《汽车微电脑控制系统与故障检测》王忠良 人民邮电出版社氧浓度传感器氧浓度传感器(又称氧传感器)是发动机电子控制系统中一个重要的传感器，其作用就 是把排气中氧的浓度转换为电压信号，微电脑根据氧浓度传感器输入的信号判断混合气的浓 度，进而修正喷油量，最终将缸内混合气的浓度控制在理想空燃比14．7附近。

现代汽车为了降低发动机排气中的有害成分(CO 、HC 、NO X 等)的含量，在排气管中安装了三元催化转换装置。

三元催化转换装置内有三元催化剂(常用的是铂、钯、铑)，三元催化剂能促使排气中的有害成分进行化学反应，可使CO 氧化为CO 2，使HC 氧化为CO 2和H 2O ，将NOx 还原为N 2。

但是，只有当发动机在14．7空燃比附近的一个很小范围内运转时，三元催化剂才能同时促进氧化、还原反应，三元催化转换装置的转换效率才最高，排气中有害物质的含量才最低。

因此，现代汽车中均安装了氧传感器。

氧传感器的数量因车而异，有的发动机只有一个氧传感器：有的双排气管发动机在左、 右排气管上各安装一个氧传感器，这样该系统就有两个氧传感器，即左氧传感器和右氧传感 器；也有的双排气管发动机在每个排气管的三元催化转换装置前、后各安装一个氧传感器(分 别叫主、副氧传感器)，这样该系统共有4个氧传感器，即左主氧传感器、左副氧传感器、 右主氧传感器以及右副氧传感器。

氧传感器安装在排气管中排气消音器的前面。

一、氧传感器的结构与工作原理氧传感器根据内部敏感材料的不同分为氧化锆式(也称锆管式)和氧化钛式两种。

1．氧化锆式氧传感器氧化锆式氧传感器是目前应用最多的氧传感器，它主要由锆管、电极等组成，如图1—42图l —42 氧化锆式氧传感器的结构氧化锆式氧传感器内部的敏感元件是二氧化锆(ZrO 2)固体电解质。

在二氧化锆固体电 解质粉末中添加少量的添加剂并烧制成管状，便称为锆管。

紧贴锆管内、外表面的是作为锆 管内、外电极的铂膜，内、外电极通过电极引线与传感器的线束插接器相连。

锆管的内电极 与外界大气相通，外电极与排气管内的排气相通。

为防止发动机排出的废气腐蚀外层的铂电极，在外层铂电极表面都覆盖着一层多孔性的陶瓷层。

作为锆管外电极的金属铂的另一个重要作用是催化作用，对排气中(尤其是外电极铂膜 附近)的一氧化碳(CO)和氧气(O 2)起催化作用，使其反应生成二氧化碳(CO 2)，其化学反应式为：2CO+O 2−−→−催化剂2CO 2这种催化作用尽可能多地使浓混合气燃烧后排放废气中的低浓度氧气(O 2)和高浓度一 氧化碳(CO)发生化学反应(甚至可使氧气全部参加反应)。

这样既减少了废气中一氧化碳的含量，又增大了锆管内、外层之间的氧浓度差，增大了锆管的输出信号电压。

由于氧化锆陶瓷管的强度很低，为了防止因排气压力冲击而致使陶瓷管破碎，因而在锆管的外部套有一个带长缝槽的耐热金属保护套(管)，保护套(管)上的长缝槽是用于使排气流通。

发动机运转时，排气管内废气从锆管外电极表面的陶瓷层渗入，与外电极接触，内电极与大气接触。

锆管内、外侧存在氧浓度差，使氧化锆电解质内部的氧离子开始向外电极扩散，扩散的结果是在内、外电极之间产生电位差，形成了一个微电池。

其外电极为锆管负极，内电极为锆管正极。

图1—43为氧传感器的工作原理图。

氧化锆式氧传感器的输出电压特性是：当汽缸内混合气较浓时，排气中氧的含量较低，一氧化碳的含量相对较高，而且在锆管外电极铂膜的催化作用下排气中的氧几乎全部参加反应，生成了二氧化碳，使锆管外表面上氧离子浓度几乎为零，而锆管的内表面与大气相通，氧离子浓度很大，锆管内、外两侧氧浓度差很大，因此在内、外电极之间产生了较大的电压信号(0．8～1．0V)。

