1、第七章第七章 全范圍空燃比傳感器全范圍空燃比傳感器7.1 全范圍空燃比傳感器的發展過程及種類全范圍空燃比傳感器的發展過程及種類7.2 固體電解質型傳感器固體電解質型傳感器7.3 阻值變化型傳感器阻值變化型傳感器7.4 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7.1 全范圍空燃比傳感器的發展過全范圍空燃比傳感器的發展過程及種類程及種類 全范圍空燃比傳感器的種類見全范圍空燃比傳感器的種類見表表7一一1，大致可以分為，采用，大致可以分為，采用了以了以ZrO2為基體的固體電解質型和利用氧化物半導體電阻變為基體的固體電解質型和利用氧化物半導體電阻變化型兩類。前者還可以細分為電池型、臨界電流型

2、及泵型三化型兩類。前者還可以細分為電池型、臨界電流型及泵型三種，現在已批量生產的全范圍空燃比傳感器都屬這一種。種，現在已批量生產的全范圍空燃比傳感器都屬這一種。下一頁返回7.1 全范圍空燃比傳感器的發展過全范圍空燃比傳感器的發展過程及種類程及種類 1984年豐田公司采用了臨界電流型稀燃傳感器和反饋系統，年豐田公司采用了臨界電流型稀燃傳感器和反饋系統，用用A/F22控制的車輛在日本國內銷售，這種系統進一步改進控制的車輛在日本國內銷售，這種系統進一步改進后，在日本和歐洲開始批量生產。后，在日本和歐洲開始批量生產。1986年，本田公司在輸年，本田公司在輸出北美的車輛上開始采用出北美的車輛上開始采用N

3、TK生產的泵電池型稀燃傳感器，生產的泵電池型稀燃傳感器，這種傳感器屬于這種傳感器屬于A/F 16一一18稀燃專用傳感器，對其進一步稀燃專用傳感器，對其進一步改進后，從理論空燃比到改進后，從理論空燃比到A/F 22為止的整個范圍均可以控為止的整個范圍均可以控制，制，1991年本田對國內、北美，三菱對國內銷售了采用這年本田對國內、北美，三菱對國內銷售了采用這種傳感器的車輛，這些車輛裝用的都是種傳感器的車輛，這些車輛裝用的都是NTK生產的泵電池型生產的泵電池型UEGO傳感器。傳感器。上一頁 返回7.2 固體電解質型傳感器固體電解質型傳感器7. 2. 1濃差電池型傳感器濃差電池型傳感器 這種形式的傳感

4、器與前面講過的氧傳感器完全相同，不過是這種形式的傳感器與前面講過的氧傳感器完全相同，不過是直接用于稀燃區域。裝用二氧化鋯元件的氧濃差電池的輸出直接用于稀燃區域。裝用二氧化鋯元件的氧濃差電池的輸出電壓電壓. 作為工業用的氧分壓計，是在溫度保持一定的電爐中，吸收作為工業用的氧分壓計，是在溫度保持一定的電爐中，吸收尾氣、使溫度穩定，再測量輸出電壓的。尾氣、使溫度穩定，再測量輸出電壓的。 下一頁返回7.2 固體電解質型傳感器固體電解質型傳感器 但在用于汽車上時，尾氣溫度、流量都是變化著的，所以這但在用于汽車上時，尾氣溫度、流量都是變化著的，所以這種方法有一定局限性。對此，有人研究了用溫度傳感器去修種方

5、法有一定局限性。對此，有人研究了用溫度傳感器去修正車用氧傳感器的輸出，同時分析了由此而帶來對壓力與溫正車用氧傳感器的輸出，同時分析了由此而帶來對壓力與溫度的影響。度的影響。 溫度越低，這種趨向就越顯著。它可以對二氧化鋯傳感器的溫度越低，這種趨向就越顯著。它可以對二氧化鋯傳感器的低溫稀輸出的雜散起到補償作用。從而可以獲得與溫度關系低溫稀輸出的雜散起到補償作用。從而可以獲得與溫度關系不密切的不密切的A/F 16一一18傳感器，這種傳感器的缺點是傳感器，這種傳感器的缺點是Fe不能不能穩定地固溶在二氧化鋯中，在使用過程中穩定地固溶在二氧化鋯中，在使用過程中Fe會析出，所以還會析出，所以還沒有實現批量生

