氧傳感器在故障診斷中的應用分析

吳偉平

【摘 要】由目前來看，在排氣管上增加一個氧傳感器，經常性地檢測排氣的質量，并將其轉換成電信號傳給ECU；ECU根據氧傳感器提供的信號，不斷檢測和調整發動機噴油器的噴油量，使發動機在多數情況下都工作在理論空燃比附近，實現了噴油的閉環控制，也有效地提高了發動機性能及整車的經濟性?？梢哉f，氧傳感器起著至關重要的作用。介紹了氧傳感器的結構類型和功用，并對氧傳感器的工作特性進行了簡要分析。對氧傳感器在故障診斷中的應用進行了原因分析。

【關鍵詞】電控汽車；氧傳感器；故障診斷

1 氧傳感器的結構和功用

1.1 氧傳感器的概述

氧傳感器是排氣氧傳感器EGO （Exhaust Oxygen Sensor）的簡稱，其功能是通過檢測排氣中氧離子的含量來獲得混合氣的空燃比信號，并將該信號轉變為電信號輸入ECU。ECU根據（入）控制在0.98-1.02之間的范圍內，使發動機得到最佳濃度的混合氣，從而達到降低有害氣體排放量和節約燃油之目的。

氧傳感器安裝在汽車的排氣管上，頭部裝進排氣管內，尾部暴露在空氣中?？諝饪梢詮奈膊苛魅雮鞲衅鲀炔?（氧化錯式），傳感器外部跟廢氣直接接觸，這樣當氧離子在錯管中擴散時，錯管內外表面之間的電位差將隨可燃混合氣濃度變化而變化，即錯管相當于一個氧濃差電池，傳感器的信號源相當于一個可變電源。在有的電控汽車上安裝有兩個氧傳感器，位于三元催化轉換器的前后，分別稱為前氧傳感器和后氧傳感器。其目的是通過前后兩個氧傳感器所反映的氧含量（ 即信號電壓值） 的對比，來監測三元催化轉化器對于尾氣中的 HC、CO和 NOx 的轉化凈化能力，進而判斷三元催化轉換器工作性能是否良好。前氧傳感器將其獲得的空燃比信號轉換為電壓信號輸送給發動機 ECU，ECU 根據此信號來判斷混合氣的濃與稀的程度是否適合發動機此時的運行工況，及時修正噴油器的噴油脈寬、節氣門的開啟角度和點火提前角等參數，以滿足發動機對動力性、燃油經濟性和環保的要求。

1.2 氧傳感器的工作特性

氧傳感器是以電壓信號的形式向 ECU 傳遞信號數據的。氧傳感器的特性曲線如圖1所示，由圖1可知，當混合氣在理論空燃比14.7∶1（即過量空氣系數λ=1）附近時，氧傳感器的輸出電壓發生急劇性突變，輸出電壓值在 450 mV上下跳動； 當過量空氣系數 λ<1（即空燃比較小，混合氣偏濃）時，排氣中的氧含量較少，氧傳感器“感知”出一個較高的電壓信號進行輸出； 當過量空氣系數λ>1（即空燃比較大，混合氣偏?。r，排氣中的氧含量較多，氧傳感器此時會“感知”出一個較低的電壓信號進行輸出。

氧傳感器的輸出信號存在兩個極值點： 當過量空氣系數過?。?混合氣過濃）時，氧傳感器感知到最高信號電壓值，大約 900mV左右；當過量空氣系數過大（ 混合氣過?。r，氧傳感器感知到的信號電壓值臨近100mV左右的最小值。不論混合氣是過稀還是過濃，都對發動機的正常運行和尾氣排放造成不利影響。在電控系統中，要準確地保證混合氣濃度為理想值是不可能的，實際上的反饋閉環控制只能使混合氣在理論空燃比附近一個狹小的范圍內波動。該參數在發動機熱車后以中速（1500-2000r/min）運動時，呈現濃稀的交替變化或輸出電壓在 100-900mV之間來回變化，每10s內變化次數應大于8次（0.8Hz）。

2 氧傳感器在故障診斷中的作用

2.1 氧傳感器在故障診斷中的作用

首先有時突然熄火現象的發生；現代轎車點火系統多采用無觸點的電子控制點火系統。這種點火系統是由發動機 ECU 根據與點火控制系統有關的各傳感器輸入信號對點火時刻、點火能量進行控制的。氧傳感器就是與電子控制點火系統有關的傳感器之一。當氧傳感器的工作電壓不穩或者是工作不正常，就會向發動機 ECU 輸送錯誤的混合氣濃或稀的反饋信號，發動機 ECU 接收到此信號后，會結合其他相關傳感器的輸入信號進行綜合分析、計算并做出判斷，就會導致對點火時刻、點火能量發出錯誤的控制指令，使點火系統出現點火時刻異常甚至紊亂、點火能量不足等嚴重故障，最終導致發動機運行過程中突然熄火。

其次氧傳感器安裝在電噴發動機的排氣管上，位于三元催化轉化器的前面，用來檢測排氣中的氧濃度。當發動機開始運轉后，氧傳感器不斷地向發動機電控單元（ECU）輸人反饋信號，ECU便依據此信號修正電磁噴油器的噴油量，使混合氣的濃度保持在最佳范圍內。例如，如果ECU根據氧傳感器的反饋信號判斷出混合氣過濃，則發出指令使噴油器減少噴油量，這樣就對發動機的供給和排放系統實現了閉環控制，極大地減少了排氣污染。

