《汽車微電腦控制系統與故障檢測》王忠良人民郵電出版社氧濃度傳感器氧濃度傳感器（又稱氧傳感器）是發動機電子控制系統中一個重要的傳感器，其作用就是把排氣中氧的濃度轉換為電壓信號，微電腦根據氧濃度傳感器輸入的信號判斷混合氣的濃度，進而修正噴油量，最終將缸內混合氣的濃度控制在理想空燃比14.7附近。現代汽車為了降低發動機排氣中的有害成分（CO.HC、NOX等）的含量，在排氣管中安裝了三元催化轉換裝置。三元催化轉換裝置內有三元催化劑（常用的是伯、鈀、銠），三元催化劑能促使排氣中的有害成分進行化學反應，可使CO氧化為CO2，使HC氧化為CO2和H2O，將NOx還原為N2。但是，只有當發動機在14.7空燃比附近的一個很小范圍內運轉時，三元催化劑才能同時促進氧化、還原反應，三元催化轉換裝置的轉換效率才最高，排氣中有害物質的含量才最低。因此，現代汽車中均安裝了氧傳感器。氧傳感器的數量因車而異，有的發動機只有一個氧傳感器：有的雙排氣管發動機在左、右排氣管上各安裝一個氧傳感器，這樣該系統就有兩個氧傳感器，即左氧傳感器和右氧傳感器；也有的雙排氣管發動機在每個排氣管的三元催化轉換裝置前、后各安裝一個氧傳感器（分別叫主、副氧傳感器），這樣該系統共有4個氧傳感器，即左主氧傳感器、左副氧傳感器、右主氧傳感器以及右副氧傳感器。氧傳感器安裝在排氣管中排氣消音器的前面。一、氧傳感器的結構與工作原理氧傳感器根據內部敏感材料的不同分為氧化鋯布也稱鋯管式）和氧化鈦式兩種。1.氧化鋯式氧傳感器氧化鋯式氧傳感器是目前應用最多的氧傳感器，它主要由鋯管、電極等組成，如圖1—42即1-42疝屹惦式頁傳膨器的堵構圖1—42氧化鋯式氧傳感器的結構氧化鋯式氧傳感器內部的敏感元件是二氧化鋯（ZrO2）固體電解質。在二氧化鋯固體電解質粉末中添加少量的添加劑并燒制成管狀，便稱為鋯管。緊貼鋯管內、外表面的是作為鋯管內、外電極的伯膜，內、外電極通過電極引線與傳感器的線束插接器相連。鋯管的內電極與外界大氣相通，外電極與排氣管內的排氣相通。為防止發動機排出的廢氣腐蝕外層的伯電極，在外層伯電極表面都覆蓋著一層多孔性的陶瓷層。作為鋯管外電極的金屬伯的另一個重要作用是催化作用，對排氣中（尤其是外電極伯膜附近）的一氧化碳（CO）和氧氣（O2）起催化作用，使其反應生成二氧化碳（CO2），其化學反應式為：2CO+O2催化劑>2CO2這種催化作用盡可能多地使濃混合氣燃燒后排放廢氣中的低濃度氧氣（O2）和高濃度一氧化碳（CO）發生化學反應（甚至可使氧氣全部參加反應）。這樣既減少了廢氣中一氧化碳的含量，又增大了鋯管內、外層之間的氧濃度差，增大了鋯管的輸出信號電壓。由于氧化鋯陶瓷管的強度很低，為了防止因排氣壓力沖擊而致使陶瓷管破碎，因而在鋯管的外部套有一個帶長縫槽的耐熱金屬保護套（管），保護套（管）上的長縫槽是用于使排氣流通。發動機運轉時，排氣管內廢氣從鋯管外電極表面的陶瓷層滲入，與外電極接觸，內電極與大氣接觸。鋯管內、外側存在氧濃度差，使氧化鋯電解質內部的氧離子開始向外電極擴散，擴散的結果是在內、外電極之間產生電位差，形成了一個微電池。其外電極為鋯管負極，內電極為鋯管正極。圖1—43為氧傳感器的工作原理圖。電壓FK1避3臻樣感器工作帷理圖任部與氧高子參加反應，信管外

因此在內、外電極之間只產生氧化鋯式氧傳感器的輸出電壓特性是：當汽缸內混合氣較濃時，排氣中氧的含量較低，一氧化碳的含量相對較高，而且在鋯管外電極伯膜的催化作用下排氣中的氧幾乎全部參加反應，生成了二氧化碳，使鋯管外表面上氧離子濃度幾乎為零，而鋯管的內表面與大氣相通，氧離子濃度很大，鋯管內、外兩側氧濃度差很大，因此在內、外電極之間產生了較大的電壓信號（0.8?1.0V）。當汽缸內混合氣較稀時，排氣中氧的含量較高，一氧化碳的含量相對較低，即使一氧化碳全部與氧離子參加反應，鋯管外表面還是有多余的氧離子存在，鋯管內、外兩側氧濃度差小，因此在內、外電極之間只產生較小的電壓信號（約0.IV）。147 ___理論空燃比 稀-空格出圖】*軾佐懈器的輸出特性曲城

