空燃比傳感器在汽油發動機上的應用及其檢測

林 平

?

空燃比傳感器在汽油發動機上的應用及其檢測

林 平

福建交通職業技術學院汽車運用與工程機械系

空燃比傳感器能在較大的范圍內檢測混合氣的濃度，使發動機電控系統的空燃比反饋控制更加精確和迅速。但由于其結構、工作原理、信號特征與傳統的氧傳感器有很大的差異，因此其檢測方法也完全不同。本文分析了空燃比傳感器的結構和原理，并詳細論述這種傳感器的控制電路、信號特征和檢測方法。

發動機；空燃比；傳感器；檢測

空燃比傳感器和氧傳感器一樣，都是安裝在發動機的排氣管上，與排氣管中的廢氣接觸，用來檢測排氣中氧氣分子的濃度，并將其轉換成電壓信號。ECM根據這一信號對噴油量進行調整，以實現對可燃混合氣濃度的精確控制，改善發動機的燃燒過程，達到即降低排放污染，又減少燃油消耗的目的。

氧傳感器在汽油發動機上的應用已有多年的歷史，但由于氧傳感器的信號電壓在理論空燃比附近產生突變，因此對空燃比的控制主要集中在理論空燃比附近，無法在稀薄燃燒區內進行控制。近年來，隨著節能減排的要求日益嚴格，能在整個稀薄燃燒區范圍內工作的空燃比傳感器逐漸在汽油發動機上得到了廣泛的應用。由于空燃比傳感器在結構和原理上與氧傳感器有著很大的差異，導致其檢測方法也完全不同。對于汽車維修技術人員，了解空燃比傳感器的原理和檢測方法是十分必要的。

1 空燃比傳感器的結構與工作原理

空燃比傳感器又叫寬帶氧傳感器（或寬范圍氧傳感器、線性氧傳感器、稀混合比氧傳感器等）。它與氧傳感器一樣，也是安裝在排氣管上，位于三元催化轉化器前面。其作用是檢測排氣中氧分子的濃度，使ECM獲得混合氣濃度的反饋信號。與氧傳感器只能檢測理論空燃比的情況不同，空燃比傳感器能連續檢測出稀薄燃燒區的空燃比，可正常工作的空燃比范圍大約在12:1到20:1之間，使得ECM能在非理論空燃比區域范圍內實現噴油量的反饋控制，為進一步減少污染和節約能源提供了技術保障。

空燃比傳感器是在普通氧化鋯型氧傳感器的基礎上發展而來。氧化鋯有一特性，就是當它的內外兩個表面上存在氧濃度差時，會使氧離子從濃度高的一側向濃度低的一側移動，從而產生電動勢。若相反將電動勢加在氧化鋯組件上，即會造成氧離子的移動。此時，氧分子會在陰極（負極）上得到電子形成氧離子，氧離子在電動勢的作用下移動到陽極，在陽極上放電，變成氧分子。這樣氧就通過氧化鋯這一固體電解質被從電極的陰極泵到陽極，因此這種傳感器也被稱為電化學泵氧型氧傳感器，外加的電壓稱為泵電壓，產生的電流稱為泵電流。

在泵氧過程中，泵電流的大小與泵電壓有關，但泵電壓的增加所導致的泵電流的增加會逐漸減小，當泵電流達到一定數值后，會出現泵電流不再隨著泵電壓的增加而增大或變化很小的現象，即達到到飽和狀態，這個電流被稱為極限電流。極限電流的大小取決于氧化鋯兩個表面之間的氧濃度差，將氧化鋯的陽極通大氣，陰極與廢氣接觸，根據極限電流的大小即可測得廢氣中的氧濃度，從而在整個稀薄燃燒區范圍內獲得可燃混合氣濃度信號。

