《汽車(chē)氧傳感器》PPT課件.ppt

1、第六章 氧傳感器,6.1 氧 (O2)傳感器的基本介紹 6.2 氧傳感器的開(kāi)發(fā)背景 6.3 氧傳感器在三元系統(tǒng)中的作用 6.4 氧傳感器的材料與工作原理 6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 6.6 氧傳感器使用中的問(wèn)題 6.7 氧傳感器的評(píng)定技術(shù),6.1 氧 (O2)傳感器的基本介紹,6.1.1二氧化鋯型氧(O2)傳感器 氧(O2)傳感器可用于電子控制燃油噴射裝置中的反饋系統(tǒng);用以檢測(cè)排放氣體中的氧氣濃度、空燃比的濃稀，監(jiān)測(cè)氣缸內(nèi)是否按理論空燃比(15: 1)進(jìn)行燃燒，并向計(jì)算機(jī)反饋。這種傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6一1所示，它是由產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的二氧化鋯管、起電極作用的襯套以及防止二氧化鋯管損壞和導(dǎo)入汽車(chē)排氣的

2、進(jìn)氣孔組成的。二氧化鋯管的內(nèi)、外表面均涂覆有薄薄一層鉑，鉑既可以成為電極又具有電勢(shì)放大作用。二氧化鋯管的外表面處于氧氣濃度較低的汽車(chē)所排放的氣體中，而管的內(nèi)表面則導(dǎo)入周?chē)諝?，兩表面氧氣濃度之差就?huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),下一頁(yè),返回,6.1 氧 (O2)傳感器的基本介紹,二氧化鋯型傳感器的工作原理如下所述:當(dāng)空燃比較濃時(shí)，排放氣體中的氧氣比較少，大氣中的氧離子通過(guò)二氧化鋯管后產(chǎn)生電壓，所以指示燈亮;反之，當(dāng)空燃比較低時(shí)，氧氣濃度很高，所以產(chǎn)生的電壓很低，指示燈不亮,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.1 氧 (O2)傳感器的基本介紹,6.1.2帶加熱器的二氧化鋯氧濃淡電動(dòng)勢(shì)型氧(O2)傳感器 為了保證氧傳感器具有

3、穩(wěn)定的輸出信號(hào)，就需要使其處于300以上的環(huán)境中，因此，一般可以把它安裝在離發(fā)動(dòng)機(jī)較近、溫度較高的位置處，但是，由于設(shè)計(jì)上的原因，有時(shí)必須將其安裝在離發(fā)動(dòng)機(jī)較遠(yuǎn)、溫度較低的位置處，在這種位置處也能工作的是帶加熱器的氧傳感器，即在排放氣體溫度為150200時(shí)可以工作,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.1 氧 (O2)傳感器的基本介紹,這種傳感器的工作原理與前面介紹過(guò)的無(wú)加熱器氧傳感器完全相同，在試管形的固體電解質(zhì)的內(nèi)側(cè)設(shè)置了陶瓷加熱器，在給加熱器加上電壓之后，從內(nèi)側(cè)進(jìn)行加熱，所以在低溫下就可以工作。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。在這種場(chǎng)合下，氧傳感器是作電子控制燃油噴射裝置上的空燃比反饋控制傳感器用的，用

4、以檢測(cè)排放氣體中的氧氣濃度,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.1 氧 (O2)傳感器的基本介紹,在空燃比反饋系統(tǒng)中，當(dāng)空燃比稀薄時(shí)，排放氣體中的氧濃度增加，氧傳感器把“稀薄狀況”通知計(jì)算機(jī)，然后，計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)增加噴油量，由此，當(dāng)空燃比比理論值還濃時(shí)，排放氣體中的氧濃度降低，氧傳感器把“較濃狀況”通知計(jì)算機(jī)，然后計(jì)算機(jī)減少?lài)娪土?，又回?fù)到原來(lái)狀態(tài)。如上所述，反饋系統(tǒng)就是這樣往復(fù)動(dòng)作，從而把空燃比控制在理論值。 氧傳感器的性能與溫度有很大的關(guān)系,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.1 氧 (O2)傳感器的基本介紹,6.1.3二氧化鈦型氧(OZ)傳感器 這種氧傳感器采用了半導(dǎo)體材料二氧化鈦，二氧化鈦屬N型半導(dǎo)體，其

