一篇文章讲透氮氧传感器！

柴油车排放法规越来越严，而氮氧传感器作为后处理系统最贵的一个传感器，它是怎么工作的？出现故障后又该如何解决？今天我为大家详细讲解氮氧传感器的工作原理及故障。

一、传感器结构介绍

目前氮氧化合物传感器只能用于测量出口NOx的值。它通过车身总线与ECM通讯，同时在NOx传感器总成内部也有自诊断系统，传感器监测自身的工作情况并通过车身CAN总线向ECM汇报是否出现故障。整个NOx传感器总成是一个零件！

1.1. 氮氧传感器类型

● 按品牌分类：潍柴、玉柴、锡柴、上柴、重汽、康明斯等等。

● 按供电电压分类: 24V跟12V两种。

● 按插头分类：五针和四针两种。

1.2. 氮氧传感器测量的参数及范围

1.3.氮氧传感器结构组成

氮氧化合物传感器由传感器探头、控制模块、连接插头和连接电缆组成。

1.4.传感器插头

1.5.传感器探头

1.6.HD、HF型探头内部结构

1.7.Bc4型探头内部结构

二、传感器工作测量原理

2.1.监控诊断

氮氧化合物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，而是通过一套氮氧化物监测程序来对排气中的NOx值是否超标进行检测。

以下条件必须满足，以运行NOx监控

● 没有冷却水温度传感器相关故障码

● 没有环境压力传感器相关故障码

● 冷却水温度高于70摄氏度

● 海拔低于1600米

● 在第一测量室内尾气中的氧气被泵出同时在铂金 材料上HC, CO, H2 被氧化。

● 第二测量室中，NOx在催化材料上还原同时释放出O2。

● 测量第二测量室产生O2的量就代表了NOx含量。

2.2.氮氧化物监控－常规监控

氮氧化物常规监控程序工作的条件为：

● 计量喷射量在800 to 3800 ml/h 6cyl engine.

600 to 3800 ml/h 4cy engine.

● 发动机转速范围在1400 - 1700 rpm 6 cylinder engine.

1400 – 1750 rpm 4 cylinder engine.

● Nox传感器给出一个相对稳定的读值

● 最少15秒钟稳定的喷油量

● 以上条件满足后，ECU将进行两次采样，然后将两次采样的值平均，得到的平均值与设定 好的限值进行比较。如果得到的平均值低于限值，NOx常规监控完成一次。如果得到的平均值高于限值将进入附加监控程序。欧5的发动机上不会执行附加监控程序，当第一次常规NOx监控不合格ECU会再运行一次常规监控程序。

● 第一个腔室 泵出了氧气但是剩下了NO。因为第一腔室有氧，所以还原反应不能发生。

● NO 渗透进入第二个腔室并被还原成氮气和氧气。

● 测量第二个腔室中被转换出来的氧气的含量。

2.3.氮氧化物监控－附加监控

在以下条件下运行附加监控程序:

● 第一次运行常规监控程序的结果超标

● 发动机转速范围在-1500 rpm 6 缸发动机1500 rpm 4 缸发动机

● 进入排气系统的NOx（NOx in）估算值在800 to 1800 ppm, 这就意味着发动机在有一定负荷的运转条件下计量泵在喷射计量状态

● NOx 传感器读值稳定

● 在以上条件满足后，系统将监测NOx值15秒钟然后给出一个读数平均值，接下来命令计量泵停止工作，然后再监测20秒后给出另一个读值平均值。将两次取得的读值平均值进行比，如果超过设定的阈值，将确认NOX超标。

● 如果在运行监控程序时上述的条件一旦不满足将退出附加监控程序，然后等条件再一次满足后重新执行附加监控。

● 一旦附加监控程序完成，ECU将对两组数据进行比较：如果两组数据差值过小，监测器会

● 记录一次错误，如果连续两次差值过小，故障代码将被记录，MIL灯将被点亮。如果前后两次取样差值大于预设值，监控通过

注意

只有在常规监控程序超差后才会执行附加监控程序。如果常规监控合格将不执行附加监控程序。

要想清除降扭的影响，监控程序必须运行，且结果必须达标。

百分比负荷与喷射量及催化器前氮氧化物值之间的关系如下：

● 负荷大于50%时喷射量超过：800ml/h 6缸发动机，600ml/h 4缸发动机；

● 6缸发动机负荷大于60%、4缸发动机负荷大于45%时，催化器前氮氧化物值将超过800ppm.

