空燃比氧传感器结构原理，电路全面分析讲解

奔车族

出于对清洁空气的需要，人们对汽车尾气净化的要求越来越高，相关的汽车尾气排放标准也越来越严格。为有效控制尾气排放，现在大部分汽车都装备了三元（一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物）催化（铂、铑、钯）净化器。
汽车排放尾气中的有害气体主要是一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物三种，其中一氧化碳、碳氢化合物是由于汽油燃烧时，实际空燃比小、可燃混合气浓、缺氧，汽油无法完全燃烧而生成的。实际空燃比越小、可燃混合气越浓，未燃烧净的一氧化碳、碳氢化合物就越多。通过减少喷油量、增大实际空燃比数值，使燃烧混合气富含氧气，可使大部分一氧化碳、碳氢化合物完全燃烧掉。剩下的少量一氧化碳、碳氢化合物可在含氧的条件下经催化剂作用，通过氧化反应氧化成无害的二氧化碳和水。
尾气中氮氧化物是由于在汽油燃烧时，实际空燃比大、可燃混合气稀、氧气多，空气中惰性的氮气在高温条件下同氧气发生化学反应而生成的。实际空燃比越大、可燃混合气越稀、氧气越多、燃烧时温度越高（通过废气再循环，将燃烧后的废气通入汽缸，可降低燃烧时的温度，从而减少氮氧化物的生成，这就是大部分发动机上装备EGR废气再循环系统的功用），氮气氧化生成的氮氧化物越多。当废气中的氮氧化物过多时，通过增大喷油量、减少实际空燃比数值、使燃烧的混合气缺氧，可使氮气氧化生成的氮氧化物降到最少量。此时最少量的氮氧化物在缺氧的条件下经催化剂催化，通过还原反应还原成无害的氮气和氧气。另外氮氧化物在催化剂催化下也可直接同一氧化碳发生反应变成无害的二氧化碳和氮气。
从理论上计算，1份质量汽油完全燃烧需要14.7份质量的空气，这就是人们常说的理论空燃比（14.7:1）。装有铂、铑、钯三种催化剂的汽车尾气三元催化净化器，可促进一氧化碳、碳氢化合物的氧化反应和氮氧化物的还原反应。由于氧化反应需要氧气的参与，而还原反应必须在缺氧的条件下进行，所以，为了能同时进行氧化和还原反应，汽车废气三元催化净化器必须工作在理论空燃比(14.7:1）附近一个极小的范围内。这样，在实际空燃比比理论空燃比稍大、混合气稀时，由于有氧气，即可进行氧化反应。在实际空燃比比理论空燃比稍小、混合气浓时，由于缺氧而进行还原反应。当实际空燃比始终处于理论空燃比（14.7:1）附近极小的范围内时，三元催化净化器可以同时反复进行氧化和还原反应净化尾气。

当实际空燃比控制在理论空燃比（14.7:1）附近极小的范围内时，三元催化净化器对三种废气（一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物）净化效率最高（接近100％），所以为有效降低汽车废气（一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物）排放，必须将发动机运转时的实际空燃比始终控制在理论空燃比（14.7:1）附近。
丰田车在三元催化器之前装有氧气传感器（叫做主氧传感器），如图1所示，发动机电脑根据主氧传感器的反馈信号，增加或减少喷油量，将实际空燃比控制在理论空燃比附近。丰田车在三元催化器之后，还装备一个氧气传感器（叫做副氧传感器），发动机电脑根据副氧传感器的信号修正主氧传感器信号误差（副氧传感器位于排气管后部，尾气已充分混合，所以副氧传感器的信号比主氧传感器更准确。只是由于三元催化净化器在净化尾气时消耗掉了废气中的氧气，使副氧传感器输出的电压信号比主氧传感器输出的电压信号变化要缓慢得多）。
另外，发动机电脑根据副氧传感器输出的电压信号，还可获知三元催化净化器的工作状态。如主氧传感器输出的电压信号波形在0～1伏特之间交替快速变化，而副氧传感器输出的电压信号波形变化很缓慢，接近于一条0的直线，则表明三元催化净化器催化净化工作良好，已经将废气中的氧气消耗尽，使得三元催化净化器后的氧气数量比三元催化净化器前少了很多，副氧传感器输出的电压数值比主氧传感器输出的电压数值变化要小的多。如果副氧传感器输出的电压信号变化大，且同主氧传感器输出的电压信号同步变化，表明三元催化净化器已失效，失去了对三种废气的催化净化作用，已不消耗氧气，所以三元催化净化器前后的氧气数量没有变化，使得副氧传感器输出的电压数值同主氧传感器输出的电压数值相比几乎没有什么变化。
丰田汽车采用的双氧传感器控制系统，大大地降低了废气排放。但是，这种双氧传感器控制系统也有局限性。在汽车冷启动、急加速或减速等复杂工况下，由于氧传感器只能检测到理论空燃比，而实际空燃比已大大偏离理论空燃比，并且由于氧传感器检测不到实际空燃比相对于理论空燃比到底偏离了多少，发动机电脑无法立即将实际空燃比修正到理论空燃比（14.7:1），所以在冷启动、急加速或减速等复杂工况下，双氧传感器控制系统废气排放很高。丰田汽车在急加速、减速工况下，由于发动机具有自动断油功能，所以在某种程度上它降低了汽油消耗和废气排放。

