摘要：氧傳感器是電控發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)的核心部件，其功能是用來檢測排氣中的氧含量，以確定實際空燃比是否合適，并向ECU反饋相應(yīng)的電壓信號，ECU根據(jù)氧傳感器反饋的空燃比濃稀信號．來控制噴油量的增加或減少。

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電控單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代發(fā)動機上，使現(xiàn)代發(fā)動機走進了電子精確控制時代。氧傳感器的應(yīng)用使發(fā)動機的排氣質(zhì)量得到了提高。

    氧傳感器裝在排氣管上，其作用是探測排氣中氧的含量。氧傳感器實際上是用來探測空燃比是比理論空燃比濃還是比理論空燃比稀，以獲得上次噴油時間是過長或是過短，并將該信息變成電信號送入發(fā)動機電子控制單元，用來對噴油時間進行修正，以達到混合氣的空燃比保持在理論值附近。

    一、氧傳感器的分類
    目前已實際應(yīng)用的氧傳感器有氧化鋯式、氧化鈦式和新型寬帶氧傳感器。
    氧化鋯式氧傳感器：是按固態(tài)電解質(zhì)的氧濃度差原電池原理制成的。電壓值在0.1～0.9 V間變化，也稱作窄帶氧傳感器。
    氧化鈦式氧傳感器：信號電壓一般在0～5V，它是利用氧化鈦材料的電阻值隨排氣中氧含量變化的特性制成的，所以又稱為電阻型氧傳感器。
    新型寬帶氧傳感器（寬量程氧傳感器）：一般用于采用稀薄燃燒技術(shù)的缸內(nèi)直噴發(fā)動機。它比前兩種傳感器多了兩根線（電腦輸出的電流泵線，電流泵線的搭鐵線），普通的氧傳感器只能檢測λ=1附近的理論空燃比，而它可以檢測從0.7～2.5整個范圍的空燃比，因此稱為寬量程氧傳感器。

    這里我們以氧化鋯式氧傳感器為例來研究氧傳感器工作原理。

    二、氧傳感器的工作原理
    氧化鋯式氧傳感器與電子控制單元的電路連接情況如圖1所示。

    氧傳感器的加熱器地線直接接地。這種電路主要考慮到加熱元件采用的是正溫度系數(shù)（PTC）陶瓷電阻，溫度低時電阻小，通過電流較大。此時傳感器溫度會很快升高。隨著溫度升高，加熱元件電阻增大，當(dāng)傳感器達到正常溫度時，通過加熱元件的電流并不大。

    氧化鋯式氧傳感器其核心元件是由二氧化鋯陶瓷材料制成的陶瓷鋯管。陶瓷鋯管不透氣。在陶瓷鋯管的內(nèi)、外表面上都涂有一薄層透氣的多孔鉑，它一方面起催化作用，影響著傳感器輸出特性，另一方面構(gòu)成兩個電極。由于陶瓷鋯管凸入排氣管的排氣流中，為了防止鉑催化層遭受廢氣中沉積物的腐蝕和侵蝕，確保傳感器長期穩(wěn)定性，所以在鉑層上再涂上一層高孔隙度的陶瓷保護層。

    發(fā)動機工作時，陶瓷鋯管的內(nèi)表面與大氣（外界空氣）相通，外表面被排氣管中排出的廢氣包圍。兩邊的氧濃度相差懸殊。在溫度較高時，鋯管內(nèi)外表面上存在氧濃度差，氧氣發(fā)生電離；內(nèi)表面（大氣側(cè)氧濃度高）帶負(fù)電荷的氧離子從大氣一側(cè)向排氣一側(cè)擴散，結(jié)果鋯管（固態(tài)電解質(zhì)）成了一個微電池。內(nèi)表面帶正電，成為正極，外表面帶負(fù)電，成為負(fù)極，在鋯管兩電極間產(chǎn)生電位差，兩極間的電位差便是氧傳感器的輸出信號電壓。信號電壓的高低取決于鋯管內(nèi)表面（大氣）、外表面（排氣）之間氧的濃度差。由于大氣中的含氧量比較穩(wěn)定，所以實質(zhì)上取決于排氣中氧的含量。當(dāng)混合氣稀時，排氣含氧較多，兩側(cè)的濃度差小，只產(chǎn)生很小的電壓；當(dāng)混合氣濃時，排氣含氧較少，加之鉑電極的催化作用，兩側(cè)的濃度差急劇增大，兩電極間的電壓便突然增大。氧傳感器產(chǎn)生的信號電壓在過量空氣系數(shù)λ=1時產(chǎn)生突變。當(dāng)λ＞1(混合氣稀）時，氧傳感器輸出信號電壓幾乎為零（小于100 MV）；當(dāng)λ< 1(混合氣濃）時，氧傳感器輸出信號電壓接近1 V(800～1000 MV)。氧傳感器相當(dāng)于一個混合氣濃稀開關(guān)。

    陶瓷鋯管外側(cè)面的鉑電極起著催化器的作用。在供給較濃的混合氣時，由于燃燒不完全，在排出的廢氣中也會殘存低濃度的剩氧。在鉑電極的催化作用下，能使廢氣中剩氧和一氧化碳起化學(xué)反應(yīng)，生成二氧化碳、，進一步將廢氣中氧分子消耗掉，使鋯管外表面上的氧氣濃度突然降為零，從而使鋯管內(nèi)、外側(cè)的氧濃度差突然增大，由此產(chǎn)生接近1V的電信號，從而提高了氧傳感器的靈敏性。

