(1)工作原理： ①二氧化锆式氧传感器的结构和工作原理。二氧化锆式氧传感器的基本元件是二氧化锆陶瓷管(固体电解质),由于陶瓷体制成管状,因此亦称锆管。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中,锆管内外表面都覆盖着一层多孔性的透气铂膜作为电极。氧传感器安装在排气管上,其内表面与大气接触。外表面与废气接触，在锆管外表面的铂膜上覆盖着一层多孔的氧化铝保护层,并加装了一个防护套管。 如图7-2所示。
在一定条件下(高温和铂催化),利用氧化锆内外两侧的氧浓度差,产生电位差,且浓度差越大,电位差越大。大气中的氧的含量为21%左右,浓混合气燃烧后的废气含氧非常少,稀混合气燃烧生成的废气或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。
在高温及铂的催化下,带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上由于大气中的氧气比废气中的氧气多,因此套管上与大气相通一侧比废气一侧吸附更多的负离子,两侧离子的浓度差产生电动势,如图7-3所示。当空气-燃油混合气很稀时,废气中含有大量的氧,由于传感器内外两侧的氧浓度差较小,因此产生的电动势很小(约0.1V)。
如果空气-燃油混合气很浓时,因为废气中几乎没有氧,这就使传感器内外两侧的氧浓度有很大差异,所以产生的电动势相对较大(约0.9V)。根据氧传感器的电压信号,ECU按照尽可能接近14.7:1的理论最佳空燃比来减稀或加浓混合气。因此氧传感器是电子燃油喷射系统中很重要的一个传感器。
2、加热型二氧化锆式氧传感器。
二氧化锆式氧传感器输出信号的强弱与工作温度有关,只有在300℃以上时传感器才能正常工作。早期使用的氧传感器靠排气加热,这种传感器必须在发动机启动运转数分钟后才能开始工作。因此,电控发动机在氧传感器正常工作之前是开环控制。现在,大部分汽车使用带加热器的氧传感器,这种传感器在原来传感器的基础上,增加了一个陶瓷加热元件用于加热传感器,如图7-4所示,可在发动机启动后的20~30s内迅速将氧传感器加热至工作温度,扩大了空燃
比闭环控制的工作范围,故又称为加热型氧传感器。目前几乎所有的车辆上都装配了加热型氧传感器。
氧传感器有一线制、两线制、三线制、四线制四种类型。一线制只有一根信号线与发动机ECU连接,传感器的另一极直接搭铁;两线制的两根线均与ECU相连,一根为信号线,另一根进入ECU后搭铁;三线制、四线制均属于加热式氧传感器,由于添加了两根加热电阻的接线,因此和氧传感器信号线组合成为三线制或四线制。加热电阻的两根接线,一根直接接控制继电器或主继电器,接受12V加热电源;另一根由ECU控制搭铁端,控制加热电阻加热时间。
(2)氧化锆式传感器的应用：
2016款丰田皇冠5GR-FE、2016款丰田凯美瑞混合动力版车型5AR-FSE发动机都采用了氧化锆式空燃比传感器和氧传感器。两款车型都采用了平面型空燃比传感器和杯型氧传感器,如图7-5所示。
平面型空燃比传感器和杯型氧传感器基本结构和原理相同。平面型空燃比传感器采用导热性能和绝缘性能良好的氧化铝,将传感器元件与加热器集成一体,从而提高传感器的预热性能。杯型氧传感器内有一个环绕加热器的传感器元件。
氧传感器的特点是其输岀电压会在理论空燃比阈值(14.7:1)处发生骤变。相反,空燃比传感器数据则与当前空燃比大致成比例,如图7-6所示。空燃比传感器将氧浓度转换成电流并将其发送至ECM,从而提高了空燃比的检测精度。
日产新阳光车系空燃比(A/F）传感器是平面单元极限电流传感器,如图7-7所示。A/F传感器的元件包括电极层,它可以传输离子。它的元件中有一个加热器。
传感器可以精确测量λ=1,但也可以在稀和浓范围内测量。与其控制电路一起,传感器在较大范围内输出清晰、持续的信号。
排气成分通过传感器元件的扩散层扩散。电极层作用电压,该电流不仅与稀氧气浓度相关,而且与浓碳氢化合物相关。
因此,A/F传感器用该电极层的电流可以指示空燃比。另外,有一个加热器集成于传感器中,以确保所需的工作温度大约为800℃。
日产新阳光车系加热型氧传感器位于三元催化器之后,用于监测废气中的氧含量。即使空燃比(A/F）传感器的开关特性改变,空燃比仍然可以根据加热型氧传感器发出的信号,控制在化学计量比范围内。
该传感器用氧化锆陶瓷制成,如图7-8所示。氧化锆会产生电压,在氧气充足时大约为1V,而在含氧稀薄时减小到0。
在正常情况下,加热型氧传感器不用于发动机控制操作。
