第7章：全范围空燃比传感器

1、第第7 7章：全范围空燃比传感器章：全范围空燃比传感器7.1、全范围空燃比传感器的发展过程及种类全范围空燃比传感器的发展过程及种类7.27.2、固体电解质传感器、固体电解质传感器7.37.3、阻值变化型传感器（不讲授）、阻值变化型传感器（不讲授）7.47.4、全范围空燃比传感器应用举例全范围空燃比传感器应用举例u全范围空燃比传感器的基本定义：全范围空燃比传感器的基本定义：全范围空燃比传全范围空燃比传感器，是相对普感器，是相对普通的传感器而言通的传感器而言的，普通氧量传的，普通氧量传感器仅能检测感器仅能检测=1=1的理论空燃的理论空燃比点，而全范围比点，而全范围空燃比传感器可空燃比传感器可以检测

2、从浓到稀以检测从浓到稀的整个范围的空的整个范围的空燃比。燃比。u该传感器是利用氧浓差该传感器是利用氧浓差电池电池原理和氧气泵的原理和氧气泵的泵电泵电原原理，能连续检测理，能连续检测混合气从过浓混合气从过浓到到理论空燃比理论空燃比再到再到稀薄稀薄状态整个过程的一种传感器。当混合气过浓时，氧泵状态整个过程的一种传感器。当混合气过浓时，氧泵就会吸入就会吸入O O2 2到测定室中；而当排放气比混合气空燃比到测定室中；而当排放气比混合气空燃比稀薄时，则从测定室中放出稀薄时，则从测定室中放出0 02 2到排气中去。到排气中去。u全范围空燃全范围空燃比比传感器传感器的结的结构原理构原理: :全范围空燃比就是

3、利全范围空燃比就是利用这一特点用氧气泵供用这一特点用氧气泵供给出、入测定室的给出、入测定室的O O2 2，使排放气保持在理论空使排放气保持在理论空燃比上。这样就通过测燃比上。这样就通过测定定氧泵的电流值氧泵的电流值I I，来，来测定排放气体中的空燃测定排放气体中的空燃比比A/FA/F。混合气空燃比在混合气空燃比在过浓一侧为负电流过浓一侧为负电流，在，在稀薄一侧为稀薄一侧为正电流正电流，当理论空燃比，当理论空燃比A/FA/F为为14.714.7时，电流值为零，时，电流值为零，即可连续测量出空燃比。即可连续测量出空燃比。7.1 7.1 全范围空燃比传感器的发展过程及种类全范围空燃比传感器的发展过程

4、及种类u全空燃比传感器主要有两大类：全空燃比传感器主要有两大类： 19841984年丰田公司采用了临界电流型稀燃传感器和反馈系统年丰田公司采用了临界电流型稀燃传感器和反馈系统 空燃比为空燃比为2222：1 1； 19861986年，本田公司开始采用年，本田公司开始采用NTKNTK公司生产的泵电池型稀燃传公司生产的泵电池型稀燃传 感器，空燃比为感器，空燃比为16161818：1 1； 19911991年本田公司采用了从年本田公司采用了从14.714.72222：1 1的全空燃比传感器。的全空燃比传感器。7.2 7.2 固体电解质传感器固体电解质传感器1 1、浓差电池型传感器：、浓差电池型传感器：

5、普通二氧化锆传感器只能在空燃比为普通二氧化锆传感器只能在空燃比为1 1附近有较附近有较好的特性；好的特性；浓差电池型传感器与氧传感器完全相同，经过对浓差电池型传感器与氧传感器完全相同，经过对氧传感器的改进后，就可以将它直接用于稀燃域氧传感器的改进后，就可以将它直接用于稀燃域改进方法：改进方法：、在二氧化锆传感元件中参入少量的三氧化铁，、在二氧化锆传感元件中参入少量的三氧化铁，以减少温度对传感器的影响。以减少温度对传感器的影响。、在传感器中增加一个加热器，保证传感器一直、在传感器中增加一个加热器，保证传感器一直处于高温环境下工作，同时减小发动机尾气对传感处于高温环境下工作，同时减小发动机尾气对传

6、感器的影响。器的影响。这样传感器就可以工作在空燃比这样传感器就可以工作在空燃比14.614.61818：1 1此类传感器与此类传感器与二氧化锆传感器二氧化锆传感器特性相同主要用特性相同主要用于稀薄燃烧区域于稀薄燃烧区域其输出电压为：其输出电压为：、浓差电池型传感器结构原理、浓差电池型传感器结构原理/4ln/sqERTFppR R、T T、F F 是常数，是常数，Ps,PqPs,Pq为基准极、测试极的氧分压；为基准极、测试极的氧分压；温度为温度为850850时时E E和和P Pq q的关系曲线的关系曲线、输出特性输出特性随着空燃比的增加，其输出电压减小。随着空燃比的增加，其输出电压减小。温度的变

7、化对输出电压的影响很大。温度的变化对输出电压的影响很大。u通过一直保持传感元件处于高温环境下，通过一直保持传感元件处于高温环境下，就可以在宽范围的工作条件下实现稀薄控制。就可以在宽范围的工作条件下实现稀薄控制。 发动机转速与传感元件发动机转速与传感元件 温度的关系：温度的关系：2 2、临界电池型传感器、临界电池型传感器、原理与特性：、原理与特性：当固体电解质两端的氧气有当固体电解质两端的氧气有浓度差浓度差时，就会时，就会产生电动势；反之，当其两端加上电压时，就产生电动势；反之，当其两端加上电压时，就可以输送氧气，氧通过固体电解质被从电池的可以输送氧气，氧通过固体电解质被从电池的阴极泵到阳极，这

