基于汽車氧傳感器的工作原理檢測和降低排放的研究

嚴(yán)景明

摘 要：隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，對汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)格，氧傳感器是汽車控制廢氣排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性的重要傳感器之一，氧傳感器的功能是通過監(jiān)測排氣中氧離子的含量，作為發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)空燃比的主要反饋信號，并將空燃比信號轉(zhuǎn)變成電信號輸入發(fā)動機(jī)ECU。該文通過介紹汽車氧傳感器的工作原理、檢測方法，針對不同類型的氧傳感器，其檢測方法也不同，氧傳感器的故障會影響汽車尾氣排放。因此，氧傳感器的正常工作才能保證汽車的正常使用，有效降低汽車尾氣排放。

關(guān)鍵詞：氧傳感器 原理 檢測 減少排放

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0024-02

因汽車制造技術(shù)的升級換代加速和汽車數(shù)量的上升，人們對環(huán)保意識的加強(qiáng)，迫使汽車制造商對汽車排放也提出了新的使用標(biāo)準(zhǔn)，汽車電控技術(shù)不斷更新，其中氧傳感器的使用己極為普及，它促進(jìn)汽車有害氣體減排，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。氧傳感器是通過測算排氣系統(tǒng)氧離子的剩余量，調(diào)控發(fā)動機(jī)噴油量，將氧傳感器信號輸給發(fā)動機(jī)ECU；ECU對噴油時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，這是閉環(huán)控制過程，使發(fā)動機(jī)盡可能在理想混合氣附近工作，從而實(shí)現(xiàn)減排和省油。

1 氧傳感器的工作原理和檢測

汽車主、副氧傳感器各安裝在排氣系統(tǒng)的三元催化器上下方，汽車燃燒后的有害氣體成分有：一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOx）等三種，若汽油能滿足完全燃燒的條件，CO、HC也能做到低量排放。但當(dāng)汽油達(dá)到完全燃燒時(shí)，缸內(nèi)溫度升高，導(dǎo)致NOx迅速上升。因而，要使發(fā)動機(jī)工作時(shí)，達(dá)到其控制標(biāo)準(zhǔn)，為提高三元催化轉(zhuǎn)換器的效率，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)做成致密的蜂窩狀，

有害氣體與金屬鉑、銠、鈀的作用，進(jìn)行氧化及還原，轉(zhuǎn)化成CO2、H2O、N2等無害的氣體。

三元催化器的工作條件有2個(gè)：（1）工作溫度350℃以上；（2）在理想空燃比14.7∶1附近。所以汽車尾氣在三元催化器作用下，氧傳感器將空燃比轉(zhuǎn)換成電信號供給發(fā)動機(jī)ECU。目前，汽車用氧傳感器類型有：（1）二氧化鋯型；（2）二氧化鈦型；（3）寬帶型等三種。

1.1 二氧化鋯氧傳感器

它是以氧化鋯陶瓷作為工作介質(zhì)，在介質(zhì)的內(nèi)、外側(cè)鍍上一層鉑薄膜，作為反應(yīng)電極，氧化鋯結(jié)構(gòu)是疏松多孔的，當(dāng)溫度高于350℃時(shí)，氧與固體電解質(zhì)發(fā)生作用，氧氣產(chǎn)生電離，若傳感器內(nèi)外側(cè)含氧量有差異，則氧離子會向排氣側(cè)擴(kuò)散，內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生一個(gè)電壓差，氧化鋯介質(zhì)內(nèi)形成一個(gè)電壓很低的微電池。其工作原理：（1）當(dāng)混合氣稀時(shí)，汽油消耗的氧少，排氣中的剩余氧離子數(shù)量高，傳感器內(nèi)外側(cè)氧濃度差值變小，因而會輸出低電壓；（2）反之，當(dāng)混合氣濃時(shí)，汽油消耗的氧多，排氣中的剩余氧離子數(shù)量低，傳感器傳感器內(nèi)外側(cè)氧濃度差值變大，因而會輸出高電壓。傳感器工作時(shí)，在理論空燃比附近，電壓值在0.5 V附近會有突然改變。

當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時(shí)，信號電壓會在0～1 V之間不斷變化，當(dāng)電壓在0.5～1 V變化時(shí)，表明混合氣偏濃；當(dāng)電壓在0.5～0 V變化時(shí)，表明混合氣偏稀。若電壓在0.5 V濃稀變化的次數(shù)每分鐘大于10次時(shí)，表明氧傳感器工作靈敏；若變化次數(shù)每分鐘小于10次時(shí)，表明氧傳感器工作失效，需要更換。

氧傳感器會依據(jù)空燃比稀濃值，以時(shí)刻改變噴油器的噴油量。（1）當(dāng)混合氣濃時(shí)，電腦會縮短噴油時(shí)間，縮減噴油量；（2）當(dāng)混合氣稀時(shí)，電腦會延長噴油時(shí)間，增多噴油量；改變噴油量的值，使空燃比收斂于14.7∶1附近，如圖1。

