智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器技術(shù) 課件 3.汽車氣體濃度傳感器的認知

2023汽車氣體濃度傳感器的認知煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院劉強1.氧傳感器目錄CONTENTS2.氮氧化物傳感器3.空氣質(zhì)量傳感器4.煙霧濃度傳感器氧傳感器

氧傳感器:氧傳感器安裝在發(fā)動機的排氣管上，它的作用

是通過檢測排放氣體中氧的含量來獲得混合氣空燃比的

稀濃信號，并將檢測結(jié)果變成電壓信號輸入ECU，

ECU根據(jù)氧傳感器的輸入信號不斷地對噴油脈寬進行修正，

使混合氣體在理想范圍內(nèi)。當(dāng)監(jiān)測到的氧氣濃度較濃時，

提供給發(fā)動機ECU的電壓較高；監(jiān)測到的氧氣濃度較稀時，

提供給發(fā)動機ECU的電壓較低。目前使用的氧傳感器有氧化鋯（ZrO2）式和氧化鈦（TiO2）式兩種，其中應(yīng)用最多的是氧化鋯式氧傳感器。氧化鋯式氧傳感器又分為加熱型與非加熱型氧傳感器兩種，氧化鈦式一般都為加熱型傳感器。氧傳感器二氧化鋯式氧傳感器的基本元件是二氧化鋯陶瓷管（固體電解質(zhì)），陶瓷體制成管狀，因此亦稱鋯管。鋯管固定在帶有安裝螺紋的固定套中，鋯管內(nèi)、外表面都覆蓋著一層多孔性的透氣鉑膜作為電極。氧傳感器安裝在排氣管上，其內(nèi)表面與大氣接觸，外表面與廢氣接觸。為了防止廢氣中的雜質(zhì)腐蝕鉑膜，在鋯管外表面的鉑膜上覆蓋著一層多孔的氧化鋁保護層，并加裝了一個防護套管，套管上開有通氣槽。這樣既可以防止廢氣燒蝕電極，又可保證廢氣滲進保護層和電極接觸。氧傳感器

當(dāng)混合氣的實際空燃比小于理論空燃比，即發(fā)動機以較

濃的混合氣運轉(zhuǎn)時，排氣中氧含量少，但CO、HC和

NOX等較多。這些氣體在鋯管外表面的鉑催化作用下

與氧發(fā)生反應(yīng)，將耗盡排氣中殘余的氧，使鋯管外表面

氧氣濃度變?yōu)榱?，這就使得鋯管內(nèi)、外側(cè)氧濃度差加大，兩電極間的電壓陡增，可以產(chǎn)生約1V的電壓；當(dāng)混合氣的實際空燃比大于理論空燃比，即發(fā)動機以較稀的混合氣運轉(zhuǎn)時，氧氣濃度高，CO、HC和NOX濃度低，在鋯管外表面的鉑催化作用下，使CO、HC和NOX氣體完全與氧發(fā)生反應(yīng)，排氣中仍有殘余的氧存在，由于內(nèi)、外兩側(cè)氧的濃度差較小，幾乎不能產(chǎn)生電動勢，此時輸出電壓幾乎為零。氧傳感器

根據(jù)氧傳感器所產(chǎn)生的電壓值就可測量氧傳感器外表面

的氧氣含量，而發(fā)動機廢氣排放中的氧含量主要取決于

混合氣的空燃比，因此，ECU根據(jù)氧傳感器輸入的電信

號分析汽油的燃燒狀況，以便及時修正噴油量，使空燃

比處于理想狀況，即使空氣過量系數(shù)λ=1，所以這種傳感器又稱為λ傳感器。要準(zhǔn)確地完全保持混合氣濃度為理論空燃比是不可能的，實際上氧傳感器對噴油器的反饋調(diào)節(jié)是動態(tài)的，只能使混合氣在理論空燃比附近一個較小的范圍內(nèi)波動，故氧傳感器的輸出電壓在0.1～0.8V之間不斷變化（通常每10s內(nèi)變化8次以上）。氧傳感器

