汽车氧传感器

上世纪90年代，汽车排放污染已日渐成为人们关注的热门话题。随着我国汽车排放法规的逐步规范和社会对汽车排放污染物控制的重视，电喷发动机在我国开始普及。经过近二十年的发展，电喷发动机技术已日益成熟，而汽车排放污染也得到了逐步控制，这都和发动机上一个重要的部件—氧传感器密不可分。

确切地说，电喷发动机采用了混合气成分的闭环控制和三元催化反应装置的联合使用技术，这是目前为止汽油机最有效的净化排气的方法。三元催化转化器能有效地净化CO,HC和NOx这三种有害气体，但其净化效率严格依赖于混合气浓度必须保持在理论空燃比（14.7:1）附近的狭小范围内。一旦混合气体浓度偏离了这个范围，三元催化转化器净化排气污染物的能力便急剧下降。正是由于空燃比的变化会引起排气中氧浓度相应的变化，因此，便在排气管中设置了氧传感器。

氧传感器随时检测排气中的氧浓度，并随时向汽车的电控单元反馈信号。电控单元根据反馈信号及时调整喷油量，如信号反映混合气偏浓，则减少喷油时间；反之，则增加喷油时间，从而使混合气的空燃比始终保持在理论空燃比附近。这就是所谓的发动机闭环控制。

氧传感器是实现这一闭环控制必不可少的重要部件，它对发动机排放控制起着不可或缺的作用。现代电喷发动机一般装有前后两只氧传感器，三元催化转化器效率监测，必须使用位于三元催化转化器后方的第二个氧传感器。当三元催化转化器工作正常时，位于三元催化器前方的氧传感器的变动次数应高于后方的氧传感器，监测器比较前／后氧传感器的变动次数来判定三元催化转化器老化与否，如图1所示。

二、氧传感器的类型及工作原理

目前使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种，其中应用最多的是氧化锆式氧传感器。

1、氧化锆式氧传感器

氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆陶瓷管，亦称锆管，如图2所示。错管固定在带有安装螺纹的固定套中，内外表面均覆盖着一层多孔性的铅膜，其内表面与大气接触，外表面与废气接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个用于错管内腔与大气相通的孔；电线将错管内表面铂极经绝缘套从此接线端引出。

氧化锆在温度超过300℃后，才能进行正常工作。大部分汽车使用带加热器的氧传感器，传感器内有一个电加热元件，可在发动机起动后的10-30s内迅速将氧传感器加热至工作温度。

2、氧化钛式氧传感器

氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻型氧传感器。

二氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似，在传感器前端的护罩内是一个二氧化钛厚膜元件。纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其品格便出现缺陷，电阻随之减小。由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化，因此，在二氧化钛式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钦式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。

3、氧传感器的工作原理

这里以氧化锆式氧传感器为例进行说明。锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离。由于错管内、外侧氧含量不一致，存在浓差，因而氧离子从大气侧向排气一侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两电极间产生电压，如图3所示。当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以较浓的混合气运转时，排气中氧含量少，但CO,HC等较多。这些气体在错管外表面的铅催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使锆管外表面氧气浓度变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓差加大，两铅极间电压陡增。因此，锆管氧传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近1V

要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际上反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.1-0.8V之间不断变化（通常每10s内变化8次以上）。如果氧传感器输出电压变化过缓（每10s少于8次）或电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明氧传感器有故障，需检修。

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