淺談汽車空燃比傳感器的結(jié)構(gòu)原理與檢修

陳成春

淺談汽車空燃比傳感器的結(jié)構(gòu)原理與檢修

陳成春

福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保有量的不斷增加，汽車節(jié)能減排技術(shù)越來越被人們所重視。汽車空燃比傳感器能夠自動(dòng)檢測(cè)不同工況下的汽車混合氣濃度，并通過電腦進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，是節(jié)能減排技術(shù)的重要應(yīng)用。為此，本文通過近期教學(xué)實(shí)踐和維修實(shí)踐過程中的不斷總結(jié)，闡述了空燃比傳感器的結(jié)構(gòu)原理和檢修方法。

空燃比；傳感器；結(jié)構(gòu)原理；檢修

隨著社會(huì)的進(jìn)步，汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車尾氣排放問題越來越被人們所關(guān)注，相關(guān)的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格，為了達(dá)到尾氣標(biāo)準(zhǔn)，各種汽車控制裝置正不斷地裝到汽車上。氧傳感器作為有效控制尾氣排放的重要裝置，能夠給發(fā)動(dòng)機(jī)電腦（簡稱ECU）提供混合氣空燃比反饋信號(hào)，并使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種不同的工況下，都能達(dá)到控制理論空燃比（14.7:1）的目的，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使三元催化轉(zhuǎn)換器達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)換效果?？杖急葌鞲衅髯鳛樾滦偷难鮽鞲衅?，能在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況時(shí)，準(zhǔn)確地檢測(cè)廢氣中氧的濃度，并及時(shí)地把信號(hào)傳給電腦進(jìn)行精確計(jì)算和控制混合氣濃度，使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)較理想的空燃比，燃燒更好，動(dòng)力更足，油耗更低，排放污染更少，現(xiàn)在已在許多新的車型中逐步推廣使用。

1 氧傳感器的類型

氧傳感器可以分為杯型和平面型兩種（如圖1所示），傳統(tǒng)的氧傳感器一般為杯型，傳感器元件圍著一個(gè)加熱器，空燃比傳感器一般為平面型，傳感器最基本的部分是夾在兩個(gè)鉑電極之間的氧化鋯固態(tài)電解質(zhì)。全范圍單腔限流平板型空燃比傳感器的傳感元件多了一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的限制空氣擴(kuò)散的擴(kuò)散阻力層，并有一個(gè)封閉的空氣腔?？杖急葌鞲衅鞯募訜崞鞑捎醚趸X制成，具有較好的導(dǎo)熱性能和絕緣性能，以使傳感器元件和加熱器結(jié)合在一起，提高了傳感器的加熱性能。

2 工作原理

空燃比傳感器可能比傳統(tǒng)的氧化鋯型氧傳感器能更精確地控制燃油，目前多數(shù)新型汽車采用了能夠精確測(cè)量實(shí)際空燃比數(shù)值的全范圍空燃比傳感器，它代替了傳統(tǒng)的氧傳感器。

2.1 稀混合氣濃度情況下

在實(shí)際空燃比數(shù)值大、混合氣稀工況條件下，尾氣中氧氣較多，實(shí)際空燃比數(shù)值越大、混合氣越稀，尾氣中的氧氣就越多。發(fā)動(dòng)機(jī)電腦ECU在空燃比傳感器兩個(gè)鉑電極間施加了電壓。當(dāng)尾氣中的氧氣穿過空燃比傳感器擴(kuò)散阻力層后，接觸到空燃比傳感器尾氣側(cè)鉑電極得到電子后被電離，氧離子流過氧化鋯固態(tài)電解質(zhì)后到達(dá)空燃比傳感器空氣腔側(cè)鉑電極失去電子后中和，從而形成了電流（如圖2所示）。由于特殊設(shè)計(jì)的擴(kuò)散阻力層作用，使通過擴(kuò)散阻力層的氧氣形成的限制電流正比于尾氣中的氧氣濃度。

圖2 稀空燃比檢測(cè)原理圖

2.2 濃混合氣濃度情況下

在實(shí)際空燃比數(shù)值小、濃混合氣工況下，由于缺氧造成可燃混合氣不能完全燃燒，從而產(chǎn)生了大量的未燃燒氣體（碳化氫和一氧化碳）。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦在兩個(gè)空燃比傳感器鉑電極間施加電壓，空燃比傳感器空氣腔內(nèi)的氧氣在空氣腔側(cè)鉑電極得到電子后被電離成氧離子，氧離子從空氣腔側(cè)鉑電極流到尾氣側(cè)鉑電極。在尾氣側(cè)鉑電極，它同穿過空燃比傳感器擴(kuò)散阻力層的未完全燃燒產(chǎn)物碳化氫和一氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，失去電子，從而形成了電流。由于擴(kuò)散阻力層的特殊設(shè)計(jì)，使得碳化氫和一氧化碳?xì)怏w的數(shù)量正比于尾氣中未燃燒的碳化氫和一氧化碳?xì)怏w的濃度，從而使未燃燒的碳化氫和一氧化碳?xì)怏w同氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的限制電流正比于尾氣中未燃燒的碳化氫和一氧化碳?xì)怏w濃度。注意，此時(shí)，空燃比傳感器中空氣腔的O2的流動(dòng)方向發(fā)生改變（如圖3所示）。

