氧传感器的结构原理与检修

学习目标

1. 能够正确描述氧传感器的作用、 结构及工作原理。

2. 能够正确使用检测仪器， 对氧传感器进行检修。

3. 能够注意培养环保、 安全意识及团队协合能力。

任务引入

一辆丰田轿车， 打开仪表盘点火开关至启动挡， 正常状态下发动机启动后， 怠速不稳，故障灯亮。

汽车发动机启动后怠速不稳， 其他症状没有， 考虑到有可能是汽车行驶了许久， 但部件没及时更换， 故可针对这些部件做相应排查， 因故障灯亮， 故应先着手查找电控系统故障。 此类故障一般与氧传感器有关， 所以我们先学习氧传感器的相关知识。

相关知识

一、 氧传感器的作用

氧传感器用来检测排气中的氧浓度， 向ECU输送空燃比信号。

二、 氧传感器的类型及结构原理

常见的氧传感器有氧化锆(Zr O2) 式氧传感器和氧化钛(Ti O2) 氧传感器两种，如图1-119和图1-120所示。

图1-119 氧化锆式氧传感器

图1-120 二氧化钛式氧传感器

为了提高废气中的一氧化碳、 碳氢化合物和氮氧化合物的净化率， 采用了三元催化净化器。 为了最有效地利用三元催化净化器， 必须精确控制空燃比， 使其务必接近理论空燃比。 为了帮助ECM实现精确的空燃比控制， 就采用了加热型氧传感器。

加热型氧传感器位于三元催化净化器前部， 能检测废气中的氧浓度。 空燃比变稀时，废气中的氧浓度变浓。 加热型氧传感器会通知ECM， 空燃比过稀 (低电压， 即低于0.45V的电压)。 相反， 当空燃比比理论空燃比浓时， 废气中氧浓度变稀。 加热型氧传感器会通知ECM空燃比过浓 (高电压， 即高于0.45V的电压)。 当空燃比接近理论空燃比时， 加热型氧传感器的输出电压会急剧变化。 ECM利用来自加热型氧传感器的补充信息， 来判断空燃比是浓还是稀， 并相应地调整燃油喷射时间。 因此， 如果加热型氧传感器由于内部故障工作不正常， ECM就不能补偿主空燃比控制中出现的偏差。

加热型氧传感器是平面型的， 与用来加热固体电解质 (氧化锆元件) 的加热器合为一体。 此加热器由ECM控制。 当进气量偏小 (废气温度低) 时， 电流流向加热器以加热传感器， 从而便于准确检测空燃比。 此外， 与传统类型相比， 此传感器和加热器部分较窄。 加热器产生的热量通过氧化锆传导至固体电解质， 从而加速了传感器的激活进程。 氧化锆式氧传感器的结构如图1-121所示。

图1-121 氧化锆式氧传感器的结构

在400℃以上的高温时， 若氧化锆内外表面处的气体中氧的浓度有很大差别， 在铂电极之间将会产生电压。 当混合气稀时， 排气中氧的含量高， 传感器元件内外侧氧的浓度差小，氧化锆元件内外侧两极之间产生的电压很低 (接近0V)； 反之， 如排气中几乎没有氧， 内外侧之间电压高 (约为1V)。

三、 氧传感器的使用与检修

1. 氧传感器的使用

当汽车行驶一定里程 (一般为80000km) 后， 应当更换氧传感器。 氧传感器失效的主要原因是传感元件老化和中毒。

(1) 氧传感器老化

氧传感器老化的主要原因是传感元件局部表面温度过高。 在发动机利用氧传感器进行闭环控制过程中， 混合气的空燃比总是控制在理论空燃比附近， 排气中几乎没有过剩的燃油， 但是在发动机刚刚启动 (特别是冷启动) 之后 (或大负荷状态工作时)， 为了快速预热发动机 (或增大发动机输出功率)， 需要供给足够的燃油， 排气中过剩的燃油就会在氧传感器的表面产生燃烧反应， 一方面是形成碳粒而造成氧传感器表面的保护层剥落， 另一方面是使传感元件局部表面温度过高 (超过1000℃) 而加速传感器老化。

