氧气探头（Oxygen sensor），是定期换还是坏了再换？

我来说这个话题是有些悖论的。我一贯主张等车坏了再修，除了最基本的维护如换机油及几个滤器，别的没事儿别折腾。不过关于氧气探头，这一主张是有些问题的。

 

先说说氧气探头是干什么的。近十几年来的车上有两组氧气探头，分别放在exhaust manifold 上（称为Upstream，上游）以及Catalytic Converter 后（Downstream,下游），见下图。

 

 

 

 

 

 

 

对于直列发动机，上游下游一般各有一个探头。对于V列发动机，上游有两个探头，下游有一个或两个探头。

 

 

上游和下游的氧气探头功能是不一样的。而且，因为功能不一样，上下游的探头的类别是有可能不同的。这也是为什么有时上下游探头不能互换的原因。当然，多数家用车因为经济原因采用的是一类探头。

 

 

上游探头的功能，一句话，是为了监测空气/汽油（A/F mix， 质量比）混合比例的。对于汽油内燃机，空气中含21%的氧气，其A/F最佳值为14.7：1。多于或少于该比例都会造成热功效率降低，同时造成污染。见下图。

 

 

 

 

 

 

 

图中三条实曲线分别代表NOx，HC，和CO在尾气的浓度，虚线代表发动机的输出功率。从图中曲线可见，如果A/F比太低（rich mix）， 燃烧不完全，则排出的碳化污染物会大大增加。不过由于现代的车都有catalytic converter，这些没有完全燃烧的碳化物在cat 里会被继续氧化除去，因此这部分污染问题不大。一般来说，当车在heavy load的情况下，因为throttle开度大，ECM控制给出一个比较rich的mix，这样发动机的输出功率会比较高。但是，这样一来供应的氧气不够，所以就算有cat，碳污染物不能通过催化氧化除去。怎么办？有两种办法。一种是EGR系统，把适量尾气循环，一方面重新燃烧掉碳污染物，另一方面，因为循环尾气中有大量的二氧化碳和水，从而降低气缸内燃烧温度，进而降低NOx的生成，一举两得。更有可能，因为二氧化碳的分子量为44，氧气为32，多30%的质量，在高温下其thermomass更大一些，有可能提高热功效率。当然，这个说法本人不太感冒，因为在实验室里可以认为造成这样的条件，从而得出提高效率的结论。而实际情况千差万别，恐怕这部分的贡献早被别的损耗遮盖掉了。特别的，ECM在throttle full open 时会关掉EGR以保证功率输出，这时污染是没有控制的。当然，那些烧不掉的碳氢化物就有可能污染cat，并最终导致cat失效。所以，长时间heavy load是应当尽量避免的。因为这种EGR系统的缺陷，GM的皮卡一般采用bypass air而非EGR系统。其原理是正常情况下bypass air 不工作，A/F mix保证在14.7左右。在heavy load情况下，A/F rich, bypass air 系统在exhaust 和Cat之间提供空气，保证有足够氧气将碳污染物氧化掉。这样在大功率下，既不污染大气也不伤及cat。说完碳氢化物污染，再来说说NOx污染。一般来说，当A/F mix lean时，或engine cooling system有问题时，发动机工作温度上升，NOx排放量增加。而NOx是每什么好办法减排的，所以，最好的办法就是选一个合适的操作点，把NOx控制在某个范围内。这也是那个14.7 比例选取的原因之一。所以，上游的氧气探头的作用就是调节A/F比例。

 

 

下游的氧气探头功能就更单一了，就是监测cat 是否工作正常。该探头的输出对发动机的功效无任何影响。

 

 

说完功能，再说种类。氧气探头有三种，目前常用的两种。注意，本文所说的都是heated oxygen sensor。以前那种300 摄氏度的sensor已经不用了，所以就略过。此外，所有的氧气探头都是比较探头，即通过比较大气中氧气浓度和尾气中氧气浓度来输出信号。也就是说，测量一个大气浓度信号作为基准，再测量一个尾气浓度比较，从而输出测量信号。这个话题做个引子先放一下。第一种，就是大家都叫做Oxygen sensor的。这种sensor的输出信号为0.2-1.0伏特。不过这种sensor的响应曲线比较特别，类似于阶跃曲线。在A/F比较rich的情况下，尾气中氧气浓度低，则输出0.9 V信号。而A/F比较lean的情况下，尾气中浓度较高，则输出0.2 V信号。在A/F接近14.7 的很窄的范围内，输出信号和F/A比成正比。这种探头，信号是阶跃的，控制也是阶跃的。因此，测得的信号是从0.9到0.2再到0.9 往复循环。第二种探头，输出信号是电流。ECM会把输出的电流信号转换成3V左右的电压信号。 这种探头的工作温度更高一些，产生的电流信号，随尾气中氧气浓度增加而增加。所以这种探头又称油气比例探头（A/F ratio sensor）。一般来说，比较高档的车的上游装的是这种sensor，因为可以测得精确的氧气浓度，所以可以更精确的控制喷油量来控制A/F比。这种探头必须用专用仪器测量。所以如果service manual上说不能back probe或测电压，那就是这种探头。第三种，是在90年代用过的，现在几乎没有见过的，是电阻式探头。及电阻随氧气浓度变化而变化。因为不常用，所以就不多说了。

 

 

说完种类，说操作。不论是哪一种探头，探头对污染特别敏感。油，硅类润滑剂等等，都可能覆盖探头而导致探头失效。此外，由于尾气中总有没有烧完的机油，烧出来的碳颗粒，等等，时间一长，探头表面就会附着这些东西，导致测量偏差，或响应慢。此外，有些设计导致exhaust manifold附近很容易积灰，从而导致大气方面探头被堵。因此，氧气探头失效会有很多可能，表现也多样，后果各不相同。当然，最常见的就是尾气内部分被部分覆盖，探头的测量响应变慢，但测量的值仍然在正常范围内。由于探头部分被覆盖，造成测得尾气测氧气浓度低，比较后ECM判定A/F rich，于是减少喷油量，从而事实造成A/F lean。这种情况下，一是发动机操作温度上升，二是发动机热机效率下降。而尾气测量时会发现NOx上升，平时开车时觉得fuel efficiency下降，同时idling时比较rough。所以定期换上游Oxygen sensor可能应当成为routing maintenance的一部分。那么该多少mile一换呢？一般网上说大约10万迈一换。不过，本人有异议。其一，车的操作状况不同，schedule 应当有异。平时跑高速的车，氧气探头可用很长时间。平时干heavy duty活，城里开的车，经常上坡的车，由于rich的情况多，氧气探头的污染会严重一些，换得应当勤快些。另外，尾气量也是要考虑的因素。比如，V8 4.6 的车，两个探头，每个管2.3 L的排量；而I6 4.2 的车，一个探头，管4.6 L的排量。你说两辆车的上游氧气探头是否该有同样的里程寿命？

 

 

最后说一句，下游氧气探头等坏了再换。