其中加熱型二氧化鋯式氧傳感器應(yīng)用最為廣泛。

二氧化鋯式氧傳感器輸出信號的強弱與工作溫度

有關(guān)，只有在300℃以上時該傳感器才能正常工

作，早期使用的氧傳感器靠排氣加熱，這種傳感

器必須在發(fā)動機起動運轉(zhuǎn)數(shù)分鐘后才能開始工作，因此，電控發(fā)動機在氧傳感器正常工作之前是開環(huán)控制。現(xiàn)在，大部分汽車使用帶加熱器的氧傳感器，這種傳感器在原來傳感器的基礎(chǔ)上，增加了一個陶瓷加熱元件用于加熱傳感器，可在發(fā)動機起動后的20～30s內(nèi)迅速將氧傳感器加熱至工作溫度，擴大了空燃比閉環(huán)控制的工作范圍，故又稱為加熱型氧傳感器。氧傳感器常見氧傳感器有一線制、二線制、三線制、四線制四種類型。一線制氧傳感器只有一根信號線與發(fā)動機ECU連接，傳感器的另一極直接搭鐵。二線制的兩根線均與ECU相連，一根為信號線，另一根進入ECU后搭鐵；三線制、四線制氧傳感器均屬于加熱型氧傳感器，由于添加了兩根加熱電阻的接線，和氧傳感器信號線組合成為三線制或四線制。加熱電阻的兩根接線，一根直接接控制繼電器或主繼電器，接受12V加熱電源，一根由ECU控制搭鐵端，控制加熱電阻加熱時間。氧傳感器加熱器是正溫度系數(shù)熱敏元件，在傳感器與線束斷開的情況下，可以通過測量加熱器的阻值來對加熱元件進行檢測。氧傳感器二氧化鈦式氧傳感器與二氧化鋯式氧傳感器在測量氧氣濃度的原理上有很大的不同：二氧化鋯式氧傳感器是以濃差