其控制方式為：噴油量少→混合氣稀→排氣的氧離子多→氧傳感器輸出低電位→ECU反饋調(diào)節(jié)噴油，噴油量增大。

相反：噴油量大→混合氣濃→排氣的氧離子少→氧傳感器輸出高電位→ECU反饋調(diào)節(jié)噴油，噴油量減少。

氧傳感器要在較高的溫度下，才能使氧氣電離產(chǎn)生氧離子，為使氧傳感器盡快達(dá)到350 ℃以上工作溫度，另外附加了一個(gè)電阻為4～20 Ω的陶瓷加熱器，發(fā)動機(jī)工作約半分鐘后，達(dá)到350 ℃以上，因此，現(xiàn)在常用加熱型二氧化鋯氧傳感器。

1.2 二氧化鈦氧傳感器

二氧化鈦是高阻抗的半導(dǎo)體，當(dāng)其表面出現(xiàn)缺氧時(shí)，電阻降低。二氧化鈦型氧傳感器的阻值隨排氣中氧含量的變化而變化。所以，二氧化鈦傳感器的可變電阻就是一個(gè)信號源。

當(dāng)發(fā)動機(jī)供給濃的混合氣時(shí)，排氣中的剩余氧離子數(shù)量低，二氧化鈦?zhàn)柚狄矔鞒鱿鄳?yīng)改變，電阻減小，傳感器偏向于輸出高電壓，在0.5～1 V之間循環(huán)變動。另外，在三元催化器的鉑作用下，廢氣中的氧離子與CO作用，變成CO2，排氣中的CO消耗，因而提高傳感器的靈敏度。

當(dāng)發(fā)動機(jī)的混合氣稀時(shí)，排氣中氧離子變多，二氧化鈦電阻變大，傳感器輸出低電壓，在0.5～0 V變化。

二氧化鈦傳感器的電阻變化的特點(diǎn)是：在理想空燃比附近時(shí)，會產(chǎn)生突然變化；這樣也會導(dǎo)致信號電壓改變，電壓信號會與0.5 V作為一個(gè)中間值，在0～1 V之間循環(huán)變化，如圖2。

為了提高傳感器的反應(yīng)速度，二氧化鈦型一般都采用加熱型。由于二氧化鈦氧傳感器價(jià)格比較便宜，用玻璃粉末或滑石粉末作密封劑，不易受到水氣的腐蝕，因此，被越來越多的汽車?yán)谩?/p>

1.3 寬帶氧傳感器

（1）工作原理：寬帶型氧傳感器從結(jié)構(gòu)圖上看，分為兩部分組成，如圖3。

第一部分是感應(yīng)室，分別與大氣和測試腔相連；擴(kuò)散孔連接排氣系統(tǒng)，因感應(yīng)室兩側(cè)的氧離子數(shù)量不一致，積聚的電子量不同而產(chǎn)生電壓差值。如前所述，氧化鋯傳感器依據(jù)該電壓作為基準(zhǔn)，通過反饋電壓信號控制噴油量，而寬帶型氧傳感器最大特點(diǎn)是：發(fā)動機(jī)ECU要促使感應(yīng)室兩側(cè)的氧離子在工作時(shí)維持在某一恒定數(shù)值，因此，電壓也穩(wěn)定在一中間值0.45 V左右，該電壓提供給ECU做參考值，由此，噴油量的調(diào)節(jié)還得依靠傳感器的另一部分來完成。

從圖可知，泵氧元是另一關(guān)鍵部件，泵氧元分別與大氣和測試腔作用，偏差的電壓施加于氧化鋯組件上，促進(jìn)氧離子的發(fā)生偏移，測試腔中氧離子來自于排氣側(cè)，讓感應(yīng)室兩側(cè)的電壓值穩(wěn)定在0.45 V中間值，這個(gè)作用在泵氧元上變化的電壓，就是氧傳感器變化信號。

單元泵受控于發(fā)動機(jī)ECU，排氣中的氧通過單元泵泵入到測試室，傳感器調(diào)節(jié)信號取決于單元泵電流的變化，氧傳感器電壓信號維持在450 mV附近，以此值作為參考，調(diào)整發(fā)動機(jī)的噴油量，實(shí)施空燃比調(diào)節(jié)。

寬帶型氧傳感器變化關(guān)系如下：

由此可知：單元泵的工作電流傳遞給控制單元，控制單元電流換算成氧傳感器電壓值信號變化，從而調(diào)節(jié)混合氣濃度，降低廢氣排放。

（2）寬帶型氧傳感器檢測標(biāo)準(zhǔn)。

共6線，1和5：0.4～0.5V，2和6：77.5 Ω（單元泵電阻）3和4加熱器電阻：2.5～10 Ω。

傳感器測試：單用萬用表難于檢測傳感器的參數(shù)，可以借助于診斷儀讀取數(shù)據(jù)流，這樣會更加快捷有效。首先打開檢測儀界面，選擇車型，進(jìn)入發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)01、選擇讀取數(shù)據(jù)流08、輸入組號33，標(biāo)記為01-08-33。

