汽車氧傳感器故障檢測分析及維修

高玉坤，翟雪靜，薛亞南，張本東

1.濟(jì)寧市機(jī)械設(shè)計(jì)研究院 山東濟(jì)寧 272023

2.山東凱斯達(dá)機(jī)械制造有限公司 山東濟(jì)寧 272000

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國居民消費(fèi)水平日益增高，汽車在中國家庭中逐漸普及。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，2020年全國機(jī)動車保有量達(dá)3.72億輛，其中汽車2.81億輛。與此同時(shí)，汽車尾氣的排放總量也逐年攀升。汽車在使用過程中，為了更好地降低排放量，會在發(fā)動機(jī)中加裝一個(gè)氧傳感器，對汽車的排放量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)督和反饋，最大化控制汽車排放量，實(shí)現(xiàn)汽車使用節(jié)能環(huán)保。

汽車氧傳感器的構(gòu)造與工作原理

我國汽車上所用的主流氧傳感器主要以分為氧化鈦式傳感器和氧化鋯式傳感器兩大類，且每類傳感器又分為加熱型和非加熱型氧傳感器[1]。其中市場應(yīng)用最多的是加熱型氧傳感器，特別是加熱型氧化鋯式傳感器應(yīng)用最為廣泛，如圖1所示。其在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，一般是基于內(nèi)部的加熱元件來對自身的工作溫度進(jìn)行有效控制和調(diào)節(jié)。從構(gòu)造設(shè)計(jì)上看，這類車用氧傳感器的主體元件是二氧化鋯（ZrO2）陶瓷管，而管表面所覆蓋的多孔性鉑膜就是傳感器的信號電極。

圖1 氧傳感器

氧化鋯式傳感器的工作原理如圖2所示。其內(nèi)部的氧化鋯屬于一種固體電解質(zhì)，若是在高溫和鉑催化的環(huán)境中，當(dāng)鋯管內(nèi)外兩側(cè)的氧濃度存在較大差異時(shí)，就會通過氧化鋯產(chǎn)生相應(yīng)的電壓[2]。當(dāng)混合氣較少、廢氣氧含量較高及鋯管內(nèi)外兩側(cè)氧濃度均衡時(shí)，氧化鋯所產(chǎn)生的電壓會較低；當(dāng)混合氣體較多、廢氣氧含量較低及鋯管內(nèi)外兩側(cè)氧濃度偏高時(shí)，則氧化鋯所產(chǎn)生的電壓會相對升高。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于閉環(huán)控制狀態(tài)時(shí)，電控單元發(fā)出氧傳感器輸出的信號電壓在0～1V波動，平均值約0.45V。這樣就可以實(shí)時(shí)檢測混合氣體的濃度，有效控制噴油器的噴油量，確保最佳空燃比。這是基于電控單元（ECU）對氧傳感器所發(fā)出的混合氣體度濃度進(jìn)行的合理調(diào)節(jié)，因此氧傳感器又稱“λ”傳感器[3]。

圖2 氧傳感器的工作原理

氧化鈦式傳感器的工作原理及其結(jié)構(gòu)與氧化鋯式傳感器基本相似，唯一不同的是其所采用的TiO2材料電阻值會隨著廢氣氧濃度的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變。當(dāng)λ＞1時(shí)，廢氣氧含量較高，鈦管外表面氧濃度過大時(shí)，TiO2產(chǎn)生高電阻；當(dāng)λ＜1時(shí)，TiO2產(chǎn)生相對較低的電阻。因此氧化鈦式傳感器又稱電阻型氧傳感器。

氧傳感器常見故障問題分析

1.中毒故障

在汽車發(fā)動機(jī)氧傳感器運(yùn)行使用過程中常遇到中毒故障，又可分為鉛中毒和硅中毒兩種。鉛中毒是指在高溫排氣環(huán)境下所產(chǎn)生的中毒故障。當(dāng)鉛進(jìn)入汽車排氣系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)，就會影響氧離子擴(kuò)散，此時(shí)需要更換氧傳感器，才能避免鉛中毒。

汽油和潤滑油混合會引起硅中毒。當(dāng)硅橡膠密封墊圈使用不當(dāng)時(shí)，也會產(chǎn)生有機(jī)硅氣體。若氧傳感器中大量存在這些氣體，則會嚴(yán)重影響傳感器的應(yīng)用性能，甚至影響汽車的正常運(yùn)行。為減少硅中毒現(xiàn)象，要選擇優(yōu)質(zhì)的汽油和潤滑油。

2.積炭故障

汽車發(fā)動機(jī)因自身燃燒不充分，會在氧傳感器周圍產(chǎn)生積炭、油污等現(xiàn)象。這些沉積物會隔絕外界空氣，影響氧傳感器進(jìn)行反饋信號傳輸，嚴(yán)重時(shí)還會影響汽車發(fā)動機(jī)電腦運(yùn)行，汽車會產(chǎn)生大量的燃油消耗以及廢氣污染排放。因此需要定期清理發(fā)動機(jī)氧傳感器，避免出現(xiàn)積炭現(xiàn)象，才能保障氧傳感器的正常應(yīng)用。

