浅谈氧传感器的故障分析与诊断.doc

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你一定要坚强，即使受过伤，流过泪，也能咬牙走下去。因为，人生，就是你一个人的人生。
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浅谈氧传感器的故障分析与诊断
默认分类   2008-03-29 10:42   阅读464   评论4  
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作者：王和平
时间：2007年6月2日
[摘要] 本文首先阐述了氧传感器在电控发动机排放控制中的重要性，然后介绍了氧传感器的种类及影响氧传感器的因素。接着结合氧传感器的波形对氧传感器的技术状况进行了分析，并列举出了故障实例。
主题词：氧传感器、空燃比、氧传感器的故障诊断
论文主题：
1、氧传感器在电控发动机排放控制中的重要性
在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化器对CO、HC和NOX的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，并向ECU发出反馈信号，再由ECU控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。
2、氧传感器的种类及氧传感器在汽车上安装的重要性
目前，实际应用的氧传感器有氧化锆式氧传感器和氧化钛式氧传感器两种。而常见的氧传感器又有单引线、双引线、三引线及四引线之分，；单引线的为氧化锆式氧传感器；双引线的为氧化钛式氧传感器；三引线和四引线的为加热型氧化锆式氧传感器，原则上四种引线方式的氧传感器是不能替代使用的。
氧传感器一旦出现故障，将使电子燃油喷射系统的电脑不能得到排气管中氧浓度的信息，因而不能对空燃比进行反馈控制，会使发动机油耗和排气污染增加，发动机出现怠速不稳、缺火、喘振等故障现象。因此，必须及时的排除故障或更换。
空燃比对排气中碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的含量有很大影响，在空燃比低于14.7：1时，HC及CO含量降低；如果空燃比高于14.7：1时，HC及CO含量迅速上升。但是，降低空燃比会导致燃烧温度升高，排气中的氮氧化合物（NOX）升高。所以，理想的空燃比应在接近14.7：1的很小范围内。另外三元催化转化器的转化效率只有在空气系数为1的很小范围内最高。如图1所示
三元催化转化器对发动机的排放控制具有极其重要的意义。没有三元催化转化器就不可能满足欧洲排放法规。第二代车载故障诊断系统(OBD-Ⅱ) 具1有对三元催化转化器进行故 障诊断的功能。 

           图1 三元催化转换效率图                             
而为了对三元催化转化器进行故障诊断，必须在它的前和后各装一个氧传感器(图2)。

 图2 发动机闭环控制系统
正常运行的三元催化转化器因其储氧能力而使后氧传感器的动态响应与前氧传感器相比明显差，后氧传感器动态响应曲线的振幅非常小(图3a)。反之，如果后氧传感器信号电压的波形非常接近前氧传感器，只不过相位略滞后(图3b)，则ECU认为三元催化转化器效率过低。因此通过观察前氧传感器和后氧传感器的波形就能判断三元催化转化器是否失效。

      图3a 正常图形                                                  图3b 非正常图形
3、氧传感器的故障诊断
3.1 前氧传感器信号电压超出可能范围
氧传感器信号电压在空气过量因数λ=1处发生阶跃。如图4 所示 ，ECU为氧传感器提供了一个450mV电压。在稳定工况下，如果λ＜1，则氧传感器信号电压约为1000mV；如果λ＞1，则此信号电压约为100mV。如前所述，当ECU进入闭环控制后，氧传感器信号电压应在1000mV和100mV之间不断地波动(图5a)。在加速和减速工况下退出闭环控制，加速工况下混合气加浓，该信 号电压应接近1000mV； 减速工况下混合气变稀，该信号电压应按近100mV。如果在ECU进入闭环控制后该信号电压保持低于175mV达15s，或者在加速工况下该信号电压保持低于600mV达15s，则ECU认为该传感器信号电压偏低，不可信。如果在ECU进入闭环控制后信号电压保持高于800mV达15s，或者在减速工况下该信号电压保持高于110mV达15s，则ECU认为该传感器信号电压偏高，不可信。此时，在满足下列条件的情况下ECU将设置前氧传感器信号电压超出可能范围的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录。

            图4 氧传感器电压输出特性图 
3.2 前氧传感器信号电压响应速度过低
如图5b和图5c所示，随着氧传感器的老化，其信号电压响应速度越来越低，表现为动态响应曲线趋于平缓。
在ECU进入闭环控制的情况下，ECU连续监测氧传感器一段时间(例如100s)，记录其信号电压，每次从低于300mV到高于600mV(混合气从稀到浓)和从高于600mV到低于 300mV(混合气从浓到稀)跳变所经历的时间及跳变的次数，简单的说氧传感器输出电压的跳变数量每10秒钟变化不少于8次，如达不到则ECU认为该氧传感器已老化。在此以特别注意：如果缺少以下几种信号，ECU将设置前氧传感器信号电压响应速度过低的故障信息记录：节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录。

