淺談汽車空燃比傳感器的結構原理與檢修

陳成春

淺談汽車空燃比傳感器的結構原理與檢修

陳成春

福建交通職業技術學院

隨著汽車工業的發展，汽車保有量的不斷增加，汽車節能減排技術越來越被人們所重視。汽車空燃比傳感器能夠自動檢測不同工況下的汽車混合氣濃度，并通過電腦進行自動調節，是節能減排技術的重要應用。為此，本文通過近期教學實踐和維修實踐過程中的不斷總結，闡述了空燃比傳感器的結構原理和檢修方法。

空燃比；傳感器；結構原理；檢修

隨著社會的進步，汽車工業的不斷發展，汽車尾氣排放問題越來越被人們所關注，相關的汽車尾氣排放標準也越來越嚴格，為了達到尾氣標準，各種汽車控制裝置正不斷地裝到汽車上。氧傳感器作為有效控制尾氣排放的重要裝置，能夠給發動機電腦（簡稱ECU）提供混合氣空燃比反饋信號，并使發動機在各種不同的工況下，都能達到控制理論空燃比（14.7:1）的目的，實現閉環控制，使三元催化轉換器達到最佳的轉換效果。空燃比傳感器作為新型的氧傳感器，能在發動機不同工況時，準確地檢測廢氣中氧的濃度，并及時地把信號傳給電腦進行精確計算和控制混合氣濃度，使發動機實現較理想的空燃比，燃燒更好，動力更足，油耗更低，排放污染更少，現在已在許多新的車型中逐步推廣使用。

1 氧傳感器的類型

氧傳感器可以分為杯型和平面型兩種（如圖1所示），傳統的氧傳感器一般為杯型，傳感器元件圍著一個加熱器，空燃比傳感器一般為平面型，傳感器最基本的部分是夾在兩個鉑電極之間的氧化鋯固態電解質。全范圍單腔限流平板型空燃比傳感器的傳感元件多了一個特殊設計的限制空氣擴散的擴散阻力層，并有一個封閉的空氣腔。空燃比傳感器的加熱器采用氧化鋁制成，具有較好的導熱性能和絕緣性能，以使傳感器元件和加熱器結合在一起，提高了傳感器的加熱性能。

2 工作原理

空燃比傳感器可能比傳統的氧化鋯型氧傳感器能更精確地控制燃油，目前多數新型汽車采用了能夠精確測量實際空燃比數值的全范圍空燃比傳感器，它代替了傳統的氧傳感器。

2.1 稀混合氣濃度情況下

在實際空燃比數值大、混合氣稀工況條件下，尾氣中氧氣較多，實際空燃比數值越大、混合氣越稀，尾氣中的氧氣就越多。發動機電腦ECU在空燃比傳感器兩個鉑電極間施加了電壓。當尾氣中的氧氣穿過空燃比傳感器擴散阻力層后，接觸到空燃比傳感器尾氣側鉑電極得到電子后被電離，氧離子流過氧化鋯固態電解質后到達空燃比傳感器空氣腔側鉑電極失去電子后中和，從而形成了電流（如圖2所示）。由于特殊設計的擴散阻力層作用，使通過擴散阻力層的氧氣形成的限制電流正比于尾氣中的氧氣濃度。

圖2 稀空燃比檢測原理圖

2.2 濃混合氣濃度情況下

在實際空燃比數值小、濃混合氣工況下，由于缺氧造成可燃混合氣不能完全燃燒，從而產生了大量的未燃燒氣體（碳化氫和一氧化碳）。此時，發動機電腦在兩個空燃比傳感器鉑電極間施加電壓，空燃比傳感器空氣腔內的氧氣在空氣腔側鉑電極得到電子后被電離成氧離子，氧離子從空氣腔側鉑電極流到尾氣側鉑電極。在尾氣側鉑電極，它同穿過空燃比傳感器擴散阻力層的未完全燃燒產物碳化氫和一氧化碳發生化學反應，失去電子，從而形成了電流。由于擴散阻力層的特殊設計，使得碳化氫和一氧化碳氣體的數量正比于尾氣中未燃燒的碳化氫和一氧化碳氣體的濃度，從而使未燃燒的碳化氫和一氧化碳氣體同氧氣發生化學反應形成的限制電流正比于尾氣中未燃燒的碳化氫和一氧化碳氣體濃度。注意，此時，空燃比傳感器中空氣腔的O2的流動方向發生改變（如圖3所示）。

