汽車氧傳感器的前世今生

氧傳感器，一個老掉牙的話題，在混合動力和純電動大行其道的今天，再來談氧傳感器有點落伍了。

鑒于純電動和其他類型新能源汽車的普及還需要時日，在今后很長的一段日子里，燃油車仍將是主流，多家歐洲車企明確表態(tài)，混合動力車型在今后仍然將會持續(xù)生產(chǎn)……綜合這些情況，說明發(fā)動機不會很快的淘汰，更不會徹底的退出歷史舞臺，那么我們今天討論氧傳感器，也還有意義。

之所以要老調(diào)重彈，是因為很多書上和資料上對氧傳感器的介紹看著挺詳細，什么都說了，但是在我們仔細深究的時候，發(fā)現(xiàn)關(guān)于氧傳感器，我們的了解其實還是似是而非的樣子，更何況我們一些工作在維修一線的同行兄弟們，并未受過專業(yè)培訓和系統(tǒng)性訓練，對于氧傳感器的了解和認知，不同程度上都存在認識上的片面性，在面對氧傳感器或者說混合氣故障的診斷的時候，缺乏系統(tǒng)性的考慮。

接下來聊正事：

一、氧傳感器簡史

1、功能

在正常工作的發(fā)動機排氣系統(tǒng)中的氧氣或 lambda 傳感器監(jiān)測 A/F 比，檢測頻率高達每秒一百次左右，并把這個信息報告給車輛的 ECU 或發(fā)動機控制單元（也稱為 PCM 或 ECM）。發(fā)動機據(jù)此進行適當?shù)恼{(diào)整以確保空燃比是理想的或接近理論空燃比的附近進行工作，從而幫助發(fā)動機更有效地燃燒燃料。大多數(shù)氧傳感器使用氧化鋯的核心材料，它產(chǎn)生與排氣中氧氣量相關(guān)的電壓，從這一角度來說，氧傳感器更像是一個根據(jù)氧含量變化而可以產(chǎn)生輸出電壓信號的電池，這樣講，不夠準確，但是能夠幫助大家理解。

2、進化

真正實用意義上的汽車發(fā)動機氧傳感器由羅伯特博世公司開發(fā)，并于 1970 年代后期首次用于沃爾沃公司的發(fā)動機管理系統(tǒng)中。

最初，汽車氧傳感器只有一根或兩根電線，由氧化鋯制成，呈頂針形狀，這種結(jié)構(gòu)在2000年前很多日系車型電控發(fā)動機上也能經(jīng)常見到。傳感器依靠排氣系統(tǒng)中的熱量將它們加熱到所需的工作溫度。這種不帶加熱器的氧傳感器的問題是傳感器從不工作（氧傳感器不能工作會讓 ECU 處于開環(huán)模式）到工作（閉環(huán)模式）需要很長時間，通常超過一分鐘。為了縮短這個預熱開環(huán)工作時間，一些汽車制造商故意延遲點火正時來加熱排氣，以提供更快的氧傳感器和催化劑預熱。

早在 1980 年代初期，氧傳感器制造商在套管中心添加了一個小型棒式加熱器，可以更快地將陶瓷套管加熱到其工作溫度。加熱傳感器可以安裝在催化轉(zhuǎn)化器旁邊的下游——這是一個更理想的位置，因為廢氣處于更均勻的狀態(tài)，并且傳感器過熱的可能性大大降低。

第一個版本是采用外殼接地作為傳感器信號的三線傳感器，后來的應用采用了我們大家最常見的帶有隔離接地的四線版本加熱型氧傳感器。

早期汽車發(fā)動機管理系統(tǒng)氧傳感器的應用最廣泛的國家是美國，從 1990 年代初加州車輛和 1996 年其他 49 個州開始實施 OBDII 控制。

對氧傳感器的要求急劇增加。伴隨著電子控制技術(shù)的進步，新技術(shù)被不斷地開發(fā)出來，氧傳感器被放置在更多的位置，從而增加了它們對 ECU 的反饋。