目前新型丰田汽车采用了能够精确测量实际空燃比数值的全范围空燃比传感器，它代替了传统的氧传感器。根据全范围空燃比传感器测量的实际空燃比数值，发动机电脑可及时将实际空燃比调整并控制在理论空燃比（14.7:1），而且调整速度极快，这大大降低了汽车在冷启动、加速或减速等工况下的废气排放，从而更进一步降低了丰田汽车的废气排放。现在新型PREVIA以及RAV4等车型均采用了这一系统，使尾气排放达到了欧Ⅲ排放标准的要求。
下面对照传统氧传感器，介绍空燃比传感器的一般结构、工作原理及工作特性。

全范围单腔限流平板型空燃比传感器结构如图2a所示。传感器最基本的部分是夹在两个铂电极之间的氧化锆固态电解质。这个基本结构实质上同氧传感器一样，主要区别在氧传感器保护罩的部位，空燃比传感器传感元件多了一个特殊设计的限制空气扩散的扩散阻力层。另外，空燃比传感器有一个封闭的空气腔。从图2b可以看出传统氧传感器空气腔是直通外界大气的。

图3表示的是全范围平板型空燃比传感器在实际空燃比数值大、混合气稀工况条件下的工作原理。此工况尾气中氧气较多，实际空燃比数值越大、混合气越稀，尾气中的氧气就越多。此工况时发动机电脑在空燃比传感器两个铂电极间施加了电压。当尾气中的氧气穿过空燃比传感器扩散阻力层后，接触到空燃比传感器尾气侧铂电极得到电子后被电离，氧离子流过氧化锆固态电解质后到达空燃比传感器空气腔侧铂电极失去电子后中和，从而形成了电流。由于特殊设计的扩散阻力层作用，使通过扩散阻力层的氧气形成的限制电流正比于尾气中的氧气浓度。

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图4表示的是全范围平板型空燃比传感器在实际空燃比数值小、浓混合气工况下的工作原理。实际空燃比数值小、浓混合气工况时，由于缺氧造成可燃混合气不能完全燃烧，从而产生了大量的未燃烧气体(碳氢化合物和一氧化碳)。实际空燃比数值越小、可燃混合气越浓，产生的碳氢化合物和一氧化碳越多。在此实际空燃比数值小、混合气浓的工况下，发动机电脑在两个空燃比传感器铂电极间施加电压，空燃比传感器空气腔内的氧气在空气腔侧铂电极得到电子后被电离变成氧离子，氧离子从空气腔侧铂电极流到尾气侧铂电极。在尾气侧铂电极，它同穿过空燃比传感器扩散阻力层的未完全燃烧碳氢化合物和一氧化碳发生化学反应，失去电子，从而形成了电流。由于扩散阻力层的特殊设计，使得碳氢化合物和一氧化碳气体的数量流过扩散阻力层到达尾气侧铂电极同氧离子发生反应的匠比于尾气中未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳气体的浓度，从而使未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳气体同氧气发生化学反应形成的限制电流(IL)正比于尾气中未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳气体浓度。
　