6、產。沒有實現批量生產。上一頁 下一頁返回7.2 固體電解質型傳感器固體電解質型傳感器 1984年，帶加熱器的二氧化鋯傳感器還剛剛開始批量生產，年，帶加熱器的二氧化鋯傳感器還剛剛開始批量生產，博世公司就加大加熱器的功率，封閉護罩的開口部位。采取博世公司就加大加熱器的功率，封閉護罩的開口部位。采取這些措施的目的是竭力抑制尾氣對傳感元件溫度的影響，這這些措施的目的是竭力抑制尾氣對傳感元件溫度的影響，這樣就可以把改進后的傳感器用于稀燃控制，通過一直保持傳樣就可以把改進后的傳感器用于稀燃控制，通過一直保持傳感元件處于高溫環境下，就可能在寬范圍的工作條件下實現感元件處于高溫環境下，就可能在寬范圍的工作條件

7、下實現稀薄控制。當傳感器輸出電壓下降，縮小護罩的開口之后，稀薄控制。當傳感器輸出電壓下降，縮小護罩的開口之后，與舊產品相比，響應時間延遲了與舊產品相比，響應時間延遲了1倍倍,A/F的工作條件是的工作條件是14. 6一一18，還不適用于，還不適用于A/F值高于值高于22的超稀薄區域的控制。的超稀薄區域的控制。而它適用于而它適用于A/F16一一22的稀燃控制，但此區域的的稀燃控制，但此區域的NO，的，的排放量比較高，無法適用于更嚴格的排放控制排放量比較高，無法適用于更嚴格的排放控制.上一頁 下一頁返回7.2 固體電解質型傳感器固體電解質型傳感器7. 2. 2臨界電流型傳感器臨界電流型傳感器 前面列

8、出的公式表明，當固體電解質兩端的氧氣有濃度差時，前面列出的公式表明，當固體電解質兩端的氧氣有濃度差時，就會產生電動勢就會產生電動勢;反之，當其兩端加上電壓時，就可以輸送氧反之，當其兩端加上電壓時，就可以輸送氧氣，稱此為氧氣泵。近幾年來，廠家盛行開放按此原理工作氣，稱此為氧氣泵。近幾年來，廠家盛行開放按此原理工作的氧傳感器。的氧傳感器。上一頁 下一頁返回7.2 固體電解質型傳感器固體電解質型傳感器 將電壓加到二氧化鋯元件的兩端，并將二氧化鋯元件極的負將電壓加到二氧化鋯元件的兩端，并將二氧化鋯元件極的負極涂覆上由尖晶石制成的約極涂覆上由尖晶石制成的約600m的多孔層，就可以得到的多孔層，就可以得到

9、決定反應速度的擴散層。由此，就可獲得二氧化鋯氧量泵的決定反應速度的擴散層。由此，就可獲得二氧化鋯氧量泵的電壓電流特性。圖中，當升高電壓時，就會有與此電壓成正電壓電流特性。圖中，當升高電壓時，就會有與此電壓成正比的電流輸出，氧離子起著一種泵吸作用，此后，當高于某比的電流輸出，氧離子起著一種泵吸作用，此后，當高于某一電壓時，電流將達到飽和，這就意味著，氧氣已經來不及一電壓時，電流將達到飽和，這就意味著，氧氣已經來不及擴散至多孔層中，即使提高泵電壓，輸送的氧氣量并不增加，擴散至多孔層中，即使提高泵電壓，輸送的氧氣量并不增加，稱此時的電流為臨界電流。稱此時的電流為臨界電流。上一頁 下一頁返回7.2 固

