摘要
汽车行业是目前在国际上应用传感器最大的市场之一,而氧传感器申报的专利数,居汽车传感器的首位。氧传感器装在汽车排气管道内,用它来检测废气口的氧含量。因而可根据氧传感器所得到的信号,把它反馈到控制系统,来微调燃料的喷射量,使A/F控制控制系统,来微调燃料的喷射量,使A/F控制在最佳状态,既大大地降低了排污量,又节省了能源。
关键词:氧传感器故障检测
第1章绪论
现如今,中国汽车领域正在不断蓬勃发展,机动车的实际保有量也在逐步提升,由此造成了数量性的汽车尾气,严重危害到生态环境,对人们的健康,产生了极为恶劣的影响,这成为一个严重的社会问题。甚至于在某些一二线城市中,汽车尾气的实际排放量,远远高于当前的环境容量。为了有效保障地球环境不被继续恶化,世界各国都颁布了严格的汽车污染物排放标准。在汽车设计生产工艺的汽车制造商,设计研发处能够有效降低空气污染的多样化辅助装置,如基本的电子燃油喷射技术在三元催化转换器可以实现控制排放净化率高,但对三元催化器的最有效的使用,必须对空燃比的精确控制,所以它总是和理论空燃比。故此,首先,需要在排气管内部,增设特定的氧传感器,从而实时检测某时段的排气质量,并及时将其转化为ECU的电信号。其次,基于氧传感器发出的信号,车辆内部的发动机控制单元ECU能够针对发动机喷油器表现出的实际喷油量,进行实时检测及其细致的调整。在大多数情况下,发动机是在闭环控制的燃油喷射理论空燃比,这将切实增强发动机含有的多项性能,大幅度提高实际经济效率,故此,这对于氧传感器而言,是尤为关键的。
1.1氧传感器的发展
(1)二氧化锆传感器发展
1900年度,学者Nernst曾经提出,如果将ZrO2・CaO放于至少650℃的环境中,则其将表现出一定的氧离子导电性。
1908年度,曾有学者针对某些存在ZrO2・CaO的氧浓差电池,进行更深层次的热力学研究。然而,这项研究一直持续至1943年,学者Wagner才仅仅从理论层面上,发现了该化合物的空穴导电机理。1951年度,学者Hund曾经通过实验,对上述理论进行了有效论证。自此之后,人们对该化合物愈加重视起来。1961年度,X学者Weissbart及其Ru2ka,成功研发出全球首个氧化锆氧传感器,并向国会申请了发明专利。1970年,通过一系列研究,法国冶金研究院已经能够利用氧化锆氧传感器,针对钢液内部的氧气,进行细致测量,并能将实际测氧速度,逐步提升至10s,这直接使得镇静钢等优质产品的当前产量,获得了突破性的提升。
除此之外,氧化锆氧传感器的主要优势,在于能够针对汽车排放的尾气,进行相对精确的测定。1980年,氧化锆氧传感器曾经作用于尾气管,并成功反馈控制了当时的空燃比,由此诞生出性能良好的电子喷油自控系统,有效降低了汽车排污量。
近年来,围绕氧化锆氧传感器的各项研究,正在如火如荼的进行,并获得了相对广泛的实际应用。中国对于该项化合物进行的研究,主要源自于1975年。
(2)二氧化钛传感器发展
二氧化钛是一种半导体材料。它的电阻取决于材料的实际温度及其周边的氧离子浓度。故此,该材料能够针对排放尾气中,氧离子的实际浓度,进行实时监测。实际上,对于氧化物半导体而言,在其表面会吸附某些特殊的气体,利用其氧化膜的电阻率变化使气敏元件,它是由日本shiyama郎1962。
在全球汽车领域中,最早运用到二氧化钛传感器的国家如下:日本于1982在1984开始使用丰田公司自主研发并投入生产的管式氧化钛传感器,1985成功地研制出厚膜式氧化钛传感器和大批量生产,并在世界上得到了迅速发展。氧化钛一般是一种加热传感器。由于硅离子价格低廉,腐蚀性不强,随着新技术的发展,特别是纳米材料技术,获得了相对良好的发展。
二氧化钛传感器具有更广阔的前景。
1.2氧传感器应用在汽车上的意义