空燃比傳感器有兩種結構型式：單元件和雙元件。

1.1 單元件空燃比傳感器

單元件空燃比傳感器的結構和原理類似于傳統的氧傳感器，圖1(a)為豐田汽車采用的單元件空燃比傳感器。它的氧化鋯元件采用平面型結構，兩側有鉑電極，其中正極（陽極）通過空氣腔與大氣相通，負極（陰極）與排氣之間有一多孔性的擴散障礙層和多孔氧化鋁層，排氣管中的氧分子可以通過多孔性氧化鋁層和擴散障礙層到達陰極表面。ECM中的控制電路使正極的電壓高于負極（圖2），從而在氧化鋯元件中產生一個泵電流，陰極上的氧分子在此電流的作用下被移動到陽極。ECM內的平衡監控電路控制泵電流的大小，通過改變兩極之間的電壓差，使泵電流達到飽和狀態。擴散障礙層的作用是限制排氣中的氧氣向陰極的傳輸，使傳感器能得到與排氣管中的氧濃度相應且穩定的飽和泵電流。混合氣的空燃比越稀，經障礙層進入擴散腔的氧分子越多，達到飽和狀態時的泵電流也越大，相應的外加電壓差也越大；反之，混合氣越濃，經障礙層進入擴散腔的氧分子越少，達到飽和狀態時的泵電流也越小，相應的外加電壓差也越小。即：達到飽和狀態時的泵電流的大小取決于氧向擴散室的擴散速率，并與排氣中的氧分子濃度成正比，或與混合氣的空燃比數值成反比。此電流的大小在ECM內部被轉換成與混合氣空燃比數值成正比的電壓信號。實際的空燃比信號電壓值在2.4～4.0 V之間變化（圖1(b)）。

圖1　單元件空燃比傳感器結構及其信號特征

圖2　單元件空燃比傳感器的控制電路

空燃比傳感器要求比氧傳感器有更高的工作溫度（大約650°），因此常將加熱器和氧化鋯元件用氧化鋁集成在一起（圖1(a)），同時由ECM控制加熱器的電流，當進氣量小（廢氣溫度低）時，ECM增大加熱器的電流，在保證氧化鋯能保持在正常的工作溫度內。

單元件空燃比傳感器和氧傳感器一樣，有4根接線（圖2），其中兩根為氧化鋯的兩個電極，與ECM連接，在理論混合氣狀態下，這兩根線之間的電壓差約為0.4 V；另外2根為加熱器的接線，分別接12 V電源和ECM，ECM以改變通電脈沖占空比的方式控制加熱器的電流[1-4]。

1.2 雙元件空燃比傳感器

雙元件空燃比傳感器由兩個氧化鋯單元組成（圖3），其中靠近排氣側的是一個電化學泵氧單元A（簡稱泵氧單元），另一個靠近大氣的是氧濃差電池單元B（簡稱電池單元）。電池單元件B的一面與大氣接觸而另一面是擴散腔2，通過擴散孔1與排氣接觸，它和普通的氧化鋯元件一樣，由于兩側的氧含量不同，從而在兩電極（即圖3中的“參考接地”端和“電壓差信號”端）之間產生一個電動勢。ECM監測氧電池單元B的電壓差信號端的電壓值，并控制施加于泵氧單元A的氧化鋯元件上的電壓（即圖3中的“輸入泵電流”端子上的電壓），以改變其泵電流，利用氧化鋯的反作用原理，造成氧離子的移動，把排氣中的氧分子泵入到擴散腔內，或將擴散腔內的氧分子泵出到排氣中，以改變擴散腔內的氧分子濃度，使電池單元B的電壓差信號值維持在0.45 V。

