氧传感器的功能及工作原理

氧传感器的功能及工作

原理

CompanyDocumentnumber:WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

氧传感器的功能及工作原理

氧传感器的功能

测定发动机排气中氧气含量，确定汽油与空气是否彻底燃烧。电子控制器根据这

一信息实现以过量空气系数入=1为目标的闭环控制，以确保三元催化转化器对排气中

HC、CO和NOX三种污染物都有最大的转化效率。

工作原理

氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化错元素起类似电解液的作

用，其基本工作原理是：在一定条件下（高温和粕催化），利用氧化错骨外两侧的氧

浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21%,浓混合

气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或者因缺火产生的废气中

含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。

特点

抗铅；较少依赖于排气温度；起动后迅速进入闭环控制。

氧传感器的常见故障

氧传感器中毒

氧传感器中毒是时常浮现的且较难防治的一种故障，特别是时常使用含铅汽油的

汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几千公里。如果只是轻微的铅中毒，接着使

用一箱不含铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作。但往往由于

过高的排气温度，而使铅侵入其内部，妨碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时

就只能更换了。

积碳

由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或者氧传感器内部进入了油污

或者尘埃等沉积物，会妨碍或者阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的

信号失准，ECU不能及时地修正空燃比。产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓

度明显增加。此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。

氧传感器陶瓷碎裂

氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或者用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而

失效。因此，处理时要特殊小心，发现问题及时更换。

加热器电阻丝烧断

对于加热型氧传感器，如果加热器电阻丝烧蚀，就很难使传感器达到正常的工作

温度而失去作用。

氧传感器内部路线断脱

氧传感器的常见故障及检查方法

在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元

件。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂时CO、HC和NOX的净

化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，并向EC

U发出反馈信号，再由ECU控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在

理论值附近。

目前，实际应用的氧传感器有氧化倍式氧传感器和氧化钛式氧传感器两种。而常

见的氧传感器又有单引线、双引线和三根引线之分，；单引线的为氧化错式氧传感

器；双引线的为氧化钛式氧传感器；三根引线的为加热型氧化错式氧传感器，原则上

三种引线方式的氧传感器是不能替代使用的。

氧传感器一旦浮现故障，将使电子燃油喷射系统的电脑不能得到排气管中氧浓度

的信息，于是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，发动机

浮现怠速不稳、缺火、喘振等故障现象。因此，必须及时地排除故障或者更换。

一、氧传感器的常见故障

L氧传感器中毒

氧传感器中毒是时常浮现的且较难防治的一种故障，特别是时常使用含铅汽油的

汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几干公里。如果只是轻微的铅中毒，接着使

用一箱不含铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作。但往往由于

过高的排气温度，而使铅侵入其内部，妨碍了氯离子的扩散，使氧传感器失效，这时

就只能更换了。

此外，氧传感器发生硅中毒也是常有的事。普通来说，汽油和润滑油中含有的硅

化合物燃烧后生成的二氧化硅，硅橡胶密封垫圈使用不当散发出的有机硅气体，都会

使氧传感器失效，于是要使用质量好的燃油和润滑油。修理时要正确选用和安装椽胶

垫圈，不要在传感器上涂敷创造厂规定使用以外的溶剂和防粘剂等。

2,积碳

由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或者氧传感器内部进入了油污

或者尘埃等沉积物，会妨碍或者阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出

的信号失准，ECU不能及时地修正空燃比。产生积碳，主要表现为油耗上升，排放

浓度明显增力口。此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。

3.氧传感器陶瓷碎裂

氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或者用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而

