5.2.1 空燃比反馈控制系统（O 2 S）工作原理与检 修 淮安信息职业技术学院 2012年11月 汽车工程系

教学内容：



1、空燃比反馈控制系统工作原理



2、氧传感器故障诊断与检修

5.2.1 .1 空燃比反馈控制系统工作原理



一、空燃比反馈控制系统概述

 1、使用空燃比反馈控制的必要性  只有当可燃混合气浓度在理论空燃比14.7附近时， 三元催化转换器的转换效率才最好。  为了有效地利用三元催化转换器，充分净化废气， 就要提高空燃比的控制精度，使其维持在理论空 燃比14.7为中心的非常狭窄的范围内，必须使用 氧传感器闭环控制系统。

注意点  为了获得三元催化转换器所要求的空燃 比，必须十分精确地控制喷油量。  在有些特殊的情况下，仅凭空气流量计 测得进气量信号达不到很高的控制精度， 会造成可燃混合气燃烧后排出的CO、HC、 NO X 在排气管中的混合比例不对，使得三 元催化转换器效率下降，排放污染增多。

2、如下情况必须采用空燃比反馈控制  （1）喷油器漏油造成混合气过浓。  （2）喷油器堵塞造成混合气过稀。  （3）点火系统缺火或火花塞能量不足造成混合气 （HC和新鲜空气）直接进入三元催化器燃烧，使 得发动机动力性、经济性、排放性下降。  （4）气门正时不对，造成混合气直接进入三元催 化器燃烧。   （5）空气流量计后漏气造成NO 2 过多。 （6）空气流量计故障造成进气量计量不准。  （7）进气温度传感器或水温传感器故障。  （8）燃油压力调节器失效。

注意点  通过安装在排气管上的氧传感器送来的 反馈信号，对理论空燃比进行反馈控制。

3、氧传感器对喷油量的控制与修正  （1） 前氧传感器 对空燃比进行负反馈控制。  （2） 后氧传感器 用于检测三元催化转换器的催化 效率。

大众车系发动机喷油量的确定和修正

控制过程：  根据氧传感器的输出特性，氧传感器输出电压信 号在理论空燃比14.7处发生跃变。ECU利用空燃比 反馈信号，将氧传感器信号电压与基准电压0.45V

进行比较，判定混合气的浓稀程度进行控制。  比理论混合气浓，缩短喷油时间；比理论混合气 稀，延长喷油时间。

氧传感器数字化后电压信号和空燃比反馈二者之间的关系

4、空燃比反馈控制的实施条件  采用氧传感器进行反馈控制（闭环控制）时，原 则上供给的混合气在理论空燃比附近。

停止反馈控制的情况：          （ 1 ）发动机起动时。 （ 2 ）起动后燃油增量修正（加浓）时。 （ 3 ）冷却液温度是燃油增量修正时。 （ 4 ）节气门全开（大负荷、高转速）时。 （ 5 ）加、减速燃油量修正时。 （ 6 ）燃油中断停供时。 （ 7 ）从氧传感器送来的空燃比过稀信号持续时间 大于规定值（如 10s 以上）时。 （ 8 ）从氧传感器送来的空燃比过浓信号持续时间 大于规定值（如 4s 以上）时。 （ 9 ）氧传感器的温度在 300 ℃ 以下。

5、学习空燃比控制  （1）学习空燃比控制的目的  在发动机实际运行过程中，根据发动机性能的变 化，不断修正调节空燃比，微调喷油量，进一步 提高空燃比的控制精度。

（2）学习空燃比控制修正范围  一般闭环控制空燃比修正系数为0.80-1.20或1.75 1.25，在故障诊断仪里显示为±20%或±25%。如果 修正值超出修正范围时，不再修正调节。

（3）学习空燃比控制过程

二、氧传感器概述

 1、氧传感器的功用 

氧传感器（λ传感器）

 Oxygen Sensor (O 2 S)  通过在排气系统中安装氧传感器，检测排气气流 中氧的浓度，修正喷油量，将发动机的实际空燃 比精确地控制在理论空燃比附近，从而提高三元 催化转换器的转换效率，有效地降低废气中有害 气体的含量。

注意点  在使用三元催化转换器的汽车上，氧传 感器是必备的。

2、氧传感器的安装部位  安装在排气歧管后，消声器的前面。  （1）在消声器前安装一个氧传感器。  （2）在三元催化转换器前安装一个氧传感器。  （3）在三元催化转换器前、后各安装一个氧传感 器。

在消声器前安装一个氧传感器

在三元催化转换器前安装一个氧传感器

在三元催化转换器前、后各安装一个氧传感器

3、各种车型氧传感器

AFE发动机氧传感器

AJR发动机氧传感器

桑塔纳3000型氧传感器 06B 906 262

JETTA氧传感器

帕萨特1.8T氧传感器 06B 906 265 D

奥迪氧传感器 06C 906 265 H

宝来六线式氧传感器

4、氧传感器的类型

（

1

）根据氧传感器检测混合气浓度的范围分： 

窄带型氧传感器

 

