任務五 氧傳感器和三元催化器的結構及工作原理

學習目標

1.了解氧傳感器和三元催化器的結構及工作原理

2.了解氧傳感器和三元催化器的功能

3.了解氧傳感器和三元催化器的故障現象

4.了解氧傳感器和三元催化器故障案例

課程準備

知識準備

人們早就知道，某些固體氧化物、鹵化物、硫化物等具有離子導電性能，最著名的是1989年Nernst發現的穩定氧化鋯在高溫下呈現的離子導電現象。在此后的一段時間內，盡管人們對這種具有離子導電性的物質——固體電解質進行了種種研究，但始終進展不大。直到1957年，K kiukkala和C Wager首次用固體電解質組裝原電池，并從理論上闡明其原理以后，這方面的研究和應用才得以迅速發展。在所有固體電解質中，氧化鋯是目前研究和開發應用得最普遍的一種。它不僅用來作高溫化學平衡、熱力學和動力學研究，而且已在高溫技術，特別是高溫測試技術上得到廣泛應用。氧探頭這種以氧化鋯固體電解質為敏感元件，用以測定氧濃度的裝置就是個典型的例子。1961年，J WeiSsbar和R Ruka研制成功第一臺氧化鋯濃差電池測氧儀。20世紀70年代初出現商業用氧化鋯氧探頭以后，引起科學界和工業界的普遍重視，特別是德國、日本、美國等國家都進行了深入的研究和產品開發工作。到20世紀70年代末期，氧探頭的理論和實踐已趨成熟，并開發出了多種結構形式的氧探頭。

由于氧探頭與現有測氧儀表（如確氧分析器、電化學式氧量計、氣相色譜儀等）相比，具有結構簡單、響應時間短、測量范圍寬（從百萬分到百分含量）、使用溫度高（1200～1600℃）、運行可靠、安裝方便、維護量小等優點，因此在冶金、化工、電力、陶瓷、汽車、環保等領域得到廣泛的應用。

課前引入

電噴發動機控制系統中有一個非常重要的傳感器，用來監測發動機排氣中氧的含量或濃度，并把濃度信號以電壓的形式反饋給電子控制單元，從而控制噴油量的大小，進行閉環控制。它通常安裝在排氣系統中，直接與排氣氣流接觸。那么這個傳感器是什么傳感器呢？它是怎樣工作的呢？

1.氧傳感器和三元催化器的安裝位置

現在的車輛上基本都安裝有兩個氧傳感器，分別安裝在三元催化器的前端和后端。安裝在三元催化器前端的氧傳感器稱為前氧傳感器，安裝在后端的氧傳感器稱為后氧傳感器。某車型前后氧傳感器和三元催化器安裝位置如圖1-2-42所示。

圖1-2-42 三元催化器、前氧傳感器、后氧傳感器安裝位置

2.三元催化器功能

為了凈化尾氣中有害的成分，特別是汽車尾氣中排出的CO、HC和NO_x等有害氣體，車輛上都安裝了三元催化器。通過三元催化器中發生的氧化和還原反應將有害成分轉變為無害的二氧化碳、水和氮氣。三元催化器的載體部件是一塊多孔陶瓷材料，安裝在特制的排氣管中。稱它是載體，是因為它本身并不參加催化反應，而是在上面覆蓋著一層鉑、銠、鈀等貴重金屬。

當高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，三元催化器中的催化劑將增強CO、HC和NO_x三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳氣體；HC化合物在高溫下氧化成水（H₂O）和二氧化碳；NO_x還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化。

三元催化器的工作原理示意圖如圖1-2-43所示，三元催化器內部分為氧化腔和還原腔。還原腔在前，氧化腔在后。這是因為還原后的氧氣可以參與到氧化反應中。

①CO和HC的氧化反應：

②NO的還原反應：

圖1-2-43 三元催化器的工作原理示意圖

③其他反應：

三元催化器同時降低三種排氣污染物的效果只有在汽油機化學當量燃燒，也就是過量空氣系數為1時才能實現。三元催化器凈化效率如圖1-2-44所示。因NO_x在催化器中的還原需要H₂、CO和HC等作為還原劑。空氣過量時，這些還原劑首先和氧反應，所NO_x的還原反應就不能進行。空氣不足時，CO、HC化合物則不能完全氧化。