失效。因此，处理时要特殊小心，发现问题及时更换。

4,加热器电阻丝烧断

对于加热型氧传感器，如果加热器电阻丝烧蚀，就很难使传感器达到正常的工作

温度而失去作用。

5.氧传感器内部路线断脱。

二、氧传感器的检查方法

氧传感器加热器弓阻的检查

拔下氧传感器线束插头，用万用表电阻档测量氧传感器接线端中加热器接柱与搭

铁接柱之间的电阻，其阻值为4・40C（参考具体车型说明书）。如不符合标准，应更换

氧传感器。

2.氧传感器反馈电区的测量

测量氧传感器的反馈电压时，应拔下氧传感器的线束插头，对照车型的电路图，

从氧传感器的反馈电压输出接线柱上引出一条细导线，然后插好线束插头，在发动机

运转中，从引出线上测出反馈电压（有些车型也可以由故障检测插库内测得氧传感器的

反馈电压，如丰田汽车公司生产的系列轿车都可以从故障检测插座内的0X1或者

0X2端子内直接测得氧传感器的反馈电压）。

对氧传感器的反馈电压进行检测时，最好使用具有低量程（通常为2V）和高阻抗

（内阻大于1OM42）的指针型力用表。具体的检测方法如卜：

1）将发动机热车至正常工作温度（或者起动后以2500r/min的转速运转2min）；

2）将万用表电压档的负表笔接故障检测插座内的E1或者蓄电池负极，正表笔接

故障检测插座内的0X1或者0X2插孔，或者接氧传感器线束插头上的号|出线；

3）让发动机以2500r/min摆布的转速保持运转，同时检杳电压表指针能否在0-

IV之间来回摆动，记卜.10s内电压表指针摆动的次数。在正常情况下，随着反馈控

制的进行，氧传感器的反馈电压将在」.下不断变化，10s内反馈电压的变化次数应不

少于8次。如果少于8次，则说明氧传感器或者反馈控制系统工作不正常，其原因可

能是氧传感器表面有积碳，使灵敏度降低所致。对此，应让发动机以2500r/min

的转速运转约2min,以清除氧传感器表面的积碳，然后再检查反馈电压。如果在清

除积碳可后电压表指针变化依旧缓慢，则说明氧传感器损坏，或者电脑反馈控制电

路有故障。

4）检查氧传感器有无损坏

拔下氧传感器的线束插头，使氧传感器再也不与电脑连接，反馈控制系统处于开

环控制状态。将万用表电压档的正表笔直接与氧传感器反馈电压输出接线柱连接,负

表笔良好搭铁。在发动机运转中测量反馈电压，先脱开接在进气管上的曲轴箱强制通

风管或者其他真空软管，人为地形成稀混合气，同时观看电压表，其指针读数应下降。

然后接上脱开的管路，再拔下水温传感器接头，用一个4・8KC的电阻代替水温传感

器，人为地形成浓混合气，同时观看电压表，其指针读数应上升。也可以用蓦地踩下

或者松开加速踏板的方法来改变混合气的浓度，在蓦地踩下加速踏板时，混合气变浓,

反馈电压应上升；蓦地松开加速踏板时，混合气变稀，反馈电压应下降。如果氧传感

器的反馈电压无尚述变化，表明氧传感器已损坏。

此外，氧化钛式氧传感器在采用上述方法检测时，若是良好的氧传感器，输出端

的电压应以为中心上下波动。否则可拆下传感器并暴露在空气中，冷却后测量其电阻

值。若电阻值很大，说明传感器是好的，否则应更换传感器。

5)氧传感器外观颜色的检查

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阻塞，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淡灰色顶尖：这是氧传感器的正常颜色；

