一位车主反映，他的2021款丰田卡罗拉轿车车辆行驶一段距离后发动机故障指示灯就会亮起，油耗增加且尾气排放超标，需要对车辆进行检修。汽车维修技师根据维修手册、使用诊断仪、参考相关资料排除故障，确认为氧传感器故障，需要进行检修。如果你是汽车维修技师，你该如何对氧传感器进行检修工作？ 

一、氧传感器、氮氧传感器功用与类型      

1.氧传感器功用与类型

（1）氧传感器功用

现代汽车上一般安装有2个氧传感器，分别安装在三元催化转化器的前端和后端，如图6-3-2所示。前氧传感器的作用是检测排气中氧离子的含量，并向ECU发出反馈信号。ECU判断混合气浓度是否合适，进而调节喷油器的喷油量，将混合气的空燃比控制在理论值附近。后氧传感器的作用是用来监测三元催化转化器的转化效率，后氧传感将三元催化转换器后方的氧含量反馈给发动机电脑，发动机电脑将两个氧传感器的信号进行对比来判断三元催化转换器是否正常。

图6-3-1 氧传感器外观          图6-3-2 氧传感器安装位置

（2）氧传感器类型

氧传感器按照传感器是否有加热装置分为非加热型和加热型，如图6-3-3所示。

图6-3-3 氧传感器按有无加热装置分类

按照传感器的材质和结构不同分为氧化锆式氧传感器和氧化钛式氧传感器，如图6-3-4所示。

a）氧化钛式氧传感器            b）氧化锆式氧传感器

图6-3-4 氧传感器按结构材质分类

2.氮氧传感器功用与类型

（1）氮氧传感器功用

氮氧传感器是重要的尾气测量工具，配合卡车后处理系统，确保车辆尾气达标排放。以前的氮氧传感器只用于测量出口NOx的值，现在配置两个氮氧传感器，分别检测后处理箱进口和出口的NOx的值。它通过车身总线与ECU通讯，同时在NOx传感器总成内部也有温控系统，诊断系统和控制系统，传感器监测自身的工作情况并通过车身CAN总线向ECU汇报是否出现故障。整个NOx传感器由传感器探头、控制模块、连接插头和连接电缆组成。

图6-3-5 氮氧传感器外观

（2）氮氧传感器类型

氮氧传感器按供电电压分类，可分为24V跟12V两种。

氮氧传感器按插头分类：五针和四针两种。

图6-3-6 氮氧传感器按插头分类

二、氧传感器结构与工作原理     

1.氧化锆式氧传感器结构与工作原理

（1）氧化锆式氧传感器结构

氧化锆式氧传感器主要由锆管（传感元件）、内外铂电极和加热元件等组成，如图6-3-7所示。内外铂电极是在锆管内、外两侧涂覆一层多孔性铂膜电极。锆管内侧通大气，外侧与排气接触。

图6-3-7 氧化锆式氧传感器结构

（2）氧化锆式氧传感器工作原理

氧化锆式氧传感器工作时，在高温废气冲刷下，氧气发生电离，由于锆管内侧氧离子浓度高，外侧氧离子浓度低，在氧浓度差作用下，氧离子从大气侧向排气侧扩散，从而形成了氧浓度差电池。当混合气稀时，排气中含氧量高，锆管内外两侧浓度差小，产生的电位差小，大约为0.1V；当混合气浓时，排气中含氧量低，浓度差大，产生的电位差高，大约为 0.9V，电动势的高低以理论空燃比为界限发生突变，其工作原理与输出信号如图6-3-8所示。

图6-3-8 氧化锆式氧传感器的工作原理与输出信号

氧传感器的输出特性与排气温度有关，当排气温度低于300°C时，氧传感器的输出特性不稳定，发动机刚刚起动后，由于排气温度偏低，氧传感器不工作，为了让氧传感器尽快达到正常工作的温度，一般在氧传感器上安装有加热器。加热器一般用陶瓷加热元件制成，加热温度一般设定为300°C，并直接由汽车电源供电。

2.氧化钛式氧传感器的结构与工作原理

（1）氧化钛式氧传感器结构

氧化钛式氧传感器主要由二氧化钛传感元件、钢质壳体、加热元件和电极引线等组成。二氧化钛传感元件的阻值是随氧离子浓度的变化而变化，因此氧化钛式氧传感器也称阻值变化型氧传感器，信号源相当于一个可变电阻，其电阻值与过量空气系数的关系如图6-3-9所示。

图6-3-9 氧化钛式氧传感器结构

（2）氧化钛式氧传感器工作原理

当混合气稀时，排气中氧含量高，氧浓度高，二氧化钛电阻值高；当混合气浓时，排气中氧含量低，氧浓度低，二氧化钛电阻值降低。其电阻值的变化在理论空燃比附近发生突变，其工作原理与输出信号如图6-3-10所示。