10、體電解質型傳感器固體電解質型傳感器 臨界電流與尾氣中的氧濃度或空燃比臨界電流與尾氣中的氧濃度或空燃比A/F大致成正比例關系，大致成正比例關系，即這種部件可以用作空燃比傳感器。再升高電壓時，負極附即這種部件可以用作空燃比傳感器。再升高電壓時，負極附近的氧氣離解，形成電子導電，由此顯示出電流增加，這就近的氧氣離解，形成電子導電，由此顯示出電流增加，這就意味著二氧化鋯陶瓷自身出現老化，即陶瓷黑化，因為這里意味著二氧化鋯陶瓷自身出現老化，即陶瓷黑化，因為這里是作為空燃比傳感器使用的，所以要在不產生黑化的區域中是作為空燃比傳感器使用的，所以要在不產生黑化的區域中使用。使用。 臨界電流與氣體的擴散系數也成

11、正比。臨界電流與氣體的擴散系數也成正比。上一頁 下一頁返回7.2 固體電解質型傳感器固體電解質型傳感器 當氣孔直徑較大時，臨界電流與壓力無關，與溫度的當氣孔直徑較大時，臨界電流與壓力無關，與溫度的0.75次次方成正比。反之的場合下，臨界電流則與壓力成正比，與溫方成正比。反之的場合下，臨界電流則與壓力成正比，與溫度的度的-0.5次方成正比。通過控制氣孔直徑，使其達到最佳尺次方成正比。通過控制氣孔直徑，使其達到最佳尺寸，就可以制出與溫度關系很小的臨界電流型傳感器。寸，就可以制出與溫度關系很小的臨界電流型傳感器。上一頁 下一頁返回7.2 固體電解質型傳感器固體電解質型傳感器7. 2. 3泵電池型傳感

12、器泵電池型傳感器 本項介紹第三種方式本項介紹第三種方式利用氧濃差電池原理、同時利用氧量利用氧濃差電池原理、同時利用氧量泵的泵電池型傳感器，這種方式的傳感器是在稀燃控制裝置泵的泵電池型傳感器，這種方式的傳感器是在稀燃控制裝置開發初期由弗來明向大家介紹的。當時也認為是最有希望的開發初期由弗來明向大家介紹的。當時也認為是最有希望的傳感器傳感器;但當時還處于概念設計的水平，受雜散性、耐久性的但當時還處于概念設計的水平，受雜散性、耐久性的影響，并沒有達到可實用的階段。影響，并沒有達到可實用的階段。上一頁 下一頁返回7.2 固體電解質型傳感器固體電解質型傳感器 能夠實用的泵電池型全范圍空燃比傳感器是能夠實

13、用的泵電池型全范圍空燃比傳感器是1985年公開發年公開發表的，此后的表的，此后的1986年，由年，由NTK公司設計的稀燃傳感器裝于公司設計的稀燃傳感器裝于本田公司向北美出口的車輛上，這是最早開始使用的傳感器。本田公司向北美出口的車輛上，這是最早開始使用的傳感器。那時所用傳感器的結構由兩塊板狀的二氧化鉻元件鉆合而成，那時所用傳感器的結構由兩塊板狀的二氧化鉻元件鉆合而成，二者之間留有一狹窄的縫隙。此外，圖中未畫的是元件外側二者之間留有一狹窄的縫隙。此外，圖中未畫的是元件外側還配有板狀的陶瓷加熱器，兩片元件中的一片作氧泵使用，還配有板狀的陶瓷加熱器，兩片元件中的一片作氧泵使用，另一片做氧檢測元件使用

14、。另一片做氧檢測元件使用。 當有一定的電流通過氧泵時，狹窄縫隙中的氧就被吸出至靠當有一定的電流通過氧泵時，狹窄縫隙中的氧就被吸出至靠外面的尾氣一側，這時，縫隙內的氧分壓低于尾氣側，這是外面的尾氣一側，這時，縫隙內的氧分壓低于尾氣側，這是因為縫隙的狹窄限制了尾氣的進入。此時，縫隙起著決定打因為縫隙的狹窄限制了尾氣的進入。此時，縫隙起著決定打一散速度的作用。一散速度的作用。上一頁 下一頁返回7.2 固體電解質型傳感器固體電解質型傳感器 上述所用的上述所用的NTK牌泵電池型全范圍空燃比傳感器牌泵電池型全范圍空燃比傳感器(以下簡稱以下簡稱為為UEGO傳感器傳感器)的結構由三張片狀二氧化鉻固體電解質構的