在当前时期,氧传感器已经逐渐成为车辆中必不可少的传感器,有助于发动机,发动出最佳浓度的混合气,以此来减少有害气体在空气中的排放量,并有效节约燃油。实际上,氧传感器能够针对排放尾气中,氧离子的实际浓度,进行实时监测,判断其是否已经超标。与此同时,将当前的氧气含量转化为相应的电压信号,最终传输于发动机计算机,由此推进发动机实现闭环控。通过利用三效催化转化器,能够切实提升排放尾气中所含有的碳氢化合物、CO及其氮氧化合物的实际转化率,保护生态环境。
第2章氧传感器的结构和工作原理
一般的汽车所排放的尾气中,对人体有害的气体,主要有三种类型:即CO、HC和NOx,其中,CO、HC只要汽油完全燃烧可排放到最低,但当汽油完全燃烧温度增加联合使NOx的增加,这部分废气可以用来减少。但这一规定显然不足以控制废气排放,使发动机的各项工作范围达到其控制标准。因此,添加了三元催化转化器的控制装置,内部有非常小的孔,含有大量的金属:铂、铑和钯。可氧化、还原三种有害气体,转化为无害气体或一般废气。然而,催化转换器的使用条件相当严格,除了要达到较高的工作温度,最重要的是它最大的净化率发生在14.7附近的理论混合比:1,也就是说发动机燃烧控制14.7:空燃比低于1,为了达到好的标准是不容易的,所以在排插在氧传感器管,空燃比的测定烟气中氧浓度。当其转化为相应的电压信号亦或为电阻信号时,将会实时反馈至ECU。其次,ECU将会控制空燃比,使其收敛于理论值。现如今,典型的氧传感器,主要通过两种化合物的形式呈现,即氧化钛与氧化锆,其中,氧化锆氧传感器最为广泛。
2.1氧化锆式氧传感器
通常情况下,对于氧化锆型氧传感器而言,其中至关重要的元件,即为专用陶瓷体(ZrO2 ):如图2-1所示。陶瓷体制成管状,称为锆管。锆管内接空气,外接废气。并且在内外表面中,均附着了一层多孔性铂膜,从而使得电极允许氧渗入该固体电解质内,温度较高时它工作时的温度较高,氧气发生电离 。
图2-1氧化锆式传感器
对于氧化锆而言,其能够处于至少300℃的环境中工作,早期使用的氧传感器是由排气管加热的。发动机启动和运行后,传感器必须开始工作几分钟。它只有一个连接到ECU。现在,大多数汽车都使用带有加热器的氧传感器。该传感器具有电加热元件,可快速热氧传感器的工作温度在适宜换向时间为20-30s发动机启动后。它有三个接线,一个连接到ECU,另外两个接地和电源分别。
锆管陶瓷是多孔的,渗透到氧中,在较高的温度下电离。由于内部和外部的锆管氧含量之间的差异,存在浓度差,从而使得氧离子基于大气侧排气侧向外持续扩散,在此情况下,锆管就能被看作为微电池,生产两个铂电极彼此之间需要的实时电压。当混合物的实际空气燃料比小于理论空气-燃料比时,即当发动机被转移到相对强的混合物时,排气中的氧含量较少,但CO、HC和H2则更多。由于气体管中存在一定的铅催化作用,将能在锆与氧的外表面,发生一系列反应,将排出的残余氧,使得锆管的外表面不存在氧浓度,这使锆管内外的氧浓度增加,两个铅电压上升。在此情况下,通过锆管氧传感器而形成的实际电压,将会于理论空燃比的数值上,发生较为剧烈的拜年话。如果在此时混合一定的稀混合料,很可能不存在输出电压。当混合强,输出电压为1V关闭。
如果直接将混合气体浓度,等同于理论空气燃料比,从原则上来说,是不科学的。事实上,反馈控制仅仅能够帮助混合物,基于理论空燃比的周围,进行一定的波动。故此,在氧传感器中,其实际输出电压连续变化之间的0.1-0.8v。假设氧传感器的实际输出电压保持恒定或者低于8次/1os情况下,则意味着氧传感器已经存在故障,需要进行进一步检修。
2.2氧化钛式氧传感器
