氧传感器的检测与常见故障分析

用三元催化器。但为了能有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比。在理论空燃比
（14.7 ∶ 1）附近氧传感器输出的电压有突变，这种特性被用来检测排气中氧气的浓度并反馈给 ECU。ECU 根据来自氧传
感器的电动势差别来精确地控制空燃比，并相应地控制喷油持续的时间。但是，如氧传器有故障使输出的电动势不正
号传输给 ECU，用来确定实际的空燃比。
3 氧传感器过早损坏的原因
普通的氧化锆型氧传感器的正常寿命应为 9～10 万 km
上，若使用含硫量较高的劣质燃油，或机油中使用含硫、
磷的抗氧化剂，以及长期低速行驶造成 CO 排放高都会
导致氧传感器污染和 TWC（三元催化转换装置）的污染。
此外，发动机冷却液、机油窜入排气管也会导致氧传感器
2.2 氧化钛式氧传感器
此种氧传感器工作原理如下：化学反应强、对氧敏
感、易于还原的半导体材料与氧气接触时发生氧化-还原
反应，使晶体结构发生变化，从而导致电阻变化的。它是
一种电阻型气敏传感器。
氧化钛式氧传感器的结构如图 5 所示，主要由二氧
2
化钛 元 件 、导
1
3
4
线 、金 属 外 壳
和接线端子
等组 成 ，当 发
感器输出电压突变下降至 0.1V 左右。此时表明排出废气
中氧含量较高—— —氧传感器内部与外部气体的氧浓度差
较小，两个铂电极之间产生的电压信号很低，即实际空燃
比大于理论空燃比。ECU 据此信号将增加喷油量，使实际
空燃比减小。如此反复，ECU 根据氧传感器信号不断调整
喷油量，将实际空燃比控制在理论空燃比附近。
主要的传感器。如图 1 所示，氧传感器安装在 TWC（三元
催化转换装置）与发动机之间的排气管上，用来检测废气
中的氧浓度。并将检测到的氧浓度信号输送给 ECU，ECU
根据此信号对喷油器的喷油量进行修正，使实际的空燃
比更接近理论的空燃比。
根据氧传感器的构成材料，氧传感器可分为氧化锆
（ZrO2）式氧传感器和氧化钛（TiO2）式氧传感器。 2.1 氧化锆式氧传感器
端子 1 端子 2 端子 3 端子 4
图 6 氧传感器电插头
隙、孔隙被积炭等有害物质 堵塞,无法和 O2 接触，输出电 压过高，导致混合气过稀。
输出信号电压过高会造成混合气过浓（排气管冒黑烟），氧传 感器输出电压就会过低，导致油耗过高，尾气排放中 CO 和 HC 的含量过高。此时必须更换空气流量传感器。
此电压应该是从低电压到高电压循环，一般在 0~1V 之
氧传感器前端的排气系统泄漏，会造成氧传感器输
间变化（注：新车通常在 0.3~0.7V 间变动；燃烧室被积炭 出电压持续过低。排气管冒黑烟时，氧传感器输出电压仍
轻度污染时在 0.2~0.8V 间变动；燃烧室被积炭重度污染 持续过低。
时在 0.1~0.9V 间变动）。然后反复踩动加速踏板，观察氧 4.4.5 导线电阻值过大
污染甚至过早损坏。
3.1 机油窜入排气管的预防
由于国内机油中含有较多的硫、磷，所以发生窜机油
故障后不足一周就会导致氧传感器和 TWC 污染。窜机油
故障一般源于两个方面：
（1）节气门油封不密封
每天早上第一次启动发动机时排气尾管冒蓝烟，随
后一天排气尾管不再冒蓝烟，说明气门油封不密封。气门
油封位于燃烧室上部，一夜的停车，密封不良的气门油封
电压 U/V
14.7 1.2
1.0
0.8 油 0.6
基准电压 0.4~0.5V
0.4
0.2
油 浓区 稀区
0 13 14 15 16 17 18
空燃比
图 4 氧传感器的输出特性
136 机械工程师 2011 年第 4 期
解决方案
工艺 / 工装 / 模具 / 诊断 / 检测 / 维修 / 改造 SOLUTION
对铂电极产生腐蚀。 在氧化锆式氧传感 器的线束插接器端 有金属护套，其上有
排气管
排气 陶瓷防护层
电极引线点
大气 电极引线点
小孔，以便使氧化锆
管内通大气。 氧化锆式氧传
感器的基本工作原
陶瓷体 铂电极
图 2 氧化锆式氧传感器的构造
理如图 3 所示。氧化
排气
锆式氧传感器实质 多孔陶瓷层
氧化锆
是一个化学电池，又 称氧浓度差电池，氧
