1、河北科技学院学生毕业设计（论文）题目: 汽车氧传感器的故障检测 2013 年 1 月作 者：赵向达 学 号：Z111012022 系 别：汽车工程 专 业：汽车检测与维修 年 级：2011 级 指导教师：卢欣欣 完成日期：2014 年 3 月 23 日1目 录摘要 .21 汽车氧传感器的结构特点 .21.1 氧传感器的组成 .21.2 氧传感器的工作原理 .31.4 氧化钛型氧传感器 .72 汽车氧传感器的技术特点 .82.1 氧传感器的作用 .82.2 氧传感器技术特点分析 .82.2.1 氧传感器是一种热敏电压型传感器 .82.2.2 氧传感器的故障确认采取“时域判定法” .92.2.3.
2、氧传感器是一种多元故障的“报警器” .92.3 简单介绍现在氧传感器技术的发展情况 .102.3.1.摩擦电极引线方式的氧传感器 .102.3.2.新型氧传感器 .103 氧传感器故障对发动机的影响分析 .113.1 氧传感器引起的故障现象 .113.2 电控发动机氧传感器故障分析 .113.3 氧传感器常见故障 .123.3.1.氧传感器中毒 .123.3.2.积碳 .123.3.3.氧传感器陶瓷碎裂 .133.3.4.加热器电阻丝烧断 .133.4 维修氧传感器的注意事项 .134 汽车氧传感器典型故障分析 .154.1 故障现象 .154.2 故障检修与诊断 .15结 论 .16参考文献
3、 .182摘 要随着汽车技术的发展，世界各国对汽车尾气排放标准要求越来越严格，电喷汽车越来越受市场的追捧。氧传感器是现代汽车控制废气排放、提高燃油经济性的重要传感器之一，发动机的氧传感器是发动机用于调节空燃比信号，氧传感器故障会造成燃油消耗增大，发动机工作异常，不但造成经济损失还会造成大气污染。而氧传感器一旦出现故障，将使电子燃油喷射系统的电脑不能得到排气管中氧浓度的信息，因而不能对空燃比进行反馈控制，会使发动机油耗和排放污染增加，发动机怠速不稳、缺火、喘振等故障现象。因此，必须及时的进行故障检测和排除故障或更换。关键词：汽车排放控制; 氧传感器; 故障检测31汽车氧传感器的结构特点1.1氧传
4、感器的组成氧传感器利用了 Nernst 原理。 其核心元件是多孔的 ZrO2陶瓷管，它是一种固态电解质，两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极。在一定温度下，由于两侧氧浓度不同，高浓度侧(陶瓷管内侧 4)的氧分子被吸附在铂电极上与电子（4e）结合形成氧离子 O2-，使该电极带正电，O2 - 离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧(废气侧)，使该电极带负电, 即产生电势差。 当空燃比较低时(浓混合气)，废气中的氧较少，因此陶瓷管外侧氧离子较少，形成 1.0V 左右的电动势；当空燃比等于 14.7 时，此时陶瓷观内外两侧产生的电动势为 0.4V0.5V， 该电动势为基准电动势；当空燃比较高时（稀
5、混合气） ，废气中氧含量较高，陶瓷管内外的氧离子浓度差较小，所以产生电动势很低，接近为零。 加热型氧传感器：如图 1-1 所示。加热型氧传感器抗铅能力强；对排气温度依赖少，能在负荷低、废气温度较低的情况下照常发挥作用；起动后迅速进入闭环控制。 图 1-1 加热型管式氧传感器核心元件41.2氧传感器的工作原理氧传感器是利用陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空燃比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。它是目前最佳的燃烧气分测量方式，具有结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便
6、、测量准确等优点。运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约能源，如图 1-2所示 。图 1-2 氧传感器氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。其基本工作原理是：在一定条件下(高温和铂催化)，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为 21%，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。 在高温及铂的催化下，带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上。由于大气中的氧气比废气中的氧气多，套管上与大气相通一侧比废气
7、一侧吸附更多的负离子，两侧离子的浓度差产生电动势。当套管废气一侧的氧浓度低时，在电极之间产生一个高电压(0。61V)，这个电压信号被送到 ECU 放大处理，ECU 把高电压信号看作浓混合气，而把低电压信号看作稀混合气。根据氧传感器的电压信号，电脑按照尽可能接近 14.7：1 的理论最佳空燃比来稀释或加浓混合气。因此氧5传感器是电子控制燃油计量的关键传感器。氧传感器只有在高温时(端部达到300以上)其特性才能充分体现，才能输出电压。它在约 800时，对混合气的变化反应最快，而在低温时这种特性会发生很大变化。1.3氧化锆型氧传感器氧化锆型氧传感器的基本元件是专用陶瓷体，即氧化锆(ZrO2 )：固体
8、电解质，如图 1-3 所示。陶瓷体制成管状，称为锆管。锆管内表面与大气相通，外表面与废气相通。锆管内外表面覆盖一层多孔性铂膜作为电极 ，允许氧渗入该固体电解质内，温度较高时它工作时的温度较高，氧气发生电离 。1、导管排气孔罩；2、锆管；3、电极；4、弹簧；5、线头支架（绝缘） ；6 导管；7、排气管图 1-3 氧化锆型氧传感器的结构图若陶瓷体内(大气)外(废气)侧氧含量不一致，固体电解质内部氧离子 自大气一侧向排气一侧扩散，锆管便成了一个微电池，在锆管两铂极间产生电压，1.陶瓷体 ; 2.铂金体；3、 4.电极引线点；5.排气管；6.陶瓷防护层；7.排气；8 大气图 1-4 氧传感器在排气管中