5、電阻值的大小取決于周?chē)h(huán)境的氧濃度情況，因此，二氧化鈦型傳感器和二氧化鋯型傳感器一樣，也可以用作檢測(cè)排放氣體中的氧濃度。 二氧化鈦型氧傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6一3所示。在二氧化鈦元件中嵌有圓板形鉑電極，它的周?chē)刑沾?。在絕緣體的一端，就是二氧化鈦元件和熱敏電阻，從兩極和兩個(gè)元件的連接點(diǎn)處共引出3根引線。在絕緣體表面上繞有鎢絲，以其作為氧傳感器的加熱器，并引出2根引線,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.1 氧 (O2)傳感器的基本介紹,當(dāng)周?chē)鯕獗容^多時(shí)，二氧化鈦的阻值增大;反之，當(dāng)周?chē)鯕獗容^少時(shí)，二氧化鈦的阻值減小，所以，二氧化鈦氧傳感器的阻值在理論空燃比附近處急劇變化，輸出電壓也急劇地變化。用二氧化鈦制

6、作的氧傳感器有3個(gè)端子，即“基準(zhǔn)電源”、“輸出”和“搭鐵”。二氧化鈦的阻值隨溫度的變化情況如圖6一4所示。與二氧化鈦元件串聯(lián)的熱敏電阻起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)溫度很低時(shí)，二氧化鈦的阻值很大而無(wú)法正常工作，對(duì)此進(jìn)行快速預(yù)熱激活，所以傳感器上配裝了加熱器 上面所說(shuō)的二氧化鈦氧傳感器，還有耐鉛中毒能力強(qiáng)、產(chǎn)品體積小的優(yōu)點(diǎn),上一頁(yè),返回,6.2 氧傳感器的開(kāi)發(fā)背景,自從1970年有些國(guó)家制定了嚴(yán)格的汽車(chē)廢氣排放法規(guī)以來(lái)，大大加快了汽車(chē)排放凈化裝置的研制步伐，一開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)了許多種類(lèi)的凈化裝置，隨著技術(shù)不斷地革新，不斷地加以淘汰，最后留下來(lái)的也就是合理的系統(tǒng)，即可以同時(shí)凈化NOx、CO及HC三種有害物質(zhì)的三元催

7、化方式。在此系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的是催化劑技術(shù)的發(fā)展與氧傳感器的成功開(kāi)發(fā)，氧傳感器是使此系統(tǒng)最有效地發(fā)揮作用必不可少的部件,下一頁(yè),返回,6.2 氧傳感器的開(kāi)發(fā)背景,從原理上講，氧傳感器有足夠的理由成立。但因汽車(chē)使用非常廣泛，氧傳感器必須能承受苛刻環(huán)境，要長(zhǎng)期保證穩(wěn)定的性能，當(dāng)初，生產(chǎn)廠家并沒(méi)有充分的把握。但當(dāng)無(wú)論如何都需要這一部件時(shí)，不僅從事傳感器開(kāi)發(fā)的部件廠，而且包括汽車(chē)制造廠的開(kāi)發(fā)部門(mén)，以及與汽車(chē)技術(shù)有關(guān)的技術(shù)人員、研究人員從各個(gè)角度作了大量的研究,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.2 氧傳感器的開(kāi)發(fā)背景,1976年，博世公司首先在沃爾沃車(chē)上裝用了氧傳感器，借此機(jī)會(huì)，通用、福田、豐田、日產(chǎn)相繼完成了

8、氧傳感器的開(kāi)發(fā)工作。時(shí)至今日，氧傳感器已成為燃燒控制技術(shù)中最重要的功能部件，在對(duì)排放已訂立法規(guī)的國(guó)家里，它已是到處可見(jiàn)的普通產(chǎn)品。氧傳感器是為解決廢氣凈化而開(kāi)發(fā)出的部件，但目前來(lái)說(shuō)，節(jié)油問(wèn)題與提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能問(wèn)題都與氧傳感器有很大的關(guān)系，因此，就要求性能更好，可靠性更高的傳感器。下面采用比較的方法，對(duì)二氧化鋯型與二氧化鈦型氧傳感器加以說(shuō)明,上一頁(yè),返回,6.3 氧傳感器在三元系統(tǒng)中的作用,6. 3. 1空燃比控制與氧傳感器 先來(lái)說(shuō)明三元催化劑系統(tǒng)的基本原理與氧傳感器的作用。 現(xiàn)在大批量生產(chǎn)的氧傳感器都是檢測(cè)理論空燃比點(diǎn)的，它用于三元催化中，凈化效率最高且將廢氣控制于理論空燃比的反饋系統(tǒng)上。三元