当汽缸内混合气较稀时，排气中氧的含量较高，一氧化碳的含量相对较低，即使一氧化碳全部与氧离子参加反应，锆管外表面还是有多余的氧离子存在，锆管内、外两侧氧浓度差小，因此在内、外电极之间只产生较小的电压信号(约0．1V)。

由图1—44所示的氧传感器特性曲线可以看出，氧传感器的输出电压在理想空燃比(即14．7)附近发生突变。

混合气空燃比稍高于14．7时，氧传感器输出信号电压几乎为零；混合气空燃比稍低于14．7时，氧传感器输出信号电压接近1．0V；混合气空燃比为14．7时，氧传感器输出信号电压约为0．45V。

如图1—45所示，如果没有外电极铂的催化作用，使锆管外侧的氧离子急剧减少到零，那么在浓混合气时就不会有接近1.0V的高电压信号，传感器的输出信号也不会在混合气由浓变稀时出现跃变现象，这正是使用铂电极的另一个重要因素。

在氧化锆式氧传感器的使用过程中，氧传感器的外侧铂电极会因汽油和润滑油硫化产生的硅酮等颗粒物质附着在其表面上而逐渐失效，内侧铂电极也会被传感器内部端子处用于防水的橡胶逐渐污染，因此氧化锆式氧传感器应定期更换。

氧化锆式氧传感器的工作状态与工作温度有着密切的关系。

氧化锆式氧传感器在温度低于300℃时，无信号电压输出，而在300℃一800℃的温度范围内最敏感，输出信号最强。

虽然可利用排气热量对其进行加热，但其工作温度不稳定，而且发动机启动后数分钟才能达到正常工作温度。

因此，目前大部分氧化锆式氧传感器内都增设了陶瓷式电热元件，由汽车电源进行加热，通电后可使氧传感器温度保持在300℃附近。

加热式氧传感器的结构如图1—46所示。

图1—46 加热式氧传感器的结构加热式氧传感器的线束插接器一般有4个端子(也有的是3个)，其中两个是传感器信号输出端子，另外两个是电加热元件的电源输入端子。

有的轿车采用非加热式氧传感器，这种传感器的线束传感器一般有两个或一个接线端子，它们是传感器信号输出端子。

当采用一个端子时，传感器的外壳搭铁，作为传感器的另一个信号输出端子。

2．氧化钛式氧传感器氧化钛式氧传感器的材料是二氧化钛(TiO2)。

二氧化钛在常温下的电阻值是稳定的，但当其表面缺氧时，其内部晶格会出现缺陷，电阻会大大降低。

氧化钛式氧传感器就是利用二氧化钛的这种性能制成的。

氧化钛式氧传感器的外形与氧化锆式氧传感器相似，但体积较小。

在氧传感器前端的护罩内有一个二氧化钛厚膜元件，如图1—47所示。

当二氧化钛表面氧浓度发生变化时，其电阻值也随着变化，微电脑根据此变化来确定混合气的浓度变化。

另外，排气温度的变化也会影响到二氧化钛的电阻值。

为了消除温度的影响，在氧化钛式氧传感器内都设有电加热元件，使其在恒定的温度下工作。

氧化钛式氧传感器的加热元件用钨丝或陶瓷材料加工而成。

图1-48为氧化钛式氧传感器与微电脑的连接电路示意图。

微电脑将一个恒定的1．0V 电压通过端子3加在氧化钛式氧传感器的正极上。

当发动机排气中氧含量的变化引起二氧化钛电阻变化时，微电脑将从氧传感器负极端子4接收到变化的电压信号。

混合气较浓时，排气中氧的含量较低，二氧化钛电阻值较小，氧传感器负极向微电脑输入一个高电压信号；反之，混合气较稀时，排气中氧的含量较高，二氧化钛电阻值较大，氧传感器负极向微电脑输入一个低电压信号。