(2) 氧传感器中毒

氧传感器的传感元件受到污染而失效的现象称为中毒。 氧传感器中毒主要是指铅 (Pb)中毒、 硅 (Si) 中毒和磷 (P) 中毒。

1) 铅中毒。 燃油或润滑油添加剂中的铅离子与氧传感器的铂电极发生化学反应， 导致催化剂铂的催化性能降低的现象， 称为铅中毒。

试验证明: 氧化锆式氧传感器在每升汽油中含有1.8g铅的情况下行驶480km或每升汽油中含有0.15g铅的情况下行驶1000km之后， 就会出现严重中毒现象。 由于含铅汽油中添加有四乙基铅来提高汽油的辛烷值和抗爆震性能， 因此配装氧化锆式氧传感器以及三元催化器的汽车禁止使用含铅汽油。 此外， 由于燃油或润滑油的添加剂中含有多种铅化合物， 因此铅中毒也是不可避免的。

提高氧传感器耐铅能力的方法: 一是采用加热型氧化锆式氧传感器。 实验证明， 温度越低， 铅中毒越严重， 这是因为低温条件下铅为固体颗粒， 容易沉淀在传感元件表面而导致传感器失效。 高温状态时， 大部分铅为气态， 难以穿过传感元件。 二是采用阻值变化型的氧化钛式氧传感器。 虽然氧化钛式氧传感器也采用金属铂作为电极， 但只是为了实现电器连接， 即使受到铅离子污染， 其性能也不会受到影响。

2) 硅中毒。 硅离子与氧传感器的铂电极发生化学反应而导致催化剂铂的催化性能降低的现象， 称为硅中毒。

发动机上的硅密封胶、 硅树脂成型部件、 铸件内的硅添加剂等都含有硅离子， 这些硅离子会污染氧传感器的外侧电极， 氧传感器内部端子处密封用的硅橡胶会污染内侧电极。由于氧化钛式氧传感器没有安装内侧电极， 且外侧铂电极只是为了实现电器连接， 因此硅中毒程度比氧化锆式传感器要轻得多。

由此可见， 无论是氧化锆式氧传感器， 还是氧化钛式氧传感器， 其传感元件老化和中毒都是不可避免的。 因此， 当汽车行驶一定里程 (一般为80000km) 后， 应当更换氧传感器。 更换氧传感器时， 一定要用专用防粘胶液刷涂氧传感器安装螺纹， 否则下次检修时很难拆卸。 刷涂防粘胶液时， 切勿涂到氧传感器的透气孔中。 就氧传感器的抗污染能力和抗老化能力而言， 氧化钛式优于加热型氧化锆式， 加热型氧化锆式优于非加热型氧化锆式，因此， 氧化钛式氧传感器发展前景非常广阔。

