淺析氣體濃度傳感器的識別與檢測_趙寶平

1、技術論壇Technical Talk淺析氣體濃度傳感器的識別與檢測 文/江蘇 趙寶 平 張愛琴氣體濃度傳感器主要應用于汽車電控 發(fā)動機尾氣排放的監(jiān)測。 汽車電控發(fā)動機 通過氧傳感器來監(jiān)測排氣中氧濃度的含量, 發(fā)動機ECU根據(jù)排氣中氧濃度的含量不斷 地對噴油脈寬進行修正, 從而使發(fā)動機空燃 比接近理論空燃比。 只有發(fā)動機能夠正常運 作, 其才能產生應有的動力, 燃油耗及尾氣 排放才會降低。隨著汽車發(fā)動機技術的發(fā)展, 很多新型 傳感器已應用于現(xiàn)代先進的發(fā)動機尾氣濃 度監(jiān)測, 如稀薄混合汽傳感器、 寬域氧傳感 器等。 為了使廣大汽車維修人員更好地了解 各種氣體濃度傳感器的結構與原理以及相應 的識別與

2、檢測, 本文將作出如下介紹。一、 氧傳感器1. 二氧化鋯式氧傳感器的識別與檢測(1二氧化鋯式氧傳感器的識別目前汽車上大部分使用帶加熱器型的氧 傳感器, 主要由二氧化鋯(ZrO2、 陶瓷管(固體 電解質, 或稱為鋯管、 電極和護套等組成。 它 一般安裝在發(fā)動機排氣管上, 如圖1所示。不同的發(fā)動機排氣管上的氧傳感器安裝位置有所不同。 二氧化鋯式氧傳感器的電路 如圖2所示。 加熱式氧傳感器有4根線, 兩根 與ECU相連, 另外兩根是電源正、 負極線。(2二氧化鋯式氧傳感器的檢測檢查二氧化鋯式氧傳感器加熱器電阻 將點火開關置于O FF擋, 拔下氧傳感 器的導線插接器, 用萬用表歐姆擋測量氧 傳 感 器

3、 接 線 端 子中加 熱 器 端 子與搭 鐵 端 子間的電阻, 其電阻值應符合標準(一般為 440。 若不符合該標準, 則應更換氧傳感 器。 測量后, 接好氧傳感器線束插接器, 以便 進一步做檢測。檢查反饋電壓。讓發(fā)動機以2500r/min左右的轉速保 持運轉, 同時檢查電壓表指針是否在01 V之間來回擺動, 記下10s內電壓表指針擺動 的次數(shù)。 正常情況下, 隨著反饋控制的進行, 氧傳感器的電壓將在0.4V以下不斷變化, l0s內反饋電壓的變化次數(shù)應不少于8次。2. 二氧化鈦式氧傳感器的識別與檢測(1二氧化鈦式氧傳感器的識別二氧化鈦(TiO2式氧傳感器是利用TiO 2材料的電阻值隨排氣中氧含

4、量的變化而變化的特性構成的, 所以也稱為電阻型氧傳感器。二氧化鈦式氧傳感器的結構與二氧化 鋯式氧傳感器的結構相似, 其主要由二氧化 鈦、 鋼質殼體、 加熱元件和接線端子組成。由于二氧化鈦式氧傳感器在溫度高于 300時才能正常工作, 因此將其安裝在溫 度較高的排氣管上。 同時, 在二氧化鈦式氧 傳感器內部用一個電加熱器對二氧化鈦進行 加熱, 以保證二氧化鈦式氧傳感器在發(fā)動機 工作過程中保持恒定的溫度。與二氧化鋯式氧傳感器不同, 二氧化鈦 式氧傳感器不需要與氣壓進行比較, 因此, 傳感元件的密封與防水十分方便, 利用玻璃 粉末或滑石粉末等密封劑進行密封, 可達到 使用要求。 此外, 在電極引線與護

