《汽車微電腦控制系統(tǒng)與故障檢測(cè)》王忠良人民郵電出版社氧濃度傳感器氧濃度傳感器(又稱氧傳感器)是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中一個(gè)重要的傳感器，其作用就是把排氣中氧的濃度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，微電腦根據(jù)氧濃度傳感器輸入的信號(hào)判斷混合氣的濃度，進(jìn)而修正噴油量，最終將缸內(nèi)混合氣的濃度控制在理想空燃比14．7附近。現(xiàn)代汽車為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的有害成分(CO、HC、NOX等)的含量，在排氣管中安裝了三元催化轉(zhuǎn)換裝置。三元催化轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)有三元催化劑(常用的是鉑、鈀、銠)，三元催化劑能促使排氣中的有害成分進(jìn)行化學(xué)反響，可使CO氧化為CO2，使HC氧化為CO2和H2O，將NOx復(fù)原為N2。但是，只有當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在14．7空燃比附近的一個(gè)很小范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，三元催化劑才能同時(shí)促進(jìn)氧化、復(fù)原反響，三元催化轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率才最高，排氣中有害物質(zhì)的含量才最低。因此，現(xiàn)代汽車中均安裝了氧傳感器。氧傳感器的數(shù)量因車而異，有的發(fā)動(dòng)機(jī)只有一個(gè)氧傳感器：有的雙排氣管發(fā)動(dòng)機(jī)在左、右排氣管上各安裝一個(gè)氧傳感器，這樣該系統(tǒng)就有兩個(gè)氧傳感器，即左氧傳感器和右氧傳感器；也有的雙排氣管發(fā)動(dòng)機(jī)在每個(gè)排氣管的三元催化轉(zhuǎn)換裝置前、后各安裝一個(gè)氧傳感器(分別叫主、副氧傳感器)，這樣該系統(tǒng)共有4個(gè)氧傳感器，即左主氧傳感器、左副氧傳感器、右主氧傳感器以及右副氧傳感器。氧傳感器安裝在排氣管中排氣消音器的前面。一、氧傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理氧傳感器根據(jù)內(nèi)部敏感材料的不同分為氧化鋯式(也稱鋯管式)和氧化鈦式兩種。1．氧化鋯式氧傳感器氧化鋯式氧傳感器是目前應(yīng)用最多的氧傳感器，它主要由鋯管、電極等組成，如圖1—42圖l—42氧化鋯式氧傳感器的結(jié)構(gòu)氧化鋯式氧傳感器內(nèi)部的敏感元件是二氧化鋯(ZrO2)固體電解質(zhì)。在二氧化鋯固體電解質(zhì)粉末中添加少量的添加劑并燒制成管狀，便稱為鋯管。緊貼鋯管內(nèi)、外外表的是作為鋯管內(nèi)、外電極的鉑膜，內(nèi)、外電極通過電極引線與傳感器的線束插接器相連。鋯管的內(nèi)電極與外界大氣相通，外電極與排氣管內(nèi)的排氣相通。為防止發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣腐蝕外層的鉑電極，在外層鉑電極外表都覆蓋著一層多孔性的陶瓷層。作為鋯管外電極的金屬鉑的另一個(gè)重要作用是催化作用，對(duì)排氣中(尤其是外電極鉑膜附近)的一氧化碳(CO)和氧氣(O2)起催化作用，使其反響生成二氧化碳(CO2)，其化學(xué)反響式為：2CO+O22CO2這種催化作用盡可能多地使?jié)饣旌蠚馊紵笈欧艔U氣中的低濃度氧氣(O2)和高濃度一氧化碳(CO)發(fā)生化學(xué)反響(甚至可使氧氣全部參加反響)。這樣既減少了廢氣中一氧化碳的含量，又增大了鋯管內(nèi)、外層之間的氧濃度差，增大了鋯管的輸出信號(hào)電壓。由于氧化鋯陶瓷管的強(qiáng)度很低，為了防止因排氣壓力沖擊而致使陶瓷管破碎，因而在鋯管的外部套有一個(gè)帶長縫槽的耐熱金屬保護(hù)套(管)，保護(hù)套(管)上的長縫槽是用于使排氣流通。