试分析氧传感器的工作过程及检测方法

摘 要： 氧传感器是利用氧化锆的特性监控废气中氧含量的大小，判断混合气的浓稀，通过发动机ECU调节喷油量而达到节油和减小有害气体排放的目的。其故障检测可利用最基本的设备，分加热元件的检测、信号电压的检测及信号电压变化频率三项完成。

关键词： 氧传感器 工作过程 检测方法

电控发动机中，氧传感器的全称是排气管废气氧传感器。其作用是在发动机一些工况中通过检测排气管中废气氧含量多少和可燃混合气燃烧情况的好坏，获得混合气的浓度（即空燃比）信号，并将该信号转变为电压信号传输给发动机电子控制器，发动机电子控制器根据氧传感器传来的信号大小，发出新的控制指令，对喷油量（实质是喷油时间，因为喷油压力一定）进行调节进而实现混合气浓度的反馈控制（闭环控制），使混合气浓度控制在14.7这一最佳状态，使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到节约燃料和降低有害气体排放量和的目的。

1.汽车氧传感器的工作过程

汽车发动机燃油喷射系统采用的氧传感器分为氧化锆和氧化钛式两种类型。目前，汽车上常用的是氧化锆式氧传感器，按其工作方式不同又分为加热型和非加热型两种。其主要元件是氧化锆烧结的多孔性试管状陶瓷体，即锆管。锆管内外表面都镀覆一层多孔铂膜作为电极（同时起催化剂作用）装于排气管上。其内表面与大气相通，为外表面与排气管中的废气相接触。利用氧化锆在高温下内外两侧的气体含氧量有较大差异时，氧离子会从氧含量高的一侧向氧含量低的一侧扩散，从而使两侧电极间产生电动势（相当于一个小型电动机），检测废气中的氧含量，进而给发动机ECU提供一个空燃比的反馈信号。

当供给发动机的可燃混合气中汽油含量较高时（空燃比小于14.7或过量空气系数小于1），混合气燃烧后，由于氧分子大部分参与了燃烧，排气管中废气里的氧离子含量较少，而一氧化碳含量变多。在锆管外表面催化剂铂的催化作用下，剩余氧离子几乎全部都与一氧化碳发生氧化反应生成二氧化碳气体，使锆管外表面上氧离子浓度为0。由于锆管内表面与大气相通，氧离子浓度很大，因此锆管内、外表面之间的氧离子浓度差较大，氧离子从锆管内部向外部扩散，使铂膜（铂电极）之间电位差较高，约为0.9V。当供给发动机的可燃混合气中汽油含量较低时（空燃比大于14.7或过量空气系数大于1），混合气燃烧后，废气中氧离子含量较多，CO浓度较小，即使CO全部都与氧离子产生化学反应，锆管外表面上仍有多余的氧离子存在。因而锆管内、外表面之间氧离子浓度差较小，两铂之间电位差较小，约为0.1V。当供给发动机的可燃混合气中空燃比接近于理论空燃比14.7（过量空气系数接近1）时，废气中的氧离子和一氧化碳含量都很少。在催化剂铂的作用下，氧离子与一氧化碳的化学反应从缺氧状态急剧变化为富氧状态，使传感器输出电压从0.9V急剧变化到0.1V。

当发动机ECU收到小于0.45V信号电压后，将确认混合气过稀。发动机ECU将通过增大反馈修正系数（开始快升，然后慢升），使喷油持续时间增大，喷油器喷油量增加，由于喷油量增加，混合气很快变浓，当混合浓度大于理论空燃比时，氧传感器输出高电位信号（大于0.45V）。ECU收到这一信号后将确认混合气过浓，ECU将减小反馈修正系数（开始骤降。然后缓降），使喷油持续时间缩短，喷油量减小。如此反复循环，不断对空燃比进行反馈控制，最终使混合气的实际空燃比稳定在理论空燃比附近。当发动机需要浓混合气时，（如节气门全开；或怠速暖机），ECU停止空燃比反馈控制，即进入空燃比开环运行状态。

氧传感器只在发动机怠速工况和部分负荷工况下才参与工作，同时必须满足发动机温度高于60℃，传感器自身温度高于300℃这些条件。为了使氧传感器能迅速达到工作温度并投入工作，现在采用对锆管进行电加热的方法，该加热器由汽车电源供电（即加热型传感器，俗称四线型氧传感器）。

2.氧传感器的检测方法

氧传感器常见故障分为两类，一是加热线圈故障，二是信号电路故障。若信号断路，ECU中将设置故障码。但故障码一直高或低，ECU中不一定有故障码，例如：氧传感器出现故障，可能造成其信号电压一直偏低，即反馈给ECU混合气过稀，ECU立即增加喷油量，但信号电压仍偏低，ECU再增加喷油量，造成混合气过浓，甚至排气管排出大量黑烟，油耗增大。因此当发动机运行不良，怠速不稳，排气管排黑烟，油耗增大时，必须检测氧传感器信号。对于氧传感器的检修，可按以下步骤进行（以桑塔纳2000Gsi为例）。

2.1检测加热元件

常温下加热电阻值为1～5欧，温度上升阻值显著增大，可用万用表检测，若常温下阻值无穷大，说明加热元件断路，应更换氧传感器。若加热元件正常，则应检查电热元件的电源线路。该电压为整车电源电压，由油泵继电器供给，接通点火开关。加热元件两端之间电压应不低于11V。否则，可能是熔断器断路，或油泵继电器触电接触不良等。应分别予以修理。

2.2检测信号电压

将万用表接到两信号线端子上，接通点火开关，启动发动机，当水温正常后，怠速时，电压应为0.45～0.55V；将节气门踩到底（浓混合气）信号电压变为0.7～1V；拔下真空管（稀混合气）信号电压为0.1～0.3V，否则说明氧传感器失效。

2.3检测信号电压的变化频率

用一只发光二极管和一只300欧/0.25W的电阻串联后接在传感器两信号端子间（注意二极管的正极接在信号电压的正极）。发动机在怠速和部分负荷时，二极管应闪亮，其闪亮频率每分钟应不低于10次，如不闪或频率过低，说明加热元件失效，壳体上透气孔堵塞，或传感器失效，应更换。更换时，氧传感器安装前螺丝孔内应涂G5螺丝润滑膏。其紧固力矩为50N﹒M。

3.氧传感器的常见损坏形式

氧传感器在使用中，常见的损坏形式除线路故障外，还有传感器传感元件受高温气体影响局部表面产生温度过高和传感元件受废气污染而损坏两种形式。前者常被称为老化，后者常被称为中毒。其中毒按污染成分的不同可分为：铅中毒、硅中毒、磷中毒三类。

老化主要是由于发动机在启动（特别是冷起动）和大负荷工况时，为保证发动机正常运行及快速预热，ECU提供的供油指令是浓混合气。废气中一定会出现多余的燃油分子，这些燃油分子会在排气管中二次燃烧，造成氧传感器局部表面温度过高，甚至保护层剥落。

中毒是由于燃油中的铅分子，硅密封胶、硅树脂材料中的硅分子，以及润滑剂、防腐剂、清洗剂中的磷化物。在发动机工作时产生的微粒分子吸附在传感器上，与传感器中的铂电极发生化学反应，经常这样就会导致传感器不能正常使用。

以上这两种现象是不可避免的，因此，汽车规定每行驶80000公里左右，就应更换一次氧传感器。

参考文献：

[1]乔维高.现代汽车电子控制系统原理及应用.武汉：武汉汽车工业大学教材出版中心，1999.