 图5氧传感器动态响应曲线 
3.3 前氧传感器信号电压跳变频率过低
由图5不难看出，随着氧传感器的老化，信号电压跳变的频率逐渐减小，如果在闭环控制的情况下，100s的监测期间中信号电压从低到高和从高到低的跳变次数均小于45次，则ECU认为该氧传感器已老化。
3.4 前氧传感器活性不足
如前所述，在闭环控制的情况下，氧传感器信号电压应在100mV-1000mV不断地跳变，这是氧传感器有活性的表现。如果该信号电压稳定在450mV附近，即在400mV和500mV之间达30s以上，则不论ECU是否进行闭环控制，均表明该传感器活性不足或信号电路为开路。此时，在满足下列条件的情况下ECU将设置前氧传感器活性不足的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录。
3.5 前氧传感器加热器加热过慢
发动机起动后，氧传感器的加热器通电加热氧传感器，使它很快得到活性，也就是很快令其信号电压或者低于300mV，或者高于600mV，而不会停留在300mV-600mV。不论ECU是否进行闭环控制，只要发动机起动后前氧传感器信号电压停留在300mV-600mV的时间超出规定值(45s)，ECU记录氧传感器故障。在满足下列条件的情况下，ECU将设置前氧传感器加热器加热过慢的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器，曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录；在有些系统中，例如BOSCH公司的Motronic系统中，ECU直接监测氧传感器加热器的电阻值并检验其可信度。
3.6 后氧传感器故障诊断
在三元催化转化器后加设一个氧传感器，这是OBD-Ⅱ区别于OBD-Ⅰ的重要标志之一。后氧传感器的首要任务是与前氧传感器相配合，对三元催化转化器进行故障监测。其次才是作为前氧传感器的补充，进行闭环控制。
由于三元催化转化器对废气中的氧有储存作用，后氧传感器的动态响应曲线自然与前氧传感器不同，所以故障的判别标准也有区别。
3.7 后氧传感器信号电压超出可能范围
与前氧传感器信号电压过低或过高故障监测程序的差别在于，后氧传感器的无故障判别标准较为宽松，被判为故障的指示数值范围更小，即信号电压在ECU进行闭环控制情况下低于75mV达150s，才算过低；高于999mV或在减速工况下须高于200mV达105s，才算过高。
3.8 后氧传感器活性不足
后氧传感器被判为活性不足的指标数值范围也比前氧传感器小。如果说前氧传感器信号电压在400mV-500mV保持达30s为活性不足的话，那么后氧传感器信号电压在425mV   -475mV，保持100s才是活性不足。
3.9 后氧传感器加热器加热过慢
发动机起动后后氧传感器得到活性前所经历的时间超过215s才算加热器有故障。
4.故障实例
捷达5气门发动机，行驶里程1万公里
故障现象：怠速抖动、冒黑烟，最高车速60km/h
故障原因：氧传感器失效
故障排除：阅读故障码，读得三个故障码 00533（怠速自适应超限）、00553（空气流量计信号不可靠-偶发）、00518（节起门控制组件故障-偶发）。清除故障码后发动机恢复正常运转，不再冒黑烟，再次读码没有故障码。可不到一个月又出现上述故障，接上示波器观察氧传感器波形，发现氧传感波形已没有明显变化，电压脉冲在0.11v左右。
诊断到此，故障已明了，由于氧传感器输出脉冲信号很低， 这样就使发动机电脑认为混合器太稀而加大喷油量，而当混合器过浓造成怠速调节超限时，发动机控制单元便认为空气流量计信号不可靠，即空气流量计信号点压过低，不可信。而捷达5阀汽车为直动式怠速控制系统，它是通过怠速电机通过传动机构直接控制节气门的开度的，而发动机电脑发出了控制指令，而执行机构不能很好的执行，电脑认为节气门控制组件出现故障，从而在发动机控制单元生成上述三个故障码。由于氧传感器的失效是要经过一个过程的，随着时间的推移氧传感器的故障现象表现的明朗起来，更换氧传感器后故障彻底排除。
故障原因：由于这个车辆经常去外地，经常去一些小加油站加油，加了含铅的汽油，因此造成氧传感器铅中毒致而导致失效。

