空燃比传感器在汽油发动机上的应用及其检测

林 平



空燃比传感器在汽油发动机上的应用及其检测

林 平

福建交通职业技术学院汽车运用与工程机械系

空燃比传感器能在较大的范围内检测混合气的浓度，使发动机电控系统的空燃比反馈控制更加精确和迅速。但由于其结构、工作原理、信号特征与传统的氧传感器有很大的差异，因此其检测方法也完全不同。本文分析了空燃比传感器的结构和原理，并详细论述这种传感器的控制电路、信号特征和检测方法。

发动机；空燃比；传感器；检测

空燃比传感器和氧传感器一样，都是安装在发动机的排气管上，与排气管中的废气接触，用来检测排气中氧气分子的浓度，并将其转换成电压信号。ECM根据这一信号对喷油量进行调整，以实现对可燃混合气浓度的精确控制，改善发动机的燃烧过程，达到即降低排放污染，又减少燃油消耗的目的。

氧传感器在汽油发动机上的应用已有多年的历史，但由于氧传感器的信号电压在理论空燃比附近产生突变，因此对空燃比的控制主要集中在理论空燃比附近，无法在稀薄燃烧区内进行控制。近年来，随着节能减排的要求日益严格，能在整个稀薄燃烧区范围内工作的空燃比传感器逐渐在汽油发动机上得到了广泛的应用。由于空燃比传感器在结构和原理上与氧传感器有着很大的差异，导致其检测方法也完全不同。对于汽车维修技术人员，了解空燃比传感器的原理和检测方法是十分必要的。

1 空燃比传感器的结构与工作原理

空燃比传感器又叫宽带氧传感器（或宽范围氧传感器、线性氧传感器、稀混合比氧传感器等）。它与氧传感器一样，也是安装在排气管上，位于三元催化转化器前面。其作用是检测排气中氧分子的浓度，使ECM获得混合气浓度的反馈信号。与氧传感器只能检测理论空燃比的情况不同，空燃比传感器能连续检测出稀薄燃烧区的空燃比，可正常工作的空燃比范围大约在12:1到20:1之间，使得ECM能在非理论空燃比区域范围内实现喷油量的反馈控制，为进一步减少污染和节约能源提供了技术保障。

空燃比传感器是在普通氧化锆型氧传感器的基础上发展而来。氧化锆有一特性，就是当它的内外两个表面上存在氧浓度差时，会使氧离子从浓度高的一侧向浓度低的一侧移动，从而产生电动势。若相反将电动势加在氧化锆组件上，即会造成氧离子的移动。此时，氧分子会在阴极（负极）上得到电子形成氧离子，氧离子在电动势的作用下移动到阳极，在阳极上放电，变成氧分子。这样氧就通过氧化锆这一固体电解质被从电极的阴极泵到阳极，因此这种传感器也被称为电化学泵氧型氧传感器，外加的电压称为泵电压，产生的电流称为泵电流。

在泵氧过程中，泵电流的大小与泵电压有关，但泵电压的增加所导致的泵电流的增加会逐渐减小，当泵电流达到一定数值后，会出现泵电流不再随着泵电压的增加而增大或变化很小的现象，即达到到饱和状态，这个电流被称为极限电流。极限电流的大小取决于氧化锆两个表面之间的氧浓度差，将氧化锆的阳极通大气，阴极与废气接触，根据极限电流的大小即可测得废气中的氧浓度，从而在整个稀薄燃烧区范围内获得可燃混合气浓度信号。

空燃比传感器有两种结构型式：单元件和双元件。

1.1 单元件空燃比传感器

单元件空燃比传感器的结构和原理类似于传统的氧传感器，图1(a)为丰田汽车采用的单元件空燃比传感器。它的氧化锆元件采用平面型结构，两侧有铂电极，其中正极（阳极）通过空气腔与大气相通，负极（阴极）与排气之间有一多孔性的扩散障碍层和多孔氧化铝层，排气管中的氧分子可以通过多孔性氧化铝层和扩散障碍层到达阴极表面。ECM中的控制电路使正极的电压高于负极（图2），从而在氧化锆元件中产生一个泵电流，阴极上的氧分子在此电流的作用下被移动到阳极。ECM内的平衡监控电路控制泵电流的大小，通过改变两极之间的电压差，使泵电流达到饱和状态。扩散障碍层的作用是限制排气中的氧气向阴极的传输，使传感器能得到与排气管中的氧浓度相应且稳定的饱和泵电流。混合气的空燃比越稀，经障碍层进入扩散腔的氧分子越多，达到饱和状态时的泵电流也越大，相应的外加电压差也越大；反之，混合气越浓，经障碍层进入扩散腔的氧分子越少，达到饱和状态时的泵电流也越小，相应的外加电压差也越小。即：达到饱和状态时的泵电流的大小取决于氧向扩散室的扩散速率，并与排气中的氧分子浓度成正比，或与混合气的空燃比数值成反比。此电流的大小在ECM内部被转换成与混合气空燃比数值成正比的电压信号。实际的空燃比信号电压值在2.4～4.0 V之间变化（图1(b)）。