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，排氣管內(nèi)廢氣從鋯管外電極外表的陶瓷層滲入，與外電極接觸，內(nèi)電極與大氣接觸。鋯管內(nèi)、外側(cè)存在氧濃度差，使氧化鋯電解質(zhì)內(nèi)部的氧離子開始向外電極擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是在內(nèi)、外電極之間產(chǎn)生電位差，形成了一個(gè)微電池。其外電極為鋯管負(fù)極，內(nèi)電極為鋯管正極。圖1—43為氧傳感器的工作原理圖。氧化鋯式氧傳感器的輸出電壓特性是：當(dāng)汽缸內(nèi)混合氣較濃時(shí)，排氣中氧的含量較低，一氧化碳的含量相對(duì)較高，而且在鋯管外電極鉑膜的催化作用下排氣中的氧幾乎全部參加反響，生成了二氧化碳，使鋯管外外表上氧離子濃度幾乎為零，而鋯管的內(nèi)外表與大氣相通，氧離子濃度很大，鋯管內(nèi)、外兩側(cè)氧濃度差很大，因此在內(nèi)、外電極之間產(chǎn)生了較大的電壓信號(hào)(0．8～1．0V)。當(dāng)汽缸內(nèi)混合氣較稀時(shí)，排氣中氧的含量較高，一氧化碳的含量相對(duì)較低，即使一氧化碳全部與氧離子參加反響，鋯管外外表還是有多余的氧離子存在，鋯管內(nèi)、外兩側(cè)氧濃度差小，因此在內(nèi)、外電極之間只產(chǎn)生較小的電壓信號(hào)(約0．1V)。由圖1—44所示的氧傳感器特性曲線可以看出，氧傳感器的輸出電壓在理想空燃比(即14．7)附近發(fā)生突變?；旌蠚饪杖急壬愿哂?4．7時(shí)，氧傳感器輸出信號(hào)電壓幾乎為零；混合氣空燃比稍低于14．7時(shí)，氧傳感器輸出信號(hào)電壓接近1．0V；混合氣空燃比為14．7時(shí)，氧傳感器輸出信號(hào)電壓約為0．45V。如圖1—45所示，如果沒有外電極鉑的催化作用，使鋯管外側(cè)的氧離子急劇減少到零，那么在濃混合氣時(shí)就不會(huì)有接近1.0V的高電壓信號(hào)，傳感器的輸出信號(hào)也不會(huì)在混合氣由濃變稀時(shí)出現(xiàn)躍變現(xiàn)象，這正是使用鉑電極的另一個(gè)重要因素。在氧化鋯式氧傳感器的使用過程中，氧傳感器的外側(cè)鉑電極會(huì)因汽油和潤滑油硫化產(chǎn)生的硅酮等顆粒物質(zhì)附著在其外表上而逐漸失效，內(nèi)側(cè)鉑電極也會(huì)被傳感器內(nèi)部端子處用于防水的橡膠逐漸污染，因此氧化鋯式氧傳感器應(yīng)定期更換。氧化鋯式氧傳感器的工作狀態(tài)與工作溫度有著密切的關(guān)系。氧化鋯式氧傳感器在溫度低于300℃時(shí)，無信號(hào)電壓輸出，而在300℃一800℃的溫度范圍內(nèi)最敏感，輸出信號(hào)最強(qiáng)。雖然可利用排氣熱量對(duì)其進(jìn)行加熱，但其工作溫度不穩(wěn)定，而且發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后數(shù)分鐘才能到達(dá)正常工作溫度。因此，目前大局部氧化鋯式氧傳感器內(nèi)都增設(shè)了陶瓷式電熱元件，由汽車電源進(jìn)行加熱，通電后可使氧傳感器溫度保持在300℃附近。加熱式氧傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1—46所示。圖1—46加熱式氧傳感器的結(jié)構(gòu)加熱式氧傳感器的線束插接器一般有4個(gè)端子(也有的是3個(gè))，其中兩個(gè)是傳感器信號(hào)輸出端子，另外兩個(gè)是電加熱元件的電源輸入端子。有的轎車采用非加熱式氧傳感器，這種傳感器的線束傳感器一般有兩個(gè)或一個(gè)接線端子，它們是傳感器信號(hào)輸出端子。當(dāng)采用一個(gè)端子時(shí)，傳感器的外殼搭鐵，作為傳感器的另一個(gè)信號(hào)輸出端子。2．氧化鈦式氧傳感器氧化鈦式氧傳感器的材料是二氧化鈦(TiO2)。二氧化鈦在常溫下的電阻值是穩(wěn)定的，但當(dāng)其外表缺氧時(shí)，其內(nèi)部晶格會(huì)出現(xiàn)缺陷，電阻會(huì)大大降低。