第7章：全范圍空燃比傳感器

1、第第7 7章：全范圍空燃比傳感器章：全范圍空燃比傳感器7.1、全范圍空燃比傳感器的發(fā)展過程及種類全范圍空燃比傳感器的發(fā)展過程及種類7.27.2、固體電解質(zhì)傳感器、固體電解質(zhì)傳感器7.37.3、阻值變化型傳感器（不講授）、阻值變化型傳感器（不講授）7.47.4、全范圍空燃比傳感器應用舉例全范圍空燃比傳感器應用舉例u全范圍空燃比傳感器的基本定義：全范圍空燃比傳感器的基本定義：全范圍空燃比傳全范圍空燃比傳感器，是相對普感器，是相對普通的傳感器而言通的傳感器而言的，普通氧量傳的，普通氧量傳感器僅能檢測感器僅能檢測=1=1的理論空燃的理論空燃比點，而全范圍比點，而全范圍空燃比傳感器可空燃比傳感器可以檢測

2、從濃到稀以檢測從濃到稀的整個范圍的空的整個范圍的空燃比。燃比。u該傳感器是利用氧濃差該傳感器是利用氧濃差電池電池原理和氧氣泵的原理和氧氣泵的泵電泵電原原理，能連續(xù)檢測理，能連續(xù)檢測混合氣從過濃混合氣從過濃到到理論空燃比理論空燃比再到再到稀薄稀薄狀態(tài)整個過程的一種傳感器。當混合氣過濃時，氧泵狀態(tài)整個過程的一種傳感器。當混合氣過濃時，氧泵就會吸入就會吸入O O2 2到測定室中；而當排放氣比混合氣空燃比到測定室中；而當排放氣比混合氣空燃比稀薄時，則從測定室中放出稀薄時，則從測定室中放出0 02 2到排氣中去。到排氣中去。u全范圍空燃全范圍空燃比比傳感器傳感器的結(jié)的結(jié)構(gòu)原理構(gòu)原理: :全范圍空燃比就是

3、利全范圍空燃比就是利用這一特點用氧氣泵供用這一特點用氧氣泵供給出、入測定室的給出、入測定室的O O2 2，使排放氣保持在理論空使排放氣保持在理論空燃比上。這樣就通過測燃比上。這樣就通過測定定氧泵的電流值氧泵的電流值I I，來，來測定排放氣體中的空燃測定排放氣體中的空燃比比A/FA/F。混合氣空燃比在混合氣空燃比在過濃一側(cè)為負電流過濃一側(cè)為負電流，在，在稀薄一側(cè)為稀薄一側(cè)為正電流正電流，當理論空燃比，當理論空燃比A/FA/F為為14.714.7時，電流值為零，時，電流值為零，即可連續(xù)測量出空燃比。即可連續(xù)測量出空燃比。7.1 7.1 全范圍空燃比傳感器的發(fā)展過程及種類全范圍空燃比傳感器的發(fā)展過程

4、及種類u全空燃比傳感器主要有兩大類：全空燃比傳感器主要有兩大類： 19841984年豐田公司采用了臨界電流型稀燃傳感器和反饋系統(tǒng)年豐田公司采用了臨界電流型稀燃傳感器和反饋系統(tǒng) 空燃比為空燃比為2222：1 1； 19861986年，本田公司開始采用年，本田公司開始采用NTKNTK公司生產(chǎn)的泵電池型稀燃傳公司生產(chǎn)的泵電池型稀燃傳 感器，空燃比為感器，空燃比為16161818：1 1； 19911991年本田公司采用了從年本田公司采用了從14.714.72222：1 1的全空燃比傳感器。的全空燃比傳感器。7.2 7.2 固體電解質(zhì)傳感器固體電解質(zhì)傳感器1 1、濃差電池型傳感器：、濃差電池型傳感器：

5、普通二氧化鋯傳感器只能在空燃比為普通二氧化鋯傳感器只能在空燃比為1 1附近有較附近有較好的特性；好的特性；濃差電池型傳感器與氧傳感器完全相同，經(jīng)過對濃差電池型傳感器與氧傳感器完全相同，經(jīng)過對氧傳感器的改進后，就可以將它直接用于稀燃域氧傳感器的改進后，就可以將它直接用于稀燃域改進方法：改進方法：、在二氧化鋯傳感元件中參入少量的三氧化鐵，、在二氧化鋯傳感元件中參入少量的三氧化鐵，以減少溫度對傳感器的影響。以減少溫度對傳感器的影響。、在傳感器中增加一個加熱器，保證傳感器一直、在傳感器中增加一個加熱器，保證傳感器一直處于高溫環(huán)境下工作，同時減小發(fā)動機尾氣對傳感處于高溫環(huán)境下工作，同時減小發(fā)動機尾氣對傳