图6-3-10 氧化钛式氧传感器工作原理与输出信号

三、氮氧传感器结构与工作原理

1.氮氧传感器结构

氮氧传感器由传感器探头、控制模块、连接插头和连接电缆组成，如图6-3-11所示。探头结构如图6-3-12所示。

图6-3-11 氮氧传感器组成

图6-3-12 氮氧传感器探头结构

2.氮氧传感器工作原理

氮氧传感器在正常工作后实时的把排气中NOx值传送到ECU。ECU并不是通过监测实时的NOx值来判断排气是否合格，而是每一个排气循环进行一次检测NOx值，进而判断是否超标。

整个工作过程如图6-3-13所示。发动机启动后，氮氧传感器将探头加热至100摄氏度(露点温度)，等待ECU的检测指令。ECU根据排气温度传感器的温度信号(大于120摄氏度)后，每个排气循环对氮氧传感器发出一次检测指令。接到指令后，氮氧传感器继续加热探头，探头中的二氧化锆在高温下完成测量，通过控制模块计算后得出氮氧含量。

图6-3-13 氮氧传感器工作原理

当接通点火开关时，氮氧传感器并不会立即工作，而是等待ECU发出一个露点温度信号，该信号表明此时在排气系统内，没有会损耗氮氧传感器的湿气存在。氮氧传感器工作条件具体如图6-3-14所示。

图6-3-14 氮氧传感器工作条件

四、氧传感器连接电路

前氧传感器和后氧传感器与 ECM 的连接电路如图6-3-15所示。该电路包含了氧传感器的加热控制电路，一般情况下，发动机 ECU 会根据进气量和发动机转速来控制氧传感器加热器的工作电流。当发动机负荷较低时，其排气温度也低，ECU 将增大加热器的工作电流；反之，负荷较高时，则减小加热器的工作电流，从而始终保持传感器良好的工作状态。

图6-3-15 前氧传感器和后氧传感器与ECM的连接电路

新技术：空燃比宽域传感器

空燃比传感器又叫宽域氧传感器，它能连续检测出稀薄燃烧区的空燃比，可正常工作的空燃比范围大约为12:1到20:1，使得ECM在非理论空燃比区域范围内实现喷油量的反馈控制成为可能。空燃比宽域传感器安装在排气管路中三元催化转化器的前面，如图6-3-16所示，所有缸内直喷发动机都使用空燃比氧传感器。

图6-3-16 空燃比传感器的安装位置

空燃比传感器是以普通加热型氧化锆型氧传感器为基础扩展而来，由普通加热型氧化锆氧传感器和泵氧元两部分组成，其结构如图6-3-17所示。

一部分称为感应室，它的一面与大气接触而另一面是测试腔，通过扩散孔与排气接触，和普通氧化锆氧传感器一样，由于感应室两侧的氧含量不同而产生一个电动势Us，一般的氧化锆传感器将此电压作为控制单元的输入信号来控制空燃比。而宽域型氧传感器与此不同的是：发动机控制单元要使感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V，这个电压只是电脑的参考标准值，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。泵氧元就是利用氧化锆传感器的反作用原理，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当中，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过量空气含量系数。

图6-3-17 空燃比传感器的结构

发动机正常工作时，控制单元通过改变单元泵电流来调节泵氧速度，将能斯特电池的电压值维持在450mV。这种不断变化的单元泵电流经ECU处理后形成宽带氧传感器的信号，控制单元依此信号对空燃比进行闭环控制，使三元催化反应器的转换效率达到理想状态。

混合气过浓时，如图6-3-18所示，排气中的氧含量少，倘若单元泵以原来的工作电流工作，测量室的氧量将不足，能斯特电池电压值会超过450mV。此时控制单元增大单元泵的工作电流，增加泵氧速度，使测量室中的氧量增加，能斯特电池电压值又恢复到450mV。同时，控制单元根据氧传感器电压值来减少喷油量。混合气过稀时，排气中的氧含量多，倘若单元泵仍以原来的工作电流工作，测量室的氧量将增多，能斯特电池电压值会低于450mV。此时控制单元减小单元泵的工作电流，减小泵氧速度，使测量室中的氧量减少，能斯特电池电压值又恢复到450mV。同时，控制单元根据氧传感器信号电压值增加喷油量。

图6-3-18 空燃比传感器工作原理

双元件空燃比传感器有5根接线端子，如图6-3-19所示，其中2根是加热器的接线,1根是泵氧单元和电池单元共用的参考接地线,1根为电池单元的信号线,另1根是泵氧单元泵电流的输入线。为了补偿制造误差,有的制造厂在每个传感器的泵电流电路上增加一个微调电阻,使5根接线的空燃比传感器变为有6根接线。