图1　单元件空燃比传感器结构及其信号特征

图2　单元件空燃比传感器的控制电路

空燃比传感器要求比氧传感器有更高的工作温度（大约650°），因此常将加热器和氧化锆元件用氧化铝集成在一起（图1(a)），同时由ECM控制加热器的电流，当进气量小（废气温度低）时，ECM增大加热器的电流，在保证氧化锆能保持在正常的工作温度内。

单元件空燃比传感器和氧传感器一样，有4根接线（图2），其中两根为氧化锆的两个电极，与ECM连接，在理论混合气状态下，这两根线之间的电压差约为0.4 V；另外2根为加热器的接线，分别接12 V电源和ECM，ECM以改变通电脉冲占空比的方式控制加热器的电流[1-4]。

1.2 双元件空燃比传感器

双元件空燃比传感器由两个氧化锆单元组成（图3），其中靠近排气侧的是一个电化学泵氧单元A（简称泵氧单元），另一个靠近大气的是氧浓差电池单元B（简称电池单元）。电池单元件B的一面与大气接触而另一面是扩散腔2，通过扩散孔1与排气接触，它和普通的氧化锆元件一样，由于两侧的氧含量不同，从而在两电极（即图3中的“参考接地”端和“电压差信号”端）之间产生一个电动势。ECM监测氧电池单元B的电压差信号端的电压值，并控制施加于泵氧单元A的氧化锆元件上的电压（即图3中的“输入泵电流”端子上的电压），以改变其泵电流，利用氧化锆的反作用原理，造成氧离子的移动，把排气中的氧分子泵入到扩散腔内，或将扩散腔内的氧分子泵出到排气中，以改变扩散腔内的氧分子浓度，使电池单元B的电压差信号值维持在0.45 V。

为了保持这一电压，当混合气太浓时，排气中含氧量下降，此时从扩散孔1进入扩散腔2的氧较少，电池单元B的电压差信号升高，ECM据此对泵氧单元A施加一个反向电压（即降低“输入泵电流”端的电压，使之低于“参考接地”端的电压），把氧离子从排气管泵到扩散腔2，增加扩散腔的氧含量，使电池单元的信号电压恢复到0.45v；反之，当混合气太稀时，排气中的含氧量增加，这时从扩散孔1进入扩散腔2的氧分子增加，使电池单元B的电压差信号降低，此时ECM会对泵氧单元正向施加一个电压，把氧离子从扩散腔2泵到排气管，由于扩散孔1限制了排气中的氧分子气向扩散腔的传输速率，氧离子的移动使扩散腔2内的氧分子浓度下降，使电池单元的信号电压恢复到0.45v。ECM根据此时泵氧电流（即输入泵电流）的大小和方向计算出相应的混合气浓度。

1.扩散孔　2.扩散腔　3.空气腔　4.微调电阻

双元件空燃比传感器有5根接线端子，其中2根是加热器的接线，1根是泵氧单元A和电池单元B共用的参考接地线，1根为电池单元的信号线（电压差信号），另1根是泵氧单元泵电流的输入线（输入泵电流）。由于排气中的氧分子通过扩散孔向扩散腔的扩散速率直接影响泵电流的数值，为了补偿制造误差，制造厂在每个空燃比传感器成品之前都要对其进行严格的校准，在传感器的泵电流电路上增加一个微调电阻，并将电阻安置在传感器的线束插头内，使5根接线的空燃比传感器成为有6根接线。该电阻的阻值范围在30～300 Ω之间，而且对每个传感器而言，该电阻的阻值都不完全相同，在更换传感器时，应将带有该电阻的传感器线束一同换掉[3-4]。

由于空燃比传感器能在较大的范围内检测混合气的浓度，当发动机的混合气浓度因某一原因突然偏离理论目标时，发动机电控系统能根据混合气浓度的偏离值及时修正，在较短的时间内就能使混合气浓度恢复到正常水平，缩短了发动机在非正常混合气状态下的运转时间，有利于减少排放污染。相对于采用氧传感器的发动机电控系统，由于无法判定混合气的偏离程度，只能按照固定的比例逐步校正混合气，反应较慢（图4）。