TiO2式氧传感器是利用TiO2 材料存在的电阻值,根据汽车排放尾气中,氧含量的实时变化特性,而设计出来的。故此,其通常也被称之为电阻型氧传感器。对于该传感器而言,其在外观方面,类似于上述内容中的ZrO2式氧传感器,在传感器前端的护罩内是一个 TiO2厚膜元件纯TiO2在常温下,仅仅为含有高电阻的半导体,然而,如果其表面发生缺氧,就会直接造成晶格缺陷,电阻随之减少。因为TiO2的自身电阻,会根据温度的实时变化,而产生相应的改变,因此 ,在TiO2式氧传感器内部也有一个电加热器 ,从而切实保障该种类型的氧传感器,能够在发动机处于工作状态下,将温度保持在固定值。如图2-2所示。
图2-2氧化钛式氧传感器
在ECU内部涉及到的B+1V终端中,会将传感器的一端,连接至恒定电压,并将其另一端,连接至接地端子。如果汽车废气中存在的氧浓度,随着发动机混合物的浓度而变化时,氧传感器的电阻就会改变,信号终端上的压降也会改变。如果信号端子表现出的实际电压,远远超过参考电压,ECU确定混合物的浓度太强。如果信号端子表现出的实际电压,远远少于参考电压,ECU确定混合液太薄。基于针对ECU实现的良好反馈控制,能够将混合物的实际浓度,尽可能维持于理论空气燃料比周围。在此过程中,对连接ECU的信号端子上的电压也0.1-0.9v之间变化,这是类似于氧化锆氧传感器。实际上,氧化钛氧传感器在实际工作过程中,遵循的基本原理很特殊,它是利用多孔导体二氧化钛的导电特性,伴随着汽车废气中所涉及到的实时氧含量变化,而产生相应的改变。故此,其通常也被称之为阻氧传感器。实际上,这种类型的传感器结构相对简单,并且无需耗费高昂的生产成本。然而,当温度在300到900度之间时,电阻值会随之产生实时变化。在此情况下,应该通过温度补偿的具体方法,有效提升实际精度。通常,另一种固体二氧化钛导体用作温度补偿。
图2-3输出电压空燃比图
注射量少,废气的空燃比、高氧含量,高氧传感器产生低电压ECU控制喷油量,喷油量,空燃比、小排气氧含量,氧传感器产生较少的高电压ECU控制喷油量小于二氧化锆氧传感器温度350为了充分体现上述特点,为了有助于氧传感器,能够在较短的时间内,满足工作温度的需求,与陶瓷加热器4~10发动机达到正常工作温度后约30秒,输出的电压信号送入ECU放大处理高电压信号,ECU作为一种丰富的混合物,低电压根据电压信号作为氧传感器信号的混合物进入计算机,根据最好的理论尽可能接近14.7∶1的燃料比稀释或浓缩混合物,这个过程将继续稀释浓缩和稀释。空燃比调整,使氧传感器从0.1至0.9V变换(约50分钟)到计算机,实现怠速闭环控制。因此,对于燃油计量电子控制而言,氧传感器的实际作用,是至关重要的。
第3章氧传感器的失效原因
一般情况下,汽车内部的氧传感器失去效果,主要源自两种基本形式,其中,主要包含传感器元件老化,这是由于该元件在某些位置的表面温度相对较高。与此同时,包含氧传感器元件中毒,这是主要由于该元件受到了有害元素的污染。常见的氧传感器中毒形式,包含硅中毒及其磷中毒等。
3.1氧传感器老化
对于通过氧传感器,而实现闭环控制的发动机而言,其表现出的空燃比控制,通常为理论空燃比周围,几乎没有多余的燃料,然而,当发动机恰好启动时(特别是冷启动)后(或负载工作),为了提前加热发动机,需要提供足够的燃料,燃料会排在氧传感器表面的燃烧反应产生的过剩是一种形式的碳颗粒的表面剥落保护氧传感器引起的,此外,包含传感元件某些位置的表面温度相对较高及其老化的加速传感器。
3.2氧传感器中毒
