空燃比傳感器在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用及其檢測(cè)

林 平

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空燃比傳感器在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用及其檢測(cè)

林 平

福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車運(yùn)用與工程機(jī)械系

空燃比傳感器能在較大的范圍內(nèi)檢測(cè)混合氣的濃度，使發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的空燃比反饋控制更加精確和迅速。但由于其結(jié)構(gòu)、工作原理、信號(hào)特征與傳統(tǒng)的氧傳感器有很大的差異，因此其檢測(cè)方法也完全不同。本文分析了空燃比傳感器的結(jié)構(gòu)和原理，并詳細(xì)論述這種傳感器的控制電路、信號(hào)特征和檢測(cè)方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)；空燃比；傳感器；檢測(cè)

空燃比傳感器和氧傳感器一樣，都是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管上，與排氣管中的廢氣接觸，用來(lái)檢測(cè)排氣中氧氣分子的濃度，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。ECM根據(jù)這一信號(hào)對(duì)噴油量進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃混合氣濃度的精確控制，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程，達(dá)到即降低排放污染，又減少燃油消耗的目的。

氧傳感器在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用已有多年的歷史，但由于氧傳感器的信號(hào)電壓在理論空燃比附近產(chǎn)生突變，因此對(duì)空燃比的控制主要集中在理論空燃比附近，無(wú)法在稀薄燃燒區(qū)內(nèi)進(jìn)行控制。近年來(lái)，隨著節(jié)能減排的要求日益嚴(yán)格，能在整個(gè)稀薄燃燒區(qū)范圍內(nèi)工作的空燃比傳感器逐漸在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。由于空燃比傳感器在結(jié)構(gòu)和原理上與氧傳感器有著很大的差異，導(dǎo)致其檢測(cè)方法也完全不同。對(duì)于汽車維修技術(shù)人員，了解空燃比傳感器的原理和檢測(cè)方法是十分必要的。

1 空燃比傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

空燃比傳感器又叫寬帶氧傳感器（或?qū)挿秶鮽鞲衅鳌⒕€性氧傳感器、稀混合比氧傳感器等）。它與氧傳感器一樣，也是安裝在排氣管上，位于三元催化轉(zhuǎn)化器前面。其作用是檢測(cè)排氣中氧分子的濃度，使ECM獲得混合氣濃度的反饋信號(hào)。與氧傳感器只能檢測(cè)理論空燃比的情況不同，空燃比傳感器能連續(xù)檢測(cè)出稀薄燃燒區(qū)的空燃比，可正常工作的空燃比范圍大約在12:1到20:1之間，使得ECM能在非理論空燃比區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)噴油量的反饋控制，為進(jìn)一步減少污染和節(jié)約能源提供了技術(shù)保障。

空燃比傳感器是在普通氧化鋯型氧傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。氧化鋯有一特性，就是當(dāng)它的內(nèi)外兩個(gè)表面上存在氧濃度差時(shí)，會(huì)使氧離子從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)移動(dòng)，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。若相反將電動(dòng)勢(shì)加在氧化鋯組件上，即會(huì)造成氧離子的移動(dòng)。此時(shí)，氧分子會(huì)在陰極（負(fù)極）上得到電子形成氧離子，氧離子在電動(dòng)勢(shì)的作用下移動(dòng)到陽(yáng)極，在陽(yáng)極上放電，變成氧分子。這樣氧就通過(guò)氧化鋯這一固體電解質(zhì)被從電極的陰極泵到陽(yáng)極，因此這種傳感器也被稱為電化學(xué)泵氧型氧傳感器，外加的電壓稱為泵電壓，產(chǎn)生的電流稱為泵電流。

在泵氧過(guò)程中，泵電流的大小與泵電壓有關(guān)，但泵電壓的增加所導(dǎo)致的泵電流的增加會(huì)逐漸減小，當(dāng)泵電流達(dá)到一定數(shù)值后，會(huì)出現(xiàn)泵電流不再隨著泵電壓的增加而增大或變化很小的現(xiàn)象，即達(dá)到到飽和狀態(tài)，這個(gè)電流被稱為極限電流。極限電流的大小取決于氧化鋯兩個(gè)表面之間的氧濃度差，將氧化鋯的陽(yáng)極通大氣，陰極與廢氣接觸，根據(jù)極限電流的大小即可測(cè)得廢氣中的氧濃度，從而在整個(gè)稀薄燃燒區(qū)范圍內(nèi)獲得可燃混合氣濃度信號(hào)。

