摘要：氧传感器是电控发动机空燃比控制系统的核心部件，其功能是用来检测排气中的氧含量，以确定实际空燃比是否合适，并向ECU反馈相应的电压信号，ECU根据氧传感器反馈的空燃比浓稀信号．来控制喷油量的增加或减少。

    随着科学技术的发展，电控单元（ECU）、传感器和执行器广泛应用于现代发动机上，使现代发动机走进了电子精确控制时代。氧传感器的应用使发动机的排气质量得到了提高。

    氧传感器装在排气管上，其作用是探测排气中氧的含量。氧传感器实际上是用来探测空燃比是比理论空燃比浓还是比理论空燃比稀，以获得上次喷油时间是过长或是过短，并将该信息变成电信号送入发动机电子控制单元，用来对喷油时间进行修正，以达到混合气的空燃比保持在理论值附近。

    一、氧传感器的分类
    目前已实际应用的氧传感器有氧化锆式、氧化钛式和新型宽带氧传感器。
    氧化锆式氧传感器：是按固态电解质的氧浓度差原电池原理制成的。电压值在0.1～0.9 V间变化，也称作窄带氧传感器。
    氧化钛式氧传感器：信号电压一般在0～5V，它是利用氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量变化的特性制成的，所以又称为电阻型氧传感器。
    新型宽带氧传感器（宽量程氧传感器）：一般用于采用稀薄燃烧技术的缸内直喷发动机。它比前两种传感器多了两根线（电脑输出的电流泵线，电流泵线的搭铁线），普通的氧传感器只能检测λ=1附近的理论空燃比，而它可以检测从0.7～2.5整个范围的空燃比，因此称为宽量程氧传感器。

    这里我们以氧化锆式氧传感器为例来研究氧传感器工作原理。

    二、氧传感器的工作原理
    氧化锆式氧传感器与电子控制单元的电路连接情况如图1所示。

    氧传感器的加热器地线直接接地。这种电路主要考虑到加热元件采用的是正温度系数（PTC）陶瓷电阻，温度低时电阻小，通过电流较大。此时传感器温度会很快升高。随着温度升高，加热元件电阻增大，当传感器达到正常温度时，通过加热元件的电流并不大。

    氧化锆式氧传感器其核心元件是由二氧化锆陶瓷材料制成的陶瓷锆管。陶瓷锆管不透气。在陶瓷锆管的内、外表面上都涂有一薄层透气的多孔铂，它一方面起催化作用，影响着传感器输出特性，另一方面构成两个电极。由于陶瓷锆管凸入排气管的排气流中，为了防止铂催化层遭受废气中沉积物的腐蚀和侵蚀，确保传感器长期稳定性，所以在铂层上再涂上一层高孔隙度的陶瓷保护层。

    发动机工作时，陶瓷锆管的内表面与大气（外界空气）相通，外表面被排气管中排出的废气包围。两边的氧浓度相差悬殊。在温度较高时，锆管内外表面上存在氧浓度差，氧气发生电离；内表面（大气侧氧浓度高）带负电荷的氧离子从大气一侧向排气一侧扩散，结果锆管（固态电解质）成了一个微电池。内表面带正电，成为正极，外表面带负电，成为负极，在锆管两电极间产生电位差，两极间的电位差便是氧传感器的输出信号电压。信号电压的高低取决于锆管内表面（大气）、外表面（排气）之间氧的浓度差。由于大气中的含氧量比较稳定，所以实质上取决于排气中氧的含量。当混合气稀时，排气含氧较多，两侧的浓度差小，只产生很小的电压；当混合气浓时，排气含氧较少，加之铂电极的催化作用，两侧的浓度差急剧增大，两电极间的电压便突然增大。氧传感器产生的信号电压在过量空气系数λ=1时产生突变。当λ＞1(混合气稀）时，氧传感器输出信号电压几乎为零（小于100 MV）；当λ< 1(混合气浓）时，氧传感器输出信号电压接近1 V(800～1000 MV)。氧传感器相当于一个混合气浓稀开关。

    陶瓷锆管外侧面的铂电极起着催化器的作用。在供给较浓的混合气时，由于燃烧不完全，在排出的废气中也会残存低浓度的剩氧。在铂电极的催化作用下，能使废气中剩氧和一氧化碳起化学反应，生成二氧化碳、，进一步将废气中氧分子消耗掉，使锆管外表面上的氧气浓度突然降为零，从而使锆管内、外侧的氧浓度差突然增大，由此产生接近1V的电信号，从而提高了氧传感器的灵敏性。