②白色顶尖：由硅污染造成的，此时必须更换氧法感器；

③棕色顶尖：由铅污染造成的，如果严重，也必须更换氧传感器；

④黑色顶尖：由积碳造成的，在排除发动机积碳牧障后，普通可以自动清除氧传

感器上的积碳。

氧传感器的测试方法

1.如何测试一个氧传感器的效率

首先明确几个名词用语。上流动系统指所有的传感器、执行器、发动机控制电脑

及氧传感器以上的发动机系统。换言之，上流动系统是所有产生排气及有助于加热氧

传感器的机械和电子部件。卜.流动系统包括发动机，连同所有的匡助系统一进气系

统,排气再循环EGR、空气等、传感器、执行器、发动机控制电脑和(PCM)和电路。

下流动系统是指位于氧传感器后面的不运动的废气系统部件--也就是催化反应及它的

内部的全部工作内容和排气系统。

其次，为了区别当今发动机管理系统不同的闭环控制系统，这里不使用普通的闭

环控制系统、怠速控制闭环系统、废气再循环闭环控制系统等等。普通解码器显示的

闭环是燃料反馈的系统闭环控制，这里所讲的闭环则不是单指燃料反馈控制系统的闭

环控制。这是因为有一些汽车当燃料反馈控制系统不上常时，它的控制电脑(PCM)仍

然告诉解码器说系统是处在闭环控制状态。

在氧传感器平衡(02FB)测试中第一步就是测量氧传感器的输出信号。这样做有几

个原因，首先看原因，然后再看试验步骤。氧传感器工作在一个有关排气系统通过的

极端恶劣的环境之中，一个不需加热的氧传感器寿命为30000至50000英哩，而加

热氧传感器寿命比不加热氧感器延长寿命长20000英哩。

任何一种氧传感器的时效，都是慢慢地失去的，开始它的响应速度变慢，能够产

生的输出信号幅度变低，在失效的最后阶段，它产生一个不变化的信号或者根本没有

信号输出，这时就会浮现故障码，随后发动机检查灯或者故障指示灯就亮了。除了

由于使用年限和行驶里程导致氧传感器正常的失效外，氧传感器还有可能因汽油中

含铅或者冷却液中的硅胶腐蚀而导致提前失败，渗漏头垫破裂也使许多氧传感器失

效。但是，使氧传感器提前失效的首要原因是发动机在较浓的混合比状态下运行时

所造成碳阻塞，还有各种潜在原因都可能成为使氧传感器失效的祸首，例如燃油压

力过高，喷油嘴坏损或者控制电脑传感器损坏以及操作不当等。

在把握一件事情的核心以前，为了检查时能妥帖一些，先暂停一下，讲一个问

题，在诊断燃料反馈控制系统(FFCS)之前，时常被告之，应起动发动机直至它进入

''闭环〃状态。也有许多汽车修理文章也这样写到：''起动发动机在2500rpm下运转2

・3分钟，直到氧传感器产生可变电压〃，这恐怕是个误导。许多技术人员认为氧传感

器自己会产生可变电压，而事实是发动机要在稳定的转速和负荷下氧传感器在读废气

及由废气导致的电压信号，发动机控制电脑(PCM)通过喷油脉冲宽度变化或者混合比

控制命令来改变排气成份。

氧传感器安装在排气流中报告它的读数，它只是一个报告者。如果只是因为氧传

感器电压偏离，并不意味就必须更换氧传感器，这只是因为测试氧传感器只是O2FB

试验的第一-步，如果排气的成份不变化，不管怎样''运转加热发动机〃，氧传感器的电

压也不会变。

当诊断汽车时，如果发现氧传感器的输出电压不正常或者根本不变，那可能有两

个原因，一个是由于氧传器本身的问题造成的，而不是对排气成份正确性测量的问

题，另一个可能是由于上流动系统故障造成的，而不是混合比改变的问题，这是因

为上流动系统中的一些部件有故障。

现在回到要接触到的事情的要害，''要害"就是氧传感器信号在燃料反馈控制系统中的地位，在汽车示波

器的显示屏上，氧传感波形，就相当于医院手术堂里的电起捕器(EKG),事实上，在医院的急救室里，最

主要的判断设备就是起搏器(EKG),它所以看到病人脉搏的波形,汽车行驶能力和排放诊断的实际任务就

是恢史汽车的脉搏(FFCS的脉捋)，而这个脉搏是就是毓传感器波形。观察传感器的波形能说明什么样的

燃料反馈控制系统是“进入活动''或者''进入闭环”状态。

起动时，传感器输出电压达到450mV时开始进入浓和稀的循环。与医院的电起

搏器相似，氧传感器波形惟独当氧传感器是好的时才是可信的，如果装在病人皮肤上

的电起搏器的传感器不好，那末实在不能相信它产生的波形，但是由于氧传感器所处

的环境要比电脉搏的传感器在卫生的病房里所处的环境差得多。所以在开始依靠氧传

感器工作之前，必须测试氧传感器本身，如果将氧传感器波形用于诊断目的，必笈十

分确信它的精确性。如果用一个坏的氧传感器，那就会既不能进行有效地进行氧反馈

平衡诊断，也不能让发动机控制电脑（PCM）正常运行。这就是为什么诊断工序的第一

