汽车发动机控制系统中的氧传感器检测与维修注意事项

2.3.1 氧传感器的作用和种类

（1）作用 在使用三元催化转换器降低排放污染的发动机上，采用闭环控制，如图4-6所示，氧传感器是必不可少的。闭环控制也称反馈控制，ECU根据传感器的信号对其进行控制，氧传感器对控制结果进行检测，并将检测结果反馈给ECU。三元催化转换器安装在排气管的中段，它能净化排气中CO、HC和NO_X三种主要的有害成分，但只在混合气的空燃比处于接近理论空燃比的一个窄小范围内，三元催化转换器才能有效地起到净化作用。故在排气管中安装氧传感器，借检测废气中的氧浓度测定空燃比，并将其转换成电压信号或电阻信号，反馈给ECU，ECU控制空燃比收敛于理论值，如图4-7所示。

图4-6 闭环控制示意图

图4-7 LH型多点燃油喷射系统氧传感器工作原理图

1—空气流量传感器 2—三元催化转换器 3—发动机 4—前氧传感器 5—发动机电子控制单元 6—喷油器 7—后氧传感器 黑色线路表示氧传感器调节回路

（2）种类 目前使用的氧传感器有氧化锆（ZrO₂）式、氧化钛（TiO₂）式和宽频氧传感器三种，应用较多的是氧化锆是氧传感器及宽频氧传感器。

2.3.2 氧化锆式氧传感器

（1）结构和工作原理 氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆（ZrO₂）陶瓷管（固体电解质），亦称锆管（图4-8）。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，内外表面均覆盖着一层多孔性的铂膜，其内表面与大气接触，外表面与废气接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个用于锆管内腔与大气相通的孔；电线将锆管内腔与大气相通；电线将锆管内表面的铂极经绝缘套从此接线端引出。

氧化锆在温度超过300℃后，才能进行正常工作。早期使用的氧传感器靠排气加热，这种传感器必须在发动机起动运转数分钟后才能开始工作，它只有一根接线与ECU相连（图4-9a）。现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器（图4-9b），这种传感器内有一个电加热元件，可在发动机起动后的20～30s内迅速将氧传感器加热至工作温度。它有四根接线：两根为加热线，另外两根分别接地和接ECU。此外，还分为一线式、两线式和三线式等。

图4-8 氧化锆式氧传感器

1—保护套管 2—内表面铂电极层 3—氧化锆陶瓷体 4—外表面铂电极层 5—多孔氧化铝保护层 6—线束插头

图4-9 两种不同的氧化锆式氧传感器

1—保护套管 2—废气 3—锆管 4—电极 5—弹簧 6—绝缘体 7—信号输出导线 8—空气 9—接地 10—加热器接线端 11—信号输出端 12—加热器

锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离。由于锆管内、外侧氧含量不一致，存在浓度差，因而氧离子从大气侧向排气一侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压（图4-10），混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以较浓的混合气运转时，排气中氧含量少，但CO、HC、H₂等较多。这些气体在锆管外表面铂的催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使锆管外表面氧气浓度变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓度差加大，两铂极间电压陡增。因此，锆管传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近1V。

图4-10 氧传感器的工作原理

要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狡小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在0～1V之间不断变化（通常每10s内变化8次以上）。如果氧传感器输出电压变化过缓（每10s少于8次）或电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明氧传感器有故障，需检修。

（2）氧传感器波形的测试

1）按图4-11所示内容进行线路连接。在对氧传感器进行测试时，需用高阻抗专用线缆，避免影响测试精度。

2）起动发动机并暖机运行，使发动机暖机到正常工作温度并进入闭环工作状态，测试结果才正确。

3）按下PWR键使示波器开机。

4）从主菜单中选择AUTO METERS项。在AUTO METERS项中，可以观测到氧传感器的信号波形、氧传感器的变动率及混合气的浓/稀状态。

图4-11 氧传感器测试连接线路图

5）选择O2SENSOR项即可对氧传感器进氧传感波形的测试。

6）提高发动机转速，使其转速高于怠速工况，因为发动机在怠速时不能进入闭环状态。

氧传感器的测试屏幕上方为氧传感器变动率的统计数值，屏幕上为每5s的变动率，同时显示最大值与最小值，中间显示混合气的浓/稀状态，下方为氧传感器的信号波形，图4-12为氧传感器波形。

图4-12 氧传感器波形图

（3）氧传感器的检测

1）氧传感器的基本电路如图4-13所示。

点火开关置于“OFF”位置，拔下氧传感器的导线插接器，用万用表欧姆挡测量氧传感器接线端中加热器端子与搭铁端子（图4-13端子1和2）间的电阻，如图4-14所示，其电阻值应符合标准值（一般为4～40Ω，具体数值参见具体车型说明书）。如不符合标准，应更换氧传感器。测量后，接好氧传感器线束插接器，以便作进一步的检测。

