氧傳感器的工作原理與檢測方法

08-21

目前，汽車上采用的氧傳感器有氧化鈦（TiO2）式和氧化鋯（ZrO2）式兩種。氧化鋯式氧傳感器又分為加熱型氧傳感器和非加熱型氧傳感器兩種。氧化鈦式氧傳感器本身帶有一個電加熱器。大部分汽車使用帶加熱器的氧傳感器，這種傳感器是在原來傳感器的基礎(chǔ)上，增加了一個陶瓷加熱元件用于加熱傳感器，可在發(fā)動機啟動后的20~30s內(nèi)迅速將氧傳感器加熱至工作溫度，擴大了空燃比閉環(huán)控制的工作范圍，故又稱為加熱型氧傳感器。

氧傳感器有一線制、二線制、三線制、四線制4種類型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。一線制只有一根信號線與發(fā)動機ECU連接，傳感器的另一極直接搭鐵；二線制的兩根線均與ECU相連，一根為信號線，另一根進入ECU后搭鐵；三線制、四線制均屬于加熱式氧傳感器，由于添加了兩根加熱電阻的接線，和氧傳感器信號線組合成為三線制或四線制。加熱電阻的兩根接線，一根直接接控制繼電器或主繼電器，接受12V加熱電源，一根由ECU控制搭鐵端，控制加熱電阻加熱時間。

氧傳感器加熱器是正比例系數(shù)熱敏元件，在傳感器與線束斷開的情況下，可以通過檢測加熱器的阻值來對加熱元件進行檢測。

圖1 氧傳感器的結(jié)構(gòu)

隨著排放法規(guī)越來越嚴格，現(xiàn)在越來越多的車輛都在三元催化轉(zhuǎn)化器的前后端分別安裝了氧傳感器，稱為雙氧傳感器系統(tǒng)，一個在三元催化轉(zhuǎn)化器之前，稱作為主氧傳感器或上游氧傳感器，用于混合氣反饋控制，發(fā)動機電控單元根據(jù)主氧傳感器的反饋信號，增加或減少噴油量，將實際空燃比控制在理論空燃比附近；另一個位于三元催化轉(zhuǎn)化器之后，稱作副氧傳感器或下游氧傳感器，用于監(jiān)測三元催化轉(zhuǎn)化器的催化凈化效率。

當(dāng)三元催化轉(zhuǎn)化器損壞時，其轉(zhuǎn)化效率喪失，這時在其前后的排氣管中的氧氣量十分接近，幾乎相當(dāng)于沒有安裝三元催化轉(zhuǎn)化器，前、后兩個氧傳感器的信號電壓波形就趨于相同，并且電壓波動范圍也趨于一致，此時表明三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化能力下降。

二氧化鋯式氧傳感器

以日產(chǎn)新陽光車系加熱型氧傳感器例，介紹二氧化鋯式氧傳感器的識別與檢測方法。

（1）二氧化鋯式氧傳感器的識別

日產(chǎn)新陽光車系加熱型氧傳感器位于三元催化器之后，用于監(jiān)測廢氣中的氧含量。即使空燃比（A/F）傳感器的開關(guān)特性改變，空燃比仍然可以根據(jù)加熱型氧傳感器發(fā)出的信號，控制在化學(xué)計量比范圍內(nèi)。二氧化鋯式氧傳感器由二氧化鋯陶瓷制成，如圖2所示。二氧化鋯會產(chǎn)生電壓，在氧氣充足時大約為1V，而在含氧稀薄時減小到0。

圖2 日產(chǎn)新陽光車系加熱型氧傳感器的構(gòu)造

（2）二氧化鋯式氧傳感器檢測示例

新款捷達轎車使用二氧化鋯式氧傳感器的電路如圖3所示，T4C/1、T4C/2端為加熱元件插頭，T4C/1端供電來自J519經(jīng)燃油泵繼電器J17的端子87R提供蓄電池電壓，T4C/2端為搭鐵端，接ECU，由ECU控制加熱時間；T4C/3、T4C/4端為氧傳感器信號端，其中，T4C/3為信號電壓正極，T4C/4為信號電壓負極（即搭鐵端）。

圖3 新款捷達轎車使用二氧化鋯式氧傳感器的電路

二氧化鋯式氧傳感器的檢測方法如下：

01 解碼器檢測▼

氧傳感器的異常工作會在ECU中存儲故障碼。因此，通過專用解碼器或通用解碼器，可以查出氧傳感器的故障碼00525——氧傳感器G39、G130無信號，或氧傳感器G39、G130對正極短路，也可通過讀取數(shù)據(jù)流來判斷氧傳感器是否故障。如果氧傳感器示數(shù)長時間停滯在一個數(shù)值不變或變化緩慢，則說明氧傳感器有故障。