為了保持這一電壓，當混合氣太濃時，排氣中含氧量下降，此時從擴散孔1進入擴散腔2的氧較少，電池單元B的電壓差信號升高，ECM據此對泵氧單元A施加一個反向電壓（即降低“輸入泵電流”端的電壓，使之低于“參考接地”端的電壓），把氧離子從排氣管泵到擴散腔2，增加擴散腔的氧含量，使電池單元的信號電壓恢復到0.45v；反之，當混合氣太稀時，排氣中的含氧量增加，這時從擴散孔1進入擴散腔2的氧分子增加，使電池單元B的電壓差信號降低，此時ECM會對泵氧單元正向施加一個電壓，把氧離子從擴散腔2泵到排氣管，由于擴散孔1限制了排氣中的氧分子氣向擴散腔的傳輸速率，氧離子的移動使擴散腔2內的氧分子濃度下降，使電池單元的信號電壓恢復到0.45v。ECM根據此時泵氧電流（即輸入泵電流）的大小和方向計算出相應的混合氣濃度。

1.擴散孔　2.擴散腔　3.空氣腔　4.微調電阻

雙元件空燃比傳感器有5根接線端子，其中2根是加熱器的接線，1根是泵氧單元A和電池單元B共用的參考接地線，1根為電池單元的信號線（電壓差信號），另1根是泵氧單元泵電流的輸入線（輸入泵電流）。由于排氣中的氧分子通過擴散孔向擴散腔的擴散速率直接影響泵電流的數值，為了補償制造誤差，制造廠在每個空燃比傳感器成品之前都要對其進行嚴格的校準，在傳感器的泵電流電路上增加一個微調電阻，并將電阻安置在傳感器的線束插頭內，使5根接線的空燃比傳感器成為有6根接線。該電阻的阻值范圍在30～300 Ω之間，而且對每個傳感器而言，該電阻的阻值都不完全相同，在更換傳感器時，應將帶有該電阻的傳感器線束一同換掉[3-4]。

由于空燃比傳感器能在較大的范圍內檢測混合氣的濃度，當發動機的混合氣濃度因某一原因突然偏離理論目標時，發動機電控系統能根據混合氣濃度的偏離值及時修正，在較短的時間內就能使混合氣濃度恢復到正常水平，縮短了發動機在非正常混合氣狀態下的運轉時間，有利于減少排放污染。相對于采用氧傳感器的發動機電控系統，由于無法判定混合氣的偏離程度，只能按照固定的比例逐步校正混合氣，反應較慢（圖4）。

圖4　空燃比傳感器和氧傳感器的性能對比

2 空燃比傳感器的檢測

2.1 單元件空燃比傳感器的檢測

空燃比傳感器常見故障的原因及后果都與氧傳感器相似，可以通過加熱器的檢測、控制電路的檢測、傳感器功能檢測來診斷其故障的原因。

（1）單元件空燃比傳感器加熱器的檢測

①關閉點火開關，拔下空燃比傳感器的線束插頭；

②參照維修手冊和電路圖的指示，用數字萬用表從傳感器插頭上檢測空燃比傳感器的加熱器的電阻，其阻值標準為1.8～3.4 Ω（豐田車型標準），如不相符，應更換傳感器。

（2）單元件空燃比傳感器控制電路的檢測

①檢查加熱器電路。加熱器電路有兩條線，一條來自蓄電池的電源線，另一條是接ECM的控制線，參考地。打開點火開關后，測量加熱器電源線上的電壓，應為12 V。在發動機運轉中，用電壓表測量加熱器控制線上的電壓，應低于12 V；也可用電流鉗測量，該控制線上應有最大可達6 A的電流；或用示波器測量該控制線，應有脈沖電壓信號。

②檢查傳感器信號電路。可用萬用表的電壓檔測量兩根信號線，在發動機正常運轉中，一條信號線的電壓值應該是3.0 V，另一條線的電壓值應該是3.3 V。如果電壓值不正確，可能是線路開路或短路或者是ECM故障。

（3）單元件空燃比傳感器的功能檢測

單元件空燃比傳感器的功能可以用汽車制造廠家提供的專用解碼器檢測。不同汽車制造廠家的專用解碼器的使用方法都不完全相同，有些解碼器有專門的空燃比傳感器檢測功能，通常是是通過解碼器向發動機電腦發出讓混合氣以一定的比例加濃或變稀的指令，同時讀取空燃比傳感器的信號變化，并據此判定氧傳感器是否工作正常。

