氧傳感器的工作原理

www.diaoyou.cc 來源：互聯網作者：hx2101678 類別：汽車電器維修時間：2006-11-16

氧傳感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，達到監測和控制爐內燃燒空然比，保證產品質量及尾氣排放達標的測量元件，廣泛應用于各類煤燃燒、油燃燒、氣燃燒等爐體的氣氛控制。它是目前最佳的燃燒氣氛測量方式，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。運用該傳感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。
    氧傳感器的工作原理與干電池相似，傳感器中的氧化鋯元素起類似電解液的作用。其基本工作原理是：在一定條件下(高溫和鉑催化)，利用氧化鋯內外兩側的氧濃度差，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，稀混合氣燃燒后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。由于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。根據氧傳感器的電壓信號，電腦按照盡可能接近14.7：1的理論最佳空燃比來稀釋或加濃混合氣。因此氧傳感器是電子控制燃油計量的關鍵傳感器。氧傳感器只有在高溫時(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。
    氧傳感器的雜波分析
    1、概述
    為什么要研究氧傳感器波形上的雜波信號呢?這是因為雜波可能是由于燃燒效率低造成的，只要上流動系統不是處在正確的工作狀態下，催化器就不能被精確地測試，氧傳感器波形的雜波能警告各個發動機氣缸性能的下降，這時廢氣診斷是最主要的。因為它能發現催化器轉換效率的降低和個別氣缸的性能降低。雜波信號也妨礙燃油反饋控制系統控制器的正常運行(在發動機控制電腦中的反饋程序運行)，“燃油反饋控制系統控制器”專門指起作用的軟件程序(從現在起，稱之為“反饋控制器”)，它是接受氧傳感器電壓信號并計算正確的即時噴油或混合氣控制命令的程序。
    通常，反饋控制器程序不是設計成有效地去處理由非正常的系統操作和燃油控制命令所產生的氧傳感器信號頻率。雜亂的高頻變動信號能使反饋控制器失掉控制精度，或失去“反饋節奏”。這里有幾個影響，首先，當反饋控制器的操作精度受影響時，燃油混合比就會超出催化劑窗口，這將影響轉換器的工作效率和廢氣排放。其次，當反饋控制器的操作精度受影響時，發動機性能也將受到影響。
    雜波可以成為失去控制的廢氣進入催化劑的判定性指示，經常可發現當雜波存在時，進入催化劑的廢氣便沒有了正確的混合氣空燃比，理解氧傳感器波形上的雜波對廢氣排放的修理診斷是很重要的。在一些情況下，雜波是催化轉換效率減少的明顯信號，隨后就是尾氣排放超出標準。此外，氧傳感器波形上雜波的解釋、對發動機性能或行駛能力診斷是一個有價值的工具。雜波是燃燒效率從一缸到另一個缸不平衡指示。對氧傳器波形上的雜波的解釋和理解對有效地運用氧傳感器信號修理驗證也是很重要的。
    在氧傳感強器波形上的雜波表明排氣變化從一個缸到另一個缸的不平衡，或者是比較特別地從個別的燃燒過程中沒有得到較高的氧的含量。大多數氧傳感器當工作正常時能夠比較快的反饋各個燃燒過程所產生的電壓偏差。雜波的信號限制越大，從各個燃燒過程測得氧成分的差別就越大，在不同行駛方式下看到的雜波不但對確定穩態和瞬態廢氣試驗失效的根本原因是重要的，而且也是有效的可駕駛性能診斷的判斷依據。