多數的電噴發動機在三元催化轉化器的后面還裝著一個氧傳感器，兩個氧傳感器分別稱為主、副氧傳感器。電控單元依據副氧傳感器的反饋信號來修正主氧傳感器的信號誤差，此外副氧傳感器還可“監視”三元催化轉化器的工作狀態。一旦它輸出的信號電壓與主氧傳感器的相似或同步，則意味著三元催化轉化器工作不良或已經失效。

2.2 氧傳感器故障的檢測

當氧傳感器出現故障后，可以使用電腦檢測儀，通過故障診斷接口讀取氧傳感器的故障代碼或其它有關信息。此外也可利用其它的方法進行檢測、診斷，根據故障現象分析，該發動機可能是燃油供給系統出現了故障。

首先，用燃油壓力表對燃油壓力進行了檢測，從檢測結果來看，并未發現異常情況，燃油系統油壓正常，那么有可能是電控系統出現了問題。沒有故障碼存在，如何對電控系統進行診斷分析呢？ 當遇到這樣的情況時，對于很多汽車維修人員來說就遇到了難題。在這個時候，不要忘記發動機綜合智能分析儀還有一個很重要的功能——動態數據流分析。所謂數據流，就是電控發動機在現實運行中，反映傳感器和執行器工況的一系列數值所組成的數據塊。由于是分別顯示各個數值，因此，習慣上把它稱作“數據流”。當然，它本身不具備分析和判斷數據流變化情況是否正常這種能力，但它可以提供給我們多組很重要的動態變化的數據流，維修人員可以根據其中幾組可能與故障有關的數據流進行綜合分析，以縮小診斷范圍，對可能的故障點做出一個判斷。

其次，緩慢勻速踩下加速踏板，發動機轉速和點火提前角均隨節氣門開大而均勻增加，信號反應和數據值都正常，卻發現在節氣門開度增加的過程中，氧傳感器信號電壓卻始終在0.4V左右波動，即使是節氣門全開的情況下也從未超過0.5V，點火提前角的數值也偏小一些。在快速踩下油門踏板時，發動機轉速和點火提前角數據值均正常，氧傳感器信號數據值依然如故。根據數據流的關聯分析可以判斷，由于氧傳感器的工作特性發生了變化，不能隨著節氣門的開大而信號值升高。因而 ECU 接收到錯誤的反饋信號，發出錯誤的指令，導致不能及時地對噴油脈寬進行準確修正，導致在發動機起動時，噴油量過多，混合氣過濃，而出現啟動困難；在發動機怠速時，由于反饋信號失真，ECU 不能及時地對發動機轉速進行修正，導致發動機在怠速時發抖。更換了氧傳感器，再進行測試，故障現象消失。

最后，通常采用一種快速試驗方法。它是檢查混合氣電磁控制閥的動作，以取代直接測量傳感器的輸出電壓。快怠速凸輪以高速運轉3m，此時混合氣控制線圈閉合接線接地；然后接線脫開接地，接上閉合角測試儀。關閉阻風門，怠速運轉。閉合角原先如不在55度，應在2s內增至55度。接著，拆去制動助力器處的真空軟管，閉合角應在2s內降為6，如果傳感器響應此過程，就是良好的。

3 案例分析

（1）故障現象。一輛捷達GTX電噴發動機轎車，在使用過程中出現排氣管冒黑煙、油耗高、怠速不穩等故障。

（2）故障排除過程。用專用儀器VAG1552檢查發動機電控系統，顯示空氣流量計有故障，但測量空氣流量計的線路及電阻都正常，進一步檢查“08讀取測量數據塊”中的顯示組033的第二區，檢查氧傳感器的電壓值在0.1～0.2V之間變動（正常情況應該在0.1～0.9V間變動）電壓變動范圍很小說明氧傳感器未起作用。拆卸后發現氧傳感器頂尖部位的顏色為棕色。

（3）故障檢修：起動發動機，發動機轉速在 800-900r/min 之間變化，路試加速至 90km/h 時松開加速踏板，感覺發動機抖動了一下就熄火了，但是車速在 80km/h 以下時松開加速踏板發動機不熄火。連接示波器對氧傳感器信號電壓波形進行檢測，如圖2所示，說明混合氣過濃，初步判定是氧傳感器失效所致。 拔下氧傳感器 4 線插頭，用萬用表測量灰色信號線電壓是0.45V不變化， 測量 2 根白色的加熱電阻線阻值是 4Ω 正常，電源線也正常，因此確定氧傳感器已經失效。 更換氧傳感器后，故障排除。

（4）故障原因分析。這種現象是氧傳感器中毒，經常使用含鉛汽油的汽車更容易出現這種情況，所以即使更換了新的氧傳感器，汽車行駛幾千公里后還需要再次更換氧傳感器。根本原因是：由于過高的排氣溫度，使鉛侵入氧傳感器內部，阻礙了氧離子的擴散，使氧傳感器失效，失效后的氧傳感器不能把真實的混合氣濃度信號傳給發動機控制單元，造成噴油量不準確，就會導致上述故障現象。

4 結論

氧傳感器老化、線路故障和燃油質量引起的綜合性故障，對發動機的工作、汽車的燃油經濟性及環保影響很大。維修人員在維修前要先分析車輛的使用運行情況，更重要的是要借助儀器、結合原理進行分析判斷，以此來提高維修效率，節省維修時間及費用。相信隨著汽車維修條件的改善、汽車維修人員素質的提高， 氧傳感器波形分析法必將在汽車維修與故障診斷中占據重要的地位。

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