氧传感器检测方法，空燃比反馈控制汽车发动机电控技术

一、任务分析

氧传感器用来检测排气中氧离子的含量，控制发动机尾气排放的装置。本任务主要学习氧传感器作用和类型，氧化锆式、氧化钛式氧传感器的结构与工作原理等内容。通过任务的学习掌握氧传感器各端子的检测方法，判断氧传感器是否损坏。

二、相关知识

(一)氧传感器作用和类型

氧传感器安装在排气管上，作用是检测排气中氧离子的含量，并将该信号转变为电信号输入ECU。如果氧的含量高，输出电压就低;如果氧的含量低，输出电压就高。ECU根据氧传感器信号，对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制。按结构原理不同，氧传感器分为氧化锆(Zr O2)式和氧化钛(Ti O2)式两种类型，氧化锆式氧传感器又分为加热型与非加热型氧传感器两种，非加热型的线束插头有一个或两个接线端子;加热型的线束插头有两个或四个接线端子。加热器采用陶瓷加热元件制成，设在锆管内侧，由汽车电源通入电流进行加热。氧化钛式一般都为加热型传感器。由于氧化钛式氧传感器价格低，且不易受到硅离子的腐蚀，因此应用越来越多。

(二)氧化锆式氧传感器

氧化锆式氧传感器主要由钢质护管、钢质壳体、锆管、加热元件、电极引线、防水护套和线束插头等组成，如图2-62所示。锆管是二氧化锆(Zr O2)固体电解质粉制成的陶瓷管，内、外表面均涂有金属铂层作为电极，内侧通大气，外侧通排气。

图2-62 氧化锆式氧传感器的结构

1—钢质护管;2—废气;3—钢质壳体;4—防水护套;5—电极引线;6—加热元件;7—排气管;8—锆管;9—电源端子;10—搭铁端子;11—信号端子

氧化锆式氧传感器的工作原理如图2-63所示。当温度较高时，锆管内、外表面接触的气体氧的浓度不同时，氧气发生电离，锆管内表面(大气一侧，氧浓度高)带负电荷的氧离子从大气一侧向排气一侧扩散，结果锆管(固态电解质)成了一个微电池。内表面带正电，成为正极，外表面带负电，成为负极，在锆管两电极间产生电压，这便是氧传感器的输出信号电压，信号电压输送给ECU，以便ECU知道实际空燃比，进而对空燃比进行反馈控制。其工作特性如图2-64所示，当混合气过稀时，则排气中氧含量高，传感器内、外侧氧浓度差小，两电极间产生的电压低(约为0.1V)，此时ECU将增加喷油量，使实际空燃比减小;反之，混合气过浓时，则排气中氧含量低，传感器内、外侧氧浓度差大，两电极间产生的电压高(约为0.9V)。此时ECU将减少喷油量，使实际空燃比增大;如此反复，ECU根据氧传感器信号不断调节喷油量，将实际空燃比控制在理论空燃比附近。在理论空燃比附近，氧传感器输出的电压信号有一突变。

图2-63 氧化锆式氧传感器工作原理

1—排气;2—排气管;3—大气;4—固体Zr O2;5—铂电极;6—保护层

图2-64 氧化锆式氧传感器的工作特性

由于氧化锆式氧传感器在300℃以上的环境中，才能输出稳定的信号电压，因此，加热的目的是保证低温(排气温度在150～200℃以下)时，氧传感器就能投入工作，而减少排放中的有害气体。

(三)氧化钛式氧传感器

氧化钛式氧传感器主要由二氧化钛传感元件、钢质壳体、加热元件和电极引线等组成，如图2-65所示。二氧化钛传感元件的阻值随氧离子浓度的变化而变化，因此氧化钛式氧传感器也称阻值变化型氧传感器，信号源相当于一个可变电阻，其电阻值与过量空气系数的关系如图2-66所示。

图2-65 氧化钛式氧传感器结构

1—加热元件;2—二氧化钛元件;3—基片;4—垫圈;5—密封圈;6—钢制壳体;7—滑石粉填料;8—密封釉;9—护套;10—电极引线;11—连接焊点;12—密封衬垫;13—传感器引线

当发动机混合气较稀，排气中氧含量较多时，传感元件周围的氧离子浓度较大，则阻值低，输出低电压;当发动机的混合气浓，排气中氧含量少时，传感元件周围的氧离子很少，则阻值高，输出高电压。利用适当的电路对电阻变量进行处理，即可转换成电压信号输送给ECU，用来确定实际的空燃比。氧化钛式氧传感器的电阻将在混合气的过量空气系数大约为1(空燃比A/F约为14.7)时产生突变。

图2-66 氧化钛式氧传感器电阻值与过量空气系数的关系

三、任务实施

(一)教学设备

(1)桑塔纳2000GLi发动机实验台、北京切诺基4.0L汽车;

(2)万用表、示波器、故障诊断仪;

(3)氧化锆式氧传感器、氧化钛式氧传感器。(www.xing528.com)

(二)氧传感器的检测

1. 检测氧传感器各端子通断情况

用万用表电阻挡检测氧传感器时，先断开点火开关，拔下控制器线束插头和传感器线束插头，再检测两插头上各端子之间导线电阻。以桑塔纳2000GLi型轿车氧传感器检测为例，其接线如图2-67所示，检测各端子之间的阻值，应符合表2-18中规定的数据。如阻值过大或为无穷大，说明线束与端子接触不良或断路。

图2-67 桑塔纳2000GLi型轿车氧传感器接线

1—加热元件正极;2—加热元件负极;3—信号线负极;4—信号线正极;5—搭铁线;6—氧传感器;7—连接器

表2-18 桑塔纳2000GLi型轿车氧传感器检测参考数据

2. 用故障诊断仪检测氧传感器

当怀疑氧传感器出现故障，而发动机ECU又检测不到故障信息时，发动机仍能以开环控制方式继续运转，只是发动机工作状态不是最佳，排气中有害气体的含量以及发动机的燃油消耗量将增加。这时，可利用故障诊断仪，读取氧传感器的工作参数和故障信息。

(1)起动发动机至正常工作温度或至少80℃。

(2)蓄电池电压、排气系统应正常，氧传感器加热元件应正常。

(3)连接故障诊断仪，读取氧传感器的工作参数和故障信息。

(4)根据故障诊断仪的提示进行相应的维修。

3. 检测氧传感器的输出波形

检修氧传感器主要是检查加热元件和信号电压变化频率是否正常。检测氧传感器信号电压变化的频率时，要求高、低电平之间变化应不低于10次/min。标准波形如图2-68所示。测试氧传感器时，一般用手动真空泵施加真空度，使进气压力保持稳定，然后再用急加速法来测试氧传感器，测试步骤如下:

(1)使发动机以2500r/min的速度运转2～6min，然后再让发动机正常怠速运转20s。

(2)在2s内将发动机节气门从全闭(怠速)至全开1次，共进行5～6次。注意发动机转速不能超过4000r/min。

(3)锁定显示屏上的波形，参照标准波形要求，对比分析氧传感器的最高、最低信号电压值和信号的响应时间，最后判断氧传感器的在信号电压波形中，上升的部分是急加速造成的，下降的部分是减速造成的。

图2-68 氧传感器标准波形

A—最高信号电压1.1V;B—信号的响应时间40ms;C—最低信号电压0V

四、检查与评估

本次课程主要依据表2-19考核学生对任务的完成情况。

表2-19 氧传感器考核卡

续表