當前的窄帶傳感器只能讀取“濃”或“稀”的讀數(shù)，已被替換。

新一代的四線和五線乃至六線寬帶傳感器現(xiàn)在正在許多車輛應用中使用。這些傳感器允許精確測量 A/F 比，從而實現(xiàn)更加嚴格的排放控制。

雖然第一輛配備傳感器的車輛只有一個傳感器，但今天的車輛最多可以有八個。最初的單線傳感器加入了加熱、平面、二氧化鈦、FLO（快速熄燈）、UFLO（超快速熄燈）、寬帶（寬頻）和 A/F 傳感器。現(xiàn)代氧傳感器，由于其復雜性和位置，是現(xiàn)代車輛的燃料噴射和低排放發(fā)動機混合氣相關(guān)故障診斷變得復雜的主要原因。

下圖是典型的傳感器組件

二、氧傳感器類型和功能

1、不帶加熱器的氧傳感器

單線或兩線不帶加熱式氧傳感器是最早也是最基本的傳感器類型。單線傳感器僅使用一根信號線，而兩線版本也有一根接地線。不帶加熱的傳感器需要外部熱量進行必要的工作預熱，因此只能安裝在靠近發(fā)動機排氣口的位置，矛盾的是這一位置并不是測量空燃比的理想位置。不帶加熱氧傳感器的另一個限制是它可能需要一分鐘或更長時間才能達到正常運行所需的溫度。

2、加熱型氧傳感器

三線和四線的加熱氧傳感器的發(fā)展是為了更快地達到工作溫度。

加熱元件是一個內(nèi)部電阻器，通過通過它的電流加熱。加熱傳感器可以放置在排氣系統(tǒng)的下游位置，與不帶加熱傳感器相比，它將在適當?shù)臏囟认卤３指�長的時間。所有現(xiàn)代氧傳感器都使用加熱器，但類型和加熱時間各不相同。

3、FLO & UFLO

快速熄燈和超快速熄燈傳感器采用低電阻、高功率密度加熱器以加快預熱時間。這些傳感器可以在短短 20 秒內(nèi)達到工作溫度。由于車輛在冷車時排放最有害，因此 FLO 和 UFLO 能夠幫助減少其他傳感器無法做到的污染。傳感器熱器元件如上圖所示。

4、平面型氧傳感器

平面?zhèn)鞲衅魇褂锰厥夤に囌澈显谝黄鸬难趸�鋯和氧化鋁層。該技術(shù)可以更快地預熱傳感器，因為要加熱的質(zhì)量要小得多，并且加熱器與傳感部分直接接觸。平面?zhèn)鞲衅鞯牡湫皖A熱時間范圍為 5 到 30 秒。

5、空燃比傳感器和寬頻氧傳感器

最早的五線寬帶氧傳感器于 1994 年推出。與四線空燃比傳感器一起，它們代表了當時氧傳感器技術(shù)的最新水平。它們消除了窄帶傳感器固有的貧/富燃油循環(huán)，使控制單元能夠更快地調(diào)整發(fā)動機的燃料輸送和點火正時。

6、氧傳感器的選型

對于氧傳感器來說，通用型氧傳感器可以制造成適合各種應用情況的傳感器，前提是該傳感器是我們所維修車輛的正確類型。必須通過將正確的電線連接到現(xiàn)有線束上的相應端子（針腳）來進行連接。在國外的售后市場，通用傳感器很少使用，因為市場更喜歡直接配合傳感器提供的配合、形式和功能。在國內(nèi)，細心的維修師傅們其實可以發(fā)現(xiàn)，氧傳感器的生產(chǎn)廠家其實就是固定的幾個，他們給市面上五花八門的各個品牌車輛發(fā)動機提供配套產(chǎn)品，在我們熟悉了不同廠家氧傳感器技術(shù)要求或者說技術(shù)特性之后，氧傳感器，除了線束連接器形狀不同，在很多情形下，即便是不同的品牌，也存在通用的可能性，對于一些年代久遠，價格昂貴的氧傳感器，就可以根據(jù)這一思路實現(xiàn)高性價比的維修替換。

正如上面我們提到的氧傳感器“通用性”名字所描述的字面意思一樣，很多所謂的專車專用氧傳感器其實就是直接安裝傳感器的線束連接器，通過一個直接安裝到車輛現(xiàn)有連接器中的連接器來適應特定應用品牌車型發(fā)動機電控系統(tǒng)電路的。大多數(shù)同一個生產(chǎn)廠家的氧傳感器提供的價格不同適用品牌不同的五花八門的氧傳感器，更多的就是為了直接配合原廠線束連接器，其傳感器內(nèi)部構(gòu)造是完全一樣的。

