試分析氧傳感器的工作過程及檢測方法

摘 要： 氧傳感器是利用氧化鋯的特性監控廢氣中氧含量的大小，判斷混合氣的濃稀，通過發動機ECU調節噴油量而達到節油和減小有害氣體排放的目的。其故障檢測可利用最基本的設備，分加熱元件的檢測、信號電壓的檢測及信號電壓變化頻率三項完成。

關鍵詞： 氧傳感器 工作過程 檢測方法

電控發動機中，氧傳感器的全稱是排氣管廢氣氧傳感器。其作用是在發動機一些工況中通過檢測排氣管中廢氣氧含量多少和可燃混合氣燃燒情況的好壞，獲得混合氣的濃度（即空燃比）信號，并將該信號轉變為電壓信號傳輸給發動機電子控制器，發動機電子控制器根據氧傳感器傳來的信號大小，發出新的控制指令，對噴油量（實質是噴油時間，因為噴油壓力一定）進行調節進而實現混合氣濃度的反饋控制（閉環控制），使混合氣濃度控制在14.7這一最佳狀態，使發動機得到最佳濃度的混合氣，從而達到節約燃料和降低有害氣體排放量和的目的。

1.汽車氧傳感器的工作過程

汽車發動機燃油噴射系統采用的氧傳感器分為氧化鋯和氧化鈦式兩種類型。目前，汽車上常用的是氧化鋯式氧傳感器，按其工作方式不同又分為加熱型和非加熱型兩種。其主要元件是氧化鋯燒結的多孔性試管狀陶瓷體，即鋯管。鋯管內外表面都鍍覆一層多孔鉑膜作為電極（同時起催化劑作用）裝于排氣管上。其內表面與大氣相通，為外表面與排氣管中的廢氣相接觸。利用氧化鋯在高溫下內外兩側的氣體含氧量有較大差異時，氧離子會從氧含量高的一側向氧含量低的一側擴散，從而使兩側電極間產生電動勢（相當于一個小型電動機），檢測廢氣中的氧含量，進而給發動機ECU提供一個空燃比的反饋信號。

當供給發動機的可燃混合氣中汽油含量較高時（空燃比小于14.7或過量空氣系數小于1），混合氣燃燒后，由于氧分子大部分參與了燃燒，排氣管中廢氣里的氧離子含量較少，而一氧化碳含量變多。在鋯管外表面催化劑鉑的催化作用下，剩余氧離子幾乎全部都與一氧化碳發生氧化反應生成二氧化碳氣體，使鋯管外表面上氧離子濃度為0。由于鋯管內表面與大氣相通，氧離子濃度很大，因此鋯管內、外表面之間的氧離子濃度差較大，氧離子從鋯管內部向外部擴散，使鉑膜（鉑電極）之間電位差較高，約為0.9V。當供給發動機的可燃混合氣中汽油含量較低時（空燃比大于14.7或過量空氣系數大于1），混合氣燃燒后，廢氣中氧離子含量較多，CO濃度較小，即使CO全部都與氧離子產生化學反應，鋯管外表面上仍有多余的氧離子存在。因而鋯管內、外表面之間氧離子濃度差較小，兩鉑之間電位差較小，約為0.1V。當供給發動機的可燃混合氣中空燃比接近于理論空燃比14.7（過量空氣系數接近1）時，廢氣中的氧離子和一氧化碳含量都很少。在催化劑鉑的作用下，氧離子與一氧化碳的化學反應從缺氧狀態急劇變化為富氧狀態，使傳感器輸出電壓從0.9V急劇變化到0.1V。

當發動機ECU收到小于0.45V信號電壓后，將確認混合氣過稀。發動機ECU將通過增大反饋修正系數（開始快升，然后慢升），使噴油持續時間增大，噴油器噴油量增加，由于噴油量增加，混合氣很快變濃，當混合濃度大于理論空燃比時，氧傳感器輸出高電位信號（大于0.45V）。ECU收到這一信號后將確認混合氣過濃，ECU將減小反饋修正系數（開始驟降。然后緩降），使噴油持續時間縮短，噴油量減小。如此反復循環，不斷對空燃比進行反饋控制，最終使混合氣的實際空燃比穩定在理論空燃比附近。當發動機需要濃混合氣時，（如節氣門全開；或怠速暖機），ECU停止空燃比反饋控制，即進入空燃比開環運行狀態。

