宽带氧传感器的工作原理和常见故障的检查方法

宽带氧传感器的工作原理和常见故障的检查方法

发布时间: 2010-4-29 15:52 | 编辑: 汽车乐 | 查看: 1067次 来源: 网

络

随着汽车尾气排放限值要求的不断提高，传统的开关型氧传感器已不能满足需

要，取而代之的是控制精度更高的线性宽带氧传感器(Universal Exhaust Gas Oxygen

Sensor，简称UEGO)。氧传感器闭环控制调节发动机燃烧室内的混合汽，以实现最佳的

三元催化转换器运行，从而满足排放限值的要求。为此，氧传感器闭环控制的任务是确保

废气空燃比始终处于催化转换器的最佳工作点。氧传感器闭环控制只改变所要喷射的燃油

质量、燃烧室内的空气质量，也就是说汽缸充气和点火正时均不受影响，因此氧传感器是

用来帮助确定废气中氧含量而反映实际工况中的空燃比。控制单元内的氧传感器闭环控制

必须通过所提供的信号来对混合汽的成分做出相应调整，控制过程很大程度上取决于氧传

感器的属性。

宽带氧传感器能够提供准确的空燃比反馈信号给ECU，从而ECU精确地控制喷油时

间，使汽缸内混合汽浓度始终保持理论空燃比值。宽带氧传感器的使用提高了ECU的控制

精度，最大限度地发挥了三元催化器的作用，优化了发动机的性能，并可节省大约15％的

燃油消耗，更加有效地降低了有害气体的排放。

宽带氧传感器通过检测发动机尾气排放中的氧含量，并向电子控制单元(ECU)输送

相应的电压信号，反映空气燃油混合比的稀浓。ECU根据氧传感器传送的实际混合汽浓稀

反馈信号而相应调节喷油脉宽，使发动机运行在最佳空燃比(λ=1)状态，从而为催化转换器

的尾气处理创造理想的条件。如果混合汽太浓(λ<1)，必须减少喷油量，如果混合汽太稀

(λ>1)，则要增加喷油量。

现代汽车发动机管理系统中，安装在催化转换器前的宽带氧传感器，称作控制氧

传感器，安装在三元催化器的上游位置，监测尾气中氧的浓度，并将信息反馈给控制单元，

用于调节喷油量，从而实现发动机的闭环控制，改善发动机的燃烧性能并减少有害气体的

排放。根据OBD-Ⅱ规定，现代汽车必须对三元催化转换器效率进行持续监控，为此配有

诊断氧传感器，安装在催化转换器的下游端。通过比较催化转换器上游和下游的传感器信

号，可以确定催化转换器的效率。主要原因是由于控制氧传感器因老化，其向ECU输送的

电压信号曲线会发生偏移，诊断氧传感器会检测控制氧传感器是否仍然处于最佳工作状态，

然后ECU就可计算出矫正偏移所需的补偿量。

由于老化而造成工作性能变差的氧传感器，也会影响燃油经济性的指标。老化的

氧传感器提供给DME的混合汽浓度信号存在误差，将使DME控制单元在可燃混合汽形成

的控制产生偏差，而造成燃油消耗的增加。表1是博世公司所做的氧传感器对燃油经济性

影响的明细表。

一、 宽带型氧传感器的分类及基本构造

根据氧传感器的制造材料不同，宽带型氧传感器可分为以ZrO2为基体的固化电解质

型和利用氧化物半导体电阻变化型两大类；根据传感器的结构不同，宽带型氧传感又可分

为电池型、临界电流型及泵电池型。

宽带型氧传感器的基本控制原理就是以普通氧化锆型氧传感器为基础扩展而来。

氧化锆型氧传感器有一特性，即当氧离子移动时会产生电动势。反之，若将电动势加在氧

化锆组件上，即会造成氧离子的移动。根据此原理即可由发动机控制单元控制所想要的比

例值。

构成宽带型氧传感器的组件有两个部分：一部分为感应室，另一部分是泵氧元。

感应室的一面与大气接触，而另一面是测试腔，通过扩散孔与排气接触，与普通

氧化锆传感器一样，由于感应室两侧的氧含量不同而产生一个电动势。一般的氧化锆传感

器将此电压作为控制单元的输入信号来控制混合比，而宽带型氧传感器与此不同的是：发

动机控制单元要把感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V，这个电压只是