圖1-2-44 三元催化器凈化效率及氧傳感器電壓變化

3.前（上游）氧傳感器

（1）前氧傳感器功能

前氧傳感器（Oxygen Sensor，O₂S）通過檢測廢氣中氧的含量，向ECU間接提供混合氣濃度，ECU利用這一信息可以進行燃油量的閉環控制，使得發動機排氣中三種主要的有毒成分即碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO_x）能夠在三元催化器中得到最大程度的轉化和凈化。在某些工況下，使混合氣濃度保證在理論值14.7左右。

（2）前氧傳感器結構和工作原理

目前車輛上常安裝氧化鋯式氧傳感器，氧化鋯型氧傳感器外觀和結構如圖1-2-45所示。氧傳感器的傳感元件是一種帶孔隙的陶瓷管，管壁外側被發動機排氣包圍，內側通大氣。傳感陶瓷管壁是一種固態電解質，內有電加熱管。氧傳感器的工作是通過將傳感陶瓷管內外的氧離子濃度差轉化成電壓信號輸出來實現的。

圖1-2-45 氧傳感器結構和外觀

1—電纜線 2—碟形墊圈 3—絕緣襯套 4—保護套 5—加熱元件夾緊接頭 6—加熱棒 7—接觸墊片 8—傳感器座 9—陶瓷探針 10—保護管

氧傳感器的工作原理和輸出電壓信號如圖1-2-46和圖1-2-47所示，當傳感陶瓷管的溫度達到350℃時，即具有固態電解質的特性。由于其材質的特殊，使得氧離子可以自由地通過陶瓷管。正是利用這一特性，將濃度差轉化成電勢差，從而形成電信號輸出。若混合氣體偏濃，則陶瓷管內外氧離子濃度差較高，電勢差偏高，大量的氧離子從內側移到外側，輸出電壓較高（接近800mV）；若混合氣偏稀，則陶瓷管內外氧離子濃度差較低，電勢差較低，僅有少量的氧離子從內側移動到外側，輸出電壓較低（接近200mV）。信號電壓在理論當量空燃比（λ=1）附近發生突變。氧傳感器很容易因為摔落、過熱或污染而被損壞。在拿取時請勿使傳感器外殼破損。

圖1-2-46 氧化鋯型氧傳感器工作原理

1—陶瓷體 2—鉑電極 3—電極引線接點 4—電極引線接點 5—排氣管 6—陶瓷防護層 7—尾氣 8—大氣

圖1-2-47 氧傳感器輸出信號電壓

注意

氧傳感器的工作電壓在0.1～0.9V之間波動，10s應該變化5～8次，低于這個頻值說明傳感器老化，需要更換。該傳感器無法修復。

（3）氧傳感器的閉環控制

通過氧傳感器電控發動機系統可以進行閉環控制，控制系統由發動機ECU、三元催化器、前氧傳感器等組成。閉環控制的元件組成如圖1-2-48所示。發動機運轉后，滿足以下條件，進行混合氣的閉環調節。調節的目標為理論空燃比或圍繞λ=1的范圍內進行調節。

①傳感器溫度高于300℃。

②發動機溫度高于50℃。

③發動機處于怠速或部分負荷范圍內。

圖1-2-48 氧傳感器閉環控制原理

電控發動機系統進行閉環控制調節流程如圖1-2-49所示。發動機控制單元根據發動機負荷、發動機轉速、冷卻液溫度等確定基本噴射時間。控制單元根據氧傳感器信號針對過量空氣系數調節計算出噴射時間的附加校正系數（增大/減小），在控制單元內還存儲規定發動機在不同運行狀態下的過量空氣系數特性曲線族，進行雙點式調節時將氧傳感器信號轉化為一個雙點信號：