图6-3-19 空燃比传感器的电路

一、任务准备

1.课前准备

（1）场地设施：装有废气抽排系统和消防设施的场地。

（2）设备设施：2021款丰田卡罗拉轿车一辆。

（3）工量具：常用工具（一套）、车辆故障诊断仪、万用表等。

（4）耗材：车内三件套、车外三件套等。

（5）学生组织：教师指导、分组实训、过程评价。

2.注意事项

（1）在工作过程中要注意人身安全，认真执行7S管理。

（2）在工作过程中请根据操作步骤，规范操作，防止损坏设备和器材。

（3）严格按照工作要求正确使用仪器设备，出现问题及时报告，服从管理。

二、任务实施

1.故障现象

一辆2021款丰田卡罗拉最近行驶一段距离后发动机故障指示灯就会亮起，油耗增加且尾气排放超标。

2.故障检修

（1）读取故障码

1) 检查变速器档位是否处于 P 位，驻车制动器是否处于制动状态。

2) 打开位于仪表板左下方的车辆诊断接口盖，将故障诊断仪连接到车辆故障诊断接口。

3)起动发动机。

4) 打开故障诊断仪，按菜单指示操作，进入发动机系统。

5) 选择读取故障码，可能的故障码见表6-3-1。

表6-3-1 故障码含义

（2）用示波器检测氧传感器的波形

在发动机怠速状态下检查氧传感器的输出波形正确的波形如图6-3-20所示。

图6-3-20 正确的波形

如果测量的波形如图6-3-21所示，说明氧传感器可能存在故障。

图6-3-21 测量的波形

（3）拆卸氧传感器

1）断开氧传感器插接器。

2）选用合适的工具（氧传感器拆装专用工具、棘轮扳手）。

3）旋松氧传感器，然后用手拧下来。

4）用干净的布遮挡前氧传感器安装孔。

（4）检测氧传感器

1）检查外观有无损伤。

2）选用数字式万用表，打开至欧姆档，正负表笔对测，检查万用表的测量误差。

3）检查氧传感器端子 1（HT）和端子 2（+B）之间的电阻（加热元件），在20°C条件下，正常电阻值为 1.8~3.4Ω，若测量结果不符合规定，则更换氧传感器。

（5）测量氧传感器电路

1)断开氧传感器插接器。

2)将点火开关置于 ON 位，根据表6-3-2中给出的规定测量电压。

表6-3-2 标准电压

若电压在表3-8的范围内，则进行下一步的检查，若电压不在表 3-8 的范围内则检查熔丝（EFINo.2）和电源电路。

3）拆下蓄电池的负极端头，断开 ECU 插接器。

4）根据表6-3-3和表6-3-4中给出的规定测量电路。              

表6-3-3 标准电阻（断路检查）

表6-3-4 标准电阻（短路检查）

若测量值不在表6-3-3和表6-3-4的范围内，说明该电路存在断路或短路的故障，需要更换或维修氧传感器——ECU的连接电路；若正常则需要检查进气系统或燃油系统等是否正常。

1.氧传感器功用：前氧传感器的作用是检测排气中氧离子的含量，并向ECU发出反馈信号。ECU判断混合气浓度是否合适，进而调节喷油器的喷油量，将混合气的空燃比控制在理论值附近。后氧传感器的作用是用来监测三元催化转化器的转化效率，后氧传感将三元催化转换器后方的氧含量反馈给发动机电脑，发动机电脑将两个氧传感器的信号进行对比来判断三元催化转换器是否正常。

2.氧传感器按照传感器是否有加热装置分为非加热型和加热型；按照传感器的材质和结构不同分为氧化锆式氧传感器和氧化钛式氧传感器。

3.氮氧传感器用于测量进口和出口的NOx的值。

4.氮氧传感器按供电电压分类，可分为24V跟12V两种；按插头分类：五针和四针两种。

5.氧化锆式氧传感器主要由锆管（传感元件）、内外铂电极和加热元件等组成；氧化钛式氧传感器主要由二氧化钛传感元件、钢质壳体、加热元件和电极引线等组成。

6.氮氧传感器由传感器探头、控制模块、连接插头和连接电缆组成。

7.氧化锆式氧传感器工作原理：氧化锆式氧传感器工作时，在高温废气冲刷下，氧气发生电离，由于锆管内侧氧离子浓度高，外侧氧离子浓度低，在氧浓度差作用下，氧离子从大气侧向排气侧扩散，从而形成了氧浓度差电池。当混合气稀时，排气中含氧量高，锆管内外两侧浓度差小，产生的电位差小，大约为0.1V；当混合气浓时，排气中含氧量低，浓度差大，产生的电位差高，大约为 0.9V。   

8.氧化钛式氧传感器工作原理：当混合气稀时，排气中氧含量高，氧浓度高，二氧化钛电阻值高；当混合气浓时，排气中氧含量低，氧浓度低，二氧化钛电阻值降低。其电阻值的变化在理论空燃比附近发生突变。

9.氮氧传感器工作原理：发动机启动后，氮氧传感器将探头加热至100摄氏度(露点温度)，等待ECU的检测指令。ECU根据排气温度传感器的温度信号(大于120摄氏度)后，每个排气循环对氮氧传感器发出一次检测指令。接到指令后，氮氧传感器继续加热探头，探头中的二氧化锆在高温下完成测量，通过控制模块计算后得出氮氧含量。