說的再直白一點，就是因為“專用”的傳感器它們的線束連接器易于安裝，而不需要進行多個針腳的改造連接，進而避免了人為接線錯誤導致的固有風險。

當然了，傳感器線束連接器的不同也有助于確保選擇正確的替換部件。

三、傳感器的性能檢測

1、傳統(tǒng)窄帶氧傳感器檢測

這類傳感器的性能檢測，相信大家都有自己的土辦法，不管采用哪一種測量方法或者是檢測方法，這里和大家提到的是書上沒有的經(jīng)驗。氧傳感器的檢測一定是萬用表或者示波器測量結(jié)果和診斷儀數(shù)據(jù)流結(jié)果做對比，不要完全依賴診斷儀的數(shù)據(jù)流測量結(jié)果對傳感器性能做出最終判斷。

為了檢測的規(guī)范和統(tǒng)一，不論大家用什么方法，我們對傳感器的檢測核心，不外乎萬用表電壓讀數(shù)，我的經(jīng)驗是：

冷車狀態(tài)啟動發(fā)動機，萬用表測量氧傳感器信號線，在1分鐘后，最多不超過2分鐘，信號線應該能輸出0.1-0.2伏左右的電壓，而且能在短時間內(nèi)保持穩(wěn)定，在這個穩(wěn)定周期結(jié)束之后，電壓表讀數(shù)應該可以在0.1-0.9V之間來回變化，如果啟動后發(fā)動機水溫都正常了，氧傳感器信號電壓還不變化或者變化幅度過小，那么只有兩種可能，傳感器損壞或者線路有問題；

發(fā)動機進入正常工作狀態(tài)后，準確的說是氧傳感器進入正常工作狀態(tài)之后，信號線輸出的電壓應該在0.1-0.9V之間不斷的變化，性能越好的傳感器，變化幅度越大，發(fā)動機控制調(diào)節(jié)越靈敏，變化頻率越快，如果電壓維持在0.5V附近幾乎不怎么變化，不要著急換傳感器，首先要人為制造稀薄/濃混合氣狀態(tài)，讓這一狀態(tài)快速變化，看傳感器輸出電壓信號是否同步變化，具體操作，請參考公眾號早前發(fā)表的《三元催化效率低》的相關(guān)內(nèi)容介紹；

最后，我們還要知道，混合氣濃氧傳感器輸出高電壓信號0.75-0.9V，混合氣稀薄輸出低電壓信號0.2-0.33V,傳感器通常不會穩(wěn)定在中間值0.45V！如果出現(xiàn)一個中間值且穩(wěn)定持續(xù)，請根據(jù)上面提到的進行檢查，而非直接更換傳感器。

2、寬頻氧傳感器性能檢測（寬帶氧傳感器）

2.1 寬帶氧傳感器的工作原理

寬帶λ傳感器或?qū)拵а鮽鞲衅魇且环N可以測量廢氣中氧氣濃度的傳感器。寬帶氧傳感器基于氧化鋯氧傳感器的 4 線版本， 經(jīng)過改進后可測量實際氧濃度，而不是僅產(chǎn)生混合氣過濃或過稀的信號。

如上圖所示，寬頻氧傳感器由三部分組成：泵室、測量室和測量室。

泵單元和測量單元由一個二氧化鋯（氧化鋯）板組成，在該板的兩面都涂有一層薄薄的鉑。當兩側(cè)之間存在氧濃度差時，兩個鉑板之間將存在電壓差。這個電壓取決于兩側(cè)的氧濃度差，理論空燃比附近燃燒的發(fā)動機，這一電壓大約為 450 mV，這個數(shù)值并非絕對值，而是一個盡可能接近的數(shù)值。

測量單元的一側(cè)與外部空氣接觸，另一側(cè)與測量室接觸。

在測量單元的對面放置一個泵單元，它可以通過電流將氧氣泵入或泵出測量室。

少量廢氣可通過小通道流入測量室，這可以改變測量室中的氧氣濃度，從而改變測量池電壓的理想值 450 mV。

為了讓測量單元返回到 450 mV，ECU 會通過泵單元輸出電流，根據(jù)電流的方向和大小，可以將氧離子泵入或泵出測量室，進而將測量池電壓恢復到 450 mV。

