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1、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 字号： 大 中 小 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
2、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
3、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
4、系统(OBD-) 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
5、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 =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 1，则氧传感器信号电压约为1000mV；如果 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
6、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
7、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
8、、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
9、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-600
10、mV。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
11、个氧传感器，这是 OBD-区别于 OBD-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
12、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）、005
13、18（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，
14、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，
15、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
16、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
