汽車氧傳感器工作原理及其失效原因

汽車氧傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分，它能夠有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能及整車的經(jīng)濟(jì)性。了解汽車氧傳感器工作原理以及汽車氧傳感器的失效原因，對(duì)于整體把握汽車控制系統(tǒng)有很大的幫助。本文介紹汽車氧傳感器工作原理及其失效原因。

1、汽車氧傳感器工作原理

氧化鋯(ZrO2)為固態(tài)電解質(zhì)的一種，它有一種特性就是在高溫時(shí)氧離子易于移動(dòng)。此型氧傳感器將氧化鋯燒結(jié)成管狀，并與內(nèi)層與外層涂上白金(Pt)，這就是氧化觸媒的作用，當(dāng)氧離子移動(dòng)時(shí)即會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，而電動(dòng)勢(shì)的大小是依氧化鋯兩側(cè)的白金所接觸到的氧而定，最外層則覆蓋一層保護(hù)殼。

內(nèi)層白金面所大氣接觸，所以氧氣濃度高，外層白金與排氣接觸，氧氣濃度低。當(dāng)混合比較高時(shí)，排放的廢氣所含的氧相對(duì)地減少，因此氧化鋯兩側(cè)的白金所接觸到的氧氣高低落差大，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也相對(duì)高(將近1V);當(dāng)混合比稀時(shí)，燃燒完所多余的氧氣較多，氧化鋯兩側(cè)的白金層的氧氣落差小，因此所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)低(將近0V)。

引擎控制計(jì)算機(jī)由此電壓訊號(hào)即可偵測(cè)到當(dāng)時(shí)混合比的狀況。然而氧傳感器須在高溫才能發(fā)揮正常用作(400℃~900℃)，因此當(dāng)引擎剛開(kāi)始發(fā)動(dòng)時(shí)，氧傳感器尚未開(kāi)始作用，須等到達(dá)到其作工溫度才開(kāi)始有電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，所以之后的氧傳感器皆改良成加熱型，如圖所示，也就是利用陶瓷加熱器來(lái)使得傳感器能也迅速地達(dá)到正常的作工狀態(tài)，因此目前的車型幾乎可以在引擎發(fā)動(dòng)30秒后，汽車氧傳感器即可供給計(jì)算機(jī)正確的訊號(hào)，有些車型甚至可以達(dá)到更低的時(shí)間。

2、汽車氧傳感器的失效原因

汽車氧傳感器失效的主要原因是傳感元件老化和中毒。氧傳感器老化的主要原因是傳感元件局部表面溫度過(guò)高。氧傳感器的傳感元件受到污染而失效的現(xiàn)象稱為中毒。氧傳感器中毒主要是指鉛中毒、硅中毒、和磷中毒。

2.1 汽車氧傳感器老化

在發(fā)動(dòng)機(jī)利用氧傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制的過(guò)程中，混合氣的空燃比總是控制在理論空燃比附近，排氣中幾乎沒(méi)有過(guò)剩的燃油，但是發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛起動(dòng)(特別是冷車起動(dòng))之后(或大負(fù)荷狀態(tài)工作時(shí))，為了快速預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)(或增大發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率)，需要供給足夠的燃油，排氣中過(guò)剩的燃油就會(huì)在氧傳感器的表面產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，一方面是形成碳粒而造成氧傳感器表面的保護(hù)剝落，另一方面是使傳感元件局部表面溫度過(guò)高(超過(guò)1000oC)而加速傳感器老化。

2.2 鉛中毒

燃油或潤(rùn)滑油添加劑中的鉛離子與氧傳感器的鉑電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑鉑的催化性能降低的現(xiàn)象，稱為鉛中毒。雖然現(xiàn)在都使用無(wú)鉛汽油，大大減少了氧傳感器鉛中毒的機(jī)率。但是，由于燃油或潤(rùn)滑油的添加劑中含有多種鉛化合物，氧傳感器的鉛中毒也是不可避免的。

2.3 硅中毒

發(fā)動(dòng)機(jī)上的硅密封膠、硅樹脂成型部件、鑄件內(nèi)的硅添加劑等都有硅離子，這些硅離子會(huì)污染氧傳感器的外側(cè)電極，氧傳感器內(nèi)部端子處密封用的硅橡膠會(huì)污染內(nèi)側(cè)電極。硅離子與氧傳感器的鉑電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致催化劑鉑的催化性能降低的現(xiàn)象，稱為硅中毒。

2.4 磷中毒

在傳感器表面，磷很少以純磷狀態(tài)析出，而是以某種化合物狀態(tài)析出，這些磷化物污染氧傳感器的現(xiàn)象，稱為磷中毒。磷化物的應(yīng)用很廣，可以用作潤(rùn)滑劑、防銹劑和清洗劑。在發(fā)動(dòng)機(jī)磨合期間或活塞環(huán)磨損之后，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油添加劑中的磷化物就會(huì)竄入氣缸中燃燒并隨排氣排出。在低溫狀態(tài)下，磷化物是以微粒子狀態(tài)析出并沉淀在傳感器保護(hù)層的表面將氣孔堵塞而導(dǎo)致傳感器中毒;在高溫狀態(tài)下，磷化物會(huì)附著在氧傳感器以及三元催化器表面使其受到污染。

由于，氧傳感器的老化和中毒是不可避免的。因此當(dāng)汽車行駛一定里程(一般為80000Km)后，應(yīng)當(dāng)更換氧傳感器。

理解汽車氧傳感器工作原理，經(jīng)常檢查汽車氧傳感器是否失效，及時(shí)更換失效的汽車氧傳感器，對(duì)行車安全是一種保障，同時(shí)也能減少汽車污染物排放。