氧传感器的信号电压在空燃比为14．7附近时发生突变，如图1—49所示。

3．电控汽油喷射系统的闭环控制微电脑根据氧传感信号对喷油量进行修正。

混合气较浓时，氧传感信号电压接近1．0V，微电脑即发出指令，减少喷油量，使混合气浓度降低；混合气较稀时，氧传感信号电压接近0．1V，微电脑即发出指令，增加喷油量，使混合气变浓。

如此循环，就可将混合气浓度调节在理想空燃比附近，从而使三元催化转换装置的转换效率最高，这样既降低了排气污染，同时也提高了燃料经济性。

这种微电脑根据氧传感器输入信号对喷油量进行修正的控制方式称为闭环控制，图1—50为闭环控制示意图。

反之，微电脑不接收氧传感信号的控制方式称为开环控制。

图1-50 汽油喷射闭环控制示意图装有氧传感器的发动机并非在所有工况下都进行闭环控制。

在某些需要提供较浓或较稀混合气的工况下应实行开环控制。

实行开环控制的工况有：发动机启动时；发动机怠速运转时；发动机大负荷(节气门全开)运转时；减速断油时：发动机冷却水温度较低时；微电脑未接收到氧传感信号时。

二、氧传感器的工作电路非加热式氧传感器与微电脑之间有两条连接导线。

氧化锆式传感器的两条连接导线分别是输出信号线和搭铁线，如图1—51(a)所示：氧化钛式传感器的两条连接导线分别是1V的电源线和输出信号线，如图1—51(b)所示。

图1-51 非加热式氧传感器工作电路加热式氧传感器除了具有非加热式氧传感器的两条连接导线外，还有两条导线，其中一条是加热器的搭铁线，另一条是通过微电脑主继电器供给加热器的电源线。

加热氧传感器的工作电路如图1—52所示。

图1-52 北京切诺基汽车氧传感器工作电路三、氧传感器的故障氧传感信号不正常会引起三元催化转换装置转换效率降低、排气污染加剧以及油耗上升。

氧传感器常见的故障有氧传感器老化、氧传感器中毒、氧传感器破裂、氧传感器内部加热元件损坏、导线断开以及氧传感器信号不正确等，其中传感元件老化和中毒是氧传感器失效的主要原因。

氧传感器的传感元件受到污染而失效的现象称为氧传感器中毒，氧传感器中毒主要是指铅(Pb)中毒、硅(Si)中毒和磷(P)中毒。

1．氧传感器老化氧传感器老化的主要原因是传感元件局部表面温度过高。

在电控汽油喷射系统进行闭环控制的过程中，缸内混合气的浓度总是在理想空燃比(14．7)附近波动，进入缸内的空气和燃油的比例恰当，能够完全参加反应，排气中几乎没有过剩的燃油，排气中未燃物的燃烧现象几乎不存在，排气温度相对较低。

但是在发动机刚刚启动(特别是冷启动)后以及在大负荷等工况下工作时，为了使发动机温度尽快达到正常或增大发动机输出功率，需要供给足够的燃油，提供较浓的混合气。

但是这样就会使燃烧进行得不彻底，排气中未燃物增多，过剩的燃油就会在氧传感器的表面进一步燃烧。

其结果是一方面使传感元件局部表面温度过高(超过1000℃)，加速传感器老化；另一方面形成炭粒而导致氧传感器表面的保护层剥落。

氧传感器老化后，其输出的信号不敏感，不能快速、准确地反应混合气浓度的变化(即没有跃变现象)，最终造成喷油量控制不准确。

2．铅中毒铅中毒是指燃油或润滑油添加剂中的铅离子与氧传感器的铂电极发生化学反应，导致催化剂铂的催化性能降低的现象。

为了提高汽油的抗爆性能，通常在汽油中加入添加剂四乙基铅，添加了四乙基铅的汽油虽然能够防止爆燃现象，但对氧传感器的使用寿命有致命的影响。

试验证明：如果每升汽油中含有1.8g铅，那么当汽车行驶480km后氧化锆式氧传感器就会出现严重的铅中毒现象；如果每升汽油中含有0.15g铅，那么当汽车行驶1000km之后，氧化锆式氧传感器就会出现严重的铅中毒现象。

由此可见，配装有氧化锆式氧传感器以及三元催化转换器的汽车应当禁止使用含铅汽油。