汽車氧傳感器故障檢測分析及維修

高玉坤，翟雪靜，薛亞南，張本東

1.濟寧市機械設計研究院 山東濟寧 272023

2.山東凱斯達機械制造有限公司 山東濟寧 272000

隨著經濟發展，我國居民消費水平日益增高，汽車在中國家庭中逐漸普及。據公安部統計，2020年全國機動車保有量達3.72億輛，其中汽車2.81億輛。與此同時，汽車尾氣的排放總量也逐年攀升。汽車在使用過程中，為了更好地降低排放量，會在發動機中加裝一個氧傳感器，對汽車的排放量進行實時的監督和反饋，最大化控制汽車排放量，實現汽車使用節能環保。

汽車氧傳感器的構造與工作原理

我國汽車上所用的主流氧傳感器主要以分為氧化鈦式傳感器和氧化鋯式傳感器兩大類，且每類傳感器又分為加熱型和非加熱型氧傳感器[1]。其中市場應用最多的是加熱型氧傳感器，特別是加熱型氧化鋯式傳感器應用最為廣泛，如圖1所示。其在實際運行時，一般是基于內部的加熱元件來對自身的工作溫度進行有效控制和調節。從構造設計上看，這類車用氧傳感器的主體元件是二氧化鋯（ZrO2）陶瓷管，而管表面所覆蓋的多孔性鉑膜就是傳感器的信號電極。

圖1 氧傳感器

氧化鋯式傳感器的工作原理如圖2所示。其內部的氧化鋯屬于一種固體電解質，若是在高溫和鉑催化的環境中，當鋯管內外兩側的氧濃度存在較大差異時，就會通過氧化鋯產生相應的電壓[2]。當混合氣較少、廢氣氧含量較高及鋯管內外兩側氧濃度均衡時，氧化鋯所產生的電壓會較低；當混合氣體較多、廢氣氧含量較低及鋯管內外兩側氧濃度偏高時，則氧化鋯所產生的電壓會相對升高。當發動機處于閉環控制狀態時，電控單元發出氧傳感器輸出的信號電壓在0～1V波動，平均值約0.45V。這樣就可以實時檢測混合氣體的濃度，有效控制噴油器的噴油量，確保最佳空燃比。這是基于電控單元（ECU）對氧傳感器所發出的混合氣體度濃度進行的合理調節，因此氧傳感器又稱“λ”傳感器[3]。

圖2 氧傳感器的工作原理

氧化鈦式傳感器的工作原理及其結構與氧化鋯式傳感器基本相似，唯一不同的是其所采用的TiO2材料電阻值會隨著廢氣氧濃度的變化而發生相應的改變。當λ＞1時，廢氣氧含量較高，鈦管外表面氧濃度過大時，TiO2產生高電阻；當λ＜1時，TiO2產生相對較低的電阻。因此氧化鈦式傳感器又稱電阻型氧傳感器。

氧傳感器常見故障問題分析

1.中毒故障

在汽車發動機氧傳感器運行使用過程中常遇到中毒故障，又可分為鉛中毒和硅中毒兩種。鉛中毒是指在高溫排氣環境下所產生的中毒故障。當鉛進入汽車排氣系統內部時，就會影響氧離子擴散，此時需要更換氧傳感器，才能避免鉛中毒。

汽油和潤滑油混合會引起硅中毒。當硅橡膠密封墊圈使用不當時，也會產生有機硅氣體。若氧傳感器中大量存在這些氣體，則會嚴重影響傳感器的應用性能，甚至影響汽車的正常運行。為減少硅中毒現象，要選擇優質的汽油和潤滑油。

2.積炭故障

汽車發動機因自身燃燒不充分，會在氧傳感器周圍產生積炭、油污等現象。這些沉積物會隔絕外界空氣，影響氧傳感器進行反饋信號傳輸，嚴重時還會影響汽車發動機電腦運行，汽車會產生大量的燃油消耗以及廢氣污染排放。因此需要定期清理發動機氧傳感器，避免出現積炭現象，才能保障氧傳感器的正常應用。