氧化鈦式氧傳感器就是利用二氧化鈦的這種性能制成的。氧化鈦式氧傳感器的外形與氧化鋯式氧傳感器相似，但體積較小。在氧傳感器前端的護(hù)罩內(nèi)有一個(gè)二氧化鈦厚膜元件，如圖1—47所示。當(dāng)二氧化鈦外表氧濃度發(fā)生變化時(shí)，其電阻值也隨著變化，微電腦根據(jù)此變化來確定混合氣的濃度變化。另外，排氣溫度的變化也會(huì)影響到二氧化鈦的電阻值。為了消除溫度的影響，在氧化鈦式氧傳感器內(nèi)都設(shè)有電加熱元件，使其在恒定的溫度下工作。氧化鈦式氧傳感器的加熱元件用鎢絲或陶瓷材料加工而成。圖1-48為氧化鈦式氧傳感器與微電腦的連接電路示意圖。微電腦將一個(gè)恒定的1．0V電壓通過端子3加在氧化鈦式氧傳感器的正極上。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中氧含量的變化引起二氧化鈦電阻變化時(shí)，微電腦將從氧傳感器負(fù)極端子4接收到變化的電壓信號(hào)?；旌蠚廨^濃時(shí)，排氣中氧的含量較低，二氧化鈦電阻值較小，氧傳感器負(fù)極向微電腦輸入一個(gè)高電壓信號(hào)；反之，混合氣較稀時(shí)，排氣中氧的含量較高，二氧化鈦電阻值較大，氧傳感器負(fù)極向微電腦輸入一個(gè)低電壓信號(hào)。氧傳感器的信號(hào)電壓在空燃比為14．7附近時(shí)發(fā)生突變，如圖1—49所示。3．電控汽油噴射系統(tǒng)的閉環(huán)控制微電腦根據(jù)氧傳感信號(hào)對(duì)噴油量進(jìn)行修正?；旌蠚廨^濃時(shí)，氧傳感信號(hào)電壓接近1．0V，微電腦即發(fā)出指令，減少噴油量，使混合氣濃度降低；混合氣較稀時(shí)，氧傳感信號(hào)電壓接近0．1V，微電腦即發(fā)出指令，增加噴油量，使混合氣變濃。如此循環(huán)，就可將混合氣濃度調(diào)節(jié)在理想空燃比附近，從而使三元催化轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率最高，這樣既降低了排氣污染，同時(shí)也提高了燃料經(jīng)濟(jì)性。這種微電腦根據(jù)氧傳感器輸入信號(hào)對(duì)噴油量進(jìn)行修正的控制方式稱為閉環(huán)控制，圖1—50為閉環(huán)控制示意圖。反之，微電腦不接收氧傳感信號(hào)的控制方式稱為開環(huán)控制。圖1-50汽油噴射閉環(huán)控制示意圖裝有氧傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)并非在所有工況下都進(jìn)行閉環(huán)控制。在某些需要提供較濃或較稀混合氣的工況下應(yīng)實(shí)行開環(huán)控制。實(shí)行開環(huán)控制的工況有：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)；發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)；發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷(節(jié)氣門全開)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)；減速斷油時(shí)：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度較低時(shí)；微電腦未接收到氧傳感信號(hào)時(shí)。二、氧傳感器的工作電路非加熱式氧傳感器與微電腦之間有兩條連接導(dǎo)線。氧化鋯式傳感器的兩條連接導(dǎo)線分別是輸出信號(hào)線和搭鐵線，如圖1—51(a)所示：氧化鈦式傳感器的兩條連接導(dǎo)線分別是1V的電源線和輸出信號(hào)線，如圖1—51(b)所示。圖1-51非加熱式氧傳感器工作電路加熱式氧傳感器除了具有非加熱式氧傳感器的兩條連接導(dǎo)線外，還有兩條導(dǎo)線，其中一條是加熱器的搭鐵線，另一條是通過微電腦主繼電器供應(yīng)加熱器的電源線。加熱氧傳感器的工作電路如圖1—52所示。