图4-13 氧传感器的电路

1—主继电路 2—氧传感器 3—发动机ECU

图4-14 测量氧传感器加热器电阻

2）氧传感器反馈电压的测量。

测量氧传感器反馈电压时，应先拔下氧传感器线束插接器插头，对照被测车型的电路图，从氧传感器反馈电压输出端引出一条细导线，然后插好插接器，在发动机运转时从引出线上测量反馈电压。

有些车型也可以从故障诊断插座内测得氧传感器的反馈电压，如丰田汽车公司生产的小轿车，可从故障诊断插座内的OX1或OX2插孔内直接测得氧传感器反馈电压（丰田V形六缸发动机两侧排气管上各有一个氧传感器，分别和故障检测插座内的OX1和OX2插孔连接）。

在对氧传感器的反馈电压进行检测时，最好使用指针型的电压表，以便直观地反映出反馈电压的变化情况。此外，电压表应是低最程（通常为2V）和高阻抗（阻抗太低会损坏氧传感器）的。(www.zuozong.com)

3）丰田V形六缸发动机氧传感器反馈电压的测量。

①将发动机热车至正常工作温度（或起动后以2500r/min的转速连续运转3min）。

②把电压表的负极测量笔接故障诊断插座内的E1插孔或蓄电池负极，正极测量笔接故障检测插座内的OX1或OX2插孔或接氧传感器线束插头上的引出线（图4-15）。

图4-15 测量反馈电压

③让发动机以2500r/min左右的转速保持运转，同时检查电压表指针能否在0～1V之间来回摆动，记下10s内电压表指针摆动次数。在正常情况下，随着反馈控制的进行，氧传感器的反馈电压将在0.45V上下不断变化，10s内反馈电压的变化次数应不少于8次。

④若电压表指针在10s内的摆动次数等于或多于8次，则说明氧传感器及反馈控制系统工作正常；电压表指针若在10s内的摆动次数少于8次，则说明氧传感器或反馈控制系统工作不正常，可能是氧传感器表面有积炭而使灵敏度降低，此时应让发动机以2500r/min的转速运转约2min，以清除氧传感器表面的积炭；若电压表指针变化依旧缓慢，则为氧传感器损坏或ECU反馈控制电路有故障。

氧传感器是否损坏，可按下述方法检查：拔下氧传感器的线束插头，使氧传感器不再与ECU连接，将电压表的正极测量笔直接与氧传感器反馈电压输出端连接（图4-16）。发动机正常运转时脱开接在进气管上的曲轴箱强制通风管或其他真空软管，人为地形成稀混合气，此时电压表读数应下降到0.1～0.3V；接上脱开的曲轴箱通风管或真空软管，再拔下冷却液温度传感器插头，且用一个4～8kΩ的电阻代替冷却液温度传感器（或堵住空气滤清器的进气口），人为地形成浓混合气，此时，电压表读数应上升到0.8～1.0V，也可以用突然踩下或松开加速踏板的方法来改变混合气浓度。在突然踩下加速踏板时，混合气变浓，反馈电压应上升；突然松开加速踏板时，混合气变稀，反馈电压应下降。

图4-16 拔掉线束插头后测量反馈电压

如果在混合气浓度变化时，氧传感器输出电压不能相应地改变，说明氧传感器有故障。此时可拆去一根大真空软管，使发动机高速运转，以清除氧传感器上的铅或积炭，然后再测试。如果氧传感器反馈电压能按上述规律变化，说明氧传感器良好；否则，需更换氧传感器。

氧传感器的检测流程见图4-17。2.3.3 氧化钛式氧传感器

氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛（TiO₂）材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻型氧传感器。二氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似。在传感器前端的护罩内是一个二氧化钛厚膜元件（图4-18）。纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其晶格便出现缺陷，电阻随之减小。由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化，因此，在二氧化钛式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钛式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。

如图4-19所示，ECU2＃端子将一个恒定的1V电压加在氧化钛式氧传感器的一端上，传感器的另一端子与ECU4＃端子相接。当排出的废气中氧浓度随发动机混合气浓度变化而变化时，氧传感器的电阻随之改变，ECU4＃端子上的电压降也随着变化，当4＃端子上的电压高于参考电压时，ECU判定混合气过稀，当4＃端子上的电压低于参考电压时，ECU判定混合气过稀。通过ECU的反馈控制，可保持混合气的浓度在理论空燃比附近。在实际的反馈控制过程中，二氧化钛式氧传感器与ECU连接的4＃端子上的电压也是在0～1V之间不断变化，这一点与氧传锆式氧传感器是相似的。

图4-17 氧传感器的检测流程

图4-18 氧化钛式氧传感器

1—保护套管 2—连接线 3—二氧化钛厚膜元件

图4-19 氧化钛式氧传感器工作原理

1—氧化钛式氧传感器 2—1V电压端子 3—ECU 4—输出电压端子

2.3.4 宽域氧传感器

现代汽车为了省油，都趋向于稀薄燃烧，也就是空燃比为10～20，相当于过量空气系数从0.686～1.405，而且随着对汽车尾气排放要求的不断提高，原有的氧传感器就无法适应，取而代之的是控制精度更高的线性宽域氧传感器，其结构如图4-20所示。

