自動車用酸素センサー。
自動車用酸素センサーは、EFIエンジン制御システムにおける重要なフィードバックセンサーであり、自動車の排気ガス排出量を制御し、自動車の環境汚染を低減し、自動車エンジンの燃料燃焼品質を向上させるための重要な部品です。
酸素センサーには、ジルコニアと二酸化チタンの2種類がある。
酸素センサーは、セラミック感応素子を用いて各種加熱炉や排気管内の酸素濃度を測定し、化学平衡の原理に基づいて対応する酸素濃度を算出することで、炉内の燃焼空気燃料比を監視・制御し、測定素子の製品品質と排気排出基準を確保するものであり、石炭燃焼、石油燃焼、ガス燃焼など、あらゆる種類の炉内雰囲気制御に広く用いられています。
酸素センサーは、排気ガス中の酸素濃度と空燃比の密度を検出し、エンジン内の理論空燃比（14.7:1）燃焼を監視し、フィードバック信号をコンピュータに送信するために、燃料噴射装置のフィードバック制御システムを電子的に制御するために使用されます。
動作原理
酸素センサーは電池と同様の仕組みで動作し、センサー内のジルコニアが電解質として機能します。基本的な動作原理は、特定の条件下（高温および白金触媒）で、酸化ジルコニアの内部と外部の酸素濃度差を利用して電位差を発生させ、濃度差が大きいほど電位差も大きくなるというものです。大気中の酸素含有量は21%ですが、濃縮燃焼後の排気ガスには実際には酸素が含まれておらず、希薄混合気の燃焼後に発生する排気ガスや不完全燃焼によって発生する排気ガスにはより多くの酸素が含まれていますが、それでも大気中の酸素よりははるかに少ない量です。
高温と白金の触媒作用により、酸素センサーに付着した酸素が消費され、電圧差が生じます。濃縮混合気の出力電圧は1Vに近く、希釈混合気の出力電圧は0Vに近くなります。酸素センサーの電圧信号に基づいて空燃比が制御され、燃料噴射パルス幅が調整されるため、酸素センサーの電子制御は燃料計量のキーセンサーとなります。酸素センサーは高温（終端温度が300℃以上）でのみ十分に特性を発揮し、電圧を出力できます。約800℃で混合気の変化に最も迅速に反応します。
ヒント
二酸化ジルコニウム酸素センサーは、電圧の変化によって燃焼混合物の濃度変化を反映し、二酸化チタン酸素センサーは、抵抗の変化によって燃焼混合物の変化を反映します。ジルコニウム酸素センサーを用いた電子制御システムは、エンジンの作動状態が悪化した際に、理論空燃比に近い実空燃比を制御することができませんが、二酸化チタン酸素センサーは、エンジンの作動状態が悪化した際にも、理論空燃比に近い実空燃比を制御することができます。
酸素センサー信号に応じて制御ユニットが短時間で調整する噴射量（噴射パルス幅）は、短期燃料補正と呼ばれ、酸素センサーの出力電圧によって制御される。
長期燃料補正とは、短期燃料補正係数の変化に応じて、制御ユニットの動作データ構造を制御ユニットが修正することによって決定される値である。
一般的な故障
酸素センサーが故障すると、電子燃料噴射システムのコンピューターは排気管内の酸素濃度情報を取得できなくなるため、空燃比をフィードバック制御できなくなり、エンジンの燃料消費量と排気ガス汚染が増加し、エンジンのアイドリング速度の不安定、不着、サージなどの故障現象が発生します。したがって、故障は速やかに除去または交換する必要があります[1]。
中毒の欠陥
酸素センサーの鉛汚染は、特に有鉛ガソリン車を頻繁に使用する場合、頻繁に発生し、防止が難しい故障です。新品の酸素センサーでも、数千キロメートルしか動作しません。軽度の鉛汚染であれば、無鉛ガソリンを使用することで酸素センサー表面の鉛を除去し、正常な動作に戻すことができます。しかし、排気温度が高いため、鉛がセンサー内部に侵入し、酸素イオンの拡散を妨げ、酸素センサーが機能しなくなる場合が多く、その場合は交換するしかありません。
さらに、酸素センサーのシリコン汚染もよく発生する現象です。一般的に、ガソリンや潤滑油に含まれるシリコン化合物の燃焼によって生成されるシリカや、シリコーンゴム製シールガスケットの不適切な使用によって発生するシリコーンガスが酸素センサーの故障の原因となるため、良質な燃料と潤滑油を使用する必要があります。