电脑的参考标准值，它就需要传感器的另一部分来完成。

宽带型氧传感器的另一部分是传感器的关键部件——泵氧元，泵氧元一边是排气，

另一边与测试腔相连。泵氧元就是利用氧化锆传感器的反作用原理，将电压施加于氧化锆

组件(泵氧元)上，这样会造成氧离子的移动。把排气中的氧泵入测试腔当中，使感应室两

侧的电压值维持在0.45V。这个施加在泵氧元上变化的电压，才是我们要的氧含量信号。

如果混合汽太浓，那么排气中含氧量下降，此时从扩散孔益出的氧较多，感应室的电压升

高。为达到平衡发动机控制单元，增加控制电流使泵氧元增加泵氧效率，使测试腔的氧含

量增加，这样可以调节感应室的电压恢复到0.45V；相反混合汽太稀，则排气中的含氧量

增加，这时氧要从扩散孔进入测试腔，感应室电压降低，此时泵氧元向外排出氧来平衡测

试腔中的含氧量，使感应室的电压维持在0.45V。总而言之，加在泵氧元上的电压可以保

证当测试腔内的氧多时，排出腔内的氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流；当腔

内的氧少时，进行供氧，此时发动机控制单元的控制电流是负电流。以上过程供给泵氧元

的电流就反映了排气中的剩余空气含量系数。

二、 宽带氧传感器(LSU)与LSH或LSF氧传感器的工作原理及区别

普通LSH或LSF氧传感器一般有四根线，其中两根是加热线，第三根是信号线，

另一根是接地线。其在陶瓷体两侧附着二氧化锆涂层，在350℃或更高的温度下能传导氧

离子，传感器两侧氧气的浓度差使两个表面之间产生电位差，且工作曲线非常陡峭，混合

汽在接近理论空燃比时，输出0.45V电压。

尾气稍微偏浓时，输出电压就突变为0.6～0.9V；反之尾气变稀后，输出电压突

变为0.3～0.1V，如果尾气进一步增浓，氧传感器的输出电压已经达到峰值测量电压0.9V。

如果尾气进一步变稀，氧传感器的输出电压已经达到最低测量值0.1V，过浓与过稀的尾气

对普通氧传感器已无法测量，0.1～0.9V的两状态电压信号已无法满足对汽车排放的控制。

使用催化转换器上游的两点式氧传感器时，只能对废气成分进行定性分析：只能区分浓混

合汽(λ<1)或稀混合汽(λ>1)。因此，只围绕λ＝1时持续振荡时，才能实现最佳的废气成分

控制。控制过程质量越好，控制系统通过Lambda控制器消除空燃比变化的速度越快。由

于燃油提前喷射持续进行，并且氧传感器并未直接位于燃烧室内，因此设定了一个随控制

路径响应时间变化的最小周期。这个响应时间分别由DME控制单元的计算时间、吸气之

前的燃油提前量、汽缸内的保压时间、气体在废气排放系统内的流经时间和氧传感器的响

应延迟时间组成。这就意味着响应时间由发动机转速和发动机负荷决定。为使Lambda控

制器(FR)获得恒定的振幅，对Lambda控制器所做的改进也必须进行调整。除此之外，在

混合汽所从浓变为稀以及从稀变为浓的过程中，突然的控制变换会使得振荡周期缩短。其

只能在混合汽为14.7:1的理论空燃比下，在混合汽燃烧后，对排放的尾气含氧量在比较狭

窄的范围内进行检测，因此这是普通氧传感器的缺陷所在。

利用宽频带氧传感器(LSU)可实现恒定的氧传感器闭环控制。宽带氧传感器由1

个普通窄范围浓差电压型氧传感器(氧化锆参考电池、1个界限电流型氧传感器、氧化锆泵

电池)及扩散小孔、扩散室构成(见图2)。他需要一个专门设计的传感器控制器来控制其正

常工作。在图2中传感器控制器用A和B表示。尾气通过扩散小孔进人扩散室，尾气可能

是浓混合汽，也可能是稀混合汽。氧化锆参考电池感知尾气的浓度后，产生电压Us，根据

尾气浓度的不同，浓混合汽将产生高于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个

方向的泵电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵入扩散室内进行化学分解反应，在废气中产生水和

