豐田卡羅拉車發動機空燃比傳感器的原理與檢修

淄博市技師學院 孫長新

為適應日益嚴格的汽車尾氣排放要求，傳統的氧化鋯式氧傳感器狀態型監測精度已遠遠不能滿足要求，監測范圍更大、性能更優越的寬帶型氧傳感器應用越來越多。本文以2010款豐田卡羅拉車1ZR-FE發動機空燃比傳感器為例，詳細介紹其工作原理及檢測方法。

1 空燃比傳感器的工作原理

空燃比傳感器的工作原理與普通氧化鋯型氧傳感器的工作原理基本相同，都采用鋯元件，但是進行了優化升級，充分應用氧濃差及泵氧原理。根據氧化鋯這種固體電解質的特性，當氧化鋯兩側鉑電極的含氧量存在差別時，在正、負鉑電極上會產生相應的電動勢；反之，當在氧化鋯兩側的鉑電極上加上一定驅動電壓時，內部氧離子就會產生規律性運動，在正、負極之間重新分配，從而改變輸出電流和電壓。

1.1 空燃比傳感器的作用及安裝位置

與傳統氧傳感器相比，空燃比傳感器信號既滿足準確性又滿足快速性要求，能夠隨時調節空燃比大小始終保持在理論值區域，特別是在汽車某些典型工況下（如冷機起動、暖機、急加速、急減速等），能有效控制所需空燃比，克服傳統氧傳感器監測缺陷，極大降低了有害氣體的產生，獲得了良好的排放性。在豐田卡羅拉車發動機雙氧傳感器的排放系統中，上游氧傳感器選用空燃比傳感器，下游氧傳感器選用加熱型的氧化鋯式氧傳感器。

1.2 空燃比傳感器的基本結構

豐田卡羅拉車發動機采用4線制空燃比傳感器，氧化鋯元件結構為平面型，屬臨界電流型寬帶氧傳感器。外觀上與傳統氧化鋯型傳感器極為相似，注意不要混淆、錯誤使用和安裝。空燃比傳感器本體的兩側設置鉑電極，正極設在封閉的空氣腔一側，負極與尾氣間填充多孔性的擴散阻力層和多孔氧化鋁層，區別于傳統氧傳感器。尾氣中的氧分子要到達負極側，需要依次通過多孔性氧化鋁層及擴散阻力層，反之亦然。空燃比傳感器的基本結構如圖1所示。

圖1 空燃比傳感器的基本結構

1.3 空燃比傳感器控制原理及信號輸出特性

發動機控制單元（ECM）內部有特殊設計的穩壓電路，其主要作用是在空燃比傳感器空氣腔側鉑電極（正極）提供3.3 V恒定電壓，同時在尾氣側鉑電極（負極）提供3.0 V的恒定電壓，從而在內部鋯元件中產生一個泵電流，尾氣側（負極）的氧分子在泵電流的作用下向空氣側（正極）運動。ECM內設計有電壓平衡監控電路，能夠實時控制泵電流的大小，通過調整正、負鉑電極間的電壓差，使泵電流達到臨界狀態，臨界泵電流的大小取決于氧氣的擴散速率，與尾氣中的氧濃度或空燃比的大小成正比關系。產生的臨界泵電流在ECM內部被轉換成電壓信號，該數值與空燃比實際值成正比關系，當實際空燃比達到理論空燃比時，這時空燃比傳感器的輸入電流接近零。經過分析，其變化規律符合以下特點：實際空燃比變小、混合氣為濃時，空燃比傳感器輸出負向電流，即臨界電流方向由正極指向負極，氧氣由空氣腔向尾氣側擴散；變化趨勢相反時，空燃比傳感器輸出正向電流，即臨界電流方向由負極指向正極，氧氣由尾氣側向空氣腔擴散，實際產生的空燃比信號電壓在2 V～4 V變化。