9、催化劑的凈化率一般是用空氣過(guò)剩率A的函數(shù)來(lái)表示。A=1意味著是理論空燃比，小于1時(shí)為濃狀態(tài)，大于1時(shí)為稀狀態(tài),下一頁(yè),返回,6.3 氧傳感器在三元系統(tǒng)中的作用,下面說(shuō)明氧傳感器的基本特性與系統(tǒng)的控制方法。圖6一5是有代表性的空燃比反饋系統(tǒng)的概括。一般來(lái)說(shuō)，噴油量的控制主要采取圖(1)所示的控制法。對(duì)燃燒后廢氣而言，氧傳感器的輸出信號(hào)如圖(2)所示。 比較電平大致相當(dāng)于理論空燃比點(diǎn)時(shí)氧傳感器的輸出電平，通常將其調(diào)整在0.5左右，但實(shí)際上，氧傳感器的空燃比特性是變化著的. 從圖(3)中還可以看出，控制電路具有將出信號(hào)滯后時(shí)間再輸出的功能.圖(4)是積分電路，與積分量相應(yīng)，逐漸地增加噴油量。也有采用

10、圖(5)所示辦法的，在比較器翻轉(zhuǎn)時(shí)，提高整個(gè)系統(tǒng)的反饋頻率,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.3 氧傳感器在三元系統(tǒng)中的作用,從前面的說(shuō)明中可知:氧傳感器的基本空燃比特性、濃與稀狀態(tài)的響應(yīng)特性對(duì)尾氣空燃比的影響很敏感，因此應(yīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整系統(tǒng)側(cè)的參數(shù):，以維持三元催化的最高凈化效率。 近些年來(lái)，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整可以做到這些參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工況條件相協(xié)調(diào)，按各種使用目的加以區(qū)分。 作為氧傳感器的基本特性，除了上面講過(guò)的基本空燃比特性、響應(yīng)特性之外，還有內(nèi)阻特性。 此外，在低溫范圍內(nèi)，空燃比在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí)，三元催化劑本身的凈化效率還高些，所以要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能選用特性適當(dāng)?shù)难鮽鞲衅?

11、上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.3 氧傳感器在三元系統(tǒng)中的作用,6. 3. 2氧傳感器在車(chē)載自我診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用 從1994年開(kāi)始實(shí)施的車(chē)載自我診斷系統(tǒng)一法規(guī)中規(guī)定:車(chē)輛上必須配有排放系統(tǒng)部件的故障自我診斷系統(tǒng)。其中也包含有很多利用氧傳感器診斷的技術(shù)，下面分項(xiàng)加以說(shuō)明,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.3 氧傳感器在三元系統(tǒng)中的作用,1)檢測(cè)催化劑老化。法規(guī)中規(guī)定:當(dāng)尾氣達(dá)到限制值的1.5倍時(shí)，報(bào)警燈應(yīng)該點(diǎn)亮報(bào)警。對(duì)這一要求的檢測(cè)，可采用直接檢測(cè)尾氣成分的辦法。 (2)空燃比控制。車(chē)用自我診斷一法規(guī)要求:控制用氧傳感器及燃油控制也能進(jìn)行自我診斷，這時(shí)，也可以采用監(jiān)測(cè)催化劑后的氧傳感器的輸出信號(hào)的辦法，與前方

12、相比，催化劑的后方尾氣中的未燃燒成分經(jīng)催化劑后已反應(yīng)完成，所以，對(duì)氧傳感器來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定平衡尾氣的測(cè)定表示出理想的輸出,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.3 氧傳感器在三元系統(tǒng)中的作用,3)斷火檢測(cè)。發(fā)動(dòng)機(jī)斷火將引起催化劑異常發(fā)熱，造成催化劑老化。因此，車(chē)用自我診斷-法規(guī)還規(guī)定:應(yīng)檢測(cè)出斷火，并發(fā)出警報(bào)。檢測(cè)斷火的方法有兩種，一種是直接法，即利用催化劑溫度傳感器、氧傳感器與離子電流傳感器等直接檢測(cè)斷火狀況;另一種是間接法，利用曲軸角度傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)因斷火引起的轉(zhuǎn)速變化,上一頁(yè),返回,6.4 氧傳感器的材料與工作原理,6. 4. 1二氧化鋯型 已經(jīng)批量生產(chǎn)的二氧化鋯部件的結(jié)構(gòu)原理如圖6一6所示。它是由一端