由圖1—44所示的氧傳感器特性曲線可以看出，氧傳感器的輸出電壓在理想空燃比（即14.7）附近發生突變。混合氣空燃比稍高于14.7時，氧傳感器輸出信號電壓幾乎為零；混合氣空燃比稍低于14.7時，氧傳感器輸出信號電壓接近1.0V；混合氣空燃比為14.7時，氧傳感器輸出信號電壓約為0.45V。l“U）室蝎比』壞'｛時位/I體泳度與電雁的關系0B5-6.'時口95藏1加l“U）室蝎比』壞'｛時位/I體泳度與電雁的關系0B5-6.'時口95藏1加I」。LIS過量空弋篇圖A問佐聰元拌株度與電用的關系4098箸LO.00.]—柘寤器的電動榆Z—CQ濃度：3-無鈕由損時的電時]枕4一總離子嘿厚圖I瑚飄侍率器的「.祚特悴曲推如圖1—45所示，如果沒有外電極伯的催化作用，使鋯管外側的氧離子急劇減少到零，那么在濃混合氣時就不會有接近1.0V的高電壓信號，傳感器的輸出信號也不會在混合氣由濃變稀時出現躍變現象，這正是使用伯電極的另一個重要因素。在氧化鋯式氧傳感器的使用過程中，氧傳感器的外側伯電極會因汽油和潤滑油硫化產生的硅酮等顆粒物質附著在其表面上而逐漸失效，內側伯電極也會被傳感器內部端子處用于防水的橡膠逐漸污染，因此氧化鋯式氧傳感器應定期更換。氧化鋯式氧傳感器的工作狀態與工作溫度有著密切的關系。氧化鋯式氧傳感器在溫度低于300°C時，無信號電壓輸出，而在300°C—800°C的溫度范圍內最敏感，輸出信號最強。雖然可利用排氣熱量對其進行加熱，但其工作溫度不穩定，而且發動機啟動后數分鐘才能達到正常工作溫度。因此，目前大部分氧化鋯式氧傳感器內都增設了陶瓷式電熱元件，由汽車電源進行加熱，通電后可使氧傳感器溫度保持在300C附近。加熱式氧傳感器的結構如圖1—46所示。圖I圖I土加麟式機偉塔器的結桃圖1—46加熱式氧傳感器的結構加熱式氧傳感器的線束插接器一般有4個端子（也有的是3個），其中兩個是傳感器信號輸出端子，另外兩個是電加熱元件的電源輸入端子。有的轎車采用非加熱式氧傳感器，這種傳感器的線束傳感器一般有兩個或一個接線端子，它們是傳感器信號輸出端子。當采用一個端子時，傳感器的外殼搭鐵，作為傳感器的另一個信號輸出端子。氧化鈦式氧傳感器氧化鈦式氧傳感器的材料是二氧化鈦(TiO2)。二氧化鈦在常溫下的電阻值是穩定的，但當其表面缺氧時，其內部晶格會出現缺陷，電阻會大大降低。氧化鈦式氧傳感器就是利用二氧化鈦的這種性能制成的。氧化鈦式氧傳感器的外形與氧化鋯式氧傳感器相似，但體積較小。在氧傳感器前端的護罩內有一個二氧化鈦厚膜元件，如圖1-47所示。當二氧化鈦表面氧濃度發生變化時，其電阻值也隨著變化，微電腦根據此變化來確定混合氣的濃度變化。另外，排氣溫度的變化也會影響到二氧化鈦的電阻值。為了消除溫度的影響，在氧化鈦式氧傳感器內都設有電加熱元件，使其在恒定的溫度下工作。氧化鈦式氧傳感器的加熱元件用鎢絲或陶瓷材料加工而成。湖1-47氧化柱式江傳酸器的耙構湖1-47氧化柱式江傳酸器的耙構國1瑚fill飲式包傳感富的工作電路 圖I姍穎化鈦式氧傳感器的工一件特性電控汽油噴射系統的閉環控制圖1-48為氧化鈦式氧傳感器與微電腦的連接電路示意圖。微電腦將一個恒定的1.0V電壓通過端子3加在氧化鈦式氧傳感器的正極上。當發動機排氣中氧含量的變化引起二氧化鈦電阻變化時，微電腦將從氧傳感器負極端子4接收到變化的電壓信號。