氧传感器的功能及工作原理

PAGEPAGE4氧传感器的功能及工作原理氧传感器的功能测定发动机排气中氧气含量，确定汽油与空气是否完全燃烧。电子控制器根据这一信息实现以过量空气系数λ=1为目标的闭环控制，以确保三元催化转化器对排气中HC、CO和NOX三种污染物都有最大的转化效率。

工作原理氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用，其基本工作原理是：在一定条件下（高温和铂催化），利用氧化锆骨外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21%，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。特点抗铅；较少依赖于排气温度；起动后迅速进入闭环控制。氧传感器的常见故障氧传感器中毒氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障，尤其是经常使用含铅汽油的汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几千公里。如果只是轻微的铅中毒，接着使用一箱不含铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作。但往往由于过高的排气温度，而使铅侵入其内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时就只能更换了。

积碳由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或氧传感器内部进入了油污或尘埃等沉积物，会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的信号失准，ECU不能及时地修正空燃比。产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加。此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。氧传感器陶瓷碎裂氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而失效。因此，处理时要特别小心，发现问题及时更换。加热器电阻丝烧断对于加热型氧传感器，如果加热器电阻丝烧蚀，就很难使传感器达到正常的工作温度而失去作用。氧传感器内部线路断脱氧传感器的常见故障及检查方法在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO、HC和NOX的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，并向ECU发出反馈信号，再由ECU控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。目前，实际应用的氧传感器有氧化锆式氧传感器和氧化钛式氧传感器两种。而常见的氧传感器又有单引线、双引线和三根引线之分，；单引线的为氧化锆式氧传感器；双引线的为氧化钛式氧传感器；三根引线的为加热型氧化锆式氧传感器，原则上三种引线方式的氧传感器是不能替代使用的。氧传感器一旦出现故障，将使电子燃油喷射系统的电脑不能得到排气管中氧浓度的信息，因而不能对空燃比进行反馈控制，会使发动机油耗和排气污染增加，发动机出现怠速不稳、缺火、喘振等故障现象。因此，必须及时地排除故障或更换。一、氧传感器的常见故障1.氧传感器中毒氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障，尤其是经常使用含铅汽油的汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几千公里。如果只是轻微的铅中毒，接着使用一箱不含铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作。但往往由于过高的排气温度，而使铅侵入其内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时就只能更换了。另外，氧传感器发生硅中毒也是常有的事。一般来说，汽油和润滑油中含有的硅化合物燃烧后生成的二氧化硅，硅橡胶密封垫圈使用不当散发出的有机硅气体，都会使氧传感器失效，因而要使用质量好的燃油和润滑油。修理时要正确选用和安装橡胶垫圈，不要在传感器上涂敷制造厂规定使用以外的溶剂和防粘剂等。2.积碳由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或氧传感器内部进入了油污或尘埃等沉积物，会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的信号失准，ECU不能及时地修正空燃比。