丰田卡罗拉车发动机空燃比传感器的原理与检修

淄博市技师学院 孙长新

为适应日益严格的汽车尾气排放要求，传统的氧化锆式氧传感器状态型监测精度已远远不能满足要求，监测范围更大、性能更优越的宽带型氧传感器应用越来越多。本文以2010款丰田卡罗拉车1ZR-FE发动机空燃比传感器为例，详细介绍其工作原理及检测方法。

1 空燃比传感器的工作原理

空燃比传感器的工作原理与普通氧化锆型氧传感器的工作原理基本相同，都采用锆元件，但是进行了优化升级，充分应用氧浓差及泵氧原理。根据氧化锆这种固体电解质的特性，当氧化锆两侧铂电极的含氧量存在差别时，在正、负铂电极上会产生相应的电动势；反之，当在氧化锆两侧的铂电极上加上一定驱动电压时，内部氧离子就会产生规律性运动，在正、负极之间重新分配，从而改变输出电流和电压。

1.1 空燃比传感器的作用及安装位置

与传统氧传感器相比，空燃比传感器信号既满足准确性又满足快速性要求，能够随时调节空燃比大小始终保持在理论值区域，特别是在汽车某些典型工况下（如冷机起动、暖机、急加速、急减速等），能有效控制所需空燃比，克服传统氧传感器监测缺陷，极大降低了有害气体的产生，获得了良好的排放性。在丰田卡罗拉车发动机双氧传感器的排放系统中，上游氧传感器选用空燃比传感器，下游氧传感器选用加热型的氧化锆式氧传感器。

1.2 空燃比传感器的基本结构

丰田卡罗拉车发动机采用4线制空燃比传感器，氧化锆元件结构为平面型，属临界电流型宽带氧传感器。外观上与传统氧化锆型传感器极为相似，注意不要混淆、错误使用和安装。空燃比传感器本体的两侧设置铂电极，正极设在封闭的空气腔一侧，负极与尾气间填充多孔性的扩散阻力层和多孔氧化铝层，区别于传统氧传感器。尾气中的氧分子要到达负极侧，需要依次通过多孔性氧化铝层及扩散阻力层，反之亦然。空燃比传感器的基本结构如图1所示。

图1 空燃比传感器的基本结构

1.3 空燃比传感器控制原理及信号输出特性

发动机控制单元（ECM）内部有特殊设计的稳压电路，其主要作用是在空燃比传感器空气腔侧铂电极（正极）提供3.3 V恒定电压，同时在尾气侧铂电极（负极）提供3.0 V的恒定电压，从而在内部锆元件中产生一个泵电流，尾气侧（负极）的氧分子在泵电流的作用下向空气侧（正极）运动。ECM内设计有电压平衡监控电路，能够实时控制泵电流的大小，通过调整正、负铂电极间的电压差，使泵电流达到临界状态，临界泵电流的大小取决于氧气的扩散速率，与尾气中的氧浓度或空燃比的大小成正比关系。产生的临界泵电流在ECM内部被转换成电压信号，该数值与空燃比实际值成正比关系，当实际空燃比达到理论空燃比时，这时空燃比传感器的输入电流接近零。经过分析，其变化规律符合以下特点：实际空燃比变小、混合气为浓时，空燃比传感器输出负向电流，即临界电流方向由正极指向负极，氧气由空气腔向尾气侧扩散；变化趋势相反时，空燃比传感器输出正向电流，即临界电流方向由负极指向正极，氧气由尾气侧向空气腔扩散，实际产生的空燃比信号电压在2 V～4 V变化。

丰田卡罗拉车空燃比传感器与普通氧传感器相比，其连接器同样有4个端子，空燃比传感器的相关端子如图2所示。端子A/F+与端子A/F-为空燃比传感器的正、负信号电极，两者之间的电压差为0.3 V左右；其余2个端子为加热器接线端子，分别为来自继电器的+B电源端子和ECM控制搭铁端子。正确识读和分析空燃比传感器控制电路是相关故障诊断的前提。

图2 空燃比传感器的相关端子

空燃比传感器输出信号特性如图3所示。信号曲线相对较平滑，近似于一条直线，可测量的空燃比为11～23（过量空气系数为0.7～1.4），稀、浓跨度较大，这一点明显优于传统氧传感器。空燃比传感器能连续可靠地检测较大范围空燃比的大小，实现喷油脉宽的精确反馈控制。当信号电压达到3.3 V左右时，对应的是理论空燃比控制区域。

图3 空燃比传感器输出信号特性

2 空燃比传感器的检测

空燃比传感器相关电路如图4所示。

图4 空燃比传感器相关电路

2.1 空燃比传感器加热器及控制电路的检测

（1）将点火开关置于OFF挡，断开空燃比传感器的连接器。

（2）测量端子B89/2与端子B89/1间的电阻，测量值应为1.6 Ω～3.2 Ω（20 ℃时），如不相符，则更换空燃比传感器。

（3）将点火开关置于ON挡，测量端子B89/2与搭铁间的电压，应为12 V左右。发动机怠速运转，用示波器测量端子B89/1与搭铁间的波形，如图5所示。

2.2 空燃比传感器信号电压的检测

将点火开关置于ON挡，测量端子B89/3与搭铁间的电压，应为3.3 V，测量端子B89/4与搭铁间的电压，应为3 V。如果测量值异常，应做针对性检查，先检查线路，最后检查ECM损坏情况。