可用檢測儀器如金德KT600，進(jìn)入發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)流參數(shù)，如寶來1.8T發(fā)動機(jī)可以讀?。?/p>

（1）01-08-30-（111 110）第一位1、0變化

（2）01-08-32-（0.06-0.1）

（3）01-08-33-（-0.1- +0.1； 0.13～3.6 V）

檢測：（1）其中傳感器線端子3-4是加熱線圈，提供12V電壓；（2）線端子1-信號輸出端，線端子5、6-參考電壓；（3）端子2-泵電流輸入。

起動發(fā)動機(jī)，信號電壓值正常時(shí)，應(yīng)與1.5 V作為基準(zhǔn)值，在1～2 V之間循環(huán)變動。當(dāng)混合氣過?。ㄑ醵啵r(shí)，大于1.5 V；混合氣過濃（氧少）時(shí)，小于1.5 V。在急加油與急減油時(shí)，電壓可能在0.8與4.9伏之間，這是正常的。030組是傳感器的工作狀態(tài)，第一位在1、0回來變化，是正常的；傳感器輸出的電壓值主要在033組反映。

特點(diǎn)：寬帶氧傳感器能夠提供更加寬廣的檢測范圍，可以空燃比在10至20連續(xù)檢測，相當(dāng)于混合氣濃度在0.7～1.4之間寬范圍調(diào)節(jié)，這樣可以對混合氣持續(xù)、實(shí)時(shí)控制，氧傳感器在振幅較小的范圍變動，也是實(shí)現(xiàn)排氣控制高質(zhì)量的決定性因素，寬帶氧傳感器有助于ECU的控制精度，燃油消耗率可下降大約15%，降低了有害氣體的排放，這也是氧傳感器發(fā)展的方向。

2 維修實(shí)例

2.1 故障現(xiàn)象

有一輛捷達(dá)王AHP電噴轎車，行駛里程為28512 km，怠速時(shí)廢氣超標(biāo)，加油時(shí)排氣管冒黑煙。

2.2 排除過程

用大眾VAG1552檢測儀進(jìn)入發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)，讀取故障碼為00553，含義為：出現(xiàn)空氣流量計(jì)G70不可靠信號。經(jīng)檢查空氣流量計(jì)的線路及電阻，未發(fā)現(xiàn)異常。再作檢查；“08讀取測量數(shù)據(jù)塊”中的顯示組02第四區(qū)是吸入空氣量，怠速時(shí)為4.7 g/s，正常范圍為2.0～5.0 g/s，說明空氣流量計(jì)良好。再讀顯示組07的第二區(qū)，查氧傳感器的電壓值為0.13 V不變，而正常的電壓應(yīng)在0.1～0.9 V之間來回變動，說明氧傳感器失效。拆卸后，發(fā)現(xiàn)氧傳感器頂尖部位的呈棕色。

2.3 原因分析

從顏色判斷是氧傳感器中毒，使氧傳感器失效，氧傳感器電壓值為0.13 V，發(fā)動機(jī)控制單元不斷增加噴油量，導(dǎo)致排氣冒黑煙。發(fā)動機(jī)控制單元依據(jù)內(nèi)儲的數(shù)據(jù)，比較信號：空氣流量計(jì)MAF信號-氧傳感器信號后，控制單元判定MAF信號不準(zhǔn)確，默認(rèn)為“空氣流量計(jì)G70不可靠信號”這個(gè)故障，同時(shí)電控系統(tǒng)各傳感器相互影響，控制單元根據(jù)各信號的比較與計(jì)算結(jié)果設(shè)定故障碼，不一定是傳感器本身有問題。

3 結(jié)語

從氧傳感器發(fā)展歷史看，汽車排放應(yīng)跟隨科技發(fā)展而不斷完善，從窄范圍到寬范圍調(diào)節(jié)，這是一個(gè)動態(tài)調(diào)節(jié)過程，反應(yīng)迅速，以每秒時(shí)間內(nèi)變化次數(shù)來衡量其性能狀況，所以，氧傳感器從工作原理上看，是一個(gè)混合氣稀濃開關(guān)，也是發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)反饋控制必備的傳感器。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾顯恒，苗全生.汽車發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的診斷與修復(fù)[M].上海交通大學(xué)出版社，2012.

[2] 宋年秀，劉超.怎樣檢測汽車傳感器[J].中國電力出版社，2007.

[3] 張民.大眾捷達(dá)維修手冊.一汽—大眾有限公司，2001.

[4] 張珉豪.電腦控制引擎系統(tǒng).歐亞汽車技術(shù)有限公司，2000.