空燃比傳感器有兩種結(jié)構(gòu)型式：?jiǎn)卧碗p元件。

1.1 單元件空燃比傳感器

單元件空燃比傳感器的結(jié)構(gòu)和原理類似于傳統(tǒng)的氧傳感器，圖1(a)為豐田汽車采用的單元件空燃比傳感器。它的氧化鋯元件采用平面型結(jié)構(gòu)，兩側(cè)有鉑電極，其中正極（陽(yáng)極）通過(guò)空氣腔與大氣相通，負(fù)極（陰極）與排氣之間有一多孔性的擴(kuò)散障礙層和多孔氧化鋁層，排氣管中的氧分子可以通過(guò)多孔性氧化鋁層和擴(kuò)散障礙層到達(dá)陰極表面。ECM中的控制電路使正極的電壓高于負(fù)極（圖2），從而在氧化鋯元件中產(chǎn)生一個(gè)泵電流，陰極上的氧分子在此電流的作用下被移動(dòng)到陽(yáng)極。ECM內(nèi)的平衡監(jiān)控電路控制泵電流的大小，通過(guò)改變兩極之間的電壓差，使泵電流達(dá)到飽和狀態(tài)。擴(kuò)散障礙層的作用是限制排氣中的氧氣向陰極的傳輸，使傳感器能得到與排氣管中的氧濃度相應(yīng)且穩(wěn)定的飽和泵電流。混合氣的空燃比越稀，經(jīng)障礙層進(jìn)入擴(kuò)散腔的氧分子越多，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的泵電流也越大，相應(yīng)的外加電壓差也越大；反之，混合氣越濃，經(jīng)障礙層進(jìn)入擴(kuò)散腔的氧分子越少，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的泵電流也越小，相應(yīng)的外加電壓差也越小。即：達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的泵電流的大小取決于氧向擴(kuò)散室的擴(kuò)散速率，并與排氣中的氧分子濃度成正比，或與混合氣的空燃比數(shù)值成反比。此電流的大小在ECM內(nèi)部被轉(zhuǎn)換成與混合氣空燃比數(shù)值成正比的電壓信號(hào)。實(shí)際的空燃比信號(hào)電壓值在2.4～4.0 V之間變化（圖1(b)）。

圖1　單元件空燃比傳感器結(jié)構(gòu)及其信號(hào)特征

圖2　單元件空燃比傳感器的控制電路

空燃比傳感器要求比氧傳感器有更高的工作溫度（大約650°），因此常將加熱器和氧化鋯元件用氧化鋁集成在一起（圖1(a)），同時(shí)由ECM控制加熱器的電流，當(dāng)進(jìn)氣量?。◤U氣溫度低）時(shí)，ECM增大加熱器的電流，在保證氧化鋯能保持在正常的工作溫度內(nèi)。

單元件空燃比傳感器和氧傳感器一樣，有4根接線（圖2），其中兩根為氧化鋯的兩個(gè)電極，與ECM連接，在理論混合氣狀態(tài)下，這兩根線之間的電壓差約為0.4 V；另外2根為加熱器的接線，分別接12 V電源和ECM，ECM以改變通電脈沖占空比的方式控制加熱器的電流[1-4]。

1.2 雙元件空燃比傳感器

雙元件空燃比傳感器由兩個(gè)氧化鋯單元組成（圖3），其中靠近排氣側(cè)的是一個(gè)電化學(xué)泵氧單元A（簡(jiǎn)稱泵氧單元），另一個(gè)靠近大氣的是氧濃差電池單元B（簡(jiǎn)稱電池單元）。電池單元件B的一面與大氣接觸而另一面是擴(kuò)散腔2，通過(guò)擴(kuò)散孔1與排氣接觸，它和普通的氧化鋯元件一樣，由于兩側(cè)的氧含量不同，從而在兩電極（即圖3中的“參考接地”端和“電壓差信號(hào)”端）之間產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。ECM監(jiān)測(cè)氧電池單元B的電壓差信號(hào)端的電壓值，并控制施加于泵氧單元A的氧化鋯元件上的電壓（即圖3中的“輸入泵電流”端子上的電壓），以改變其泵電流，利用氧化鋯的反作用原理，造成氧離子的移動(dòng)，把排氣中的氧分子泵入到擴(kuò)散腔內(nèi)，或?qū)U(kuò)散腔內(nèi)的氧分子泵出到排氣中，以改變擴(kuò)散腔內(nèi)的氧分子濃度，使電池單元B的電壓差信號(hào)值維持在0.45 V。