15、結構由三張片狀二氧化鉻固體電解質構成，其內部設有打一散腔與打一散孔，其中一張二氧化鉻固成，其內部設有打一散腔與打一散孔，其中一張二氧化鉻固體電解質片為氧泵電池體電解質片為氧泵電池;第二張是氧傳感器元件，這兩張固定第二張是氧傳感器元件，這兩張固定電解質板的兩面分別印刷，燒成有電解質板的兩面分別印刷，燒成有Pt電極電極;第三張用作隔板，第三張用作隔板，以確保氧基準腔的準確程度，這就是本節所述傳感器的特點，以確保氧基準腔的準確程度，這就是本節所述傳感器的特點，為方便起見，也稱此基準腔為為方便起見，也稱此基準腔為ICP元件元件.UEGO傳感器的氧元傳感器的氧元件上，也設有基準電極，因此它克服了前述稀燃

16、傳感器的缺件上，也設有基準電極，因此它克服了前述稀燃傳感器的缺點，可以完成理論空燃比的控制。但因基準電極需引入大氣，點，可以完成理論空燃比的控制。但因基準電極需引入大氣，所以有滲水的可能性。所以有滲水的可能性。 傳感器的基本特性如傳感器的基本特性如圖圖7一一1所示所示.上一頁返回7.3 阻值變化型傳感器阻值變化型傳感器 因為過渡金屬氧化物的原子價是可以改變的，所以在某種程因為過渡金屬氧化物的原子價是可以改變的，所以在某種程度上講，其表面附近的氧離子容易放出或吸收，這時的電阻度上講，其表面附近的氧離子容易放出或吸收，這時的電阻將發生變化，通過測量電阻，就可以判定出空燃比。氧化物將發生變化，通過測

17、量電阻，就可以判定出空燃比。氧化物與氧之間的反應方式有如下兩種與氧之間的反應方式有如下兩種:一種是氧分子進入氧化物的一種是氧分子進入氧化物的晶格之中變成氧離子，從母體上奪取電子，形成空穴，電阻晶格之中變成氧離子，從母體上奪取電子，形成空穴，電阻下降。另一種則與此相反，從氧化物上奪取氧，造成其缺少下降。另一種則與此相反，從氧化物上奪取氧，造成其缺少氧離子，此時因電子留在母體，造成電阻下降。氧離子，此時因電子留在母體，造成電阻下降。 下一頁返回7.3 阻值變化型傳感器阻值變化型傳感器 隨氧化物種類的不同，其與氧的親和性也不同，所以，在可隨氧化物種類的不同，其與氧的親和性也不同，所以，在可實用的空燃

18、比傳感器工作范圍里，往往是用實用的空燃比傳感器工作范圍里，往往是用N型半導體或型半導體或P型型半導體。二氧化鈦是典型的是半導體。二氧化鈦是典型的是N型半導體，一般可用于氧傳型半導體，一般可用于氧傳感器。感器。 N型傳感器在稀薄領域里的電阻很高，難以得到應用。有人型傳感器在稀薄領域里的電阻很高，難以得到應用。有人嘗試將部分二氧化鈦保持在高溫中，想用于氧量分析儀上。嘗試將部分二氧化鈦保持在高溫中，想用于氧量分析儀上。一般來說，用一般來說，用P型半導體制作稀燃傳感器方便得多型半導體制作稀燃傳感器方便得多. 阻值變化型傳感器的最大缺點是阻值變化型傳感器的最大缺點是:其阻值隨溫度其阻值隨溫度T成指數函數