    在加速方式下與BC的峰值毛刺形成一對一廢氣波形的氧傳感器信號雜波是一種非常重要的診斷信號，因為它意味著在有負荷的情況下點火出現斷火現象。通常，雜波幅度越大。在排氣中氧傳感器的成份就越多，所以雜波是由于進入催化器的反饋氣平均氧含量升高造成氧化氮排前增加的指示，在濃氧環境中(稀混合氣)催化器中的氧化氮不能被減少(化學地)。
    綜上所述，已知一些反饋類型系統完全正常的氧傳感器波形上的雜波信號對廢氣或發動機性能不產生明顯影響。對于少量的雜波可以不去管它，而大量的雜波是重要的。這正說明診斷是一種藝術，要學會判斷什么是正常的雜波，什么不是就需要實踐，而最好的老師是經驗，學習的最好方法是從觀察不同行駛里程和不同類型的汽車上觀察氧傳感器波形。理解什么是正常的雜波，什么是不正常雜波，對有效地進行廢氣排放修理以及行駛能力診斷是非常有價值的，它值得花時間去學習。
    對于大多數普通系統，一個軟件波形是絕對有價值的，對正在控制著的系統擁有一張氧傳感器參考波形，能判斷出什么樣的雜波是允許的、正常的，而什么樣的雜波是應該關注的，關于好的雜波標準是：如果發動機性能是好的，則應該沒有真空泄漏，廢氣中的碳氫(HC)化合物和氧含量是正常的。
    在本部分的試驗中將盡可能地給出大量的資料，以便去理解在這個訓練中正好有充分的時間和空間來包括所有的關于這個的課題。
    2、雜波產生的原因
    氧傳感器信號的雜波通常由以下原因引起：
    A.缸的點火不良(各種不同的根本原因，點火系統造成的點火不良，氣缸壓力造成的點火不良真空泄漏和噴油嘴不平衡造成的點火不良)；
    B.系統設計，例如不同的進氣管通道長度等等；
    C.由于發動機和零部件老化造成的系統設計問題的擴大(由于氣缸壓力不平衡造成的不同的進氣管通道長度問題的擴大)；
    D.系統設計，例如不同的進氣管通道等等。
    (1)由點火不良氣缸引起氧傳感器波形的雜波
    發動機的點火不良是如何引起雜波呢？在點火不良狀態下波形上的毛刺和雜波由那些燃燒不完全或根本不燃燒的單個燃燒時間或系列燃燒事件引起，它導致在氣缸中有效氧化部分被利用，剩下的多余氧走到排氣管中，并經過氧傳感器。當傳感器發現排氣中氧成分變化時，它就非常快地產生一個低壓或毛刺，一系列這些高頻毛刺就組成稱之為“雜波”東西。
    (2)產生毛刺的不同點火不良類型
    a)點火系統造成的點火不良(例如：損壞的火花塞、高壓線、分電器蓋、分火頭、點火線圈或只影響單個氣缸或一對氣缸的初級點火問題)。通常點火示波器可以用來確定這些問題或排除這些故障)；
    b)送至氣缸的混合氣濃造成的點火不良(各種可能的原因)對給定的危險混合氣空燃比例約為13：1；
    c)送至氣缸的混合氣過稀造成的點火不良(各種可能的原因)對給定的危險的混合氣空燃比例為17：1；
    d)由氣缸壓力造成的點火不良，它是由機械問題造成的，它使得在點火前燃油空氣混合氣的壓力降低，并不能產生足夠的熱，這就妨礙了燃燒，它增加了排氣中的氧含量。(例如氣門燒損，活塞環斷裂或磨損，凸輪磨損，氣門卡住等)；
    c)一個缸或幾個缸有真空泄漏造成的不良，這可以通過對所懷疑的真空泄漏區域(進氣葉輪、進氣歧管墊、真空管等)加入丙烷的方法來確定，看示波器的波形什么時候因加丙烷使信號變多，尖峰消失，當與一個缸或幾個缸有關的真空泄漏造成進入氣缸的混合氣超過17：1時，真空泄漏造成的點火不良就發生了。
    f)就噴油嘴噴射不平衡造成的點火不良僅在多點噴射發動機中，一個缸的油濃或稀混合氣造成點火不良是因為噴油時每個噴油嘴實際噴射的油量太多了或太少(噴油嘴堵塞或卡住)造成的。當一個氣缸或幾個汽油中的混合氣空燃比超過危險時17：1就產生了稀點火不良，低于13：1也產生濃點火不良，這就造成了噴油嘴噴油不平衡產生的點火不良。
