孫晟新，張忠洋，衛(wèi)紹元

(遼寧工業(yè)大學(xué))

1 氧傳感器的結(jié)構(gòu)和功用

1.1 氧傳感器的類型和結(jié)構(gòu)

氧化鋯式氧傳感器元件是一陶瓷管，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。外側(cè)通排氣，內(nèi)側(cè)通大氣。當(dāng)陶瓷管的溫度較高(高于300～400℃)時(shí)，氧氣發(fā)生電離成為氧離子，即具有固態(tài)電解質(zhì)的特性。正是利用這一特性，將氧氣的濃度差轉(zhuǎn)化成電勢差，從而形成電信號(hào)輸出。當(dāng)混合氣偏稀時(shí)，排氣中氧的含量較多，兩側(cè)濃度差小，只產(chǎn)生小的電壓(約0.1 V);反之，當(dāng)混合氣偏濃時(shí)，排氣中氧的含量較少，兩側(cè)濃度差大，產(chǎn)生高電壓(約0.9 V)。

圖1 氧化鋯式氧傳感器的結(jié)構(gòu)

1.2 氧傳感器的功用

當(dāng)氧傳感器達(dá)到其工作溫度(＞300℃)以后，就會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制模式。氧傳感器將尾氣中的氧含量以電壓信號(hào)的形式反饋給ECU，ECU接收到該信號(hào)后，經(jīng)計(jì)算、分析、判斷，向噴油器等執(zhí)行器發(fā)出控制指令，修正噴油脈寬等參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在正常工作的前提下，更加節(jié)能和環(huán)保。

現(xiàn)在有的電控汽車上安裝有兩個(gè)氧傳感器，位于三元催化轉(zhuǎn)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(gè)氧傳感器所反映的氧含量(即信號(hào)電壓值)的對(duì)比，來監(jiān)測三元催化轉(zhuǎn)化器對(duì)于尾氣中的HC、CO和NOx的轉(zhuǎn)化凈化能力，進(jìn)而判斷三元催化轉(zhuǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，ECU根據(jù)此信號(hào)來判斷混合氣的濃與稀的程度是否適合發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)的運(yùn)行工況，及時(shí)修正噴油器的噴油脈寬、節(jié)氣門的開啟角度和點(diǎn)火提前角等參數(shù)，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的要求。

2 氧傳感器的工作特性

氧傳感器是以電壓信號(hào)的形式向ECU傳遞信號(hào)數(shù)據(jù)的。氧傳感器的特性曲線如圖2所示，由圖2可知，當(dāng)混合氣在理論空燃比14.7∶1(即過量空氣系數(shù)λ=1)附近時(shí)，氧傳感器的輸出電壓發(fā)生急劇性突變，輸出電壓值在450 mV上下跳動(dòng);當(dāng)過量空氣系數(shù)λ＜1(即空燃比較小，混合氣偏濃)時(shí)，排氣中的氧含量較少，氧傳感器“感知”出一個(gè)較高的電壓信號(hào)進(jìn)行輸出;當(dāng)過量空氣系數(shù)λ＞1(即空燃比較大，混合氣偏稀)時(shí)，排氣中的氧含量較多，氧傳感器此時(shí)會(huì)“感知”出一個(gè)較低的電壓信號(hào)進(jìn)行輸出。氧傳感器的輸出信號(hào)存在兩個(gè)極值點(diǎn):當(dāng)過量空氣系數(shù)過小(混合氣過濃)時(shí)，氧傳感器感知到最高信號(hào)電壓值，大約900 mV左右;當(dāng)過量空氣系數(shù)過大(混合氣過稀)時(shí)，氧傳感器感知到的信號(hào)電壓值臨近100 mV左右的最小值。不論混合氣是過稀還是過濃，都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行和尾氣排放造成不利影響。在電控系統(tǒng)中，要準(zhǔn)確地保證混合氣濃度為理想值是不可能的，實(shí)際上的反饋閉環(huán)控制只能使混合氣在理論空燃比附近一個(gè)狹小的范圍內(nèi)波動(dòng)。該參數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)熱車后以中速(1 500～2 000 r/min)運(yùn)動(dòng)時(shí)，呈現(xiàn)濃稀的交替變化或輸出電壓在100～900 mV之間來回變化，每10 s內(nèi)變化次數(shù)應(yīng)大于8次(0.8 Hz)。

