氧傳感器在現代汽車維修中的應用

魏玉

摘要：氧傳感器對控制可燃混合氣的濃度發揮著重要的作用，其工作性能的好壞直接影響發動機的工作性能、燃油經濟性及有害氣體的排放，本文從氧傳感器的作用出發，介紹了其結構及原理，在此基礎上闡述其對維修檢測的作用，最后通過維修實例加以論證，為氧傳感器的應用與維修提供依據。

關鍵詞：氧傳感器;可燃混合氣;檢測;維修實例

0? 引言

隨著國家對汽車排放控制的日益嚴格，現代轎車上廣泛采取了多種排放控制系統來減少汽車的排放污染，其中在電控燃油噴射的汽車上加裝三元催化轉換器是目前汽油機最為有效的排氣凈化方法，即首先通過發動機閉環控制，將發動機的空燃比控制在理論空燃比附近，排放的尾氣再由三元催化轉換器進行凈化，氧傳感器是實現這一聯合控制的核心元件。氧傳感器本身不僅是排放控制的關鍵，其波形還可以作為分析判斷發動機故障的依據，并可通過檢測波形判斷發動機是否修復，作為交車之前的一項檢驗標準[1]。

1? 氧傳感器的作用

三元催化轉換器能夠十分有效的凈化尾氣中的有害氣體，但可燃混合氣的濃度是影響三元催化器凈化效果的關鍵因素，三元催化轉換器與可燃混合氣的關系如圖1所示。

由圖1可知，當混合氣濃度處于理論空燃比附近區間時，三元催化轉換器對CO、HC、NOx三種污染氣體的處理效果較佳，一旦混合氣的濃度偏離這個范圍，三元催化器的轉化效率將迅速下降，尾氣中有害氣體的排放增加，為降低污染，提高環保效果，需要提高三元催化器的轉化效率，必須要將可燃混合氣的濃度控制在理論空燃比（14.7：1）附近。為了有效控制混合氣濃度，將氧傳感器安裝在發動機的排氣管上，氧傳感器實時監測發動機尾氣中氧濃度的變化，并依據氧濃度計算空燃比，將空燃比轉換為電子信號傳遞給發動機控制單元，該信號作為控制單元調整空燃比的主控信號，再結合其它修正信號，如冷卻水溫度信息，及時的調整噴油器的噴油時間，調整空燃比。當ECU判斷混合氣過濃時，則減小噴油器的通電時間，即減少噴油量。當ECU判定混合氣過稀時，則增加噴油器的通電時間，即增加噴油量。發動機的閉環控制如圖2所示。

2? 氧傳感器的結構與原理

2.1 氧傳感器類型

加熱型氧化鋯式氧傳感器主要由鋯管、內電極、外電極、加熱元件、通氣孔、陶瓷管、連接器等組成，其中加熱元件采用熱敏電阻，其上有鎢絲并引出兩個電極直接與汽車電源相通，用于對氧化鋯管進行加熱，使氧化鋯式氧傳感器迅速達到工作溫度進入工作狀態。

加熱型氧化鈦式氧傳感器主要由二氧化鈦元件、加熱元件、通氣孔、陶瓷管、連接器等組成，其中加熱元件采用熱敏電阻，其上繞有鎢絲并引出兩個電極直接與汽車電源相通，用于對二氧化鈦進行加熱，使氧化鈦式氧傳感器迅速達到工作溫度而進入工作狀態。

2.2 氧傳感器的工作原理

以氧化鋯式氧傳感器為例，其工作原理如圖3，二氧化鋯為一種固體電解質，在高溫下，氧離子在其內部能夠擴散和滲透，與氧化鋯管的內外表面分別接觸到不同密度的氧時，氧化鋯物質中的氧離子便從內向外擴散，產生電動勢，管內外側的鉑電極間便產生電壓。

汽車尾氣中的氧離子由于帶負電，會被吸附在氧化鋯管的內外表面，基于大氣和尾氣中氧含量的差異，將使氧化鋯管內外兩側出現離子差從而產生電動勢，使鉑電極產生電壓信號，此電壓信號在輸入回路的比較器中與基準電壓對比，差值在0.45V以上時將高電平1傳遞給發動機控制單元，差值在0.45V以下時將低電平0輸入汽車ECU中，高電平表示濃混合氣，低電平表示稀混合氣，ECU根據電壓信號來調節混合氣濃度，最終確保混合氣濃度處于理論空燃比附近。