2.4.传感器的精度

三、传感器维修指导案例

3.1.传感器问题检测

探头老化检测不达标：当探头在加热高温突然遇到水，容易膨胀冷缩导致陶瓷开裂。

电路问题：当电路承受过大的电流和电压时容易损坏元器件。

氮氧化合物传感器室内理论ppm值为：0±20ppm

3.2.传感器探头更换演示

使用尿素泵检测设备检测“确定”是否氮氧ppm超标。

1、取下故障探头，将损坏的氮氧化合物传感器电缆线的外皮退去至电路板端，并使用胶布或扎带固定住，防止退回原始位置（如下图所示）。

2、在氮氧化合物传感器电缆线的中间位置将其剪断，取新探头，将8根电缆线对应相连接（如下图所示）。

3、探头匹配：将8条电缆线连接好后，使用尿素泵检测设备将新探头跟电路板进行匹配设置，直到新的探头和电路板成功匹配为止，（如下图所示）。

4、探头匹配成功后使用热缩管套入电缆线上，并使用烙铁将连接好的8条线进行焊接，焊接完成后将热缩管加热处理（如下图所示）。

5、将焊接好的传感器外皮退回原来位置并固定好（如下图所示）。

6、将维修完成的氮氧化合物传感器再次使用尿素泵检测设备测试确认正常。

四、传感器运输和储存注意事项

4.1.氮氧化合物传感器储存条件

氮氧化合物传感器原理决定了传感器的工作温度应大于600℃，故处于高温状态下的陶瓷感应体溅入的液态或水会非常敏感，液态或水会造成瞬间收缩造成机械应力损伤。

运输箱必须在密封的环境下运输和储存，推荐客户要保证传感器在最初的密封包装箱

内储存知道使用，储存温度范围为：-40℃至+105℃（无供电条件下）。

4.2.传感器存储注意事项

氮氧化合物传感器是极为敏感的产品，为避免损坏，请严格遵守以下操作指南：

● 机械振动：避免任何对传感器产生的任何机械振动，如果不小心将传感器跌落在地上，应做报废处理，注意：保护帽是为保护感应单元隔离灰尘和污垢，不是为保护机械振动的。

● 清洁：传感器应该在干净、干燥、无污染污垢和无坏气候条件（如水、冰雪、沙尘）条件下操作和储存，在安装感应原件到排气系统前拿掉保护帽后尽量避免任何灰尘、水、液体、污垢落在感应原件上。

● 上漆：不要在传感器的任何地方喷漆或涂鸦。

● 传感器的清洗：不要使用机械性、化学性以及压缩气体对传感器任何部件进行清洗那样会使传感器中毒或老化，感应原件和内部未连接的连接器不应接触任何液体。

● 电子插头：给传感器供电后，不要拔出连接器插头，这样会造成严重损坏发动机电子控制单元。

● 供电电压：不要将供电电压反向，连接器有保护反向安装的措施。

● 防静电：操作过程必须满足防静电

● 在组装线是储存和运输：请用合适的方式对传感器储存，避免任何潜在的机械振动，请单个拿传感器，避免成捆拿（如下图所示）。

1、不要将电缆线缠绕在传感器电子控制单元上方（如下图所示）

2、不要拖拽电缆线（如下图所示）

3、不要把电缆线打结（如下图所示）

4、不要折叠电缆线（如下图所示）

5、在感应单元索环处，电缆线弯曲半径要大于20mm（如下图所示）

6、支路电缆与传感器电子控制单元纵向轴角度应小于15度（如下图所示）

7、由于环境温度变化产生的水滴（如下图所示）

五、传感器装配及安装操作指南

5.1.传感器安装及注意事项

为将氮氧化合物传感器安装至尾气系统上，请使用完好、清洁、干燥的工具，务必使用标准扭矩扳手来紧固螺丝，当发现氮氧化合物传感器有机械损伤时，请勿安装。同时请遵照以下顺序安装：

