氧传感器的检测及故障案例

氧传感器的检测

1、结构和工作原理

在使用三效催化转化器降低排放污染的发动机上，氧传感器是必不可少的。三效催化转化器安装在排气管的中段，它能净化排气中CO、HC和NOx三种主要的有害成分，但只在混合气的空燃比处于接近理论空燃比的一个窄小范围内，三效催化转化器才能有效地起到净化作用。故在排气管中插入氧传感器，借检测废气中的氧浓度测定空燃比。并将其转换成电压信号或电阻信号，反馈给ECU。ECU控制空燃比收敛于理论值。目前使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种，其中应用最多的是氧化锆式氧传感器。 （1）氧化锆式氧传感器

氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆陶瓷管（固体电解质），亦称锆管图1。

锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，内外表面均覆盖着一层多孔性的铅膜，其内表面与大气接触，外表面与废气接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个用于锆管内腔与大气相通的孔；电线将锆管内表面铂极经绝缘套从此接线端引出。

氧化锆在温度超过300℃后，才能进行正常工作。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，它只有一根接线与ECU相连（图 2a）。现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器（图 2b），这种传感器内有一个电加热元件，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。它有三根接线，一根接ECU，另外两根分别接地和电源

锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离。由于锆管内、外侧氧含量不一致，存在浓差，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，在两铂极间产生电压（图 3）。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、HC、H2等较多。这些气体在锆管外表面的铅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、外侧氧浓差加大，两铅极间电压陡增。因此，锆管氧传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近1V。

要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的范围内波动，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1Os少于8次）或电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明氧传感器有故障，需检修。 （2）氧化钛式氧传感器

氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻型氧传感器。二氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似，在传感器前端的护罩内是一个二氧化钛厚膜元件（图 4）。纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其品格便出现缺陷，电阻随之减小。由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化，因此，在二氧化钛式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钛式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。

如图 5所示，ECU 2#端子将一个恒定的1V电压加在氧化钛式氧传感器的一端上，传感器的另一端与ECU4#端子相接。当排出的废气中氧浓度随发动机混合气浓度变化而变化时，氧传感器的电阻随之改变，ECU4#端子上的电压降也随着变化。当4#端子上的电压高于参考电压时，ECU判定混合气过浓；当4#端子上的电压低于参考电压时，ECU判定混合气过稀。通过ECU的反馈控制，可保持混合气的浓度在理论空燃比附近。在实际的反馈控制过程中，二氧化钛式氧传感器与ECU连接的4#端子上的电压也是在0.1-0.9V之间不断变化，这一点与氧化锆式氧传感器是相似的。

2、氧传感器的检测

氧传感器的基本电路如图 6所示。

1）氧传感器加热器电阻的检测

点火开关置于“OFF”，拔下氧传感器的导线连接器，用万用表Ω档测量氧传感器接线端中加热器端子与自搭铁端子（图 6的端子1和2）间的电阻（图 7），其电阻值应符合标准值（一般为4-40Ω；具体数值参见具体车型说明书）。

（3）北京切诺基氧传感器的检测

北京切诺基采用的是带加热元件的氧传感器。它与ECU的连接如图 13所示

氧传感器上有4条导线，其中2条是氧传感器的信号输出线和地线，另2条是加热元件的电源输入线和接地线。该传感器可用DRBII或DRBⅢ测试仪进行测试，在没有DRBII或DRBⅢ测试仪的情况下，可采用下述测试方法：

A、用高阻抗数字式万用表Ω档对氧传感器进行测试拔下氧传感器线束插头，测试传感器A、B端子间的电阻值。正常情况下，其电阻值为5-7Ω，电阻值若为无穷大，则是加热电阻烧断，应更换氧传感器。

B、对氧传感器的输出电压进行测试良好的氧传感器，在接线正常情况下，当发动机处于正常工作温度且稳定运转时，氧传感器端子C、D间的电压值应为0-1V。

如果测得的电压值在0V且保持不变，则需反复开、闭节气门，使发动机转速变化。此时，若电压随节气门的开闭而变，则表明氧传感器良好；若电压值仍为0V，则说明氧传感器已经损坏。

