氧化锆式氧传感器的性能与应用

摘 要：氧传感器安装在排气管上，将检测到的废气中氧浓度的电信号传递给ECU，ECU根据此信号对喷油和废气再循环量进行反馈控制，为尾气净化装置（如三元催化转换器、存储式NOx净化器等）提供良好的外部环境，从而降低尾气排放，以满足严格的排放法规。氧传感器性能的优劣对于尾气净化的效果起着关键作用。本文通过简述氧化锆式氧传感器的工作原理，重点论述了氧化锆式氧传感器的类型、性能特点、应用及发展情况，并阐述了其使用方法和注意事项。

关键词：氧化锆式氧传感器；性能；应用；发展

1 氧化锆式氧传感工作原理

1.1 氧传感器类型

根据检测电信号不同：可分为氧化锆式氧传感器和二氧化钛（Ti02）式氧传感器，前者为电压型，后者为电阻型。发动机电控系统常用氧化锆式氧传感器（下文氧传感器均为氧化锆式氧传感器）。

1.2 氧传感器的工作原理

当气缸内混合气空燃比较浓时，排放气体中的氧气比较少，大气中的氧通过二氧化锆管在两电极（通常为Pt电极）间通过氧的渗透产生较大的电压（1V）左右；反之，当空燃比较低时，排气管中氧气浓度较高，大气中的氧通过二氧化锆管在两电极（Pt电极）间氧通过氧的渗透产生较小的电压（0V）左右。

因此，氧传感器是一个反应排气管氧含量浓稀的一个开关，形象地称为是一个随时向ECU反馈空燃比信息的“通信员”。ECU则根据反馈来的氧传感器信号及时调整喷油量（喷油脉宽），如信号反映混合气较浓，则减少喷油时间；反之，如信号反映较稀，则延长喷油时间。从而使混合气的空燃比始终保持在理论空燃比（14.7：1）附近，这就是氧传感器闭环控制或氧传感器反馈控制。

2 氧化锆式氧传感器的应用与发展

2.1 普通型氧化锆传感器

氧化锆式传感器的基本元件是氧化锆管。氧化锆管固定在带有安装螺纹的固定套内，在氧化锆管的内、外表面均覆盖着一薄层铂（Pt）作为电极，传感器内侧通大气，外侧直接与排气管中的废气接触。在氧化锆管外表面的铂层上，还覆盖着一层多孔的陶瓷涂层，并加有带槽的防护套管，用来防止废气对铂电极产生腐蚀；在传感器的线束连接器端有金属护套，其上设有小孔，以便使氧化锆管内侧通大气。二氧化锆管的外表面处于氧气浓度较低的汽车所排放的气体中，而管的内表面则导入周围空气，两表面氧气浓度之差就会产生电动势——电压信号。

2.2 双氧化锆式氧传感器

对于安装OBD（车载诊断系统）的电控汽油发动机，为了实时检测三元催化转换器性能的好坏，必须采用双氧传感器结构：一个布置在三元催化转换器的前方称为上游氧传感器，一个布置在三元催化转换器的后方称为下游氧传感器。上游氧传感器为电控系统采集排气管中氧的含量信号，作为空然比反馈控制的基本信号，上游氧传感器的正常电信号的电压值是在0.1V～1.0V之间变化的，用于空然比闭环控制，向发动机电脑反馈排放废气中氧含量，发动机电脑根据此信号修正喷油量；下游氧传感器正常的电信号电压值基本不变的，经净化等的尾气信号转换器后方的氧含量反馈给发动机电脑。发动机ECU将两个氧传感器的信号进行对比，正常情况下前氧传感器的信号高于后氧传感器，当下游的氧传感器电压信号输出象上游氧传感器一样的电压变化的信号时，说明：

（1）三元催化转换器失效，需要进行更换。

（2）上游氧传感器故障，需要更换。

2.3 宽量程氧化锆氧传感器

2.3.1 普通氧传感器的缺陷

从氧传感器的输出特性不难看出，当混合气浓度为理论空燃比时，其输出的信号电压由低（约0.1V）到高（约0.9V）或由高到低发生突变。当混合气浓度大于或小于理论空燃比时，输出的信号电压变化微弱，ECU也难以识别。因此，采用普通的氧化锆式氧传感器ECU无法定量确定混合气浓度。

2.3.2 宽量程氧化锆氧传感器的应用

在废气中氧浓度较高的柴油机和电控汽油直喷系统，如大众公司的FSI燃油分层喷射汽油机、三菱公司GDI燃油缸内直喷汽油机，其空燃比最高可以达到40以上，发动机的尾气中氧气含量非常高，称为稀薄燃烧。采用普通氧传感器难以精确检测氧的含量。因此，需要一种能够检测稀混合气的新的氧传感器，即宽量程氧传感器。

宽量程氧化锆氧传感器不仅在直喷汽油机在得到应用，而且在柴油机上也得到了广泛的应用。宽量程氧化锆氧传感器能精确检测柴油机排气管中氧的含量，为柴油机尾气净化NOx（如SCR选择性催化净化器）提供精确的氧含量信号。

3 氧化锆式氧传感器的使用与维护

氧传感器一旦出现故障，将使电子燃油喷射系统的ECU不能得到排气管中氧浓度的信息，因而不能对空燃比进行反馈控制，会使发动机油耗和排气污染增加，出现发动机出现怠速不稳、缺火、喘振；废气排放超标；空燃比不正确；油耗上升等故障现象。因此，应及时检测和维护氧传感器，并及时排除故障或更换。

3.1 避免使用劣质燃油

劣质燃油特别是燃油中含有超标准的铅、磷、硫时，会造成铂电极“中毒”失效，使氧传感器失去活性，不能进行氧含量的正确检测。

3.2 注意氧传感器工作环境

过低的排气温度（低于3000℃）或过高的工作环境温度（超过9000℃）会造成氧传感器早期失效。

3.3 避免在氧传感器上加高电压

氧传感器是无源主动式传感器，依靠固体二氧化锆陶瓷产生的低压电压信号。对于加热型氧传感器，不能反复地对传感器加电加热；检测时不要用模拟（指针）式电压表，因其内阻小，通过的检测电流足以烧坏传感器。不要使用电阻表，以防输入检测电流烧坏。不要短接二线式氧传感器两接柱，或将单线式的输出导线接地，以免造成损坏。

3.4 观察氧传感器外观及颜色

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：这是氧传感器的正常颜色。

（2）白色：由硅污染造成的，此时必须更换氧传感器。

（3）棕色：由铅污染造成的，如果严重，也必须更换氧传感器。

（4）黑色：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。

作者简介：刘青掌（1987—），男，安徽宣城人，助教，研究方向：汽车工程。

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