①傳感器確定濃混合氣，（傳感器信號約為0.8V），調節混合氣變稀。

②傳感器確定稀混合氣。傳感器信號約為0.4V，調節混合氣變濃。

③通過持續圍繞λ=1的范圍波動進行調節，相當于0.45V的電壓。

圖1-2-49 氧傳感器閉環控制流程

實測某車型氧傳感器波形如圖1-2-50所示，從波形圖上可看出，氧傳感器產生交替變化的電壓。

4.自適應過量空氣系數調節

混合氣長時間變稀時，過量空氣系數控制回路必須持續使混合氣變濃。如果這種狀態持續較長時間，控制單元就會針對該負荷范圍提高基本噴射量，并存儲此數值。此時重新產生空燃比λ=1的混合氣。λ傳感器信號圍繞該平均值波動。調節原理如圖1-2-51所示。這種調節將其稱為過量空氣系數調節，是因為這種調節具有自適應調節能力。

圖1-2-50 雙點式氧傳感器波形

5.后（下游）氧傳感器的功能

后傳感器用于監測三元催化器后的尾氣中的氧含量，監測發動機原理如圖1-2-52所示。發動機ECU根據監測到的前氧傳感器和后氧傳感器的信號進行對比，用以監測三元催化器的工作效率，如果三元催化器的工作效率降低或者損壞，則ECU檢測到后氧傳感器的信號劇烈變化后，就會點亮發動機故障燈，同時報后氧傳感器故障，甚至采取限制性駕駛措施，以利于環保。

圖1-2-51 自適應過量空氣系數調節原理

圖1-2-52 三元催化器工作情況監測示意圖

在故障診斷期間，發動機電子控制單元將不斷比較上游氧傳感器和下游氧傳感器的信號，使之保持在一定的轉換比例上。廢氣經過三元催化器處理后，剩余氧含量將大大減少，在下游氧傳感器上的電壓脈動大大減少，由此可以斷定三元催化器處于良好工作狀態。如果三元催化器工作不良或者有故障，則在氧化-還原反應上無法完全對有害物進行完全轉變，則在下游氧傳感器上的電壓脈動與在上游氧傳感器上的電壓脈動近似相同。如果上、下游氧傳感器的信號的振幅、頻率接近一致，則表明三元催化器失效。發動機電子控制單元就會立刻通過發動機故障警告燈對外發出警報。

6.對氧傳感器的老化檢測

在發動機運轉過程中，持續不斷地監控氧傳感器的工作靈敏度/老化性能、氧傳感器信號電壓以及氧傳感器的預熱器。

當氧傳感器中毒或者老化后會對氧傳感器產生不利的一面，這種中毒往往是由于汽油中的含鉛成份過高，導致氧傳感器鉛中毒。當出現中毒或者老化后，將會觀察到氧傳感器的電壓周期性地大大增加或者氧傳感器的信號電壓將變得平直。圖1-2-53顯示出氧傳感器老化或中毒時發動機電子控制單元的診斷原理。

圖1-2-53 發動機電子控制單元監測氧傳感器老化或中毒原理

7.寬帶氧傳感器工作原理

現代汽車為了省油，都趨向于稀薄燃燒，也就是空燃比為10～20，相當于過量空氣系數為0.686～1.405的寬范圍，這樣，原有的氧傳感器就無法適應，于是寬帶氧傳感器誕生了，寬帶氧傳感器安裝在三元催化反應器前，插頭一般為6腳。寬帶氧傳感器結構示意圖如圖1-2-54所示。

寬帶型氧傳感器的基本控制原理就是以普通氧化鋯型氧傳感器為基礎擴展而來。氧化鋯型氧傳感器有一特性，就是當氧離子移動時會產生電動勢。若相反，將電動勢加在氧化鋯組件上，即會造成氧離子的移動，根據此原理即可由發動機控制單元控制所想要的比例值。