電池原理為基礎(chǔ)，通過濃度差異產(chǎn)生電壓，

判斷混合氣的稀與濃；二氧化鈦式氧傳感器

則是利用氣敏電阻的原理，通過氧氣濃度引

起的二氧化鈦電阻值的改變來判定混合氣狀

態(tài)，故又稱電阻型氧傳感器。

二氧化鋯型氧傳感器和二氧化鈦式氧傳感器

的主要區(qū)別是：二氧化鋯型氧傳感器是將排氣中氧含量的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化；二氧化鈦型氧傳感器是將排氣中氧含量的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。二氧化鈦式氧傳感器的結(jié)構(gòu)與二氧化鋯式氧傳感器的結(jié)構(gòu)相似，主要由二氧化鈦傳感元件（鈦管）、鋼質(zhì)殼體、加熱元件和接線端子、護套、護管等組成。氧傳感器由于二氧化鈦半導(dǎo)體材料的電阻具有隨氧離子濃度的變化而變化的特性，因此氧化鈦式氧傳感器的信號源相當(dāng)于一個可變電阻，這是電阻值與過量空氣系數(shù)的關(guān)系。當(dāng)發(fā)動機的可燃混合氣濃（過量空氣系數(shù)小于1）時，由于燃燒不完全，排氣中會剩余少量氧氣，傳感元件周圍的氧離子很少，二氧化鈦呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。與此同時，在催化劑鉑的催化作用下，使剩余氧離子與排氣中的一氧化碳（CO）產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成二氧化碳（CO2），將排氣中的氧離子進一步消耗掉，從而大大提高了傳感器的靈敏度。氧傳感器當(dāng)發(fā)動機混合氣?。ㄟ^量空氣系數(shù)大于1）時，排氣中氧離子含量較多，傳感元件周圍的氧離子濃度較大，二氧化鈦呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。新型二氧化鈦式氧傳感器由發(fā)動機ECU提供1V基準(zhǔn)電壓，外形和原理與二氧化鋯式氧傳感器相似，但為了使二氧化鈦式氧傳感器有著與二氧化鋯式氧傳感器相同的變化，即和二氧化鋯式氧傳感器輸出的0～1V的電壓值相一致，將參考電壓由原來的5V變?yōu)?V，同時，為了降低傳感器的重量和更換時的成本，將其中的精密電阻轉(zhuǎn)移到了ECU內(nèi)部，因此，在傳感器的接線上減少一條引出線。氮氧化物傳感器NOx是可燃混合氣在高溫、高壓下燃燒后的產(chǎn)物，是NO和NO2等的總稱。為了降低汽車尾氣中NOX的排放量，在汽車上加裝NOX傳感器。NOX傳感器被直接擰緊在氮氧化物存儲式催化轉(zhuǎn)化器的后面，用來確定廢氣中氮氧化物和氧氣的殘留量并把此信號傳送給氮氧化物控制單元。其作用如下：氮氧化物傳感器①識別和檢查三元催化轉(zhuǎn)化器的功能是否正常。②識別和檢查三元催化轉(zhuǎn)化器前端寬域型氧傳感器調(diào)節(jié)點是否正?；蚴欠裥枰拚?。③檢測NOX傳感器產(chǎn)生的信號被傳送至NOX傳感器控制單元。④NOX傳感器感測到NOX存儲式催化轉(zhuǎn)化器的存儲空間達到飽和時，就會起動一個氮氧化物再生周期，即提供給ECU信號，使發(fā)動機在短時間內(nèi)生成更濃的混合氣體，使排氣溫度升高，轉(zhuǎn)化器涂層便開始釋放氮氧化物，氮氧化物會隨之被轉(zhuǎn)化為無害氮氣。氮氧化物傳感器NOx傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2-*所示，NOx傳感器包含兩個腔室、兩個泵室、四個電極和一個加熱器。傳感器元件是用二氧化鋯制成的。此材料的典型特點是，如果對它施加電壓，它就能使負的氧離子從負電極遷移到正電極，相當(dāng)于氣泵將氧氣從一側(cè)泵入另一側(cè)，因此，習(xí)慣上也被為氧氣泵。氮氧化物傳感器NOX傳感器控制單元常安裝于汽車底板外部，在NOX傳感器的附近位于車外部底板下部，在NOX傳感器附近對傳感器信號進行預(yù)加工，然后將該信息經(jīng)CAN總線傳至發(fā)動機控制單元，發(fā)動機控制單元通過這個信息來識別所存儲的NOX的飽和程度，執(zhí)行還原過程?？諝赓|(zhì)量傳感器空氣質(zhì)量傳感器也稱多功能傳感器，是眾多汽車全自動分區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的組成部分，主要用于測量空氣中的水分、環(huán)境溫度、外界空氣污染程度（外部空氣中可氧化或可還原的有害氣體）。若外部空氣質(zhì)量較差，如堵車或穿過隧道時，前面或鄰近的車輛的尾氣有可能進入本車輛，如果空氣質(zhì)量傳感器感測到外部空氣中污染物含量超標(biāo)時，全自動空調(diào)系統(tǒng)的控制單元會自動停止進氣外循環(huán)而轉(zhuǎn)為內(nèi)循環(huán)，阻止外部污染物進入?？諝赓|(zhì)量傳感器而當(dāng)車外空氣清新時又自動轉(zhuǎn)為外循環(huán)。此外，當(dāng)掛入倒車擋或者清洗前擋風(fēng)玻璃而噴射清洗液時，自動空調(diào)也會自動地將循環(huán)模式轉(zhuǎn)為內(nèi)循環(huán)，防止倒車時的有害尾氣和噴射清洗液時的異味進入車內(nèi)。空氣質(zhì)量傳感器連同新鮮空氣進氣道溫度傳感器G89一起安裝在通風(fēng)室的新鮮空氣進氣區(qū)域?？諝赓|(zhì)量傳感器空氣質(zhì)量傳感器具有能夠通過感應(yīng)化學(xué)物質(zhì)（如NO、NO2和CO）檢測空氣污染的能力。根據(jù)進氣空氣的質(zhì)量，它會自動打開車內(nèi)空氣循環(huán)模式（如果處于AUTO模式）。出于安全原因，如果外界溫度降到2℃以下或空調(diào)壓縮機關(guān)閉，可能是擋風(fēng)玻璃結(jié)冰，自動循環(huán)模式將中斷。煙霧濃度傳感器在駕駛室內(nèi)，吸煙發(fā)出的煙霧嚴重危害人體健康，為此，汽車上需安裝空氣凈化器除去空氣中的煙塵。煙霧濃度傳感器是與空氣凈化器配套使用的裝置，用于檢測煙霧，當(dāng)煙霧濃度傳感器從乘員室內(nèi)感知到煙塵的存在時，可自動地使空氣凈化器運轉(zhuǎn)，沒有煙塵時使空氣凈化器自動停止運轉(zhuǎn)，從而使乘員室內(nèi)空氣始終保持清新。煙霧濃度傳感器煙霧濃度傳感器是由本體和蓋板組成的，安裝在車室頂棚上室頂燈的旁邊。煙霧濃度傳感器本體上設(shè)置有許多可以使煙霧自由進入的細縫，當(dāng)檢測出有煙霧時，煙霧濃度傳感器使空氣凈化器的鼓風(fēng)機自動運轉(zhuǎn)。在一般情況下，即抽1~2根香煙時，就可使煙霧濃度傳感器動作。在煙霧濃度傳感器的本體上還設(shè)有感測靈敏度調(diào)整旋鈕（靈敏度用電位器），轉(zhuǎn)動旋鈕，即可調(diào)整傳感器的靈敏度。煙霧濃度傳感器煙霧濃度傳感器是由發(fā)光元件、光敏元件及信號處理電路部分組成的。當(dāng)空氣進入煙霧濃度傳感器殼體的窄縫后，可以自由地流動，發(fā)光元件（發(fā)光二極管LED）間歇地發(fā)出肉眼不可見的紅外線光．在空氣中沒有煙霧的情況下，這種紅外線光射不到光敏元件上，電路不工作；但當(dāng)煙霧等進