图4-20 宽域氧传感器

1—单元泵 2—能斯托单元 3—氧传感器加热片 4—外界空气通道 5—测量室 6—放氧通道

（1）作用 宽域氧传感器（Universal Exhaust Gas Oxygen Sens，简称UEGO）能够提供准确的空燃比反馈信号给ECU，从而ECU精确地控制喷油时间，使气缸内混合气浓度始终保持为理论空燃比值。宽域氧传感器的使用提高了ECU的控制精度，最大限度地发挥了三元催化转换器的作用，更加有效地降低了有害气体的排放。

图4-21 宽域氧传感器电路图

（2）工作原理 宽域氧传感器的电路如图4-21所示，它由1个普通窄范围浓差电压型氧传感器及扩散小孔、扩散室构成。它需要一个专门设计的传感器控制器来控制其正常工作，传感器控制器用A和B表示，尾气通过扩散小孔进入扩散室，尾气可能是富油的浓混合气，也可能是富氧的稀混合气。氧化锆参考泵电池感知尾气的浓度后，产生电压U_s，根据尾气浓度的不同，富油的浓混合气将产生高于参考电压U_Ref，传感器控制器将产生一个方向的泵电流I_p，该泵电流I_p将氧气泵入扩散室内进行化学分解反应，在废气中产生水和一氧化碳及一些氧化物，附着在泵氧元的表面。在化学反应中将过多的碳氢化合物分解，从而降低了废气的浓度，使扩散室恢复到U_s电压为0.45V的尾气含氧浓度的平衡状态。相反，富氧的稀混合气将产生低于参考电压U_Ref，传感器控制器将产生一个反方向的泵电流I_p，该泵电流I_p将氧气泵出扩散室。当HC燃料或氧气被中和时，参考泵电池产生的电压等于参考电压U_Ref，此时的泵电流I_P就反映了尾气的浓度，传感器控制器将泵电流I_P转换成输出电压U_out，通过改变泵电流的极性（电流流动方向）与大小就可以达到平衡扩散室里的尾气含氧量。如何用这个变化的泵电流再去控制发动机ECU对喷油器喷油时间进行调整，是至关重要的。在控制环路中有一块DSP（数字信号处理器）电路，该电路有二路输出，一路将变化的泵电流信号通过放大数模转换成线性电压，此电压从0～5V连续变化，去控制发动机ECU的空燃比的调整；另一路输出脉宽调制信号去控制COM场效应开关晶体管导通与截止时间，给加热器提供电流，加热氧传感器。

宽域氧传感器的特点：工作曲线平滑，能够连续检测空燃比（10～20），相当于过量空气系数为0.686～1.405，当线性电压在2.5V时，就达到了理论空燃比14.7的控制。

在检测宽域氧传感器时，不能用万用表电压挡及示波器进行直接测量氧传感器的端口线束电压。只能用相关的专用检测仪进行数据流分析。

（3）混合气浓度调整

1）混合气过浓。泵入的混合气过浓时，单元泵以原来的工作电流工作，测试室的氧含量减少，氧传感器电压值超过450mV。减少喷油量，控制单元增大单元泵的工作电流，使单元泵旋转速度增加，增加泵氧速度。单元泵泵入测试室中的氧量增加，使氧传感器电压值恢复到450mV，如图4-22所示。

2）混合气过稀。混合气过稀时，泵在原来的转速下会泵入较多的氧，测试室中氧的含量较多，电压值下降，加大喷油量。同时，为能使氧传感器电压值尽快恢复到450mV的电压值，减小单元泵的工作电流，使泵入测试室的氧含量减少。单元泵的工作电流传递给控制单元，控制单元将其折算成氧传感器电压值信号，如图4-23所示。

图4-22 混合气过浓检测结果

图4-23 混合气过稀检测结果

（4）宽域氧传感器的测试方法

宽域氧传感器单件检测只有1项，参见图4-21：端子3和4是加热器，不应该是断路，加在上面的电压为12V，端子1是信号输出，端子5和6是参考电压，端子2是泵电流输入。有的宽域氧传感器端子5和6是作为同一个端子输出。

维修站的方法是通过读取数据流进行分析。以宝来车为例进行说明：发动机控制单元将宽域氧传感器的电流信号转化为电压值显示出来。宽域氧传感器的电压规定值为1.0～2.0V。电压值大于1.5V时混合气过稀（氧多），电压值小于1.5V时混合气过浓（氧少）。电压值为0、1.5V、4.9V的恒定值时都说明氧传感器线路有故障。用示波器观察的电压峰值可能到4.9V，这是正常的。