宽带氧传感器的工作原理和常见故障的检查方法发布时间: 2010-4-29 15:52 | 编辑: 汽车乐 | 查看: 1067次来源: 网络随着汽车尾气排放限值要求的不断提高，传统的开关型氧传感器已不能满足需要，取而代之的是控制精度更高的线性宽带氧传感器(Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor，简称UEGO)。
氧传感器闭环控制调节发动机燃烧室内的混合汽，以实现最佳的三元催化转换器运行，从而满足排放限值的要求。
为此，氧传感器闭环控制的任务是确保废气空燃比始终处于催化转换器的最佳工作点。
氧传感器闭环控制只改变所要喷射的燃油质量、燃烧室内的空气质量，也就是说汽缸充气和点火正时均不受影响，因此氧传感器是用来帮助确定废气中氧含量而反映实际工况中的空燃比。
控制单元内的氧传感器闭环控制必须通过所提供的信号来对混合汽的成分做出相应调整，控制过程很大程度上取决于氧传感器的属性。
宽带氧传感器能够提供准确的空燃比反馈信号给ECU，从而ECU精确地控制喷油时间，使汽缸内混合汽浓度始终保持理论空燃比值。
宽带氧传感器的使用提高了ECU的控制精度，最大限度地发挥了三元催化器的作用，优化了发动机的性能，并可节省大约15％的燃油消耗，更加有效地降低了有害气体的排放。
宽带氧传感器通过检测发动机尾气排放中的氧含量，并向电子控制单元(ECU)输送相应的电压信号，反映空气燃油混合比的稀浓。
ECU根据氧传感器传送的实际混合汽浓稀反馈信号而相应调节喷油脉宽，使发动机运行在最佳空燃比(λ=1)状态，从而为催化转换器的尾气处理创造理想的条件。
如果混合汽太浓(λ<1)，必须减少喷油量，如果混合汽太稀(λ>1)，则要增加喷油量。
现代汽车发动机管理系统中，安装在催化转换器前的宽带氧传感器，称作控制氧传感器，安装在三元催化器的上游位置，监测尾气中氧的浓度，并将信息反馈给控制单元，用于调节喷油量，从而实现发动机的闭环控制，改善发动机的燃烧性能并减少有害气体的排放。
根据OBD-Ⅱ规定，现代汽车必须对三元催化转换器效率进行持续监控，为此配有诊断氧传感器，安装在催化转换器的下游端。
通过比较催化转换器上游和下游的传感器信号，可以确定催化转换器的效率。
主要原因是由于控制氧传感器因老化，其向ECU输送的电压信号曲线会发生偏移，诊断氧传感器会检测控制氧传感器是否仍然处于最佳工作状态，然后ECU 就可计算出矫正偏移所需的补偿量。
由于老化而造成工作性能变差的氧传感器，也会影响燃油经济性的指标。
老化的氧传感器提供给DME的混合汽浓度信号存在误差，将使DME控制单元在可燃混合汽形成的控制产生偏差，而造成燃油消耗的增加。
表1是博世公司所做的氧传感器对燃油经济性影响的明细表。
一、宽带型氧传感器的分类及基本构造根据氧传感器的制造材料不同，宽带型氧传感器可分为以ZrO2为基体的固化电解质型和利用氧化物半导体电阻变化型两大类；根据传感器的结构不同，宽带型氧传感又可分为电池型、临界电流型及泵电池型。
宽带型氧传感器的基本控制原理就是以普通氧化锆型氧传感器为基础扩展而来。
氧化锆型氧传感器有一特性，即当氧离子移动时会产生电动势。
反之，若将电动势加在氧化锆组件上，即会造成氧离子的移动。
根据此原理即可由发动机控制单元控制所想要的比例值。
构成宽带型氧传感器的组件有两个部分：一部分为感应室，另一部分是泵氧元。
感应室的一面与大气接触，而另一面是测试腔，通过扩散孔与排气接触，与普通氧化锆传感器一样，由于感应室两侧的氧含量不同而产生一个电动势。