02 檢測加熱元件的電阻▼

在室溫下，可用萬用表進行檢測。檢測時，拔下氧傳感器線束插頭，檢測插頭上端子T4C/1與T4C/2之間的電阻，在常溫下該阻值應(yīng)為1~5Ω。如果常溫下該阻值為∞，則說明加熱元件斷路，應(yīng)更換氧傳感器。

03 檢測氧傳感器加熱元件的電源電壓▼

氧傳感器加熱元件的電壓為蓄電池電壓，當(dāng)點火開關(guān)接通使燃油泵繼電器觸點接通時，加熱元件的電源即被接通。檢測加熱元件的電壓時，拔下氧傳感器插頭，啟動發(fā)動機，檢測插接器插座上的端子T4C/1與T4C/2之間的電壓，電壓值應(yīng)不低于11V。如果該電壓值為零，則說明熔絲S5（10A）斷路或燃油泵繼電器觸點接觸不良，分別檢修即可。

04 檢測傳感器的信號電壓▼

由于當(dāng)氧傳感器工作溫度低于300℃時，氧傳感器沒有達到正常工作溫度，無信號輸出，因此應(yīng)在二氧化鋯式氧傳感器處于300℃以上的工作狀態(tài)時測量其輸出電壓。用汽車萬用表測壓法檢查二氧化鋯式氧傳感器的具體方法：使發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2500r/min運行約90s，插頭與插座連接，將數(shù)字式萬用表連接到氧傳感器端子T4C/3與T4C/4連接的導(dǎo)線上，當(dāng)供給發(fā)動機濃混合氣（加速踏板突然踩到底）時，信號電壓應(yīng)為0.7~1.0V；當(dāng)供給發(fā)動機稀混合氣（拔下空氣流量傳感器至發(fā)動機之間的真空管）時，信號電壓應(yīng)為0.1~0.3V；否則說明氧傳感器損壞，應(yīng)予以更換。

05 檢測氧傳感器的信號變化頻率▼

可將一個發(fā)光二極管和一個300Ω的電阻串聯(lián)接在傳感器T4C/3與T4C/4端子連接的導(dǎo)線之間進行檢測。二極管正極連接到3#端子上，二極管負極經(jīng)300Ω電阻連接到插接器4#端子上。發(fā)動機怠速或部分負荷運轉(zhuǎn)時，發(fā)光二極管應(yīng)當(dāng)閃亮。閃亮頻率每分鐘應(yīng)不低于10次，如果二極管不閃亮或閃亮頻率過低，則說明氧傳感器損壞，應(yīng)更換傳感器。

06 示波器檢測▼

用示波器檢測氧傳感器輸出的信號波形，可以很直觀地確定氧傳感器是否良好。測試方法：啟動發(fā)動機，使傳感器預(yù)熱到300℃以上，發(fā)動機處于閉環(huán)工作狀態(tài)時，用探針連接到傳感器插接器信號端子T4C/2和T4C/3上，發(fā)動機從怠速開始增大轉(zhuǎn)速，觀察氧傳感器輸出信號波形，并與標(biāo)準(zhǔn)波形比較，判斷傳感器的好壞。如圖4所示為氧傳感器在怠速和轉(zhuǎn)速2500r/min時輸出信號波形。

圖4 氧傳感器在怠速和轉(zhuǎn)速為2500r/min時輸出信號波形

二氧化鈦式氧傳感器

（1）二氧化鈦式氧傳感器的構(gòu)造

二氧化鈦式氧傳感器的結(jié)構(gòu)與二氧化鋯式氧傳感器的結(jié)構(gòu)相似，主要由二氧化鈦傳感元件（鈦管）、鋼質(zhì)殼體、加熱元件和接線端子、護套等組成，如圖5所示。

圖5 二氧化鈦式氧傳感器的結(jié)構(gòu)

二氧化鋯式氧傳感器和二氧化鈦式氧傳感器的主要區(qū)別：二氧化鋯式氧傳感器是將排氣中氧含量的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化；二氧化鈦式氧傳感器是將排氣中氧含量的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。

目前使用較多的二氧化鈦傳感元件有芯片式和厚膜式兩種。芯片式是將鉑金屬線埋入二氧化鈦芯片中，金屬鉑兼作催化劑用；厚膜式是采用半導(dǎo)體封裝工藝中的氧化鋁層壓板工藝制成。此外還有熱敏電阻進行溫度補償?shù)亩趸伿絺鞲衅鞯取?/section>

新型二氧化鈦式氧傳感器由發(fā)動機ECU提供1V基準(zhǔn)電壓，外形和原理與二氧化鋯式氧傳感器相似，但為了使二氧化鈦式氧傳感器有著與二氧化鋯式氧傳感器相同的變化，即和二氧化鋯式氧傳感器輸出的0~1V的電壓值相一致，將參考電壓由原來的5V變?yōu)?V；同時，為了降低傳感器的重量和更換時的成本，將其中的精密電阻轉(zhuǎn)移到了ECU內(nèi)部，因此，在傳感器的接線上減少一條引出線。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 新型二氧化鈦式氧傳感器的結(jié)構(gòu)