13、已密封的試管狀固體電解質(zhì)元件、其表面的鉑電極及保護(hù)用陶瓷層組成的。一般的尾氣中含有未燃燒成分與剩余的氧，為了弄清楚準(zhǔn)確的空氣過(guò)剩率，就需要使這些未燃燒成分與剩余的氧進(jìn)行反應(yīng)以達(dá)平衡狀態(tài)。通過(guò)電極上所用鉑的催化作用，可以促進(jìn)其反應(yīng)的進(jìn)行。從空氣過(guò)剩率與平衡氧分壓的關(guān)系可知，以=1.00處為界，平衡氧分壓出現(xiàn)了急劇的變化,下一頁(yè),返回,6.4 氧傳感器的材料與工作原理,氧傳感器將產(chǎn)生圖6-7所示的電壓。二氧化鋯型氧傳感器的電動(dòng)勢(shì)隨溫度的變化情況，如圖6-8所示。 低溫區(qū)濃狀態(tài)下氧傳感器的輸出電壓比較低，這是傳感器元件的內(nèi)阻在低溫區(qū)時(shí)相當(dāng)高的原因造成的，即使利用輸入阻抗很高的普通電壓表也無(wú)法測(cè)出其輸

14、出電壓。高溫區(qū)濃狀態(tài)下氧傳感器的輸出電壓也比較低，這是由高溫下氧分壓引起的,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.4 氧傳感器的材料與工作原理,低溫區(qū)稀狀態(tài)下氧傳感器的輸出電壓增高，這是非平衡氣體影響所造成的，對(duì)此點(diǎn)后面還要加以說(shuō)明，總之，要想在低溫區(qū)快速利用傳感器時(shí)，就要降低傳感器的內(nèi)阻，采用高輸入阻抗的電壓表。也需要設(shè)法在傳感器內(nèi)設(shè)加熱器，以加熱傳感元件,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.4 氧傳感器的材料與工作原理,ZrO2有三種晶體:單斜晶體(M)，正方晶體(T)及立方晶體(C)，其中M/T的轉(zhuǎn)換，會(huì)使晶體體積變化4%左右，這很容易使晶體老化。當(dāng)ZrO2中加入Y2O3, CaO, MgO, Yb2O3后，

15、就可以控制M/T的轉(zhuǎn)移，增加其穩(wěn)定性。 強(qiáng)度的機(jī)理與T/M的轉(zhuǎn)移存在著一定關(guān)系，利用這一機(jī)理制成的二氧化鋯陶瓷簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)TZ或ZTC。 對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)，電導(dǎo)率是一項(xiàng)很重要的參數(shù)， 為了保證批量生產(chǎn)的傳感器在經(jīng)受?chē)?yán)格的熱循環(huán)后電特性保持正常，若穩(wěn)定性很好的話，往往選定Y2O3在46mol,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.4 氧傳感器的材料與工作原理,傳感器上，二氧化鋯固體電解質(zhì)的外側(cè)電極涂敷有陶瓷保護(hù)層。對(duì)傳感器的性能來(lái)說(shuō)，催化劑特性有兩個(gè)重要的作用。一是尾氣中存在有未燃燒的氣體，由此造成測(cè)量誤差，催化劑對(duì)此起著平衡作用;另一個(gè)是，因電極上進(jìn)行的是電化學(xué)反應(yīng)，其內(nèi)容包括電子的移動(dòng)、氧分子的吸附，脫離，氧離

16、子的形成，因移動(dòng)與脫離而滲入固體電解質(zhì)，而作為逆反應(yīng)包括從固體電解質(zhì)中捕獲氧離子，使其移動(dòng)，形成氧分子，形成氣態(tài)等，催化劑都擔(dān)負(fù)著重要作用,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.4 氧傳感器的材料與工作原理,6. 4. 2二氧化鈦型 二氧化鈦的熔點(diǎn)是1750，它以三種狀態(tài)存在，氧化鈦(B)、銳鈦礦形(A)、板鈦礦形(B)。其中的R形從低溫到高溫一直是穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有必要像ZrO2那樣，需要考慮狀態(tài)轉(zhuǎn)移的問(wèn)題，是適合制作傳感器的材料，下面以多孔形TiO2陶瓷的電阻溫度特性為例加以說(shuō)明，如圖6一9所示，將此圖大致分5個(gè)方面加以說(shuō)明,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.4 氧傳感器的材料與工作原理,1)表面的化學(xué)吸附。這是

