任务五 氧传感器和三元催化器的结构及工作原理
学习目标
1.了解氧传感器和三元催化器的结构及工作原理
2.了解氧传感器和三元催化器的功能
3.了解氧传感器和三元催化器的故障现象
4.了解氧传感器和三元催化器故障案例
课程准备
知识准备
人们早就知道，某些固体氧化物、卤化物、硫化物等具有离子导电性能，最著名的是1989年Nernst发现的稳定氧化锆在高温下呈现的离子导电现象。在此后的一段时间内，尽管人们对这种具有离子导电性的物质——固体电解质进行了种种研究，但始终进展不大。直到1957年，K kiukkala和C Wager首次用固体电解质组装原电池，并从理论上阐明其原理以后，这方面的研究和应用才得以迅速发展。在所有固体电解质中，氧化锆是目前研究和开发应用得最普遍的一种。它不仅用来作高温化学平衡、热力学和动力学研究，而且已在高温技术，特别是高温测试技术上得到广泛应用。氧探头这种以氧化锆固体电解质为敏感元件，用以测定氧浓度的装置就是个典型的例子。1961年，J WeiSsbar和R Ruka研制成功第一台氧化锆浓差电池测氧仪。20世纪70年代初出现商业用氧化锆氧探头以后，引起科学界和工业界的普遍重视，特别是德国、日本、美国等国家都进行了深入的研究和产品开发工作。到20世纪70年代末期，氧探头的理论和实践已趋成熟，并开发出了多种结构形式的氧探头。
由于氧探头与现有测氧仪表（如确氧分析器、电化学式氧量计、气相色谱仪等）相比，具有结构简单、响应时间短、测量范围宽（从百万分到百分含量）、使用温度高（1200～1600℃）、运行可靠、安装方便、维护量小等优点，因此在冶金、化工、电力、陶瓷、汽车、环保等领域得到广泛的应用。
课前引入
电喷发动机控制系统中有一个非常重要的传感器，用来监测发动机排气中氧的含量或浓度，并把浓度信号以电压的形式反馈给电子控制单元，从而控制喷油量的大小，进行闭环控制。它通常安装在排气系统中，直接与排气气流接触。那么这个传感器是什么传感器呢？它是怎样工作的呢？
1.氧传感器和三元催化器的安装位置
现在的车辆上基本都安装有两个氧传感器，分别安装在三元催化器的前端和后端。安装在三元催化器前端的氧传感器称为前氧传感器，安装在后端的氧传感器称为后氧传感器。某车型前后氧传感器和三元催化器安装位置如图1-2-42所示。
图1-2-42 三元催化器、前氧传感器、后氧传感器安装位置
2.三元催化器功能
为了净化尾气中有害的成分，特别是汽车尾气中排出的CO、HC和NOx等有害气体，车辆上都安装了三元催化器。通过三元催化器中发生的氧化和还原反应将有害成分转变为无害的二氧化碳、水和氮气。三元催化器的载体部件是一块多孔陶瓷材料，安装在特制的排气管中。称它是载体，是因为它本身并不参加催化反应，而是在上面覆盖着一层铂、铑、钯等贵重金属。
当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的催化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水（H2O）和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。
三元催化器的工作原理示意图如图1-2-43所示，三元催化器内部分为氧化腔和还原腔。还原腔在前，氧化腔在后。这是因为还原后的氧气可以参与到氧化反应中。
①CO和HC的氧化反应：
②NO的还原反应：
图1-2-43 三元催化器的工作原理示意图
③其他反应：
三元催化器同时降低三种排气污染物的效果只有在汽油机化学当量燃烧，也就是过量空气系数为1时才能实现。三元催化器净化效率如图1-2-44所示。因NOx在催化器中的还原需要H2、CO和HC等作为还原剂。空气过量时，这些还原剂首先和氧反应，所NOx的还原反应就不能进行。空气不足时，CO、HC化合物则不能完全氧化。
图1-2-44 三元催化器净化效率及氧传感器电压变化
3.前（上游）氧传感器
（1）前氧传感器功能
