氧化鋯式氧傳感器的性能與應用

朱會田,劉青掌,杜愎剛

（安徽蚌埠汽車管理學院汽車維修教研室,安徽 蚌埠 233300）

氧化鋯式氧傳感器的性能與應用

朱會田,劉青掌,杜愎剛

（安徽蚌埠汽車管理學院汽車維修教研室,安徽 蚌埠 233300）

氧傳感器安裝在排氣管上，將檢測到的廢氣中氧濃度的電信號傳遞給ECU，ECU根據此信號對噴油和廢氣再循環(huán)量進行反饋控制，為尾氣凈化裝置（如三元催化轉換器、存儲式NOx凈化器等）提供良好的外部環(huán)境，從而降低尾氣排放，以滿足嚴格的排放法規(guī)。氧傳感器性能的優(yōu)劣對于尾氣凈化的效果起著關鍵作用。本文通過簡述氧化鋯式氧傳感器的工作原理，重點論述了氧化鋯式氧傳感器的類型、性能特點、應用及發(fā)展情況，并闡述了其使用方法和注意事項。

氧化鋯式氧傳感器；性能；應用；發(fā)展

1 氧化鋯式氧傳感工作原理

1.1 氧傳感器類型

根據檢測電信號不同：可分為氧化鋯式氧傳感器和二氧化鈦（Ti02）式氧傳感器，前者為電壓型，后者為電阻型。發(fā)動機電控系統(tǒng)常用氧化鋯式氧傳感器（下文氧傳感器均為氧化鋯式氧傳感器）。

1.2 氧傳感器的工作原理

當氣缸內混合氣空燃比較濃時，排放氣體中的氧氣比較少，大氣中的氧通過二氧化鋯管在兩電極（通常為Pt電極）間通過氧的滲透產生較大的電壓（1V）左右；反之，當空燃比較低時，排氣管中氧氣濃度較高，大氣中的氧通過二氧化鋯管在兩電極（Pt電極）間氧通過氧的滲透產生較小的電壓（0V）左右。

因此，氧傳感器是一個反應排氣管氧含量濃稀的一個開關,形象地稱為是一個隨時向ECU反饋空燃比信息的“通信員”。ECU則根據反饋來的氧傳感器信號及時調整噴油量（噴油脈寬），如信號反映混合氣較濃，則減少噴油時間；反之，如信號反映較稀，則延長噴油時間。從而使混合氣的空燃比始終保持在理論空燃比（14.7：1）附近，這就是氧傳感器閉環(huán)控制或氧傳感器反饋控制。

2 氧化鋯式氧傳感器的應用與發(fā)展

2.1 普通型氧化鋯傳感器

氧化鋯式傳感器的基本元件是氧化鋯管。氧化鋯管固定在帶有安裝螺紋的固定套內，在氧化鋯管的內、外表面均覆蓋著一薄層鉑（Pt）作為電極，傳感器內側通大氣，外側直接與排氣管中的廢氣接觸。在氧化鋯管外表面的鉑層上，還覆蓋著一層多孔的陶瓷涂層，并加有帶槽的防護套管，用來防止廢氣對鉑電極產生腐蝕；在傳感器的線束連接器端有金屬護套，其上設有小孔，以便使氧化鋯管內側通大氣。二氧化鋯管的外表面處于氧氣濃度較低的汽車所排放的氣體中，而管的內表面則導入周圍空氣，兩表面氧氣濃度之差就會產生電動勢——電壓信號。

2.2 雙氧化鋯式氧傳感器

對于安裝OBD（車載診斷系統(tǒng)）的電控汽油發(fā)動機，為了實時檢測三元催化轉換器性能的好壞，必須采用雙氧傳感器結構：一個布置在三元催化轉換器的前方稱為上游氧傳感器，一個布置在三元催化轉換器的后方稱為下游氧傳感器。上游氧傳感器為電控系統(tǒng)采集排氣管中氧的含量信號，作為空然比反饋控制的基本信號，上游氧傳感器的正常電信號的電壓值是在0.1V～1.0V之間變化的，用于空然比閉環(huán)控制，向發(fā)動機電腦反饋排放廢氣中氧含量，發(fā)動機電腦根據此信號修正噴油量；下游氧傳感器正常的電信號電壓值基本不變的，經凈化等的尾氣信號轉換器后方的氧含量反饋給發(fā)動機電腦。發(fā)動機ECU將兩個氧傳感器的信號進行對比，正常情況下前氧傳感器的信號高于后氧傳感器，當下游的氧傳感器電壓信號輸出象上游氧傳感器一樣的電壓變化的信號時，說明：