　
　　
　　
　　图5是全范围平板型空燃比传感器的输出特性。从图5(a)中可以看出，在实际空燃比等于——理论空燃比(14.7：1)时，空燃比传感器的输出电流为零。实际空燃比数值小、混合气浓时，空燃比传感器输出电流为负。当实际空燃比数值大、混合气稀时，空燃比传感器输出电流为正。从图5(b)可以看出空燃比传感器的空燃比检测范围极宽，从23：1极稀混合气到11：1极浓混合气范围内都可能检测到，而且空燃比传感器输出限制电流同实际空燃比的大小基本上成正比对应，对应关系的线性也比较好，几乎趋近为一条直线。
　　图6、图7是全范围平板型空燃比传感器同传统氧传感器输出特性的比较。
　　虽然空燃比传感器同传统氧传感器类似，也是利用氧化锆来检测空燃比的，但空燃比传感器的工作原理和工作特性同传统氧传感器有很大不同。传统氧传感器是利用氧气浓度差电池原理。在实际空燃比数值小、混合气浓的工况下，氧传感器尾气侧的氧气浓度小，与氧传感器外界空气侧氧气浓度相比较的浓度差大，较大氧气浓度差使固态电解质氧化锆电池在排气侧铂电极之间生成了一个1伏特的电压。在实际空燃比数值大、混合气稀的工况下，氧传感器尾气侧的氧气浓度大，同氧传感器外界空气侧氧气浓度相比较的浓度差小，较小氧气浓度差使固态电解质氧化锆电池形成不了电压。
　　在实际空燃比处于理论空燃比附近，由于氧传感器排气侧铂电极的催化作用，使得氧传感器尾气侧铂电极上的氧气快速同一氧化碳和碳氢化合物发生化学反应，使得排气侧铂电极上的氧气浓度由大到小发生了急剧变化，也就是氧传感器尾气侧铂电极上的氧气浓度，同氧传感器外界空气侧的氧气浓度的差值发生了巨大变化，从而使氧浓差电池产生1～0伏特的电压突变。从图上可以看出，此电压突变对应的时间很短，发动机电脑根据此电压突变来判断理论空燃比的存在。
　　当发动机进入闭环工作状态、时时刻刻检测汽车废气氧传感器输出电压为1伏特时，发动机电脑据此判定混合气浓、空燃比过小，发动机电脑就此以一个固定量逐步稍稍减少喷油量，直至喷油量减少到氧传感器输出电压从1伏特突变为0时，发动机电脑据此判定实际空燃比已经增大到比理论空燃比稍大，混合气处于稍稀的状态，并立刻改为以一个固定量逐步稍稍增加喷油量。当稍稍增加喷油量使氧传感器输出电压从0突变为1伏特时，发动机电脑据此判定实际空燃比已经减少到比理论空燃比稍小，混合气处于稍浓的状态，发动机电脑再次以一个固定量逐步稍稍增加喷油量，使实际空燃比恢复到理论空燃比。如此这般发动机电脑通过反复增加或减少喷油量，对实际空燃比进行浓稀、稀浓的循环控制，时时刻刻将实际空燃比平均控制在理论空燃比上。
　　当发动机由于机械磨损或电路、气路、油路等故障，使实际空燃比大大偏离理论空燃比时，发动机电脑根据氧传感器的信号进行喷油量大幅度调整(正常情况下喷油修正量为基本喷油量的±20％，异常情况下喷油修正量可达到基本喷油量的±100％)，叫做短时燃油修正。如短时燃油修正无法将实际空燃比修正到理论空燃比，发动机则根据短时间燃油修正的数值进行长时间燃油修正(正常情况下喷油修正量为基本喷油量的±20％，异常情况下修正量可达到基本喷油量的±100％)，将实际空燃比修正到理论空燃比。
　 　
　　但当发动机工作状况恶化，实际空燃比过多偏离理论空燃比，而且实际空燃比变化过大时，发动机电脑则无法将实际空燃比修正到理论空燃比，即便能修正到理论空燃比，但也无法将实际空燃比控制在理论空燃比附近。丰田车发动机运转不平稳、抖动、发动机故障灯亮时，往往能调取出发动机25故障码(空燃比过稀)或发动机26故障码(空燃比过浓)。这种故障很难修好，原因是在这种情况下，由于发动机进排气波动太大，使实际空燃比变化过大，大大偏离了理论空燃比。发动机电脑不知道空燃比到底有多浓或有多稀，已无法通过短时喷油量或长时喷油量将空燃比修正并控制在理论空燃比。通过修理已很难准确将发动机电气和机械修复到原始的最佳状态，也难将发动机工作状况调整到运转平稳、进排气平顺、实际空燃比在理论空燃比附近小幅变化的最佳状态。
　　然而，全范围空燃比传感器可检测到发动机全部工作范围的空燃比数值(11～23)，反应速度也更快。通过全范围空燃比传感器检测到的实际空燃比数值，发动机电脑可快速准确调整喷油量，将实际空燃比始终精确调整在理论空燃比，从而更有效地减少废气排放。全范围空燃比传感器的工作温度大约为摄氏650度，比传统氧传感器工作温度(摄氏400度)高。全范围空燃比传感器输出电压同废气中的氧气浓度对应。
　　图8是发动机电脑内部全范围空燃比传感器的相关电路。全范围空燃比传感器是利用氧气泵原理工作的，发动机电脑通过其内部的一个稳压电路在全范围空燃比传感器空气腔侧铂电极上分别施加一个3．3伏特和一个3．0伏特的固定电压。当废气中氧气浓度变化时，全范围空燃比传感器从空气腔泵出或泵入氧气，从而产生一个大小、方向均改变的泵送电流，此泵送电流输入到发动机电脑内部的一个线性化检测电路，对应出同废气中氧气含量对应的电压值。此电压值只在发动机电脑内部变化，用万用表或示波器无法测出。用万用表或示波器只能在空燃比传感器的两条信号线在线分别测量到3．3伏特和3．0伏特的固定电压，在空燃比传感器两条信号线之间也只能测到0．3伏特的固定不变电压。但传统氧传感器则能用万用表或示波器在氧传感器两条信号线之间测到在0～1伏特之间变化的电压值。空燃比传
感器输出信号电流在发动机电脑内部对应出同废气中氧气含量对应的电压值，此电压值只能用专用检测仪测出。

