基于汽車氧傳感器的工作原理檢測和降低排放的研究

嚴景明

摘 要：隨著汽車技術的發展，對汽車尾氣排放標準要求越來越嚴格，氧傳感器是汽車控制廢氣排放，提高燃油經濟性的重要傳感器之一，氧傳感器的功能是通過監測排氣中氧離子的含量，作為發動機調節空燃比的主要反饋信號，并將空燃比信號轉變成電信號輸入發動機ECU。該文通過介紹汽車氧傳感器的工作原理、檢測方法，針對不同類型的氧傳感器，其檢測方法也不同，氧傳感器的故障會影響汽車尾氣排放。因此，氧傳感器的正常工作才能保證汽車的正常使用，有效降低汽車尾氣排放。

關鍵詞：氧傳感器 原理 檢測 減少排放

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0024-02

因汽車制造技術的升級換代加速和汽車數量的上升，人們對環保意識的加強，迫使汽車制造商對汽車排放也提出了新的使用標準，汽車電控技術不斷更新，其中氧傳感器的使用己極為普及，它促進汽車有害氣體減排，提高燃油經濟性。氧傳感器是通過測算排氣系統氧離子的剩余量，調控發動機噴油量，將氧傳感器信號輸給發動機ECU；ECU對噴油時間進行實時修正，這是閉環控制過程，使發動機盡可能在理想混合氣附近工作，從而實現減排和省油。

1 氧傳感器的工作原理和檢測

汽車主、副氧傳感器各安裝在排氣系統的三元催化器上下方，汽車燃燒后的有害氣體成分有：一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）等三種，若汽油能滿足完全燃燒的條件，CO、HC也能做到低量排放。但當汽油達到完全燃燒時，缸內溫度升高，導致NOx迅速上升。因而，要使發動機工作時，達到其控制標準，為提高三元催化轉換器的效率，其內部結構做成致密的蜂窩狀，

有害氣體與金屬鉑、銠、鈀的作用，進行氧化及還原，轉化成CO2、H2O、N2等無害的氣體。

三元催化器的工作條件有2個：（1）工作溫度350℃以上；（2）在理想空燃比14.7∶1附近。所以汽車尾氣在三元催化器作用下，氧傳感器將空燃比轉換成電信號供給發動機ECU。目前，汽車用氧傳感器類型有：（1）二氧化鋯型；（2）二氧化鈦型；（3）寬帶型等三種。

1.1 二氧化鋯氧傳感器

它是以氧化鋯陶瓷作為工作介質，在介質的內、外側鍍上一層鉑薄膜，作為反應電極，氧化鋯結構是疏松多孔的，當溫度高于350℃時，氧與固體電解質發生作用，氧氣產生電離，若傳感器內外側含氧量有差異，則氧離子會向排氣側擴散，內外側產生一個電壓差，氧化鋯介質內形成一個電壓很低的微電池。其工作原理：（1）當混合氣稀時，汽油消耗的氧少，排氣中的剩余氧離子數量高，傳感器內外側氧濃度差值變小，因而會輸出低電壓；（2）反之，當混合氣濃時，汽油消耗的氧多，排氣中的剩余氧離子數量低，傳感器傳感器內外側氧濃度差值變大，因而會輸出高電壓。傳感器工作時，在理論空燃比附近，電壓值在0.5 V附近會有突然改變。

當發動機工作時，信號電壓會在0～1 V之間不斷變化，當電壓在0.5～1 V變化時，表明混合氣偏濃；當電壓在0.5～0 V變化時，表明混合氣偏稀。若電壓在0.5 V濃稀變化的次數每分鐘大于10次時，表明氧傳感器工作靈敏；若變化次數每分鐘小于10次時，表明氧傳感器工作失效，需要更換。

氧傳感器會依據空燃比稀濃值，以時刻改變噴油器的噴油量。（1）當混合氣濃時，電腦會縮短噴油時間，縮減噴油量；（2）當混合氣稀時，電腦會延長噴油時間，增多噴油量；改變噴油量的值，使空燃比收斂于14.7∶1附近，如圖1。