3 氧傳感器的故障診斷分析

實(shí)踐證明:若氧傳感器的工作電壓不隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況的改變而發(fā)生變化，一直顯示在0.3V以下或者0.6V以上都表明氧傳感器存在故障。由于氧傳感器的工作電壓不正常可能引起的主要故障有:汽車加速不良、冒黑煙、有時(shí)突然熄火等現(xiàn)象。

圖2 氧傳感器的特性曲線

加速不良當(dāng)汽車欲從低速檔位變換到高速檔位進(jìn)行加速行駛時(shí)，如果氧傳感器表面有積碳或被污染，造成工作電壓不正常，此時(shí)顯示的是較高的電壓信號(hào)值，通過閉環(huán)控制反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的是一個(gè)混合氣較濃的的信號(hào)，ECU就會(huì)誤認(rèn)為上一工作循環(huán)噴油器的噴油量過多，下一工作循環(huán)就會(huì)對(duì)噴油器發(fā)出減少噴油量的控制指令以修正噴油脈寬，同時(shí)會(huì)適當(dāng)增加節(jié)氣門開啟的角度，以改變混合氣的空燃比使其趨近于理論空燃比附近。但此時(shí)汽車準(zhǔn)備加速行駛，需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供更多的燃油，這就造成了汽車加速不良的故障現(xiàn)象出現(xiàn)。

冒黑煙，當(dāng)氧傳感器表面形成積碳或被污染時(shí)，氧傳感器的阻值增大，氧傳感器感應(yīng)出的信號(hào)電壓值降低，反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU一個(gè)與實(shí)際不符的稀混合氣的信號(hào)。ECU就會(huì)根據(jù)此信號(hào)對(duì)噴油器發(fā)出增加噴油量的控制指令，使得混合氣變濃，導(dǎo)致過量的燃油蒸汽沒有經(jīng)充分燃燒就被排入大氣，出現(xiàn)汽車尾氣冒黑煙、排放超標(biāo)，對(duì)環(huán)境造成污染。

有時(shí)突然熄火現(xiàn)代轎車點(diǎn)火系統(tǒng)多采用無觸點(diǎn)的電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)。這種點(diǎn)火系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)與點(diǎn)火控制系統(tǒng)有關(guān)的各傳感器輸入信號(hào)對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻、點(diǎn)火能量進(jìn)行控制的。氧傳感器就是與電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)有關(guān)的傳感器之一。當(dāng)氧傳感器的工作電壓不穩(wěn)或者是工作不正常，就會(huì)向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU輸送錯(cuò)誤的混合氣濃或稀的反饋信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU接收到此信號(hào)后，會(huì)結(jié)合其他相關(guān)傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行綜合分析、計(jì)算并做出判斷，就會(huì)導(dǎo)致對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻、點(diǎn)火能量發(fā)出錯(cuò)誤的控制指令，使點(diǎn)火系統(tǒng)出現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)刻異常甚至紊亂、點(diǎn)火能量不足等嚴(yán)重故障，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中突然熄火。

造成氧傳感器的工作電壓不正常，除了其表面形成積碳等使其電阻值發(fā)生變化的原因以外，還有可能是氧傳感器本身的工作特性發(fā)生了變化造成的。要想判斷氧傳感器的工作特性是否發(fā)生改變，對(duì)其工作時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析是很關(guān)鍵的。下面就結(jié)合一具體的實(shí)例利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流功能診斷和分析電控汽車的氧傳感器的故障。

4 故障診斷實(shí)例

(1)故障現(xiàn)象。一大眾AJR 1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)著車，在5 min內(nèi)自動(dòng)熄火，當(dāng)再次啟動(dòng)著車后，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速發(fā)抖，7～8 min內(nèi)再次自動(dòng)熄火，無故障代碼。