豐田卡羅拉車空燃比傳感器與普通氧傳感器相比，其連接器同樣有4個端子，空燃比傳感器的相關端子如圖2所示。端子A/F+與端子A/F-為空燃比傳感器的正、負信號電極，兩者之間的電壓差為0.3 V左右；其余2個端子為加熱器接線端子，分別為來自繼電器的+B電源端子和ECM控制搭鐵端子。正確識讀和分析空燃比傳感器控制電路是相關故障診斷的前提。

圖2 空燃比傳感器的相關端子

空燃比傳感器輸出信號特性如圖3所示。信號曲線相對較平滑，近似于一條直線，可測量的空燃比為11～23（過量空氣系數為0.7～1.4），稀、濃跨度較大，這一點明顯優于傳統氧傳感器。空燃比傳感器能連續可靠地檢測較大范圍空燃比的大小，實現噴油脈寬的精確反饋控制。當信號電壓達到3.3 V左右時，對應的是理論空燃比控制區域。

圖3 空燃比傳感器輸出信號特性

2 空燃比傳感器的檢測

空燃比傳感器相關電路如圖4所示。

圖4 空燃比傳感器相關電路

2.1 空燃比傳感器加熱器及控制電路的檢測

（1）將點火開關置于OFF擋，斷開空燃比傳感器的連接器。

（2）測量端子B89/2與端子B89/1間的電阻，測量值應為1.6 Ω～3.2 Ω（20 ℃時），如不相符，則更換空燃比傳感器。

（3）將點火開關置于ON擋，測量端子B89/2與搭鐵間的電壓，應為12 V左右。發動機怠速運轉，用示波器測量端子B89/1與搭鐵間的波形，如圖5所示。

2.2 空燃比傳感器信號電壓的檢測

將點火開關置于ON擋，測量端子B89/3與搭鐵間的電壓，應為3.3 V，測量端子B89/4與搭鐵間的電壓，應為3 V。如果測量值異常，應做針對性檢查，先檢查線路，最后檢查ECM損壞情況。

2.3 空燃比傳感器功能檢測

判斷空燃比傳感器性能好壞最好采用故障檢測儀與尾氣分析儀相結合的方法進行檢查，通過故障檢測儀讀取空燃比相關數據流，尾氣分析儀檢測的數值相比較，若誤差較大，應檢查有關系統及元件。豐田專用故障檢測儀能夠實現空燃比主動測試功能，激活內部程序調整實際噴油脈寬，在一定范圍內增大或減小發動機的實際空燃比，讀取數據流中空燃比信號電壓值，通過觀察空燃比信號電壓與實際空燃比的相關性，判斷空燃比傳感器是否損壞。基本檢測程序如下所列。

（1）關閉點火開關，將豐田專用故障檢測儀連接到診斷口DLC3。

（2）打開點火開關，起動車輛，將發動機轉速保持在2 500 r/min運轉大約80 s～90 s，使發動機處于暖機狀態。

（3）打開豐田專用故障檢測儀，選擇OBD Ⅱ動態測試診斷功能。

（4）怠速條件下，進行空燃比控制功能測試（空燃比動態測試，噴油量為-12.5%～＋25%），調節發動機實際空燃比，并注意觀察空燃比傳感器的信號電壓、后氧傳感器的信號電壓、實際空燃比3者間的聯系。參考標準：空燃比傳感器信號電壓應根據噴油脈寬的大小而做出相應變化，噴油脈寬為＋25%（過濃輸出），空燃比傳感器信號電壓＜3.3 V ；噴油脈寬為-12.5%（過稀輸出），空燃比傳感器信號電壓＞3.3 V。通過觀察可發現，空燃比傳感器要比傳統氧傳感器反應迅速。

空燃比傳感器功能的簡單測試，使發動機熱車至80 ℃～90 ℃，連接空燃比傳感器線束連接器，用萬用表直流電壓擋測量2條信號線間的電壓，應為0.3 V左右，否則線路、元件、ECM可能存在故障。調節混合氣濃度大小，檢測空燃比傳感器2條信號線間的電壓應在0 V～1 V變化，向進氣管內噴入適量丙烷氣體（對應濃混合氣），空燃比傳感器信號電壓應變小；拔下節氣門后方真空管使之產生真空泄漏（對應稀混合氣），空燃比傳感器信號電壓應變大。如果不符上述情況，說明空燃比傳感器存在故障。