其控制方式為：噴油量少→混合氣稀→排氣的氧離子多→氧傳感器輸出低電位→ECU反饋調節噴油，噴油量增大。

相反：噴油量大→混合氣濃→排氣的氧離子少→氧傳感器輸出高電位→ECU反饋調節噴油，噴油量減少。

氧傳感器要在較高的溫度下，才能使氧氣電離產生氧離子，為使氧傳感器盡快達到350 ℃以上工作溫度，另外附加了一個電阻為4～20 Ω的陶瓷加熱器，發動機工作約半分鐘后，達到350 ℃以上，因此，現在常用加熱型二氧化鋯氧傳感器。

1.2 二氧化鈦氧傳感器

二氧化鈦是高阻抗的半導體，當其表面出現缺氧時，電阻降低。二氧化鈦型氧傳感器的阻值隨排氣中氧含量的變化而變化。所以，二氧化鈦傳感器的可變電阻就是一個信號源。

當發動機供給濃的混合氣時，排氣中的剩余氧離子數量低，二氧化鈦阻值也會作出相應改變，電阻減小，傳感器偏向于輸出高電壓，在0.5～1 V之間循環變動。另外，在三元催化器的鉑作用下，廢氣中的氧離子與CO作用，變成CO2，排氣中的CO消耗，因而提高傳感器的靈敏度。

當發動機的混合氣稀時，排氣中氧離子變多，二氧化鈦電阻變大，傳感器輸出低電壓，在0.5～0 V變化。

二氧化鈦傳感器的電阻變化的特點是：在理想空燃比附近時，會產生突然變化；這樣也會導致信號電壓改變，電壓信號會與0.5 V作為一個中間值，在0～1 V之間循環變化，如圖2。

為了提高傳感器的反應速度，二氧化鈦型一般都采用加熱型。由于二氧化鈦氧傳感器價格比較便宜，用玻璃粉末或滑石粉末作密封劑，不易受到水氣的腐蝕，因此，被越來越多的汽車利用。

1.3 寬帶氧傳感器

（1）工作原理：寬帶型氧傳感器從結構圖上看，分為兩部分組成，如圖3。

第一部分是感應室，分別與大氣和測試腔相連；擴散孔連接排氣系統，因感應室兩側的氧離子數量不一致，積聚的電子量不同而產生電壓差值。如前所述，氧化鋯傳感器依據該電壓作為基準，通過反饋電壓信號控制噴油量，而寬帶型氧傳感器最大特點是：發動機ECU要促使感應室兩側的氧離子在工作時維持在某一恒定數值，因此，電壓也穩定在一中間值0.45 V左右，該電壓提供給ECU做參考值，由此，噴油量的調節還得依靠傳感器的另一部分來完成。

從圖可知，泵氧元是另一關鍵部件，泵氧元分別與大氣和測試腔作用，偏差的電壓施加于氧化鋯組件上，促進氧離子的發生偏移，測試腔中氧離子來自于排氣側，讓感應室兩側的電壓值穩定在0.45 V中間值，這個作用在泵氧元上變化的電壓，就是氧傳感器變化信號。

單元泵受控于發動機ECU，排氣中的氧通過單元泵泵入到測試室，傳感器調節信號取決于單元泵電流的變化，氧傳感器電壓信號維持在450 mV附近，以此值作為參考，調整發動機的噴油量，實施空燃比調節。

寬帶型氧傳感器變化關系如下：

由此可知：單元泵的工作電流傳遞給控制單元，控制單元電流換算成氧傳感器電壓值信號變化，從而調節混合氣濃度，降低廢氣排放。

（2）寬帶型氧傳感器檢測標準。

共6線，1和5：0.4～0.5V，2和6：77.5 Ω（單元泵電阻）3和4加熱器電阻：2.5～10 Ω。

傳感器測試：單用萬用表難于檢測傳感器的參數，可以借助于診斷儀讀取數據流，這樣會更加快捷有效。首先打開檢測儀界面，選擇車型，進入發動機電控系統01、選擇讀取數據流08、輸入組號33，標記為01-08-33。