（2）二氧化鈦式氧傳感器的工作原理

二氧化鈦式氧傳感器與二氧化鋯式氧傳感器在測量氧氣濃度的原理上有很大的不同：二氧化鋯式氧傳感器是以濃差電池原理為基礎(chǔ)，通過濃度差異產(chǎn)生電壓，判斷混合氣的稀與濃；而二氧化鈦式氧傳感器則是利用氣敏電阻的原理，通過氧氣濃度引起的二氧化鈦電阻值的改變來判定混合氣狀態(tài)，故又稱電阻型氧傳感器。

電控單元（ECU）的C端子將一個恒定的1V電壓加在二氧化鈦式氧傳感器的A端上，傳感器的另一端子B與ECU的D端子相接，如圖7所示。

圖7 二氧化鈦式傳感器的工作原理

當(dāng)排出的廢氣中氧濃度隨發(fā)動機混合氣濃度變化而變化時，氧傳感器的電阻隨之改變，ECU的D端子電位也隨著變化，當(dāng)D端子上的電壓高于參考電壓時，ECU判定混合氣過濃；當(dāng)D端子上的電壓低于參考電壓時，ECU判定混合氣過稀。通過ECU的反饋控制，可保持混合氣的濃度在理論空燃比附近。在實際的反饋控制過程中，二氧化鈦式氧傳感器與ECU連接的D端子上的電壓也是在0.1~0.9V之間不斷變化，這一點與二氧化鋯式氧傳感器是相似的。

小提示：

在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，氧傳感器和反饋控制系統(tǒng)并不是任何時候都起作用。ECU是通過開環(huán)和閉環(huán)兩種方式對發(fā)動機的噴油量進行控制的。在發(fā)動機啟動、大負荷及暖機過程中需要較濃的混合氣，此時ECU處于開環(huán)控制狀態(tài)，氧傳感器不起作用。因為氧傳感器只有在高溫下（一般在390℃）才能正常工作，產(chǎn)生可靠的信號。只有當(dāng)發(fā)動機達到正常工作溫度后，ECU才進行閉環(huán)控制，氧傳感器起反饋作用。而當(dāng)氧傳感器出現(xiàn)故障、輸出信號異常時，電控單元會自動切斷氧傳感器的反饋作用，發(fā)動機進入開環(huán)控制。

（3）二氧化鈦式氧傳感器的檢測方法

當(dāng)二氧化鈦式氧傳感器出現(xiàn)故障、輸出信號異常時，電控單元會自動切斷氧傳感器的反饋作用，使發(fā)動機進入開環(huán)控制工作狀態(tài)。二氧化鈦式氧傳感器的檢測方法與二氧化鋯式氧傳感器基本相同。具體檢測方法如下：

01 檢查加熱器電阻▼

用高阻抗數(shù)字式萬用表歐姆擋對氧傳感器的加熱電阻值進行測試，拔下氧傳感器線束插頭，測試氧傳感器A、B接線柱間的電阻值。正常情況下，其阻值為5~7Ω。如果阻值為∞，說明加熱電阻燒斷，應(yīng)更換氧傳感器。

02 檢查氧傳感器電源電壓▼

打開點火開關(guān)，用萬用表電壓擋測量傳感器的電源電壓，如圖8所示，其標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為1V。

圖8 檢查氧傳感器電源電壓

03 檢查氧傳感器加熱器電源電壓▼

如圖9所示，打開點火開關(guān)，用萬用表電壓擋測。

圖9 檢查氧傳感器加熱器電源電壓

04 檢查氧傳感器反饋電壓▼

如圖10所示，接通點火開關(guān)，并啟動發(fā)動機使其在怠速下正常運轉(zhuǎn)，然后用電壓表測量電控單元（ECU）的4號接腳與搭鐵之間的電壓值，其值應(yīng)在0.2~0.8V內(nèi)變動。當(dāng)發(fā)動機提高轉(zhuǎn)速后，其電壓值應(yīng)為0.6~1.0V，否則應(yīng)更換氧傳感器。

圖10檢查氧傳感器反饋電壓

05 動態(tài)測試▼

使發(fā)動機充分預(yù)熱，拔下燃油壓力調(diào)節(jié)器的真空軟管，堵上歧管，混合氣加濃（空燃比減小）。在怠速狀態(tài)下測量電控單元（ECU）連接器的端電壓，氧傳感器上的電壓應(yīng)大于0.5V，否則應(yīng)更換氧傳感器。試傳感器的加熱電源電壓，其標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為12V。