當發(fā)動機燃燒處于濃混合氣狀態(tài)時，廢氣中的氧氣含量很少，并且電流會通過泵單元將更多的氧氣泵入測量室。相反，當發(fā)動機燃燒處于稀薄混合氣狀態(tài)時，廢氣中含有大量氧氣，通過泵單元的電流反向以將氧氣泵出測量室。根據(jù)電流的大小和方向，ECU 會改變噴油量。當發(fā)動機處于理論空燃比附近的理想燃燒狀態(tài)時，沒有電流流過泵單元，噴射的燃油量保持不變。

為了獲得最佳性能，寬頻傳感器需要有大約 750°C 的溫度。傳感器配備用于電加熱的 PTC 電阻，該電阻由系統(tǒng)繼電器或有時由 ECU 供電，ECU 使用不同的占空比信號將調(diào)節(jié)加熱的負極接地來調(diào)節(jié)加熱器工作狀態(tài)。

2.2 寬頻氧傳感器的檢測

大多數(shù)的寬頻氧傳感器檢測都是依賴于示波器進行精確診斷，遺憾的是，在咱們國內(nèi)汽車售后維修中，示波器的普及還有待時日，那么除了示波器以外，我們應該怎樣對寬頻氧傳感器進行檢測？

其實根據(jù)上面介紹，我們已經(jīng)知道，寬頻氧傳感器最終調(diào)節(jié)的是電流，絕大多數(shù)發(fā)動機控制單元也就是ECU，都會為寬頻氧傳感器提供一個相對穩(wěn)定的工作電壓，氧傳感器檢測到不同狀態(tài)的氧含量變化，都會導致電流變化，電流的變化，進一步導致了參考電壓的變化，為了抑制傳感器上的電流變化，ECU就需要進行動態(tài)的調(diào)節(jié)傳感器的工作電壓（參考電壓），這一個調(diào)節(jié)過程是發(fā)動機電腦（ECU）通過內(nèi)部檢測電路來執(zhí)行的。

和傳統(tǒng)窄帶氧傳感器相比，最大的不同是，寬頻氧傳感器我們獲取的測量電信號并不是傳感器自身產(chǎn)生的，而是發(fā)動機控制單元根據(jù)傳感器依據(jù)傳感器檢測氧含量的結(jié)果做出的調(diào)節(jié)過程。

最后還要強調(diào)一點就是，寬頻氧傳感器的信號，我們發(fā)現(xiàn)輸出高電壓信號的時候，說明混合氣燃燒處于稀薄狀態(tài)，濃混合氣燃燒狀態(tài)與此相反。這一特性與早期傳統(tǒng)的窄帶氧傳感器完全相反！

因為傳感器生產(chǎn)廠家不同，取決于不同發(fā)動機控制模塊的技術(shù)要求，傳感器的工作電壓并不完全一致，但是其工作原理是一樣的。

具體到售后維修檢測，可以利用診斷儀通過數(shù)據(jù)流方式進行工作狀態(tài)檢測，同樣，也可以利用萬用表進行檢測。為了能夠詳細闡述，我們分為幾點進行說明。

2.2.1 寬頻氧傳感器的技術(shù)說明

我們以博世Lambda傳感器LSU4.9為例進行介紹。

對于傳感器為不同品牌車型配套，具體線色與端子排序可能會有出入，請以維修車型電路圖為準。

有一個知識點和大家做一個說明，在寬頻氧傳感器的線束連接器中，我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一個電阻器，這個電阻器的阻值決定了傳感器的工作特性，而傳感器的工作特性，更多時候是為了匹配不同車型不同控制單元輸入要求。

2.2.2 博世寬頻氧傳感器的江湖檔案

早在2010年前，LSU4.9 傳感器還是高技術(shù)含量的高科技新產(chǎn)品。市面上大部分發(fā)動機電腦控制器只支持LSU4.2傳感器，很多人都在懷疑LSU4.9相對于LSU4.2的優(yōu)勢。
LSU 4.9 和 4.2 之間的主要區(qū)別在于 LSU 4.9 使用了參考泵電流，而 LSU 4.2 使用參考空氣。