前氧传感器（Oxygen Sensor，O2S）通过检测废气中氧的含量，向ECU间接提供混合气浓度，ECU利用这一信息可以进行燃油量的闭环控制，使得发动机排气中三种主要的有毒成分即碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）能够在三元催化器中得到最大程度的转化和净化。在某些工况下，使混合气浓度保证在理论值14.7左右。
（2）前氧传感器结构和工作原理
目前车辆上常安装氧化锆式氧传感器，氧化锆型氧传感器外观和结构如图1-2-45所示。氧传感器的传感元件是一种带孔隙的陶瓷管，管壁外侧被发动机排气包围，内侧通大气。传感陶瓷管壁是一种固态电解质，内有电加热管。氧传感器的工作是通过将传感陶瓷管内外的氧离子浓度差转化成电压信号输出来实现的。
图1-2-45 氧传感器结构和外观
1—电缆线 2—碟形垫圈 3—绝缘衬套 4—保护套 5—加热元件夹紧接头 6—加热棒 7—接触垫片 8—传感器座 9—陶瓷探针 10—保护管
氧传感器的工作原理和输出电压信号如图1-2-46和图1-2-47所示，当传感陶瓷管的温度达到350℃时，即具有固态电解质的特性。由于其材质的特殊，使得氧离子可以自由地通过陶瓷管。正是利用这一特性，将浓度差转化成电势差，从而形成电信号输出。若混合气体偏浓，则陶瓷管内外氧离子浓度差较高，电势差偏高，大量的氧离子从内侧移到外侧，输出电压较高（接近800mV）；若混合气偏稀，则陶瓷管内外氧离子浓度差较低，电势差较低，仅有少量的氧离子从内侧移动到外侧，输出电压较低（接近200mV）。信号电压在理论当量空燃比（λ=1）附近发生突变。氧传感器很容易因为摔落、过热或污染而被损坏。在拿取时请勿使传感器外壳破损。
图1-2-46 氧化锆型氧传感器工作原理
1—陶瓷体 2—铂电极 3—电极引线接点 4—电极引线接点 5—排气管 6—陶瓷防护层 7—尾气 8—大气
图1-2-47 氧传感器输出信号电压
注意
氧传感器的工作电压在0.1～0.9V之间波动，10s应该变化5～8次，低于这个频值说明传感器老化，需要更换。该传感器无法修复。
（3）氧传感器的闭环控制
通过氧传感器电控发动机系统可以进行闭环控制，控制系统由发动机ECU、三元催化器、前氧传感器等组成。闭环控制的元件组成如图1-2-48所示。发动机运转后，满足以下条件，进行混合气的闭环调节。调节的目标为理论空燃比或围绕λ=1的范围内进行调节。
①传感器温度高于300℃。
②发动机温度高于50℃。
③发动机处于怠速或部分负荷范围内。
图1-2-48 氧传感器闭环控制原理
电控发动机系统进行闭环控制调节流程如图1-2-49所示。发动机控制单元根据发动机负荷、发动机转速、冷却液温度等确定基本喷射时间。控制单元根据氧传感器信号针对过量空气系数调节计算出喷射时间的附加校正系数（增大/减小），在控制单元内还存储规定发动机在不同运行状态下的过量空气系数特性曲线族，进行双点式调节时将氧传感器信号转化为一个双点信号：
①传感器确定浓混合气，（传感器信号约为0.8V），调节混合气变稀。
②传感器确定稀混合气。传感器信号约为0.4V，调节混合气变浓。
③通过持续围绕λ=1的范围波动进行调节，相当于0.45V的电压。
图1-2-49 氧传感器闭环控制流程
实测某车型氧传感器波形如图1-2-50所示，从波形图上可看出，氧传感器产生交替变化的电压。
4.自适应过量空气系数调节
混合气长时间变稀时，过量空气系数控制回路必须持续使混合气变浓。如果这种状态持续较长时间，控制单元就会针对该负荷范围提高基本喷射量，并存储此数值。此时重新产生空燃比λ=1的混合气。λ传感器信号围绕该平均值波动。调节原理如图1-2-51所示。这种调节将其称为过量空气系数调节，是因为这种调节具有自适应调节能力。
图1-2-50 双点式氧传感器波形
5.后（下游）氧传感器的功能
后传感器用于监测三元催化器后的尾气中的氧含量，监测发动机原理如图1-2-52所示。发动机ECU根据监测到的前氧传感器和后氧传感器的信号进行对比，用以监测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损坏，则ECU检测到后氧传感器的信号剧烈变化后，就会点亮发动机故障灯，同时报后氧传感器故障，甚至采取限制性驾驶措施，以利于环保。
图1-2-51 自适应过量空气系数调节原理
图1-2-52 三元催化器工作情况监测示意图
