浅谈汽车空燃比传感器的结构原理与检修

陈成春

浅谈汽车空燃比传感器的结构原理与检修

陈成春

福建交通职业技术学院

随着汽车工业的发展，汽车保有量的不断增加，汽车节能减排技术越来越被人们所重视。汽车空燃比传感器能够自动检测不同工况下的汽车混合气浓度，并通过电脑进行自动调节，是节能减排技术的重要应用。为此，本文通过近期教学实践和维修实践过程中的不断总结，阐述了空燃比传感器的结构原理和检修方法。

空燃比；传感器；结构原理；检修

随着社会的进步，汽车工业的不断发展，汽车尾气排放问题越来越被人们所关注，相关的汽车尾气排放标准也越来越严格，为了达到尾气标准，各种汽车控制装置正不断地装到汽车上。氧传感器作为有效控制尾气排放的重要装置，能够给发动机电脑（简称ECU）提供混合气空燃比反馈信号，并使发动机在各种不同的工况下，都能达到控制理论空燃比（14.7:1）的目的，实现闭环控制，使三元催化转换器达到最佳的转换效果。空燃比传感器作为新型的氧传感器，能在发动机不同工况时，准确地检测废气中氧的浓度，并及时地把信号传给电脑进行精确计算和控制混合气浓度，使发动机实现较理想的空燃比，燃烧更好，动力更足，油耗更低，排放污染更少，现在已在许多新的车型中逐步推广使用。

1 氧传感器的类型

氧传感器可以分为杯型和平面型两种（如图1所示），传统的氧传感器一般为杯型，传感器元件围着一个加热器，空燃比传感器一般为平面型，传感器最基本的部分是夹在两个铂电极之间的氧化锆固态电解质。全范围单腔限流平板型空燃比传感器的传感元件多了一个特殊设计的限制空气扩散的扩散阻力层，并有一个封闭的空气腔。空燃比传感器的加热器采用氧化铝制成，具有较好的导热性能和绝缘性能，以使传感器元件和加热器结合在一起，提高了传感器的加热性能。

2 工作原理

空燃比传感器可能比传统的氧化锆型氧传感器能更精确地控制燃油，目前多数新型汽车采用了能够精确测量实际空燃比数值的全范围空燃比传感器，它代替了传统的氧传感器。

2.1 稀混合气浓度情况下

在实际空燃比数值大、混合气稀工况条件下，尾气中氧气较多，实际空燃比数值越大、混合气越稀，尾气中的氧气就越多。发动机电脑ECU在空燃比传感器两个铂电极间施加了电压。当尾气中的氧气穿过空燃比传感器扩散阻力层后，接触到空燃比传感器尾气侧铂电极得到电子后被电离，氧离子流过氧化锆固态电解质后到达空燃比传感器空气腔侧铂电极失去电子后中和，从而形成了电流（如图2所示）。由于特殊设计的扩散阻力层作用，使通过扩散阻力层的氧气形成的限制电流正比于尾气中的氧气浓度。

图2 稀空燃比检测原理图

2.2 浓混合气浓度情况下

在实际空燃比数值小、浓混合气工况下，由于缺氧造成可燃混合气不能完全燃烧，从而产生了大量的未燃烧气体（碳化氢和一氧化碳）。此时，发动机电脑在两个空燃比传感器铂电极间施加电压，空燃比传感器空气腔内的氧气在空气腔侧铂电极得到电子后被电离成氧离子，氧离子从空气腔侧铂电极流到尾气侧铂电极。在尾气侧铂电极，它同穿过空燃比传感器扩散阻力层的未完全燃烧产物碳化氢和一氧化碳发生化学反应，失去电子，从而形成了电流。由于扩散阻力层的特殊设计，使得碳化氢和一氧化碳气体的数量正比于尾气中未燃烧的碳化氢和一氧化碳气体的浓度，从而使未燃烧的碳化氢和一氧化碳气体同氧气发生化学反应形成的限制电流正比于尾气中未燃烧的碳化氢和一氧化碳气体浓度。注意，此时，空燃比传感器中空气腔的O2的流动方向发生改变（如图3所示）。

图3 浓空燃比检测原理图

3 输出特性和性能特点

3.1 电流变化特性

空燃比即空气和燃油的比例，理论空燃比为14.7:1。高于理论空燃比是稀的经济空燃比，低于理论空燃比是浓的功率空燃比。

在实际空燃比等于理论空燃比（14.7:1）时，空燃比传感器的输出电流为零。实际空燃比数值小、混合气浓时，空燃比传感器输出电流为负。当实际空燃比数值大、混合气稀时，空燃比传感器输出电流为正。空燃比传感器的空燃比检测范围极宽，从空燃比23:1极稀混合气到11:1极浓混合气范围内都可能检测到，而且空燃比传感器输出限制电流同实际空燃比的大小基本上成正比对应，对应关系的线性也比较好，几乎趋近为一条直线。发动机ECU把传感器输出电流的变化转化成电压变化，以线性检测当前的空燃比。

3.2 电压变化特性

空燃比传感器和氧传感器相同，空燃比传感器也探测排气中的氧浓度。常规型氧传感器在理论空燃比的附近，其输出电压常会急剧变化。相比而言，空燃比传感器所施加的是大约0.4 V的恒定电压，随着氧浓度的变化，传感器的输出电流发生变化，从而电压也跟着变化，电压的变化范围一般为2.4 V～4.0 V之间（如图4所示）。图4表示在手持式测试仪上显示的空燃比传感器的电压输出特性。传感器内有一个能保持发动机ECU的AF+和AF-端子上有恒定电压的电路。所以，空燃比传感器的输出条件不能用电压表来探测，必须使用手持式测试仪。空燃比传感器的输出特性使其有可能当空燃比一发生变化，立刻给予校正，这样可使空燃比校正反馈更快、更精确。和传统氧传感器相同，空燃比传感器上也配有加热器，在排气温度低时用来保持探测性能。但是，空燃比传感器的加热器比传统氧传感器需耗用大得多的电流。