一氧化碳及一些氧化物，附着在泵氧元的表面。在化学反应中将过多的碳氢化合物分解，

从而降低了废气的浓度，使扩散室恢复到Us电压为0.45V的尾气含氧浓度的平衡状态。

相反，稀混合汽将产生低于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个反方向的泵

电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵出扩散室。当HC燃料或氧气被中和时，参考电池产生的电

压Us等于参考电压UsRef,此时的泵电流Ip就反映了尾气的浓度，传感器控制器将泵电流

Ip转换成输出电压Uout通过改变泵电流的极性(电流流动方向)与大小就可以达到平衡扩

散室里的尾气含氧量。如何将这个变化的泵电流再去控制发动机ECU对喷油器喷油时间的

调整，是至关重要的。在控制环路中有一块DSP(数字信号处理器)电路，该电路有二路输

出，一路将变化的泵电流信号通过放大数模转换成线性电压，此电压从0.7～4V连续变化，

去控制发动机ECU的空燃比调整。另一路输出脉宽调制信号去控制COM场效应开关晶体

管导通与截止时间，给加热器提供电流，加热氧传感器。

宽频带氧传感器的特点是工作曲线平滑，能够连续检测空燃比从10至20，相当

于过量空气系数从0.686至1.405的宽范围，当线性电压在2.5V时，就达到了理论空燃

比14.7的控制。安装宽频带氧传感器后，泵电流可用来直接确定废气空燃比。而这样又可

以对混合汽成分进行即时、持续的控制。持续空燃比确定意味着可实现较小的控制振幅，

这是实现高质量控制的决定性因素。除此之外，宽频带氧传感器还能根据需要执行不同于λ

＝1的控制过程，如在发动机预热阶段在排气管内进行二次空气喷射。此调节总是达到规

定的燃烧室空燃比时进行，以最终确保空气喷射不会使混合汽浓度过高。

宽带氧传感器的主要工作要求：

① 采集传感器的反馈信号。

② 产生泵电流控制信号。

③ 通过采集泵电流流经某一特定电阻产生的电压，得知泵电流的大小，再通过AD转

换输入到控制芯片。

④ 测量传感器的内阻变化，通过AD转换输入到控制芯片，从而产生一个控制传感加

热器的信号，使传感器始终保持在最佳工作温度。

三、宽带氧传感器使用与维护

在推测传感器质保期时，很重要的一项工作是搞清楚氧传感器的老化机理。实际

上，在使用温度范围存在各种故障原因，这些要因产生复合作用导致氧传感器的实际使用

寿命低于试验所得的纯老化原因引起的元件损坏。

在发动机启动工况和重负荷工况下燃油的雾化状况很差，未燃烧的燃油排出到排

气系统，对氧传感器会造成不良的影响。这是因为过剩的燃油流入排放的气体中，会在传

感器表面发生反应。一是未燃烧的燃料中析出炭，对产生耗油量大的发动机，问题就很严

重了，当炭在传感器表面电极上析出时，就会将陶瓷保护层向上顶，甚至造成保护层剥落；

二是未燃烧的燃料在附于传感器表面形成燃烧反应，特别是在车辆减速时或发动机有汽缸

失火的故障时，如不能及时中断供油，氧传感器表面的温度会超过1000℃，这就容易造成

传感器的高温老化损坏。

在低质燃油或润滑油的添加剂中可含有多种铅化合物，其融点范围也非常广。温

度越低，老化现象越严重，高温时老化现象比较迟。在高温下，大部分铅为气态，难以穿

过传感器元件；与此相比，在低温下铅为固体状态，堆积在传感器元件的表面，中毒比较

严重。最严重的情况是，低温下堆积在元件表面的沉淀物在高温下溶化，并扩散到传感元

件内部的电极处时，部件很快进入老化状态。

作为机油的添加物，磷(P)化物的应用很广泛，可用作润滑剂、防锈剂及清洗剂。

在正常工况的尾气中基本上不包括这些成分，但是在发动机的磨合期及旧发动机的工况下，

活塞环磨损的同时，机油消耗显著增加，这些磷化物成分就会在发动机中燃烧，并飞散到

尾气中，堆积在氧传感器及三元催化剂表面。通过研究800℃与500℃以及500℃与350℃

的P的影响，得出这样的结论：温度越低，P的含量越高，老化状况越严重，其原因与铅

中毒非常类似。但与铅相比，P很稳定，所以其动作过程也比较缓慢。