單元件空燃比傳感器的功能也可以用萬用表檢測，其方法是：

①運轉發動機使之達到正常工作溫度；

②在傳感器線束插頭連接良好的狀態下，用萬用表測量兩條信號線間的電壓差。在發動機正常運轉時兩信號線的電壓差應為0.3 V。

③人為地改變混合氣濃度，此時兩信號線的電壓差會像傳統的氧傳感器那樣在0到1.0 V之間變化。當混合氣變濃時（可向進氣管內噴入少許丙烷），兩信號線的電壓差會減小；反之，當混合氣變稀時（如拔下某根真空管使之產生真空泄漏），兩信號線的電壓差會增加。如果沒有這種變化，說明傳感器有故障，應更換[2-4]。

2.2 雙元件空燃比傳感器的檢測

雙元件空燃比傳感器的工作性能可以采用解碼器和廢氣分析儀相配合的方法來檢測。其方法是：

①將解碼器與發動機電腦連接；

②運轉發動機至正常工作溫度，在讀取解碼器上顯示的空燃比信號參數的同時，用廢氣分析儀檢測發動機的排氣；

③通過人為的手段使混合氣變濃或變稀，將解碼器顯示的空燃比數值與廢氣分析儀的檢測結果比較，如果兩個檢測結果不匹配，說明傳感器或控制系統有故障，需要進一步檢查。

雙元件空燃比傳感器也可以用萬用表和示波器來檢測，其方法是：

①檢測加熱器電路。可按照與單元件空燃比傳感器相同的方法，檢測其加熱器電路。

②分開傳感器線束接頭。用萬用表檢查泵元件輸出和輸入線路之間的修正電阻，其電阻值應該在30～300 Ω之間。

③把傳感器的接頭插上，用萬用表檢查參考接地端的電壓，其值應該在2.4～2.7 V之間。

④分別檢查泵氧元件和電池元件信號。用一個雙通道示波器，將示波器的地線與傳感器的參考接地端連接，將一個通道接電池元件的電壓差信號線，另一個通道連接泵氧單元的輸入泵電流線。電池單元的信號電壓應該一直保持在 0.45 V。輸入泵電流線上的電壓會以0.5到0.6的幅度波動，在混合氣從最濃變為稀時，會產生一個大于1.0的電壓變化。

如檢測結果與上述不符，說明傳感器或其控制電路有故障，應更換傳感器或檢修控制電路[2-4]。

3　結語

氧傳感器和空燃比傳感器作為汽油發動機電控系統進行混合氣濃度反饋控制的關鍵傳感器，其工作性能直接影響到發動機的油耗和廢氣排放水平。雖然兩者在發動機上的安裝位置和作用都基本相同，甚至在外形上很難區分，但兩者在的結構和工作原理有著很大的差異，其信號特征也完全不同。在檢測時，必須采用不同方法，以免對故障的原因造成誤判。

[1] 趙艷琴,王嶺,朱靖,等.汽車用氧傳感器de研究與進展[J].傳感器世界,2006,12(5): 6-10.

[2] 朱之亞.寬量程空-燃比傳感器的檢測[J].汽車維修與保養 ,2002,(11) :47-48.

[3] 張葵葵.混裝空燃比傳感器和氧傳感器的必要性及檢測[J].公路與汽運, 2007,9(5).

The Application and Test of Air-fuel Ratio Sensor

Lin Ping

(Vehicle Operation and Engineering Machinery Department, Fujian Communication Vocational College, Fuzhou 350007, China)

Air-fuel ratio sensor can test the concentration of air mixture for more accurate feedback control of air-fuel ratio of motor electrical system. Its testing method is different from the traditional oxygen-sensor due to its structure, working principle and signal features. The structure and working principle of air-fuel sensor are analyzed. The control circuit, signal features and testing method of the air-fuel sensor are described.

motor; air-fuel ratio; sensor; test