圖1-52北京切諾基汽車氧傳感器工作電路三、氧傳感器的故障氧傳感信號(hào)不正常會(huì)引起三元催化轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換效率降低、排氣污染加劇以及油耗上升。氧傳感器常見的故障有氧傳感器老化、氧傳感器中毒、氧傳感器破裂、氧傳感器內(nèi)部加熱元件損壞、導(dǎo)線斷開以及氧傳感器信號(hào)不正確等，其中傳感元件老化和中毒是氧傳感器失效的主要原因。氧傳感器的傳感元件受到污染而失效的現(xiàn)象稱為氧傳感器中毒，氧傳感器中毒主要是指鉛(Pb)中毒、硅(Si)中毒和磷(P)中毒。1．氧傳感器老化氧傳感器老化的主要原因是傳感元件局部外表溫度過高。在電控汽油噴射系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制的過程中，缸內(nèi)混合氣的濃度總是在理想空燃比(14．7)附近波動(dòng)，進(jìn)入缸內(nèi)的空氣和燃油的比例恰當(dāng)，能夠完全參加反響，排氣中幾乎沒有過剩的燃油，排氣中未燃物的燃燒現(xiàn)象幾乎不存在，排氣溫度相對(duì)較低。但是在發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛啟動(dòng)(特別是冷啟動(dòng))后以及在大負(fù)荷等工況下工作時(shí)，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)溫度盡快到達(dá)正?；蛟龃蟀l(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，需要供應(yīng)足夠的燃油，提供較濃的混合氣。但是這樣就會(huì)使燃燒進(jìn)行得不徹底，排氣中未燃物增多，過剩的燃油就會(huì)在氧傳感器的外表進(jìn)一步燃燒。其結(jié)果是一方面使傳感元件局部外表溫度過高(超過1000℃)，加速傳感器老化；另一方面形成炭粒而導(dǎo)致氧傳感器外表的保護(hù)層剝落。氧傳感器老化后，其輸出的信號(hào)不敏感，不能快速、準(zhǔn)確地反響混合氣濃度的變化(即沒有躍變現(xiàn)象)，最終造成噴油量控制不準(zhǔn)確。2．鉛中毒鉛中毒是指燃油或潤滑油添加劑中的鉛離子與氧傳感器的鉑電極發(fā)生化學(xué)反響，導(dǎo)致催化劑鉑的催化性能降低的現(xiàn)象。為了提高汽油的抗爆性能，通常在汽油中參加添加劑四乙基鉛，添加了四乙基鉛的汽油雖然能夠防止爆燃現(xiàn)象，但對(duì)氧傳感器的使用壽命有致命的影響。試驗(yàn)證明：如果每升汽油中含有1.8g鉛，那么當(dāng)汽車行駛480km后氧化鋯式氧傳感器就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的鉛中毒現(xiàn)象；如果每升汽油中含有0.15g鉛，那么當(dāng)汽車行駛1000km之后，氧化鋯式氧傳感器就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的鉛中毒現(xiàn)象。由此可見，配裝有氧化鋯式氧傳感器以及三元催化轉(zhuǎn)換器的汽車應(yīng)當(dāng)禁止使用含鉛汽油。但是，在燃油或潤滑油的添加劑中不可防止地或多或少含有多種鉛化合物，因此，鉛中毒也是不可防止的。試驗(yàn)證明：溫度越低，傳感器的鉛中毒現(xiàn)象也就越嚴(yán)重，這是因?yàn)榈蜏貤l件下鉛為固體顆粒，容易沉淀在傳感元件外表而導(dǎo)致傳感器失效：相反，在高溫狀態(tài)下大局部鉛為氣態(tài)，難以穿過傳感元件，鉛中毒現(xiàn)象較輕。基于此，目前大多數(shù)汽車采用了加熱型氧化鋯式氧傳感器。另外，采用氧化鈦式氧傳感器可以提高傳感器的耐鉛能力，因?yàn)檠趸伿窖鮽鞲衅髦械慕饘巽K電極，只是用于實(shí)現(xiàn)電路連接，即使受到鉛離子污染，其性能也不會(huì)受到影響。3．硅中毒硅中毒是指硅離子與氧傳感器的鉑電極發(fā)生化學(xué)反響而導(dǎo)致催化劑鉑的催化性能下降的現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)上的硅密封膠、硅樹脂成型部件、鑄件內(nèi)的硅添加劑等都含有硅離子，這些硅離子會(huì)污染氧傳感器的外側(cè)鉑電極，氧傳感器內(nèi)部端子處密封用的硅橡膠會(huì)污染內(nèi)側(cè)電極。