8、样就产生电流。阴极泵到阳极，这样就产生电流。/4ln/sqERTFppP PS S与与P Pq q为浓度差。为浓度差。、结构：、结构：为了得到与环境气氛中氧气浓度有关的、比较稳为了得到与环境气氛中氧气浓度有关的、比较稳定的极限电流，在定的极限电流，在ZrO2ZrO2电池的阴极上由尖晶石制成电池的阴极上由尖晶石制成的约的约600um600um的扩散障，限制氧气向阳极输出，以此的扩散障，限制氧气向阳极输出，以此产生极限电流与氧分压成线性关系。产生极限电流与氧分压成线性关系。、电流与电压的性能曲线电流与电压的性能曲线当外加电压的增强时，当外加电压的增强时，会引起泵电流的增加量会引起泵电流的增加量逐渐

9、变小，这时的电流逐渐变小，这时的电流成为临界电流。成为临界电流。P P总压力；总压力；P PO2O2氧分压氧分压；F-F-法拉第常数；法拉第常数；S-S-负极面积负极面积L-L-多孔层厚度；多孔层厚度；D DO2O2氧气多孔层系数氧气多孔层系数221ln1/POOFSIDTlPPu临界电流临界电流IpIp与尾气与尾气中的氧浓度或空燃比中的氧浓度或空燃比A/FA/F大致成正比例关大致成正比例关系。系。u因此这种部件可以因此这种部件可以用作空燃比传感器。用作空燃比传感器。P P总压力；总压力；P P0202氧分压；氧分压；最佳工作区域最佳工作区域221ln1/POOFSIDTlPP、1984198

10、4年丰田公司汽车所用传感器结构年丰田公司汽车所用传感器结构1 1引出线（外侧电极）；引出线（外侧电极）；2 2加热器引出线；加热器引出线；3 3引出线（内侧电极）；引出线（内侧电极）；4 4二氧化锆电解质和陶二氧化锆电解质和陶 瓷涂敷层；瓷涂敷层；5 5护罩；护罩；6 6比较电极；比较电极；7 7陶瓷加热器；陶瓷加热器；3 3、泵电池型传感器、泵电池型传感器、原理原理同时利用同时利用氧量浓差氧量浓差电池原理和电池原理和氧量泵氧量泵的的泵电池型传感器。泵电池型传感器。电流通电流通O O2 2泵泵氧气氧气输送输送浓度差浓度差电压电压一片二氧化锆元件作一片二氧化锆元件作氧泵使用，另一片做氧氧泵使用，

11、另一片做氧检测元件使用检测元件使用、结构结构两块板状两块板状ZrOZrO2 2元件元件粘合而成，二者之间粘合而成，二者之间有一狭长的缝隙。有一狭长的缝隙。两片元件中的一片两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检测元件使检测元件使用。用。、输出电压与不同泵电流及空燃比关系输出电压与不同泵电流及空燃比关系、特点：、特点：不需要比较电极，所以可以做到完全防水不需要比较电极，所以可以做到完全防水设计，也不必担心由于防水问题造成传感器设计，也不必担心由于防水问题造成传感器的误动作。的误动作。因氧泵电流过大，所以从原理上还不适用因氧泵电流过大，所以从原理上还不

12、适用于于A/FA/F大于大于2020的超稀薄区域。的超稀薄区域。由于氧传感元件上没有比较基准电极，难由于氧传感元件上没有比较基准电极，难以用于理论空燃比点及浓侧的控制等一些理以用于理论空燃比点及浓侧的控制等一些理由，当时并没有使用。由，当时并没有使用。、改进型的、改进型的NTKNTK牌泵电池传感器牌泵电池传感器 （全范围空燃比传感器（全范围空燃比传感器UEGOUEGO）、结构：、结构：由三张片状二氧化锆固由三张片状二氧化锆固体电解质构成，其内部设体电解质构成，其内部设有有扩散腔扩散腔与与扩散孔扩散孔；1 1张为二氧化锆固体张为二氧化锆固体电解质电解质O O2 2泵电池；泵电池；1 1张为张为O

13、 O2 2传感器元件；传感器元件；1 1张作为隔板用，以确保张作为隔板用，以确保氧基准腔的准确程度。氧基准腔的准确程度。、特点：、特点：UEGOUEGO传感器的氧元传感器的氧元件上设有基准电极，件上设有基准电极，因此它克服了泵电池因此它克服了泵电池传感器的缺点，可以传感器的缺点，可以完成理论空燃比的控完成理论空燃比的控制。制。但因基准电极需引但因基准电极需引入大气，所以有渗水入大气，所以有渗水的可能性。的可能性。、传感器的基本特性、传感器的基本特性此曲线此曲线与普通与普通氧传感氧传感器特性器特性曲线非曲线非常相似常相似通过测定通过测定I IP P电电流值，可以流值，可以测定尾气中测定尾气中的的A/FA/F值。值。、传感器的输出电压与加热器外加电压的关系、传感器的输出电压与加热器外加电压的关系 宽带型氧传感器宽带型氧传感器（6 6线式氧传感器）线式氧传感器）u工作原理：工作原理：u当尾气中的氧含量高于扩当尾气中的氧含量高于扩散间隙内的氧含量时，将尾散间隙内的氧含量时，将尾气中的氧泵入到扩散间隙中气中的氧泵入到扩散间隙中，如果尾气中的氧含量低于，如果尾气中的氧含量低于扩