一般指Pb与P，这一问题在正品的汽车燃油、润滑油添加剂与汽车技术革新方面

已得到很好的改善，硅(Si)中毒的问题还没有得到很好的改善。硅的发生源，一是传感器内

部端子处的硅橡胶。一般认为硅橡胶经275℃ 100h时，散发量小于7.5%，硬度低于

80IRHD(国际橡胶硬度单位)，就不会产生硅中毒的故障现象；另一发生源是尾气，燃油中

的Si应低于4ppm。但实际上，测定不出燃油中含有硅。一般的看法是运输过程中采用不

当的容器保管而造成的。Si的量仅有一点点，但它对氧传感器的性能确有影响，属轻量元

素，难以检测。

前氧传感器一般尽量安装离排气歧管汇合处最近的地方，需要考虑到为激活元件

顶端检测部位所需的最低温度和防止高温老化的最高温度，这样使氧传感器很快地工作，

可以获得稳定的输出信号。由于氧传感器的工作温度在大约450～800℃之间，发动机冷

车或低速小负荷，尾气温度不够，不能促进其工作，所以氧传感器的探头里加入加热器，

这样才能很快工作。

宽带氧传感器使用与维护注意事项：

(1) 传感器在尾气中的温度不能大于850℃。

(2) 氧传感器前方的排气管及其连接部位必须保证良好的密封性，避免因空气进入排

气系统和尾气泄漏影响氧传感器的调节灵敏度。

(3) 加热器不能加热，就不能烧到探头上的积炭和残留物，影响对排放气体的测量准

确性。

(4) 氧传感器要垂直与尾气流向中，在10～2点位置之间。防止尾气中的潮气冷凝作

用而损坏氧传感器的内部陶瓷部分。

(5) 禁止使用清洗剂、油性液体或挥发性固体，也不能使用硅密封胶。由于硅胶中含

有醋酸，若硅密封胶应用在有机油流动的部位，其中的醋酸蒸发，进入曲轴箱，经通风系

统进入汽缸，最终排入排气系统损害氧传感器，表现在部件顶端工作面呈现“白色”，俗称

“硅中毒”。

(6) 对于V形排列的发动机，左右两列汽缸排气管上的氧传感器不能装反，同时导线

电器连接不能接反。

(7) 安装前和安装后，保护氧传感器不受机械震动。

(8) 在安装宽带氧传感器时最好要在螺纹部位涂一层由石墨、玻璃胶组成的石墨悬浮

液专用防黏剂，在工作中石墨被烧掉，玻璃胶保留下来，以免于再次维修时造成与排气管

螺纹烧结损伤而便于拆卸。新的氧传感器的螺纹上已经涂有这种防黏剂，保证其不得与传

感器接头接触。

(9) 传感器插座线及引出线在安装的过程中不应处于张紧状态，其挠度应大于15mm。

防止由于引出线弯曲或者拉力作用导致的损坏。

(10) 在电器连接器要保证密封垫或保护套能够耐压大于1个大气压，以保证插接件处

的气密性，防止湿气与水的渗入造成腐蚀损伤或线路短路故障。

(11) 在发动机组维修中，需要涂密封胶的较大的部件多，对Si、硬化剂的种类、混合

与硬化条件需要严格管理。

(12) 传感器如果坠落到地上就不能再使用，因为其中的陶瓷绝缘体可能破裂。

四、氧传感器常见故障现象

1.氧传感器中毒

氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障，尤其是经常使用含铅汽油的汽车，

即使是新的氧传感器，也只能工作几千公里。如果只是轻微的铅中毒，接着使用一箱不含

铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作。但往往由于过高的排气温度，

而使铅侵入其内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时就只能更换了。

另外，氧传感器发生硅中毒也是常有的事。一般来说，汽油和润滑油中含有的硅化合

物燃烧后生成的二氧化硅，硅橡胶密封垫圈使用不当散发出的有机硅气体，都会使氧传感

器失效，因而要使用质量好的燃油和润滑油。修理时要正确选用和安装橡胶垫圈，不要在

传感器上涂敷制造厂规定使用以外的溶剂和防粘剂等。

2.积碳

由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或氧传感器内部进入了油污或尘埃

等沉积物，会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的信号失准，ECU