為了保持這一電壓，當(dāng)混合氣太濃時(shí)，排氣中含氧量下降，此時(shí)從擴(kuò)散孔1進(jìn)入擴(kuò)散腔2的氧較少，電池單元B的電壓差信號(hào)升高，ECM據(jù)此對(duì)泵氧單元A施加一個(gè)反向電壓（即降低“輸入泵電流”端的電壓，使之低于“參考接地”端的電壓），把氧離子從排氣管泵到擴(kuò)散腔2，增加擴(kuò)散腔的氧含量，使電池單元的信號(hào)電壓恢復(fù)到0.45v；反之，當(dāng)混合氣太稀時(shí)，排氣中的含氧量增加，這時(shí)從擴(kuò)散孔1進(jìn)入擴(kuò)散腔2的氧分子增加，使電池單元B的電壓差信號(hào)降低，此時(shí)ECM會(huì)對(duì)泵氧單元正向施加一個(gè)電壓，把氧離子從擴(kuò)散腔2泵到排氣管，由于擴(kuò)散孔1限制了排氣中的氧分子氣向擴(kuò)散腔的傳輸速率，氧離子的移動(dòng)使擴(kuò)散腔2內(nèi)的氧分子濃度下降，使電池單元的信號(hào)電壓恢復(fù)到0.45v。ECM根據(jù)此時(shí)泵氧電流（即輸入泵電流）的大小和方向計(jì)算出相應(yīng)的混合氣濃度。

1.擴(kuò)散孔　2.擴(kuò)散腔　3.空氣腔　4.微調(diào)電阻

雙元件空燃比傳感器有5根接線端子，其中2根是加熱器的接線，1根是泵氧單元A和電池單元B共用的參考接地線，1根為電池單元的信號(hào)線（電壓差信號(hào)），另1根是泵氧單元泵電流的輸入線（輸入泵電流）。由于排氣中的氧分子通過(guò)擴(kuò)散孔向擴(kuò)散腔的擴(kuò)散速率直接影響泵電流的數(shù)值，為了補(bǔ)償制造誤差，制造廠在每個(gè)空燃比傳感器成品之前都要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)，在傳感器的泵電流電路上增加一個(gè)微調(diào)電阻，并將電阻安置在傳感器的線束插頭內(nèi)，使5根接線的空燃比傳感器成為有6根接線。該電阻的阻值范圍在30～300 Ω之間，而且對(duì)每個(gè)傳感器而言，該電阻的阻值都不完全相同，在更換傳感器時(shí)，應(yīng)將帶有該電阻的傳感器線束一同換掉[3-4]。

由于空燃比傳感器能在較大的范圍內(nèi)檢測(cè)混合氣的濃度，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣濃度因某一原因突然偏離理論目標(biāo)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)能根據(jù)混合氣濃度的偏離值及時(shí)修正，在較短的時(shí)間內(nèi)就能使混合氣濃度恢復(fù)到正常水平，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)在非正?；旌蠚鉅顟B(tài)下的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，有利于減少排放污染。相對(duì)于采用氧傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)，由于無(wú)法判定混合氣的偏離程度，只能按照固定的比例逐步校正混合氣，反應(yīng)較慢（圖4）。

圖4　空燃比傳感器和氧傳感器的性能對(duì)比

2 空燃比傳感器的檢測(cè)

2.1 單元件空燃比傳感器的檢測(cè)

空燃比傳感器常見故障的原因及后果都與氧傳感器相似，可以通過(guò)加熱器的檢測(cè)、控制電路的檢測(cè)、傳感器功能檢測(cè)來(lái)診斷其故障的原因。

（1）單元件空燃比傳感器加熱器的檢測(cè)

①關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，拔下空燃比傳感器的線束插頭；

②參照維修手冊(cè)和電路圖的指示，用數(shù)字萬(wàn)用表從傳感器插頭上檢測(cè)空燃比傳感器的加熱器的電阻，其阻值標(biāo)準(zhǔn)為1.8～3.4 Ω（豐田車型標(biāo)準(zhǔn)），如不相符，應(yīng)更換傳感器。

（2）單元件空燃比傳感器控制電路的檢測(cè)

①檢查加熱器電路。加熱器電路有兩條線，一條來(lái)自蓄電池的電源線，另一條是接ECM的控制線，參考地。打開點(diǎn)火開關(guān)后，測(cè)量加熱器電源線上的電壓，應(yīng)為12 V。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，用電壓表測(cè)量加熱器控制線上的電壓，應(yīng)低于12 V；也可用電流鉗測(cè)量，該控制線上應(yīng)有最大可達(dá)6 A的電流；或用示波器測(cè)量該控制線，應(yīng)有脈沖電壓信號(hào)。

②檢查傳感器信號(hào)電路。可用萬(wàn)用表的電壓檔測(cè)量?jī)筛盘?hào)線，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，一條信號(hào)線的電壓值應(yīng)該是3.0 V，另一條線的電壓值應(yīng)該是3.3 V。如果電壓值不正確，可能是線路開路或短路或者是ECM故障。

（3）單元件空燃比傳感器的功能檢測(cè)

單元件空燃比傳感器的功能可以用汽車制造廠家提供的專用解碼器檢測(cè)。不同汽車制造廠家的專用解碼器的使用方法都不完全相同，有些解碼器有專門的空燃比傳感器檢測(cè)功能，通常是是通過(guò)解碼器向發(fā)動(dòng)機(jī)電腦發(fā)出讓混合氣以一定的比例加濃或變稀的指令，同時(shí)讀取空燃比傳感器的信號(hào)變化，并據(jù)此判定氧傳感器是否工作正常。

