,才能輸出電壓。它在約800°C時,對混合氣的變化反應最快,而在低溫時這種特性會發生很大變化。

氧氣感測器的分類及特點

實際應用的氧氣感測器有氧化鋯式氧氣感測器和氧化鈦式氧氣感測器兩種。而常見的氧氣感測器又有單引線、雙引線和三根引線之分;單引線的為氧化鋯式氧氣感測器;雙引線的為氧化鈦式氧氣感測器;三根引線的為加熱型氧化鋯式氧氣感測器,原則上三種引線方式的氧氣感測器是不能替代使用的。

氧化鋯式氧氣感測器

氧化鋯式氧氣感測器結構

氧化鋯式氧氣感測器主要由氧化鋯(ZrO2)、和護套組成。氧化鋯式氧氣感測器有加熱式的和非加熱式的兩種。加熱式的氧氣感測器在鋯管中間有加熱棒, 鋯管是由陶瓷體製成、固定在帶有安裝螺紋的固定套中。

導人排插入排氣管中,它的內表面與空氣相通,外表面與廢氣相通。鋯管的內、外表面覆蓋一層多孔性鉑膜作電極,為防止廢氣腐蝕鉑膜,在鋯管外表面的鉑膜層上覆蓋一層多孔陶瓷層,並有一個防護套管,套管上開有槽口或孔。

氧氣感測器的接線端有一個金屬護套,上面開有孔,使鋯管內表面與空氣相通,電線將鋯管內表面鉑極經絕緣套從感測器引出。

氧化鋯式感測器結構

帶加熱的氧化鋯式感測器結構

氧化鋯式氧氣感測器特點

優點:結構簡單、響應迅速、維護容易、使用方便、測量準確。運用該感測器進行燃燒氣氛測量和控制既能穩定和提高產品質量,又可縮短生產周期,節約能源。

缺點:其缺點是這種特性只有在溫度較高時(600℃左右)才充分體現出來。在低溫時,這種特性會發生很大變化。

氧化鈦式氧氣感測器

氧化鈦式氧氣感測器工作原理

相對於氧化鋯型的氧氣感測器是以產生電壓的訊號,氧化鈦(TiO2)型則是利用電阻的變化來判別其中的含氧量。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。就像水溫度感測器一樣,有著電阻高低的變化,這時只要供給一參考電壓,即可由電壓來可知冷卻水的溫度。

氧化鈦式感測器結構

氧化鈦式氧氣感測器特點

氧化鈦式氧氣感測器對比氧化鋯式氧氣感測器的工作原理有很大的不同,它是利用多孔狀導體TiO2的導電性隨排氣中氧含量的變化而變化的特性製成的,故又稱電阻性氧氣感測器。

這種感測器的結構簡單、體積小、成本低,但是在300℃~900℃工作時,電阻值隨溫度變化較大,所以必須用溫度補償的方法來提高精度,通常用另一個實心TiO2導體作為溫度補償。

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