项目四 认识电子控制系统 任务四 检修氧传感器

任务描述 一台发动机油耗过高，尾气排放超标。通过手持式汽车诊断电脑的检查，检测出与氧传感器相关的故障码，需对氧传感器及电路进行检查，确定故障部位，并维修或更换。那么氧传感器是如何工作的，工作原理又是什么，通过本单元的学习我们将掌握氧传感器的相关知识与技能。

任务目标 1、了解氧传感器的作用。 2、熟悉氧传感器的安装位置。 3、了解氧传感器的类型。 4、理解氧传感器的工作原理。 5、掌握氧传感器的检测，并能识读电路图。

知识储备 一、氧传感器的作用 氧传感器通过检测空燃比，实现空燃比闭环控制。氧传感器比较空气中的氧含量和废气中的残余氧含量，并输送给控制单元一个电压信号，如果氧传感器头部的孔堵塞、氧传感器受到过度的热应力、氧传感器太冷或氧传感器加热器不工作、氧控制关闭（在喷射系统中控制单元检测到故障），将使电压不变化或者缓慢变化，发动机可能出现怠速不稳定、油耗上升和排放超标等现象。 二、氧传感器的安装位置 如图4-4-1所示，为氧传感器和空燃比传感器安装位置。氧传感器安装在发动机排气管上。 图 4-4-1 氧传感器和空燃比传感器的安装位置

三、氧传感器的类型（见表4-4-1） 表4-4-1 氧传感器的类型

四、氧化锆式氧传感器的结构与工作原理 氧化锆式氧传感器主要由锆管、加热元件、电极引线、钢质护管、钢质壳体、防水护套等组成，其结构如图4-4-2所示。 图4-4-2 氧化锆式氧传感器结构

高温下，部分氧分子发生电离，形成氧离子。这些氧离子可以渗过某些固体电解质（二氧化锆、氧化钍等）。当这些电解质两个表面之间的氧离子浓度不同时，浓度高处的氧离子就会向浓度低的一侧扩散，如果在固体电解质两个表面之间设置电极，就可以得到电动势。氧化锆式氧传感器就是根据这一原理制成的，其电解质材料为锆管（即二氧化锆），如图4-4-3所示，锆管内侧与氧离子浓度较高的大气相通，外侧与氧离子浓度较低的废气相通，锆管的内、外侧之间存在氧离子浓度差，因而会产生一定的电动势，该电动势即为传感器的输出信号。 图4-4-3 氧化锆式氧传感器工作原理

氧化锆式氧传感器的工作特性如图4-4-4a）所示，当供给发动机的可燃混合气较浓时，废气中氧离子含量较少，锆管内、外表面之间的氧离子浓度差较大，两个电极之间的电动势也较大，约为0.9V；反之，当可燃混合气较稀时，两个电极之间的电动势也较小，约为0.1V。 图4-4-4 氧化锆式氧传感器工作特性

在锆管外表面涂有一层金属铂，在其催化作用下，废气中的CO（一氧化碳）与氧离子发生反应变为CO2（二氧化碳），从而消耗了一部分氧离子，提高了锆管内、外侧之间的氧浓度差，使氧传感器的灵敏度大为提高。如图4-4-4a）所示，有催化剂铂时，电动势将按曲线1跃变；没有催化剂铂时，电动势将按曲线3连续变化。 另外，氧化锆式氧传感器的温度须达到300℃以上才能正常工作，如图3-73b）所示，为此，有些传感器的内部设有加热器。加热器一般用陶瓷加热元件制成，加热温度设定为300℃，并直接由汽车电源供电。

五、氧化钛式氧传感器的结构与工作原理 氧化钛式氧传感器的外形与氧化锆式的相似，其结构如图4-4-5所示，主要由二氧化钛传感元件、加热元件、电极引线和钢质壳体等组成。 与氧化锆式氧传感器不同的是，该传感器不需要与大气压进行比较，因此对传感元件的密封性与防水性要求较低，使用玻璃或滑石粉等材料密封即可达到使用要求。此外，在电极引线与护套之间设置有硅橡胶密封衬垫，以防止水汽浸入传感器内部而腐蚀电极。 该传感器传感元件的外表面同样涂有一层金属铂，以提高其工作灵敏度。 图4-4-5 氧化钛式氧传感器结构

二氧化钛属于N型半导体材料，其电阻值随氧离子浓度的变化而变化，因此，氧化钛式氧传感器相当于一个可变电阻，其电阻值与混合气浓度（过量空气系数）的关系如图4-4-6所示，混合气稀时，二氧化钛呈现低阻状态；混合气浓时，二氧化钛呈现高阻状态；在理论混合气附近（过量空气系数 λ约为1），电阻值产生突变。 图4-4-6 氧化钛式氧传感器的特性 图4-4-7 氧化钛式氧传感器工作电路

