氧传感器的作用和工作原理

1.氧传感器的主要作用

氧传感器是电子控制燃油喷射系统中重要的反馈传感器，主要有二氧化锆型和二氧化钛型两种。

（1）二氧化锆型氧传感器的结构特点 二氧化锆型氧传感器的基本元件是二氧化锆陶瓷管（固体电解质），又称锆管。锆管固定套的内外表面覆盖着一层多孔性铂膜，其内表面与大气接触，外表面与排气接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，上面有一个与大气相通的孔，电线从锆管内表面铂极经绝缘套接线端引出。二氧化锆型氧传感器的结构见图4-1。

图4-1 二氧化锆型氧传感器的结构

（2）二氧化钛型氧传感器的结构特点 二氧化钛属于N型半导体材料，其阻值大小取决于材料温度和周围环境中氧离子的浓度，因此可以用来检测尾气中的氧离子的浓度。它主要由二氧化钛传感元件、钢质壳体、加热元件和电极引线组成。与二氧化锆型氧传感器不同的是二氧化钛型氧传感器不需要与大气进行比较，因此对传感元件的密封性和防水性提供了保证，同时避免了二氧化锆型氧传感器因内表面与大气接触的孔被泥堵塞后，无法进行氧气浓度差的比较，造成氧传感器输出电压变化频率过慢的故障。二氧化钛型氧传感器在电极引线与护套之间设置一个硅橡胶密封垫圈，可以防止水蒸气侵入传感器内部造成的腐蚀。二氧化钛型氧传感器的结构见图4-2。

图4-2 二氧化钛型氧传感器的结构

（3）氧传感器参与工作的条件 氧传感器只在正常工作温度范围内才进行工作。如二氧化锆型氧传感器自身温度低于315℃则基本不工作，其正常工作温度为450～850℃。氧传感器检测尾气排放中氧气的含量，检测发动机是否按理想空燃比燃烧，并向发动机控制单元反馈。当混合气浓时排放气体中氧比较少，和大气中的氧差值大，产生较高输出电压。当混合气稀时排放气体中氧比较多，和大气中的氧差值较小，产生较低输出电压。PCM根据氧传感器反馈的信息，重新调节喷油脉宽，使混合气的空燃比尽量接近14.7：1的理想空燃比，以保证三元催化转化器的转化效率。

（4）氧传感器的主要作用 氧传感器是燃油系统中负责闭环控制的传感器，氧传感器输出的电压信号是控制单元所依赖的最重要的信息来源。观察下游氧传感器输出的电压信号能判断三元催化转化器是否能正常工作，废气排放是否得到正常控制。观察上游氧传感器输出的电压信号能判断发动机燃油系和点火系是否正在有效运转，还可以确定氧传感器是否存在短路或断路的故障。通过调取氧传感器输出的电压信号还能间接判断CANP、EGR、二次空气喷射系统AIR是否工作正常。

1）夏天混合气过浓，氧传感器输出电压信号持续走高，CO和HC严重超标，说明CANP有可能卡滞在开启位置。

2）氧传感器可用于确定发动机中速运转时EGR阀是否处于开启位置。但要注意，如果NO_x很低，HC含量明显过高，可能是排气不畅造成排气管压力过高，引发EGR开启时过多的废气进入燃烧室。此时控制单元会点亮故障指示灯，但故障码显示的是EGR阀故障。

3）进入闭环控制后氧传感器输出电压信号持续走低，导致混合气过浓，说明超二次空气喷射电磁阀可能关闭不严。

2.氧传感器的工作原理(www.xing528.com)

（1）二氧化锆型氧传感器的工作原理 氧传感器能否正常工作，关系到排放控制和燃油消耗及输出功率。二氧化锆型氧传感器的核心元件是氧化锆陶瓷材料，在它的表面有两个白金电极。其内侧与大气相通，外侧与尾气相通，由于尾气和空气中氧气浓度的差，使两个电极间产生电压。浓度差越大，产生电压越高。二氧化锆型氧传感器工作原理见图4-3。

图4-3 二氧化锆型氧传感器工作原理示意图

a）信号电压与空燃比的关系 b）浓区/稀区的划分

传感器内有一个加热装置，经15s后就能达到传感器运转所需的350℃高温。加热电阻由控制单元来控制，来掌握氧传感器的温度，如果排气的温度超过800℃氧传感器加热将中断。发动机冷机状态和大负荷时不考虑氧传感器的信号，系统处于开环状态。

（2）二氧化钛型氧传感器的工作原理 由于二氧化钛半导体材料的电阻具有随氧离子浓度的变化而变化的特性，因此二氧化钛型氧传感器相当于一个可变电阻，其电阻值随废气中氧离子的浓度变化，氧离子浓度大（混合气稀）二氧化钛呈低阻状态，氧离子浓度小（混合气浓）二氧化钛呈高阻状态。

发动机控制单元提供二氧化钛型氧传感电压为5V，氧传感器变化电压为0.1～4.6V，电压值变化，0～2.5V为混合气稀，2.5～5V为混合气浓。二氧化钛型氧传感器工作原理见图4-4。

（3）氧传感器如何进行空燃比控制 动力控制模块（PCM）向氧传感器提供0.45V的参考电压，也称偏压。偏压与氧传感器产生的信号电压叠加，PCM检测该叠加电压。当空燃比较稀时，尾气中大约有质量分数0.2%的氧气，则氧传感器信号电压低于0.45V，PCM根据这个信号增加喷油脉宽。当空燃比较浓时，尾气中的氧含量较低，则氧传感器信号电压高于0.45V，PCM根据这个信号减少喷油脉宽。PCM通过控制空燃比在略稀和略浓之间上下波动，将空燃比控制在接近理想范围内。

图4-4 二氧化钛型氧传感器工作原理示意图

1—空气 2—传感器电压 3—氧传感器加热器 4—测量片 5—尾气 6—单元泵 7—单元泵电流 8—测量室 9—扩散通道

动力控制模块（PCM）根据氧传感器信号在短时间内调整的喷油量叫短期燃油调节。短期燃油修正系数是控制单元根据氧传感器输出信号确定的。短期燃油调整可分为0～255级，中间值为128。在此基线上，不需调整基础喷油脉宽。若短期调整值高于128，说明混合气稀了，PCM控制增加喷油量，当短期调整值低于128时说明混合气浓了，PCM控制减少喷油量。若短期值偏离128太远，通过短期调整值无法满足，则需长期燃油修正。长期燃油修正系数是控制单元根据短期燃油修正系数的变化，对控制单元运行数据结构进行修正确定的。长期燃油调整表示PCM的结构性补偿量。

氧传感器信号应在0.1～0.9V之间上下波动。为了尽快进入闭环控制，现在发动机上使用的都是加热型氧传感器。加热线圈的12V电源来自接线盒和燃油泵继电器。