氧化锆式氧传感器的识别

元件

　　氧化锆式氧传感器主要由氧化锆（ZrO2）、和护套组成，如图1所示。氧化锆式氧传感器有加热式的和非加热式的两种。现代轿车大部分使用加热式的氧化锆式氧传感器。加热式的氧传感器在锆管中间有加热棒，锆管是由陶瓷体制成、固定在带有安装螺纹的固定套中。导人排插入排气管中，它的内表面与空气相通，外表面与废气相通。锆管的内、外表面覆盖一层多孔性铂膜作电极，为防止废气腐蚀铂膜，在锆管外表面的铂膜层上覆盖一层多孔陶瓷层，并有一个防护套管，套管上开有槽口或孔。氧传感器的接线端有一个金属护套，上面开有孔，使锆管内表面与空气相通，电线将锆管内表面铂极经绝缘套从传感器引出。
　　氧化锆式氧传感器的工作原理如图2所示。锆管的陶瓷体是多孔体，氧气可以渗入该多孔体固体电解质内。温度较高时，氧气发生电离。只要锆管内（大气）外（废气）狈刂氧含量不一样，存在氧浓度差，则在固体电解质内部氧离子从大气一侧向排气一侧扩散，使锆管形成微电池，在锆管铂极间产生电压。当混合气稀时，排气中氧含量多，两侧氧浓度差小，产生的电压小；当混合气浓时，排气中氧含量少，CO、HO、H2的含量较多，这些成分在锆管外表面的铂的催化作用下，与氧发生反应，消耗废气中残余的氧，使锆管外表面氧浓度变成零，这样使得锆管内、外两侧的氧浓度差突然增大，两极间产生的电压也增大。因此，氧传感器产生的电压在过量空气系数λ＝1时产生突变，λ＞1时，氧传感器输出电压几乎为零，λ＜1时，氧传感器输出电压接近1V，如图2所示氧传感器电压特性。在发动机混合气闭环控制过程中，氧传感器相当于一个浓度开关，根据混合气空燃比的变化向ECU输入宽度变化的电脉冲信号，ECU根据氧传感器反馈信号，控制喷油量，使排气中有害气体的成分减到最少。

图2 氧化锆式氧传感器的工作原理
1电动势；2大气一侧铂金电极；3圃态电解质（氧化锆元素）；4－排气一侧的铂金电极；5陶瓷涂层

　　氧传感器的这种特性只有在温度较高时（600℃左右）才充分体现出来。在低温时，这种特性会发生很大变化。为了得到稳定的输出，在氧传感器内部增加一个陶瓷加热元件，用于保证其工作温度，这种叫做加热式氧化锆氧传感器，如图4所示。这种加热式的氧传感器有四根线，两根与ECU相连，另外两根是电源正、负极线。加热元件受ECU控制，无论排气温度是多少，只要不超过工作极限温度，陶瓷体温度总是不变化。

图3  氧传感器的电压特性                                                                图4 加热式氧化锆传感器
      1电动势；⒉传感器表面的氧浓度　                         1壳体；⒉陶瓷管支承；3电缆，⒋带槽的保护套；5氧化锆；
                                                                              ⒍接触部，⒎外保护套；⒏加热元件；⒐电加热接头

　　二氧化钛式氧传感器和氧化锆式氧传感器的主要区别是：氧化锆式氧传感器是将废氧中的氧分子含量的变化转换成电压的变化；而二氧化钛式氧传感器则是将废气中的氧分子含量的变化转换成传感器电阻的变化。
　　在发动机的运转过程中，并不是在任何时刻或任何工况下，氧传感器和反馈控制系统都起作用，ECU是通过开环和闭环两种方式对发动机的喷油量进行控制。发动机在起动、大负荷及暖机运转过程中，需要浓混合气，此时ECU处在开环控制状态，氧传感器不起作用。因为氧传感器只有在高温下（一般在390℃）才投入工作，产生可靠信号，而发动机在起动后，在氧传感器未达到一定温度之前，ECU处于开环控制状态。当发动机达到正常工作温度后，ECU才进行闭环控制，氧传感器才起反馈作用。当氧传感器出现故障、输出信号异常时，电控单元会自动切断氧传感器的反馈作用，使发动机进人开环控制工作状态。
　　使用氧传感器进行反馈控制的发动机必须使用无铅汽油，因为含铅汽油燃烧后废气中的铅分子会附着在氧传感器表面上，会堵塞多孔性铂层，甚至会侵入氧化锆内部，阻碍氧离子的扩散，使氧传感器的灵敏度下降，最终会失效，使发动机进入开环控制状态，出现这种情况称之为氧传感器中毒。此外，氧传感器还会发生硅中毒，即汽油和润滑油中含有硅化合物，燃烧后生成二氧化硅，硅橡胶密封圈使用不当散发出的有机硅气体，都会使氧传感器产生硅中毒而失效。所以在使用和维护作业时，要选用无铅汽油和质量好的润滑油，正确选用和安装橡胶圈，不要在传感器上涂抹不符合原厂规定的溶剂和密封胶。
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