氧化钛式氧传感器的工作电路如图 4-4-7所示，ECU内部的稳压电路向氧传感器提供一个稳定的工作电压（一般为5V），分压电阻串接在传感器电路中，氧化钛作为可变电阻，其上的分压即可作为氧传感器的信号电压输入ECU。混合气稀时，二氧化钛阻值小，信号电压也小；混合气浓时，二氧化钛阻值高，信号电压也大。 氧化钛式氧传感器的温度高于600℃才能正常工作，因此，该传感器的内部也设有加热器，并由汽车电源直接加热。

六、氧传感器的加热控制电路 图4-4-8 氧传感器的加热控制电路 一般情况下，发动机ECU会根据进气量和发动机转速来控制氧传感器加热器的工作电流，其控制电路如图4-4-8所示。 当发动机负荷较低时，其排气温度也低，ECU将增大加热器的工作电流；反之，负荷较高时，则减小加热器的工作电流，从而始终保持传感器良好的工作状态。 图4-4-8 氧传感器的加热控制电路

七、喷油量“闭环调节”的条件 喷油量的“闭环调节”可以使混合气的浓度维持在理论混合气附近，但并不是所有的工况都需要理论混合气。例如：在发动机起动、暖机、加速、大负荷等工况，需要对混合气适当加浓，以便使发动机能够顺利起动、平稳暖机、迅速加速、大负荷时输出较大功率；强制怠速工况（即节气门在怠速位置，但转速远高于怠速的工况，例如：汽车急减速、挂挡下坡等）时，需要彻底切断燃料供给。在这些工况下，ECU会暂时终止使用氧传感器的信号，转而利用ECU内部的记忆值或计算值来控制喷油量，即对喷油量实施“开环调节”。 另外，在氧传感器发生故障或未达到工作温度（300℃或 600℃）时，以及在电控系统其他部分发生故障，系统被迫转入“应急运转”状态时，ECU也会对喷油量实施“开环调节”。 只有在水温正常、平稳怠速、中小负荷、氧传感器正常且达到工作温度、系统没有转入“应急运转”状态等条件下，ECU才对喷油量实施“闭环调节”。此外，在氧传感器信号正常的情况下，汽油蒸汽回收系统才会工作。

八、三元催化器的故障监测功能 为了减少尾气排放，现代汽车排气管中大多装有三元催化器。所谓三元催化器，就是在排气管中设置一个蜂窝状的废气通道，通道体的表面涂有铂、铑、钯等三种稀有金属作为催化剂。当废气中的CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）、NOX（氮氧化合物）等有毒气体经过这些催化剂时，会与废气中的残余氧气进一步发生反应，从而转化为CO2（二氧化碳）、H2O（水）和N 2（氮气）等无毒气体。 在理论混合气附近，三元催化器的工作效率最高。因此，从确保三元催化器高效工作的角度出发，也要求氧传感器能够正常工作。 随着使用时间的延长，由于表面污染作用及稀有金属的老化作用，三元催化器的工作效率会逐渐下降，汽车尾气排放会在驾驶人员不知不觉中逐渐升高，这在汽车尾气排放法规比较严格的国家是不允许的。为了解决这一问题，有些汽车的三元催化器前端和后端各装一个氧传感器，前端的为主氧传感器，用于喷油量的“闭环调节”，后端的为副氧传感器，用于对三元催化器的工作状态进行监测。

监测原理如下：三元催化器在正常工作时，对废气中的残余氧气具有一定的“吞吐”作用。残余氧气较多时，三元催化器吸附一定的氧气；残余氧气较少时，三元催化器又释放一定的氧气，因此，三元催化器前端和后端残余氧气浓度的变化存在着一定的差别，前端浓度随着“闭环调节”的作用变化较快（10s内约变化8次以上），后端浓度则变化较慢，因此，ECU只要对比主、副氧传感器的信号，就可以判断三元催化器的工作状态：当两个氧传感器的信号差别较大时，说明三元催化器工作正常；而当两个氧传感器的信号差别较小时，则说明三元催化器已经失效。 当ECU判定三元催化器失效时，会储存相应的故障代码，并点亮仪表板上的发动机故障报警灯。