实际上,氧传感器中毒的现象较为频繁,尤其是常常运用含铅汽油的某些车辆,就算对其配备最新的氧传感器,也只能任务几千千米。假如只是细微的铅中毒,只需要紧接运送不含铅的汽油即可,就可以消弭氧传感器外表的铅,使其规复一般任务。但常常因为惊人的排气温度,使得铅元素向内部伸展,严重影响了氧离子的逐步分散,从而造成氧传感器的失效,这时候就只能改换了。除此之外,硅中毒现象也时常发生,这很可能是由于硅橡胶密封垫圈的操作失误,而使得有机硅气体进行聚集所导致的。故此,在燃油及其润滑油的选择上,必须注重于实际质量。修缮时要准确选用并装配合适的橡胶垫圈,避免增涂不当防粘剂。
汽车氧传感器中毒几大因素:铅中毒、硅中毒、磷中毒等。
3.31铅中毒
对于处在燃料或者润滑油中的铅离子,将会和氧传感器内部的铂电极之间,产生一系列反应,从而造成铂催化剂所具备的实际催化性能显著降低,即典型的铅中毒现象。虽然在现在的汽油中,很少含有铅离子,然而,润滑油中却依然存在。
3.3.2硅中毒
硅密封剂,如硅树脂密封剂,硅树脂成形件及其铸件中涉及到的硅添加剂,将在发动机上受到污染。这些游离的硅离子,将会对氧传感器内部的外电极,产生一定程度的污染。与此同时,作用于密封的硅橡胶,如果操作不当,也会造成相应的污染。对于处在氧传感器中的硅离子而言,当其和氧传感器内部的铂电极之间,产生一系列反应,从而造成铂催化剂所具备的实际催化性能显著降低,这就是所谓的硅中毒。
3.3.3磷中毒
磷在大多数情况下,并不会通过纯磷的形式,沉淀于传感器的表面,但在一个国家的复合沉淀,磷氧传感器所表现出的污染现象,通常被人们称之为磷中毒。这主要是由于润滑剂及其清洗剂的含量因素。当发动机处于磨合期时,气缸内的发动机润滑油添加剂将与废气一起进入气缸。低温条件下,磷元素将会实现微粒沉淀;而在高温条件下,磷元素将会在氧传感器表面或者是三元催化器表面,产生一定的污染。
3.3积碳
如果发动机内的燃油,无法得到充分燃烧,则将会在氧传感器的表面,累加而得一定数量的积碳。此外,如果在氧传感器中,不慎引入油污等沉淀物,将会严重阻碍内部空气的流通,从而影响到氧传感器的实际输出信号。由于ECU无法适时修正相应的空燃比,积碳现象将会直接造成油耗上升,并且伴随着不断攀升的排放浓度。在此情况下,只需要将沉积进行清除,即可恢复正常。
3.4氧传感器陶瓷碎裂
用于制备氧传感器的陶瓷,通常表现为硬而脆,故此,在对其进行日常整理的过程中,应该避免触碰与接触到过热气流,当发现破损后,应该及时更换。
3.5加热电阻丝烧断
通常情况下,在加热型氧传感器中,假设其内部的加热器电阻丝,由于故障而被烧蚀,则将无法满足工作温度的实际需求,从而失效。
3.6氧传感器内部线路断脱
第4章氧传感器的检测与清洗方法
4.1电阻电压法检测
4.1.1氧传感器加热器电阻的检查
通过将点火开关操作至关闭状态,再拔除氧传感器内部存在的导线连接器,其次,通过万用表的电阻档,针对氧传感器内部的接线端构件中,所涉及到的加热器端子及其自搭铁端子彼此之间的实时电阻值,进行相应的测量,从而得知,其实际阻值应该满足在4-40Ω的范围内。如果无法满足,则需要实时更换新的氧传感器。并且当测量结束后,再次连接氧传感器内部的线束连接器,进行重新检测。
4.1.2氧传感器反馈电压的测量
当利用氧传感器,针对当前时期的反馈电压,进行实时测量时,首先,需要拔除其内部的线束连接器插头,并与指定车型的实际电路图,进行细致对比,其次,从反馈电压的实际输出端,拉出细线用于连接相应的连接器,并且当发动机在实际运转的过程中,基于该细线,针对当前时期的反馈电压,进行实时测量。对于某些车型,例如,某丰田汽车中,只需要基于插座中的故障诊断,就能针对氧传感器内部存在的反馈电压,进行实时测量。可从故障诊断插座内的OX1或OX2插孔,来获取实时反馈电压。
当进行上述检测时,最佳的运用工具,即为指针型的电压表,能够针对反馈电压的实际状态,进行跟踪测量。除此之外,电压表需要选择低量程及其高阻抗,才能保护氧传感器。