3.陶瓷元件破損故障

氧傳感器清理的難度在于清理有硬脆性的多孔ZrO2陶瓷管。不正確的清理行為會導(dǎo)致陶瓷元件產(chǎn)生故障，例如用高壓氣體沖洗元件，用尖銳硬物敲擊元件等。因此在對氧傳感器陶瓷元件進(jìn)行清洗和處理時(shí)，工作人員應(yīng)采用適宜的清洗方式，以減少人為原因而產(chǎn)生破損故障，保障氧傳感器的正常運(yùn)行性能。

4.加熱器電阻絲燒斷故障

當(dāng)傳感器的工作溫度急速下降，無法維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就是其加熱電阻絲出現(xiàn)燒斷。要定期檢查、及時(shí)更換氧傳感器的加熱電阻絲。

氧傳感器的故障檢測及維修

1.外觀顏色檢測及維修措施

氧傳感器常規(guī)檢測都是通過觀察來進(jìn)行檢查，看其是否存在大量積炭或覆蓋物，使其無法發(fā)揮作用。將氧傳感器取下后，查看氧傳感器中是否存在相應(yīng)的沉積物，然后通過觀察氧傳感器邊緣的顏色來判斷其是否出現(xiàn)相應(yīng)的故障。氧傳感器運(yùn)行正常時(shí)，其邊緣應(yīng)該是淺灰色，若是其邊緣出現(xiàn)其他顏色，則應(yīng)根據(jù)顏色判斷其故障。氧傳感器邊緣的顏色與故障的關(guān)系見表1。

表1 氧傳感器邊緣顏色與故障的關(guān)系

2.反饋電壓故障檢測及維修措施

在采用反饋電壓故障檢測技術(shù)來檢測汽車發(fā)動機(jī)氧傳感器故障時(shí)，可用2V量程的高阻抗指針式電壓表來獲得相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)。

發(fā)動機(jī)在空載狀態(tài)下以2500r/min 的轉(zhuǎn)速試運(yùn)轉(zhuǎn)2min至正常工作溫度后，首先觀察電壓表指針能否擺動，擺動幅度是否在0～1V，再根據(jù)記錄的10s內(nèi)電壓表指針來回?cái)[動的次數(shù)判斷處理方式，見表2。

表2 電壓指針在10s 內(nèi)擺動的次數(shù)

在預(yù)熱和檢查過程中，電壓指針在10s內(nèi)擺動的次數(shù)始終保持在8次時(shí)，則應(yīng)該拔下傳感器的插頭，然后再利用萬能表測量反饋電壓。可將進(jìn)氣管上的真空管拔掉，堵住空氣濾清器進(jìn)氣口的方法形成高濃度混合氣，反饋電壓應(yīng)上升；突然松開油門或者采用將節(jié)氣門體下的真空軟管拔掉使進(jìn)氣管漏氣的方式降低混合氣濃度，此時(shí)：反饋電壓應(yīng)下降，混合氣濃度與電壓值關(guān)系見表3。

表3 基準(zhǔn)電壓值與混合氣體濃度的關(guān)系

電壓變化維持不變、變化很緩慢或者幅度小則證明氧傳感器及其反饋系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生故障，要做進(jìn)一步的檢查來檢測故障成因[4]。此時(shí)可拆去一根真空軟管，使發(fā)動機(jī)繼續(xù)保持原轉(zhuǎn)速、運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)、時(shí)間來清除氧傳感器上的鉛或積炭。清除表面的積炭后應(yīng)再次檢測反饋電壓。

如果，測量的反饋電壓按表3規(guī)律變化，則證明氧傳感器性能良好。反饋控制系統(tǒng)的故障，可能是ECU反饋控制電路故障或者發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)的故障導(dǎo)致混合氣過濃或過稀。應(yīng)該檢查空氣濾芯是否堵塞，燃油供給系統(tǒng)是否存在造成混合氣比例失調(diào)的故障。如果檢查空氣濾芯和燃油供給系統(tǒng)都正常，則說明是ECU反饋控制電路故障。

測量的反饋電壓仍然維持不變、變化很緩慢或者幅度小，則說明氧傳感器已損壞，此時(shí)應(yīng)及時(shí)更換傳感器。

結(jié)語

汽車氧傳感器不僅可以降低汽車的油耗以及廢氣污染排放，而且還能大幅提升發(fā)動機(jī)的應(yīng)用性能，使汽車始終保持良好和安全的運(yùn)行狀態(tài)。相關(guān)人員首先應(yīng)掌握汽車氧傳感器的構(gòu)造與基本工作原理，其次有能力進(jìn)行有效分析氧傳感器發(fā)生故障的原因，然后運(yùn)用自身的專業(yè)能力對氧傳感器進(jìn)行檢修，繼而保障其發(fā)揮運(yùn)行性能并能有效控制尾氣的排放。