6、感器的影響。器的影響。這樣傳感器就可以工作在空燃比這樣傳感器就可以工作在空燃比14.614.61818：1 1此類傳感器與此類傳感器與二氧化鋯傳感器二氧化鋯傳感器特性相同主要用特性相同主要用于稀薄燃燒區(qū)域于稀薄燃燒區(qū)域其輸出電壓為：其輸出電壓為：、濃差電池型傳感器結(jié)構(gòu)原理、濃差電池型傳感器結(jié)構(gòu)原理/4ln/sqERTFppR R、T T、F F 是常數(shù)，是常數(shù)，Ps,PqPs,Pq為基準極、測試極的氧分壓；為基準極、測試極的氧分壓；溫度為溫度為850850時時E E和和P Pq q的關系曲線的關系曲線、輸出特性輸出特性隨著空燃比的增加，其輸出電壓減小。隨著空燃比的增加，其輸出電壓減小。溫度的變

7、化對輸出電壓的影響很大。溫度的變化對輸出電壓的影響很大。u通過一直保持傳感元件處于高溫環(huán)境下，通過一直保持傳感元件處于高溫環(huán)境下，就可以在寬范圍的工作條件下實現(xiàn)稀薄控制。就可以在寬范圍的工作條件下實現(xiàn)稀薄控制。 發(fā)動機轉(zhuǎn)速與傳感元件發(fā)動機轉(zhuǎn)速與傳感元件 溫度的關系：溫度的關系：2 2、臨界電池型傳感器、臨界電池型傳感器、原理與特性：、原理與特性：當固體電解質(zhì)兩端的氧氣有當固體電解質(zhì)兩端的氧氣有濃度差濃度差時，就會時，就會產(chǎn)生電動勢；反之，當其兩端加上電壓時，就產(chǎn)生電動勢；反之，當其兩端加上電壓時，就可以輸送氧氣，氧通過固體電解質(zhì)被從電池的可以輸送氧氣，氧通過固體電解質(zhì)被從電池的陰極泵到陽極，這

8、樣就產(chǎn)生電流。陰極泵到陽極，這樣就產(chǎn)生電流。/4ln/sqERTFppP PS S與與P Pq q為濃度差。為濃度差。、結(jié)構(gòu)：、結(jié)構(gòu)：為了得到與環(huán)境氣氛中氧氣濃度有關的、比較穩(wěn)為了得到與環(huán)境氣氛中氧氣濃度有關的、比較穩(wěn)定的極限電流，在定的極限電流，在ZrO2ZrO2電池的陰極上由尖晶石制成電池的陰極上由尖晶石制成的約的約600um600um的擴散障，限制氧氣向陽極輸出，以此的擴散障，限制氧氣向陽極輸出，以此產(chǎn)生極限電流與氧分壓成線性關系。產(chǎn)生極限電流與氧分壓成線性關系。、電流與電壓的性能曲線電流與電壓的性能曲線當外加電壓的增強時，當外加電壓的增強時，會引起泵電流的增加量會引起泵電流的增加量逐漸

9、變小，這時的電流逐漸變小，這時的電流成為臨界電流。成為臨界電流。P P總壓力；總壓力；P PO2O2氧分壓氧分壓；F-F-法拉第常數(shù)；法拉第常數(shù)；S-S-負極面積負極面積L-L-多孔層厚度；多孔層厚度；D DO2O2氧氣多孔層系數(shù)氧氣多孔層系數(shù)221ln1/POOFSIDTlPPu臨界電流臨界電流IpIp與尾氣與尾氣中的氧濃度或空燃比中的氧濃度或空燃比A/FA/F大致成正比例關大致成正比例關系。系。u因此這種部件可以因此這種部件可以用作空燃比傳感器。用作空燃比傳感器。P P總壓力；總壓力；P P0202氧分壓；氧分壓；最佳工作區(qū)域最佳工作區(qū)域221ln1/POOFSIDTlPP、1984198