3 空燃比傳感器的使用與維護注意事項

（1）空燃比傳感器工作溫度必須達到600 ℃以上。

（2）排氣管的密封性應良好，防止因泄漏影響空燃比傳感器的調節精度。

（3）空燃比傳感器要垂直于尾氣安裝，以防水蒸氣冷凝作用而損壞空燃比傳感器的內部陶瓷體。

（4）清潔時慎用清洗劑、油性液體及硅密封膠，特別是含硅膠類的物質，進入排氣系統會損害空燃比傳感器，造成“硅中毒”。

（5）上游的空燃比傳感器與下游的氧傳感器不能裝反，同時線束連接器不能接反。

（6）空燃比傳感器螺紋安裝部位涂石墨懸浮液專用防黏劑，以保護螺紋免于燒結損傷且便于拆卸。空燃比傳感器接頭不要接觸該化學物質，防止污染腐蝕，導致信號失準。

（7）合理安裝布置空燃比傳感器連接線路，留出活動空間，防止互相干擾或拉扯導致的線路損壞。

（8）空燃比傳感器連接器要保證密封位置至少能夠承受1.01×105Pa的壓力，防止空燃比傳感器受潮造成腐蝕損傷、線路接觸不良、線路短路等故障。

（9）防止空燃比傳感器落地，避免內部陶瓷絕緣體破裂而功能失效。

（10）拆下空燃比傳感器進行直觀檢查，觀察通氣孔是否臟堵，陶瓷部分有無破損等明顯缺陷，如有損傷，則應更換。空燃比傳感器末端的顏色差別也可作為判別標準，末端正常顏色為淡灰色，如果顏色異常，則做如下分析：末端呈黑色是積炭過多引起，混合氣質量或燃燒不好，將積炭清理干凈可使空燃比傳感器功能恢復正常；呈棕色是由于燃油中鉛超標所致，屬于汽油品質有問題；末端呈白色是硅污染造成，原因前面已提及。

4 空燃比傳感器故障1例

故障現象 一輛累計行駛里程約為25萬km的2010款豐田卡羅拉車，搭載1ZR-FE發動機，大修完工后試車出現發動機故障燈點亮、發動機抖動、發動機過熱的故障現象。

故障診斷 接車后首先試車，確認故障現象屬實。連接故障檢測儀，讀取發動機控制單元的故障代碼，讀取到的故障代碼為“P0125 用于閉合環路燃油控制的冷卻液溫度不夠低”。

查詢相關資料，未能找到關于該故障代碼的相關解釋，只能從故障代碼顯示的內容來排除故障。首先檢查冷卻液溫度，熱車后冷卻液溫度表指針指示在中間位置（正常），讀取數據流，顯示冷卻液溫度在80 ℃～90 ℃變化（正常），檢查散熱風扇工作正常，冷卻系統相關部件均未發現異常。重新試車，行駛一段距離發動機故障燈再次點亮，仍顯示故障代碼P0125。

再次分析故障代碼內容，既然排除了冷卻系統，那么從故障內容看該故障還與燃油閉環控制系統有關，考慮到空燃比傳感器在該系統中的關鍵作用，能在各種特殊工況下實時快速監測空燃比信號，及時反饋給ECM精確控制噴油脈寬達到理論空燃比，其性能好壞對發動機燃燒過程影響較大，因此需要檢查燃油閉環控制系統。

在試車過程中檢查空燃比及氧傳感器相關數據，發現空燃比傳感器的信號電壓一直定在2.8 V無變化且Long FT超出20%，正常怠速情況下，MAF正常值為2.20 gm/s～2.4 gm/s，Short FT和Long FT為5%左右，AFS Voltage B1S1為3.3 V左右，Short FT和Long FT超過20%會點亮發動機故障燈。因此初步判斷空燃比傳感器及其相關線路可能存在故障。

對空燃比傳感器相關線路進行檢查，未發現異常，判斷空燃比傳感器故障。

故障排除 更換空燃比傳感器后試車，故障排除。