氧传感器在现代汽车维修中的应用

魏玉

摘要：氧传感器对控制可燃混合气的浓度发挥着重要的作用，其工作性能的好坏直接影响发动机的工作性能、燃油经济性及有害气体的排放，本文从氧传感器的作用出发，介绍了其结构及原理，在此基础上阐述其对维修检测的作用，最后通过维修实例加以论证，为氧传感器的应用与维修提供依据。

关键词：氧传感器;可燃混合气;检测;维修实例

0  引言

随着国家对汽车排放控制的日益严格，现代轿车上广泛采取了多种排放控制系统来减少汽车的排放污染，其中在电控燃油喷射的汽车上加装三元催化转换器是目前汽油机最为有效的排气净化方法，即首先通过发动机闭环控制，将发动机的空燃比控制在理论空燃比附近，排放的尾气再由三元催化转换器进行净化，氧传感器是实现这一联合控制的核心元件。氧传感器本身不仅是排放控制的关键，其波形还可以作为分析判断发动机故障的依据，并可通过检测波形判断发动机是否修复，作为交车之前的一项检验标准[1]。

1  氧传感器的作用

三元催化转换器能够十分有效的净化尾气中的有害气体，但可燃混合气的浓度是影响三元催化器净化效果的关键因素，三元催化转换器与可燃混合气的关系如图1所示。

由图1可知，当混合气浓度处于理论空燃比附近区间时，三元催化转换器对CO、HC、NOx三种污染气体的处理效果较佳，一旦混合气的浓度偏离这个范围，三元催化器的转化效率将迅速下降，尾气中有害气体的排放增加，为降低污染，提高环保效果，需要提高三元催化器的转化效率，必须要将可燃混合气的浓度控制在理论空燃比（14.7：1）附近。为了有效控制混合气浓度，将氧传感器安装在发动机的排气管上，氧传感器实时监测发动机尾气中氧浓度的变化，并依据氧浓度计算空燃比，将空燃比转换为电子信号传递给发动机控制单元，该信号作为控制单元调整空燃比的主控信号，再结合其它修正信号，如冷却水温度信息，及时的调整喷油器的喷油时间，调整空燃比。当ECU判断混合气过浓时，则减小喷油器的通电时间，即减少喷油量。当ECU判定混合气过稀时，则增加喷油器的通电时间，即增加喷油量。发动机的闭环控制如图2所示。

2  氧传感器的结构与原理

2.1 氧传感器类型

加热型氧化锆式氧传感器主要由锆管、内电极、外电极、加热元件、通气孔、陶瓷管、连接器等组成，其中加热元件采用热敏电阻，其上有钨丝并引出两个电极直接与汽车电源相通，用于对氧化锆管进行加热，使氧化锆式氧传感器迅速达到工作温度进入工作状态。

加热型氧化钛式氧传感器主要由二氧化钛元件、加热元件、通气孔、陶瓷管、连接器等组成，其中加热元件采用热敏电阻，其上绕有钨丝并引出两个电极直接与汽车电源相通，用于对二氧化钛进行加热，使氧化钛式氧传感器迅速达到工作温度而进入工作状态。

2.2 氧传感器的工作原理

以氧化锆式氧传感器为例，其工作原理如图3，二氧化锆为一种固体电解质，在高温下，氧离子在其内部能够扩散和渗透，与氧化锆管的内外表面分别接触到不同密度的氧时，氧化锆物质中的氧离子便从内向外扩散，产生电动势，管内外侧的铂电极间便产生电压。

汽车尾气中的氧离子由于带负电，会被吸附在氧化锆管的内外表面，基于大气和尾气中氧含量的差异，将使氧化锆管内外两侧出现离子差从而产生电动势，使铂电极产生电压信号，此电压信号在输入回路的比较器中与基准电压对比，差值在0.45V以上时将高电平1传递给发动机控制单元，差值在0.45V以下时将低电平0输入汽车ECU中，高电平表示浓混合气，低电平表示稀混合气，ECU根据电压信号来调节混合气浓度，最终确保混合气浓度处于理论空燃比附近。