圖3 濃空燃比檢測原理圖

3 輸出特性和性能特點

3.1 電流變化特性

空燃比即空氣和燃油的比例，理論空燃比為14.7:1。高于理論空燃比是稀的經濟空燃比，低于理論空燃比是濃的功率空燃比。

在實際空燃比等于理論空燃比（14.7:1）時，空燃比傳感器的輸出電流為零。實際空燃比數值小、混合氣濃時，空燃比傳感器輸出電流為負。當實際空燃比數值大、混合氣稀時，空燃比傳感器輸出電流為正?？杖急葌鞲衅鞯目杖急葯z測范圍極寬，從空燃比23:1極稀混合氣到11:1極濃混合氣范圍內都可能檢測到，而且空燃比傳感器輸出限制電流同實際空燃比的大小基本上成正比對應，對應關系的線性也比較好，幾乎趨近為一條直線。發動機ECU把傳感器輸出電流的變化轉化成電壓變化，以線性檢測當前的空燃比。

3.2 電壓變化特性

空燃比傳感器和氧傳感器相同，空燃比傳感器也探測排氣中的氧濃度。常規型氧傳感器在理論空燃比的附近，其輸出電壓常會急劇變化。相比而言，空燃比傳感器所施加的是大約0.4 V的恒定電壓，隨著氧濃度的變化，傳感器的輸出電流發生變化，從而電壓也跟著變化，電壓的變化范圍一般為2.4 V～4.0 V之間（如圖4所示）。圖4表示在手持式測試儀上顯示的空燃比傳感器的電壓輸出特性。傳感器內有一個能保持發動機ECU的AF+和AF-端子上有恒定電壓的電路。所以，空燃比傳感器的輸出條件不能用電壓表來探測，必須使用手持式測試儀。空燃比傳感器的輸出特性使其有可能當空燃比一發生變化，立刻給予校正，這樣可使空燃比校正反饋更快、更精確。和傳統氧傳感器相同，空燃比傳感器上也配有加熱器，在排氣溫度低時用來保持探測性能。但是，空燃比傳感器的加熱器比傳統氧傳感器需耗用大得多的電流。

圖4 空燃比傳感器的電壓輸出特性圖

3.3 性能特點

在汽車冷啟動、急加速或減速等復雜工況下，實際空燃比已大大偏離理論空燃比，氧傳感器只能檢測到理論空燃比，并且檢測不到實際空燃比偏離的量，發動機電腦無法將實際空燃比修正到理論空燃比（14.7:1）。所以，在冷啟動、急加速或減速等復雜工況下，傳統氧傳感器燃油控制的反饋非常狹窄而且變化穩定，如果需要非理論空燃比混合物，ECU將可能進入開環控制，無法實現閉環控制，廢氣排放很高。

空燃比傳感器可稱為寬帶、寬頻帶、線性、稀式傳感器等。根據空燃比傳感器測量的實際空燃比數值，發動機電腦ECU可及時將實際空燃比調整并控制在理論空燃比（14.7:1），而且調整速度極快，而且，空燃比傳感器允許在非理論空燃比混合時進行閉環燃油控制（如圖5所示）。這大大降低了汽車在冷啟動、加速或減速等工況下的廢氣排放，從而更進一步降低了汽車的廢氣排放，使尾氣排放可達到歐Ⅲ排放標準的要求。

圖5 空燃比傳感器在急加速工況下的輸出曲線圖

空燃比傳感器的工作溫度大約為650℃，比傳統氧傳感器工作溫度（400℃）高。但是，空燃比傳感器的加熱器的加熱時間只需10 s，而傳統的氧傳感器的加熱器的加熱時間卻需要30 s，發動機暖機過程能夠更快地參與閉環控制，響應性快。空燃比傳感器輸出信號有數秒延遲，傳統氧傳感器輸出信號有20 s延遲。