1)需要预先对发动机进行加热,使其实际工作温度保持在正常的范围内。(或起动后以2500r/min的转速连续运转2min);
2)将电压表的负极,连接至检测插座的E1插孔,亦或为蓄电池负极,与此同时,将其正极连接至检测插座的OX1或OX2插孔或接氧传感器线束插头上的引出线;
3)将发动机保持在2500r/min的转速,实现正常运转,并观察电压表指针的实时变化,记录在10s周期内,电压表指针在0-1V中的实际摆动次数,一般高于8次。除此之外,在反馈控制的过程中,氧传感器内部存在的反馈电压,通常会于0.4V的范围内,表现出跳跃性的变化,
4)在10s周期内,如果电压表指针在0-1V中的实际摆动次数不低于8次,则意味着氧传感器及其相应的反馈控制系统均工作正常;电压表指针若在10s内的摆动次数少于8次,则意味着氧传感器及其相应的反馈控制系统,在实际工作过程中,都不正常,可能是氧传感器表面有积炭而使灵敏度降,在此情况下,应该使发动机保持在2500r/min的实际转速,并持续运转至少2min,才能有效清除依附于氧传感器表面的积炭;除此之外,如果电压表指针依然无法实现快速变化,则很有可能是由于氧传感器发生故障,亦或是ECU反馈控制电路中,存在多样化故障。
5)检查氧传感器是否损坏
只需要拔除氧传感器内部存在的线束插头,就能将反馈控制系统,保持在开环控制的实际状态。通过万用表的电压,将其和氧传感器内部存在的反馈电压输出端子,进行紧密连接,形成良好的负极接地。当针对发动机在实际运行状态下的反馈电压,进行实时测量时,首先应将曲轴箱、强制通风管或连接到进气管的其它真空软管除去,人工底层的混合物将被稀释。与此同时,需要适度减少电压表的指针读数。然后连接管道,并且拔除水温传感器外部的接头,并通过4-8k欧姆电阻,对其进行替代,人为地形成强烈的混合气体,观察电压表指针的读数应上升,而。它也可以通过操作油门的状态,来适当改变混合物的实际浓度。如果踩下油门,则混合料变厚,反馈电压升高。当油门踏板突然松动时,混合料变薄,反馈电压降低。假设氧传感器表现出的反馈电压,并无实际变化,则意味着氧传感器已经存在一定故障。
除此之外,当运用上述方法,针对钛氧化物传感器,进行实际检测时,假设该传感器的实际质量相对良好,则输出端电压应以2.5V为中心波动。否则,需要将传感器于外部冷却,再实时测量相应的电阻值。假设电阻值相对较高,则代表一切正常。反之,则需要更换全新的传感器。
4.1.3氧传感器外观颜色的检查
当基于排气管位置,拆除相应的氧传感器时,传感器壳上的通风孔检查无堵塞,但是陶瓷芯破损。此时需要更换全新的氧传感器。
(1)能够基于氧传感器顶部表现出的颜色,对相应的故障进行判断。
(2)浅灰色:代表一切正常。
(3)白顶:代表出现硅污染,应该及时更换仪器。
(4)棕顶:代表出现铅污染,应该及时更换仪器。
(5)黑顶:碳沉积引起的碳,氧传感器上的碳沉积可在排除发动机积炭后自动排除。
对于主氧传感器而言,最为关键的构件,即为通过氧化锆元素而实现加热的热棒。实际上,加热棒由(ECU)计算机控制。当进气口小(排气温度低),当电流通过加热棒时,即能针对传感器进行加热,使氧浓度可以准确地检测到。
在试管状态下,锆元素的内部和外部都装有铂电极。为了保护铂电极,陶瓷内部的氧浓度被陶瓷外部覆盖,入口外的氧浓度比汽车尾气少。
需要指出的是,如果已经运用三元催化剂,则将不能继续使用含铅的汽油,否则其效用将会直接失效。再次,氧传感器对于节气门的运行稳定,及其实际准备标准混合过程中,都是至关重要的。当频繁增厚或稀释混合时,如果ECU计算机不能及时掌握氧传感器所涉及到的信息,则氧传感器就无法进行工作。
4.2氧传感器的清洗方法