氧傳感器只在發動機怠速工況和部分負荷工況下才參與工作，同時必須滿足發動機溫度高于60℃，傳感器自身溫度高于300℃這些條件。為了使氧傳感器能迅速達到工作溫度并投入工作，現在采用對鋯管進行電加熱的方法，該加熱器由汽車電源供電（即加熱型傳感器，俗稱四線型氧傳感器）。

2.氧傳感器的檢測方法

氧傳感器常見故障分為兩類，一是加熱線圈故障，二是信號電路故障。若信號斷路，ECU中將設置故障碼。但故障碼一直高或低，ECU中不一定有故障碼，例如：氧傳感器出現故障，可能造成其信號電壓一直偏低，即反饋給ECU混合氣過稀，ECU立即增加噴油量，但信號電壓仍偏低，ECU再增加噴油量，造成混合氣過濃，甚至排氣管排出大量黑煙，油耗增大。因此當發動機運行不良，怠速不穩，排氣管排黑煙，油耗增大時，必須檢測氧傳感器信號。對于氧傳感器的檢修，可按以下步驟進行（以桑塔納2000Gsi為例）。

2.1檢測加熱元件

常溫下加熱電阻值為1～5歐，溫度上升阻值顯著增大，可用萬用表檢測，若常溫下阻值無窮大，說明加熱元件斷路，應更換氧傳感器。若加熱元件正常，則應檢查電熱元件的電源線路。該電壓為整車電源電壓，由油泵繼電器供給，接通點火開關。加熱元件兩端之間電壓應不低于11V。否則，可能是熔斷器斷路，或油泵繼電器觸電接觸不良等。應分別予以修理。

2.2檢測信號電壓

將萬用表接到兩信號線端子上，接通點火開關，啟動發動機，當水溫正常后，怠速時，電壓應為0.45～0.55V；將節氣門踩到底（濃混合氣）信號電壓變為0.7～1V；拔下真空管（稀混合氣）信號電壓為0.1～0.3V，否則說明氧傳感器失效。

2.3檢測信號電壓的變化頻率

用一只發光二極管和一只300歐/0.25W的電阻串聯后接在傳感器兩信號端子間（注意二極管的正極接在信號電壓的正極）。發動機在怠速和部分負荷時，二極管應閃亮，其閃亮頻率每分鐘應不低于10次，如不閃或頻率過低，說明加熱元件失效，殼體上透氣孔堵塞，或傳感器失效，應更換。更換時，氧傳感器安裝前螺絲孔內應涂G5螺絲潤滑膏。其緊固力矩為50N﹒M。

3.氧傳感器的常見損壞形式

氧傳感器在使用中，常見的損壞形式除線路故障外，還有傳感器傳感元件受高溫氣體影響局部表面產生溫度過高和傳感元件受廢氣污染而損壞兩種形式。前者常被稱為老化，后者常被稱為中毒。其中毒按污染成分的不同可分為：鉛中毒、硅中毒、磷中毒三類。

老化主要是由于發動機在啟動（特別是冷起動）和大負荷工況時，為保證發動機正常運行及快速預熱，ECU提供的供油指令是濃混合氣。廢氣中一定會出現多余的燃油分子，這些燃油分子會在排氣管中二次燃燒，造成氧傳感器局部表面溫度過高，甚至保護層剝落。

中毒是由于燃油中的鉛分子，硅密封膠、硅樹脂材料中的硅分子，以及潤滑劑、防腐劑、清洗劑中的磷化物。在發動機工作時產生的微粒分子吸附在傳感器上，與傳感器中的鉑電極發生化學反應，經常這樣就會導致傳感器不能正常使用。

以上這兩種現象是不可避免的，因此，汽車規定每行駛80000公里左右，就應更換一次氧傳感器。

參考文獻：

[1]喬維高.現代汽車電子控制系統原理及應用.武漢：武漢汽車工業大學教材出版中心，1999.