5、套之間設 置一個硅橡膠密封襯墊, 可以防止水汽浸入 傳感器內部而腐蝕電極。目前使用的二氧化鈦傳感元件主要有 芯片式和厚膜式兩種。 芯片式將鉑金屬線埋 入二氧化鈦芯片中, 金屬鉑兼作催化劑。 厚 膜式采用半導體封裝工藝中的氧化鋁層壓板工藝制成。二氧化鈦式氧傳感器與ECU的連接電 路如圖3所示。 二氧化鈦式氧傳感器正極信 號線與ECU插座一端相連, 負極信號線與 ECU插座另一端相連, 另一根線搭鐵。二氧化鈦式氧傳感器和二氧化鋯式氧 傳感器的主要區(qū)別在于二氧化鋯式氧傳感器 將廢氣中氧分子含量的變化轉換成電壓的變 化, 而二氧化鈦式氧傳感器則是將廢氣中氧分圖1 氧傳感器在排氣管上的安裝位置圖2 氧化

6、鋯式氧傳感器的電路排氣管氧傳感器ABCDEFGH JKECUVC基準電壓 0.45V OX 氧傳感器比較器微機E1(a無加熱器的二氧化鋯式氧傳感器熔斷器 主繼電器發(fā)動機ECU OXECU的 M-REL23氧傳感器14HTE1(b有加熱器的二氧化鋯式氧傳感器I圖3 氧化鈦式傳感器與ECU連接電路氧傳感器EGO電子控制器ECU VC5V 穩(wěn)壓電源加熱 元件 R OX單片機二氧化鈦 R TiO2E2E1技術論壇 Technical Talk子含量的變化轉換成傳感器電阻的變化。在發(fā)動機運轉過程中, 并不是在任何時刻或任何工況下, 氧傳感器和反饋控制系統(tǒng)都起作用, ECU是通過開環(huán)和閉環(huán)兩種方式對發(fā)動機

7、的噴油量進行控制的。 發(fā)動機在啟動、 大負荷及暖機運轉過程中, 需要濃混合汽, 此時ECU處在開環(huán)控制狀態(tài), 氧傳感器不起作用。 因為氧傳感器只有在高溫(一般在390下才投入工作, 產生可靠信號, 而發(fā)動機啟動后, 在氧傳感器未達到一定的工作溫度時, ECU處于開環(huán)控制狀態(tài)。 當發(fā)動機達到正常工作溫度后, ECU才進行閉環(huán)控制, 氧傳感器才起反饋作用。含 鉛 汽 油中的 鉛 在 低 溫下呈 固 體 狀態(tài), 堆積在傳感器元件的表面使傳感器元件鉛中毒, 進而出現(xiàn)老 化的現(xiàn)象 。 汽油或潤滑油硫化產生的硅酮堆積在傳感器元件的表面使氧傳感器硅中毒, 進而出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。 因此, 當汽車行駛一定的里程(

8、約80000100000km后, 應更換氧傳感器。(2二氧化鈦式氧傳感器的檢測當氧傳感器出現(xiàn)故障, 輸出信號異常 時, ECU會自動切斷氧傳感器的反饋功能, 使發(fā)動機進入開環(huán)控制工作狀態(tài)。檢查加熱器電阻用高阻抗數(shù)字式萬用表歐姆擋對氧傳感 器的加熱電阻值進行測試。 拔下氧傳感器線 束插頭, 測試氧傳感器A、 B接線柱間的電阻 值。 正常情況下, 其阻值為57。 如果電阻 為, 說明加熱電阻燒斷, 應更換氧傳感器。 檢查氧傳感器電源電壓如圖4所示, 打開點火開關至ON擋, 用 萬用表電壓擋測量傳感器的電源電壓, 其標 準值為1V。檢查氧傳感器加熱器電源電壓如圖5所示, 打開點火開關至ON擋, 用萬