步就要测试它的原因。

2.测试氧传感器的具体方法

由两个通用的方法可以测试氧传感器：丙烷法和速动油门法。

①用丙烷法测试氧感器

一个氧传感器有三个方面需要检查，如果在这三个方面中任何一方面发生故障，

都需要更换新的氧传感器，并对新的氧传感器进行检查。

这些步骤和规格合用于由世界最大的氧传感器创造厂生产出来的氧化钛传感器，

同时它也合用于汽车生产厂的OBD-H诊断仪所显示的氧化错传感器规格。

连接和设置加浓丙烷工具；

把加浓的丙烷接到真空管入口处（有曲轴箱强制通风或者制动助力系统应连接完好

的条件下工作）；

b.接上并设置好汽车示波器；

c.起动发动机转速在2500rpm卜运转两三分钟：

d.让发动机运转，注意必须在30秒内完成准确的振幅和反应结果；

e.慢慢加丙烷，直至氧传感器输出电压升高（变浓），一个运行正常的系统将在加

内烷的氧传感器信号电压会继续缓慢地加注内烷直到系统失去反馈过浓混合比的能

力，然后继续加注丙烷直至发动机转速下降一、二百转，这是因为混合比浓的原因，

这个步骤如果操作正确应该在20-5秒内完成；

f.迅速把丙烷从真空管处移开，造成极大的真空，如果发动机失速是正常的，它

并不影响检测，然后关闭丙烷开关阀；

g,等到波形挪移到示波器屏幕上的中央位置时，定位波形，这项检查就完成为了。

现在通过分析波形来判断氧传感器是否合格了。

如果氧传感器是好的应符合下面的结果：

氧传感器测试一可以从显示屏上直接读取最大或者最小电压，并用示波器游标读

出延迟时间。

如果这三项中任何一项不符合上表要求，氧传感器均不合格，应更换新的并对新

氧传感器采取同样的方法予以检查。

一个好的传感器必须是三项要求全部符合，如果在关闭丙烷开关阀并产生较大真

空度之前，发动机怠速运转时间过长，上述测试时间超过了20-25秒，这可能是由于

氧感器温度太低，可能会使输出电压信号的幅值降低，并使输出电压信号下降沿的时

间延长，这就造成氧传感器不合格的假象。如果在关圮丙烷开关阀并造成最大真空度

之前，发动机不能在怠速运转充分长的时间。那末氧传感器保持燃料反馈闭环控制的

能力就不能适当地测试出来，检测氧传感器应充分预热（在2500rpm运转2-3分

钟），如果只做5秒钟的怠速运转的话，那末就可能有一个或者多个参数项不合格。这

就是为什么要使丙烷加浓20-25秒的原因。

有些汽车用真空降稀的办法来控制氧传感器是非常艰难的，甚至是不可能的，这

时就应该换一种方法来检测氧传感器，这就是油门急加速方式测试氧传感器。

如果从波形上还无法准确断定氧传感器的好坏，可以用示波器上的游标读出最大

最小电压和响应时间，大多数坏的氧传感器都可以从波形明显地分辨出来。

②用急加速油门方法测试氧传感器

对有些1988年或者更新的汽车，用丙烷加浓和真空泄漏变稀法来做氧传感器试

验是非常艰难的，这是因为这里汽车已经写了快速补偿真空泄露的功能，在一些新

的汽车上安装有速度一密度方式空气流量计系统，还有一些汽车装有质量空气流量计

的系统，在这两种系统中氧传感器信号想要足够的下降（变稀）是非常艰难，甚至是不

可能的。透常，比较新的发动机控制系统能够非常快的补偿比较大的真空，所以氧

传感器信号决不会变稀（在排放中氯的不同部份压强，不足产生在最大的氧传感器响

应信号）。有几个可能的变通办法就是在测试氧传感器的手动真空泵使传进压力

传感器（MAP）的真空压力稳定，是用急加油门的办法来测试氧传感器的。

用急加速油门的方法有三个步骤（示波器设定方法与丙烷测试方法相同）：

a.以2500rpm预热发动机和氧传感器2-6分钟，让发动机怠速运转20秒钟；

b.在两秒内将油门从怠速加至节气门彻底打开5-6次，注意，不要超速，没有必

要让发动机转速超过4000rpm,只要得到一个节气门急加速和全减速就可以了；

c.定住屏幕上的波形以便检查，按照丙烷测试方法时的波形图来检查氧传感器的

最大最小电压以及响应时间，必要时可以用游标测量，汽车示波器通常会自动显示最

大值和最小电压值。

氧化钛传感器系统

配置氧化钛传感器系统一5V或者IV可变电阻。氧化钛传感器与氧化锚不同。氧

化钛传感器的工作原理与发动要冷却液温度传感器（ECT）和进气温度（IAT）传感器•

样，它们包含一个可变电阻器。这个可变电阻根据条件的改变（例如：温度）来改变电

阻值。但是与发动机冷却水温度或者进气温度不同的是，氧化钛传感器在传感器

四周空气/燃油混合比变化时改变电阻值，而发动机控制电脑（PCM）则是读取电阻两

