论文汽车发动机氧传感器的故障检修.docx

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论文汽车发动机氧传感器的故障检修

摘要

目前在国际上应用传感器最大的市场之一便是汽车行业，而氧传感器申报的专利数，位于汽车传感器之首。

尤其是随着汽车排放法规的逐渐严格和社会对汽车排放污染控制的重视，氧传感器就起着至关重要的作用。

汽车氧传感器故障会对发动机的工作、汽车的经济性及大气环保造成很大的影响。

而我国仅近三年需改加氧传感器的旧车就超过几百万辆。

所以，氧传感器（氧探头）的市场前景非常广阔。

因此，技术人员提高对氧传感器的维修及检测技术也变得非常之关键。

本文主要介绍了电控发动机氧传感器的技术特点和结构特点，根据氧传感器的结构和工作原理，分析了氧传器故障的产生原因及对电控发动机的影响，由氧传感器引发的故障实例，介绍检测与维修方法，且针对凌志400发动机氧传感器故障实例提出详细维修方案。

关键词:

发动机，氧传感器，故障检修

ABSTRACT

Intheinternationalcommunityshouldbeusedatoneofthegreatisthecarindustry,andoxygensensorsdeclarationofthepatentnumberoftheheadofthesensor.especiallywiththedischargeofregulationisstrictlyfortheemissionpollutionandsocialcontroloftheoxygensensorswillplayacrucialrole.theoxygensensorstoworkwiththeengine,theeconomyoftheenvironmentandatmosphereagreatinfluence.Andchinainthepastthreeyearstochangewithoxygensensorsoldcarismorethanamillion.therefore,oxygensensorprobe（oxygen）marketprospectsareverywide.therefore,technicalstafftoimprovethemaintenanceofthesensorforoxygenanddetectiontechnologyalsobecomeverycritical.thispapermainlyintroducestheengineforthetechnicalcharacteristicsofthesensorandthestructuralcharacteristics,dependingonthestructureofoxygensensorsandprinciple,Analysiswasalreadyhandedoverthefailureofthecauseandeffectonenginebythefailureofthesensorforinstance,todetectandrepair,ls400oxygensensorfortheenginefailuremakeadetailedscheme,themaintenanceofinstances.

Keywords:

engine；lambdasensor；malfunctionmaintenance

绪论

当今汽车工业得到了快速的发展。

被称为移动烟囱的汽车尾气，其有害成分包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO）、硫化物（SO）以及微粒物质（铅化物、碳烟、油雾等）、臭气（甲醛、丙稀醛等）等；其中CO、HC和NO是汽车污染控制的主要大气污染成分。

汽车尾气净化的主要方法是利用催化剂将其有害成分CO、HC和NO通过化学反应转化成为无害的CO2、H20和N2。

关键技术是汽车发动机电子控制燃油喷射系统（EFI）、氧传感器（EGO，排气氧传感器ExhaustGasOxygenSensor）和三元催化反应器（ThreeWayCatalystConverter简称TWC）及电控模块（ECU）组成的空燃比闭环反馈控制系统。

其中，氧传感器对于提高燃烧效率、降低污染排放量和三元催化起着重要的作用。

它们调节汽车发动机的空燃比（A／F，空气与汽油的质量比），精确地控制燃油的燃烧过程，既提高燃烧效率，节省能源，又能大幅降低尾气的污染。

另一方面，在汽车尾气中剩留的有害气体，在外电极铂的催化作用下，可与氧相互反应，进一步达到净化的目的。

汽车使用时必须安装氧传感器控制的电子喷射系统才能达到环保要求。

汽车行业是目前国际上应用传感器最大市场之一，现在世界上汽车年产量在4000万辆以上，其中日本的年产量达1000万辆以上。

从世界各国公布的专利情况来看，各主要汽车生产厂家和电气、元件生产厂家，都很重视汽车传感器的研制和生产。

而氧传感器的申报专利数，居汽车传感器的首位，这反映了该传感器的技术难度和各国的重视程度[2]。

控制汽车空燃比用的氧传感器在日本以每年50％-60％的速度增长。

就我国来说，仅近三年需改加氧传感器的旧车就超过2000万辆，每年新生产的轿车所需的氧传感器也超过200万个。

目前，一辆普通家用轿车大约要安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上的传感器数量可多达200余只。

据报道，2000年汽车传感器的市场为61.7亿美元（9.04亿件产品），2005年达到84.5亿美元（12.68亿件产品），增长率为6.5％（按美元计）和7.0％（按产品件数计），所以，氧传感器的市场前景非常广阔，对氧传感器的研究也成为热点。

第一章汽车氧传感器的概述

1.1氧传感器的概述

在电子汽油喷射式发动机上进行反馈控制的传感器是氧传感器，它安装在发动机的排气管上，它的作用是通过检测发动机排放气体中的氧的含量来获得混合气的空然比浓稀信号，把检测结果转变成电压信号输入ECU，ECU根据氧传感器输入信号，不断的对喷油脉宽进行修正，让混合气浓度始终保持在理想范围内，实现空然比的反馈控制，既闭环控制。