9、用表電壓擋測試傳感器的加熱器電源電壓, 其標準值應為12V。檢查氧傳感器反饋電壓如圖6所示, 接通點火開關, 并啟動發(fā)動機使其在怠速狀態(tài)下正常運轉, 然后用電壓表測量ECU的4號接線端子與搭鐵之間的電壓值, 其值應在0.20.8V之間。 當發(fā)動機提高轉速后, 其電壓值應在0.61.0V之間, 否則應更換氧傳感器。動態(tài)測試使發(fā)動機充分預熱, 拔下燃油壓力調節(jié)器的真空軟管, 堵上歧管, 使混合汽加濃(空燃比減小。 在怠速狀態(tài)下測量ECU插接器的端電壓, 氧傳感器上的電壓應大于0.5V,否則應更換氧傳感器。二、 稀薄混合汽傳感器1. 稀薄混合汽傳感器的識別發(fā)動機稀薄燃燒型空燃比反饋控制系統(tǒng)中, 采用

10、了稀薄混合汽傳感器。 該傳感器與氧傳感器一樣, 內部裝有氧化鋯陶瓷元件和加熱器, 使用氧化鋯元件測定排氣中的氧濃度, 從而測定空燃比。 該傳感器的特點是在超稀 薄燃燒領域進行空燃比的反饋控制, 與氧化 催化劑結合, 達到降低燃料消耗的目的。 豐田卡利那牌汽車上的T-LCS系統(tǒng)裝 用了稀薄混合汽傳感器, 用以在稀薄混合汽 狀態(tài)下對空燃比進行反饋控制, 其系統(tǒng)的構 成如圖7所示。2. 稀薄混合汽傳感器的檢測(1檢查傳感器的加熱器電阻將點火開關關閉至OFF擋, 拔下氧傳感 器的導線連接器, 用萬用表歐姆擋測量氧傳 感器接線端子中加熱器端子與搭鐵端子間的 電阻, 其電阻值應符合標準(一般為440, 如

11、不符合標準, 則應更換氧傳感器。(2檢查傳感器輸出電流信號用萬用表的電流擋測試傳感器的輸出電 流信號, 電流值應隨空燃比的增大而增大。三、 寬域氧傳感器1.寬域氧傳感器的識別寬 域氧傳感器(UEGO又稱為寬量程 氧傳感器、 寬帶氧傳感器、 全范圍空燃比圖4 檢查氧傳感器電源電壓圈 圖5 檢查氧傳感器加熱器電源電壓V4氧傳感器圖6 檢查氧傳感器的反饋電壓 圖7 T-LCS系統(tǒng)的構成010DCV 10OX -+ E- +氧傳感器D 地線 4ECU傳感器地線1VCBA41比較器氧傳感器氧信號加熱元件30858787A85燃油泵繼電器負壓轉換閥渦流控制器噴油嘴 分電器空氣噴射信號獨立噴射稀薄混合汽傳感

12、器 氧化催化 點火線圈 氧氣濃度信號各傳感器信號加熱控制微機排放氣體點火信號81汽車維修與保養(yǎng)技術論壇Technical Talk傳感器。 對于普 通氧傳感器而言, 當混合 汽接近理論空燃比時, 輸出電壓為0.45V, 尾氣偏濃時, 輸出電壓就突變到0.60.9V之間; 反之, 尾氣變稀時, 輸出電壓突變到 0.10.3V之間。 如果尾氣進一步增濃, 或尾 氣進一步變稀, 普通氧傳感器已無法測量, 0.10.9V的電壓信號已無法滿足對汽車排 放的控制。 而寬域氧傳感器是一種線性的、 電流型的新型氧傳感器, 其工作曲線平滑。寬域型氧傳感器是利用氧濃度差和氧氣 泵的泵電原理, 連續(xù)檢測混合汽從過濃

13、到理 論空燃比再到稀薄狀態(tài)整個過程的一種傳感 器。 當混合汽過濃時, 氧氣泵就會吸入氧氣 到測定室中; 而當排放氣體比混合汽稀薄時, 則從測定室中放出氧氣到排放氣體中。 寬域 氧傳感器就是利用這一特點用氧氣泵供給測 定室氧氣, 使排放保持在理論空燃比。2. 寬域氧傳感器的檢測下面以寶來汽車為例說明寬域氧傳感 器的檢修方法, 其電路如圖8所示。寬 域氧傳感器性能的檢 測可用3種方 法, 一是觀察氧傳感器外觀的顏色, 二是檢 測氧傳感器加熱電阻, 三是測量氧傳感器電 壓輸出信號。(1檢查外觀顏色通過觀察氧傳感器頂部的顏色, 可以判 斷其故障原因。 氧傳感器頂部的正常顏色為 淡灰色, 如果發(fā)現(xiàn)氧傳感