总结：对于氧传感器器的故障直接的表现形式就是尾气排放超标，引起排放超标的故障原因有很多种，只要掌握其基本的工作原理才能对汽车电控部分的故障进行分析、判断以及排除。
结构和工作原理
在使用三效催化转化器降低排放污染的发动机上，氧传感器是必不可少的。三效催化转化器安装在排气管的中段，它能净化排气中CO、HC和NOx三种主要的有害成分，但只在混合气的空燃比处于接近理论空燃比的一个窄小范围内，三效催化转化器才能有效地起到净化作用。故在排气管中插入氧传感器，借检测废气中的氧浓度测定空燃比。并将其转换成电压信号或电阻信号，反馈给ECU。ECU控制空燃比收敛于理论值。
目前使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种，其中应用最多的是氧化锆式氧传感器。
（1）氧化锆式氧传感器
氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆陶瓷管（固体电解质），亦称锆管。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，内外表面均覆盖着一层多孔性的铅膜，其内表面与大气接触，外表面与废气接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个用于锆管内腔与大气相通的孔；电线将锆管内表面铂极经绝缘套从此接线端引出。
氧化锆在温度超过300℃后，才能进行正常工作。早期使用的氧传感器靠排气加热，这种传感器必须在发动机起动运转数分钟后才能开始工作，它只有一根接线与ECU相连。现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器，这种传感器内有一个电加热元件，可在发动机起动后的20-30s内迅速将氧传感器加热至工作温度。它有三根接线，一根接ECU，另外两根分别接地和电源。
锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离。由于锆管内、外侧氧含量不一致，存在浓差，因而氧离子从大气侧向排气一侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压。当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以较浓的混合气运转时，排气中氧含量少，但CO、HC、H2等较多。这些气体在锆管外表面的铅催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使锆管外表面氧气浓度变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓差加大，两铅极间电压陡增。因此，锆管氧传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近1V。
要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.1-0.8V之间不断变化（通常每10s内变化8次以上）。如果氧传感器输出电压变化过缓（每1Os少于8次）或电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明氧传感器有故障，需检修。
（2）氧化钛式氧传感器
氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻型氧传感器。二氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似，在传感器前端的护罩内是一个二氧化钛厚膜元件。纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其品格便出现缺陷，电阻随之减小。由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化，因此，在二氧化钛式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钛式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。
如图 5所示，ECU 2#端子将一个恒定的1V电压加在氧化钛式氧传感器的一端上，传感器的另一端与ECU4#端子相接。当排出的废气中氧浓度随发动机混合气浓度变化而变化时，氧传感器的电阻随之改变，ECU4#端子上的电压降也随着变化。当4#端子上的电压高于参考电压时，ECU判定混合气过浓；当4#端子上的电压低于参考电压时，ECU判定混合气过稀。通过ECU的反馈控制，可保持混合气的浓度在理论空燃比附近。在实际的反馈控制过程中，二氧化钛式氧传感器与ECU连接的4#端子上的电压也是在0.1-0.9V之间不断变化，这一点与氧化锆式氧传感器是相似的。
2、氧传感器的检测
氧传感器的基本电路
（1）氧传感器加热器电阻的检测
点火开关置于“OFF”，拔下氧传感器的导线连接器，用万用表Ω档测量氧传感器接线端中加热器端子与自搭铁端子（图 6的端子1和2）间的电阻其电阻值应符合标准值（一般为4-40Ω；具体数值参见具体车型说明书）。如不符合标准，应更换氧传感器。测量后，接好氧传感器线束连接器，以便作进一步的检测。
（2）氧传感器反馈电压的检测
测量氧传感器反馈电压时，应先拔下氧传感器线束连接器插头，对照被测车型的电路图，从氧传感器反馈电压输出端引出一条细导线，然后插好连接器，在发动机运转时从引出线上测量反馈电压。有些车型也可以从故障诊断插座内测得氧传感器的反馈电压，如丰田汽车公司生产的小轿车，可从故障诊断插座内的OX1或OX2插孔内直接测得氧传感器反馈电压（丰田V型六缸发动机两侧排气管上各有一个氧传感器，分别和故障检测插座内的OX1和OX2插孔连接）。
在对氧传感器的反馈电压进行检测时，最好使用指针型的电压表，以便直观地反映出反馈电压的变化情况。此外，电压表应是低量程（通常为2V）和高阻抗（阻抗太低会损坏氧传感器）的。
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