全量程氧传感器：汽车传感器原理、故障检测与突破

为了克服普通氧传感器的缺陷，人们开发出了新一代氧传感器——全量程氧传感器。全量程氧传感器为五、六线制，属于线性、电流型氧传感器，在全空燃比范围内（λ=0.7～4.0）起作用。它由一个普通窄范围浓度差电压型氧传感器（能斯特元件）、氧气泵单元（ZrO₂）、加热线圈、传感器控制器及扩散小孔、扩散室等构成。

当排气管废气中的氧离子通过扩散通道进入测量区时，氧气泵单元泵入或泵出氧离子，并使氧浓度达到λ=1，以使其电压值控制在0.45V附近，即将普通氧传感器的输出电压（能斯特电压为0.45V）传送到传感器内的运算放大器，通过与ECU输入传感器的比较电压比较后，运算放大器制泵电流I_P计算出排气管中实际的氧浓度，进而控制喷油量。

一般来讲，全量程氧传感器只用于催化转化器之前，催化转化器之后必为普通氧传感器。后氧传感器只负责校验，当前氧传感器出现故障时，发动机进入开环紧急运行状态。查看发动机盖下的标识，如果标识为HOS，则为普通氧传感器；如果标识为A/F S，则为全量程氧传感器。

1.全量程氧传感器的结构

新型全量程氧传感器由一个氧气泵单元、普通窄范围浓度差电压型二氧化锆式氧传感器、加热线圈、传感器控制器及扩散小孔、测量室等构成，如图7-9所示。

图7-9 新型全量程氧传感器的结构

（1）二氧化锆泵电流（氧气单元泵）如果ZrO₂元件两端的氧气浓度不均，就会导致ZrO₂元件两端产生微小电压；反过来，当在ZrO₂元件两端施加电压时，就会使氧气扩散。在全量程氧传感器中，单元泵是将尾气中的氧气通过扩散栅渗透到电源负极，在负极氧气分子得到4个电子变成氧离子，氧离子在电离作用下在ZrO₂电解质中运动到正极，在正极中结合4个电子，又还原成氧气，这就是单元泵的泵氧原理。图7-10所示为单元泵工作原理，图7-11所示为泵电流特性。

图7-10 单元泵工作原理

图7-11 泵电流特性

（2）测量室 尾气中的氧气和氧气泵产生的氧气汇集于测量室，二氧化锆式氧传感器在此测量二者浓度之和与外部空气的氧浓度差，并产生与普通窄范围浓度差电压型二氧化锆式氧传感器一样的用于分辨氧浓度的电压值。

（3）传感器控制器 传感器控制器在接收到二氧化锆式氧传感器的反馈电压信号后，将产生一个泵电流流经全量程氧传感器氧气泵单元，氧气泵单元泵入或泵出氧离子，并使氧浓度达λ=1，以使其电压值控制在0.45V附近，发动机ECU根据氧气泵单元泵电流的大小和方向，判断气缸内混合气的稀浓程度，从而控制喷油脉宽。

（4）加热线圈 加热线圈是配合上述的普通窄范围浓度差电压型二氧化锆式氧传感器快速进入工作温度的加热装置，但又稍有差别。全量程氧传感器的加热速度远比普通氧传感器快，这使得发动机从开环控制到闭环控制的时间缩短。

（5）二氧化锆参考电压 二氧化锆参考电池的工作原理和常规ZrO₂相同，是普通窄范围浓度差电压型二氧化锆式氧传感器，其功能为采集混合气氧含量，二氧化锆式氧传感器产生的信号是全量程氧传感器施加泵电流的依据信号。

2.全量程传感器的工作原理

全量程传感器是指利用氧浓度差电压原理和氧气泵的泵氧原理，能连续检测混合气从过浓到理论空燃比再到稀薄状态整个过程的一种传感器，如图7-12所示。当混合气过浓时氧气泵单元就会吸入O₂到测定室中；而当排放气体比混合气空燃比稀薄时，则从测定室中放出O₂到排放气体中去。全范围空燃比就是利用这一特点用氧气泵单元供给测定室的O₂，使排放保持在理论空燃比附近。这样就通过测定氧气泵单元的电流I_P来测定排放气体中的空燃比A/F。混合气空燃比在过浓一侧为负电流，在稀薄一侧为正电流，当理论空燃比A/F为14.7时，电流值为零，即可连续测量出空燃比，更换传感器时必须连插头一起更换。