在故障诊断期间，发动机电子控制单元将不断比较上游氧传感器和下游氧传感器的信号，使之保持在一定的转换比例上。废气经过三元催化器处理后，剩余氧含量将大大减少，在下游氧传感器上的电压脉动大大减少，由此可以断定三元催化器处于良好工作状态。如果三元催化器工作不良或者有故障，则在氧化-还原反应上无法完全对有害物进行完全转变，则在下游氧传感器上的电压脉动与在上游氧传感器上的电压脉动近似相同。如果上、下游氧传感器的信号的振幅、频率接近一致，则表明三元催化器失效。发动机电子控制单元就会立刻通过发动机故障警告灯对外发出警报。
6.对氧传感器的老化检测
在发动机运转过程中，持续不断地监控氧传感器的工作灵敏度/老化性能、氧传感器信号电压以及氧传感器的预热器。
当氧传感器中毒或者老化后会对氧传感器产生不利的一面，这种中毒往往是由于汽油中的含铅成份过高，导致氧传感器铅中毒。当出现中毒或者老化后，将会观察到氧传感器的电压周期性地大大增加或者氧传感器的信号电压将变得平直。图1-2-53显示出氧传感器老化或中毒时发动机电子控制单元的诊断原理。
图1-2-53 发动机电子控制单元监测氧传感器老化或中毒原理
7.宽带氧传感器工作原理
现代汽车为了省油，都趋向于稀薄燃烧，也就是空燃比为10～20，相当于过量空气系数为0.686～1.405的宽范围，这样，原有的氧传感器就无法适应，于是宽带氧传感器诞生了，宽带氧传感器安装在三元催化反应器前，插头一般为6脚。宽带氧传感器结构示意图如图1-2-54所示。
宽带型氧传感器的基本控制原理就是以普通氧化锆型氧传感器为基础扩展而来。氧化锆型氧传感器有一特性，就是当氧离子移动时会产生电动势。若相反，将电动势加在氧化锆组件上，即会造成氧离子的移动，根据此原理即可由发动机控制单元控制所想要的比例值。
宽带氧传感器是在普通开关型氧传感器的基础上增加了一个泵氧膜片。当发动机排放气体流经宽域氧传感器头部时，它将反馈一个电压信号给控制器，告知控制器气缸内混合气是稀了还是浓了；之后控制器将产生一个泵电流流经宽带氧传感器泵氧膜片，从而消耗过量的氧气或燃料，使气缸内混合气的浓度始终维持在理论值附近。
宽域氧传感器的工作原理主要是：
①采集传感器的反馈信号。
②产生泵电流控制信号。
③通过采集泵电流流经某一特定电阻产生的电压，得知泵电流的大小，再通过A-D转换输入到控制芯片。
构成宽带型氧传感器的组件有两个部分：感应室和单元泵。
感应室的一面与大气接触而另一面是测试室，通过扩散孔与排气接触，和普通氧化锆型氧传感器一样，由于感应室两侧的氧含量不同而产生一个电动势，一般的氧化锆型传感将此电压作为控制单元的输入信号来控制混合比，而宽带型氧传感器与此不同的是：发动机控制单元要把感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V，这个电压只是电子控制单元的参考标准值，它就需要传感器的另一部分来完成。另一部分是传感器的关键部件泵氧元。泵氧元一边是排气，另一边是与测试腔相连。
图1-2-54 宽带氧传感器结构示意图
图1-2-55 宽带型氧传感器工作原理示意图
泵氧元就是利用氧化锆型传感器的反作用原理（见图1-2-55），将电压施加于氧化锆组件（泵氧元）上，这样会造成氧离子的移动，把排气中的氧泵入测试腔中，使感应室两侧的电压值维持在0.45V。这个施加在泵氧元上变化的电压，才是我们要的氧含量信号。如果混合气太浓，那么排气中含氧量下降，此时从扩散孔溢出的氧较多，感应室的电压升高。为达到平衡，发动机控制单元增加控制电流使泵氧元增加泵氧效率，使测试腔的氧含量增加，这样可以调节感应室的电压恢复到0.45V；相反，混合气太稀，则排气中的含氧量增加，这时氧要从扩散孔进入测试腔，感应室电压降低，此时泵氧元向外排出氧来平衡测试腔中的含氧量，使感应室的电压维持在0.45V。总而言之，加在泵氧元上的电压可以保证当测试腔内的氧多时，排出腔内的氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流；当腔内的氧少时，进行供氧，此时发动机控制单元的控制电流是负电流。以上过程供给泵氧元的电流就反映了排气中的剩余空气含量。