宽带型氧传感器

1）窄带型氧传感器  只能检测废气的浓、稀两种状态，不能确定空燃 比偏离理论混合气的程度。  目前，汽车上大多数使用窄带型氧传感器。  窄带型氧传感器又分为氧化锆式和氧化钛式两种 氧传感器。

2）宽带型氧传感器  既能检测废气的浓、稀两种状态，又能确定空燃 比偏离理论混合气的程度。  检测空燃比范围可达到 10.0-60.0

。  宽带型氧传感器从2002年开始在中、高档汽车上 广泛采用。

（2）根据氧传感器内部敏感元件的不同分： 

氧化锆式氧传感器

 

氧化钛式氧传感器

 氧化钛式应用较多。  丰田凌志、上海别克为氧化锆式，上海桑塔 纳、一汽捷达为氧化钛式。

注意点  二氧化锆（ZrO 2 ）、二氧化钛（TiO 2 ）等高 温电子陶瓷，对于氧气浓度差显示出优良 的敏感特性。

（

3

）根据氧传感器本身是否加热分：  非加热型氧传感器   加热型氧传感器  氧化钛式氧传感器一般都为加热型。

（4）根据安装数量分： 

单氧传感器

 

双氧传感器

 采用三元催化转换器的汽车上，一般在三元催化 转换器前、后各安装一个氧传感器。

三、氧传感器的组成及工作原理（窄带型）

（一）氧化锆式氧传感器（ZrO

2

）

1、二氧化锆（ZrO 2 ）的功用  ZrO 2 陶瓷对氧离子浓度特别敏感，在内外有氧离 子浓度差时，氧离子由高浓度向低浓度扩散时形 成电池。

2、氧化锆式氧传感器的结构 主要由锆管、电极、保护管等组成。

氧化锆式氧传感器结构特点   在锆管的内、外表面都涂有一层金属铂作为电极，并用金属线与传感器 信号输出端子连接。 金属铂更重要的是催化作用。在铂的作用下，当发动机排气中的

CO

有 害气体与

O 2

接触时，就会生成

CO 2

无害气体。

3、氧化锆式氧传感器的工作原理

氧化锆式氧传感器工作原理图

工作原理：  发动机的排气气流从锆管表面的陶瓷层渗入，与 负极接触，内部的正极与大气接触。温度较高时， O 2 发生电离形成氧离子。若陶瓷层内（大气）、 外（废气）侧氧离子存在浓度差时，使得陶瓷体 内侧（正极）的氧离子向外侧（负极）扩散，锆 管元件形成了一个微电池，扩散的结果造成锆管 正、负极间产生电势差。  浓度差越大，电势差越大。

注意点  锆管外部的电极铂膜起催化作用，使排气气流中 的低浓度0 2 和有害气体CO发生化学反应，生成CO 2 。 这样既可降低排气流中CO的浓度，又可以增大锆 管内外之间的O 2 浓度差，从而提高氧传感器的输 出信号电压。

工作过程：  （1）当混合气较浓时  排气流中0 2 含量低，CO含量高，0 的电势差较大，可达1.0V。 2 几乎全部参加 反应，使得锆管外表面附近的氧离子浓度几乎为 零，锆管内外氧浓度差很大，锆管正、负极之间  （1）当混合气较稀时  排气流中0 2 含量高，CO含量低， CO几乎全部参加 反应，使得锆管外表面附近的氧离子浓度较大， 锆管内外氧浓度差很小，锆管正、负极之间的电 势差较小，约为0.1V。

4、氧化锆式氧传感器的输出特性

输出特性分析：  氧化锆式氧传感器的输出电压在理论空燃比14.7

附近发生突变，当混合气的空燃比稍高于14.7时， 输出电压接近于0V；当混合气的空燃比稍低于 14.7时，输出电压接近于1V。  在发动机混合气闭环控制的过程中，氧传感器相 当于一个浓稀开关，根据空燃比变化向电脑输送 脉冲宽度变化的电压信号（ 每10秒8次以上 ）。

氧化锆式氧传感器信号特征 废气中氧的含量 低 高 输出信号电压 ≧ 0.45V

≦ 0.45V

判断混合气状况 浓 稀

注意点  （1）由于氧传感器信号只在空燃比14.7附近发生 突变，其他空燃比范围信号差别不大，所以只能 利用氧传感器在0.45V上下的两态信号判断可燃混 合气稀浓，而不能具体知道空燃比的大小。  （2）在发动机混合气闭环控制的过程中，发动机 ECU根据氧传感器输出的电压信号不断地修正喷油 量，使可燃混合气的空燃比尽可能地保持在理论 空燃比14.7附近。

