淄博市技師學(xué)院 孫長新

為適應(yīng)日益嚴(yán)格的汽車尾氣排放要求，傳統(tǒng)的氧化鋯式氧傳感器狀態(tài)型監(jiān)測精度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，監(jiān)測范圍更大、性能更優(yōu)越的寬帶型氧傳感器應(yīng)用越來越多。本文以2010款豐田卡羅拉車1ZR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比傳感器為例，詳細(xì)介紹其工作原理及檢測方法。

1 空燃比傳感器的工作原理

空燃比傳感器的工作原理與普通氧化鋯型氧傳感器的工作原理基本相同，都采用鋯元件，但是進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，充分應(yīng)用氧濃差及泵氧原理。根據(jù)氧化鋯這種固體電解質(zhì)的特性，當(dāng)氧化鋯兩側(cè)鉑電極的含氧量存在差別時(shí)，在正、負(fù)鉑電極上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)勢；反之，當(dāng)在氧化鋯兩側(cè)的鉑電極上加上一定驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，內(nèi)部氧離子就會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性運(yùn)動(dòng)，在正、負(fù)極之間重新分配，從而改變輸出電流和電壓。

1.1 空燃比傳感器的作用及安裝位置

與傳統(tǒng)氧傳感器相比，空燃比傳感器信號(hào)既滿足準(zhǔn)確性又滿足快速性要求，能夠隨時(shí)調(diào)節(jié)空燃比大小始終保持在理論值區(qū)域，特別是在汽車某些典型工況下（如冷機(jī)起動(dòng)、暖機(jī)、急加速、急減速等），能有效控制所需空燃比，克服傳統(tǒng)氧傳感器監(jiān)測缺陷，極大降低了有害氣體的產(chǎn)生，獲得了良好的排放性。在豐田卡羅拉車發(fā)動(dòng)機(jī)雙氧傳感器的排放系統(tǒng)中，上游氧傳感器選用空燃比傳感器，下游氧傳感器選用加熱型的氧化鋯式氧傳感器。

1.2 空燃比傳感器的基本結(jié)構(gòu)

豐田卡羅拉車發(fā)動(dòng)機(jī)采用4線制空燃比傳感器，氧化鋯元件結(jié)構(gòu)為平面型，屬臨界電流型寬帶氧傳感器。外觀上與傳統(tǒng)氧化鋯型傳感器極為相似，注意不要混淆、錯(cuò)誤使用和安裝?？杖急葌鞲衅鞅倔w的兩側(cè)設(shè)置鉑電極，正極設(shè)在封閉的空氣腔一側(cè)，負(fù)極與尾氣間填充多孔性的擴(kuò)散阻力層和多孔氧化鋁層，區(qū)別于傳統(tǒng)氧傳感器。尾氣中的氧分子要到達(dá)負(fù)極側(cè)，需要依次通過多孔性氧化鋁層及擴(kuò)散阻力層，反之亦然?？杖急葌鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空燃比傳感器的基本結(jié)構(gòu)

1.3 空燃比傳感器控制原理及信號(hào)輸出特性

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECM）內(nèi)部有特殊設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路，其主要作用是在空燃比傳感器空氣腔側(cè)鉑電極（正極）提供3.3 V恒定電壓，同時(shí)在尾氣側(cè)鉑電極（負(fù)極）提供3.0 V的恒定電壓，從而在內(nèi)部鋯元件中產(chǎn)生一個(gè)泵電流，尾氣側(cè)（負(fù)極）的氧分子在泵電流的作用下向空氣側(cè)（正極）運(yùn)動(dòng)。ECM內(nèi)設(shè)計(jì)有電壓平衡監(jiān)控電路，能夠?qū)崟r(shí)控制泵電流的大小，通過調(diào)整正、負(fù)鉑電極間的電壓差，使泵電流達(dá)到臨界狀態(tài)，臨界泵電流的大小取決于氧氣的擴(kuò)散速率，與尾氣中的氧濃度或空燃比的大小成正比關(guān)系。產(chǎn)生的臨界泵電流在ECM內(nèi)部被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該數(shù)值與空燃比實(shí)際值成正比關(guān)系，當(dāng)實(shí)際空燃比達(dá)到理論空燃比時(shí)，這時(shí)空燃比傳感器的輸入電流接近零。經(jīng)過分析，其變化規(guī)律符合以下特點(diǎn)：實(shí)際空燃比變小、混合氣為濃時(shí)，空燃比傳感器輸出負(fù)向電流，即臨界電流方向由正極指向負(fù)極，氧氣由空氣腔向尾氣側(cè)擴(kuò)散；變化趨勢相反時(shí)，空燃比傳感器輸出正向電流，即臨界電流方向由負(fù)極指向正極，氧氣由尾氣側(cè)向空氣腔擴(kuò)散，實(shí)際產(chǎn)生的空燃比信號(hào)電壓在2 V～4 V變化。