不能及时地修正空燃比。产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加。此时，若

将沉积物清除，就会恢复正常工作。

3.氧传感器陶瓷碎裂

氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而失效。因

此，处理时要特别小心，发现问题及时更换。

4.加热器电阻丝烧断

对于加热型氧传感器，如果加热器电阻丝烧蚀，就很难使传感器达到正常的工作温度

而失去作用。

5.氧传感器内部线路断脱。

氧传感器的检查方法

1.氧传感器加热器电阻的检查

拔下氧传感器线束插头，用万用表电阻档测量氧传感器接线端中加热器接柱与搭铁接

柱之间的电阻，其阻值为4-40Ω(参考具体车型说明书)。如不符合标准，应更换氧传感器。

2.氧传感器反馈电压的测量

测量氧传感器的反馈电压时，应拔下氧传感器的线束插头，对照车型的电路图，从氧

传感器的反馈电压输出接线柱上引出一条细导线，然后插好线束插头，在发动机运转中，

从引出线上测出反馈电压(有些车型也可以由故障检测插座内测得氧传感器的反馈电压，如

丰田汽车公司生产的系列轿车都可以从故障检测插座内的OX1或OX2端子内直接测得氧

传感器的反馈电压)。

对氧传感器的反馈电压进行检测时，最好使用具有低量程(通常为2V)和高阻抗(内阻大

于10MΩ)的指针型万用表。具体的检测方法如下：

1)将发动机热车至正常工作温度(或起动后以2500r/min的转速运转2min)；

2)将万用表电压档的负表笔接故障检测插座内的E1或蓄电池负极，正表笔接故障检测

插座内的OX1或OX2插孔，或接氧传感器线束插头上的号|出线；

3)让发动机以2500r/min左右的转速保持运转，同时检查电压表指针能否在0-1V之

间来回摆动，记下10s内电压表指针摆动的次数。在正常情况下，随着反馈控制的进行，

氧传感器的反馈电压将在0.45V上下不断变化，10s内反馈电压的变化次数应不少于8次。

如果少于8次，则说明氧传感器或反馈控制系统工作不正常，其原因可能是氧传感器表面

有积碳，使灵敏度降低所致。对此，应让发动机以2500r/min的转速运转约2min，以清

除氧传感器表面的积碳，然后再检查反馈电压。如果在清除积碳可后电压表指针变化依旧

缓慢，则说明氧传感器损坏，或电脑反馈控制电路有故障。

4)检查氧传感器有无损坏

拔下氧传感器的线束插头，使氧传感器不再与电脑连接，反馈控制系统处于开环控制

状态。将万用表电压档的正表笔直接与氧传感器反馈电压输出接线柱连接，负表笔良好搭

铁。在发动机运转中测量反馈电压，先脱开接在进气管上的曲轴箱强制通风管或其他真空

软管，人为地形成稀混合气，同时观看电压表，其指针读数应下降。然后接上脱开的管路，

再拔下水温传感器接头，用一个4-8KΩ的电阻代替水温传感器，人为地形成浓混合气，同

时观看电压表，其指针读数应上升。也可以用突然踩下或松开加速踏板的方法来改变混合

气的浓度，在突然踩下加速踏板时，混合气变浓，反馈电压应上升；突然松开加速踏板时，

混合气变稀，反馈电压应下降。如果氧传感器的反馈电压无上述变化，表明氧传感器已损

坏。

另外，氧化钛式氧传感器在采用上述方法检测时，若是良好的氧传感器，输出端的电

压应以2.5V为中心上下波动。否则可拆下传感器并暴露在空气中，冷却后测量其电阻值。

若电阻值很大，说明传感器是好的，否则应更换传感器。

5)氧传感器外观颜色的检查

从排气管上拆下氧传感器，检查传感器外壳上的通气孔有无堵塞，陶瓷芯有无破损。

如有破损，则应更换氧传感器。

通过观察氧传感器顶尖部位的颜色也可以判断故障：

①淡灰色顶尖：这是氧传感器的正常颜色；

②白色顶尖：由硅污染造成的，此时必须更换氧传感器；

③棕色顶尖：由铅污染造成的，如果严重，也必须更换氧传感器；

④黑色顶尖：由积碳造成的，在排除发动机积碳故障后，一般可以自动清除氧传感器

上的积碳。

如果排气管进了水,要尽快把积水排除,以免水中的杂质堵塞三元摧化器或损坏氧传感

器。