发布于 06-24 21:34:51
一、氧化锆式氧传感器的测量原理
将二氧化锆（ZrO2）置于高温下，如果ZrO2两侧气体的氧含量有较大差异，氧离子就会从氧含量高的一侧向氧含量低的一侧扩散，使两侧电极间产生电动势（图9-4）。电动势E的大小可由下式表示：
式中 R——气体常数（J/mol·K）；
T——热力学温度（K）；
F——法拉第常数（c/mol）；
P1、P2——两侧气态氧气分压（Pa）。
图9-4 二氧化锆式氧传感器的测量原理
1—电动势 2—大气侧铂金电极 3—固态电解质（氧化锆元素） 4—排气侧铂金电极 5—陶瓷涂层
氧化锆式氧传感器就是利用了氧化锆的这一特性，将氧敏感元件（ZrO2）制成试管状，使其内侧通大气（氧含量高），外侧通过发动机的排气（氧含量低）。混合气偏浓时，排气中的氧含量极少，氧化锆内外侧氧的浓度差大，因而产生一个较高的电压；混合气偏稀时，排气中含有较多的氧，氧化锆内外侧的氧浓度差较小，产生的电压较低。
二、氧化锆式氧传感器的结构与工作特性
氧化锆式氧传感器的结构如图9-5所示。氧化锆的内外表面都涂有铂，铂的外表面有一层陶瓷，起保护铂电极的作用。氧化锆表面涂铂的作用是催化排气中的O2与CO反应，使混合气偏浓时排气中的氧含量几乎为零，而对混合气偏稀时排气中的氧含量影响则不大，这样就显著提高了氧传感器的灵敏度（图9-6）。
ZrO2需在400℃以上的温度下才能正常工作，为此，在一些氧化锆式氧传感器中设有加热器，其作用是在排气管温度尚未达到氧传感器正常工作温度时通电加热氧传感器，以使其迅速达到正常工作温度。
图9-5 氧化锆型氧传感器
1—导入排气孔罩 2—锆管 3—电极 4—弹簧 5—绝缘支架 6—接线端子 7—排气管壁
图9-6 氧化锆型氧传感器输出特性
a）无铂催化作用 b）有铂催化作用
1—氧传感器输出的电动势 2—氧传感器表面的O2浓度 λ—过量空气系数
二氧化锆式氧传感器具有测量精度高、响应时间短、测量范围广等特点，而且无需电压参数转换电路，其测量结果直接以电压信号输出。因此，目前在汽车上广泛采用二氧化锆式氧传感器。
三、氧化锆式氧传感器的检测方法
1.氧化锆式氧传感器常见故障及影响
氧化锆式氧传感器的常见故障有：传感器陶瓷元件表面积炭或积铅（铅中毒）、内部线路接触不良、陶瓷体破损、加热器损坏等。氧化锆式传感器常见的故障及影响见表9-1。
表9-1 氧化锆式氧传感器的常见故障及影响
2.氧化锆式氧传感器的检测方法
氧化锆式氧传感器的一般检测方法如下：
1）直观检查。检查氧化锆式氧传感器插接器有无松动，导线有无破损或断脱，必要时，拆下氧化锆式氧传感器，通过氧化锆式氧传感器外观有无损伤和颜色判断其故障与否，检查方法如下：
①从排气管上拆下氧化锆式氧传感器，检查氧化锆式氧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，则应更换氧化锆式氧传感器。
②观察氧化锆式氧传感器顶尖部位的颜色，正常颜色应为淡灰色。如果顶尖呈白色，是由硅污染造成的，此时必须更换氧化锆式氧传感器；如果是棕色顶尖，说明氧化锆式氧传感器有铅污染，铅污染严重时，必须更换氧化锆式氧传感器；如果是黑色顶尖，说明氧化锆式氧传感器积炭，在排除发动机的积炭故障后，氧化锆式氧传感器上的积炭一般可以自动清除。
2）检查氧化锆式氧传感器信号电压。检查方法如下：
①在发动机达正常工作温度时，让发动机以2500r/min左右的转速保持运转。
②断开氧化锆式氧传感器的插接器，检测氧化锆式氧传感器信号输出端子与搭铁之间的电压，正常情况电压表指针应在0～1V之间来回摆动，10s内反馈电压的变化次数应不少于8次。
③如果少于8次，则说明氧化锆式氧传感器或反馈控制系统工作不正常，其原因可能是氧化锆式氧传感器表面有积炭，使灵敏度降低所致。应让发动机以2500r/min的转速运转约2min，以清除氧化锆式氧传感器表面的积炭，然后再检查氧化锆式氧传感器信号电压。如果在清除积炭以后，电压表指针变化依旧缓慢，则说明氧化锆式氧传感器损坏，或ECU控制电路有故障。
④如果电压总是指示为0.5V或以上，设法使混合气变稀（不同的配置有不同的方法，比如：拆下曲轴箱通风控制阀、拔下炭罐通气控制阀真空管等），电压应迅速下降，否则，需更换氧化锆式氧传感器。