9、的布置6如图 1-4 所示。当混合气稀时，排气中氧含量多，两侧氧浓度差小，只产生小的电压；相反，混合气浓时电压增大。氧传感器电压在过量空气系数等于一时产生突变，大于一时输出电压几乎为零，小于一时输出电压接近一伏，如图 1-5 所示。在发动机混合气空燃比闭环控制的过程中，氧传感器相当于一个浓稀开关，根据混合气空燃比变化向电脑输送脉冲宽度变化的电压脉冲信号，如图 1-6 所示 。氧化锆型氧传感器输出信号的强弱与工作温度有关(正常工作温度在400900)，有些氧传感器采用加热的方式来保证其正常工作温度，称之为加热式氧传感器，它与不加热式的区别仅在于增加了一个陶瓷加热元件。加热式氧传感器安装灵活性大，
10、不受极端温升的影响，同时扩大了混合气闭环控制的工作范围。图 1-5 氧传感器的电压特性7图 1-6 氧传感器电压脉冲信号变化其核心部件是一个试管型 ZrO2：固体电解质元件，在管的内、外表面涂敷一层金属铂作为电极，并用金属线与传感器信号输出端子连接。 为防止废气中的杂质腐蚀铂膜，ZrO2：传感元件的铂膜上覆盖一层多孔陶瓷作为涂层。 将传感器插入汽车 的尾气中，固体电解质管的内侧通人参比气体(通常采用空气)，参比氧分 压固定为；外表面与尾气接触， 排气氧分压为 ，且随着可燃混合气浓度的变化而变化。这样由于内 、外侧氧分压不同 ，氧离子从浓度高的一 侧穿过 ZrO2固体电解质向浓度低的一侧扩散，从
11、而在固体电解质两侧电极上 产生氧浓差电势，且该氧浓差电势随着可燃混合气浓度的变化而变化，形 成“氧浓差电池”，传感器的信号相当于一个可变电源 。其工作特性。当供给的可燃混合气较浓时(空燃 t：EAF147)， 因尾气中氧离子含量比较多，和很接近， 氧浓差很小，产生的电动势很小(约 01 V)。在混合气接近理论空燃比时，输出 045 V 电压。因此 ，在理论空燃比附近，固 体电解质两边的氧分压之比的急剧变化将引起输出电压的急剧变化，表现 为工作曲线非常陡峭。这种特性使它非常适合应用于三元催化转化系统进 行理论空燃比的控制。而在整个稀薄燃烧区内(AF17)，只有很低的电压 信号，且信号变化很小、
12、曲线平滑。由此看来，氧浓差电池型传感器只能 在比较狭窄的范围内对尾气含氧量进行检测，也只有用于理论空燃比附近 的反馈控制才具有较高的准确性 。81.4氧化钛型氧传感器TiO2 式氧传感器是利用 TiO2 材料的电阻值随排气中的氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻型氧传感器 。TiO 2式 氧传感器的外形和 ZrO2 式氧传感器相似 ，在传感器前端的护罩内是一个 TiO2 厚膜元件 (图 1-7)。纯TiO2在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其晶格便出现缺陷，电阻随之减少。由于 TiO2的电阻也随温度不同而变化，因此 ，在 TiO2式氧传感器内部也有一个电加热器 ，以保持 Ti
13、O2式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变 。如图 3-6 所示，ECU2 端子将一个恒定的 1 V 电压加在 TiO2式氧传感器的一端上，传感器的另一端与 ECU4 接。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 4 端子上的电压降也随着变化。当 4 端子上的电压高于参考 电压时 ，ECU 判定混合气过浓；当 4 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，TiO2式与 ECU 连接的 4 端子上的电压也是在 0 109V 之问不断变化，这一点与 Z
14、r02 氧传感器式氧传感器是相似的。1.氧化钛式氧传感器；2.电压端子；3.ECU；4.输出电压端子；图 1-7 氧化钛式氧传感器工作原理92汽车氧传感器的技术特点2.1 氧传感器的作用在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO、HC 和 NOx 的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，并向 ECU 发出反馈信号，再由 ECU 控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。电喷车为获得高排气净化率，降低排气中（CO）一氧化碳、（HC）碳氢化合物和（NOx）氮氧化合
15、物成份，必须利用三元催化器。但为了能有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比。催化器通常装在排气歧管与消声器之间。氧传感器具有一种特性，在理论空燃比（14.7：1）附近它输出的电压有突变。这种特性被用来检测排气中氧气的浓度并反馈给电脑，以控制空燃比。当实际空燃比变高，在排气中氧气的浓度增加而氧传感器把混合气稀的状态（小电动势：OV）通知 ECU。当空燃比比理论空燃比低时，在排气中氧气的浓度降低，而氧传感器的状态（大电动势：1V）通知（ECU）电脑。ECU 根据来自氧传感器的电动势差别判断空燃比的低或高，并相应地控制喷油持续的时间。但是，如氧传器有故障使输出的电动势不正常，（ECU）电脑就不能精确控制空燃比。所以氧传感器还能弥补由于机械及电喷系统其它件磨损而引起空燃比的误差。可以说是电喷系统中唯一有“智能”的传感器。2.2氧传感器技术特点分析2.2.1氧传感器是一种热敏电压型传感器氧传感器间接地反映进入气缸中混合气的浓度，这种信息是以波动的电压传递给电控单元（ECU）的，因此判断氧传感器性能的主要方法是检测氧传感器
