氧氣探頭（Oxygen sensor），是定期換還是壞了再換？

我來說這個話題是有些悖論的。我一貫主張等車壞了再修，除了最基本的維護如換機油及幾個濾器，別的沒事兒別折騰。不過關於氧氣探頭，這一主張是有些問題的。

 

先說說氧氣探頭是幹什麽的。近十幾年來的車上有兩組氧氣探頭，分別放在exhaust manifold 上（稱為Upstream，上遊）以及Catalytic Converter 後（Downstream,下遊），見下圖。

 

 

 

 

 

 

 

對於直列發動機，上遊下遊一般各有一個探頭。對於V列發動機，上遊有兩個探頭，下遊有一個或兩個探頭。

 

 

上遊和下遊的氧氣探頭功能是不一樣的。而且，因為功能不一樣，上下遊的探頭的類別是有可能不同的。這也是為什麽有時上下遊探頭不能互換的原因。當然，多數家用車因為經濟原因采用的是一類探頭。

 

 

上遊探頭的功能，一句話，是為了監測空氣/汽油（A/F mix， 質量比）混合比例的。對於汽油內燃機，空氣中含21%的氧氣，其A/F最佳值為14.7：1。多於或少於該比例都會造成熱功效率降低，同時造成汙染。見下圖。

 

 

 

 

 

 

 

圖中三條實曲線分別代表NOx，HC，和CO在尾氣的濃度，虛線代表發動機的輸出功率。從圖中曲線可見，如果A/F比太低（rich mix）， 燃燒不完全，則排出的碳化汙染物會大大增加。不過由於現代的車都有catalytic converter，這些沒有完全燃燒的碳化物在cat 裏會被繼續氧化除去，因此這部分汙染問題不大。一般來說，當車在heavy load的情況下，因為throttle開度大，ECM控製給出一個比較rich的mix，這樣發動機的輸出功率會比較高。但是，這樣一來供應的氧氣不夠，所以就算有cat，碳汙染物不能通過催化氧化除去。怎麽辦？有兩種辦法。一種是EGR係統，把適量尾氣循環，一方麵重新燃燒掉碳汙染物，另一方麵，因為循環尾氣中有大量的二氧化碳和水，從而降低氣缸內燃燒溫度，進而降低NOx的生成，一舉兩得。更有可能，因為二氧化碳的分子量為44，氧氣為32，多30%的質量，在高溫下其thermomass更大一些，有可能提高熱功效率。當然，這個說法本人不太感冒，因為在實驗室裏可以認為造成這樣的條件，從而得出提高效率的結論。而實際情況千差萬別，恐怕這部分的貢獻早被別的損耗遮蓋掉了。特別的，ECM在throttle full open 時會關掉EGR以保證功率輸出，這時汙染是沒有控製的。當然，那些燒不掉的碳氫化物就有可能汙染cat，並最終導致cat失效。所以，長時間heavy load是應當盡量避免的。因為這種EGR係統的缺陷，GM的皮卡一般采用bypass air而非EGR係統。其原理是正常情況下bypass air 不工作，A/F mix保證在14.7左右。在heavy load情況下，A/F rich, bypass air 係統在exhaust 和Cat之間提供空氣，保證有足夠氧氣將碳汙染物氧化掉。這樣在大功率下，既不汙染大氣也不傷及cat。說完碳氫化物汙染，再來說說NOx汙染。一般來說，當A/F mix lean時，或engine cooling system有問題時，發動機工作溫度上升，NOx排放量增加。而NOx是每什麽好辦法減排的，所以，最好的辦法就是選一個合適的操作點，把NOx控製在某個範圍內。這也是那個14.7 比例選取的原因之一。所以，上遊的氧氣探頭的作用就是調節A/F比例。

 

 

下遊的氧氣探頭功能就更單一了，就是監測cat 是否工作正常。該探頭的輸出對發動機的功效無任何影響。

 

 

說完功能，再說種類。氧氣探頭有三種，目前常用的兩種。注意，本文所說的都是heated oxygen sensor。以前那種300 攝氏度的sensor已經不用了，所以就略過。此外，所有的氧氣探頭都是比較探頭，即通過比較大氣中氧氣濃度和尾氣中氧氣濃度來輸出信號。也就是說，測量一個大氣濃度信號作為基準，再測量一個尾氣濃度比較，從而輸出測量信號。這個話題做個引子先放一下。第一種，就是大家都叫做Oxygen sensor的。這種sensor的輸出信號為0.2-1.0伏特。不過這種sensor的響應曲線比較特別，類似於階躍曲線。在A/F比較rich的情況下，尾氣中氧氣濃度低，則輸出0.9 V信號。而A/F比較lean的情況下，尾氣中濃度較高，則輸出0.2 V信號。在A/F接近14.7 的很窄的範圍內，輸出信號和F/A比成正比。這種探頭，信號是階躍的，控製也是階躍的。因此，測得的信號是從0.9到0.2再到0.9 往複循環。第二種探頭，輸出信號是電流。ECM會把輸出的電流信號轉換成3V左右的電壓信號。 這種探頭的工作溫度更高一些，產生的電流信號，隨尾氣中氧氣濃度增加而增加。所以這種探頭又稱油氣比例探頭（A/F ratio sensor）。一般來說，比較高檔的車的上遊裝的是這種sensor，因為可以測得精確的氧氣濃度，所以可以更精確的控製噴油量來控製A/F比。這種探頭必須用專用儀器測量。所以如果service manual上說不能back probe或測電壓，那就是這種探頭。第三種，是在90年代用過的，現在幾乎沒有見過的，是電阻式探頭。及電阻隨氧氣濃度變化而變化。因為不常用，所以就不多說了。

 

 

說完種類，說操作。不論是哪一種探頭，探頭對汙染特別敏感。油，矽類潤滑劑等等，都可能覆蓋探頭而導致探頭失效。此外，由於尾氣中總有沒有燒完的機油，燒出來的碳顆粒，等等，時間一長，探頭表麵就會附著這些東西，導致測量偏差，或響應慢。此外，有些設計導致exhaust manifold附近很容易積灰，從而導致大氣方麵探頭被堵。因此，氧氣探頭失效會有很多可能，表現也多樣，後果各不相同。當然，最常見的就是尾氣內部分被部分覆蓋，探頭的測量響應變慢，但測量的值仍然在正常範圍內。由於探頭部分被覆蓋，造成測得尾氣測氧氣濃度低，比較後ECM判定A/F rich，於是減少噴油量，從而事實造成A/F lean。這種情況下，一是發動機操作溫度上升，二是發動機熱機效率下降。而尾氣測量時會發現NOx上升，平時開車時覺得fuel efficiency下降，同時idling時比較rough。所以定期換上遊Oxygen sensor可能應當成為routing maintenance的一部分。那麽該多少mile一換呢？一般網上說大約10萬邁一換。不過，本人有異議。其一，車的操作狀況不同，schedule 應當有異。平時跑高速的車，氧氣探頭可用很長時間。平時幹heavy duty活，城裏開的車，經常上坡的車，由於rich的情況多，氧氣探頭的汙染會嚴重一些，換得應當勤快些。另外，尾氣量也是要考慮的因素。比如，V8 4.6 的車，兩個探頭，每個管2.3 L的排量；而I6 4.2 的車，一個探頭，管4.6 L的排量。你說兩輛車的上遊氧氣探頭是否該有同樣的裏程壽命？

 

 

最後說一句，下遊氧氣探頭等壞了再換。