(3)典型电路连接：
2016款丰田新皇冠空燃比和氧传感器电路如图7-9所示。
如图7-9(a)所示,空燃比传感器和+B端子来自A/F继电器的12V电源；
HA1A端子为ECM发出的空燃比传感器加热器工作信号;空燃比传感器的A1A+和A1A-端子分别输出3.3V的高电压传感器信号和2.9V的低电压传感器信号。
如图7-9(b)所示,加热型氧传感器的+B端子是来自 EFI MAIN继电器和2号EFI熔丝的12V蓄电池电压。HT1B是氧传感器加热器工作信号,发动机怠速时该信号的电压小于3V,点火开关打开时该信号为11~14V。加热型氧传感器E2为接地脚;OX1B为氧传感器输入信号,在发动机暖机并保持发动机转速为2500/min,2min后产生如图7-10所示的波形。
日产新阳光车系空燃比传感器和加热型氧传感器电路如图7-11所示。
空燃比传感器和加热型氧传感器均为4线式传感器。空燃比传感器F99的4#端子为发动机智能控制模块75脚的12V供电;1#、2#、端子为传感器信号,分别输出至ECM的49#、53#、端子。传感器1#端子在点火开关打开状态下信号电压为2.2V,2#端子在暖机发动机转速2500r/min的状态下输出电压为1.8V;传感器3#端子为传感器加热信号控制端子,连接ECM的3#端子。
加热型氧传感器E31的2#端子为来自发动机智能控制模块35脚的12V氧传感器加热器供电;E31的3#端子为氧传感器加热器的控制信号,来自发动机控制模块的5#端子;E31的4#端子为氧传感器信号输出端,连接ECM的50#端子,在暖机状态下发动机转速从怠速升高至3000r/min时,信号电压为0~1.0V:E31的1#端子为传感器接地端,连接ECM的59#端子。
(4)检测:
①日产新阳光氧传感器检测。
参见图7-11,以加热型氧传感器E31为例。
a.检查氧传感器供电:关闭点火开关,断开加热型氧传感器线束插头;打开点火开关,检查E31端子2和接地之间的电压,标准值应为蓄电池电压。
b.检查传感器输出信号电路:关闭点火开关,断开ECM和E31线束插头,检查E31的3#端子和ECM F7插头的5#端子之间线東是否导通。标准值应为导通状态。如不导通则修理或更换线束。
c.检查传感器加热器电阻:关闭点火开关,断开氧传感器插接器E31,检查E31的端子2和端子3之间的电阻,标准阻值应为3.3-4.4欧。
②丰田凯美瑞车系氧传感器检测。2016款丰田凯美瑞混合动力版车型氧传感器电路如图7-12所示。
a.检查氧传感器是否存在短路现象:关闭点火开关,断开氧传感器E21插头,按照表7-1检查氧传感器端子之间的电阻。如不符合表中所示,则更换氧传感器
。
b.检查线束和连接器是否存在短路:将点火开关转到OFF并等待5min或更长时间。断开ECM连接器E81。检查E81/7和E81/99之间电阻,标准阻值应为10k欧或更大。
c.检查氧传感器线束(氧传感器至ECM):点火开关关闭,断开氧传感器E21和ECM E81连接器,按照表7-2检查线束的阻值,应符合表中规定。如不符合则修理或更换线束。
③大众车系氧传感器检测。2016款捷达氧传感器电路如图7-13所示。前氧传感器G39的T4a/1，T4a/2端为加热元件插头,其中T4a/1端供电来自J317端子30继电器经熔丝SC218(15A)提供蓄电池电压,T4a/2端为搭铁端,接ECU,由ECU控制加热时间;T4a/3，T4a/4端为氧传感器信号端,其中T4a/3为信号电压正极,T4a/4为信号电压负极(即搭铁端)。具体检测方法如下。
a.检测加热元件的电阻:拔下氧传感器线束插头,检测插头上端子T4a/1与T4a/2之间的电阻,在常温下该阻值应为1~5欧，如果常温下该阻值为无穷大，则说明加热元件断路,应更换氧传感器。
b.检测传感器加热元件的供电:氧传感器加热元件的电压为蓄电池电压。断开氧传感器插头,启动发动机,检测连接器插座上的端子T4a/1与T4a/2之间的电压,电压值应不低于11V。如果该电压值为0,则说明熔丝SC218(15A)断路或端子30继电器触点接触不良,分别进行检修即可。
c检测传感器的信号电压:使发动机转速在2500r/min运行约90s,插头与插座连接,将数字式万用表连接到氧传感器端子T4a3与T4a/4的连接导线上。当供给发动机浓混合气(加速踏板突然踩到底)时,信号电压应为0.7~1.0V;当供给发动机稀混合气(拔下空气流量计至发动机之间的真空管)时,信号电压应为0.1~0.3V。否则说明氧传感器失效,应予以更换。