17、指表面靠化學(xué)吸附的O2,H2O,CO,HC氣體與TiO2表面之間電子轉(zhuǎn)移所引起的現(xiàn)象，這主要從室溫至400可以發(fā)現(xiàn):電阻的變化程度隨溫度及表面狀態(tài)而變化。 (2) TiO2自身體電阻的變化。隨著溫度的升高，熱量激勵(lì)出的載流子的數(shù)量增多。所以，電阻減小。這種變化相當(dāng)于熱量形成空穴的能量，這是TiO2固有的性質(zhì). (3)氧分壓的影響. (4)非平衡氣體的影響. (5)原子價(jià)控制的影響,上一頁(yè),返回,6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),6. 5. 1圓筒形二氧化鋯傳感器 為保證二氧化鋯傳感器能夠安裝在汽車(chē)等的排氣管上，都用金屬件將陶瓷零件二氧化鋯件保護(hù)起來(lái)。二氧化鋯氧傳感器大致可分為帶加熱器和不帶加熱器兩

18、種，其結(jié)構(gòu)分別如圖6一10和圖6一11所示。 近年來(lái)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)，尾氣溫度有下降的趨勢(shì)，為了獲取更穩(wěn)定的信號(hào)，加上目前又趨向?qū)⒀鮽鞲衅靼惭b在尾氣混合狀態(tài)良好的下游側(cè)，所以目前的主導(dǎo)產(chǎn)品是帶加熱器型的氧傳感器(簡(jiǎn)稱(chēng)為HEGO,下一頁(yè),返回,6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),NTK公司很久以前就已經(jīng)利用IC外殼的封裝技術(shù)，并可把加熱器的圖形印刷在陶瓷片上，利用同時(shí)燒結(jié)的辦法制出精巧的加熱器。帶加熱器型氧傳感器的輸出特性如圖6-12所示。在加熱器的作用下，元件很快被加熱，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后，在很短的時(shí)間內(nèi)元件達(dá)到活性溫度，并進(jìn)入控制狀態(tài)。對(duì)排放控制來(lái)說(shuō)，與無(wú)加熱器型相比，帶加熱器的氧傳感器要好多了。

19、今后，排放法規(guī)會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格，所以，帶加熱器的氧傳感器將成為今后的主流產(chǎn)品,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),6. 5. 2搭鐵絕緣型二氧化鋯傳感器 為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)行更精密的控制，要把氧傳感器安裝在各氣缸氣體已經(jīng)均勻混合的下游，這樣效果好。但這時(shí)，傳感器與微機(jī)之間會(huì)形成電位差，即兩者之間的電阻增加，此外，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的干擾會(huì)竄到信號(hào)線上，造成發(fā)動(dòng)機(jī)控制出現(xiàn)故障,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),也就是說(shuō)，傳感器安裝位置附近的搭鐵電位與蓄電池、微機(jī)等的搭鐵電位會(huì)出現(xiàn)電位差。與微機(jī)的搭鐵電位相比，當(dāng)傳感器搭鐵電位高V時(shí)，則電位差的值疊加到傳感器的信號(hào)上，由此而造成理

20、論空燃比控制出現(xiàn)偏差。此外，也有的將氧傳感器安裝在排氣管上，隨著汽車(chē)使用時(shí)間的加長(zhǎng)與傳感器間的連接電阻增加,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),為了解決這一問(wèn)題，有一種方案是，將引出線焊在傳感器的本體上，再引出傳感器搭鐵線，由此可能造成在搭鐵線回路中，電波干擾調(diào)制了傳感器輸出信號(hào)。 為了避免出現(xiàn)上述問(wèn)題，就要設(shè)法使傳感器的信號(hào)不通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的本體，而從元件直接輸出。稱(chēng)這種規(guī)格的為搭鐵絕緣型(或稱(chēng)為不搭鐵型)氧傳感器,NTK公司最先將這種產(chǎn)品供向市場(chǎng)。目前，有70%以上的氧傳感器都是搭鐵絕緣型，且?guī)Ъ訜崞?上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),主絕緣采用了機(jī)械強(qiáng)度高、