14、器頂部顏色發(fā)生變化, 則預示著氧傳感器存在故障隱患或已經 出現(xiàn)故障; 氧傳感器頂部呈黑色, 是由積炭 污染造成的, 可拆下氧傳感器后清除其上的 積炭; 氧傳感器頂部呈紅棕色, 說明氧傳感 器受鉛污染。(2檢查氧傳感器加熱器電阻當發(fā)動機溫度達到正常溫度后, 拔下氧 傳感器插接器, 用萬用表歐姆擋檢測傳感器 端子之間的電阻值。 前氧傳感器加熱器電阻 “3” 與 “4” 腳的電阻值在2.510之間, 后氧傳感器加熱器電阻 “1” 與 “2” 腳的電 阻值在6.447.5之間。 若電阻值不符合規(guī) 定, 則應更換氧傳感器。(3檢查單元泵電阻用萬用表歐姆擋檢測前氧傳感器單元 泵電阻(即 “2” 與 “6”

15、 腳間的電阻, 其值應 為77.5。(4 檢查氧化鋯參考電池輸出電壓用萬用表直流電壓擋檢測 “1” 與 “5” 腳 間的電壓, 氧傳感器電壓應在0.40.5V之間。(5檢查寬域氧傳感器輸出電壓寬域氧傳感器輸出電壓不能用萬用表 直接測量, 而應通過專用解碼器讀取數(shù)據(jù) 流。 發(fā)動機ECU將寬域氧傳感器的電流信 號轉化為電壓值顯示出來, 其規(guī)定電壓值 為1.02.0V。 發(fā)動機運轉時, 寬域氧傳感 器的輸出電壓應為1.02.0V。 電壓值大于 1.5V時, 表示混合汽過稀; 電壓值小于1.5V時, 表示混合汽過濃; 當電壓值為0、 1.5V、 4.9V的恒定值時, 表明氧傳惑器本身或其線 路有故障。

16、四、 煙塵濃度傳感器1.煙塵濃度傳感器的識別在汽車駕駛室內, 吸煙者吸煙發(fā)出的煙 霧以及車外侵入的灰塵都會造成車內空氣的 污染, 從而嚴重危害人體健康。 為此, 汽車上 需要安裝空氣凈化器以除去空氣中的煙塵。 煙塵濃度傳感器是空氣凈化器的配套使用裝 置, 用于檢測煙霧。 當煙塵濃度傳感器從車 室內感知到煙塵的存在時, 可自動使空氣凈 化器運轉; 沒有煙塵時, 使空氣凈化器停止 運轉, 從而使室內空氣始終保持清新。煙塵濃度傳感器由發(fā)光元件、 光敏元件 和信號處理電路等組成。 應用煙塵濃度傳感 器的空氣凈化系統(tǒng)其組成如圖9所示。 它主要 由空氣凈化器主體、 控制開關和煙塵濃度傳 感器組成。 空氣凈

17、化器主體由鼓風電動機、 過濾器、 鼓風機調風門及殼體等構成。 過濾 器內裝有活性炭濾紙, 以發(fā)揮除臭的作用。 活性炭(相當于空調風道上的過濾網一般使用 36個月或汽車行駛5000km就需更換。為防止煙塵濃度傳感器受外部干擾而 錯 誤 啟動, 傳感器內部采用了脈沖振蕩電 路, 即射入相同波長的紅外光, 因脈沖周期 不同傳感器也不會判斷有煙霧。 另外, 傳感 器內部還設有定時、 延時電路, 即使沒有煙 霧, 鼓風機一旦啟動, 也只能連續(xù)旋轉2min后自動停止工作。2. 煙塵濃度傳感器的檢測(1檢查傳感器的電源電壓如圖10所示, 打開點火開關至ON擋, 用萬用表電壓擋測量傳感器電源的電壓, 其 標準