    由于氧傳感器輸出的信號電壓隨混合氣濃度變化，混合氣稀（λ>1），氧傳感器輸出低電壓信號（接近0 V）；混合氣濃（λ＜1＝，氧傳感器輸出高電壓信號（接近1V），氧傳感器輸出信號電壓在λ＝1處發(fā)生躍變，因此，有的又稱氧傳感器為入傳感器。

    氧傳感器產(chǎn)生的電信號輸入電子控制單元后，在ECU輸入電路中，氧傳感器信號電壓與基準(zhǔn)電壓（一般為450 mV）進行比較。當(dāng)信號電壓比基準(zhǔn)電壓高時，判定為混合氣過濃；當(dāng)信號電壓比基準(zhǔn)電壓低時，判定為混合氣過稀。電子控制單元借此可修正噴油時間，以使空燃比保持在理論值附近。

    陶瓷鋯管本身的溫度對氧傳感器的輸出性能有很大影響。從電的角度來講，可把氧傳感器看成是電池和電阻。鋯管溫度強烈地影響著氧離子的傳導(dǎo)能力。當(dāng)溫度低于300℃時，氧傳感器幾乎不產(chǎn)生電動勢，只有內(nèi)阻，且內(nèi)阻很大，這時氧傳感器幾乎沒有信號輸出。氧傳感器的內(nèi)阻隨溫度的升高而減小。當(dāng)溫度達到一定值時，氧傳感器在氧濃度差的作用下才能產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，如圖2所示。氧傳感器最適宜的工作溫度為600℃左右。另外，當(dāng)鋯管的溫度低于350℃，在過量空氣系數(shù)變化時，氧傳感器電壓變化的響應(yīng)時間較長（約幾秒鐘），在鋯管溫度為600℃時，氧傳感器響應(yīng)時間很短（小于50 ms）。這樣在發(fā)動機剛啟動后或怠速運行時，由于氧傳感器溫度低而不能正常工作，必然會降低閉環(huán)控制速度，影響閉環(huán)控制效果，不能進行發(fā)動機閉環(huán)控制。

    三、氧傳感器的結(jié)構(gòu)改進
    為了使氧傳感器能迅速加熱，盡早參加工作，現(xiàn)在普遍采用加熱型氧傳感器。加熱型氧傳感器與不加熱型氧傳感器，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同，但加熱型氧傳感器內(nèi)設(shè)置一個電加熱陶瓷元件。在發(fā)動機啟動通電后，可在20～30 s內(nèi)迅速將氧傳感器鋯管加熱到工作溫度，以便及時投入運行。由于陶瓷加熱元件是正溫度系數(shù)（PTC）電阻，溫度較低時電阻很小，功率很大，加熱很快。在發(fā)動機升至正常運行溫度時，鋯管的溫度由排氣中的溫度決定，由于此時加熱元件的電阻隨溫度的升高而增大，功率很小，可使氧傳感器始終保持在最佳工作溫度。因此，加熱型氧傳感器即使在發(fā)動機負(fù)荷小、排氣溫度低的情況下，也可以照常發(fā)揮其功能。另外，加熱型氧傳感器對安裝部位要求不嚴(yán)格，安裝靈活性大，可安裝在離發(fā)動機相對較遠的地點，氧傳感器不會因工作環(huán)境溫度過高時（如發(fā)動機長期全負(fù)荷運行時可能產(chǎn)生過熱）而縮短使用壽命。一般應(yīng)確保發(fā)動機長時間全負(fù)荷運行時，氧傳感器的溫度不應(yīng)超過850℃；短時間全負(fù)荷運行時，氧傳感器的溫度不允許超過930℃。

    加熱型氧傳感器裝有陶瓷鋯管、陶瓷加熱元件，它們借陶瓷支承管、碟形彈簧固裝在傳感器殼體內(nèi)。傳感器內(nèi)各種零件都由金屬護套固定和對中，金屬護套除了支承碟形彈簧外，還保護傳感器內(nèi)部不被污染。鋯管內(nèi)電極通過陶瓷鋯管上的接觸元件和電纜相連接；鋯管外電極通過金屬密封環(huán)與傳感器殼體連接；加熱元件通過夾緊接頭和電纜連接。

    另外，為了防止廢氣中燃燒沉積物落在傳感器陶瓷管上，在凸入排氣管廢氣流中的傳感器殼體的末端套裝有耐熱的金屬保護管，保護管上開有通氣孔，可讓廢氣通過，同時有效地防止廢氣中固態(tài)物質(zhì)的機械撞擊和變工況時的熱沖擊。一般加熱型傳感器保護管上通氣孔相對較少，目的是減小廢氣對傳感器的作用。

    四、檢測方法
    (1)氧傳感器加熱器電阻的檢查。將點火開關(guān)置于“OFF”位置，拆下氧傳感器的導(dǎo)線連接器，用萬用表電阻擋測量氧傳感器接線端中加熱器端子與搭鐵端子間的電阻，其電阻值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)值（一般應(yīng)為4-40 Ω）。如不符合標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)檢查線路導(dǎo)通情況。如果線路正常，且電阻值不符合標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)更換氧傳感器。

(2)氧傳感器反饋電壓的測量。讓發(fā)動機以2500 r/min左右的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，同時檢查電壓表指針能否在0～1V之間來回擺動，記下10 s內(nèi)電壓表指針擺動次數(shù)。在正常情況下，隨著反饋控制的進行，氧傳感器的電壓將在0.4 V上下不斷變化，10s內(nèi)反饋電壓的變化次數(shù)應(yīng)不少于8次。