3  氧传感器对维修检测的作用

发动机实行闭环控制时，氧传感器时刻监测尾气中氧浓度的变化，当可燃混合气和尾气中氧气的含量波动时，会导致氧传感器的信号发生变化。尾气中的氧含量不仅受可燃混合气空燃比的影响，同时还受气缸中燃烧状况的影响。如果混合气燃烧不充分或个别气缸断火，将会使废气中的氧浓度产生变化。氧传感器自身损坏或者电子控制装置故障也会导致氧传感器的信号异常。

发动机正常燃烧需满足三个条件：

①合适的空燃比;

②足够的点火能量和适当的点火提前角;

③适当的气缸压力和温度。

上述条件如不能同时满足将导致发动机燃烧不正常，进而导致尾气中氧浓度异常和氧传感器波形异常。引起氧传感器波形异常的原因主要有：

①点火系统故障导致的燃烧不正常。如果在燃烧过程中，发动机某气缸存在火花塞油污、间隙过大、点火线圈故障等，这样将使一部分可燃混合气未经燃烧即排出发动机气缸，从而使尾气中氧气的浓度增加。

②機械原因导致的可燃混合气浓度不正常。如气门由于长期磨损造成气门关闭不严，活塞环弹性性能降低，使气缸密封不严，使燃烧性能下降，一部分未经燃烧的混合气直接排出气缸，使排气中氧的浓度增加。

③各缸喷油不均衡。个别缸的喷油量过多或过少，造成可燃混合气的浓度过稀或过浓，当浓度在极限范围以外时，将会造成个别气缸断火，从而使排气中的氧浓度异常。

4  维修案例分析

故障现象：一辆别克轿车，发动机启动时偶尔抖动，起动后发动机故障指示灯点亮。

维修人员首先确认故障现象，试车时，发现发动机故障指示灯点亮，使用诊断仪对车辆进行检测，发现有“4809AB—混合气调节，混合气过浓”的故障码存在。

故障分析：使用示波器检测氧传感器波形，测试不同阶段的发动机转速发现，发动机在2500r/min以及其它稳定转速下氧传感器的波形如图4所示。观察图4可知，无论发动机处于任何转速和负荷，氧传感器的波形均存在严重的杂波，表明发动机工作时废气中氧浓度不均衡，图中氧传感器信号的平均电压为672mV，该值偏离理论空燃比的基准电压450mV，表明混合气偏浓。

故障排除：使用诊断仪检测，结果显示混合气过浓，首先检查氧传感器电压，发现后氧传感器的电压变化异常，一直在调节喷油量。在更换气门室盖时，发现高压燃油泵出现了泄露，燃油泵泄露的汽油进入气缸，导致混合气过浓，更换高压燃油泵后故障排除。用示波器再次检查氧传感器波形，氧传感器的波形恢复正常。

5  总结

氧传感器对控制可燃混合气的浓度发挥着重要的作用，其工作性能的好坏直接影响发动机的工作性能、燃油经济性及有害气体的排放，若氧传感器出现故障，将使可燃混合气的空燃比不能精确控制，超出三元催化转换器转化效率最佳要求的空燃比范围，从而造成排放指标恶化。因此，掌握氧传感器的结构、原理以及故障分析方法对于汽车维修有着重要的意义。

参考文献：

[1]孙志刚.氧传感器在电控汽车故障检修中的应用[J].科教文汇，2009（11）：274-275.

[2]Samuelsson Oscar， Zambrano Jesús， Bj？觟rk Anders， Carlsson Bengt. Automated active fault detection in fouled dissolved oxygen sensors[J]. Water research，2019.

[3]吉武俊.汽车尾气排放超标智能监测系统研究[J].河南科技，2019（19）：16-17.

[4]何涛.汽车发动机氧传感器常见故障及诊断探讨[J].内燃机与配件，2019（3）：144-145.