18、值應為12V。圖8 寬域氧傳感器的電路圖圖9 空氣凈化系統(tǒng)的組成J220T121/9T121/51T121/70T121/71T121/52T121/5T121/69 T121/68T121/63T121/640.35br/ge0.35ws 0.35gn 0.35sw0.35gn1.0sw0.35bl0.35sw 0.35gr/ge0.35li/ro22N112N80111.5bl/geT6f/5T6f/1T6f/2T6f/6 T6f/4T6f/3T4d/4T4d/3T4d/2T4d/1e E7G39Z19G130Z29E302.5bl/ge1.5bl/ro1.5bl/ro1.5bl/geG1

19、30尾氣催化凈化器后氧傳感器; Z29尾氣催化凈化器后氧傳感器的加熱裝置;Z19氧傳感器加熱裝置; G39氧傳感器; J220發(fā)動機ECU煙塵濃度傳感器 排出口吸入口空氣凈化器主體控制開關技術論壇 Technical Talk(2檢查傳感器工作性能如圖11所示, 將點燃的香煙放在傳感器附近, 若聽到通風機轉動的聲音, 說明傳感器良好。五、 柴油機煙度傳感器1. 柴油機煙度傳感器的識別柴油機煙度傳感器可以連續(xù)測量柴油機的煙度, 用它來檢測發(fā)動機排放氣體中形成的炭煙和未燃燒的炭粒, 并把表示炭煙存 在的電信號輸入ECU, ECU根據(jù)煙度信號 調節(jié)空氣和柴油的供給量以達到完全燃燒、 減少炭煙的目的。

20、 該傳感器由絕緣材料和兩 個貴金屬電極組成, 暴露在煙氣中的電極周 圍涂有強化催化劑材料, 使沉積在電極上的 炭能迅速地被氧化, 以保持電極的清潔, 滿 足連續(xù)測量的要求。2. 柴油機煙度傳感器的檢測隨柴油機負荷變化的排溫、 煙度和傳 感器電流值的變化應符合要求(發(fā)動機轉速 保持在2000r/min, 傳感器用24V直流電 源, 如表1所示。 隨著柴油機負荷的增加, 排溫、 煙度傳感器電流都相應增加。 煙度與 傳感器電流間的關系, 應滿足下列關系式, 即R = KI, 其中R表示波許煙度, I表示傳感 器電流值, K表示比例常數(shù)。六、 NOx傳感器NO x是可燃混合汽在高溫、 高壓下燃 燒后的

21、產物, 是NO和NO 2等的總稱。 NOx 主要是在高溫富氧條件下生成的, 當空氣 過量時, N 2與O 2在電火花的作用下, 產生了 NO, 而NO被空氣中O 2氧化為NO 2。 燃燒過 程排放的NOx, 95%以上可能是NO, 其余 的是NO 2。 尾氣中NOx的排放量取決于燃燒溫度、 時間和空燃比等因素。1. 柴油車用NOx傳感器為 控 制 柴 油 機 排 氣中 的 N O x , 采 用薄膜技術研制成功了Sn O 2薄膜式N O x傳感器, 在鋁制底板表面貼上作為傳感器的SnO 2薄膜, 背面則貼上加熱器。SnO 2薄膜一旦吸附有NOx, 傳感器的電阻就會產生變化。 這種傳感器的電阻對NOx的響應很靈敏, 這種隨NOx而變化的電阻通過電路的變換產生隨NOx變化的電壓信號, 并將其輸送給ECU, 作為柴油機優(yōu)化控制的一個指標。2. 汽油車用NOx傳感器奧迪A8L、 A4L車型采用了燃油分層噴射(FSI技術, 這項技術能夠提升動力并節(jié)約燃油, 但在分層充氣模式、 均質稀薄充氣模式和均質充氣模式中, 特別是在=11.5的均質稀薄充氣模式、 =1.63的分層充氣模式中, 高溫富氧條件下更加容易生成NOx。因此, 必須對NOx進行控制。 傳統(tǒng)的閉環(huán)三元催化轉化器不能快速地將燃燒過程中產生的NOx高效地轉換成N 2, 新開發(fā)的NOx存儲式催化轉化器能使F