當(dāng)傳感器外側(cè)的鉑電極與硅離子反響(即出現(xiàn)硅污染現(xiàn)象)后，就會(huì)使鉑的催化能力下降，最終導(dǎo)致氧傳感器反響遲鈍。由于氧化鈦式氧傳感器沒有安裝內(nèi)側(cè)電極，且外側(cè)鉑電極只是用于實(shí)現(xiàn)電氣連接，因此硅中毒程度比氧化鋯式傳感器要輕得多。4．磷中毒磷中毒是指各種磷化物污染氧傳感器的現(xiàn)象。在氧傳感器外表，磷很少以純磷狀態(tài)析出，而是以某種化合物狀態(tài)析出。磷化物在汽車上的應(yīng)用很廣，經(jīng)常用作潤滑劑、防銹劑和清洗劑。在發(fā)動(dòng)機(jī)磨合期間或活塞環(huán)磨損之后，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油添加劑中的磷化物就會(huì)竄入汽缸中燃燒并隨排氣排出。當(dāng)排氣溫度較低時(shí)，磷化物是以微粒子狀態(tài)析出的，并沉淀在氧傳感器保護(hù)層的外表將氣孔堵塞，從而導(dǎo)致氧傳感器中毒：當(dāng)排氣溫度較高時(shí)，磷化物會(huì)附著在氧傳感器以及三元催化器外表使其受到污染。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中不可防止地存在鉛離子、硅離子和磷離子，而且氧傳感器必須安裝在排氣管上且必須在高溫下工作，因此，傳感器(氧化鋯式或氧化鈦式)中傳感元件的中毒和老化也都是不可防止的，氧傳感器應(yīng)當(dāng)按規(guī)定的行駛里程(一般為80000km)進(jìn)行更換。為了方便再次拆卸，更換氧傳感器時(shí)，一定要用專用防粘膠液刷涂氧傳感器的安裝螺紋。刷涂時(shí)，切勿將防粘膠液涂到氧傳感器的透氣孔中。四、氧傳感器的檢測(cè)當(dāng)氧傳感信號(hào)不正常時(shí)，可對(duì)氧傳感器及其工作電路進(jìn)行如下檢測(cè)1．檢查氧傳感器的加熱元件拆下氧傳感器線束插頭，用萬用表歐姆擋測(cè)量氧傳感器內(nèi)部電熱元件的電阻值，其阻值應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如豐田汽車氧傳感器加熱元件的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為4～40Ω，桑塔納汽車的為1～5Ω，具體數(shù)值可查閱各車型維修手冊(cè)。假設(shè)阻值不符，那么應(yīng)更換氧傳感器。2．檢查氧傳感器加熱元件工作電路將點(diǎn)火開關(guān)置于ON位置，用電壓表檢測(cè)傳感器加熱元件的工作電壓池電壓(12V)。假設(shè)無電壓，那么應(yīng)檢查加熱元件的電源電路。3．檢查氧傳感器的工作情況下面以豐田1UZ-FE型發(fā)動(dòng)機(jī)為例，介紹檢查氧傳感器工作情況的方法。①用專用導(dǎo)線連接檢查連接器的TEl和E1端子。②電壓表正表筆與檢查連接器的VFl(左側(cè)駕駛)或VF2(右側(cè)駕駛)端子連接，筆與E1端子連接。③啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，先使其到達(dá)正常工作溫度，再讓發(fā)動(dòng)機(jī)在2500r/min的轉(zhuǎn)速下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)120s以消除氧傳感器外表的積炭，然后記錄電壓表指針在0～7V范圍內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)。正常情況下，在8s內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)不得低于10次。如果電壓表在8s內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)低于10次，那么應(yīng)檢查氧傳感器。說明：也可按上述方法通過測(cè)量檢查連接器上OXl、OX2