3.陶瓷元件破損故障

氧傳感器清理的難度在于清理有硬脆性的多孔ZrO2陶瓷管。不正確的清理行為會導致陶瓷元件產生故障，例如用高壓氣體沖洗元件，用尖銳硬物敲擊元件等。因此在對氧傳感器陶瓷元件進行清洗和處理時，工作人員應采用適宜的清洗方式，以減少人為原因而產生破損故障，保障氧傳感器的正常運行性能。

4.加熱器電阻絲燒斷故障

當傳感器的工作溫度急速下降，無法維持正常運轉時，就是其加熱電阻絲出現燒斷。要定期檢查、及時更換氧傳感器的加熱電阻絲。

氧傳感器的故障檢測及維修

1.外觀顏色檢測及維修措施

氧傳感器常規檢測都是通過觀察來進行檢查，看其是否存在大量積炭或覆蓋物，使其無法發揮作用。將氧傳感器取下后，查看氧傳感器中是否存在相應的沉積物，然后通過觀察氧傳感器邊緣的顏色來判斷其是否出現相應的故障。氧傳感器運行正常時，其邊緣應該是淺灰色，若是其邊緣出現其他顏色，則應根據顏色判斷其故障。氧傳感器邊緣的顏色與故障的關系見表1。

表1 氧傳感器邊緣顏色與故障的關系

2.反饋電壓故障檢測及維修措施

在采用反饋電壓故障檢測技術來檢測汽車發動機氧傳感器故障時，可用2V量程的高阻抗指針式電壓表來獲得相應的檢測數據。

發動機在空載狀態下以2500r/min 的轉速試運轉2min至正常工作溫度后，首先觀察電壓表指針能否擺動，擺動幅度是否在0～1V，再根據記錄的10s內電壓表指針來回擺動的次數判斷處理方式，見表2。

表2 電壓指針在10s 內擺動的次數

在預熱和檢查過程中，電壓指針在10s內擺動的次數始終保持在8次時，則應該拔下傳感器的插頭，然后再利用萬能表測量反饋電壓。可將進氣管上的真空管拔掉，堵住空氣濾清器進氣口的方法形成高濃度混合氣，反饋電壓應上升；突然松開油門或者采用將節氣門體下的真空軟管拔掉使進氣管漏氣的方式降低混合氣濃度，此時：反饋電壓應下降，混合氣濃度與電壓值關系見表3。

表3 基準電壓值與混合氣體濃度的關系

電壓變化維持不變、變化很緩慢或者幅度小則證明氧傳感器及其反饋系統已經發生故障，要做進一步的檢查來檢測故障成因[4]。此時可拆去一根真空軟管，使發動機繼續保持原轉速、運轉數、時間來清除氧傳感器上的鉛或積炭。清除表面的積炭后應再次檢測反饋電壓。

如果，測量的反饋電壓按表3規律變化，則證明氧傳感器性能良好。反饋控制系統的故障，可能是ECU反饋控制電路故障或者發動機進氣系統、燃油系統的故障導致混合氣過濃或過稀。應該檢查空氣濾芯是否堵塞，燃油供給系統是否存在造成混合氣比例失調的故障。如果檢查空氣濾芯和燃油供給系統都正常，則說明是ECU反饋控制電路故障。

測量的反饋電壓仍然維持不變、變化很緩慢或者幅度小，則說明氧傳感器已損壞，此時應及時更換傳感器。

結語

汽車氧傳感器不僅可以降低汽車的油耗以及廢氣污染排放，而且還能大幅提升發動機的應用性能，使汽車始終保持良好和安全的運行狀態。相關人員首先應掌握汽車氧傳感器的構造與基本工作原理，其次有能力進行有效分析氧傳感器發生故障的原因，然后運用自身的專業能力對氧傳感器進行檢修，繼而保障其發揮運行性能并能有效控制尾氣的排放。