(2)診斷流程。由于無故障代碼，無法判斷故障發(fā)生的部位。根據(jù)故障現(xiàn)象分析，該發(fā)動(dòng)機(jī)可能是燃油供給系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。根據(jù)這種分析，首先用燃油壓力表對(duì)燃油壓力進(jìn)行了檢測，從檢測結(jié)果來看，并未發(fā)現(xiàn)異常情況，燃油系統(tǒng)油壓正常，那么有可能是電控系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。沒有故障碼存在，如何對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行診斷分析呢?當(dāng)遇到這樣的情況時(shí)，對(duì)于很多汽車維修人員來說就遇到了難題。在這個(gè)時(shí)候，不要忘記發(fā)動(dòng)機(jī)綜合智能分析儀還有一個(gè)很重要的功能——?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)流分析。所謂數(shù)據(jù)流，就是電控發(fā)動(dòng)機(jī)在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中，反映傳感器和執(zhí)行器工況的一系列數(shù)值所組成的數(shù)據(jù)塊。由于是分別顯示各個(gè)數(shù)值，因此，習(xí)慣上把它稱作“數(shù)據(jù)流”。當(dāng)然，它本身不具備分析和判斷數(shù)據(jù)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(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)流，維修人員可以根據(jù)其中幾組可能與故障有關(guān)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行綜合分析，以縮小診斷范圍，對(duì)可能的故障點(diǎn)做出一個(gè)判斷。

從綜合分析儀中讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流的步驟為:首先將KT600接到發(fā)動(dòng)機(jī)的診斷插座上，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，將KT600開啟使其運(yùn)行，然后進(jìn)入“汽車診斷”模塊，選擇大眾車系，再進(jìn)入“發(fā)動(dòng)機(jī)”模塊，最后在發(fā)動(dòng)機(jī)模塊所顯示的界面中選擇“讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流”選項(xiàng)，讀取并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下5 min之內(nèi)的一些主要數(shù)據(jù)流的動(dòng)態(tài)變化情況，詳見表1。

表1 AJR發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流變化情況

(3)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流的綜合分析

通過對(duì)表1中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)變化較大，在怠速狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)該在80 030 r/min范圍內(nèi)。點(diǎn)火提前角較小，在怠速狀態(tài)下，點(diǎn)火提前角應(yīng)該在124.5°范圍內(nèi)。有兩個(gè)參數(shù)信號(hào)異常，究竟是哪一個(gè)參數(shù)是造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障的主要因素，需要作進(jìn)一步判斷。

緩慢勻速踩下加速踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火提前角均隨節(jié)氣門開大而均勻增加，信號(hào)反應(yīng)和數(shù)據(jù)值都正常，卻發(fā)現(xiàn)在節(jié)氣門開度增加的過程中，氧傳感器信號(hào)電壓卻始終在0.4V左右波動(dòng)，即使是節(jié)氣門全開的情況下也從未超過0.5 V，點(diǎn)火提前角的數(shù)值也偏小一些。在快速踩下油門踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)值均正常，氧傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)值依然如故。根據(jù)數(shù)據(jù)流的關(guān)聯(lián)分析可以判斷，由于氧傳感器的工作特性發(fā)生了變化，不能隨著節(jié)氣門的開大而信號(hào)值升高。因而ECU接收到錯(cuò)誤的反饋信號(hào)，發(fā)出錯(cuò)誤的指令，導(dǎo)致不能及時(shí)地對(duì)噴油脈寬進(jìn)行準(zhǔn)確修正，導(dǎo)致在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，噴油量過多，混合氣過濃，而出現(xiàn)啟動(dòng)困難;在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，由于反饋信號(hào)失真，ECU不能及時(shí)地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)發(fā)抖。

更換了氧傳感器，再進(jìn)行測試，故障現(xiàn)象消失。

5 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)氧傳感器的工作特性發(fā)生變化，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制失真，上述診斷實(shí)例說明，除了氧傳感器信號(hào)電壓一直顯示在0.3V以下或者0.6V以上表明氧傳感器存在故障，當(dāng)其信號(hào)電壓值一直不超過0.5 V時(shí)也表明氧傳感器發(fā)生了故障。

［1]王東.賽豹汽車電控系統(tǒng)波形分析及故障診斷［D］.吉林大學(xué)，2006.

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