寬帶氧傳感器是在普通開關型氧傳感器的基礎上增加了一個泵氧膜片。當發動機排放氣體流經寬域氧傳感器頭部時，它將反饋一個電壓信號給控制器，告知控制器氣缸內混合氣是稀了還是濃了；之后控制器將產生一個泵電流流經寬帶氧傳感器泵氧膜片，從而消耗過量的氧氣或燃料，使氣缸內混合氣的濃度始終維持在理論值附近。

寬域氧傳感器的工作原理主要是：

①采集傳感器的反饋信號。

②產生泵電流控制信號。

③通過采集泵電流流經某一特定電阻產生的電壓，得知泵電流的大小，再通過A-D轉換輸入到控制芯片。

構成寬帶型氧傳感器的組件有兩個部分：感應室和單元泵。

感應室的一面與大氣接觸而另一面是測試室，通過擴散孔與排氣接觸，和普通氧化鋯型氧傳感器一樣，由于感應室兩側的氧含量不同而產生一個電動勢，一般的氧化鋯型傳感將此電壓作為控制單元的輸入信號來控制混合比，而寬帶型氧傳感器與此不同的是：發動機控制單元要把感應室兩側的氧含量保持一致，讓電壓值維持在0.45V，這個電壓只是電子控制單元的參考標準值，它就需要傳感器的另一部分來完成。另一部分是傳感器的關鍵部件泵氧元。泵氧元一邊是排氣，另一邊是與測試腔相連。

圖1-2-54 寬帶氧傳感器結構示意圖

圖1-2-55 寬帶型氧傳感器工作原理示意圖

泵氧元就是利用氧化鋯型傳感器的反作用原理（見圖1-2-55），將電壓施加于氧化鋯組件（泵氧元）上，這樣會造成氧離子的移動，把排氣中的氧泵入測試腔中，使感應室兩側的電壓值維持在0.45V。這個施加在泵氧元上變化的電壓，才是我們要的氧含量信號。如果混合氣太濃，那么排氣中含氧量下降，此時從擴散孔溢出的氧較多，感應室的電壓升高。為達到平衡，發動機控制單元增加控制電流使泵氧元增加泵氧效率，使測試腔的氧含量增加，這樣可以調節感應室的電壓恢復到0.45V；相反，混合氣太稀，則排氣中的含氧量增加，這時氧要從擴散孔進入測試腔，感應室電壓降低，此時泵氧元向外排出氧來平衡測試腔中的含氧量，使感應室的電壓維持在0.45V。總而言之，加在泵氧元上的電壓可以保證當測試腔內的氧多時，排出腔內的氧，這時發動機控制單元的控制電流是正電流；當腔內的氧少時，進行供氧，此時發動機控制單元的控制電流是負電流。以上過程供給泵氧元的電流就反映了排氣中的剩余空氣含量。

8.氧傳感器的故障

氧傳感器的故障表現形式：

①信號電壓超出可能范圍。

②信號電壓響應速度過低。

③信號電壓跳變頻率過低。

④活性不足。

⑤加熱器加熱過慢或不加熱。

具體可能的原因如下：

①錳中毒，雖然不使用含鉛汽油了，但是汽油里的抗爆劑含有錳，燃燒后的錳離子或錳酸根離子就會附著在氧傳感器的表面，使之不能產生正常的信號。

②積炭，氧傳感器鉑片表面積炭后，不能產生正常的電壓信號。

③氧傳感器內部線路接觸不良或斷路而無信號電壓輸出。

④氧傳感器陶瓷元件破損而不能產生正常的電壓信號。

⑤氧傳感器加熱器電阻絲燒斷或其電路斷路，使氧傳感器不能迅速達到正常工作溫度。

課堂討論

1.請說出在三元催化器中發生的反應。

2.請說明氧傳感器的作用。

3.如果氧傳感器出現故障，車輛將會出現什么情況？

故障案例

氧傳感器故障案例

故障案例1：有一輛寶來轎車，故障現象為車輛加速無力，怠速不穩。讀取故障碼如圖1-2-56所示，電控單元將會檢測01電控單元內存在氧傳感器加熱電路斷路故障和廢氣再循環（EGR）電位計故障。