1、用螺丝将传感器的电子控制单元固定在汽车的相应位置，依据螺丝类型确定相应的扭矩，扭矩最大容许力由安装表规定（＜60N/mm2）。

2、摘去传感器探头的保护盖，并勿使任何尘土弄脏被润滑的螺纹，请勿擦拭螺纹表面的防磨剂。

3、将传感器探头插入尾气系统的排气管，用手拧紧六角螺母，在拧六角螺母时，握住传感器触头底部，接触金属卡扣的部分，防止电缆线弯曲扭转。

4、最后用标准扭力扳手（推荐扭矩在50±10Nm之间）来紧固六角螺母，紧固后线缆的最大允许转角为180°。

5、将配对的插头连接到传感器电子控制单元部分的插座上，保证插座内清洁，为防止反接插头插座均使用了接插指示标号。

注意

若有多个传感器安装于该系统，请注意将不同安装位置（上游/下游）传感器的相应插头插座标号匹配正确，对于Uninox传感器，没有相应的标号，标准传输地址由pin5开路获得，另外的传输地址由pin5短路到GND获得，获得地址在设计汽车线路时确定。

不同安装位置（上游/下游）传感器标号匹配

5.2.氮氧化物电控模块安装时

需要注意连接电缆拉伸不能过紧，同时还要考虑到应力的释放。必须要考虑保护传感器模块，安装位置应避开排气系统高温的影响。为了保证传感器背面的透气膜片不被杂质堵塞、遮蔽或污染。

5.3.传感器拆卸及注意事项

若需要从尾气系统拆卸氮氧化合物传感器，请遵照以下顺序。

1、拆除传感器的电子控制单元部分与插座相连接的接插头，在氮氧化合物传感器上电时请勿拆除，带电拆除可能导致发动机电子控制单元的严重故障。

2、将传感器电子控制单元部分拆除。

3、将排气管上的传感器探头拆除

注意

为防止探头温度过高引起烫伤，请在传感器断电至少15分钟后进行拆除，一个传感器不能使用超过2个安装拆卸周期，因为传感器探头上螺纹的防磨剂会逐渐损耗，当需要更多次安装时需在螺纹处涂抹更多的防磨剂，推荐电子控制单元连接器的插头插拔次数不超过20次。

一般氮氧化合物传感器在车身上的安装位置

氧传感器与氮氧传感器区别你知道吗

氧传感器与氮氧传感器都安装在排气管上，传感器外观类似。很多人以为结构原理一样。下面我们具体说明一下。

一：作用对比

氧传感器的作用是监测尾气中氧的浓度,并将信息反馈给控制单元修正喷油量《燃气车修正喷气量》,实现发动机的闭环控制,减少有害气体的排放

氮氧传感器的作用是检测尾气中氮氧化合物的含量，ECU根据反馈信息控制尿素喷射量，降低尾气排放

二：外观对比

氮氧传感器通过CAN控制模块与发动机ECU传输数据，而氧传感器是直接与ECU进行信息传输

三：氧传感器原理与检测

1：氧传感器为6线制,它由1个普通窄范围浓度差电压型氧传感器ZrO2(能:斯特元件)、氧气泵单元(ZrO)、加热线圈、传感器控制器及扩散小孔、扩散室等构成(见图)。

当排气管废气中的氧离子通过扩散通道进入测量区时,氧气泵单元泵入或泵出氧离子,并使氧浓度达到λ=1,以使其电压值控制在0.45V附近,即将普通氧传感器的输出电压(能斯特电压为0.45V)送到传感器内的运算放大器,通过与EC输入传感器的1-5脚比较电压比较后,运算放大器控制泵电流Ip,ECU可以通过消耗的泵电流Ip计算出排气管中实际的氧浓度,进而控制喷油量。

①混合气过稀时:氧气泵在原来的转速(相同泵电流Ip)的泵氧量与通过扩

散通道进入测量室的氧量叠加后,使得测量室中氧的含量较多,O2信号电压值下降,富氧的稀混合气产生低于参考电压Uref的电压值,传感器控制器就会产生泵电流,自动减小单元泵的工作电流Ip(使泵入测试室的氧量减少),使02信号尽快恢复到0.45V的电压值。ECU接收到单元泵的工作电流Ip(控制单元将其折算成电压值信号),根据减少的泵电流Ip,ECU加大喷油量