⑤如果电压总是指示为0.5V以下，则设法使混气变浓（比如：使喷油器持续通电），电压应迅速上升，否则，也应更换氧化锆式氧传感器；如果始终无电压指示，也说明氧化锆式氧传感器已损坏，需予以更换。
3）检查加热器电阻。检测氧化锆式氧传感器加热器电阻（热丝式加热器电阻为5～7Ω），如果测得的电阻过大，则需更换氧化锆式氧传感器。
3.氧化锆式氧传感器的检测实例
（1）桑塔纳2000GSi型轿车氧传感器的检测方法
桑塔纳2000GSi型轿车采用加热型氧化锆式氧传感器，其连接电路如图9-7所示，氧传感器插接器的端子排列如图9-8所示。加热器的电源端（1号端子）通过燃油泵继电器连接蓄电池，控制端（2号端子）连接ECU的27号端子；氧传感器的信号由3、4号端子输出，从ECU的25、26号端子输入。桑塔纳2000GSi型轿车氧传感器检测内容与标准参数见表9-2，具体的检测方法如下：
1）直观检查。查看氧传感器插接器有无松动，线束有无松脱或破损等。如果有异常，进行相关的修理。
图9-7 桑塔纳2000GSi型轿车氧传感器的连接电路
图9-8 桑塔纳2000GSi型轿车氧传感器插接器的端子排列
表9-2 桑塔纳2000GSi型轿车氧传感器的检测内容与标准参数
2）检测氧传感器信号电压。检测方法如下：
①起动发动机，并使其怠速运转。
②当发动机达正常工作温度时，用V.A.G1594辅助导线（可使测量方便）和数字式万用表测量氧传感器的4号端子与3号端子之间的电压，应在0.1～0.9V之间摆动。
如果氧传感器信号电压总是低，将燃油压力调节器真空管拔下，看电压能否上升至0.9V左右，且能摆动。若不能，检查氧传感器与ECU之间的线路，在线路良好的情况下，需更换氧传感器。
3）检测氧传感器信号线路。检测方法如下：
①关闭点火开关，断开氧传感器和ECU的插接器。
②用电阻表分别测量氧传感器插头（线束侧）3、4号端子与ECU插头（线束侧）25、26号端子之间的电阻，应小于0.5Ω。
如果电阻无穷大或明显大于0.5Ω，需检修氧传感器与ECU之间的信号线路。
4）检测氧传感器加热器的电源电压。检测方法如下：
①拔下传感器插头后，再起动发动机。
②在发动机怠速运转时，测量氧传感器插头的1号端子与2号端子之间的电压，应为11V以上。
如果无电压，检修加热器的电源线路和控制（搭铁）线路，若线路正常，需检测氧传感器中的加热器。
5）检测氧传感器加热器电阻。检测方法如下：
①在关闭点火开关时拔下氧传感器插头。
②用电阻表测量传感器的3号端子与4号端子之间的电阻，常温下应在1～5Ω。
如果电阻不正常，需更换氧传感器。
6）检测加热器线路。在检测加热器电源电压异常时，就需要检测加热器的线路，检测方法如下：
①在点火开关处于关闭状态时断开传感器和ECU的插接器。
②用电阻表分别测量氧传感器插头（线束侧）1、2号端子与燃油泵继电器（J17）接燃油泵端子、ECU插头的27号端子之间的电阻，应小于0.5Ω。
如果线路正常，但加热器不工作，更换氧传感器或发动机ECU。
（2）富康轿车氧传感器的检测方法
富康系列轿车发动机也采用加热型氧化锆式氧传感器，其结构如图9-9所示，与ECU的连接电路及插接器端子排列如图9-10所示。氧传感器检测方法如下：
图9-9 氧传感器的结构
1—带槽保护套 2—氧传感器管座 3—外壳 4—绝缘体 5—电极 6—氧传感器加热电阻电源端子 7—簧片 8—加热电阻 9—陶瓷体 10—多孔陶瓷与电极板
图9-10 氧传感器的电路与端子排列
a）电路 b）外形与端子排列
1）检测氧传感器加热器电源电压。检测方法如下：
①关闭点火开关，断开氧传感器的4芯插接器。
②再接通点火开关，测量氧传感器插头（线束侧）1—2号（4B1—4B2）端子之间的电压，应为蓄电池电压。
如果电压低或无电压，则检修氧传感器插头至燃油喷射继电器、搭铁的线路。
2）检测氧传感器加热器的电阻。用电阻表测量氧传感器插座1—2号（4B1—4B2）端子之间的电阻，看电阻值是否为5～10Ω（当氧传感器温度达300°时）。
如果检测为断路或电阻不在正常的范围之内，则需更换氧传感器；如果电阻值正常，则进行下一步故障检修。
3）检测氧传感器加热器对搭铁绝缘性：用电阻表测量氧传感器插座1号或2号（4B1或4B2）端子与搭铁之间的电阻，应为∞。
如果通路，更换氧传感器；如果不通路，则进行下一步检修。
4）检查氧传感器的信号电压。检查方法如下：
①关闭点火开关后，断开氧传感器上的4芯插接器。
