氧傳感器原理:為什么氧傳感器總是壞?

2021/12/09 21:45 · 傳感器知識資訊 ·  · 氧傳感器原理:為什么氧傳感器總是壞?已關閉評論
摘要:

氧傳感器原理:為什么氧傳感器總是壞?上一次我們分析了氧傳感器為什么會壞掉,這次我們來講講氧傳感器到底是如何工作的?起源1889年德國物理化學家Nernest能斯特發現“熱力學第三定律”即能斯特方程。發現穩定的氧化鋯在高溫下呈現離子導電現象,到1976年BOSCH公司將這項技

氧傳感器原理:為什么氧傳感器總是壞?

上一次我們分析了氧傳感器為什么會壞掉,這次我們來講講氧傳感器到底是如何工作的?
起源1889年德國物理化學家Nernest能斯特發現“熱力學第三定律”即能斯特方程。發現穩定的氧化鋯在高溫下呈現離子導電現象,到1976年BOSCH公司將這項技術開發應用到沃爾沃轎車,隨后得到廣泛應用。
基礎原理氧化鋯(ZrO2)是典型離子體,在600℃以上成為氧的快離子導體,人們稱他為固體電解質,這種陶瓷材料對氧具有高度敏感性,被廣泛應用于氧探頭。氧化鋯(ZrO2)是離子導電體,它是通過晶格內的氧離子空位來實現導電的。在氧化鋯電解質(ZrO2管)的兩側分別燒結多孔鉑(Pt)電極,在一定溫度下,當電解質兩側氧濃度不同時,高濃度側的氧分子(O2)被吸附到鉑(Pt)電極上與電子(4e)結合形成氧離子(O2-),使該電極帶正電(+),氧離子(O2-)通過電解質的氧離子空位遷移到氧濃度低的Pt電極上放出電子,轉化成楊分子(O2),使該電極帶負電。
這樣兩個電極間會產生一個電動勢,氧化鋯、Pt電極、兩側不同的氧濃度氣體組成氧探頭即氧化鋯濃差電池(也叫能斯特電池),其方程就是著名的能斯特方程:
公式中:
ES – 能斯特參考電壓,
R - 氣體常數8.314J/(mol·K),
T - 絕對溫度,
F –法拉第常數C.mol-1,
Po2– 測量氣他中氧分壓,
Poref– 參考氣他氧分壓(通常為20.95%的標準空氣)。
通過公式可知,當空氣為參考氣體,在知道能斯特電壓及被測氣體溫度后,便可知道被測氣體的濃度,氧傳感器正是利用這一原理制成的。
窄域氧傳感器最初BOSCH利用上述原理制作了四線窄域氧傳感器,其結構體如下,氧化鋯元件內外壁都設置具有催化作用的多孔鉑(Pt)電極,其內側與氧濃度高的大氣連通。由于氧傳感器的氧化鋯材料在350℃或更高溫度是才可以引導氧離子擴散,所以專門設計了加熱單元來加熱氧化鋯電解質以使傳感器盡快進入工作狀態。
當氧傳感器內外表面濃度差增大時,所產生的的Nernst電壓也隨之增加,當尾氣為濃混合氣(λ<1)時,外側氧濃度趨近于0,此時劇烈氧濃度差導致Nernest電壓最高達到1V;而在空氣多的稀混合氣(λ>1)時,內外側濃度差較小,產生較小的Nernst電壓約為0.1V。所以信號電壓在理論空燃比(λ=1,Vs=0.45V)附件階躍式跳變,其過程就像一個開關信號,由于其輸出信號是電壓也稱其為電壓型氧傳感器。
窄域氧傳感器測量范圍窄(僅λ=1),另外當發動機處于不同負載狀態下,傳感器溫度也存在變化,此時電壓數值會發生跳變,雖然一些Lambda儀表已經加入溫度補償來改善其性能和準確性,但依然面臨被淘汰的局面。
寬裕氧傳感器LSU4.221世紀初,BOSCH在窄域及基礎上設計了寬裕氧傳感器LSU4.2,加入了泵氧電池,其也是氧化鋯材料組成的,為一個電化學電池,其結構如下圖:
在濃混合氣中,氧離子在泵單元的催化表面與燃料CO、HC結合,產生CO2和H2O,當燃料消耗完時,將沒有游離的氧,并且混合物將變稀。在稀混合物(或者自由空氣中),泵電流反向,并且將游離的氧氣抽出,直到沒有殘留為止,并且所得混合物也將變稀。
將窄帶傳感器與泵氧電池結合在一起,泵氧電池和能斯特電池所圍成的空間稱為氣體檢測室,檢測室通過一個通道與排氣側連通,發動機廢氣可以由該通道進入檢測室。在寬裕傳感器正常工作條件下,排氣管中少量廢氣進入檢測室,廢氣可能是濃混合氣,也可能是稀混合氣,ZrO2參考電池感知混合氣濃度后產生電壓Vs。當混合氣為濃時,能斯特電池產生高于參考電壓Vref(0.45V)的Vs,隨機泵氧電池產生一個泵氧電流Ip,該泵氧電流Ip將排氣中游離的O2-(因為即使在很濃的混合氣中也同樣存在游離的O2-)泵入檢測室內進行化學反應,產生CO2和H2O及一些氧化物附著在泵氧電池的表面。在化學反應中將過多的HC化合物分解,使得檢測室恢復到Vs=0.45時的平衡狀態。相反,在稀混合物將產生一個反方向的泵氧電流Ip,使得Vs維持在0.45V。
以上分析可知,泵氧電流Ip反應了廢氣的濃度,通過泵氧電流Ip的極性和大小可以分析出抽樣氣體的含氧量及Lambda。
在LSU4.2設計過程中為了節省電線,Vs(sense)與Ip(pump)單元連接在了一起,他們共享一個公共的反應面。這樣就出現一個靈敏度問題,即同一個Lambda值對應不同的泵電流Ip。BOSCH通過添加校準組件解決制造差異問題,在組裝和測試傳感器后,對激光電阻(Rcal)進行微調,激光會燒掉材料并增加電阻值,直到已知的Lambda值產生標準的Ip電流為止。如果該電路在控制器本身中,則每個傳感器將自動進行校準,而無需進一步校準。但是,由于每個傳感器都已在出廠時進行了校準,并且校準組件通常位于傳感器連接器本身中,所以如果有人卸下連接器,則傳感器將變得未經校準!許多控制器沒有此電路,它們必須經過自由空氣校準階段才能準確工作。還要注意,所有的泵浦寬帶傳感器都應有至少5條來自傳感器的導線。六線或七線將來自連接器(某些傳感器在兩端均未連接的連接器中使用校準電阻)。
LDM4空燃比分析儀采用BOSCH專用氧傳感器控制芯片CJ125,可對LSU系列傳感器精準驅動,同時自動校準功能,能對不同廠家出廠的傳感器進行校準,也可以用分析儀來檢測傳感器好壞。
根據上述描述,LSU4.2傳感器中參考空氣是一項十分重要的保證,但是在實際使用過程中,隨之時間推移、尾氣泄露污染等因素,參考空氣會變差,這樣氧傳感器特性曲線就會發生偏移。為了彌補這一缺陷,BOSCH重新設計了LSU4.9傳感器,下次我們講講這幾種氧傳感器的區別。
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氧傳感器原理:氧傳感器的工作原理