进气系统发生泄漏会造成混合气过稀，使氧传感器输出
4.2 氧传感器反馈电压的检测
电压过低。
（1）连接好氧传感器线束插接器，使发动机以较高转 4.4.3 氧传感器加热器损坏
速运转，直到达到氧传感器的工作温度 400℃以上时，再
氧传感器加热器损坏不工作，会造成氧传感器输出
维持怠速运转。
电压过低。
（2）用诊断仪或示波器观察氧传感器输出信号电压， 4.4.4 氧传感器前端的排气系统泄漏
燃比变化的，所以将氧化锆式氧传感器 2 个电极之间产生
的电动势输送给 ECU，即可作为判断实际空燃比的依据。
氧化锆式氧传感器的输出特性如图 4 所示。发动机工
作中，当实际空燃比小于理论空燃比（14.7 ∶1）时，排出废气
中的氧含量较低，氧传
感器内部与外部气体的 氧浓度差较大，2 个铂电 极之间产生的信号电压 较高，氧传感器向 ECU 输入高电压信号 （0.75～ 0.90V），此时，ECU 将减 少喷油量，使实际空燃 比增大；当空燃比增大 到理论空燃比时，氧传
7
65
动机排出废
图 5 氧化钛式氧传感器结构示意图 气 中 ，氧 含 量
1.二氧化钛元件 2.金属外壳 3.陶瓷绝 缘体 4.接线端子 5.陶瓷元件 6.导线 7.金属保护套
较高 时 ，二 氧 化钛电阻值 增大。反之，
发动机排出废气中氧含量较低时，二氧化钛电阻值减小。
利用适当的电路对电阻值进行处理，即可转化为电压信
常，电脑（ECU）就不能精确控制空燃比。会造成三元催化转化器（TWC）寿命下降，耗油量和尾气排放超标。
关键词：氧传感器; 输出特性; 调节频率; 反馈电压
中图分类号：U464
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2011）04－0136－03
1引言
氧传感器利用于氧化锆固体电解质材料能够导通氧
离子并产生电动势。电动势的大小是由氧化锆浓差决定
标准空气 铂电极
电动势
化锆式氧传感器在 铂电极
温 度 达 到 400℃ 以 上时，若其内部与外 部气体的氧浓度差
图 3 氧化锆式氧传感器的基本 工作原理
Байду номын сангаас
较大，氧化锆式氧传感器的 2 个铂电极之间将会产生电动
势。发动机工作时，由于氧传感器内部大气中氧浓度是固
定的而氧传感器外部发动机排出废气中的氧浓度是随空
（3）氧传感器热负荷过载，陶瓷体融化。
4.4.2 发动机进气系统发生泄漏
氧传感器调节频率过慢，也称为“老化”。氧传感器调节
使用进气歧管绝对压力传感器（MAP）的发动机，进
频率过慢会造成怠速不稳，部分工况冒黑烟，有时还会出现 气系统发生泄漏会造成混合气过浓；使用 MAF 的发动机
换档熄火现象。因此氧传感器调节频率过慢，必须更换。
氧化锆式氧传感器的构造如图 2 所示，该传感器的基
本元件是氧化锆管，氧化锆管固定在带有安装螺纹的固定
套内，在氧化锆管的内表面和外表面均覆盖着一层铂作为
电极，氧化锆管内部通大气，氧化锆管外部与排气管中的
废气接触。在氧化锆管外表面的铂层上，还覆盖着一层多
孔的陶瓷涂层，并加有带槽口的防护套管，用来防止废气
电厂及热处理等行业产生了良好的社会效益。
2 氧传感器的主要作用及工作原理
空气 燃油
曲轴位置传感器
空气流量 计或压力 传感器
发动机 喷油器
排气 TWC
氧传感器
燃油喷射量 转速 进气量 ECU 冷却液温度信号
空燃比反馈信号
图 1 发动机闭环控制-氧传感器
氧传感 器是电子燃 油喷射系统 中重要的反 馈传感器， 是发动机燃 油系统实现 闭环控制最
逐渐滴下的机油将汇集在燃烧室室内，当第一次启动时，
会导致排气尾管冒蓝烟，最长可达 10min。
维修时，除更换气门油封外，还应进一步检查气门导
管的工作间隙。
（2）活塞环与缸壁之间密封不良
启动和暖机时不冒蓝烟，行驶中急加速时排气尾管
冒蓝烟，说明活塞环与缸壁之间密封不良。启动和暖机时
发动机温度低，机油粘度大，活塞环与缸壁之间可以保证
解决方案
SOLUTION 工艺 / 工装 / 模具 / 诊断 / 检测 / 维修 / 改造
氧传感器的检测与常见故障分析
林祥辉， 陈继福， 赵福全 （浙江吉利汽车研究院有限公司，杭州 311228）