端电压降，通常要提供给氧化钛传感器一个工作电压（普通是IV,但吉普直到1991

年用的是5

V）o然后传感器送回一人较低的变化电压，这个电压是根据空气/燃油混合比的情况回

送的。

大多数氧化钛传感器系统是在多点喷油系统中使用，在切诺基和wsanglers（199

1年以前）吉普，一些的克莱斯勒Eahie,Summit,1986年以后的日产300ZX和

Stanza4WD,1982年以后日产千里马和Sentre,1983年和以后日产D21卡车

和一些1988年更新的丰田汽车，例如4-Runner,的吉普系统（1991年以前）用5V

电压电源，其它用IV电压电源。并非所有的吉普5V氧化钛传感器系统与氧化错传

感器的性能相同。在吉普公司轿车上有一些统一差别°

a.传感器信号从0-5V变化，而不是0-1V：

b.传感器与其它传感器的输出信号电压相反，浓时输出电压低，稀时输出电压

高。

氧化钛和氧化错传感器的响应时间普通是一样的.

氧传感器新产品新技术

冷车运转时的发动机所排放的co和HC是最多的，这就要求氧传感器尽快起动进

入闭环控制状态。NGK火花塞有限公司研制出一种新型氧传感器，它能在15s内达

到闭环控制。通过缩小加热区和降低阻抗，改进了传惑器的加热装置。由于采用新材

料和新的温控系统，使加热器的寿命与现有类型相近改善了低温特性

根据市场需求，康达（成都）电子有限公司正在研制开辟片式车用氧传感器，近期内

将会推向市场。

知识链接：

汽车氧传感器是利用陶瓷敏感元件测量各类加热炉或者排气管道中的氧电势，由

化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空燃比，保证产品质

量及尾气排放达标的测量元件。该装置可广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧

等炉体的气氛控制。它是目前最佳的燃烧气氛测量方式，具有结构简单、响应迅速、

维护容易、使用方便、测量准确等优点。运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制，

既能稳定和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约能源。

专家教你如何排除汽车氧传感器的故障

捷达王GTX型汽车采用AHP发动机，匹配德国Bosch公司MontronicM

3.8.2控制系统。安装在前排气管中的氧传感器可监测排气中的氧气含量，并将结

果及时反馈给发动机控制单元（ECU）,以控制喷油器的喷油量，使混合气的浓度在

怠速及部份负荷条件下，总是处于理论空燃比（A/F=）附近很窄范围内变化。

氧传感器的工作原理。当发动机燃烧的是稀混合气时，则排气中氧含量高，传感

器产生低电压，约0V；当发动机燃烧的是浓混合气时，则排气中氧含量低，传感器产

生低电压，约IV。

氧化错正常工作时，需要300—850C的高温，为此在其内部装有陶瓷加热元

件。该车氧传感器最佳工作温度600℃o

发动机的检测与故障原因的诊断

经过对故障现象认真分析后，我进行了以下的检测。

(一)发动机的基本检测

测量各气缸的压力，均在1080Kpa以上，正常；燃油系统压力280Kpa,正

常；测尾气CO含量为％,严重超标(正常为%)。说明燃油燃烧不彻底。

(二)读取发动机控制系统故障码

使发动机怠速空负荷运行，冷却液温度达到发动机正常工作温度85,C以上。我将

X431与车上16针OBD-H诊断座连接通讯。使用X431的读取故障码功能，读到

''氧传感器不可靠信号〃的故障内容。说明氧传感器本体或者路线有故障。为了进一步

确认这一判断，我使用了X431的读取动态数据流动能。

(三)对动态数据流进行分析

(1)经过对数据分析后发现氧传感器工作不正常。在发动机冷却液温度达到9

0C时，氧传感器本体加热温度达到了300c以上，传感器开始工作了。它正常工作

时会产生的变化电压信号输送给ECU。但该车实测电压为恒定不变，ECU接收这个电

压信号后，判断发动机混合气过稀。所以ECU控制喷油器延长喷油时间，使喷油量增

力U,供给变浓的混合气,因为ECU得不到正常的变化信号由压的反馈，因此不能自动

调节混合气空燃比，造成混合气向来处于过浓状态。所以可以证明是氧传感器这一错

误的信号电压造成ECU不能精确地计算喷油量，导致发动机混合气过浓。

(2)发动机在怠速及部份负荷条件下，空气流量、冷却水温、转速、节气门角度

同时都是影响空燃比的重要因素。但从数据的对照要看到它