    通常，可以用排除由點火系統造成的點火不良、氣缸壓力的點火不良和單個氣缸真空泄漏造成的可能性來判斷。噴油不平衡。可以用汽車示波器排除自點火系統和氣缸壓力造成的點火不良(用發現點火系統造成的點火不良和動力平衡氣缸壓力問題)。排除與個別氣缸有關的真空泄漏，通常采用往可能產生真空泄漏的區域或周圍加丙烷(進氣歧管、化油器墊等)的方法，同時像從前說過的那樣，從示波器上觀察氧傳感器信號波形的方法達到目的。通常，在多點燃油噴射發動機，如果不能證實a、b、和c類型造成的點火不良，那么不平衡造成氧傳感器波形中的嚴重雜波的可能性就可以確定。
    判斷氧傳感器的雜波的規則
    如果氧傳感器的信號上有明顯的雜波，這種雜波對所判斷的那一類系統是不正常的話，通常這將伴隨著重復的、可測試出的怠速時的發動機故障(例如：每次氣缸點火的的爆震)。通常，如果雜波是明顯的，發動機的故障最終將與波形上的各個尖峰有關，沒有明顯的伴隨著發動機故障的雜波是不容易消除的雜波(在某些情況下這是正確的)，也就是說當在波形上產生雜波的個別尖峰最終與發動機故障無關時，那么在修理中想要排除它的可能性很小。
    綜上所說，判斷雜潑的規則是：如果可斷定進氣歧管無真空泄漏，排氣的碳氫化合物(HC)和氧的含量正常，發動機的轉動或怠速都比較平衡的話，那么雜波或許是可以接收的，或是正常的。
    許多汽車燃油反饋控制系統中，不但安裝一個氧傳感器，福特3.8L V6型從1980年制造出來的就裝有兩個氧傳感，為了適應不斷加強的EPA的廢氣控制要求，使用多個氧傳感器的系統數量在不斷增加。在1988年和更新的汽車上氧傳感器的數目在連續地增加。此外，從1994年起一些汽車在催化器前和后各裝一個氧傳感器，這種結何可以用裝在汽車上的OBD-Ⅱ系統來檢查催化器的性能，在一定情況下，還可以增加對空燃比控制的精度。在任何情況下，由于氧傳感器信號快使其成為最有價值的發動機性能診斷工具之一，氧傳感器越多，對檢修技術人員越有好處。
    通常，燃油反饋控制系統的工程邏輯決定，氧傳感器在靠近燃燒室的地方，燃油控制的精度越高，這主要是由于排氣空氣氣流的特性確定的：例如氣體的速度，通道的長度(氣體瞬時太滯后)和傳感器的響應的時間等等。許多制造商在每個氣缸的每個排氣歧管底下安裝一個氧傳感器，這樣就能判定哪一個氣缸有問題，這就排除了診斷失誤的可能性，在許多情況下靠排除至少一半潛在有問題氣缸來減少診斷時間。
    用雙氧傳感器進行催化器監視
    一個工作正常的催化轉換器，配上正常控制燃油分配系統的燃油反饋控制系統，它可以保證最安全的將有害的排氣成份變為相對無害的氧化碳和水蒸氣，但是，催化器會因過熱而受損(由點火不良等等)，這導致催化劑表面減少和孔板金屬燒結，這兩點都將使催化器永久損壞。
    當催化劑失效時就能知道，對環境和廢氣系統修理時，技術人員是十分重要的。
    OBD-Ⅱ診斷系統的出現，對環境和催化劑的隨車監視系統、OBD-II監視系統依據好或壞的催化劑的氧化特征作精確的檢測手段。在穩定運行時，催化劑后面好的氧傳感器(熱的)應比催化劑前的任何一個氧傳感器的信號波動少得多，這是由于在轉換碳氫化合物和一氧化碳時正常運行的催化劑消耗氧化能力，這就減少了后氧傳感器信號的波動。
    后氧傳感器的信號波動比氧傳感器的信號波動要小的多。也要注意當催化劑“關斷”(或達到運行溫度)，催化器開始儲存和用氧做催化轉換時，信號由于在排氣中氧越來越少而升高。
    當催化劑完全損壞時，催化劑的轉換效率、以及它的氧儲存能力喪失，因此，催化劑后部的排氣中氧的含量如果不完全的話，則十分接近催化劑前部的排氣中的氧的含量。