摘 要：电喷车为获得高排气净化率，降低排气中一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化合物（NOx）成份，必须利
热线圈在 20℃时电阻值应为 情况下怠速时空气流量为 2～4g/s,节气门开度为 0°～5°。
5.1～6.3Ω(具体查看制造商规
如怠速时空气流量和节气门开度均在正常范围内，该
范)。如不符，应更换氧传感器。 项检测合格。如怠速时节气门开度在正常范围内，而空气流
（2）氧传 感 器 个 体 上 裂 量超过正常范围，说明空气流量传感器输出信号电压过高。
的，电势值可由能斯特方程求出，可以直接测量环境气氛
中的氧分压或氧含量。研制的片状可控制气氛热处理炉
用氧敏传感器和 TZ 型氧敏传感器都已通过鉴定，达到了
国际先进水平。氧传感器可直接用于节约能源、降低环境
污染、提高自动化程度、降低劳动强度、提高产品质量等
方面。国外已经广泛采用氧传感器，在汽车、钢铁、锅炉、
机械工程师 2011 年第 4 期 137
解决方案
SOLUTION 工艺 / 工装 / 模具 / 诊断 / 检测 / 维修 / 改造
温时其电阻值为 2～5Ω；丰田 量，和节气门开度。大众汽车采用直动式怠速控制系统，
凌志 LS400 轿车氧传感器加 即没有旁通空气道，怠速步进电动机装在节气门上。正常
密封，所以这段时间排气尾管不冒蓝烟。
打开气门室罩的加油口，急加速时如从此处冒蓝烟，
说明曲轴箱内压力过高，应重点检查活塞环与缸壁之间是 否密封不良以及 PVC(曲轴箱强制通风装置)阀是否发生堵 塞。活塞环与缸壁之间密封不良，急加速时燃烧压力增高， 可使大量废气窜入曲轴箱。PVC 阀堵塞等于关闭了曲轴箱 强制通风道，使曲轴箱内压力过高，进入曲轴箱的混合气 携带部分机油在压力作用下经自然通风管道进入气门室。 3.2 混合气窜入排气系统的预防
冷车启动困难，缺缸和排气门不良都会造成未燃烧 的混合气窜入排气系统。
（1）发动机缺缸故障的诊断 怠速时如有排气冲击，说明发动机缺缸，用红外线测 温仪逐缸进行检测，哪个缸温度明显低于其他缸，就是哪 个缸燃烧不好。 （2）排气门密封不良的诊断 发动机怠速运转时，在排气尾管处如能听到“噗噗” 声，说明排气门密封不良。 3.3 冷却液窜入排气系统的预防 装有涡轮增压或机械增压的发动机为了防止进气温 度过高导致的进气量减少，在进气管处都安装有冷却液 道。进气歧管垫一旦密封不良，冷却液就会经燃烧室进入 排气系统，造成氧传感器和 TWC 污染。 发动机进气歧管垫、排气管垫和气缸垫都是一次性 的，只要打开就必须换新的，所以在没有得出正确判断前 不要盲目地拆开进气歧管。如火花塞电极和氧传感器的 触头发白（冷却液结晶体是白色的）就说明冷却液窜入燃 烧室和排气系统。 3.4 氧传感器的故障诊断 氧传感器的检测包括两个方面：氧传感器调节频率 的检测与氧传感器反馈电压的检测。 氧传感器调节频率的检测与反馈电压的检测必须具备 以下条件：（1） 发动机控制单元必须和节气门位置传感器匹 配，即发动机处于氧传感器闭环控制工况。（2）冷却液温度大 于 85℃。（3）TWC 前面的排气管和气缸垫必须密封良好。 4 氧传感器调节频率的检测 发动机热机后 （2500r/min 运转 90s 预热氧传感器）， 关闭点火开关，连接诊断仪，然后启动发动机，读取氧传感 器的数据流。同时反复踩节气门，每次都必须将节气门踩 到底，待发动机转速上升到 3000r/min 以上，不到 4000r/min 时，迅速完全放松节气门。进行此项检测时，发动机转速到 3000r/min 以上后必须立即切断供油，即松开节气门，自然 停止供油。使混合气过浓过稀交替变化过程中，如此反复， 在 10s 内氧传感器能完成 8 次工作频率变化为合格。 4.1 氧传感器调节频率过慢的原因 （1）氧传感器加热器损坏导致氧传感器进入正常工 作的时间延长，输出电压过低，导致混合气过浓，出现排 气管在部分工况时冒黑烟。 氧传感器加热器的检测：关闭点火开关，拔下氧传感 器电插头，用万用表检测氧传感器插座端子 1、2 之间的 电阻值，如图 6 所示。例如，大众时代超人 AJR 发动机，室