單元件空燃比傳感器的功能也可以用萬(wàn)用表檢測(cè)，其方法是：

①運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)使之達(dá)到正常工作溫度；

②在傳感器線束插頭連接良好的狀態(tài)下，用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)蓷l信號(hào)線間的電壓差。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩信號(hào)線的電壓差應(yīng)為0.3 V。

③人為地改變混合氣濃度，此時(shí)兩信號(hào)線的電壓差會(huì)像傳統(tǒng)的氧傳感器那樣在0到1.0 V之間變化。當(dāng)混合氣變濃時(shí)（可向進(jìn)氣管內(nèi)噴入少許丙烷），兩信號(hào)線的電壓差會(huì)減?。环粗?，當(dāng)混合氣變稀時(shí)（如拔下某根真空管使之產(chǎn)生真空泄漏），兩信號(hào)線的電壓差會(huì)增加。如果沒有這種變化，說(shuō)明傳感器有故障，應(yīng)更換[2-4]。

2.2 雙元件空燃比傳感器的檢測(cè)

雙元件空燃比傳感器的工作性能可以采用解碼器和廢氣分析儀相配合的方法來(lái)檢測(cè)。其方法是：

①將解碼器與發(fā)動(dòng)機(jī)電腦連接；

②運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)至正常工作溫度，在讀取解碼器上顯示的空燃比信號(hào)參數(shù)的同時(shí)，用廢氣分析儀檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣；

③通過(guò)人為的手段使混合氣變濃或變稀，將解碼器顯示的空燃比數(shù)值與廢氣分析儀的檢測(cè)結(jié)果比較，如果兩個(gè)檢測(cè)結(jié)果不匹配，說(shuō)明傳感器或控制系統(tǒng)有故障，需要進(jìn)一步檢查。

雙元件空燃比傳感器也可以用萬(wàn)用表和示波器來(lái)檢測(cè)，其方法是：

①檢測(cè)加熱器電路?？砂凑张c單元件空燃比傳感器相同的方法，檢測(cè)其加熱器電路。

②分開傳感器線束接頭。用萬(wàn)用表檢查泵元件輸出和輸入線路之間的修正電阻，其電阻值應(yīng)該在30～300 Ω之間。

③把傳感器的接頭插上，用萬(wàn)用表檢查參考接地端的電壓，其值應(yīng)該在2.4～2.7 V之間。

④分別檢查泵氧元件和電池元件信號(hào)。用一個(gè)雙通道示波器，將示波器的地線與傳感器的參考接地端連接，將一個(gè)通道接電池元件的電壓差信號(hào)線，另一個(gè)通道連接泵氧單元的輸入泵電流線。電池單元的信號(hào)電壓應(yīng)該一直保持在 0.45 V。輸入泵電流線上的電壓會(huì)以0.5到0.6的幅度波動(dòng)，在混合氣從最濃變?yōu)橄r(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大于1.0的電壓變化。

如檢測(cè)結(jié)果與上述不符，說(shuō)明傳感器或其控制電路有故障，應(yīng)更換傳感器或檢修控制電路[2-4]。

3　結(jié)語(yǔ)

氧傳感器和空燃比傳感器作為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行混合氣濃度反饋控制的關(guān)鍵傳感器，其工作性能直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和廢氣排放水平。雖然兩者在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝位置和作用都基本相同，甚至在外形上很難區(qū)分，但兩者在的結(jié)構(gòu)和工作原理有著很大的差異，其信號(hào)特征也完全不同。在檢測(cè)時(shí)，必須采用不同方法，以免對(duì)故障的原因造成誤判。

[1] 趙艷琴,王嶺,朱靖,等.汽車用氧傳感器de研究與進(jìn)展[J].傳感器世界,2006,12(5): 6-10.

[2] 朱之亞.寬量程空-燃比傳感器的檢測(cè)[J].汽車維修與保養(yǎng) ,2002,(11) :47-48.

[3] 張葵葵.混裝空燃比傳感器和氧傳感器的必要性及檢測(cè)[J].公路與汽運(yùn), 2007,9(5).

The Application and Test of Air-fuel Ratio Sensor

Lin Ping

(Vehicle Operation and Engineering Machinery Department, Fujian Communication Vocational College, Fuzhou 350007, China)

Air-fuel ratio sensor can test the concentration of air mixture for more accurate feedback control of air-fuel ratio of motor electrical system. Its testing method is different from the traditional oxygen-sensor due to its structure, working principle and signal features. The structure and working principle of air-fuel sensor are analyzed. The control circuit, signal features and testing method of the air-fuel sensor are described.

motor; air-fuel ratio; sensor; test