四、 氧传感器电路

氧传感器电路如图1-122所示。

图1-122 氧传感器电路

任务实施与考核

一、 技能学习

1. 查找相关技术资料

(1) 加热型氧传感器 (S1) 的拆卸

1) 拆下2号汽缸盖罩。

2) 拆下前刮水器臂端盖。

3) 拆下左侧挡风玻璃刮水器臂和刮水片总成。

4) 拆下右侧挡风玻璃刮水器臂和刮水片总成。

5) 拆下发动机盖至前围上密封。

6) 拆下右前围板上通风栅板。

7) 拆下左前围板上通风栅板。

8) 拆下挡风玻璃刮水器电动机及连杆。

9) 拆下前围上外板。

10) 拆下排气歧管1号隔热罩。

11) 拆下氧传感器。

①断开氧传感器连接器， 如图1-123所示。

图1-123 加热型氧传感器 (S1) 的拆卸1

②使用SST拆下氧传感器， 如图1-124所示。

注意: 不要损坏氧传感器。

图1-124 加热型氧传感器 (S1) 的拆卸2

(2) 热型氧传感器 (S1) 的检查

1) 检查氧传感器电阻。 根据表1-50提供的标准数值， 参考图1-125， 用数字万用表测量电阻。 如果结果不符合规定， 则更换传感器。

表1-50 标准电阻

图1-125 检查氧传感器电阻

2) 检查加热型氧传感器 (电源)。 根据表1-51， 参考图1-126， 用数字万用表检查电压。

表1-51 标准电压

图1-126 检查加热型氧传感器电源

3) 检查线束和连接器 (加热型氧传感器-ECM)。 根据表1-52和表1-53， 参考图1-127， 用数字万用表测量电阻。

表1-52 标准电阻 (一) Ω

表1-53 标准电阻 (二) kΩ

图1-127 检查加热型氧传感器线束和连接器

4) 检查保险丝 (EFINo.2保险丝)。 根据表1-54， 参考图1-128， 用数字万用表测量电阻。

表1-54 标准电阻

(3) 加热型氧传感器 (S1) 的安装

1) 安装氧传感器。 使用SST安装氧传感器， 如图1-129所示。

扭矩: 不用SST44N·m； 使用SST40N·m。

注意:

①使用力臂长度为300mm的扭矩扳手。

②不要损坏加热型氧传感器。

图1-128 检查保险丝

2) 连接氧传感器连接器， 如图1-130所示。

图1-129 加热型氧传感器 (S1) 的安装1

图1-130 加热型氧传感器 (S1) 的安装2

3) 安装排气歧管1号隔热罩。

4) 安装前围上外板。

5) 安装挡风玻璃刮水器电动机及连杆。

6) 安装左前围板上通风栅板。

7) 安装右前围板上通风栅板。

8) 安装发动机盖至前围上板密封。

9) 安装挡风玻璃刮水器臂和右刮水片总成。

10) 安装挡风玻璃刮水器臂和左刮水片总成。

11) 安装前刮水器臂端盖。

12) 安装2号汽缸盖。

(4) 加热型氧传感器 (S2) 的拆卸

拆下2号加热型氧传感器。 断开2号加热型氧传感器连接器。 使用SST拆下2号加热型氧传感器， 如图1-131所示。

注意: 不要损坏2号加热型氧传感器。

图1-131 拆卸加热型氧传感器 (S2)

(5) 2号加热型氧传感器的检查

1) 检查2号加热型氧传感器电阻。 根据表1-55和表1-56， 参考图1-132， 用数字万用表测量电阻。

表1-55 标准电阻 (一)

表1-56 标准电阻 (二)

图1-132 检查2号加热型氧传感器电阻

2) 检查加热型氧传感器电压。 根据表1-57， 参考图1-133， 用数字万用表测量电压。

表1-57 标准电压

图1-133 检查加热型氧传感器 (电源)

3) 检查线束和连接器 (加热型氧传感器-ECM)。 根据表1-58和表1-59， 参考图1-134， 用数字万用表测量电阻。

表1-58 标准电阻 (一) Ω

表1-59 标准电阻 (二) kΩ

图1-134 检查线束和连接器

4) 检查保险丝 (EFINo.2保险丝)。 根据表1-60， 参考图1-135， 用数字万用表测量电阻。

表1-60 标准电阻

图1-135 检查保险丝

(6) 安装2号加热型氧传感器

1) 如图1-136所示， 使用SST将2号加热型氧传感器安装至前排气管总成。

扭矩: 不用SST44N·m； 使用SST40N·m。

注意:

①使用力臂长度为300mm的扭矩扳手。

②不要损坏2号加热型氧传感器。

2) 连接2号加热型氧传感器连接器。

图1-136 安装2号加热型氧传感器

2. 操作步骤

氧传感器的检修步骤如表1-61所示。

表1-61 氧传感器的检修步骤

续表

续表

二、 任务实施与考核

氧传感器检修的任务实施与考核如表1-62所示。

表1-62 氧传感器检修的任务实施与考核