首先,对氧传感器进行拆除,并利用实际含量为5-10%的三氯化铁溶液,添加足够的盐酸配置清晰溶液。其次,基于传感器头的实际情况,将其放于上述溶液中持续浸泡10-15分钟,再将其取出洗净。最后,注意观察其表面的四个孔必须保持通畅状态,载体应该呈现出白色。
第5章氧传感器故障实例分析
在实践修理中,频繁发现氧传感器存在一系列故障的案例。在下述内容中,主要结合自身的实际工作经验,重点阐述其中一个案例:氧传感器故障的相关检测方法及其相应的维修方法。
5.1故障实例
一辆捷达5气门轿车,行驶里程1万公里
典型故障现象:怠速抖动、伴随着冒黑烟,最高车速60km/h
具体排除方法:通过检测,得出三个故障码,依次为故障码00533(主要代表怠速自适应超限),其次为故障码00553(主要代表空气流量计信号不可靠),此外包含故障码00518(节起门控制组件故障-偶发)。当分别清除故障码之后,汽车的发动机,已经能够正常运转,并不会冒黑烟,再次读码没有故障码。可不到一个月又出现上述故障,当将其连接至示波器后,能够正确检测出氧传感器的实际波形,从而发现氧传感波形已没有明显变化,电压脉冲在0.11v左右。
诊断到此,故障已明了,由于氧传感器输出脉冲信号很低, 这样就使发动机电脑认为混合器太稀而加大喷油量,而当混合器过浓造成怠速调节超限时,汽车内部的发动机控制单元,将会自动默认空气流量计信号不可靠。然而,对于捷达5阀汽车而言,由于其内部已经配备直动式怠速控制系统,故此,只需经由怠速电机,传递至相应的传动机构,就能针对节气门,实现直接控制。但是,通过发动机电脑发出的基本指令,却无法得到迅速执行,这将会使得电脑默认节气门控制组件中,存在某种故障,这些分析,即为上述三个故障码的由来。实际上,因为氧传感器必须经过一定的时间才会失效,故此,长期后故障将表现的相对明朗起来,此时只需要更换新的氧传感器,就能排除相应的故障。
故障原因:由于这个车辆经常去外地,频繁在小加油站进行加油,而小加油站的汽油普遍含铅,因此造成氧传感器铅中毒所以失效。
总结:对于氧传感器的故障直接的表现形式就是尾气排放超标,引起排放超标的故障原因有很多种,只要掌握其基本的工作原理才能对汽车电控部分的故障进行分析、判断以及排除。
结论
现如今,中国的汽车领域,在经过40余年的持续发展后,已经小有规模,形成了相对完善的汽车产品系列,并且具备科学成熟的生产布局。尤其当中国成为WTO的成员国后,中国的汽车领域,获得了相对稳定的蓬勃发展,销量日益攀升。在当前时期,中国境内的国产汽车已经占据了汽车市场总比例的95%,逐步成为人们在工作和生活中关键的交通工具之一。
汽车行业的快速发展,直接造成了维修工作的日益繁多,伴随着汽车排放法规的持续完善,及其多样化汽车电子控制技术的协调发展,使得汽车上出现了许许不以解决的故障。
因此,掌握汽车部件的工作原理和检测方法,对诊断汽车故障是极为重要的。例如:在氧传感器中,存在一定的特殊作用。很好的理解汽车氧传感器的作用、结构和工作原理,掌握氧传感器的各类检测方法,以及氧传感器波形在维修中的运用,对更有效发现故障,解决故障有着重大的意义。
致谢
大学四年转瞬即逝,本篇论文,得以顺利完成,离不开吴老师的悉心指导,无论是在论文选题方面,还是在论文构思方面,我的指导老师,都给予了我很多建设性的意见,在此对他表示诚挚的谢意。
除此之外,在此感谢在学习和生活中,帮助过我的各位同学,是你们的不断支持和鼓励,帮助我完成学业。另外,我也要感谢我的父母,以及曾经帮助和关心过我的各位老师。感谢他们在学习中给予我的支持和帮助。
由于时间因素,以及本人的专业能力有限,故此,本篇论文,尚存在某些不足之处,在此欢迎各位老师进行批评指正!
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