产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加。此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。3.氧传感器陶瓷碎裂在氧传感器平衡(O2FB)测试中第一步就是测量氧传感器的输出信号。这样做有几个原因，首先看原因，然后再看试验步骤。氧传感器工作在一个有关排气系统通过的极端恶劣的环境之中，一个不需加热的氧传感器寿命为30000至50000英哩，而加热氧传感器寿命比不加热氧感器延长寿命长20000英哩。任何一种氧传感器的时效，都是慢慢地失去的，开始它的响应速度变慢，能够产生的输出信号幅度变低，在失效的最后阶段，它产生一个不变化的信号或根本没有信号输出，这时就会出现故障码，随后发动机检查灯或故障指示灯就亮了。除了由于使用年限和行驶里程导致氧传感器正常的失效外，氧传感器还有可能因汽油中含铅或冷却液中的硅胶腐蚀而导致提前失败，渗漏头垫破裂也使许多氧传感器失效。但是，使氧传感器提前失效的首要原因是发动机在较浓的混合比状态下运行时所造成碳阻塞，还有各种潜在原因都可能成为使氧传感器失效的祸首，例如燃油压力过高，喷油嘴坏损或控制电脑传感器损坏以及操作不当等。在把握一件事情的核心以前，为了检查时能稳妥一些，先暂停一下，讲一个问题，在诊断燃料反馈控制系统(FFCS)之前，经常被告之，应起动发动机直至它进入“闭环”状态。也有许多汽车修理文章也这样写到：“起动发动机在2500rpm下运转2-3分钟，直到氧传感器产生可变电压”，这恐怕是个误导。许多技术人员认为氧传感器自己会产生可变电压，而事实是发动机要在稳定的转速和负荷下氧传感器在读废气及由废气导致的电压信号，发动机控制电脑(PCM)通过喷油脉冲宽度变化或混合比控制命令来改变排气成份。氧传感器安装在排气流中报告它的读数，它只是一个报告者。如果只是因为氧传感器电压偏离，并不意味就必须更换氧传感器，这只是因为测试氧传感器只是O2FB试验的第一步，如果排气的成份不变化，不管怎样“运转加热发动机”，氧传感器的电压也不会变。当诊断汽车时，如果发现氧传感器的输出电压不正常或根本不变，那可能有两个原因，一个是由于氧传器本身的问题造成的，而不是对排气成份正确性测量的问题，另一个可能是由于上流动系统故障造成的，而不是混合比改变的问题，这是因为上流动系统中的一些部件有故障。现在回到要接触到的事情的要害，“要害”就是氧传感器信号在燃料反馈控制系统中的地位，在汽车示波器的显示屏上，氧传感波形，就相当于医院手术室里的电起搏器(EKG)，事实上，在医院的急救室里，最主要的判断设备就是起搏器(EKG)，它所以看到病人脉搏的波形。汽车行驶能力和排放诊断的实际任务就是恢复汽车的脉搏(FFCS的脉搏)，而这个脉搏是就是氧传感器波形。观察传感器的波形能说明什么样的燃料反馈控制系统是“进入活动”或“进入闭环”状态。起动时，传感器输出电压达到450mV时开始进入浓和稀的循环。与医院的电起搏器相似，氧传感器波形只有当氧传感器是好的时才是可信的，如果装在病人皮肤上的电起搏器的传感器不好，那么实在不能相信它产生的波形，但是由于氧传感器所处的环境要比电脉搏的传感器在卫生的病房里所处的环境差得多。所以在开始依靠氧传感器工作之前，必须测试氧传感器本身，如果将氧传感器波形用于诊断目的，必须十分确信它的精确性。如果用一个坏的氧传感器，那就会既不能进行有效地进行氧反馈平衡诊断，也不能让发动机控制电脑(PCM)正常运行。这就是为什么诊断工序的第一步就要测试它的原因。2.测试氧传感器的具体方法由两个通用的方法可以测试氧传感器：丙烷法和速动油门法。①用丙烷法测试氧感器一个氧传感器有三个方面需要检查，如果在这三个方面中任何一方面发生故障，都需要更换新的氧传感器，并对新的氧传感器进行检查。这些步骤和规格适用于由世界最大的氧传感器制造厂生产出来的氧化钛传感器，同时它也适用于汽车生产厂的OBD-II诊断仪所显示的氧化锆传感器规格。a.连接和设置加浓丙烷工具；把加浓的丙烷接到真空管入口处(有曲轴箱强制通风或制动助力系统应连接完好的条件下工作)；b.接上并设置好汽车示波器；c.起动发动机转速在2500rpm下运转两三分钟；d.让发动机运转，注意必须在30秒内完成准确的振幅和反应结果；e.慢慢加丙烷，直至氧传感器输出电压升高(变浓)，一个运行正常的系统将在加丙烷的氧传感器信号电压会继续缓慢地加注丙烷直到系统失去反馈过浓混合比的能力，然后继续加注丙烷直至发动机转速下降一、二百转，这是因为混合比浓的原因，这个步骤如果操作正确应该在20-5秒内完成；f．迅速把丙烷从真空管处移开，造成极大的真空，如果发动机失速是正常的，它并不影响检测，然后关闭丙烷开关阀；g.等到波形移动到示波器屏幕上的中央位置时，定位波形，这项检查就完成了。现在通过分析波形来判断氧传感器是否合格了。如果氧传感器是好的应符合下面的结果：

