基于汽车氧传感器的工作原理检测和降低排放的研究
研究报告
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
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因汽车制造技术的升级换代加速和汽车数量的上升，人们对环保意识的加强，迫使汽车制造商对汽车排放也提出了新的使用标准，汽车电控技术不断更新，其中氧传感器的使用己极为普及，它促进汽车有害气体减排，提高燃油经济性。氧传感器是通过测算排气系统氧离子的剩余量,调控发动机喷油量，将氧传感器信号输给发动机ECU；ECU对喷油时间进行实时修正，这是闭环控制过程，使发动机尽可能在理想混合气附近工作，从而实现减排和省油。
1 氧传感器的工作原理和检测
汽车主、副氧传感器各安装在排气系统的三元催化器上下方，汽车燃烧后的有害气体成分有：一氧化碳（C O）、碳氢化合物
（HC）、氮氧化合物（N O x）等三种，若汽油能满足完全燃烧的条件，CO、HC也能做到低量排放。但当汽油达到完全燃烧时，缸内温度升高，导致N O x 迅速上升。因而，要使发动机工作时，达到其控制标准，为提高三元催化转换器的效率，其内部结构做成致密的蜂窝状，
有害气体与金属铂、铑、钯的作用，进行氧化及还原，转化成C O 2、H 2O、N 2等无害的气体。
三元催化器的工作条件有2个：(1）工作温度350℃以上;(2）在理想空燃比14.7∶1附近。所以汽车尾气在三元催化器作用下，氧传感器将空燃比转换成电信号供给发动机ECU。目前，汽车用氧传感器类型有：(1）二氧化锆型;(2）二氧化钛型;(3）宽带型等
三种。
1.1 二氧化锆氧传感器
它是以氧化锆陶瓷作为工作介质，在介质的内、外侧镀上一层铂薄膜，作为反应电极，氧化锆结构是疏松多孔的，当温度高于350℃时，氧与固体电解质发生作用，氧气产生电离，若传感器内外侧含氧量有差异，则氧离子会向排气侧扩散，内外侧产生一个电压差，氧化锆介质内形成一个电压很低的微电池。其工作原理：(1）当混合气稀时，汽油消耗的氧少，排气中的剩余氧离子数量高，传感器内外侧氧浓度差值变小，因而会输出低电压；(2）反之，当混合气浓时，汽油消耗的氧多，排气中的剩余氧离子数量低，传感器传感器内外侧氧浓度差值变大，因而会输出高电压。传感器工作时，在理论空燃比附近，电压值在0.5 V 附近会有突然改变。
当发动机工作时，信号电压会在0～1 V 之间不断变化，当电压在0.5～1 V变化时，表明混合气偏浓；当电压在0.5～0 V 变化时，表明混合气偏稀。若电压在0.5 V浓稀变化的次数每分钟大于10次时，表明氧传感器工作灵敏；若变化次数每分钟小于10次时，表明氧传感器工作失效，需要更换。
氧传感器会依据空燃比稀浓值，以时刻改变喷油器的喷油量。(1）当混合气浓时，电脑会缩短喷油时间，缩减喷油量；(2）当混合气稀时，电脑会延长喷油时间，增多
喷油量；改变喷油量的值，使空燃比收敛于
基于汽车氧传感器的工作原理检测和降低排放的研究
严景明
（广西电力职业技术学院 广西南宁 530007）
摘 要：随着汽车技术的发展，对汽车尾气排放标准要求越来越严格，氧传感器是汽车控制废气排放，提高燃油经济性的重要传感器之一，氧传感器的功能是通过监测排气中氧离子的含量,作为发动机调节空燃比的主要反馈信号，并将空燃比信号转变成电信号输入发动机ECU。该文通过介绍汽车氧传感器的工作原理、检测方法，针对不同类型的氧传感器，其检测方法也不同，氧传感器的故障会影响汽车尾气排放。因此，氧传感器的正常工作才能保证汽车的正常使用，有效降低汽车尾气排放。关键词：氧传感器 原理 检测 减少排放中图分类号：TP212 文献标识码：A
文章编号：1674-098X(2015)05(b)-0024-02
图1 二氧化锆输出电压与混合气的空燃比关系图2 二氧化钛氧传感器电压输出信号
图3 宽带氧传感器的电压变化
1.大气；
2.感应室电压；
3.ECU；
4.电极；
5.排气；
6.泵氧元；7
.泵氧元电流；8.测试腔；
9.扩散孔
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14.7∶1附近，如图1。
其控制方式为：喷油量少→混合气稀→排气的氧离子多→氧传感器输出低电位→ECU反馈调节喷油，喷油量增大。
相反：喷油量大→混合气浓→排气的氧离子少→氧传感器输出高电位→ECU反馈调节喷油，喷油量减少。
氧传感器要在较高的温度下，才能使氧气电离产生氧离子，为使氧传感器尽快达到350 ℃以上工作温度，另外附加了一个电阻为4～20 Ω的陶瓷加热器，发动机工作约半分钟后，达到350 ℃以上，因此，现在常用加热型二氧化锆氧传感器。1.2 二氧化钛氧传感器
二氧化钛是高阻抗的半导体，当其表面出现缺氧时，电阻降低。二氧化钛型氧传感器的阻值随排气中氧含量的变化而变化。所以，二氧化钛传感器的可变电阻就是一个信号源。
当发动机供给浓的混合气时，排气中的剩余氧离子数量低，二氧化钛阻值也会作出相应改变，电阻减小，传感器偏向于输出高电压，在0.5～1 V之间循环变动。另外，在三元催化器的铂作用下，废气中的氧离子与CO作用，变成CO 2，排气中的CO消耗，因而提高传感器的灵敏度。