圖3 濃空燃比檢測(cè)原理圖

3 輸出特性和性能特點(diǎn)

3.1 電流變化特性

空燃比即空氣和燃油的比例，理論空燃比為14.7:1。高于理論空燃比是稀的經(jīng)濟(jì)空燃比，低于理論空燃比是濃的功率空燃比。

在實(shí)際空燃比等于理論空燃比（14.7:1）時(shí)，空燃比傳感器的輸出電流為零。實(shí)際空燃比數(shù)值小、混合氣濃時(shí)，空燃比傳感器輸出電流為負(fù)。當(dāng)實(shí)際空燃比數(shù)值大、混合氣稀時(shí)，空燃比傳感器輸出電流為正。空燃比傳感器的空燃比檢測(cè)范圍極寬，從空燃比23:1極稀混合氣到11:1極濃混合氣范圍內(nèi)都可能檢測(cè)到，而且空燃比傳感器輸出限制電流同實(shí)際空燃比的大小基本上成正比對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)關(guān)系的線性也比較好，幾乎趨近為一條直線。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU把傳感器輸出電流的變化轉(zhuǎn)化成電壓變化，以線性檢測(cè)當(dāng)前的空燃比。

3.2 電壓變化特性

空燃比傳感器和氧傳感器相同，空燃比傳感器也探測(cè)排氣中的氧濃度。常規(guī)型氧傳感器在理論空燃比的附近，其輸出電壓常會(huì)急劇變化。相比而言，空燃比傳感器所施加的是大約0.4 V的恒定電壓，隨著氧濃度的變化，傳感器的輸出電流發(fā)生變化，從而電壓也跟著變化，電壓的變化范圍一般為2.4 V～4.0 V之間（如圖4所示）。圖4表示在手持式測(cè)試儀上顯示的空燃比傳感器的電壓輸出特性。傳感器內(nèi)有一個(gè)能保持發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的AF+和AF-端子上有恒定電壓的電路。所以，空燃比傳感器的輸出條件不能用電壓表來探測(cè)，必須使用手持式測(cè)試儀。空燃比傳感器的輸出特性使其有可能當(dāng)空燃比一發(fā)生變化，立刻給予校正，這樣可使空燃比校正反饋更快、更精確。和傳統(tǒng)氧傳感器相同，空燃比傳感器上也配有加熱器，在排氣溫度低時(shí)用來保持探測(cè)性能。但是，空燃比傳感器的加熱器比傳統(tǒng)氧傳感器需耗用大得多的電流。

圖4 空燃比傳感器的電壓輸出特性圖

3.3 性能特點(diǎn)

在汽車?yán)鋯?dòng)、急加速或減速等復(fù)雜工況下，實(shí)際空燃比已大大偏離理論空燃比，氧傳感器只能檢測(cè)到理論空燃比，并且檢測(cè)不到實(shí)際空燃比偏離的量，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦無法將實(shí)際空燃比修正到理論空燃比（14.7:1）。所以，在冷啟動(dòng)、急加速或減速等復(fù)雜工況下，傳統(tǒng)氧傳感器燃油控制的反饋非常狹窄而且變化穩(wěn)定，如果需要非理論空燃比混合物，ECU將可能進(jìn)入開環(huán)控制，無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，廢氣排放很高。

空燃比傳感器可稱為寬帶、寬頻帶、線性、稀式傳感器等。根據(jù)空燃比傳感器測(cè)量的實(shí)際空燃比數(shù)值，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦ECU可及時(shí)將實(shí)際空燃比調(diào)整并控制在理論空燃比（14.7:1），而且調(diào)整速度極快，而且，空燃比傳感器允許在非理論空燃比混合時(shí)進(jìn)行閉環(huán)燃油控制（如圖5所示）。這大大降低了汽車在冷啟動(dòng)、加速或減速等工況下的廢氣排放，從而更進(jìn)一步降低了汽車的廢氣排放，使尾氣排放可達(dá)到歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5 空燃比傳感器在急加速工況下的輸出曲線圖

空燃比傳感器的工作溫度大約為650℃，比傳統(tǒng)氧傳感器工作溫度（400℃）高。但是，空燃比傳感器的加熱器的加熱時(shí)間只需10 s，而傳統(tǒng)的氧傳感器的加熱器的加熱時(shí)間卻需要30 s，發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過程能夠更快地參與閉環(huán)控制，響應(yīng)性快?？杖急葌鞲衅鬏敵鲂盘?hào)有數(shù)秒延遲，傳統(tǒng)氧傳感器輸出信號(hào)有20 s延遲。