21、絕緣性能好的結(jié)構(gòu)材料氧化鋁陶瓷，氧化鋁陶瓷件設(shè)置在主接頭與傳感元件之間，采用滑石作填加材料，通過(guò)熱鉚主接頭，將傳感元件密封固定。通過(guò)印刷、燒結(jié)工藝將引出線與傳感元件外表面相連，負(fù)信號(hào)就從這里輸出。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6一13所示。 絕緣特性的調(diào)查結(jié)果如圖6一14所示,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),6. 5. 3板狀二氧化鋯傳感器 以前的氧傳感器采用的都是陶瓷粉末的壓力成形工藝，這種工藝與從前火花塞絕緣件的成形工藝完全相同，可靠性也非常高。與此相比，近幾年又開(kāi)發(fā)出了陶瓷的新工藝，即層壓工藝，這種工藝已用于疊層電容器及陶瓷IC封裝的生產(chǎn)之中。 這種工藝的流程是，將熱可塑性樹(shù)脂混合

22、在陶瓷粉末中，制成薄片，再將這些薄片重疊制成板狀件，接著燒結(jié)成一個(gè)整的工件。因?yàn)楸∑容^柔軟、容易加工，所以可切斷或鉆孔。此外，在其表面涂覆金屬漿料，還可以包鍍金屬。采用這種工藝制作板狀二氧化鋯傳感器公開(kāi)于1985年，其結(jié)構(gòu)如圖6一15所示,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),6. 5. 4二氧化鈦氧傳感器 與二氧化鋯件不同，二氧化鈦氧傳感器不需要與大氣壓進(jìn)行對(duì)比，所以，很簡(jiǎn)單地就可以做到防水。為支撐基板，可用玻璃做到完全密封。這樣，利用玻璃密封就可以隔斷尾氣中的水分。此外，通過(guò)在引出線與保護(hù)殼之間設(shè)置用硅橡膠材料制成的襯墊，可以防止水從傳感器四周滲入,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6

23、.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),傳感元件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6一16所示，傳感器多層(3層)氧化鋁基板上設(shè)有二氧化鈦厚膜，基板內(nèi)部有利用Pt噴涂工藝形成的加熱器及分壓電阻,屬于小型混合集成電路結(jié)構(gòu)。利用分壓電阻從蓄電池電壓上分壓出約1V的電壓作傳感器電源。中間的氧化鋁層起保護(hù)加熱器、提高耐久性的作用，同時(shí)，可以防止加熱器電源誤加至傳感元件上。因?yàn)榛迮c二氧化鈦的密合性對(duì)傳感器的可靠性非常重要。所以，利用陶瓷小球?qū)⒒灞砻嬖O(shè)計(jì)成凸凹不平的結(jié)構(gòu)，二氧化鈦膜填滿(mǎn)了球與基板之間空隙，由此可以防止二氧化鈦厚膜從基板上脫落,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),本節(jié)介紹的傳感器屬電阻變化型，所以電極附

24、近的二氧化鈦電阻變化時(shí)，傳感器就可以測(cè)出周?chē)鷼夥盏淖兓?。因?yàn)殡姌O位于二氧化鈦厚膜的最深處，所以，尾氣向厚膜中的擴(kuò)散速度及其間非平衡氣體的反應(yīng)狀況決定著傳感器的特性。目的就是要使二氧化鈦的氣孔直徑、厚膜及催化特性對(duì)各項(xiàng)應(yīng)用達(dá)到最佳狀態(tài),上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.5 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),歸納起來(lái)，本節(jié)介紹的傳感器有下述特點(diǎn)。 因?yàn)榧訜崞?、電極分壓電阻制成一個(gè)整體，所以以較低的成本就可生產(chǎn)出帶加熱器的傳感器;與二氧化鋯傳感器不同，不需要比較元件，所以，防水設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單;不易出現(xiàn)含鉛汽油引起的中毒現(xiàn)象,上一頁(yè),返回,6.6 氧傳感器使用中的問(wèn)題,6. 6. 1氧傳感器的安裝 在考慮氧傳感器的安裝位置