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; ; ; ; ;當有電壓加在固體電解質ZrO2;上時,O2;會在內電極(陰極)上得到電子形成O2-,O2-通過ZrO2;的傳遞作用,在外電極(陽極)上放電,O2-又變成O2,這樣氧就通過固體電解質被從電極的陰極泵到陽極,通常稱此電池為泵氧電池,外加電壓為泵電壓,產生電流為泵電流。泵氧過程中,外加泵電壓的增加所導致的泵電流的增加會逐漸減小,最后出現泵電流在一定的電壓范圍內不變或變化很小的現象,電流達到飽和,這個電流被稱為極限電流。
下面是本田4線A/F傳感器是極限電流式工作原理,請供參考:
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;寬帶氧傳感器(帶參考電壓的)氧傳感器原理:為什么氧傳感器總是壞?  第2張

氧傳感器原理:氧傳感器的工作原理

硬件型號:EQRN380-30發動機氧傳感器
系統版本:傳感系統

汽車上的氧傳感器工作原理與干電池相似,傳感器中的氧化鋯元素起類似電解液的作用。其基本工作原理是:在一定條件下,利用氧化鋯內外兩側的氧濃度差,產生電位差,且濃度差越大,電位差越大。大氣中氧的含量為21%,濃混合氣燃燒后的廢氣實際上不含氧,稀混合氣燃燒后生成的廢氣或因缺火產生的廢氣中含有較多的氧,但仍比大氣中的氧少得多。 在高溫及鉑的催化下,帶負電的氧離子吸附在氧化鋯套管的內外表面上。由于大氣中的氧氣比廢氣中的氧氣多,套管上與大氣相通一側比廢氣一側吸附更多的負離子,兩側離子的濃度差產生電動勢。

在使用三元催化轉換器以減少排氣污染的發動機上,氧傳感器是必不可少的元件。由于混合氣的空燃比一旦偏離理論空燃比,三元催化劑對CO、HC和NOx的凈化能力將急劇下降,故在排氣管中安裝氧傳感器,用以檢測排氣中氧的濃度,并向ECU發出反饋信號,再由ECU控制噴油器噴油量的增減,從而將混合氣的空燃比控制在理論值附近。
氧傳感器原理:為什么氧傳感器總是壞?  第3張

氧傳感器原理:氧傳感器的工作原理是什么?

氧傳感器的工作原理是:利用陶瓷敏感元件測量汽車排氣管道中的氧電勢,由化學平衡原理計算出對應的氧濃度,達到監測和控制燃燒空燃比的目的,以保證產品質量及尾氣排放達標的測量元件。氧傳感器的作用是:測定發動機燃燒后排氣中氧是否過剩的信息,并把氧氣含量轉換成電壓信號傳遞到發動機計算機,使發動機能夠實現以過量空氣為目標的閉環控制,確保三元催化轉化器對排氣中的碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化合物污染物有較大的轉化效率,較大程度地進行排放污染物的轉化和凈化。

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