8.氧传感器的故障
氧传感器的故障表现形式：
①信号电压超出可能范围。
②信号电压响应速度过低。
③信号电压跳变频率过低。
④活性不足。
⑤加热器加热过慢或不加热。
具体可能的原因如下：
①锰中毒，虽然不使用含铅汽油了，但是汽油里的抗爆剂含有锰，燃烧后的锰离子或锰酸根离子就会附着在氧传感器的表面，使之不能产生正常的信号。
②积炭，氧传感器铂片表面积炭后，不能产生正常的电压信号。
③氧传感器内部线路接触不良或断路而无信号电压输出。
④氧传感器陶瓷元件破损而不能产生正常的电压信号。
⑤氧传感器加热器电阻丝烧断或其电路断路，使氧传感器不能迅速达到正常工作温度。
课堂讨论
1.请说出在三元催化器中发生的反应。
2.请说明氧传感器的作用。
3.如果氧传感器出现故障，车辆将会出现什么情况？
故障案例
氧传感器故障案例
故障案例1：有一辆宝来轿车，故障现象为车辆加速无力，怠速不稳。读取故障码如图1-2-56所示，电控单元将会检测01电控单元内存在氧传感器加热电路断路故障和废气再循环（EGR）电位计故障。
图1-2-56 读取氧传感器故障代码
氧传感器识别出故障码，意味着λ不调节，实测01-08-001组三区（见图1-2-57）显示为0.0%不变可证实这一点。
30组也是氧传感器工作状态的观察点，01-08-30第一区为前λ传感器状态校验值，规定值为111；第1位为1代表λ加热器已接通，第2位为1代表λ调节已准备好，第3位为1代表λ调节在工作。图1-2-58显示为100，说明发动机做好加热的控制，而λ调节不进行，此时后λ传感器自然也是不工作的。
图1-2-57 01-08-001组数据
检查前λ传感器的3脚有控制15电（怠速时常供电，打火时短时接通），4脚受控于电控单元的T121/5脚，实测控制接地工作正常，再测量λ传感器的3脚和4脚电阻为无穷大，说明λ传感器加热为断路状态，正常电阻值应为3Ω左右。更换λ传感器后，各项调节指标恢复正常。
图1-2-58 01-08-30组数据
此外，λ传感器的老化引起的误传感也较常见，以下是一个显示混合气过浓的示例。
故障案例2：有两辆一汽大众公司的捷达王轿车，分别行驶了5万km和14万km。
故障现象：怠速时排气管突突响；加油冒烟，行驶中换档时车辆闯动。用大众公司的1552故障阅读仪检测到3或4个故障码，除“空气质量计信号不可靠”的故障码之外，全部显示“SP”。大众公司的各种故障阅读仪上“SP”均表示偶然故障。故障发生的原因不外乎以下几种情况：发动机运转或点火钥匙打开的过程中拔下了某个电气插头、某个传感器或执行器的插头虚接。这时用“05”功能消除故障码，除“空气质量计信号不可靠”之外的故障码全部消掉，且发动机工况明显变好。如果盲目地认为空气质量计有故障而更换或不采取任何措施，行驶一段时间后，上述现象会再次出现。这说明问题根本没有得到彻底解决。
需要说明的是，捷达王轿车的发动机管理系统是闭环控制，如果它发生故障或响应迟钝，可能造成空气质量计损坏的假象。连接在熔丝继电器座右侧的诊断插座，用VAG1552故障诊断仪的“08”-读数据块的显示组号“07”，发动着车之后，屏幕将出现：
观看“2位置”的λ传感器的电压，将有三种情况：
①电压不断地在0.1～1.0V之间跳动，1min约变化20次，λ调节正常。
②电压保持在0.1～0.3V时残余氧较多，混合气稀；0.7～1.0V时残余氧较少，混合气浓。
③电压保持在0.45～0.5V时，传感器不工作。
实测时，一轿车“λ电压”在0.45～0.5V；另一轿车在0.7～1.0V之间，且变化缓慢。这说明氧传感器没有参与发动机的管理系统或它向电脑发出了错误的修正信号。这时首先要测试λ传感器的加热：
用电阻表测1-2间的电阻，正常时为1～5Ω，温度上升时，电阻迅速升高。如果是通路，再检测加热电源，将电压表接在“1”和接地点间，应为电源电压。如果两项检测都正常，还应检测传感器信号线路的电压，拔下传感器插头；电压表选择“2V”的量程接在电脑侧的λ传感器插头3和4端之间，打开点火钥匙，标准值为：450±50mV，如果数值不对而线路正常，则应更换发动机电子控制单元。
所修两辆轿车的上述检测全部没问题，判断肯定是氧传感器出了问题，更换之后，发动机恢复正常。