這是什么意思？

簡單講，參考空氣會變質(zhì)，而參考電信號不會。為了幫助大家更好地理解，讓我們了解下汽車行業(yè)的真實故事，當然了如有雷同純屬巧合：

當博世首次設(shè)計寬帶氧傳感器時，參考空氣電池用于提供理論空燃比或 AFR 的參考。該技術(shù)是通過將氧氣泵出/泵入來保持泵送電壓與參考空氣電壓的平衡。泵電流是廢氣中實際 AFR 的指標。泵送電流越大，排氣中的氧氣越多，反之亦然。因此，參考空氣對傳感器的準確性至關(guān)重要，因為它是參考。它在實驗室中運行良好，但在發(fā)動機運行過程中效果不佳，因為汽車傳感器周圍的環(huán)境要差得多。參考空氣可能被周圍的污染物污染。一旦參考空氣被污染，傳感器的整個特性就會轉(zhuǎn)移到較低的一側(cè)。它在行業(yè)中被稱為“特征負向漂移”或 CSD。這是在一些早期 發(fā)動機控制單元應用程序中出現(xiàn)的 LSU 4.2 的最大問題。這個設(shè)計也給博世帶來了很大的質(zhì)量問題。

為了解決這個問題，博世重新設(shè)計了 LSU 傳感器，并推出了 LSU 4.9 版本。LSU 4.9 傳感器擺脫了參考空氣。相反，它使用了與參考空氣等效的參考泵電流，傳感器單元的核心傳感單元中不再需要物理空氣。

于是技術(shù)變成了——將實際泵電流與參考泵電流進行比較以保持平衡。實際泵電流仍然是實際 AFR 的指示，但參考是經(jīng)過校準的電信號，并且在所有情況下始終保持不變。

這是 LSU 4.2 和 LSU 4.9 之間的根本區(qū)別。

LSU 4.9 擺脫了參考空氣，因此擺脫了最大的故障模式。因此，LSU 4.9 具有較長的使用壽命，并且可以在整個生命周期內(nèi)保持精度。直到這個時候，博世 LSU 傳感器才被廣泛應用于汽車行業(yè)。如今，所有使用博世 O2 傳感器的 發(fā)動機管理系統(tǒng)都在使用 LSU 4.9。通用汽車、福特和克萊斯勒現(xiàn)在都使用 LSU 4.9。更準確的講，是自從2007 年之后，汽車上的 O2 傳感器，它們基本都是都是 LSU 4.9 專用的。

當然了，在咱們國內(nèi)市場有例外，很多合資生產(chǎn)的發(fā)動機管理控制系統(tǒng)和微型車等車型上除外。

2.2.3 傳感器的電路系統(tǒng)

為了能一次性的讓大家了解清楚，這里引用一張圖加以說明。

原理圖來自http://circuitszoo./

博世 LSU 4.2/ 4.9 寬帶氧傳感器的控制器示意圖如下所示。

INA2332 運算放大器用于測量能斯特電壓 V nernst、泵電流 I p和加熱器阻抗（用于計算傳感器的溫度），這是通過測量來自 250uA 電流脈沖的 V s引腳上的電壓獲得的。引腳 PC6/PA7。

然后，微控制器通過連接到 Howland 電流泵電路的內(nèi)部 DAC 控制 I p，該電路用于調(diào)節(jié)擴散室氧濃度。

LSU 4.2 和 4.9 傳感器的區(qū)別在于前者從環(huán)境空氣中獲取測量室所需的少量氧氣，而 4.9 版本需要小電流進入 V s引腳才能達到相同的效果：R3 和原理圖中的 R18 提供此電流，并且必須僅在使用 LSU4.9 版本時使用。

注意，IC 部件號對精度至關(guān)重要，因為它們是使用誤差預算計算器選擇的，以便獲得與傳感器之一匹配的 lambda 測量精度（ /- 0.007 λ for一個新的傳感器，對應于普通泵汽油的 /-0.1 AFR）。