    由于氧传感器输出的信号电压随混合气浓度变化，混合气稀（λ>1），氧传感器输出低电压信号（接近0 V）；混合气浓（λ＜1＝，氧传感器输出高电压信号（接近1V），氧传感器输出信号电压在λ＝1处发生跃变，因此，有的又称氧传感器为入传感器。

    氧传感器产生的电信号输入电子控制单元后，在ECU输入电路中，氧传感器信号电压与基准电压（一般为450 mV）进行比较。当信号电压比基准电压高时，判定为混合气过浓；当信号电压比基准电压低时，判定为混合气过稀。电子控制单元借此可修正喷油时间，以使空燃比保持在理论值附近。

    陶瓷锆管本身的温度对氧传感器的输出性能有很大影响。从电的角度来讲，可把氧传感器看成是电池和电阻。锆管温度强烈地影响着氧离子的传导能力。当温度低于300℃时，氧传感器几乎不产生电动势，只有内阻，且内阻很大，这时氧传感器几乎没有信号输出。氧传感器的内阻随温度的升高而减小。当温度达到一定值时，氧传感器在氧浓度差的作用下才能产生相应的电压信号，如图2所示。氧传感器最适宜的工作温度为600℃左右。另外，当锆管的温度低于350℃，在过量空气系数变化时，氧传感器电压变化的响应时间较长（约几秒钟），在锆管温度为600℃时，氧传感器响应时间很短（小于50 ms）。这样在发动机刚启动后或怠速运行时，由于氧传感器温度低而不能正常工作，必然会降低闭环控制速度，影响闭环控制效果，不能进行发动机闭环控制。

    三、氧传感器的结构改进
    为了使氧传感器能迅速加热，尽早参加工作，现在普遍采用加热型氧传感器。加热型氧传感器与不加热型氧传感器，其基本结构和工作原理大致相同，但加热型氧传感器内设置一个电加热陶瓷元件。在发动机启动通电后，可在20～30 s内迅速将氧传感器锆管加热到工作温度，以便及时投入运行。由于陶瓷加热元件是正温度系数（PTC）电阻，温度较低时电阻很小，功率很大，加热很快。在发动机升至正常运行温度时，锆管的温度由排气中的温度决定，由于此时加热元件的电阻随温度的升高而增大，功率很小，可使氧传感器始终保持在最佳工作温度。因此，加热型氧传感器即使在发动机负荷小、排气温度低的情况下，也可以照常发挥其功能。另外，加热型氧传感器对安装部位要求不严格，安装灵活性大，可安装在离发动机相对较远的地点，氧传感器不会因工作环境温度过高时（如发动机长期全负荷运行时可能产生过热）而缩短使用寿命。一般应确保发动机长时间全负荷运行时，氧传感器的温度不应超过850℃；短时间全负荷运行时，氧传感器的温度不允许超过930℃。

    加热型氧传感器装有陶瓷锆管、陶瓷加热元件，它们借陶瓷支承管、碟形弹簧固装在传感器壳体内。传感器内各种零件都由金属护套固定和对中，金属护套除了支承碟形弹簧外，还保护传感器内部不被污染。锆管内电极通过陶瓷锆管上的接触元件和电缆相连接；锆管外电极通过金属密封环与传感器壳体连接；加热元件通过夹紧接头和电缆连接。

    另外，为了防止废气中燃烧沉积物落在传感器陶瓷管上，在凸入排气管废气流中的传感器壳体的末端套装有耐热的金属保护管，保护管上开有通气孔，可让废气通过，同时有效地防止废气中固态物质的机械撞击和变工况时的热冲击。一般加热型传感器保护管上通气孔相对较少，目的是减小废气对传感器的作用。

    四、检测方法
    (1)氧传感器加热器电阻的检查。将点火开关置于“OFF”位置，拆下氧传感器的导线连接器，用万用表电阻挡测量氧传感器接线端中加热器端子与搭铁端子间的电阻，其电阻值应符合标准值（一般应为4-40 Ω）。如不符合标准，则应检查线路导通情况。如果线路正常，且电阻值不符合标准，则应更换氧传感器。

(2)氧传感器反馈电压的测量。让发动机以2500 r/min左右的转速运转，同时检查电压表指针能否在0～1V之间来回摆动，记下10 s内电压表指针摆动次数。在正常情况下，随着反馈控制的进行，氧传感器的电压将在0.4 V上下不断变化，10s内反馈电压的变化次数应不少于8次。