2.3 空燃比传感器功能检测

判断空燃比传感器性能好坏最好采用故障检测仪与尾气分析仪相结合的方法进行检查，通过故障检测仪读取空燃比相关数据流，尾气分析仪检测的数值相比较，若误差较大，应检查有关系统及元件。丰田专用故障检测仪能够实现空燃比主动测试功能，激活内部程序调整实际喷油脉宽，在一定范围内增大或减小发动机的实际空燃比，读取数据流中空燃比信号电压值，通过观察空燃比信号电压与实际空燃比的相关性，判断空燃比传感器是否损坏。基本检测程序如下所列。

（1）关闭点火开关，将丰田专用故障检测仪连接到诊断口DLC3。

（2）打开点火开关，起动车辆，将发动机转速保持在2 500 r/min运转大约80 s～90 s，使发动机处于暖机状态。

（3）打开丰田专用故障检测仪，选择OBD Ⅱ动态测试诊断功能。

（4）怠速条件下，进行空燃比控制功能测试（空燃比动态测试，喷油量为-12.5%～＋25%），调节发动机实际空燃比，并注意观察空燃比传感器的信号电压、后氧传感器的信号电压、实际空燃比3者间的联系。参考标准：空燃比传感器信号电压应根据喷油脉宽的大小而做出相应变化，喷油脉宽为＋25%（过浓输出），空燃比传感器信号电压＜3.3 V ；喷油脉宽为-12.5%（过稀输出），空燃比传感器信号电压＞3.3 V。通过观察可发现，空燃比传感器要比传统氧传感器反应迅速。

空燃比传感器功能的简单测试，使发动机热车至80 ℃～90 ℃，连接空燃比传感器线束连接器，用万用表直流电压挡测量2条信号线间的电压，应为0.3 V左右，否则线路、元件、ECM可能存在故障。调节混合气浓度大小，检测空燃比传感器2条信号线间的电压应在0 V～1 V变化，向进气管内喷入适量丙烷气体（对应浓混合气），空燃比传感器信号电压应变小；拔下节气门后方真空管使之产生真空泄漏（对应稀混合气），空燃比传感器信号电压应变大。如果不符上述情况，说明空燃比传感器存在故障。

3 空燃比传感器的使用与维护注意事项

（1）空燃比传感器工作温度必须达到600 ℃以上。

（2）排气管的密封性应良好，防止因泄漏影响空燃比传感器的调节精度。

（3）空燃比传感器要垂直于尾气安装，以防水蒸气冷凝作用而损坏空燃比传感器的内部陶瓷体。

（4）清洁时慎用清洗剂、油性液体及硅密封胶，特别是含硅胶类的物质，进入排气系统会损害空燃比传感器，造成“硅中毒”。

（5）上游的空燃比传感器与下游的氧传感器不能装反，同时线束连接器不能接反。

（6）空燃比传感器螺纹安装部位涂石墨悬浮液专用防黏剂，以保护螺纹免于烧结损伤且便于拆卸。空燃比传感器接头不要接触该化学物质，防止污染腐蚀，导致信号失准。

（7）合理安装布置空燃比传感器连接线路，留出活动空间，防止互相干扰或拉扯导致的线路损坏。

（8）空燃比传感器连接器要保证密封位置至少能够承受1.01×105Pa的压力，防止空燃比传感器受潮造成腐蚀损伤、线路接触不良、线路短路等故障。

（9）防止空燃比传感器落地，避免内部陶瓷绝缘体破裂而功能失效。

（10）拆下空燃比传感器进行直观检查，观察通气孔是否脏堵，陶瓷部分有无破损等明显缺陷，如有损伤，则应更换。空燃比传感器末端的颜色差别也可作为判别标准，末端正常颜色为淡灰色，如果颜色异常，则做如下分析：末端呈黑色是积炭过多引起，混合气质量或燃烧不好，将积炭清理干净可使空燃比传感器功能恢复正常；呈棕色是由于燃油中铅超标所致，属于汽油品质有问题；末端呈白色是硅污染造成，原因前面已提及。

4 空燃比传感器故障1例

故障现象 一辆累计行驶里程约为25万km的2010款丰田卡罗拉车，搭载1ZR-FE发动机，大修完工后试车出现发动机故障灯点亮、发动机抖动、发动机过热的故障现象。

故障诊断 接车后首先试车，确认故障现象属实。连接故障检测仪，读取发动机控制单元的故障代码，读取到的故障代码为“P0125 用于闭合环路燃油控制的冷却液温度不够低”。

查询相关资料，未能找到关于该故障代码的相关解释，只能从故障代码显示的内容来排除故障。首先检查冷却液温度，热车后冷却液温度表指针指示在中间位置（正常），读取数据流，显示冷却液温度在80 ℃～90 ℃变化（正常），检查散热风扇工作正常，冷却系统相关部件均未发现异常。重新试车，行驶一段距离发动机故障灯再次点亮，仍显示故障代码P0125。

再次分析故障代码内容，既然排除了冷却系统，那么从故障内容看该故障还与燃油闭环控制系统有关，考虑到空燃比传感器在该系统中的关键作用，能在各种特殊工况下实时快速监测空燃比信号，及时反馈给ECM精确控制喷油脉宽达到理论空燃比，其性能好坏对发动机燃烧过程影响较大，因此需要检查燃油闭环控制系统。

在试车过程中检查空燃比及氧传感器相关数据，发现空燃比传感器的信号电压一直定在2.8 V无变化且Long FT超出20%，正常怠速情况下，MAF正常值为2.20 gm/s～2.4 gm/s，Short FT和Long FT为5%左右，AFS Voltage B1S1为3.3 V左右，Short FT和Long FT超过20%会点亮发动机故障灯。因此初步判断空燃比传感器及其相关线路可能存在故障。

对空燃比传感器相关线路进行检查，未发现异常，判断空燃比传感器故障。

故障排除 更换空燃比传感器后试车，故障排除。