图4 空燃比传感器的电压输出特性图

3.3 性能特点

在汽车冷启动、急加速或减速等复杂工况下，实际空燃比已大大偏离理论空燃比，氧传感器只能检测到理论空燃比，并且检测不到实际空燃比偏离的量，发动机电脑无法将实际空燃比修正到理论空燃比（14.7:1）。所以，在冷启动、急加速或减速等复杂工况下，传统氧传感器燃油控制的反馈非常狭窄而且变化稳定，如果需要非理论空燃比混合物，ECU将可能进入开环控制，无法实现闭环控制，废气排放很高。

空燃比传感器可称为宽带、宽频带、线性、稀式传感器等。根据空燃比传感器测量的实际空燃比数值，发动机电脑ECU可及时将实际空燃比调整并控制在理论空燃比（14.7:1），而且调整速度极快，而且，空燃比传感器允许在非理论空燃比混合时进行闭环燃油控制（如图5所示）。这大大降低了汽车在冷启动、加速或减速等工况下的废气排放，从而更进一步降低了汽车的废气排放，使尾气排放可达到欧Ⅲ排放标准的要求。

图5 空燃比传感器在急加速工况下的输出曲线图

空燃比传感器的工作温度大约为650℃，比传统氧传感器工作温度（400℃）高。但是，空燃比传感器的加热器的加热时间只需10 s，而传统的氧传感器的加热器的加热时间却需要30 s，发动机暖机过程能够更快地参与闭环控制，响应性快。空燃比传感器输出信号有数秒延迟，传统氧传感器输出信号有20 s延迟。

4 检修

以丰田皇冠轿车发动机为例，进行检修作业叙述。丰田皇冠轿车发动机装有4个氧传感器（如图6所示），双排气管，在三元催化反应器之前装有空燃比传感器（叫做1号氧传感器），在三元催化反应器之后，还装有一个加热型氧传感器（叫做2号氧传感器），发动机电脑根据1号氧传感器的反馈信号，增加或减少喷油量，将实际空燃比控制在理论空燃比附近。

图6 丰田皇冠轿车空燃比传感器安装图

4.1 线路检修

（1）检查ECU端子＋B电压应为12 V，若没有电压，则检查ECU电源电路、EFI主继电器和EFI熔断丝（如图7所示）；

（2）检查传感器四根导线电压应分别为12 V、12 V、3.3 V、2.9 V，没有12 V电压则检查加热器电路，没有3.3 V电压检查AF1＋端子电路，没有2.9V电压则检查AF1－端子电路；

（3）检查ECU端子AF1＋、AF1－、HTAF1电压应分别为3.3 V、2.9 V、12 V，若AF1+和AF1-电压不正确则检查ECU和ECU电源电路；若HTAF1端子没有电压则传感器加热器熔断和端子线路断路；

图7 空燃比传感器电路图

4.2 加热器检修

用欧姆表检查加热器的电阻应符合规定值，若电阻不在规定值范围内则更换传感器。

4.3 传感器检修

起动发动机，分别用丰田专用解码器和OBDⅡ通用解码器读取随车数据，空燃比传感器的电压数据（如表1所示）应符合要求，否则应更换传感器。由于1996年之前，丰田汽车上的空燃比传感器的检测数据无法在OBDⅡ通用解码器上显示，OBDⅡ通用解码器只能显示氧传感器0～1V之间的电压值，为解决这个问题，丰田公司修正了汽车电脑，并且以显示的0～1V的电压值来代替实际的检测电压，这就出现了两种解码器检测的电压不同的情况，对于刚接触空燃比传感器的汽车维修技师，一定要查找维修手册，确定氧传感器的类型，以免混淆。

表1 空燃比传感器在不同空燃比时的电压表

4.4 传感器更换

这种1号空燃比传感器从外观上看与2号传统的氧传感器很相似，两者都有4根电线，而且接头看起来相同。稍微修改以后，传统氧传感器就可以插入空燃比传感器线束。然而，如果插头不正确，系统将不能正常工作。所以，更换空燃比传感器时，一定要在正确的位置更换，并且，插头不能与2号氧传感器对换。

5 结论

空燃比传感器作为氧传感器的一种，由于采用了最新技术，使得空燃比传感器有许多的技术优越性，目前正在逐渐推广使用。现在，越来越多的新的车型都使用了空燃比传感器，所以，了解和熟悉空燃比传感器的结构原理，并会正确地采用相关的检修手段，进行空燃比传感器的检修，对于当前的汽车检修技术人员，是很有必要的。而且，汽车技术的不断更新，知识的不断更替，学习和使用汽车新技术，是当今汽车维修技术人员的首要任务。本人通过不断地技术总结和实验数据采集和分析，并查找了相关的技术资料，通过丰田车系的相关车型进行实车检验，验证了本人的数据和分析是合理的，我想对于部分维修技术员可以有很好的借鉴和应用价值。

[1] 范道钢.空燃比氧传感器[J].汽车维修与保养,2006(4):55-56.

[2] 韩玉敏.排放控制系统[M].北京:化学工业出版社,2005.

[3] 王凯明,朱军.汽车排放治理技术指导[M]. 北京:机械工业出版社,2006.

[4] 龚金科.汽车排放污染与控制[M]. 北京:人民交通出版社,2005.

[5] 赵英勋.汽车检测与诊断技术[M].机械工业出版社,2004,8,3—5.

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.