②混合气过浓时:氧气泵在原来的转速(相同泵电流Ip)的泵氧量与通过扩

散通道进入测量室的氧量叠加后,使得测量室中氧的含量较少,O2信号电压值上升,稀氧的浓混合气产生高于参考电压Uref的电压值,传感器控制器就会产生泵电流,自动增加单元泵的工作电流Ip(使泵入测试室的氧量增加),使02信号算成电压值信号),根据增加的泵电流Ip,ECU减少喷油量。宽频氧传感器的工

2：宽频氧传感器常见故障现象

a; 氧传感器中毒

氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障,尤其是经常使用含铅汽油的汽车,即使是新的氧传感器,也只能工作几千千米。如果只是轻微的铅中毒,接着使用一箱不含铅的汽油,就能消除氧传感器表面的铅,使其恢复正常工作但往往由于过高的排气温度,而使铅侵入其内部,阻碍了氧离子的扩散,使氧传感器失效,这时就只能更换了。另外,氧传感器发生硅中毒也是常有的事一般来说,汽油和润滑油中含有的硅化合物燃烧后生成的二氧化硅,硅橡胶密封垫圈使用不当散发出的有机硅气体,都会使氧传感器失效。因而要使用质量好的燃油和润滑油。修理时要正确选用和安装橡胶垫圈,不要在传感器上涂敷制造厂规定使用以外的溶剂和防粘剂等

b;氧传感器积炭

由于发动机燃烧不好,在氧传感器表面形成积炭,或氧传感器内部进入了油污或尘埃等沉积物,就会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部,使氧传感器输出的信号失准,ECU不能及时地修正空燃比。产生积炭的主要表现为油耗上升、排放浓度明显增加。此时,若将沉积物清除,就会恢复正常工作。

c;氧传感器陶瓷碎裂

氧传感器的陶瓷硬而脆,用硬物敲击或用强烈气流吹洗,都可能使其碎裂而失效。因此,处理时要特别小心,发现问题及时更换

d;加热器电阻丝烧断

对于加热型氧传感器,如果加热器电阻丝烧蚀,就很难使传感器达到正常的作温度而失去作用。加热器断路的故障,在发动机低速或冷车运转时,氧传感器无法工作,没有信号输出,只有发动机高速或大负荷时尾气温度升高,氧传感器才可有信号输出

e;氧传感器内部线路断脱

f;电器连接器锁止机构损坏,造成电路连接松动的故障

3：宽频氧传感器的故障诊断

宽频氧传感器性能的检查分为三种情况,一是检测氧传感器电阻;二是测量氧传慼器电压输出信号;三是观察氧传感器外观的颜色

a;检查氧传感器电阻

当发动机温度达到正常后,拔下氧传感器的导线连接器,用电阻表检测传感器端子之间的电阻值,电阻值应符合具体车型标准值的要求。否则应更换氧传感器。

b;检查氧传感器输出电压

起动发动机,使发动机达到正常工作温度,并维持发动机

怠速运转。不能用万用表直接测量氧传感器信号端子的输出电压,而应通过专用解码器读取数据流观看空燃比。发动机控制单元将宽频氧传感器的电流信号转化为电压值显出来,其规定电压值为1V左右。电压值大于1V时表示混合气过稀;电压值小于1V时,表示混合气过浓。当电压值为恒定值时,表明氧传感器本身或其线路有故障。

c;外观颜色检查

通过观察氧传感器顶部的颜色,可以判断故障的原因。氧传感器顶部的正常颜色为淡灰色,如果发现氧传感器顶部颜色发生变化,则预示着氧传感器存在故暲或故障隐患。氧传感器顶部呈黑色,是由于积碳污染造成的,可拆下氧传感器后清除其上的积碳。氧传感器顶部呈红棕色,说明氧传感器受铅污染,此时甚至不起净化作用。如果氧传感器顶部呈白色,说明是硅污染造成的,原因是发动机在维修时使用了不符合要求的硅密封胶,此时必须更换氧传感器。

d;氧传感器的测试方法

检查宽带传感器最好的方法是采用检测仪和废气分析仪进行配合检査。如果检测仪的空燃比参数与废气分析仪的值不匹配,则需要进行进一步的检查。可根据以下4个步骤进行检查诊断。

