氧传感器：二氧化锆式|新型汽车传感器、执行器故障检测

1.二氧化锆式氧传感器的结构和工作原理

二氧化锆式氧传感器的基本元件是二氧化锆陶瓷管（固体电解质），陶瓷体制成管状，因此亦称锆管。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，锆管内、外表面都覆盖着一层多孔性的透气铂膜作为电极，氧传感器安装在排气管上，其内表面与大气接触，外表面与废气接触，为了防止废气中的杂质腐蚀铂膜，在锆管外表面的铂膜上覆盖着一层多孔的氧化铝保护层，并加装了一个防护套管，套管上开有通气槽。这样既可以防止废气烧蚀电极，又可保证废气渗进保护层和电极接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一孔，用于锆管内表面与大气相通，导线将锆管内表面电极经绝缘套从传感器引出，如图7-1所示。锆管的陶瓷体是多孔的，允许氧渗入该固体电解质内，温度高于300℃时，氧气发生电离，氧气渗入锆管的多孔陶瓷体，由于锆管内、外侧的氧含量不一致，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，在两电极间产生电压，如图7-2所示。当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、C_xH_y等较多。这些气体在锆管外表面的铂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，两电极间的电压陡增，可以产生约1V的电压；当混合气的实际空燃比大于理论空燃比，即发动机以较稀的混合气运转时，氧气浓度高，CO、C_xH_y浓度低，在锆管外表面的铂催化作用下，使CO、C_xH_y气体完全与氧发生反应，排气中仍有残余的氧存在，由于内、外两侧氧的浓度差较小，几乎不能产生电动势，此时输出电压几乎为零。结果，二氧化锆式氧传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变。

图7-1 二氧化锆氧传感器的构造

1—防护套管 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

图7-2 二氧化锆式氧传感器工作原理示意图

1—锆管 2—电极 3—电极引线 4—壳触点 5—排气管 6—多孔陶瓷支承 7—废气

根据氧传感器所产生的电压值就可测量氧传感器外表面的氧气含量，而发动机废气排放中的氧含量主要取决于混合气的空燃比，因此，ECU根据氧传感器输入的电信号分析汽油的燃烧状况，以便及时修正喷油量，使空燃比处于理想状况，即使空气过量系数λ=1，所以这种传感器又称为λ传感器。要准确地完全保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的，实际上氧传感器对喷油器的反馈调节是动态的，只能使混合气在理论空燃比附近一个较小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.1～0.8V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内少于8次）或电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明氧传感器本体或线路有故障，需检查线路或更换传感器。

2.加热型二氧化锆式氧传感器(www.xing528.com)

二氧化锆式氧传感器输出信号的强弱与工作温度有关，只有在300℃以上时该传感器才能正常工作，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，因此，电控发动机在氧传感器正常工作之前是开环控制。现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器，这种传感器在原来传感器的基础上，增加了一个陶瓷加热元件用于加热传感器，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，扩大了空燃比闭环控制的工作范围，故又称为加热型氧传感器。

氧传感器有一线制、二线制、三线制、四线制4种类型，其结构如图7-3所示。一线制氧传感器只有一根信号线与发动机ECU连接，传感器的另一极直接搭铁。二线制的两根线均与ECU相连，一根为信号线，另一根进入ECU后搭铁；三线制、四线制氧传感器均属于加热型氧传感器，由于添加了两根加热电阻的接线，和氧传感器信号线组合成为三线制或四线制。加热电阻的两根接线，一根直接接控制继电器或主继电器，接受12V加热电源，一根由ECU控制搭铁端，控制加热电阻加热时间。氧传感器加热器是正比例系数热敏元件，在传感器与线束断开的情况下，可以通过测量加热器的阻值来对加热元件进行检测。

图7-3 加热式二氧化锆氧传感器的结构

1—壳体 2—陶瓷管支承 3—加热电阻电缆 4—带槽的保护套 5—二氧化锆 6—接触元件 7—外保护套 8—加热元件 9—电加热触头 10—弹簧垫圈 11—氧传感器信号

3.双氧传感器系统

现代排放法规越来越严格，因此越来越多的车辆都在三元催化转化器的前、后端分别安装了氧传感器，称为双氧传感器系统，一个在三元催化转化器之前，称作主氧传感器或上游氧传感器，用于混合气反馈控制，发动机ECU根据主氧传感器的反馈信号，增加或减少喷油量，将实际空燃比控制在理论空燃比附近；另一个位于三元催化转化器之后，称作副氧传感器或下游氧传感器，用于监测三元催化转化器的催化净化效率。

因为正常运行的三元催化转化器在转化C_xH_y和CO时要消耗氧气，所以副氧传感器输出的电压信号比主氧传感器输出的电压信号波动要缓慢得多，两个氧传感器电压幅度差值可反映出三元催化转化器存储氧以及转换有害气体的能力。当三元催化转化器损坏时，其转化效率丧失，这时在其前后的排气管中的氧气量十分接近，几乎相当于没有安装三元催化转化器，前、后两个氧传感器的信号电压波形就趋于相同，并且电压波动范围也趋于一致，此时表明三元催化转化器转化能力下降。OBD-Ⅱ监视系统正是根据这个原理来检测三元催化转化器转化效率的。