②用蓄电池的正极接氧传感器插座的1号（4B1）端子，蓄电池的负极接氧传感器插座2号（4B2）端子，起动发动机，2min后，测量氧传感器4芯插座4—3号（4B4—4B3）端子之间的电压。
③若电压在0.5V以上，则设法使发动机的混合气变稀（比如将节气门体上的燃油蒸气吸收管拔下），看测量的电压是否迅速下降至0.4V以下。
④若电压在0.5V以下，则设法使发动机的混合气变浓（比如将某个喷油器直接施加蓄电池电压），看测量的电压是否迅速上升至0.6V以上。
如果在进行上述检测时，氧传感器无电压、电压值不变、电压上升或下降很小、电压变化很缓慢，则更换氧传感器。
（3）丰田雷克萨斯LS400型轿车氧传感器的检测方法
丰田雷克萨斯LS400发动机排气管的左列和右列各安装了主、副两个氧传感器，其中主氧传感器为加热型，安装在三元催化转化器前，副氧传感器为非加热型，安装在三元催化转化器的后面。主氧传感器与ECU的连接电路如图9-11所示。
图9-11 丰田雷克萨斯LS400型轿车氧传感器电路
当氧传感器信号异常时，发动机ECU自诊断系统就会储存故障码，其中故障码21代表左列主氧传感器及其电路故障，故障码28则表示右列主氧传感器及其电路有故障。当发动机冷却液温度和转速高于设定值时，氧传感器的稀（低电压）、浓（高压电）信号会交替出现。如果主氧传感器的信号电压只是在0.35～0.70V范围内变化，就会有故障码，故障检测方法如下：
1）检测ECU插接器HT1、HT2端子静态电压。断开ECU插接器，再接通点火开关（ON），分别测量ECU插头（线束侧）HT1、HT2端子与搭铁之间的电压，应为蓄电池电压。如果无电压，说明主氧传感器加热器内部加热线圈有断路，或加热器线路有断路。
2）检测加热器线圈的电阻。断开主氧传感器插接器，测量主氧传感器1号端子与2号端子之间的电阻，应为5.1～6.3Ω。如果电阻值异常，更换氧传感器。
3）检测ECU插接器HT1、HT2端子工作电压。检测方法如下：
①起动发动机，使发动机温度升至正常状态。
②在发动机怠速工况下，测量HT1、HT2端子与搭铁之间的电压，应为0V。
③在发动机转速为4000r/min时，测量HT1、HT2端子与搭铁之间的电压，应为蓄电池电压。
如果测量结果为异常，更换主氧传感器。
副氧传感器用于空燃比反馈的辅助控制，以实现更加精确的空燃比控制。故障码27表示左列副氧传感器及其电路有故障，故障码29则代表右列副氧传感器及其电路有故障。如果出现了故障码27和故障码29，故障检测方法如下：
1）检测ECU插接器OXL2和OXR2电压。当发动机预热至正常温度时，使发动机升到4000r/min，运转3min，分别测量ECU插接器OXL2和OXR2与搭铁之间的电压，应为0.5V以上。
2）检测副氧传感器电路连接。如果副氧传感器连接线路有异常，予以修复。
（4）北京切诺基汽车氧传感器的检测方法
北京切诺基汽车加热型氧传感器与ECU的连接如图9-12所示，氧传感器连接4根导线，其中2根导线是氧传感器的信号输出线和搭铁线，另2根导线则是加热器的电源输入线和搭铁线。该氧传感器可用北京切诺基汽车专用的DRBⅡ或DRBⅢ测试仪进行测试，在没有DRBⅡ或DRBⅢ测试仪的情况下，可采用如下测试方法：
1）检测氧传感器加热器电阻。用高阻抗数字式万用表的电阻档对氧传感器进行测试。拔下氧传感器线束插头，测试传感器A、B端子间的电阻值。正常情况下，其电阻值为5～7Ω，电阻值若为无穷大，则是加热电阻烧断，应更换氧传感器。
图9-12 北京切诺基汽车氧传感器电路
1—氧传感器 2—比较器 3—燃油泵继电器 4—加热元件
2）检测氧传感器信号电压。在检查接线正常的情况下，起动发动机，并使发动机运转至正常工作温度，测量氧传感器C、D端子之间的电压。在怠速下稳定运转时，氧传感器C、D端子之间的电压值应为0～1V。
如果测得的电压值在0V，且保持不变，则需反复开、闭节气门，使发动机转速变化。此时，若氧传感器的信号电压随节气门的开闭而变，则表明氧传感器良好；若氧传感器的信号电压值仍为0V，则说明氧传感器已经损坏，需予以更换。
如果测得的电压值在1V，且保持不变，则需拆去进气歧管上的一根真空软管，让混合气变稀。此时，若电压值开始变化，则说明氧传感器有效，否则，说明氧传感器已损坏，应予以更换。
3）检测加热器电源电压。拆下氧传感器插接器，接通点火开关（ON），测量传感器插头（线束侧）A与B两端子之间的电压，应为蓄电池电压。
