浅析汽车氧传感器的工作原理及故障诊断

浅析汽车氧传感器的工作原理及故障诊断
燃烧过程离不开氧，对汽车发动机而言，燃料燃烧充分与否，取决于进入燃烧室的空气与燃
料之比（亦即空燃比A/F），而排出的废气中各气体成分的含量又反映了燃烧是否完全，它
们和燃料入口处的NF值有一定的关系。

控制汽车发动机A/F用的氧传感器，装在汽车排气
管道内，用它来检测废气中的氧含量，根据氧含量与A/F的对应关系，故测出了氧的含量，
也就确定了A/F之值。

因而可根据氧传感器所得到的信号，把它反馈到控制系统，来微调燃
料的喷射量，使A/F控制在最佳状态，既大大地降低了排污量，又节省了能源。

2.氧传感器的分类。

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。

3.氧化锆式氧传感器的结构及工作原理。

（1）结构。

氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆陶瓷管（电解质），亦称锆管（如图1
所示）。

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。

图1. 氧化锆式氧传感器
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，如下页图2（a）所示。

现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器，如下页图2（b）所示。

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。

（2）工作原理。

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，存在浓度差，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，如下页图3所示。

图2. 两种不同的氧化锆式氧传感器
图3. 氧传感器的工作原理
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。

二、汽车氧传感器的常见故障
1.氧传感器中毒。

2.积炭。

3.氧传感器陶瓷破裂。

4.加热器电阻丝烧断。

5.氧传感器的线路故障。

三、汽车氧气传感器的检测方法
1.氧传感器的一般检测方法。

氧传感器的基本电路如图4所示：
图4. 氧传感器的电源
(1)检查氧传感器加热器电阻。

点火开关置于“OFF”，拔下氧传感器的导线连接器，用万用表
Ω档测量氧器接线端中加热器端子与自搭铁端子间的电阻，如图5所示。

图5. 测量氧传感器加热器电阻
（2）检查氧传感器的反馈电压。

测量氧传感器反馈电压时，应先拔下氧传感器线束连接器
插头，对照被测车型的电路图，从氧传感器反馈电压输出端引出一条细导线，然后插好连接器，在发动机运转时从引出线上测量反馈电压。

有些车型也可以从故障诊断插座内测得氧传
感器的反馈电压，如丰田汽车公司生产的小轿车，可从故障诊断插座内的OX1或OX2插孔内直接测得氧传感器反馈电压（丰田V型六缸发动机两侧排气管上各有一个氧传感器，分别和
故障检测插座内的OX1和OX2插孔连接）。

2.利用示波器进行氧传感器波形分析
（1）氧传感器的正常波形。

汽车氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种。

以氧化锆式为例，
正常情况下当闭环控制时如图6所示：
图6. 正常的多点喷射发动机氧传感器波形
（2）引起氧传感器的信号波形出现异常的原因。

当氧传感器及微机控制装置无故障，而氧
传感器信号波形异常，如果不是在某些特殊工况下由于发动机控制策略所引起的，一般表明
发动机有故障。

①点火系故障，如某缸火花塞损坏、某缸高压分线损坏或分电器、分电器转子、点火线圈等损坏。

这些故障可使部分氧“不经消化”即排出缸外，从而使排气中的氧含量
升高。

②由机械原因引起的压缩泄漏，如气门烧损、活塞环断裂或磨损过度等造成的压缩泄漏，使点火之前的压缩温度、压缩压力不够，造成燃烧不完全甚至缺火。

③真空泄漏，例如
进气道、进气管上的真空软管等处存在泄漏。

如果真空泄漏使混合气空燃比达到17以上时，就可引起因混合气过稀而发生的缺火，造成排气氧含量增大。

④喷油系统故障，个别缸喷油
器的喷油量过多或过少（喷油器卡在开的位置或堵塞），造成混合气过浓或过稀。

当个别缸
的混合气空燃比达到13以下或17以上时，可能引起缺火，亦可造成排气氧含量异常。

（3）氧传感器波形异常的一般检查步骤。

当氧传感器波形出现严重杂波，而不是氧传感器
本身及控制系统故障时，必须对发动机进行检查以确定故障部位。

①检查、判断点火系统是
否有故障；②检查汽缸压力以判断是否有压缩泄漏的可能性；③用人为加浓或配合其他仪
器等方法判断是否有真空泄漏的可能性；④检查喷油系统是否有故障。