图4　空燃比传感器和氧传感器的性能对比

2 空燃比传感器的检测

2.1 单元件空燃比传感器的检测

空燃比传感器常见故障的原因及后果都与氧传感器相似，可以通过加热器的检测、控制电路的检测、传感器功能检测来诊断其故障的原因。

（1）单元件空燃比传感器加热器的检测

①关闭点火开关，拔下空燃比传感器的线束插头；

②参照维修手册和电路图的指示，用数字万用表从传感器插头上检测空燃比传感器的加热器的电阻，其阻值标准为1.8～3.4 Ω（丰田车型标准），如不相符，应更换传感器。

（2）单元件空燃比传感器控制电路的检测

①检查加热器电路。加热器电路有两条线，一条来自蓄电池的电源线，另一条是接ECM的控制线，参考地。打开点火开关后，测量加热器电源线上的电压，应为12 V。在发动机运转中，用电压表测量加热器控制线上的电压，应低于12 V；也可用电流钳测量，该控制线上应有最大可达6 A的电流；或用示波器测量该控制线，应有脉冲电压信号。

②检查传感器信号电路。可用万用表的电压档测量两根信号线，在发动机正常运转中，一条信号线的电压值应该是3.0 V，另一条线的电压值应该是3.3 V。如果电压值不正确，可能是线路开路或短路或者是ECM故障。

（3）单元件空燃比传感器的功能检测

单元件空燃比传感器的功能可以用汽车制造厂家提供的专用解码器检测。不同汽车制造厂家的专用解码器的使用方法都不完全相同，有些解码器有专门的空燃比传感器检测功能，通常是是通过解码器向发动机电脑发出让混合气以一定的比例加浓或变稀的指令，同时读取空燃比传感器的信号变化，并据此判定氧传感器是否工作正常。

单元件空燃比传感器的功能也可以用万用表检测，其方法是：

①运转发动机使之达到正常工作温度；

②在传感器线束插头连接良好的状态下，用万用表测量两条信号线间的电压差。在发动机正常运转时两信号线的电压差应为0.3 V。

③人为地改变混合气浓度，此时两信号线的电压差会像传统的氧传感器那样在0到1.0 V之间变化。当混合气变浓时（可向进气管内喷入少许丙烷），两信号线的电压差会减小；反之，当混合气变稀时（如拔下某根真空管使之产生真空泄漏），两信号线的电压差会增加。如果没有这种变化，说明传感器有故障，应更换[2-4]。

2.2 双元件空燃比传感器的检测

双元件空燃比传感器的工作性能可以采用解码器和废气分析仪相配合的方法来检测。其方法是：

①将解码器与发动机电脑连接；

②运转发动机至正常工作温度，在读取解码器上显示的空燃比信号参数的同时，用废气分析仪检测发动机的排气；

③通过人为的手段使混合气变浓或变稀，将解码器显示的空燃比数值与废气分析仪的检测结果比较，如果两个检测结果不匹配，说明传感器或控制系统有故障，需要进一步检查。

双元件空燃比传感器也可以用万用表和示波器来检测，其方法是：

①检测加热器电路。可按照与单元件空燃比传感器相同的方法，检测其加热器电路。

②分开传感器线束接头。用万用表检查泵元件输出和输入线路之间的修正电阻，其电阻值应该在30～300 Ω之间。

③把传感器的接头插上，用万用表检查参考接地端的电压，其值应该在2.4～2.7 V之间。

④分别检查泵氧元件和电池元件信号。用一个双通道示波器，将示波器的地线与传感器的参考接地端连接，将一个通道接电池元件的电压差信号线，另一个通道连接泵氧单元的输入泵电流线。电池单元的信号电压应该一直保持在 0.45 V。输入泵电流线上的电压会以0.5到0.6的幅度波动，在混合气从最浓变为稀时，会产生一个大于1.0的电压变化。

如检测结果与上述不符，说明传感器或其控制电路有故障，应更换传感器或检修控制电路[2-4]。

3　结语

氧传感器和空燃比传感器作为汽油发动机电控系统进行混合气浓度反馈控制的关键传感器，其工作性能直接影响到发动机的油耗和废气排放水平。虽然两者在发动机上的安装位置和作用都基本相同，甚至在外形上很难区分，但两者在的结构和工作原理有着很大的差异，其信号特征也完全不同。在检测时，必须采用不同方法，以免对故障的原因造成误判。

[1] 赵艳琴,王岭,朱靖,等.汽车用氧传感器de研究与进展[J].传感器世界,2006,12(5): 6-10.

[2] 朱之亚.宽量程空-燃比传感器的检测[J].汽车维修与保养 ,2002,(11) :47-48.

[3] 张葵葵.混装空燃比传感器和氧传感器的必要性及检测[J].公路与汽运, 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