25、時(shí)，需要考慮到為激活元件頂端檢測(cè)部位所需的最低溫度和防止高溫老化的最高溫度。通常，二氧化鋯傳感器的標(biāo)準(zhǔn)工作溫度為350850 。僅就熱老化來(lái)看時(shí)，當(dāng)元件溫度在100時(shí)其壽命可提高9倍，但當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，所析出的沉淀物增多，所以希望其工作溫度范圍為600800,下一頁(yè),返回,6.6 氧傳感器使用中的問(wèn)題,氧傳感器大多安裝在多個(gè)氣缸排放的匯合部位，但傳感元件溫度及尾氣混合程度隨安裝位置而變化。 為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，目前大多都把傳感器安裝在匯合管道的下游，各缸的排氣得以在匯合管道內(nèi)充分混合。在這種場(chǎng)合下，因?yàn)槲矚鉁囟缺容^低，所以一般用帶加熱器的氧傳感器,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.6 氧傳感器使用中的問(wèn)

26、題,6. 6. 2耐高溫與中毒老化 在推測(cè)傳感器質(zhì)量保證時(shí)間時(shí)，很重要的一項(xiàng)工作是搞清楚氧傳感器的老化機(jī)理。為了保護(hù)地球的環(huán)境，法規(guī)要求增加傳感器的質(zhì)量保證時(shí)間。但是，另一方面，車(chē)輛的使用方法即傳感器的使用方法不盡相同，按理是不能用一種評(píng)價(jià)方法來(lái)推測(cè)壽命。下面就來(lái)說(shuō)明尾氣溫度與各種中毒原因之間的關(guān)系;對(duì)老化機(jī)理的分析，僅供讀者參考,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.6 氧傳感器使用中的問(wèn)題,1)尾氣空燃比與老化 (2)鉛中毒 (3)磷(P)中毒 (4)硅(Si)中毒,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.6 氧傳感器使用中的問(wèn)題,6. 6. 3非平衡氣體的影響 氧傳感器的作用本來(lái)只是測(cè)量尾氣中的含氧量。但在實(shí)際的

27、尾氣中，還殘留有未燃燒氣體，因此，怎樣分析未燃燒氣體的成分就擺在人們的面前。汽車(chē)上裝用氧傳感器的日的是有效地發(fā)揮三元催化劑的作用。前面已經(jīng)講過(guò)，氧傳感器裝在催化劑下游時(shí)，其輸出電壓精度最高。本節(jié)將說(shuō)明氧傳感器對(duì)未燃燒氣體的影響。二氧化鋯傳感器的氣敏機(jī)理如圖6一17所示，現(xiàn)分區(qū)加以說(shuō)明,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.6 氧傳感器使用中的問(wèn)題,1)低溫區(qū)(低于400)。在此區(qū)域內(nèi)傳感器電極的催化能力很低，傳感器的輸出信號(hào)也低。一般來(lái)說(shuō)，傳感器電極上吸附有尾氣中的未燃?xì)怏w，然后憑借與電極的催化能力，未燃?xì)怏w完全燃燒，傳感器測(cè)得平衡氧分壓，但在低溫區(qū)域時(shí)，僅能吸附氣體，引起燃燒的能力下降,上一頁(yè),下一頁(yè),

28、返回,6.6 氧傳感器使用中的問(wèn)題,2)中溫區(qū)(400一600)。在中溫區(qū)，傳感器的內(nèi)阻減小，所以就沒(méi)有(1)中所述的問(wèn)題。傳感器的催化劑活性也在某種程度上呈現(xiàn)出來(lái)，CO被吸附的同時(shí)，與氧氣發(fā)生催化反應(yīng)，消除了CO吸附電位的影響。對(duì)這種場(chǎng)合下所出現(xiàn)的控制空燃比多少有一點(diǎn)向稀側(cè)偏移的現(xiàn)象，可用擴(kuò)散理論試加解釋,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.6 氧傳感器使用中的問(wèn)題,3)中高溫區(qū)(600 700)。在這一區(qū)域，傳感器的輸出最穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)自身可以穩(wěn)定燃燒的區(qū)域，未燃燒氣體處于熱活性化狀態(tài)，可在排氣管中進(jìn)行反應(yīng). (4)高溫區(qū)(700以上)。對(duì)高溫區(qū)工作的氧傳感器來(lái)說(shuō)，一個(gè)是熱老化問(wèn)題，這在前曲已經(jīng)作了說(shuō)明