一般的氧化锆传感器将此电压作为控制单元的输入信号来控制混合比，而宽带型氧传感器与此不同的是：发动机控制单元要把感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V，这个电压只是电脑的参考标准值，它就需要传感器的另一部分来完成。
宽带型氧传感器的另一部分是传感器的关键部件——泵氧元，泵氧元一边是排气，另一边与测试腔相连。
泵氧元就是利用氧化锆传感器的反作用原理，将电压施加于氧化锆组件(泵氧元)上，这样会造成氧离子的移动。
把排气中的氧泵入测试腔当中，使感应室两侧的电压值维持在0.45V。
这个施加在泵氧元上变化的电压，才是我们要的氧含量信号。
如果混合汽太浓，那么排气中含氧量下降，此时从扩散孔益出的氧较多，感应室的电压升高。
为达到平衡发动机控制单元，增加控制电流使泵氧元增加泵氧效率，使测试腔的氧含量增加，这样可以调节感应室的电压恢复到0.45V；相反混合汽太稀，则排气中的含氧量增加，这时氧要从扩散孔进入测试腔，感应室电压降低，此时泵氧元向外排出氧来平衡测试腔中的含氧量，使感应室的电压维持在0.45V。
总而言之，加在泵氧元上的电压可以保证当测试腔内的氧多时，排出腔内的氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流；当腔内的氧少时，进行供氧，此时发动机控制单元的控制电流是负电流。
以上过程供给泵氧元的电流就反映了排气中的剩余空气含量系数。
二、宽带氧传感器(LSU)与LSH或LSF氧传感器的工作原理及区别普通LSH或LSF氧传感器一般有四根线，其中两根是加热线，第三根是信号线，另一根是接地线。
其在陶瓷体两侧附着二氧化锆涂层，在350℃或更高的温度下能传导氧离子，传感器两侧氧气的浓度差使两个表面之间产生电位差，且工作曲线非常陡峭，混合汽在接近理论空燃比时，输出0.45V电压。
尾气稍微偏浓时，输出电压就突变为0.6～0.9V；反之尾气变稀后，输出电压突变为0.3～0.1V，如果尾气进一步增浓，氧传感器的输出电压已经达到峰值测量电压0.9V。
如果尾气进一步变稀，氧传感器的输出电压已经达到最低测量值0.1V，过浓与过稀的尾气对普通氧传感器已无法测量，0.1～0.9V的两状态电压信号已无法满足对汽车排放的控制。
使用催化转换器上游的两点式氧传感器时，只能对废气成分进行定性分析：只能区分浓混合汽(λ<1)或稀混合汽(λ>1)。
因此，只围绕λ＝1时持续振荡时，才能实现最佳的废气成分控制。
控制过程质量越好，控制系统通过Lambda控制器消除空燃比变化的速度越快。
由于燃油提前喷射持续进行，并且氧传感器并未直接位于燃烧室内，因此设定了一个随控制路径响应时间变化的最小周期。
这个响应时间分别由DME控制单元的计算时间、吸气之前的燃油提前量、汽缸内的保压时间、气体在废气排放系统内的流经时间和氧传感器的响应延迟时间组成。
这就意味着响应时间由发动机转速和发动机负荷决定。
为使Lambda控制器(FR)获得恒定的振幅，对Lambda控制器所做的改进也必须进行调整。
除此之外，在混合汽所从浓变为稀以及从稀变为浓的过程中，突然的控制变换会使得振荡周期缩短。
其只能在混合汽为14.7:1的理论空燃比下，在混合汽燃烧后，对排放的尾气含氧量在比较狭窄的范围内进行检测，因此这是普通氧传感器的缺陷所在。
利用宽频带氧传感器(LSU)可实现恒定的氧传感器闭环控制。
宽带氧传感器由1个普通窄范围浓差电压型氧传感器(氧化锆参考电池、1个界限电流型氧传感器、氧化锆泵电池)及扩散小孔、扩散室构成(见图2)。
他需要一个专门设计的传感器控制器来控制其正常工作。
在图2中传感器控制器用A和B表示。
尾气通过扩散小孔进人扩散室，尾气可能是浓混合汽，也可能是稀混合汽。