修理の際には、ゴム製ガスケットを正しく選択して取り付け、メーカー指定以外の溶剤や粘着防止剤をセンサーに塗布しないなど、注意が必要です。エンジンの燃焼不良により、酸素センサーの表面にカーボン堆積物が形成されたり、オイルやほこりなどの堆積物が酸素センサー内部に入り込んだりすると、外部の空気が酸素センサー内部に入るのを妨げたり遮断したりして、酸素センサーの出力信号がずれてしまいます。ECUは空燃比を適時に補正できません。カーボン堆積物の発生は、主に燃料消費量の増加と排気ガス濃度の著しい増加として現れます。このとき、堆積物を除去すれば、正常に動作するようになります。
セラミックのひび割れ
酸素センサーのセラミック部分は硬くて脆いため、硬い物で叩いたり、強い風を当てたりすると、破損して故障する可能性があります。そのため、不具合が発生した場合は特に注意し、速やかに交換する必要があります。
ブロック線が焼けている
ヒーター抵抗線が焼損しています。加熱式酸素センサーの場合、ヒーター抵抗線が焼損すると、センサーが正常な動作温度に達することが難しくなり、機能が失われます。
回線切断
酸素センサーの内部回路が断線しています。
検査方法
ヒーター抵抗チェック
酸素センサーハーネスのプラグを外し、マルチメーターを使用して、酸素センサー端子のヒーター端子と鉄端子間の抵抗値を測定します。抵抗値は4～40Ωです（機種ごとの取扱説明書を参照してください）。基準値を満たさない場合は、酸素センサーを交換してください。
フィードバック電圧の測定
酸素センサーのフィードバック電圧を測定する際は、酸素センサーのハーネスプラグを外し、モデルの回路図に従って酸素センサーのフィードバック電圧出力端子から細い線を引き出し、ハーネスプラグに差し込みます。フィードバック電圧は、エンジン作動中にリード線から測定できます（一部のモデルでは、故障検出ソケットから酸素センサーのフィードバック電圧を測定することも可能です）。例えば、トヨタ自動車が製造する一部の車種では、故障検出ソケットのOX1またはOX2端子から直接酸素センサーのフィードバック電圧を測定できます。
酸素センサーのフィードバック電圧を測定する際は、低レンジ（通常2V）かつ高インピーダンス（内部抵抗10MΩ以上）の指針式マルチメーターを使用するのが最適です。具体的な測定方法は以下のとおりです。
1. エンジンを通常の作動温度まで温める（または始動後2分間2500回転/分で運転する）。
2. マルチメーターの電圧ストップのマイナス端子を故障検出ソケットのE1またはバッテリーのマイナス電極に接続し、プラス端子を故障検出ソケットのOX1またはOX2ジャック、または酸素センサーの配線ハーネスプラグの番号|に接続します。
3. エンジンを約 2500 r/min の速度で運転し続け、電圧計の指針が 0～1V の間で往復運動できるかどうかを確認し、10 秒間の電圧計の指針の往復回数を記録します。通常、フィードバック制御の進行に伴い、酸素センサーのフィードバック電圧は 0.45V を上下に絶えず変化し、フィードバック電圧は 10 秒間に 8 回以上変化するはずです。
8倍未満の場合は、酸素センサーまたはフィードバック制御システムが正常に動作していないことを意味します。これは、酸素センサーの表面にカーボンが蓄積し、感度が低下していることが原因である可能性があります。このため、エンジンを2500回転/分で約2分間運転して酸素センサー表面のカーボンを除去し、その後フィードバック電圧を確認してください。カーボンを除去した後も電圧計の針がゆっくりと変化する場合は、酸素センサーが損傷しているか、コンピューターのフィードバック制御回路に不具合があることを示しています。
4．酸素センサーの外観色検査
排気管から酸素センサーを取り外し、センサーハウジングの通気孔が詰まっていないか、セラミックコアが損傷していないかを確認してください。損傷している場合は、酸素センサーを交換してください。
酸素センサー上部の色を観察することによっても、故障を特定できます。
1. 薄い灰色の上部：これは酸素センサーの通常の色です。
2. 白い上部：シリコン汚染が原因で、この場合は酸素センサーを交換する必要があります。
3. 茶色の上部（図1に示すとおり）：鉛汚染が原因であり、深刻な場合は酸素センサーも交換する必要があります。
（4）ブラックトップ：炭素堆積が原因で、エンジンの炭素堆積故障を解消すると、酸素センサー上の炭素堆積は通常自動的に除去されます。
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