如果测得的电压值在1V且保持不变，则需拆去进气歧管上的一根真空软管，让混合气变稀。此时，若电压值开始变化，则说明氧传感器有效，否则，说明氧传感器已损坏，应更换。

氧传感器的故障分析与诊断

由于环保的要求，许多汽车在排气系统中装有三元催化器，以减少汽车的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)的排放量。由于三元催化器在理想空燃比（14.7:1）附近时净化率最高，所以必须控制发动机工作在理想空燃比很窄的范围内。发动机每次工作循环的喷油由装在排气管中的氧传感器反馈给发动机的ECU，ECU中微机根据氧传感器的反馈信号修正喷油量，达到燃烧最完全。如图1所示为氧传感器的电路，其中发动机ECU的OX为氧传感器的信号输入端，HT为氧传感加热器的电源输出端。如果排气温度过低（冷态），HT便接通供电电路；如果排气温度过高（热态），HT便断开供电电路。

保险丝 主继电器 发动机ECU ~~ · · OX· ECU的 2· ·3 M-REL · · 1· ·4 HT· E1· 图 1

由于汽车尾气及排气温度的原因，使氧传感器的工作条件极其恶劣。因此造成一般无加热器的氧传感器的寿命约为5—8万公里，而有加热器的氧传感器的寿命比无加热器长3万公里。氧传感器的失效过程都是缓慢进行的，首先是它的响应速度变慢，输出信号的幅度变低，最后是输出信号不变化或完全没有信号输出。这时就会有故障代码出现（如丰田车系的故障代码为“21”“25”“26”“27”

“28”“29”），发动机检查灯或故障指示灯也会亮。

除了由于使用年限或行驶里程的增加而导致氧传感器的正常失效外，氧传感器还可能因汽油中含铅或冷却液中的硅胶腐蚀而提前失效，氧传感器的衬垫在维修过程中被拆掉所造成的尾气泄漏也会导致氧传感器提前失效。还有一些潜在的因素，例如燃油压力过高、喷油器损坏、发动机电脑和传感器损坏以及操作不当等，也都可能导致氧传感器提前失效。然而，导致氧传感器提前失效的首要原因是由发动机混合气过浓所造成的炭堵塞。

由于氧传感器的失效，微机得不到氧传感器的反馈信号，也就无法修正喷油量，使怠速时供给发动机过浓或过稀的混合气，造成发动机断火、工作不稳、加速滞后。

对氧传感器的故障诊断，可从以下几方面入手：

一、发动机冷态下怠速运转时，发动机ECU HT端子的电压为12V左右。如果没有加热电压，则氧传感器必然工作不良。 二、如果ECU HT端子的电压正常，则接下来应检查氧传感器内加热电阻的好坏。拔开氧传感器的导线连接器，用电阻表检测氧传感器的端子1和2间的电阻，其电阻值应符合标准值。一般正常值为几欧姆，如电阻值无穷大或为零，则说明电阻开路或短路，则须更换氧传感器。

三、发动机在中、高速运转时，发动机ECU的端子OX的电压应处于0—1V的跳跃状态，如长时间处于0V或1V时，可能是氧传感器故障，也可能是发动机其它部件故障。这时我们要对氧传感器的基本性能进行测试，以区分这几种可能性。测试采用示波器，方法有两种，增加空气法和增加燃料法：

1、示波器的接法：

虽然氧传感器有其作用电压，但其安培数相当小，也就很容易受到杂讯的干扰，因此在选探针时建议使用10:1的探针。然而你也可以使用1:1的探针，不过很容易有杂讯的产生，再者有些车型的氧传感器本身即有些微的杂讯电压存在，容易造成误判。

由于氧传感器必須与电脑保持讯号的接通，因此我們不可能拔开插头直接测量。在这里我们使用常见的:背插法，也就是利用类似大头针的针状物插入传感器背后的插座，由于插座与线端通常有防水橡皮，因此只要小心地延着橡胶細縫插入即可，这样並不会破坏到原线束或插座，此外在这里我们不建议使用线束穿剌法。