豐田卡羅拉車空燃比傳感器與普通氧傳感器相比，其連接器同樣有4個(gè)端子，空燃比傳感器的相關(guān)端子如圖2所示。端子A/F+與端子A/F-為空燃比傳感器的正、負(fù)信號(hào)電極，兩者之間的電壓差為0.3 V左右；其余2個(gè)端子為加熱器接線端子，分別為來自繼電器的+B電源端子和ECM控制搭鐵端子。正確識(shí)讀和分析空燃比傳感器控制電路是相關(guān)故障診斷的前提。

圖2 空燃比傳感器的相關(guān)端子

空燃比傳感器輸出信號(hào)特性如圖3所示。信號(hào)曲線相對(duì)較平滑，近似于一條直線，可測量的空燃比為11～23（過量空氣系數(shù)為0.7～1.4），稀、濃跨度較大，這一點(diǎn)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)氧傳感器?？杖急葌鞲衅髂苓B續(xù)可靠地檢測較大范圍空燃比的大小，實(shí)現(xiàn)噴油脈寬的精確反饋控制。當(dāng)信號(hào)電壓達(dá)到3.3 V左右時(shí)，對(duì)應(yīng)的是理論空燃比控制區(qū)域。

圖3 空燃比傳感器輸出信號(hào)特性

2 空燃比傳感器的檢測

空燃比傳感器相關(guān)電路如圖4所示。

圖4 空燃比傳感器相關(guān)電路

2.1 空燃比傳感器加熱器及控制電路的檢測

（1）將點(diǎn)火開關(guān)置于OFF擋，斷開空燃比傳感器的連接器。

（2）測量端子B89/2與端子B89/1間的電阻，測量值應(yīng)為1.6 Ω～3.2 Ω（20 ℃時(shí)），如不相符，則更換空燃比傳感器。

（3）將點(diǎn)火開關(guān)置于ON擋，測量端子B89/2與搭鐵間的電壓，應(yīng)為12 V左右。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，用示波器測量端子B89/1與搭鐵間的波形，如圖5所示。

2.2 空燃比傳感器信號(hào)電壓的檢測

將點(diǎn)火開關(guān)置于ON擋，測量端子B89/3與搭鐵間的電壓，應(yīng)為3.3 V，測量端子B89/4與搭鐵間的電壓，應(yīng)為3 V。如果測量值異常，應(yīng)做針對(duì)性檢查，先檢查線路，最后檢查ECM損壞情況。

2.3 空燃比傳感器功能檢測

判斷空燃比傳感器性能好壞最好采用故障檢測儀與尾氣分析儀相結(jié)合的方法進(jìn)行檢查，通過故障檢測儀讀取空燃比相關(guān)數(shù)據(jù)流，尾氣分析儀檢測的數(shù)值相比較，若誤差較大，應(yīng)檢查有關(guān)系統(tǒng)及元件。豐田專用故障檢測儀能夠?qū)崿F(xiàn)空燃比主動(dòng)測試功能，激活內(nèi)部程序調(diào)整實(shí)際噴油脈寬，在一定范圍內(nèi)增大或減小發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空燃比，讀取數(shù)據(jù)流中空燃比信號(hào)電壓值，通過觀察空燃比信號(hào)電壓與實(shí)際空燃比的相關(guān)性，判斷空燃比傳感器是否損壞?；緳z測程序如下所列。

（1）關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，將豐田專用故障檢測儀連接到診斷口DLC3。

（2）打開點(diǎn)火開關(guān)，起動(dòng)車輛，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在2 500 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)大約80 s～90 s，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于暖機(jī)狀態(tài)。

（3）打開豐田專用故障檢測儀，選擇OBD Ⅱ動(dòng)態(tài)測試診斷功能。

（4）怠速條件下，進(jìn)行空燃比控制功能測試（空燃比動(dòng)態(tài)測試，噴油量為-12.5%～＋25%），調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際空燃比，并注意觀察空燃比傳感器的信號(hào)電壓、后氧傳感器的信號(hào)電壓、實(shí)際空燃比3者間的聯(lián)系。參考標(biāo)準(zhǔn)：空燃比傳感器信號(hào)電壓應(yīng)根據(jù)噴油脈寬的大小而做出相應(yīng)變化，噴油脈寬為＋25%（過濃輸出），空燃比傳感器信號(hào)電壓＜3.3 V ；噴油脈寬為-12.5%（過稀輸出），空燃比傳感器信號(hào)電壓＞3.3 V。通過觀察可發(fā)現(xiàn)，空燃比傳感器要比傳統(tǒng)氧傳感器反應(yīng)迅速。

空燃比傳感器功能的簡單測試，使發(fā)動(dòng)機(jī)熱車至80 ℃～90 ℃，連接空燃比傳感器線束連接器，用萬用表直流電壓擋測量2條信號(hào)線間的電壓，應(yīng)為0.3 V左右，否則線路、元件、ECM可能存在故障。調(diào)節(jié)混合氣濃度大小，檢測空燃比傳感器2條信號(hào)線間的電壓應(yīng)在0 V～1 V變化，向進(jìn)氣管內(nèi)噴入適量丙烷氣體（對(duì)應(yīng)濃混合氣），空燃比傳感器信號(hào)電壓應(yīng)變??；拔下節(jié)氣門后方真空管使之產(chǎn)生真空泄漏（對(duì)應(yīng)稀混合氣），空燃比傳感器信號(hào)電壓應(yīng)變大。如果不符上述情況，說明空燃比傳感器存在故障。