氧化锆参考电池感知尾气的浓度后，产生电压Us，根据尾气浓度的不同，浓混合汽将产生高于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个方向的泵电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵入扩散室内进行化学分解反应，在废气中产生水和一氧化碳及一些氧化物，附着在泵氧元的表面。
在化学反应中将过多的碳氢化合物分解，从而降低了废气的浓度，使扩散室恢复到Us电压为0.45V的尾气含氧浓度的平衡状态。
相反，稀混合汽将产生低于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个反方向的泵电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵出扩散室。
当HC燃料或氧气被中和时，参考电池产生的电压Us等于参考电压UsRef,此时的泵电流Ip就反映了尾气的浓度，传感器控制器将泵电流Ip转换成输出电压Uout通过改变泵电流的极性(电流流动方向)与大小就可以达到平衡扩散室里的尾气含氧量。
如何将这个变化的泵电流再去控制发动机ECU对喷油器喷油时间的调整，是至关重要的。
在控制环路中有一块DSP(数字信号处理器)电路，该电路有二路输出，一路将变化的泵电流信号通过放大数模转换成线性电压，此电压从0.7～4V连续变化，去控制发动机ECU 的空燃比调整。
另一路输出脉宽调制信号去控制COM场效应开关晶体管导通与截止时间，给加热器提供电流，加热氧传感器。
宽频带氧传感器的特点是工作曲线平滑，能够连续检测空燃比从10至20，相当于过量空气系数从0.686至1.405的宽范围，当线性电压在2.5V时，就达到了理论空燃比14.7的控制。
安装宽频带氧传感器后，泵电流可用来直接确定废气空燃比。
而这样又可以对混合汽成分进行即时、持续的控制。
持续空燃比确定意味着可实现较小的控制振幅，这是实现高质量控制的决定性因素。
除此之外，宽频带氧传感器还能根据需要执行不同于λ＝1的控制过程，如在发动机预热阶段在排气管内进行二次空气喷射。
此调节总是达到规定的燃烧室空燃比时进行，以最终确保空气喷射不会使混合汽浓度过高。
宽带氧传感器的主要工作要求：①采集传感器的反馈信号。
②产生泵电流控制信号。
③通过采集泵电流流经某一特定电阻产生的电压，得知泵电流的大小，再通过AD转换输入到控制芯片。
④测量传感器的内阻变化，通过AD转换输入到控制芯片，从而产生一个控制传感加热器的信号，使传感器始终保持在最佳工作温度。
三、宽带氧传感器使用与维护在推测传感器质保期时，很重要的一项工作是搞清楚氧传感器的老化机理。
实际上，在使用温度范围存在各种故障原因，这些要因产生复合作用导致氧传感器的实际使用寿命低于试验所得的纯老化原因引起的元件损坏。
在发动机启动工况和重负荷工况下燃油的雾化状况很差，未燃烧的燃油排出到排气系统，对氧传感器会造成不良的影响。
这是因为过剩的燃油流入排放的气体中，会在传感器表面发生反应。
一是未燃烧的燃料中析出炭，对产生耗油量大的发动机，问题就很严重了，当炭在传感器表面电极上析出时，就会将陶瓷保护层向上顶，甚至造成保护层剥落；二是未燃烧的燃料在附于传感器表面形成燃烧反应，特别是在车辆减速时或发动机有汽缸失火的故障时，如不能及时中断供油，氧传感器表面的温度会超过1000℃，这就容易造成传感器的高温老化损坏。
在低质燃油或润滑油的添加剂中可含有多种铅化合物，其融点范围也非常广。
温度越低，老化现象越严重，高温时老化现象比较迟。
在高温下，大部分铅为气态，难以穿过传感器元件；与此相比，在低温下铅为固体状态，堆积在传感器元件的表面，中毒比较严重。