学习拓展 图4-4-9 空燃比传感器特性及工作电路 空燃比传感器（A/F传感器） 空燃比传感器是一种新型的氧传感器，其工作范围不仅仅限于理论混合气附近，在较宽的范围内均可产生几乎与混合气浓度成正比的电压信号，如图4-4-9a）所示，因而大大提高了ECU对混合气浓度的调节范围和调节精度，即使在加速加浓、大负荷加浓等工况下也可以实现喷油量的“闭环调节”。 该传感器的工作电路如图4-4-9b）所示，由于其工作原理的特殊性，该传感器的输出信号不能用万用表测量，需要使用汽车故障诊断仪，通过读取相关数据来判断其工作情况。 图4-4-9 空燃比传感器特性及工作电路

任务实施 任务：氧传感器的检测 一、任务准备 1、 设备：帕萨特或花冠电控发动机台架、维修手册、工作页。 2、工具：测试灯，T型线，数字万用表，诊断仪器。 3、辅助材料：抹布若干。 二、任务要求： 会识读氧传感器电路、会对其进行检测等，完成实习报告。

三、操作步骤 1、对照电路图（图4-4-10）上标注的氧传感器数字解释各引脚的含义。 图4-4-10 丰田卡罗拉车型氧传感器工作电路 图4-4-10 丰田卡罗拉车型氧传感器工作电路 各引脚含义：

2、分析故障并写出检测方案 （1）观察并记录故障现象，分析可能的原因（表4-4-2） 表4-4-2 故障现象及原因 表4-4-2 故障现象及原因 （2）结合工作原理及电路图，拟定检测方案

3、检测 （1）检查加热器的电阻。 断开主氧传感器的连接器（见图4-4-11），用万用表测量传感器连接器B15-1——B15-2、B15-1——B15-4之间的电阻，分别应该为 5.0～10.0Ω（20℃时）和大于10kΩ，否则更换传感器总成。 图4-4-11 主氧传感器连接器

（3）检查加热器与ECU之间的线路。 （2）检查加热器电源电压。 接通点火开关，用万用表测主氧传感器线束侧连接器B15-2——车身搭铁之间的电压，应为 9～14V，否则转入步骤④。 （3）检查加热器与ECU之间的线路。 断开ECU连接器，用万用表测B15-1——B31-109（HT1A）之间的电阻（见图4-4-12），应小于1Ω；测 B15-1或B31-109——车身搭铁之间的电阻，应大于10kΩ。 如果正常则更换ECU，不正常则维修或更换线束或连接器。 图4-4-12 ECU线束侧连接器

（4）检查EFI NO.2 熔断丝。 从发动机舱继电器盒上拆下EFI NO.2 熔断丝（见图4-4-13），用万用表测量其电阻，应小于1Ω，正常则维修或更换线束或连接器，不正常则更换该熔断丝。 图4-4-13 EF1 NO.2熔断丝的位置

4、检测结果并分析 （1）电压的检测（接ECU）。在进行各组件检测时，应首先检查蓄电池电压是否正常，汽油泵继电器、保险丝是否正常。进气压力传感器的信号电压和电源电压的检测见表4-4-3。 表4-4-3 氧传感器电压的检测

（2）线路的检测 关闭点火开关，从ECU上拔下插头，再拔下要检测的组件插头，检测其接线的电阻，填写表4-4-4.检测时，为了避免损坏电子组件，要注意量程必须符合检测条件。 表4-4-4 线路的检测 (3)最终故障点：

任务测评 一、填空题 1、双氧传感器用在采用OBDⅡ系统的车辆上，上游氧传感器被ECU用于 ，下游氧传感器被ECU用于判断 转化效率。 2、氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随 的变化而变化的特性制成的，故又称 氧传感器。 3、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 少，但 等较多。 4、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，电阻随之 。 5、理论空燃比是 。 二、选择题 1、氧化锆在温度超过（ ）℃后，才能进行正常工作。 A 100 B 200 C 300 D 400 2、空燃比氧传感器的工作温度比氧传感器（ ）。 A 高 B 低 C 不变 D 有时高，有时低 3、带加热器的氧传感器有一个电加热元件，可在发动机起动后的（ ）内迅速将氧传感器加热至工作温度。 A 10秒内 B 20-30秒 C 1分钟左右 D 3分钟以后 三、选择题 1、双氧传感器用在采用OBDⅡ系统的车辆上，两个氧传感器安装都在催化转化器前面排气管上。 （ ） 2 、CO、HC、H2等气体在锆管外表面的铂催化作用下与氧发生反应，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。（ ） 3、两线式的氧传感器中一条为信号线，另一条则为搭铁线。 （） 4、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。 （ ） 5、混合气由正常到偏浓时，氧传感器的反馈电压将逐渐低于0.45V。（ ） 6、氧传感器的作用是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。（ ） 五、简答题 二氧化锆式氧传感器的工作原理。