常见汽车氧传感器的原理与检测

常见汽车氧传感器的原理与检测

作者：惠黎生翁荣伟

来源：《科技传播》2009年第23期

摘要氧传感器是电控发动机的重要部件,对发动机的正常工作和尾气排放控制起着至关重要的作用,如果氧传感器或其连接线路出现故障,不但会使汽车排放超标,还会有发动机燃料消耗量增加、怠速不稳等多种故障。本文对汽车氧传感器的预案次于检测进行了论述。

关键词汽车;氧传感器;原理;检测

中图分类号 TP212文献标识码 A文章编号 1674-6708(2009)09-0053-02

在电控发动机控制系统中,氧传感器用来监测发动机排气中残余氧的含量或浓度,并根据所测得的数据输出一个信号电压,反馈给发动机控制单元,从而来控制喷油量的多少,一般直接安装在排气管上,常见汽车氧传感器有传统的氧化锆氧传感器和新型的宽域氧传感器。

1 氧化锆氧传感器

1.1 氧化锆氧传感器的工作原理

氧传感器采用氧化锆(一种在有氧气的情况下能产生小电压的陶瓷材料)作敏感元件,在高温时与废气中的氧发生反应,输出微弱的电压信号。随着废气中氧量的不同,产生和输出的电压值不同,从而对废气中氧的含量进行监测。

当混合气的实际空燃比高于理论空燃比(14.7,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。发动机控制单元就可以通过该信号了解当前混合气浓度相对于理论值的偏差,来相应调整喷油器的通电时间,从而调整喷油量,提高了对混合气浓度控制的精度。

1.2 氧化锆氧传感器的检测

1.2.1 检查氧传感器加热器电阻

拔下氧传感器插头,用万用表电阻档测量氧传感器加热器接脚间的电阻值,具体标准应查阅具体车型的维修手册(一般在4~40Ω之间),如果不符合标准值,应更换氧传感器。

1.2.2 检查氧传感器输出电压

查阅所测车型的维修手册,找到氧传感器信号线,起动发动机并使水温达到至少80℃,使发动机多次达到2500r/min后并保持2500r/min,用万用表直流电压档测量氧传感器信号线的输出电压,电压值应在此0.1~1.0V之间波动,在10s之内电压应在0.1~1.0V之间变化至少8次。

1.2.3 检查氧传感器头部的颜色

氧传感器头部的正常颜色为淡灰色,如其颜色发生变化,就预示着氧传感器存在着故障或者故障隐患。氧传感器头部呈现黑色,是被积碳污染;呈现红棕色,是受铅污染;呈现白色,是硅污染造成的,这是由于发动机在维修时,使用了不符合要求规定的硅密封胶,这样必须更换氧传感器。

2 宽域氧传感器

2.1 宽域氧传感器的工作原理

宽域氧传感器是在普通氧化锆氧传感器的基础上增加了一个泵氧膜片,结构见图1,需要一个专门设计的传感器控制器(图1中用A和B表示)来控制其正常工作。汽车尾气通过扩散小孔进人扩散室,尾气可能是富油的浓混合气,也可能是富氧的稀混合气。氧化锆参考电池感知尾气的浓度后,产生电压Us,根据尾气浓度的不同,富油的浓混合气将产生高于参考电压UsRef的Us,传感器控制器将产生一个方向的泵电流Ip,该泵电流Ip将氧气泵入扩散室内进行化学分解反应,在废气中产生水和一氧化碳及一些氧化物,附着在泵氧元的表面。在化学反应中将过多的碳氢化合物分解,從而降低了废气的浓度,使扩散室恢复到Us电压为0.45V的尾气含氧浓度的平衡状态。相反,富氧的稀混合气将产生低于参考电压UsRef的Us,传感器控制器将产生一个反方向的泵电流Ip,该泵电流Ip将氧气泵出扩散室。当HC燃料或氧气被中和时,参考电池产生的电压Us 等于参考电压UsRef,此时的泵电流IP就反映了尾气的浓度,传感器控制器将泵电流IP转换成输出电压Uout通过改变泵电流的极性(电流流动方向)与大小就可以达到平衡扩散室里的尾气含氧量,如何将这个变化的泵电流再去控制发动机ECU对喷油器喷油时间的调整,是至关重要的。在控制环路中有一块DSP(数字信号处理器)电路,该电路有二路输出,一路将变化的泵电流信号通过放大数模转换成线性电压,此电压从0~5V连续变化,去控制发动机ECU的空燃比调整。另一路输出脉宽调制信号去控制COM场效应开关晶体管导通与截止时间,给加热器提供电流,加热氧传感器。

根据氧传感器的制造材料不同,宽域氧传感器可分为以ZrO2为基体的固化电解质型和利用氧化物半导体电阻变化型两大类。根据传感器的结构不同,宽域氧传感又可分为电池型,临界电流型及泵电池型。

2.2 宽域氧传感器的检测

在检测宽域氧传感器时,不能用万用表电压档及示波器进行直接测量氧传感器的端口线束电压,只能用相关的专用检测仪进行数据流分析。宽域氧传感器的工作特点(见图2),输出曲线平滑,能够连续检测空燃比从10~20,相当于过量空气系数从0.686~1.405的宽范围,当线性电压在2.5V时,就达到了理论空燃比14.7的控制。

以宝来轿车为例,通过读取数据流进行分析,发动机控制单元将宽域氧传感器的电流信号转化为电压规定值为1.0V~2.0V,电压值大于1.5V时混合气过稀(氧多);电压值小于1.5V时混合气过浓(氧少);电压值为0V、1.5V、4.9V的恒定值时都说明氧传感器线路有故障,用示波器观察的电压峰值可能到4.9V,这是正常的。

参考文献

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[2]刘建鲲.氧传感器的结构与工作原理[J].交通科技与经济,2007(4).

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[4]李强.宽带氧传感器的原理及故障解析[J].汽车维修与保养,2009(9).