混合氣較濃時，排氣中氧的含量較低，二氧化鈦電阻值較小，氧傳感器負極向微電腦輸入一個高電壓信號；反之，混合氣較稀時，排氣中氧的含量較高，二氧化鈦電阻值較大，氧傳感器負極向微電腦輸入一個低電壓信號。氧傳感器的信號電壓在空燃比為14.7附近時發生突變，如圖1—49所示。電控汽油噴射系統的閉環控制微電腦根據氧傳感信號對噴油量進行修正。混合氣較濃時，氧傳感信號電壓接近1.0V，微電腦即發出指令，減少噴油量，使混合氣濃度降低；混合氣較稀時，氧傳感信號電壓接近0.1V，微電腦即發出指令，增加噴油量，使混合氣變濃。如此循環，就可將混合氣濃度調節在理想空燃比附近，從而使三元催化轉換裝置的轉換效率最高，這樣既降低了排氣污染，同時也提高了燃料經濟性。這種微電腦根據氧傳感器輸入信號對噴油量進行修正的控制方式稱為閉環控制，圖1—50為閉環控制示意圖。反之，微電腦不接收氧傳感信號的控制方式稱為開環控制。圖】-50汽油噴此Cfi環控制示蠢國圖1-50汽油噴射閉環控制示意圖裝有氧傳感器的發動機并非在所有工況下都進行閉環控制。在某些需要提供較濃或較稀混合氣的工況下應實行開環控制。實行開環控制的工況有：發動機啟動時；發動機怠速運轉時；發動機大負荷(節氣門全開)運轉時；減速斷油時：發動機冷卻水溫度較低時；微電腦未接收到氧傳感信號時。二、氧傳感器的工作電路非加熱式氧傳感器與微電腦之間有兩條連接導線。氧化鋯式傳感器的兩條連接導線分別是輸出信號線和搭鐵線，如圖1—51(a)所示：氧化鈦式傳感器的兩條連接導線分別是1V的電源線和輸出信號線，如圖1—51(b)所示。ECU KU(町氧化錯式 仆】帆仍鈦式圖I?SI非加熟式匏住感器工杵地路圖1-51非加熱式氧傳感器工作電路加熱式氧傳感器除了具有非加熱式氧傳感器的兩條連接導線外，還有兩條導線，其中一條是加熱器的搭鐵線，另一條是通過微電腦主繼電器供給加熱器的電源線。加熱氧傳感器的工作電路如圖1—52所示。

加就元件D地域ECU由匕臨器增境料仿感器加就元件D地域ECU由匕臨器增境料仿感器S1-52北角-炯諾基汽車機傳怫器工作電躁圖1-52北京切諾基汽車氧傳感器工作電路三、氧傳感器的故障氧傳感信號不正常會引起三元催化轉換裝置轉換效率降低、排氣污染加劇以及油耗上升。氧傳感器常見的故障有氧傳感器老化、氧傳感器中毒、氧傳感器破裂、氧傳感器內部加熱元件損壞、導線斷開以及氧傳感器信號不正確等，其中傳感元件老化和中毒是氧傳感器失效的主要原因。氧傳感器的傳感元件受到污染而失效的現象稱為氧傳感器中毒，氧傳感器中毒主要是指鉛(Pb)中毒、硅(Si)中毒和磷(P)中毒。1.氧傳感器老化氧傳感器老化的主要原因是傳感元件局部表面溫度過高。在電控汽油噴射系統進行閉環控制的過程中，缸內混合氣的濃度總是在理想空燃比(14.7)附近波動，進入缸內的空氣和燃油的比例恰當，能夠完全參加反應，排氣中幾乎沒有過剩的燃油，排氣中未燃物的燃燒現象幾乎不存在，排氣溫度相對較低。但是在發動機剛剛啟動(特別是冷啟動)后以及在大負荷等工況下工作時，為了使發動機溫度盡快達到正常或增大發動機輸出功率，需要供給足夠的燃油，提供較濃的混合氣。但是這樣就會使燃燒進行得不徹底，排氣中未燃物增多，過剩的燃油就會在氧傳感器的表面進一步燃燒。其結果是一方面使傳感元件局部表面溫度過高(超過1000°C)，加速傳感器老化；另一方面形成炭粒而導致氧傳感器表面的保護層剝落。氧傳感器老化后，其輸出的信號不敏感，不能快速、準確地反應混合氣濃度的變化(即沒有躍變現象)，最終造成噴油量控制不準確。鉛中毒鉛中毒是指燃油或潤滑油添加劑中的鉛離子與氧傳感器的伯電極發生化學反應，導致催化劑伯的催化性能降低的現象。