　　
　　
　　当实际空燃比数值等于理论空燃比时，尾气中的氧气和未燃烧气体碳氢化合物、一氧化碳气也很少，全范围空燃比传感器空气腔侧铂电极同尾气侧铂电极之间的氧化锆固态电解质中没有氧离子流，故空燃比传感器在实际空燃比数值等于理论空燃比时不产生电流。因无电流输入，发动机电脑内检测电路对应出3．3伏特电压。当实际空燃比数值小于理论空燃比时，混合气浓，废气中氧气很少，但未燃烧干净碳氢化合物和一氧化碳较多。在实际空燃比数值小于理论空燃比时，混合气浓工况时，空燃比传感器参考空气腔内的氧气被空气腔侧铂电极电离后生成氧离子，生成的氧离子流过空气腔侧铂电极和尾气侧铂电极之间的氧化锆固态电解质，到达尾气侧铂电极，同穿过空燃比传感器扩散阻力层到达空燃比传感器尾气侧铂电极的未燃烧净的碳氢化合物和一氧化碳发生化学反应，失去电子，产生方向为负的电流。此方向为负电流输入发动机电脑后，发动机电脑内部的检测电路对应小于3．3伏特电压。
　　实际空燃比数值大于理论空燃比时，混合气稀时，废气中氧气较多，废气中的氧气穿过扩散阻力层到达尾气侧铂电极被电离成氧离子，氧离子流过尾气侧铂电极和空气腔侧铂电极之间的氧化锆固态电解质，到达空气腔侧铂电极失去电子，产生方向为正的电流。此方向为正电流输入到发动机电脑内部的检测电路后，对应出大于3．3伏特的电压。实际空燃比数值越小、混合气越稀，对应的空燃比传感器电压值越高。实际空燃比数值越小、混合气越浓，对应出空燃比传感器的电压值越低。
　　从图9可以看出，传统氧传感器在怠速启动暖车后或发动机转速稳定后很长时间，才能进入实际空燃比闭环控制状态。而在怠速暖车和急加速状态等复杂工况下，无法控制实际空燃比，实际空燃比处于开环控制状态，所以在怠速暖车和急加速等复杂工况，尾气中碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物三种有害气体的排放量较多。
　　从图10可以看出发动机转速升高后，氧传感器波形变得很窄。这表明发动机转速升高后，氧传感器的反应速度加快，这需要发动机电脑以更快的速度调整喷油量，以便将实际空燃比控制在理论空燃比，所以在发动机高速运转时，为将实际空燃比控制在理论空燃比，需要氧传感器有很快的氧气响应速度，也需要有高速度高性能的发动机电脑。这大大增加了空燃比控制系统的难度，而且实际空燃比的控制效果也不佳。
　　从图11可以看出，全范围空燃比传感器电压值始终随发动机的工作状态而改变，而且反应极其灵敏，并且大部分时间都固定在3．3伏特附近(理论空燃比)。也就是说实际空燃比大部分时间都在理论空燃比位置，所以发动机电脑在大部分时间内不需要过多地反复调整喷油量来控制实际空燃比，使实际空燃比控制变得简单而高效。