4 檢修

以豐田皇冠轎車發動機為例，進行檢修作業敘述。豐田皇冠轎車發動機裝有4個氧傳感器（如圖6所示），雙排氣管，在三元催化反應器之前裝有空燃比傳感器（叫做1號氧傳感器），在三元催化反應器之后，還裝有一個加熱型氧傳感器（叫做2號氧傳感器），發動機電腦根據1號氧傳感器的反饋信號，增加或減少噴油量，將實際空燃比控制在理論空燃比附近。

圖6 豐田皇冠轎車空燃比傳感器安裝圖

4.1 線路檢修

（1）檢查ECU端子＋B電壓應為12 V，若沒有電壓，則檢查ECU電源電路、EFI主繼電器和EFI熔斷絲（如圖7所示）；

（2）檢查傳感器四根導線電壓應分別為12 V、12 V、3.3 V、2.9 V，沒有12 V電壓則檢查加熱器電路，沒有3.3 V電壓檢查AF1＋端子電路，沒有2.9V電壓則檢查AF1－端子電路；

（3）檢查ECU端子AF1＋、AF1－、HTAF1電壓應分別為3.3 V、2.9 V、12 V，若AF1+和AF1-電壓不正確則檢查ECU和ECU電源電路；若HTAF1端子沒有電壓則傳感器加熱器熔斷和端子線路斷路；

圖7 空燃比傳感器電路圖

4.2 加熱器檢修

用歐姆表檢查加熱器的電阻應符合規定值，若電阻不在規定值范圍內則更換傳感器。

4.3 傳感器檢修

起動發動機，分別用豐田專用解碼器和OBDⅡ通用解碼器讀取隨車數據，空燃比傳感器的電壓數據（如表1所示）應符合要求，否則應更換傳感器。由于1996年之前，豐田汽車上的空燃比傳感器的檢測數據無法在OBDⅡ通用解碼器上顯示，OBDⅡ通用解碼器只能顯示氧傳感器0～1V之間的電壓值，為解決這個問題，豐田公司修正了汽車電腦，并且以顯示的0～1V的電壓值來代替實際的檢測電壓，這就出現了兩種解碼器檢測的電壓不同的情況，對于剛接觸空燃比傳感器的汽車維修技師，一定要查找維修手冊，確定氧傳感器的類型，以免混淆。

表1 空燃比傳感器在不同空燃比時的電壓表

4.4 傳感器更換

這種1號空燃比傳感器從外觀上看與2號傳統的氧傳感器很相似，兩者都有4根電線，而且接頭看起來相同。稍微修改以后，傳統氧傳感器就可以插入空燃比傳感器線束。然而，如果插頭不正確，系統將不能正常工作。所以，更換空燃比傳感器時，一定要在正確的位置更換，并且，插頭不能與2號氧傳感器對換。

5 結論

空燃比傳感器作為氧傳感器的一種，由于采用了最新技術，使得空燃比傳感器有許多的技術優越性，目前正在逐漸推廣使用。現在，越來越多的新的車型都使用了空燃比傳感器，所以，了解和熟悉空燃比傳感器的結構原理，并會正確地采用相關的檢修手段，進行空燃比傳感器的檢修，對于當前的汽車檢修技術人員，是很有必要的。而且，汽車技術的不斷更新，知識的不斷更替，學習和使用汽車新技術，是當今汽車維修技術人員的首要任務。本人通過不斷地技術總結和實驗數據采集和分析，并查找了相關的技術資料，通過豐田車系的相關車型進行實車檢驗，驗證了本人的數據和分析是合理的，我想對于部分維修技術員可以有很好的借鑒和應用價值。

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The Mechanism and Maintenance of Air-fuel Ratio Sensor

Chen Chengchun

(Fujian Communication Vocational College, Fuzhou 350007, China)

With the development of automobile industry and the increasing possession of automobiles, the energy-saving and discharge-reducing technology has attracted great attention. Automobile air-fuel ratio sensor can automatically check automobile mixture concentration under various working conditions and adjust automobile mixture concentration automatically by micro-processor to save energy and reduce discharge. Through summarizing recent teaching and maintenance practice, the mechanism and maintenance methods of air-fuel ratio sensor are described to resolve technical problems of the sensor in maintenance operations.

air-fuel ratio; sensor; mechanism; maintenance.