4 檢修

以豐田皇冠轎車發(fā)動(dòng)機(jī)為例，進(jìn)行檢修作業(yè)敘述。豐田皇冠轎車發(fā)動(dòng)機(jī)裝有4個(gè)氧傳感器（如圖6所示），雙排氣管，在三元催化反應(yīng)器之前裝有空燃比傳感器（叫做1號(hào)氧傳感器），在三元催化反應(yīng)器之后，還裝有一個(gè)加熱型氧傳感器（叫做2號(hào)氧傳感器），發(fā)動(dòng)機(jī)電腦根據(jù)1號(hào)氧傳感器的反饋信號(hào)，增加或減少噴油量，將實(shí)際空燃比控制在理論空燃比附近。

圖6 豐田皇冠轎車空燃比傳感器安裝圖

4.1 線路檢修

（1）檢查ECU端子＋B電壓應(yīng)為12 V，若沒有電壓，則檢查ECU電源電路、EFI主繼電器和EFI熔斷絲（如圖7所示）；

（2）檢查傳感器四根導(dǎo)線電壓應(yīng)分別為12 V、12 V、3.3 V、2.9 V，沒有12 V電壓則檢查加熱器電路，沒有3.3 V電壓檢查AF1＋端子電路，沒有2.9V電壓則檢查AF1－端子電路；

（3）檢查ECU端子AF1＋、AF1－、HTAF1電壓應(yīng)分別為3.3 V、2.9 V、12 V，若AF1+和AF1-電壓不正確則檢查ECU和ECU電源電路；若HTAF1端子沒有電壓則傳感器加熱器熔斷和端子線路斷路；

圖7 空燃比傳感器電路圖

4.2 加熱器檢修

用歐姆表檢查加熱器的電阻應(yīng)符合規(guī)定值，若電阻不在規(guī)定值范圍內(nèi)則更換傳感器。

4.3 傳感器檢修

起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，分別用豐田專用解碼器和OBDⅡ通用解碼器讀取隨車數(shù)據(jù)，空燃比傳感器的電壓數(shù)據(jù)（如表1所示）應(yīng)符合要求，否則應(yīng)更換傳感器。由于1996年之前，豐田汽車上的空燃比傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)無法在OBDⅡ通用解碼器上顯示，OBDⅡ通用解碼器只能顯示氧傳感器0～1V之間的電壓值，為解決這個(gè)問題，豐田公司修正了汽車電腦，并且以顯示的0～1V的電壓值來代替實(shí)際的檢測(cè)電壓，這就出現(xiàn)了兩種解碼器檢測(cè)的電壓不同的情況，對(duì)于剛接觸空燃比傳感器的汽車維修技師，一定要查找維修手冊(cè)，確定氧傳感器的類型，以免混淆。

表1 空燃比傳感器在不同空燃比時(shí)的電壓表

4.4 傳感器更換

這種1號(hào)空燃比傳感器從外觀上看與2號(hào)傳統(tǒng)的氧傳感器很相似，兩者都有4根電線，而且接頭看起來相同。稍微修改以后，傳統(tǒng)氧傳感器就可以插入空燃比傳感器線束。然而，如果插頭不正確，系統(tǒng)將不能正常工作。所以，更換空燃比傳感器時(shí)，一定要在正確的位置更換，并且，插頭不能與2號(hào)氧傳感器對(duì)換。

5 結(jié)論

空燃比傳感器作為氧傳感器的一種，由于采用了最新技術(shù)，使得空燃比傳感器有許多的技術(shù)優(yōu)越性，目前正在逐漸推廣使用?，F(xiàn)在，越來越多的新的車型都使用了空燃比傳感器，所以，了解和熟悉空燃比傳感器的結(jié)構(gòu)原理，并會(huì)正確地采用相關(guān)的檢修手段，進(jìn)行空燃比傳感器的檢修，對(duì)于當(dāng)前的汽車檢修技術(shù)人員，是很有必要的。而且，汽車技術(shù)的不斷更新，知識(shí)的不斷更替，學(xué)習(xí)和使用汽車新技術(shù)，是當(dāng)今汽車維修技術(shù)人員的首要任務(wù)。本人通過不斷地技術(shù)總結(jié)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析，并查找了相關(guān)的技術(shù)資料，通過豐田車系的相關(guān)車型進(jìn)行實(shí)車檢驗(yàn)，驗(yàn)證了本人的數(shù)據(jù)和分析是合理的，我想對(duì)于部分維修技術(shù)員可以有很好的借鑒和應(yīng)用價(jià)值。

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The Mechanism and Maintenance of Air-fuel Ratio Sensor

Chen Chengchun

(Fujian Communication Vocational College, Fuzhou 350007, China)

With the development of automobile industry and the increasing possession of automobiles, the energy-saving and discharge-reducing technology has attracted great attention. Automobile air-fuel ratio sensor can automatically check automobile mixture concentration under various working conditions and adjust automobile mixture concentration automatically by micro-processor to save energy and reduce discharge. Through summarizing recent teaching and maintenance practice, the mechanism and maintenance methods of air-fuel ratio sensor are described to resolve technical problems of the sensor in maintenance operations.

air-fuel ratio; sensor; mechanism; maintenance.