3? 氧傳感器對維修檢測的作用

發動機實行閉環控制時，氧傳感器時刻監測尾氣中氧濃度的變化，當可燃混合氣和尾氣中氧氣的含量波動時，會導致氧傳感器的信號發生變化。尾氣中的氧含量不僅受可燃混合氣空燃比的影響，同時還受氣缸中燃燒狀況的影響。如果混合氣燃燒不充分或個別氣缸斷火，將會使廢氣中的氧濃度產生變化。氧傳感器自身損壞或者電子控制裝置故障也會導致氧傳感器的信號異常。

發動機正常燃燒需滿足三個條件：

①合適的空燃比;

②足夠的點火能量和適當的點火提前角;

③適當的氣缸壓力和溫度。

上述條件如不能同時滿足將導致發動機燃燒不正常，進而導致尾氣中氧濃度異常和氧傳感器波形異常。引起氧傳感器波形異常的原因主要有：

①點火系統故障導致的燃燒不正常。如果在燃燒過程中，發動機某氣缸存在火花塞油污、間隙過大、點火線圈故障等，這樣將使一部分可燃混合氣未經燃燒即排出發動機氣缸，從而使尾氣中氧氣的濃度增加。

②機械原因導致的可燃混合氣濃度不正常。如氣門由于長期磨損造成氣門關閉不嚴，活塞環彈性性能降低，使氣缸密封不嚴，使燃燒性能下降，一部分未經燃燒的混合氣直接排出氣缸，使排氣中氧的濃度增加。

③各缸噴油不均衡。個別缸的噴油量過多或過少，造成可燃混合氣的濃度過稀或過濃，當濃度在極限范圍以外時，將會造成個別氣缸斷火，從而使排氣中的氧濃度異常。

4? 維修案例分析

故障現象：一輛別克轎車，發動機啟動時偶爾抖動，起動后發動機故障指示燈點亮。

維修人員首先確認故障現象，試車時，發現發動機故障指示燈點亮，使用診斷儀對車輛進行檢測，發現有“4809AB—混合氣調節，混合氣過濃”的故障碼存在。

故障分析：使用示波器檢測氧傳感器波形，測試不同階段的發動機轉速發現，發動機在2500r/min以及其它穩定轉速下氧傳感器的波形如圖4所示。觀察圖4可知，無論發動機處于任何轉速和負荷，氧傳感器的波形均存在嚴重的雜波，表明發動機工作時廢氣中氧濃度不均衡，圖中氧傳感器信號的平均電壓為672mV，該值偏離理論空燃比的基準電壓450mV，表明混合氣偏濃。

故障排除：使用診斷儀檢測，結果顯示混合氣過濃，首先檢查氧傳感器電壓，發現后氧傳感器的電壓變化異常，一直在調節噴油量。在更換氣門室蓋時，發現高壓燃油泵出現了泄露，燃油泵泄露的汽油進入氣缸，導致混合氣過濃，更換高壓燃油泵后故障排除。用示波器再次檢查氧傳感器波形，氧傳感器的波形恢復正常。

5? 總結

氧傳感器對控制可燃混合氣的濃度發揮著重要的作用，其工作性能的好壞直接影響發動機的工作性能、燃油經濟性及有害氣體的排放，若氧傳感器出現故障，將使可燃混合氣的空燃比不能精確控制，超出三元催化轉換器轉化效率最佳要求的空燃比范圍，從而造成排放指標惡化。因此，掌握氧傳感器的結構、原理以及故障分析方法對于汽車維修有著重要的意義。

參考文獻：

[1]孫志剛.氧傳感器在電控汽車故障檢修中的應用[J].科教文匯，2009（11）：274-275.

[2]Samuelsson Oscar， Zambrano Jesús， Bj？觟rk Anders， Carlsson Bengt. Automated active fault detection in fouled dissolved oxygen sensors[J]. Water research，2019.

[3]吉武俊.汽車尾氣排放超標智能監測系統研究[J].河南科技，2019（19）：16-17.

[4]何濤.汽車發動機氧傳感器常見故障及診斷探討[J].內燃機與配件，2019（3）：144-145.