　　由于全范围空燃比传感器的信号既准确又快速，所以发动机电脑可随时精确快速判断出各种工况下的空燃比，快速调整喷油量，使空燃比始终保持在理论空燃比附近，从而不需要传统氧传感器的浓稀、浓稀的混合比控制循环。使用全范围空燃比传感器可在车辆冷启动或急加速等复杂工况下有效控制实际空燃比，大大降低汽车尾气中碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物三种有害气体的排放数量。
　　丰田专用检测仪具有空燃比主动测试功能，可以通过改变实际喷油量随时增大或减少发动机的实际空燃比。用丰田专用检测仪改变发动机的实际空燃比，并通过丰田专用检测仪数据流功能显示的空燃比电压值，可直观地看到空燃比传感电压值，并看到空燃比传感器电压值随实际空燃比而变化的变化趋势。通过观察空燃比传感电压值和随实际空燃比变化的情况，可判断出全范围空燃比传感器的好坏。同样利用丰田专用检测仪进行空燃比主动测试，可随时增大或减少实际的空燃比，并通过丰田专用检测仪的数据流功能，也可直观地看到传统氧传感器传感电压随实际空燃比增大或减少而变小或变大的趋势。
　　当使用丰田专用检测仪通过主动测试使实际空燃比变得很大、混合气稀时，氧传感器传感电压固定为0。当主动测试使实际空燃比变得很小、混合气浓时，氧传感器传感电压固定为1伏特。通过丰田专用检测仪上显示传统氧传感器电压值，并观察丰田专用检测仪上显示传统氧传感器电压值随实际空燃比变化的趋势，也可判断传统氧传感器的好坏。具体步骤如下：
　　1、将丰田专用检测仪连接到被测车辆的OBDII检测接头DLC3上；
　　2、打开点火开关，启动发动机，将发动机在2500转／分下运转大约90秒，使发动机暖机；
　　3、打开丰田检测仪，选择项目“DIAGNOSIS／OBD／MOBD／ACTIVETEST”；
　　4、在发动机怠速条件下，进行“A／FCONTROL”(空燃比动态测试，可改变喷油量－12．5％～＋25％)，改变发动机实际空燃比，并观察空燃比传感器电压数值和传统氧传感器的电压数值以及其随实际空燃的变化情况。
　　检测结果：全范围空燃比传感器根据喷油量的增减而做出反应。
　　＋25％→过浓输出：小于3.0V
　　－12．5％→过稀输出：大于3．35V
　　传统氧传感器根据喷油量的增减而做出反应：
　　＋25％→过浓输出：大于0．55V
　　－12．5％→过稀输出：小于0．4V
　　注：全范围空燃比传感器输出有数秒延迟，传统氧传感器输出有20s延迟。

wujiaming

非常详尽的资料，感谢！氧传感器的安装有特殊要求吗？是结构还是工作原理导致，请教。谢谢！

老车友

很好.了解拉传感器的工作情况,长知识.谢谢拉.楼主以后多发点这类的帖.

zww527

奔车族 发表于 4-5-2008 13:04
图4表示的是全范围平板型空燃比传感器在实际空燃比数值小、浓混合气工况下的工作原理。实际空燃比数值小、浓 ...

谢谢！很专业、详实，很好！

wangqian1111

太专业了，学习了