上面我們已經(jīng)介紹過，博世的寬帶氧傳感器有 6 個引腳：兩個用于加熱器，一個用于公共接地，一個用于 V s測量，一種用于將電流 I p泵入電池，另一種用于測量 I p作為標稱 61.9 Ω 電阻器上的電壓降，它們需要專用控制器才能正常工作。

控制器必須：使用端子 H H- 處的加熱器測量傳感器溫度并將其調(diào)節(jié)至 750°C

測量擴散室電壓 V s以確定它的氧含量

通過調(diào)節(jié)流入/流出泵單元的電流 I p直到 V s =450mV ，將擴散室氧含量調(diào)節(jié)到 λ=1（相當于汽油的 14.7 AFR）

實際 lambda 值是通過檢測泵單元 I p所需的電流并使用制造商提供的查找表得出的。

2.2.4 博世寬頻傳感器的萬用表測量

本文上面內(nèi)容其實已經(jīng)提到了，寬頻氧傳感器相對于窄帶傳感器的最大不同。

不管大家有沒有認真看上面的關(guān)于寬頻氧傳感器這么多的說明和介紹，其實所說的內(nèi)容，匯總一下，我們得到的信息不外乎如下幾點：

第一、寬頻氧傳感器非常的精密，同時也脆弱，安裝扭矩不對會導致內(nèi)部損壞，輕拿輕放，怕摔；

第二、傳感器加熱器不能在傳感器沒有裝車之前直接用12V電加熱檢測，因為正常工作的傳感器是占空比控制加熱的，直接12V，加熱器會損壞；

第三、傳感器非常精密，工作完全依賴控制單元提供的基準參考電壓，測量傳感器信號如果沒有示波器，那么就一定要使用高阻抗數(shù)字萬用表，不要用指針萬用表測量；

第四、寬頻氧傳感器響應變化速度遠大于普通數(shù)字萬用表的采樣率，因此普通萬用表最多是能看到讀數(shù)，基本不會在萬用表上看見空燃比變化導致的測量值變化；

說了這么久，寬頻氧傳感器信號到底是啥樣的呢？借用一張PICO官網(wǎng)示波器測量LSU4.2傳感器的波形圖，供大家參考。

通道 A表示氧傳感器測量單元的電壓值。

通道 B指示氧傳感器泵單元的電壓。

頻道 C表示氧傳感器加熱器電路的脈寬調(diào)制 (PWM) 控制。

頻道 D表示通過由 PWM 控制的加熱器電路的電流頻道 C.

數(shù)學通道表示從公式通道 B / 38.7 Ω 得出的傳感器泵單元電流。

還要順便說一下，泵電流因為非常小，可以通過電阻電壓降，根據(jù)歐姆定律（電流 = 電壓 / 電阻。I = V / R）計算得到結(jié)果，然后和本文2.2.3中圖表進行對比。

如果一定要用萬用表來檢測到傳感器的電壓變化狀態(tài)，并非不可能，而是需要升級萬用表，采用高采樣率高精度數(shù)字萬用表，就能實現(xiàn)電壓動態(tài)變化情況的捕獲。

2.2.5 總結(jié)

本文結(jié)束之前，最后給大家?guī)讉�關(guān)于博世寬頻氧傳感器的測量參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)，請大家務必明白，是經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并非標準值！

發(fā)動機怠速狀態(tài)，傳感器測量電池電壓應該在450mv左右；

發(fā)動機超速燃油切斷，我們俗稱斷油時，傳感器泵電池電壓下降150-160mv左右，這是因為傳感器測量到排氣系統(tǒng)中氧含量增加的結(jié)果；

如果有高精度電流鉗，可以對傳感器泵電池信號進行電流測量，必須用毫安級高精度電流鉗才能捕獲泵電流變化，這種測量相較于電壓測量，更為直接準確；

傳感器加熱器的最大加熱工作電流在1.5-1.68A之間，因為是PWM信號，測量工作電壓因為測量方式差異，結(jié)果會有不同；

對于加熱器的占空比控制，發(fā)動機電腦有時候會段時間中斷，取決于發(fā)動機電腦設(shè)計，具體車型具體對待，不能據(jù)此判斷故障；

在不斷開傳感器連線的情況下，傳感器泵單元電路的電阻大約為38-39歐姆；

傳感器泵電池電流的工作范圍0.5ma-3.5ma之間，與電壓變化成正比。

【完】