2、增加空气法

首先我们利用最简单的方法→拔开真空管，強迫发动机吸入更多的空气。找出一条真空管須在节气门之后，这样才有真空吸力存在。另外在选择所要拆下的真空管时，須注意一点：此条真空管必須不会影响到发动机混合控制，例如燃油压力阀整阀，如果拆下此真空管的话将会造成较大的燃烧压力，使得怠速测试时混合比会有较高的現象，而造成测试的数据有所误差。当发动机处于较浓的状态，拔开真空管，这时氧传感器的电压会马上下降，当发动机原本处于较稀的状态，氧传感器的电压將维持不变。但注意一点，若是翼板式、热线式的空气流量計，当拔开真空管较不会影响到流量计的电压输出变化，因此电脑回馈反应的动作就有所延迟，虽然会將空气过量系数λ调整到1，但速度较慢，所以它的曲线将维持较长时间的低电压。测试结果如图2、图3：

图 2：发动机怠速

图 3：发动机转速约1800r/min

3、增加燃料法

相对于上面例子我们可额外地加入燃料，強迫发动机提高混合比，此方法对于氧传感器长时间低电压有极佳的判断。但如何选择燃料种类呢？一般以市售的化油器清洗剂或是积碳清洗喷剂便是相当适合的选择，由于其中含极高易燃、氧化的物质，所以能夠在短时间內增加发动机供油的浓度。我们可预先拔开一条真空管並将它塞住，这时可以观查氧传感器的反应电压，如果都一直持续在低混合的状态，这时可以利用喷剂並喷入少許的量于真空管內，此时发动机的混合比將会急速地升高，此时氧传感器电压也将立即作出反应，由于量不多，因此高混合维持的时间並不长，稍后將恢复原來的状态。这时我们即可判断氧传感器是否在作用着。测试的結果如下图3（左图为喷一次的结果，右图为喷两次的结果）：

图 3

利用模拟器如何模拟氧传感器信号

这几年随着汽车设计和制造的整体发展，闭环控制已经成为一种大势所趋，尤其是电喷系统对闭环控制尤为常见，即通过安装氧传感器和三元催化器，实现电脑对于供油系统的全过程调整。这样可以大大的提高环保水平，但故障也就相对多起来。

氧传感器的损坏究竟会对汽车的运行产生多大的影响，很难有一个很好的解释，因为不同汽车对于氧传感器的依赖程度不同。但由于它的功能及工作原理比较独特，所以先掌握氧传感器的性质，对维修人员诊断电喷发动机的故障是有重要意义的。

氧传感器其实就是一个低电压、低电流的小发电机，当它的内外表面所接触的氧分子浓度不同时，便形成一个电位差，它的外表面伸入排气管中直接与发动机排气相接触，它的内表面与大气接触，大气中氧分子的浓度是不变的。而排气中氧分子的浓度是随混合气浓度的变化而变化的。当混合气的实际空燃比高于理论空燃比14.71，即稀混合气时，废气中剩余的氧分子浓度相对较高，这时氧传感器内外氧分子浓度相差较小，只能输出大约0.1V的电压;而当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即浓混合气时，废气中剩余的氧分子非常少，这时氧传感器内外表面氧分子浓度相差较大，可以输出大约1.0V左右的电压。这样，电脑就可以通过氧传感器输出的信号了解当前混合气浓度相对于理论值的微小偏差，于是根据这个信号相应调整喷油器的喷油脉宽，以弥补这个微小偏差，从而提高了控制的精度。

电喷轿车所采用的氧传感器大致分为单线、三线及四线等几种形式，它们的区别只在于三线或四线的氧传感器中多了一个加热装置，因为氧传感器只有在400℃以上才工作。在工作状态下，氧传感器反馈电压可以使用模拟器的直流电压档测量信号线对负极的电压。信号线绝对不能搭铁，否则将不可恢复性地损坏氧传感器。此时起动发动机并便水温达到

至少80℃，使发动机多次达到2500r/min后使发动机转速保持2500r/min,并观察模拟器显示的电压，电压值应在此0.1~0.9V之间迅速跳动，在1Os之内电压应在0.1~0.3V之间变化至少6~8次，若电压变化比较缓慢，不一定就是氧传感器或反馈控制系统有故障，可能是氧传感器表面被积炭覆盖而灵敏性降低。这时可使发动机高速运转几分钟以清除积炭，然后再观察氧传感器信号电压是否符合规定，如仍不符合规定，则进行下一步检查。

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