氧传感器测试--可以从显示屏上直接读取最大或最小电压，并用示波器游标读出延迟时间。如果这三项中任何一项不符合上表要求，氧传感器均不合格，应更换新的并对新氧传感器采取同样的方法予以检查。一个好的传感器必须是三项要求全部符合，如果在关闭丙烷开关阀并产生较大真空度之前，发动机怠速运转时间过长，上述测试时间超过了20-25秒，这可能是由于氧感器温度太低，可能会使输出电压信号的幅值降低，并使输出电压信号下降沿的时间延长，这就造成氧传感器不合格的假象。如果在关闭丙烷开关阀并造成最大真空度之前，发动机不能在怠速运转充分长的时间。那么氧传感器保持燃料反馈闭环控制的能力就不能适当地测试出来，检测氧传感器应充分预热(在2500rpm运转2-3分钟)，如果只做5秒钟的怠速运转的话，那么就可能有一个或多个参数项不合格。这就是为什么要使丙烷加浓20-25秒的原因。有些汽车用真空降稀的办法来控制氧传感器是非常困难的，甚至是不可能的，这时就应该换一种方法来检测氧传感器，这就是油门急加速方式测试氧传感器。如果从波形上还无法准确断定氧传感器的好坏，可以用示波器上的游标读出最大最小电压和响应时间，大多数坏的氧传感器都可以从波形明显地分辨出来。②用急加速油门方法测试氧传感器对有些1988年或更新的汽车，用丙烷加浓和真空泄漏变稀法来做氧传感器试验是非常困难的，这是因为这里汽车已经写了快速补偿真空泄露的功能，在一些新的汽车上安装有速度--密度方式空气流量计系统，还有一些汽车装有质量空气流量计的系统，在这两种系统中氧传感器信号想要足够的下降(变稀)是非常困难，甚至是不可能的。透常，比较新的发动机控制系统能够非常快的补偿比较大的真空，所以氧传感器信号决不会变稀(在排放中氧的不同部分压强，不足产生在最大的氧传感器响应信号)。有几个可能的变通办法就是在测试氧传感器的手动真空泵使传进压力传感器(MAP)的真空压力稳定，是用急加油门的办法来测试氧传感器的。用急加速油门的方法有三个步骤(示波器设定方法与丙烷测试方法相同)：a.以2500rpm预热发动机和氧传感器2-6分钟，让发动机怠速运转20秒钟；b.在两秒内将油门从怠速加至节气门完全打开5-6次，注意，不要超速，没有必要让发动机转速超过4000rpm，只要得到一个节气门急加速和全减速就可以了；c.定住屏幕上的波形以便检查，按照丙烷测试方法时的波形图来检查氧传感器的最大最小电压以及响应时间，必要时可以用游标测量，汽车示波器通常会自动显示最大值和最小电压值。d.5V氧化钛传感器系统配置氧化钛传感器系统--5V或1V可变电阻。氧化钛传感器与氧化锆不同。氧化钛传感器的工作原理与发动要冷却液温度传感器(ECT)和进气温度(IAT)传感器一样，它们包含一个可变电阻器。这个可变电阻根据条件的改变(例如：温度)来改变电阻值。但是与发动机冷却水温度或进气温度不同的是，氧化钛传感器在传感器四周空气/燃油混合比变化时改变电阻值，而发动机控制电脑(PCM)则是读取电阻两端电压降，通常要提供给氧化钛传感器一个工作电压(一般是1V，但吉普4.0L直到1991年用的是5V)。然后传感器送回一个较低的变化电压，这个电压是根据空气/燃油混合比的情况回送的。大多数氧化钛传感器系统是在多点喷油系统中使用，在4.0L切诺基和wsanglers(1991年以前)吉普，一些3.0L的克莱斯勒Eahie，Summit，1986年以后的日产300ZX和Stanza4WD，1982年以后日产千里马和Sentre，1983年和以后日产D21卡车和一些1988年更新的丰田汽车，例如4-Runner，4.0L的吉普系统(1991年以前)用5V电压电源，其它用1V电压电源。并不是所有的吉普5V氧化钛传感器系统与氧化锆传感器的性能相同。在吉普公司4.0L轿车上有一些统一差别。a.传感器信号从0-5V变化，而不是0-1V；b.传感器与其它传感器的输出信号电压相反，浓时输出电压低，稀时输出电压高。氧化钛和氧化锆传感器的响应时间一般是一样的。氧传感器新产品新技术冷车运转时的发动机所排放的CO和HC是最多的，这就要求氧传感器尽快起动进入闭环控制状态。NGK火花塞有限公司研制出一种新型氧传感器，它能在15s内达到闭环控制。通过缩小加热区和降低阻抗，改进了传感器的加热装置。由于采用新材料和新的温控系统，使加热器的寿命与现有类型相近，改善了低温特性