3 空燃比傳感器的使用與維護(hù)注意事項(xiàng)

（1）空燃比傳感器工作溫度必須達(dá)到600 ℃以上。

（2）排氣管的密封性應(yīng)良好，防止因泄漏影響空燃比傳感器的調(diào)節(jié)精度。

（3）空燃比傳感器要垂直于尾氣安裝，以防水蒸氣冷凝作用而損壞空燃比傳感器的內(nèi)部陶瓷體。

（4）清潔時(shí)慎用清洗劑、油性液體及硅密封膠，特別是含硅膠類的物質(zhì)，進(jìn)入排氣系統(tǒng)會(huì)損害空燃比傳感器，造成“硅中毒”。

（5）上游的空燃比傳感器與下游的氧傳感器不能裝反，同時(shí)線束連接器不能接反。

（6）空燃比傳感器螺紋安裝部位涂石墨懸浮液專用防黏劑，以保護(hù)螺紋免于燒結(jié)損傷且便于拆卸?？杖急葌鞲衅鹘宇^不要接觸該化學(xué)物質(zhì)，防止污染腐蝕，導(dǎo)致信號(hào)失準(zhǔn)。

（7）合理安裝布置空燃比傳感器連接線路，留出活動(dòng)空間，防止互相干擾或拉扯導(dǎo)致的線路損壞。

（8）空燃比傳感器連接器要保證密封位置至少能夠承受1.01×105Pa的壓力，防止空燃比傳感器受潮造成腐蝕損傷、線路接觸不良、線路短路等故障。

（9）防止空燃比傳感器落地，避免內(nèi)部陶瓷絕緣體破裂而功能失效。

（10）拆下空燃比傳感器進(jìn)行直觀檢查，觀察通氣孔是否臟堵，陶瓷部分有無破損等明顯缺陷，如有損傷，則應(yīng)更換?？杖急葌鞲衅髂┒说念伾顒e也可作為判別標(biāo)準(zhǔn)，末端正常顏色為淡灰色，如果顏色異常，則做如下分析：末端呈黑色是積炭過多引起，混合氣質(zhì)量或燃燒不好，將積炭清理干凈可使空燃比傳感器功能恢復(fù)正常；呈棕色是由于燃油中鉛超標(biāo)所致，屬于汽油品質(zhì)有問題；末端呈白色是硅污染造成，原因前面已提及。

4 空燃比傳感器故障1例

故障現(xiàn)象 一輛累計(jì)行駛里程約為25萬km的2010款豐田卡羅拉車，搭載1ZR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)，大修完工后試車出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈點(diǎn)亮、發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)過熱的故障現(xiàn)象。

故障診斷 接車后首先試車，確認(rèn)故障現(xiàn)象屬實(shí)。連接故障檢測儀，讀取發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的故障代碼，讀取到的故障代碼為“P0125 用于閉合環(huán)路燃油控制的冷卻液溫度不夠低”。

查詢相關(guān)資料，未能找到關(guān)于該故障代碼的相關(guān)解釋，只能從故障代碼顯示的內(nèi)容來排除故障。首先檢查冷卻液溫度，熱車后冷卻液溫度表指針指示在中間位置（正常），讀取數(shù)據(jù)流，顯示冷卻液溫度在80 ℃～90 ℃變化（正常），檢查散熱風(fēng)扇工作正常，冷卻系統(tǒng)相關(guān)部件均未發(fā)現(xiàn)異常。重新試車，行駛一段距離發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈再次點(diǎn)亮，仍顯示故障代碼P0125。

再次分析故障代碼內(nèi)容，既然排除了冷卻系統(tǒng)，那么從故障內(nèi)容看該故障還與燃油閉環(huán)控制系統(tǒng)有關(guān)，考慮到空燃比傳感器在該系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用，能在各種特殊工況下實(shí)時(shí)快速監(jiān)測空燃比信號(hào)，及時(shí)反饋給ECM精確控制噴油脈寬達(dá)到理論空燃比，其性能好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程影響較大，因此需要檢查燃油閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在試車過程中檢查空燃比及氧傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)空燃比傳感器的信號(hào)電壓一直定在2.8 V無變化且Long FT超出20%，正常怠速情況下，MAF正常值為2.20 gm/s～2.4 gm/s，Short FT和Long FT為5%左右，AFS Voltage B1S1為3.3 V左右，Short FT和Long FT超過20%會(huì)點(diǎn)亮發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈。因此初步判斷空燃比傳感器及其相關(guān)線路可能存在故障。

對(duì)空燃比傳感器相關(guān)線路進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，判斷空燃比傳感器故障。

故障排除 更換空燃比傳感器后試車，故障排除。