發動機故障診斷排除中基于氧傳感器數據流的應用研究

摘 要：在汽車檢測和維修過程中，準確合理的分析氧傳感器數據流能較快查出汽車故障原因。氧傳感器數據流分析在汽車檢測維修中起到非常重要的作用。

關鍵詞：發動機；故障診斷；氧傳感器；診斷

氧傳感器是發動機電控系統中監測和監控發動機排放性能的重要傳感器，該傳感器的數據能真實反映混合氣的濃度和燃燒情況是否良好，因此，合理分析氧傳感器的數據流更容易找出汽車故障原因，對診斷與排除發動機燃油控制方面的故障有比較重要的意義。

數據流是指車輛在某一特定時間的工作狀況的數據塊，也稱為保持幀，也指電子控制單元（ECU）與執行器、傳感器運行的參數數據。閉環控制時發動機的氧傳感器將時時監查著排氣中的氧的濃度，將電信號反饋給發動機的ECU，ECU根據氧濃度中反饋的電信號來調整噴油量，也稱噴油脈寬。使得混合氣的空燃比始終保持在理論空燃比始終保持在理論空燃比14.7附近。當進氣氣缸供入的混合氣體的空燃比值不正確時，氧傳感器信號將有所反應。排氣口的氧濃度值檢測將不正常。除此之外，氧燃燒狀況、氧傳感器的好壞、微機控制裝置的工作能力好壞都將影響氧傳感器。氧傳感器信號電壓是能直接反映混合氣空燃比大小或者燃燒過程完善程度，因此，通過解碼器讀取氧傳感器的數據流并加以分析，對診斷和排除電控發動機相關故障有重要意義。

1 結構與原理

氧傳感器有氧化鋯式和氧化鈦式兩種結構。車用的氧化鋯式傳感器就是一個微電池，其基本工作原理是：在一定條件下，利用氧化鋯內外兩側（內側為大氣，外側為廢氣）的氧濃度差，產生電位差，且濃度差越大，電位差越大。當混合氣較濃時，氧化鋯內外兩側氧濃度值相差很大，將有一個高電壓（0.6～1V）信號被送到發動機的ECU處進行放大處理，發動機的ECU將會把電壓信號分成兩種混合氣體進行處理，或是把高電壓信號看作濃混合氣，或是把低電壓信號看作稀混合氣。當氧傳感器端部達到300°C以上才能輸出電壓。在氧傳感器端部達到約800°C時，對混合氣的變化反應最快，而在低溫時這種特性會發生較大變化。

2 診斷故障的依據與流程

氧傳感器在整個發動機空氣燃油反饋控制系統中充當著“守門員”的作用。它能正確、有效、快速地檢測發動機空氣燃油反饋控制系統的運行情況。在氧傳感器本身處于良好狀況時，所輸出的信號反映了排氣再循環（EGR）系統、發動機ECU、噴射系統、進氣系統、執行件、電路、發動機點火系統等元件的工作情況。如果汽車廢氣排放出現了故障，可以將噴油脈沖寬度和氧傳感器波形兩組參數結合起來評定進而檢測出汽車廢氣排放故障的原因。當汽車出現油耗量大、廢氣排放超標、加速遲緩、功率低下、怠速不穩等故障時，可以利用示波器對波形進行檢測、分析進而打出汽車出現上述故障的原因。

2.1上流動系統

上流動系統也稱為Upstream System，主要指發動機電子控制系統、廢氣再循環系統和進氣系統等。其中包括ECU的發動機各系統（包括輔助系統）、執行器、傳感器。

2.2下流動系統

下流動系統也稱Downstrear System，主要指消聲器、排氣管以及催化轉化器等，基本上是位于氧傳感器后面的排氣系統部件。

2.3閉環控制

發動機ECU依據氧傳感器反饋的信號不停的對混合氣的空燃比進行調整讓其與規定數據相符合即閉環控制也稱為Close Loop。檢驗系統是否處于閉環控制狀態方法主要通過分析氧傳感器的信號波形來判斷。用波形測試設備測得的發動機起動后的氧傳感器輸出的信號電壓波形器信號電壓波形上的雜波一般也比較少。

3 數據分析與故障診斷

氧傳感器的數據流是對廢氣中氧濃度的實時監測，能真實反映空燃比濃度并及時作出修正，當λ值為0.97～1.04時，廢氣中的氧（O2）含量在1%～2%范圍內，CO2在13.8%～14.8%，正常的氧傳感器信號電壓應該在0.1～0.9V之間變化，并10秒內應變化8次以上。經三元催化器轉換后廢氣中O2濃度極小，因此下游氧傳感器的電壓正常值大于0.7V。如果λ值小于1，混合氣偏濃，導致燃燒不充分，使得廢氣中含有大量的HC及CO，O2含量小于1%，氧傳感器信號電壓大于0.45V，ECU由此判斷混合氣過濃，從而會作出減少燃油噴射量的指令，此時短期燃油修正系數或者混合比λ控制值是負數，則會出現混合氣濃的故障碼。當混合氣燃燒時，廢氣中二氧化碳和一氧化碳的含量較低，氧含量大于2%，氧傳感器信號電壓小于0.45V。此時混合比λ控制值大于1，由此判斷混合氣稀。從而會作出增加燃油噴射量的指令，此時混合比λ控制值或短期燃油修正系數為正值。當混合氣過稀時，燃燒速度過緩，導致燃燒延續至進排氣重疊角時，可能發生回火現象，或進入排氣管中的HC發生二次燃燒，使排氣中的O含量極低，氧傳感器輸出電壓大于0.45V，ECU會認為此時混合氣過濃，從而減少噴油量，使實際混合氣稀的狀況更加嚴重。 發動機缺火，會造成汽缸內的混合氣燃燒不完全，使排氣中HC及O2含量上升，氧傳感器輸出電壓值低于0.45V，ECU據此判斷混合氣偏稀，從而會作出增加燃油噴射量的指令。這樣導致的結果，是其余工作正常的汽缸，可能會由于混合氣濃，使燃燒速度減緩，CO及HC化合物排放量增加，排氣中O2含量略有降低，但發動機會出現嚴重工作不穩定的情況。

氧傳感器的工作電壓不正常可能引起加速不良、發沖、冒黑煙和有時熄火等故障。在發動機水溫達到正常以中速（1500-2000r/min）運轉時，氧傳感器信號電壓應該在0.1～0.9V之間，并10秒內應變化8次以上。若該信號電壓變化緩慢或不變化或數值異常，則說明氧傳感器或控制系統有故障。

4 結論

分析氧傳感器數據流的關鍵是認識數據流異常的原因，只有正確分析氧傳感器的數據流，才能找到真正的故障所在，科學合理并快速查找到故障。

參考文獻：

[1] 陳吳，趙煒華.電控發動機氧傳感器對排放影響的研究[J]，上海汽車，2007（8）.

[2] 王宏偉，氧傳感器的結構原理與故障分析[J].內燃機，2005（1）.

作者簡介：

魏德全，男，漢族，四川簡陽人，大學，工學學士，黨員，現任日喀則市職業技術學校汽修教研組組長、講師，研究方向為汽車發動機故障診斷與檢測、汽修專業基于項目教學法教材的開發、職業教育理念和教學方法的研究。