5、氧化锆式氧传感器的输出信号电压与工作 温度的关系  （1）当二氧化锆的温度在300-800℃之间时，氧 传感器最为敏感，输出信号电压较强。  （2）当二氧化锆的温度低于300℃时，氧传感器 无输出信号电压。  （3）当二氧化锆的温度在300℃时，氧传感器输 出信号电压最高。

氧化锆式氧传感器工作特性曲线（浓度、温度）

注意点  现在多数氧化锆式氧传感器的内部带加热元件， 可在发动机起动后的20-30s内迅速将氧传感器加 热至工作温度，并保持在300℃左右。

加热氧化锆式氧传感器的结构

带加热器窄带型氧化锆式氧传感器和输出信号

带加热器的氧传感器电路 1 主继电器 2 氧传感器 3-ECU

大众汽车窄带型二氧化锆式氧传感器电路图

（二）氧化钛式氧传感器（TiO

2

）

二氧化钛元件 金属外壳 陶瓷绝缘体 金属保护套 导线 陶瓷元件 接线端子

1、二氧化钛（

TiO

2 ）的功用  正常情况下，二氧化钛的阻值稳定不变，当它的 表面缺氧时，其电阻值会大大降低。  氧化钛式氧传感器利用二氧化钛材料的电阻随排 气中氧离子的浓度的变化而变化的特性制成，氧 化钛式氧传感器的信号源相当于一个可变电阻， 故又称为电阻型氧传感器。

2、氧化钛式氧传感器的结构

3、氧化钛式氧传感器的工作原理  当发动机排出废气中的氧含量较高时，二氧化钛 的电阻值增大；发动机排出废气中的氧含量较低 时，二氧化钛的电阻值减小。  利用适当的电路对电阻值变量进行处理，即可转 换成电压信号输送给ECU，用来确定实际空燃比。  在实际的反馈控制过程中，二氧化钛式氧传感器 与ECU连接的端子上的电压在0.1-0.9V之间不断变 化。

氧化钛式氧传感器工作原理图

氧化钛式氧传感器的输出特性曲线

4、氧化钛式氧传感器的电路图

四、宽带型氧传感器

 1、窄带型氧传感器的缺陷  窄带型氧传感器发出的是混合气稀或浓的交替跃 变信号，不能直接确定混合气稀、浓偏离程度， 偏离程度由多次修正才能在电脑中得出。

2、宽带型氧传感器  既能检测废气的浓、稀两种状态，又能确 定空燃比偏离理论混合气的程度。  检测空燃比范围可达到10.0-60.0。

5.2.1.2 氧传感器故障诊断与检修



一、氧传感器的故障诊断

 1、氧传感器常见的故障现象  （1）氧传感器老化  （2）氧传感器铅中毒  （3）氧传感器硅中毒  （4）氧传感器磷中毒

2、根据氧传感器外观判断故障  （ 1 ）呈浅灰色 —— 氧传感器工作正常。  （ 2 ）呈棕色 —— 氧传感器铅中毒。  （ 3 ）呈白色 —— 氧传感器硅中毒。  （ 4 ）呈黑色 —— 积炭严重。

二、分析由其它原因引起氧传感器信号 电压不正常的故障  可能会是只有混合气超出调整极限和氧传感器不 良等信息。  但是值得注意的是在发动机长期处于空燃比过浓 的情况下工作，氧传感器早就已经损坏了，或是 性能下降了，但是问题的前因是由于空气流量计 的性能下降造成的，而不是由于氧传感器的损坏 而导致了发动机的性能下降。

三、氧传感器的检修（AJR发动机）

AJR发动机氧传感器电路图

1、数据流分析  电压不断地从0.1-1.0V范围内跳动：λ调节正常；  电压为0.1-0.3V：残余氧较多，混合气太稀；  电压为0.7-1.0V：残余氧较多少，混合气太浓；  电压为0.45-0.5V：氧传感器不工作。  注意点：当踩下加速踏板供给浓混合气时，电压 在0.7-1.0V之间波动；当拔下进气管上的真空软 管，供给稀混合气时，电压在0.1-0.3V之间波动。

2、检测加热元件的电阻  拔下氧传感器的插头，用汽车万用表连接传感器 插座端子1和2，常温下阻值约为1-5Ω，温度上升 很少时，阻值会上升很大。若阻值为无穷大，说 明加热元件断路，应更换氧传感器；若阻值符合 要求，应检测氧传感器的供电电压。  1和2电阻为2.3Ω 。

3、检测氧传感器的供电电压  拔下氧传感器的插头，用汽车万用表连接氧传感 器插头端子1和2，打开点火开关，其电压值应为 12V。若电压值不符合要求，应检查氧传感器插头 端子1至附加熔丝S之间的线路有无断路或接触不 良。  拔下氧传感器的插头，用汽车万用表连接氧传感 器插头端子1和2，打开点火开关，其电压值为0； 起动发动机，1和2电压为电源电压，3和4电压为 0.4V，1和搭铁电压为电源电压，1和搭铁电压为0。