10、4年豐田公司汽車所用傳感器結(jié)構(gòu)年豐田公司汽車所用傳感器結(jié)構(gòu)1 1引出線（外側(cè)電極）；引出線（外側(cè)電極）；2 2加熱器引出線；加熱器引出線；3 3引出線（內(nèi)側(cè)電極）；引出線（內(nèi)側(cè)電極）；4 4二氧化鋯電解質(zhì)和陶二氧化鋯電解質(zhì)和陶 瓷涂敷層；瓷涂敷層；5 5護罩；護罩；6 6比較電極；比較電極；7 7陶瓷加熱器；陶瓷加熱器；3 3、泵電池型傳感器、泵電池型傳感器、原理原理同時利用同時利用氧量濃差氧量濃差電池原理和電池原理和氧量泵氧量泵的的泵電池型傳感器。泵電池型傳感器。電流通電流通O O2 2泵泵氧氣氧氣輸送輸送濃度差濃度差電壓電壓一片二氧化鋯元件作一片二氧化鋯元件作氧泵使用，另一片做氧氧泵使用，

11、另一片做氧檢測元件使用檢測元件使用、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)兩塊板狀兩塊板狀ZrOZrO2 2元件元件粘合而成，二者之間粘合而成，二者之間有一狹長的縫隙。有一狹長的縫隙。兩片元件中的一片兩片元件中的一片用作用作O O2 2泵使用，另一泵使用，另一片用作片用作O O2 2檢測元件使檢測元件使用。用。、輸出電壓與不同泵電流及空燃比關系輸出電壓與不同泵電流及空燃比關系、特點：、特點：不需要比較電極，所以可以做到完全防水不需要比較電極，所以可以做到完全防水設計，也不必擔心由于防水問題造成傳感器設計，也不必擔心由于防水問題造成傳感器的誤動作。的誤動作。因氧泵電流過大，所以從原理上還不適用因氧泵電流過大，所以從原理上還不

12、適用于于A/FA/F大于大于2020的超稀薄區(qū)域。的超稀薄區(qū)域。由于氧傳感元件上沒有比較基準電極，難由于氧傳感元件上沒有比較基準電極，難以用于理論空燃比點及濃側(cè)的控制等一些理以用于理論空燃比點及濃側(cè)的控制等一些理由，當時并沒有使用。由，當時并沒有使用。、改進型的、改進型的NTKNTK牌泵電池傳感器牌泵電池傳感器 （全范圍空燃比傳感器（全范圍空燃比傳感器UEGOUEGO）、結(jié)構(gòu)：、結(jié)構(gòu)：由三張片狀二氧化鋯固由三張片狀二氧化鋯固體電解質(zhì)構(gòu)成，其內(nèi)部設體電解質(zhì)構(gòu)成，其內(nèi)部設有有擴散腔擴散腔與與擴散孔擴散孔；1 1張為二氧化鋯固體張為二氧化鋯固體電解質(zhì)電解質(zhì)O O2 2泵電池；泵電池；1 1張為張為O

13、 O2 2傳感器元件；傳感器元件；1 1張作為隔板用，以確保張作為隔板用，以確保氧基準腔的準確程度。氧基準腔的準確程度。、特點：、特點：UEGOUEGO傳感器的氧元傳感器的氧元件上設有基準電極，件上設有基準電極，因此它克服了泵電池因此它克服了泵電池傳感器的缺點，可以傳感器的缺點，可以完成理論空燃比的控完成理論空燃比的控制。制。但因基準電極需引但因基準電極需引入大氣，所以有滲水入大氣，所以有滲水的可能性。的可能性。、傳感器的基本特性、傳感器的基本特性此曲線此曲線與普通與普通氧傳感氧傳感器特性器特性曲線非曲線非常相似常相似通過測定通過測定I IP P電電流值，可以流值，可以測定尾氣中測定尾氣中的的A/FA/F值。值。、傳感器的輸出電壓與加熱器外加電壓的關系、傳感器的輸出電壓與加熱器外加電壓的關系 寬帶型氧傳感器寬帶型氧傳感器（6 6線式氧傳感器）線式氧傳感器）u工作原理：工作原理：u當尾氣中的氧含量高于擴當尾氣中的氧含量高于擴散間隙內(nèi)的氧含量時，將尾散間隙內(nèi)的氧含量時，將尾氣中的氧泵入到擴散間隙中氣中的氧泵入到擴散間隙中，如果尾氣中的氧含量低于，如果尾氣中的氧含量低于擴