根据市场需求，康达(成都)电子有限公司正在研制开发片式车用氧传感器，近期内将会推向市场。知识链接：

汽车氧传感器是利用陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空燃比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件。该装置可广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。它是目前最佳的燃烧气氛测量方式，具有结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便、测量准确等优点。运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制，既能稳定和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约能源。

专家教你如何排除汽车氧传感器的故障捷达王GTX型汽车采用AHP发动机，匹配德国Bosch公司Montronic

M3．8．2控制系统。安装在前排气管中的氧传感器可监测排气中的氧气含量，并将结果及时反馈给发动机控制单元（ECU），以控制喷油器的喷油量，使混合气的浓度在怠速及部分负荷条件下，总是处于理论空燃比（A/F=14.7）附近很窄范围内变化。氧传感器的工作原理。当发动机燃烧的是稀混合气时，则排气中氧含量高，传感器产生低电压，约0V；当发动机燃烧的是浓混合气时，则排气中氧含量低，传感器产生低电压，约1V。氧化锆正常工作时，需要300—850℃的高温，为此在其内部装有陶瓷加热元件。该车氧传感器最佳工作温度600℃。发动机的检测与故障原因的诊断经过对故障现象认真分析后，我进行了以下的检测。（一）发动机的基本检测测量各气缸的压力，均在1080Kpa以上，正常；燃油系统压力280Kpa，正常；测尾气CO含量为7.5%，严重超标（正常为0.35%）。说明燃油燃烧不完全。（二）读取发动机控制系统故障码使发动机怠速空负荷运行，冷却液温度达到发动机正常工作温度85℃以上。我将X431与车上16针OBD-Ⅱ诊断座连接通讯。使用X431的读取故障码功能，读到“氧传感器不可靠信号”的故障内容。说明氧传感器本体或线路有故障。为了进一步确认这一判断，我使用了X431的读取动态数据流功能。（三）对动态数据流进行分析（1）经过对数据分析后发现氧传感器工作不正常。在发动机冷却液温度达到90℃时，氧传感器本体加热温度达到了300℃以上，传感器开始工作了。它正常工作时会产生0.1-0.9V的变化电压信号输送给ECU。但该车实测电压为0.23V恒定不变，ECU接收这个电压信号后，判断发动机混合气过稀。所以ECU控制喷油器延长喷油时间，使喷油量增加，供给变浓的混合气。因为ECU得不到正常的变化信号电压的反馈，因此不能自动调节混合气空燃比，造成混合气一直处于过浓状态。所以可以证明是氧传感器这一错误的信号电压造成ECU不能精确地计算喷油量，导致发动机混合气过浓。（2）发动机在怠速及部分负荷条件下，空气流量、冷却水温、转速、节气门角度同时都是影响空燃比的重要因素。但从数据的对比要看到它们的实测值均为正常，说明它们并没有影响到ECU的正常工作。（3）“发动机负荷”即喷油脉宽，反映的是发动机每转的持续喷油时间。发动机在怠速及部分负荷运行时，其正常值应在1.3-2.5ms之间，数值越大说明喷油器持续喷油时间越长，喷油量就越多。该车实测值为3.5ms，所以证实了ECU控制喷油器增加了喷油量。在节气门角度2∠º，空气量3.0g/s正常情况下，喷油脉宽的增长，也说明了发动机进入的空气量与喷油量的实际比例小于1