圖1-2-56 讀取氧傳感器故障代碼

氧傳感器識別出故障碼，意味著λ不調節，實測01-08-001組三區（見圖1-2-57）顯示為0.0%不變可證實這一點。

30組也是氧傳感器工作狀態的觀察點，01-08-30第一區為前λ傳感器狀態校驗值，規定值為111；第1位為1代表λ加熱器已接通，第2位為1代表λ調節已準備好，第3位為1代表λ調節在工作。圖1-2-58顯示為100，說明發動機做好加熱的控制，而λ調節不進行，此時后λ傳感器自然也是不工作的。

圖1-2-57 01-08-001組數據

檢查前λ傳感器的3腳有控制15電（怠速時常供電，打火時短時接通），4腳受控于電控單元的T121/5腳，實測控制接地工作正常，再測量λ傳感器的3腳和4腳電阻為無窮大，說明λ傳感器加熱為斷路狀態，正常電阻值應為3Ω左右。更換λ傳感器后，各項調節指標恢復正常。

圖1-2-58 01-08-30組數據

此外，λ傳感器的老化引起的誤傳感也較常見，以下是一個顯示混合氣過濃的示例。

故障案例2：有兩輛一汽大眾公司的捷達王轎車，分別行駛了5萬km和14萬km。

故障現象：怠速時排氣管突突響；加油冒煙，行駛中換檔時車輛闖動。用大眾公司的1552故障閱讀儀檢測到3或4個故障碼，除“空氣質量計信號不可靠”的故障碼之外，全部顯示“SP”。大眾公司的各種故障閱讀儀上“SP”均表示偶然故障。故障發生的原因不外乎以下幾種情況：發動機運轉或點火鑰匙打開的過程中拔下了某個電氣插頭、某個傳感器或執行器的插頭虛接。這時用“05”功能消除故障碼，除“空氣質量計信號不可靠”之外的故障碼全部消掉，且發動機工況明顯變好。如果盲目地認為空氣質量計有故障而更換或不采取任何措施，行駛一段時間后，上述現象會再次出現。這說明問題根本沒有得到徹底解決。

需要說明的是，捷達王轎車的發動機管理系統是閉環控制，如果它發生故障或響應遲鈍，可能造成空氣質量計損壞的假象。連接在熔絲繼電器座右側的診斷插座，用VAG1552故障診斷儀的“08”-讀數據塊的顯示組號“07”，發動著車之后，屏幕將出現：

觀看“2位置”的λ傳感器的電壓，將有三種情況：

①電壓不斷地在0.1～1.0V之間跳動，1min約變化20次，λ調節正常。

②電壓保持在0.1～0.3V時殘余氧較多，混合氣稀；0.7～1.0V時殘余氧較少，混合氣濃。

③電壓保持在0.45～0.5V時，傳感器不工作。

實測時，一轎車“λ電壓”在0.45～0.5V；另一轎車在0.7～1.0V之間，且變化緩慢。這說明氧傳感器沒有參與發動機的管理系統或它向電腦發出了錯誤的修正信號。這時首先要測試λ傳感器的加熱：

用電阻表測1-2間的電阻，正常時為1～5Ω，溫度上升時，電阻迅速升高。如果是通路，再檢測加熱電源，將電壓表接在“1”和接地點間，應為電源電壓。如果兩項檢測都正常，還應檢測傳感器信號線路的電壓，拔下傳感器插頭；電壓表選擇“2V”的量程接在電腦側的λ傳感器插頭3和4端之間，打開點火鑰匙，標準值為：450±50mV，如果數值不對而線路正常，則應更換發動機電子控制單元。

所修兩輛轎車的上述檢測全部沒問題，判斷肯定是氧傳感器出了問題，更換之后，發動機恢復正常。