可用檢測儀器如金德KT600，進入發動機數據流參數，如寶來1.8T發動機可以讀取：

（1）01-08-30-（111 110）第一位1、0變化

（2）01-08-32-（0.06-0.1）

（3）01-08-33-（-0.1- +0.1； 0.13～3.6 V）

檢測：（1）其中傳感器線端子3-4是加熱線圈，提供12V電壓；（2）線端子1-信號輸出端，線端子5、6-參考電壓；（3）端子2-泵電流輸入。

起動發動機，信號電壓值正常時，應與1.5 V作為基準值，在1～2 V之間循環變動。當混合氣過稀（氧多）時，大于1.5 V；混合氣過濃（氧少）時，小于1.5 V。在急加油與急減油時，電壓可能在0.8與4.9伏之間，這是正常的。030組是傳感器的工作狀態，第一位在1、0回來變化，是正常的；傳感器輸出的電壓值主要在033組反映。

特點：寬帶氧傳感器能夠提供更加寬廣的檢測范圍，可以空燃比在10至20連續檢測，相當于混合氣濃度在0.7～1.4之間寬范圍調節，這樣可以對混合氣持續、實時控制，氧傳感器在振幅較小的范圍變動，也是實現排氣控制高質量的決定性因素，寬帶氧傳感器有助于ECU的控制精度，燃油消耗率可下降大約15%，降低了有害氣體的排放，這也是氧傳感器發展的方向。

2 維修實例

2.1 故障現象

有一輛捷達王AHP電噴轎車，行駛里程為28512 km，怠速時廢氣超標，加油時排氣管冒黑煙。

2.2 排除過程

用大眾VAG1552檢測儀進入發動機電控系統，讀取故障碼為00553，含義為：出現空氣流量計G70不可靠信號。經檢查空氣流量計的線路及電阻，未發現異常。再作檢查；“08讀取測量數據塊”中的顯示組02第四區是吸入空氣量，怠速時為4.7 g/s，正常范圍為2.0～5.0 g/s，說明空氣流量計良好。再讀顯示組07的第二區，查氧傳感器的電壓值為0.13 V不變，而正常的電壓應在0.1～0.9 V之間來回變動，說明氧傳感器失效。拆卸后，發現氧傳感器頂尖部位的呈棕色。

2.3 原因分析

從顏色判斷是氧傳感器中毒，使氧傳感器失效，氧傳感器電壓值為0.13 V，發動機控制單元不斷增加噴油量，導致排氣冒黑煙。發動機控制單元依據內儲的數據，比較信號：空氣流量計MAF信號-氧傳感器信號后，控制單元判定MAF信號不準確，默認為“空氣流量計G70不可靠信號”這個故障，同時電控系統各傳感器相互影響，控制單元根據各信號的比較與計算結果設定故障碼，不一定是傳感器本身有問題。

3 結語

從氧傳感器發展歷史看，汽車排放應跟隨科技發展而不斷完善，從窄范圍到寬范圍調節，這是一個動態調節過程，反應迅速，以每秒時間內變化次數來衡量其性能狀況，所以，氧傳感器從工作原理上看，是一個混合氣稀濃開關，也是發動機電控系統實行閉環反饋控制必備的傳感器。

參考文獻

[1] 曾顯恒，苗全生.汽車發動機電控系統的診斷與修復[M].上海交通大學出版社，2012.

[2] 宋年秀，劉超.怎樣檢測汽車傳感器[J].中國電力出版社，2007.

[3] 張民.大眾捷達維修手冊.一汽—大眾有限公司，2001.

[4] 張珉豪.電腦控制引擎系統.歐亞汽車技術有限公司，2000.