（1）混合气过浓 氧气泵的泵氧量与通过扩散通道进入测量室的氧量叠加后，测量室中氧的含量较少，二氧化锆参考电压信号电压值上升，浓混合气产生高于参考电压的电压值，传感器ECU就会产生泵电流，自动增加单元泵的工作电流（使泵入测试室的氧量增加），使二氧化锆参考电压信号尽快恢复到0.45V的电压值。ECU接收到单元泵的工作电流（ECU将其折算成电压值信号），根据增加的泵电流，ECU减少喷油量。混合气过浓时氧传感器的工作过程如图7-13所示。(www.xing528.com)

图7-12 全量程氧传感器

图7-13 混合气过浓时氧传感器的工作过程

（2）混合气较稀 通过扩散通道进入测量室中的发动机尾气氧含量较多，二氧化锆参考电压信号电压值下降，富氧的稀混合气产生低于参考电压的电压值，传感器控制器就会产生泵电流，自动减小或反向提供单元泵的工作电流I_p（使泵入测试室的氧量减少），使二氧化锆参考电压信号尽快恢复到0.45V的电压值。ECU接收到单元泵的工作电流（控制单元将其折算成电压值信号），根据减少的泵电流，推算出空燃比，加大喷油量。混合气过稀时氧传感器的工作过程如图7-14所示。

图7-14 混合气过稀时氧传感器的工作过程

3.读取氧传感器G39/G130数据流及端子检测

（1）读取数据流 选择功能08读取数据块30组，一区显示111，同时第一位能在0与1之间变换。一区表示前氧传感器工作状态，第1位1表示氧传感器正在加热，第2位1表示λ调节已准备好，第3位1表示λ调节在工作。

读取数据流033组，第1区是前氧传感器调节值，标准是-10.0%～+10.0%。第2区是前氧传感器电压值，标准是1.0～2.0V，并且在1.5V上下跳动。发动机控制单元接收氧传感器信号后，判断发动机混合气过稀，所以ECU控制喷油器延长喷油时间，使喷油量增加，供给变浓的混合气。如果氧传感器的自学习值已经达到极限25%，说明混合气太稀，发动机控制单元就持续地增加供油量，造成混合气总是处于过浓状态。造成该数据流如此变化的可能原因：进气系统漏气；空气流量计与节气门间漏气；喷油嘴堵塞，喷油不畅；空气流量传感器故障；燃油压力低；排气管漏气；氧传感器加热器损坏；氧传感器脏污或氧传感器本身损坏。新款高尔夫A6轿车电路如图7-15所示。

图7-15 新款高尔夫A6轿车电路图

G39—氧传感器 G130—尾气催化净化器下游的氧传感器 J623—发动机ECU（安装在排水槽内中部） T6w—6芯W插头连接 T4v—4芯V插头 T94—94芯插头连接 Z19—氧传感器加热 Z29—尾气催化净化器后的氧传感器1加热装置

ws—白色 sw—黑色 rt—红色 br—棕色 bl—蓝色 gr—灰色 gn—绿色 ge—黄色

（2）外观颜色检查 全量程氧传感器性能的检查分为3种情况：一是检测氧传感器电阻；二是测量氧传感器电压输出信号；三是观察氧传感器外观颜色。

通过观察氧传感器顶部的颜色，可以判断故障的原因。氧传感器顶部的正常颜色为淡灰色，如果发现氧传感器顶部颜色发生变化，则预示着氧传感器存在故障或故障隐患。氧传感器顶部呈黑色，是由于积炭污染造成的，可拆下氧传感器后清除其上的积炭。氧传感器顶部呈红棕色，说明氧传感器受铅污染，此时甚至不起净化作用。如果氧传感器顶部呈白色，说明是硅污染造成的，原因是发动机在维修时使用了不符合要求的硅密封胶，此时必须更换氧传感器。

（3）输出电压检查 全量程氧传感器输出电压不能用万用表直接测量，而应通过专用解码器读取数据流。发动机ECU将全量程氧传感器的电流信号转化为电压值显示出来，其规定电压值为1.0～2.0V，发动机运转时全量程氧传感器的输出电压应在1.0～2.0V之间波动。当电压值大于1.5V时，表示混合气过稀；当电压值小于1.5V时，表示混合气过浓。当电压值为0V、1.5V、4.9的恒定值时，则表明氧传感器本身或其线路有故障。