為了提高汽油的抗爆性能，通常在汽油中加入添加劑四乙基鉛，添加了四乙基鉛的汽油雖然能夠防止爆燃現象，但對氧傳感器的使用壽命有致命的影響。試驗證明：如果每升汽油中含有1.8g鉛，那么當汽車行駛480km后氧化鋯式氧傳感器就會出現嚴重的鉛中毒現象;如果每升汽油中含有0.15g鉛，那么當汽車行駛1000km之后，氧化鋯式氧傳感器就會出現嚴重的鉛中毒現象。由此可見，配裝有氧化鋯式氧傳感器以及三元催化轉換器的汽車應當禁止使用含鉛汽油。但是，在燃油或潤滑油的添加劑中不可避免地或多或少含有多種鉛化合物，因此，鉛中毒也是不可避免的。試驗證明：溫度越低，傳感器的鉛中毒現象也就越嚴重，這是因為低溫條件下鉛為固體顆粒，容易沉淀在傳感元件表面而導致傳感器失效:相反，在高溫狀態下大部分鉛為氣態，難以穿過傳感元件，鉛中毒現象較輕。基于此，目前大多數汽車采用了加熱型氧化鋯式氧傳感器。另外，采用氧化鈦式氧傳感器可以提高傳感器的耐鉛能力，因為氧化鈦式氧傳感器中的金屬鉑電極，只是用于實現電路連接，即使受到鉛離子污染，其性能也不會受到影響。硅中毒硅中毒是指硅離子與氧傳感器的鉑電極發生化學反應而導致催化劑鉑的催化性能下降的現象。發動機上的硅密封膠、硅樹脂成型部件、鑄件內的硅添加劑等都含有硅離子，這些硅離子會污染氧傳感器的外側鉑電極，氧傳感器內部端子處密封用的硅橡膠會污染內側電極。當傳感器外側的鉑電極與硅離子反應（即出現硅污染現象）后，就會使鉑的催化能力下降，最終導致氧傳感器反應遲鈍。由于氧化鈦式氧傳感器沒有安裝內側電極，且外側鉑電極只是用于實現電氣連接，因此硅中毒程度比氧化鋯式傳感器要輕得多。磷中毒磷中毒是指各種磷化物污染氧傳感器的現象。在氧傳感器表面，磷很少以純磷狀態析出，而是以某種化合物狀態析出。磷化物在汽車上的應用很廣，經常用作潤滑劑、防銹劑和清洗劑。在發動機磨合期間或活塞環磨損之后，發動機潤滑油添加劑中的磷化物就會竄入汽缸中燃燒并隨排氣排出。當排氣溫度較低時，磷化物是以微粒子狀態析出的，并沉淀在氧傳感器保護層的表面將氣孔堵塞，從而導致氧傳感器中毒：當排氣溫度較高時，磷化物會附著在氧傳感器以及三元催化器表面使其受到污染。由于汽車發動機中不可避免地存在鉛離子、硅離子和磷離子，而且氧傳感器必須安裝在排氣管上且必須在高溫下工作，因此，傳感器（氧化鋯式或氧化鈦式）中傳感元件的中毒和老化也都是不可避免的，氧傳感器應當按規定的行駛里程（一般為80000km）進行更換。為了方便再次拆卸，更換氧傳感器時，一定要用專用防粘膠液刷涂氧傳感器的安裝螺紋。刷涂時，切勿將防粘膠液涂到氧傳感器的透氣孔中。四、氧傳感器的檢測當氧傳感信號不正常時，可對氧傳感器及其工作電路進行如下檢測1.檢查氧傳感器的加熱元件拆下氧傳感器線束插頭，用萬用表歐姆擋測量氧傳感器內部電熱元件的電阻值，其阻值應符合有關標準。如豐田汽車氧傳感器加熱元件的標準電阻值為4?40Q，桑塔納汽車的為1?5Q，具體數值可查閱各車型維修手冊。若阻值不符，則應更換氧傳感器。檢查氧傳感器加熱元件工作電路將點火開關置于ON位置，用電壓表檢測傳感器加熱元件的工作電壓池電壓（12V）。若無電壓，則應檢查加熱元件的電源電路。檢查氧傳感器的工作情況下面以豐田1UZ-FE型發動機為例，介紹檢查氧傳感器工作情況的方法。用專用導線連接檢查連接器的T§和E］端子。電壓表正表筆與檢查連接器的VF］（左側駕駛）或VF2（右側駕駛）端子連接，筆與E1端子連接。啟動發動機，先使其達到正常工作溫度，再讓發動機在2500r/min的轉速下持續運轉120s以消除氧傳感器表面的積炭，然后記錄電壓表指針在0?7V范圍內擺動的次數。正常情況下，在8s內擺動的次數不得低于10次。如果電壓