19、成指數函數變化。變化。返回上一頁7.4 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7. 4. 1檢測催化劑的老化檢測催化劑的老化 對此通過下述的試驗來加以說明，在下游式設置催化劑的對此通過下述的試驗來加以說明，在下游式設置催化劑的1.5L，4缸發動機上，在催化劑的前、后裝設缸發動機上，在催化劑的前、后裝設UEGO傳感器傳感器;為了進行比較，在大致相同的位置上，再另裝設普通的帶加為了進行比較，在大致相同的位置上，再另裝設普通的帶加熱器的氧傳感器熱器的氧傳感器(以下簡稱為以下簡稱為HEGO)。發動機自身的反饋系。發動機自身的反饋系統上、在規定位置裝設有普通的統上、在規定位置裝設有普通的H

20、EGO。發動機的工況為。發動機的工況為16001900r/min、保證進氣負壓為一定值、保證進氣負壓為一定值 -53.4kPa，控制，控制=1。總共采用。總共采用7種不同的催化劑進行評種不同的催化劑進行評定。凈化效率是根據催化劑前后的氣體樣品用定。凈化效率是根據催化劑前后的氣體樣品用HC,CO,NOx三種成分的濃度比來表示的。三種成分的濃度比來表示的。下一頁返回7.4 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 在裝用在裝用UEGO的監視器上，就的監視器上，就HCGO在催化劑前后在催化劑前后UEGO濃濃側輸出波形的振幅，與側輸出波形的振幅，與NOx催化劑前后的催化劑前后的UEGO稀側

21、的輸出稀側的輸出波形的振幅加以對比，將此比值作為催化劑老化的判別標志。波形的振幅加以對比，將此比值作為催化劑老化的判別標志。就就HEGO來說，在催化劑的凈化效率為來說，在催化劑的凈化效率為80%時，催化劑后時，催化劑后的振幅非常小，與催化劑前的振幅相比，其差別非常明顯，的振幅非常小，與催化劑前的振幅相比，其差別非常明顯，但當凈化效率低到但當凈化效率低到50%直至直至10%時，隨著凈化效率的降低，時，隨著凈化效率的降低，催化劑前后的輸出振幅逐漸接近，在凈化效率高于催化劑前后的輸出振幅逐漸接近，在凈化效率高于70%時，時，隨著凈化效率的增加，隨著凈化效率的增加，HEGO的振幅一點一點地增加，但當的

22、振幅一點一點地增加，但當凈化效率低于凈化效率低于70%時，時，HEGO的振幅基本上不變化，難以的振幅基本上不變化，難以判別出其隨溫度有什么變化。這是因為，判別出其隨溫度有什么變化。這是因為，HEGO輸出變化中輸出變化中的很大部分都是在理論空燃比附近處發生的，對稍稍偏離理的很大部分都是在理論空燃比附近處發生的，對稍稍偏離理論空燃比的尾氣來說，僅在內斯特式規定的范圍內才有輸出論空燃比的尾氣來說，僅在內斯特式規定的范圍內才有輸出變化，所以就難以判別變化，所以就難以判別.上一頁 下一頁返回7.4 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 在催化劑前后設置在催化劑前后設置UEGO時，凈化效率

23、與時，凈化效率與UEGO輸出振幅變輸出振幅變化比之間大致呈線性關系，所以就能正確地檢測出催化劑是化比之間大致呈線性關系，所以就能正確地檢測出催化劑是否老化，這里所說的凈化效率是指否老化，這里所說的凈化效率是指HC、GO、NOx3種成分種成分的凈化效率。此外，的凈化效率。此外，UEGO濃側輸出振幅的變化比與總濃側輸出振幅的變化比與總HC的凈化效率也大致呈線性關系，所以可以認為的凈化效率也大致呈線性關系，所以可以認為:UEGO能夠檢能夠檢測出測出OBD II(第二代車載電子診斷系統第二代車載電子診斷系統)所要求的所要求的HC從從50%到到60%時的凈化效率。對此，可以認為時的凈化效率。對此，可以認為:在凈化效率在凈化效率高于高于70%的范圍內，用的范圍內，用HEGO可以檢測催化劑是否老化，可以檢測催化劑是否老化，但在凈化效率范圍為但在凈化效率范圍為50%一一60%時，就難以判定了。時，就難以判定了。上一頁 下一頁返回7.4 全范圍空燃比傳感器應用舉例