29、，另一個(gè)問(wèn)題是NOx氣體的影響,上一頁(yè),返回,6.7 氧傳感器的評(píng)定技術(shù),隨著車(chē)輛性能的不斷提高，對(duì)左右車(chē)輛性能的氧傳感器的功能要求也越來(lái)越高，要求其工作性能要更加穩(wěn)定，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，根據(jù)評(píng)定技術(shù)確立維持一定精度的測(cè)量方法則已變?yōu)楸匾獥l件.因此，要根據(jù)下述兩點(diǎn)來(lái)研究氧傳感器的評(píng)定技術(shù) 氧傳感器作為內(nèi)燃機(jī)上的重要部件，它應(yīng)滿(mǎn)足一般性能、機(jī)械、溫度及電性能的要求。 作為發(fā)動(dòng)機(jī)上排放控制系統(tǒng)的部件應(yīng)具有足夠的功能,下一頁(yè),返回,6.7 氧傳感器的評(píng)定技術(shù),下面就以目前廣泛應(yīng)用的二氧化鋯氧傳感器的評(píng)定技術(shù)為中心，對(duì)其主要項(xiàng)目加以說(shuō)明?，F(xiàn)在部分車(chē)輛上，已采用二氧化鈦?zhàn)鳈z測(cè)元件，但占主導(dǎo)地位的還是二氧化鋯

30、，而且，兩種傳感器的使用目的、安裝位置等大致都相同，所以，可采用大致相同的評(píng)價(jià)方法,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.7 氧傳感器的評(píng)定技術(shù),6. 7. 1機(jī)械性能 (1)引出線的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn) (2)扭矩強(qiáng)度試驗(yàn) (3)沖擊強(qiáng)度試驗(yàn) (4)尾氣密封程度試驗(yàn) (5)振動(dòng)試驗(yàn),上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.7 氧傳感器的評(píng)定技術(shù),6. 7. 2溫度性能 (1)高溫存放試驗(yàn) (2)低溫存放試驗(yàn) (3)熱循環(huán)沖擊試驗(yàn) (4)熱循環(huán)試驗(yàn),上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.7 氧傳感器的評(píng)定技術(shù),6. 7. 3電性能 (1)絕緣電阻試驗(yàn) (2)傳感器輸出電壓的測(cè)量 (3)響應(yīng)性試驗(yàn) (4)內(nèi)阻的檢測(cè),上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6

31、.7 氧傳感器的評(píng)定技術(shù),6. 7. 4控制特性的評(píng)定方法 氧傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管上，其輸出信號(hào)隨發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣成分的比例而變化，通過(guò)控制氧傳感器的輸出變化就可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀態(tài)。因此，只要傳感器沒(méi)有損壞，最重要的工作就是評(píng)定其控制特性。 (1)利用燃燒后的尾氣進(jìn)行評(píng)定 (2)利用模擬氣體進(jìn)行評(píng)定 (3)排放的評(píng)定,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.7 氧傳感器的評(píng)定技術(shù),6. 7. 5其他評(píng)定方法 在工作環(huán)境很差或處于劣質(zhì)燃油中時(shí)，實(shí)際裝用的傳感器可能發(fā)生變質(zhì)，尤其是汽油中混有鉛或者硅時(shí)，傳感器的控制會(huì)出現(xiàn)很大的變化，嚴(yán)重時(shí)其功能會(huì)完全喪失。 對(duì)傳感器的耐熱溫度來(lái)說(shuō)，還要充分注意其上所用部件的耐熱性能，要使其在低于最高使用溫度下工作。 關(guān)于噴水試驗(yàn)，飛石的評(píng)定，鹽霧試驗(yàn)等，可和普通的發(fā)動(dòng)機(jī)部件同樣試驗(yàn)與評(píng)定,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.7 氧傳感器的評(píng)定技術(shù),6. 7. 6檢查方法 將氧傳感器的“+”極與微機(jī)相連，“一”極通過(guò)安裝螺帽與排氣管相連，因此，在檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的混合狀態(tài)的同時(shí)，還監(jiān)測(cè)傳感器正極上輸出電壓的變化的話，就可以評(píng)定傳感器的特性,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,6.7 氧傳感器的評(píng)定技術(shù),一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)設(shè)置在控制組件上的監(jiān)測(cè)燈及安裝有氧傳感器的檢測(cè)器后，就可以判斷出正常還是異常。