（1）三元催化轉換器失效，需要進行更換。（2）上游氧傳感器故障，需要更換。

2.3 寬量程氧化鋯氧傳感器

2.3.1 普通氧傳感器的缺陷

從氧傳感器的輸出特性不難看出，當混合氣濃度為理論空燃比時，其輸出的信號電壓由低（約0.1V）到高（約0.9V）或由高到低發(fā)生突變。當混合氣濃度大于或小于理論空燃比時，輸出的信號電壓變化微弱，ECU也難以識別。因此，采用普通的氧化鋯式氧傳感器ECU無法定量確定混合氣濃度。

2.3.2 寬量程氧化鋯氧傳感器的應用

在廢氣中氧濃度較高的柴油機和電控汽油直噴系統(tǒng)，如大眾公司的FSI燃油分層噴射汽油機、三菱公司GDI燃油缸內直噴汽油機，其空燃比最高可以達到40以上，發(fā)動機的尾氣中氧氣含量非常高，稱為稀薄燃燒。采用普通氧傳感器難以精確檢測氧的含量。因此，需要一種能夠檢測稀混合氣的新的氧傳感器，即寬量程氧傳感器。

寬量程氧化鋯氧傳感器不僅在直噴汽油機在得到應用，而且在柴油機上也得到了廣泛的應用。寬量程氧化鋯氧傳感器能精確檢測柴油機排氣管中氧的含量，為柴油機尾氣凈化NOx（如SCR選擇性催化凈化器）提供精確的氧含量信號。

3 氧化鋯式氧傳感器的使用與維護

氧傳感器一旦出現故障，將使電子燃油噴射系統(tǒng)的ECU不能得到排氣管中氧濃度的信息，因而不能對空燃比進行反饋控制，會使發(fā)動機油耗和排氣污染增加，出現發(fā)動機出現怠速不穩(wěn)、缺火、喘振；廢氣排放超標；空燃比不正確；油耗上升等故障現象。因此，應及時檢測和維護氧傳感器，并及時排除故障或更換。

3.1 避免使用劣質燃油

劣質燃油特別是燃油中含有超標準的鉛、磷、硫時，會造成鉑電極“中毒”失效，使氧傳感器失去活性，不能進行氧含量的正確檢測。

3.2 注意氧傳感器工作環(huán)境

過低的排氣溫度（低于3000℃）或過高的工作環(huán)境溫度（超過9000℃）會造成氧傳感器早期失效。

3.3 避免在氧傳感器上加高電壓

氧傳感器是無源主動式傳感器，依靠固體二氧化鋯陶瓷產生的低壓電壓信號。對于加熱型氧傳感器，不能反復地對傳感器加電加熱；檢測時不要用模擬（指針）式電壓表，因其內阻小，通過的檢測電流足以燒壞傳感器。不要使用電阻表，以防輸入檢測電流燒壞。不要短接二線式氧傳感器兩接柱，或將單線式的輸出導線接地，以免造成損壞。

3.4 觀察氧傳感器外觀及顏色

從排氣管上拆下氧傳感器，檢查傳感器外殼上的通氣孔有無堵塞，陶瓷芯有無破損。如有破損，則應更換氧傳感器。通過觀察氧傳感器頂尖部位的顏色也可以判斷故障：

（1）淡灰色：這是氧傳感器的正常顏色。

（2）白色：由硅污染造成的，此時必須更換氧傳感器。

（3）棕色：由鉛污染造成的，如果嚴重，也必須更換氧傳感器。

（4）黑色：由積碳造成的，在排除發(fā)動機積碳故障后，一般可以自動清除氧傳感器上的積碳。

劉青掌（1987—），男，安徽宣城人，助教，研究方向：汽車工程。