当发动机的混合气稀时，排气中氧离子变多，二氧化钛电阻变大，传感器输出低电压,在0.5～0 V变化。
二氧化钛传感器的电阻变化的特点是：在理想空燃比附近时，会产生突然变化；这样也会导致信号电压改变，电压信号会与0.5 V作为一个中间值，在0～1 V之间循环变化，如图2。
为了提高传感器的反应速度，二氧化钛型一般都采用加热型。由于二氧化钛氧传感器价格比较便宜,用玻璃粉末或滑石粉末作密封剂，不易受到水气的腐蚀,因此，被越来越多的汽车利用。1.3 宽带氧传感器
(1)工作原理：宽带型氧传感器从结构图上看，分为两部分组成，如图3。
第一部分是感应室，分别与大气和测试腔相连；扩散孔连接排气系统，因感应室两侧的氧离子数量不一致，积聚的电子量不同而产生电压差值。如前所述，氧化锆传感器依据该电压作为基准，通过反馈电压信号控制喷油量，而宽带型氧传感器最大特点是：发动机ECU要促使感应室两侧的氧离子在工作时维持在某一恒定数值，因此，电压也稳定在一中间值0.45 V左右，该电压提供给ECU做参考值，由此，喷油量的调节还得依靠传感器的另一部分来完成。
从图可知，泵氧元是另一关键部件，泵
氧元分别与大气和测试腔作用，偏差的电压施加于氧化锆组件上，促进氧离子的发生偏移，测试腔中氧离子来自于排气侧，让感应室两侧的电压值稳定在0.45 V中间值，这个作用在泵氧元上变化的电压，就是氧传感器变化信号。
单元泵受控于发动机E CU，排气中的氧通过单元泵泵入到测试室，传感器调节信号取决于单元泵电流的变化，氧传感器电压信号维持在450 mV 附近，以此值作为参考，调整发动机的喷油量，实施空燃比调节。
宽带型氧传感器变化关系如下：由此可知：单元泵的工作电流传递给控制单元，控制单元电流换算成氧传感器电压值信号变化，从而调节混合气浓度，降低废气排放。
(2）宽带型氧传感器检测标准。共6线，1和5：0.4～0.5V，2和6：77.5 Ω(单元泵电阻)3和4加热器电阻：2.5～10 Ω。
传感器测试：单用万用表难于检测传感器的参数，可以借助于诊断仪读取数据流，这样会更加快捷有效。首先打开检测仪界面，选择车型，进入发动机电控系统01、选择读取数据流08、输入组号33，标记为01-08-33。
可用检测仪器如金德K T 600,进入发动机数据流参数，如宝来1.8T发动机可以读取：
（1）01-08-30-（111 110）第一位1、0变化
（2）01-08-32-（0.06-0.1）
（3）01-08-33-（-0.1- +0.1; 0.13～3.6 V）
检测：(1）其中传感器线端子3－4是加热线圈，提供12V电压；(2）线端子1－信号输出端，线端子5、6－参考电压；(3）端子2－泵电流输入。
起动发动机，信号电压值正常时，应与1.5 V作为基准值，在1～2 V之间循环变动。当混合气过稀（氧多）时，大于1.5 V；混合气过浓（氧少）时，小于1.5 V。在急加油与急减油时，电压可能在0.8与4.9伏之间，这是正常的。030组是传感器的工作状态，第一位在1、0回来变化，是正常的；传感器输出的电压值主要在033组反映。
特点：宽带氧传感器能够提供更加宽广的检测范围，可以空燃比在10至20连续检测，相当于混合气浓度在0.7～1.4之间宽范围调节，这样可以对混合气持续、实时控制，氧传感器在振幅较小的范围变动，也是实现排气控制高质量的决定性因素，宽带氧传感器有助于ECU的控制精度，燃油消耗
率可下降大约15％，降低了有害气体的排放，这也是氧传感器发展的方向。
2 维修实例
2.1 故障现象
有一辆捷达王A H P电喷轿车，行驶里程为28512 k m，怠速时废气超标，加油时排气管冒黑烟。2.2 排除过程
用大众VAG1552检测仪进入发动机电控系统，读取故障码为00553，含义为：出现空气流量计G70不可靠信号。经检查空气流量计的线路及电阻，未发现异常。再作检查；“08读取测量数据块”中的显示组02第四区是吸入空气量，怠速时为4.7 g /s,正常范围为2.0～5.0 g /s，说明空气流量计良好。再读显示组07的第二区，查氧传感器的电压值为0.13 V 不变，而正常的电压应在0.1～0.9 V之间来回变动，说明氧传感器失效。拆卸后，发现氧传感器顶尖部位的呈棕色。
2.3 原因分析
从颜色判断是氧传感器中毒，使氧传感器失效，氧传感器电压值为0.13 V，发动机控制单元不断增加喷油量，导致排气冒黑烟。发动机控制单元依据内储的数据，比较信号：空气流量计M A F信号－氧传感器信号后，控制单元判定M A F信号不准确，默认为“空气流量计G70不可靠信号”这个故障，同时电控系统各传感器相互影响，控制单元根据各信号的比较与计算结果设定故障码，不一定是传感器本身有问题。
3 结语
从氧传感器发展历史看，汽车排放应跟随科技发展而不断完善，从窄范围到宽范围调节，这是一个动态调节过程，反应迅速，以每秒时间内变化次数来衡量其性能状况，所以，氧传感器从工作原理上看，是一个混合气稀浓开关，也是发动机电控系统实行闭环反馈控制必备的传感器。
参考文献
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[4] 张珉豪.电脑控制引擎系统.欧亚汽车技
术有限公司,2000.
混合气浓度排气系统氧离子氧传感器电压单元泵电流调节后氧离子浓少大于0.45 V 增大增大稀
多
小于0.45 V
减少
减少