(1)检查加热器电路。采用电流钳及示波器来检查电流的变化。

(2)分开传感器线束接头。用万用表检査泵单元输出和输入线路之间的修正电阻,阻值应该在30~300欧之间。

(3)插上传感器的接头,用万用表检查参考地电压,数值应该在2.4~2.7V

之间。

(4)检查泵单元和氧化锆单元信号。用一个双通道示波器,连接示波器的地线到参考地,接着连接一个通道到氧化锆单元信号线,另一个通道连接泵单元输入信号。氧化锆单元信号电压应该一直保持在0.45V。如果不是首先检查电路,接着检查输入泵单元。泵单元电压会以0.5~0.6V的幅度波动,示波器要设置为AC耦合,这样才显示得出负的电压值。在混合汽从最浓变为稀时,会产生一个大于1.0V的电压变化

4：总结

氧传感器闭环控制的任务是确保废气空燃比始终处于催化转换器的最佳工作点。氧传感器闭环控制只改变所要喷射的燃油质量、燃烧室内的空气质量,也就是说汽缸充气和点火正时均不受影响,因此氧传感器是用来帮助确定废气中氧含量而反映实际工况中的空燃比。控制单元内的氧传感器闭环控制必须通过所提供的信号来对混合汽的成分做出相应调整,控制过程很大程度上取决于氧传感器的属性。

四：氮氧传感器原理

氮氧传感器目前有四类电位型 混合电势型 复阻抗型 电流型电位型NOx传感器

电位型NOx传感器 原理是通过测定电解质两侧的工作电极与参比电极间的电势,来标定NOx浓度。

混合电势型NOx传感器 ；所谓的混合电势,即为多个电化学反应在同一电极上发生而产生的平衡电势,其电势由多个电化学反应的速率决定。混合电势型NOx传感器,由于其采用不同催化性能的电极,因此在不同的电极上会产生不同的平衡电势。

复阻抗型NOx传感器

当NOx处于固体电解质和电极界面时,会导致界面电阻发生改变,复阻抗型NOx传感器主要是通过测试界面电阻信号来标定NOx浓度变化。以

YSZ为电解质,ZnC2O4作为敏感电极组成化学电池,通过测定传感器复阻抗的变化,以此来计算NOx浓度。

电流型Nox传感器

电流型NOx传感器是在混合电势型NOx传感器结构的基础上在两极间引入个电压采用恒定电压使电极极化,测得两电极间的电流即为敏感信号

日本NGK公司与德国西门子公司联合研发了一种多层结构的电流型

Ox传感器,并成功应用于汽车SCR系统。这也是目前唯一商业化的汽车尾气NOx传感器。基本结构如图所示。该传感器由六层YSZ叠层共烧而成,并包括两个内部空腔、三个氧泵电池和一个加热器

为了精确测量尾气中的NOx,主要问题是需要解决氧气的干扰。对于稀薄燃烧的内燃机,其中氧气浓度要远远大于NOx浓度,为了准确测量NOx浓度,需要放置几个氧泵电池。其基本原理是尾气经扩散通道后以一定速率进入第一腔室(氧泵层),腔室内的氧泵电池经反馈控制,将氧气浓度控制在预先设定的水平(大约1000pm)

尾气经第一腔室处理后,含低浓度氧气的尾气以一定的扩散速度,通过第二个扩散通道而进入第二腔室。该腔室含有一个氧泵电池和一个敏感电极,氧泵电池进一步将腔室内的氧气浓度控制在接近0的水平。另外一个敏感电极实际也是一个泵电池,是专门用于测量NOx分解后的氧气浓度。由于在第二腔室的氧进一步被泵出后,打破了O2和NO反应的平衡,在敏感电极上导致NO的分解,主要发生以下反应

2NO→N2+O2

分解后的氧气经氧泵电池泵走后,通过测量对应的泵氧电流,即可以得出最后分解的氧气浓度,经过换算就可以得到相应的NOx含量。通过相互之间的关系,可以导出NOx浓度与最终泵电流大小的关系,由此来达到测量NOx的效果。如下图为控制过程示意图

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