利用氧传感器对发动机混合气的空然比进行闭环控制后，使过量空气系数控制在0.98~1.02之间，让发动机在各个工况下获得最佳浓度的混合气，让有害气体的排量降到最低，减少汽车排放污染。

为了降低排放污染，目前汽车发动机的排放管上普遍安装了三元催化转化器，它能净化排放气体中的CO.HC.和NOx三种有害气体成分。

当排气管中埋入氧传感器，根据检查排气中的氧浓度信号，ECU控制空燃比，使三元催化转化器更有效地起净化作用。

目前汽车上采用的氧传感器有氧化钛式和氧化锆式两种，氧化锆式氧传感器又分加热型氧传感器和非加热型氧传感器两种，氧化钛式氧传感器本身自带一个电加热器。

1.2氧传感器技术特点分析

1.2.1氧传感器是一种热敏电压型传感器

氧传感器间接地反映进入气缸中混合气的浓度，这种信息是以波动的电压传递给电控单元（ECU）的，因此判断氧传感器性能的主要方法是检测氧传感器输出的信号电压值及其波动的范围和波动的频率。

另一方面，发动机只有达到一定的温度才能激活氧传感器。

因此，检测氧传感器前，必须对发动机充分预热，在氧传感器达到正常工作温度300℃～350℃以后才能进行检测，在此之前，氧传感器的电阻大，如同开路，氧传感器不产生任何电压信号；若发动机的排气温度超过800℃，氧传感器的控制也将中断。

目前有的车型采用主、副2个氧传感器，主氧传感器（在前）通常带有加热器，副氧传感器不带加热器，要依靠废气预热，温度超过300℃才能正常工作。

对于加热型氧传感器，其加热电阻的阻值一般为5Ω～7Ω。

如果加热电阻被烧蚀（电阻为无穷大），氧传感器很难快速达到正常的工作温度，此时应当更换氧传感器。

1.2.2氧传感器的故障确认采取“时域判定法”

所谓“时域判定法”，是指某传感器的输出信号是否在一定的时间内发生变化以及变化的范围、频率是否符合标准值，如果不发生这种变化，自诊断系统即确认其有故障。

氧传感器提供的信号电压标准为0.1V～1.0V，并且在这个范围内快速波动，其波动频率标准为30次/min。

当氧传感器输出的信号电压在0.1V～0.3V之间波动时，ECU判定为混合气偏稀；当氧传感器的信号电压在0.6V～0.9V之间波动时，ECU判定为混合气偏浓；当信号电压为0.45V左右时属最佳。

如果氧传感器在一定的时间内没有0.45V左右的基准信号电压输出，或者信号电压波动的频率不符合标准，即确认氧传感器已经失效。

正因为如此，检测氧传感器的反馈信号，目前没有其他设备比示波器更加快捷和有效。

1.2.3氧传感器是一种多元故障的“报警器”

氧传感器及其线路发生的故障会被电控单元（ECU）存储并且报警。

一旦氧传感器输入ECU的信号电压＜0.45V，或者信号电压波动的频率＜20次/min时，ECU就判定为可燃混合气太稀，并且增加喷油量，使油耗增大，故障灯点亮，同时存储故障代码。

这种故障属于氧传感器的“自生性故障”。

事实上，不仅氧传感器发生自生性故障时会报警，而且发生他生性故障也会报警。

所谓“他生性故障”，是指电控组件本身没有故障，是相关组件工作不良的影响而引起控制系统报警。

例如电动燃油泵、燃油滤清器、喷油器、三效催化转化器等发生了脏堵，严重影响了空燃比（A/F）的大小，故障灯也点亮，故障码显示为“氧传感器故障”，此时氧传感器本身其实并没有损坏。

从这个意义上说，氧传感器是发动机多元故障的“代言人”。

因此，当电喷发动机出现怠速不稳、缺火、喘抖或者油耗增加等故障时，都应当调取并解读故障代码，很可能显示“氧传感器故障”。

但是，显示“氧传感器故障”故障代码并不一定就是氧传感器本身损坏，线路短路、断路或者ECU内部控制电路有问题也会输出同样的故障代码。

因此，当显示“氧传感器损坏”故障码时，应当进行综合分析和判断，辨明是氧传感器的自生性故障还是他生性故障，以确定故障的具体部位。

1.3氧传感器的应用

氧传感器安装在排气歧管上（图1-1），它可以检测废气中的氧气浓度，据此计算空燃比，并将结果传送到ECU

图1-1氧传感器安装位置

1.3.1废气中氧浓度高

废气中氧气的百分比很大时，ECU将据此判定空燃比大，即混合气很稀。

1.3.2废气中氧浓度低

当废气中氧气的百分比很小时，ECU将据此判定空燃比小，即混合气很浓。

温度高于300℃时，所采用的陶瓷材料，用作氧化铁的导体。

在此条件下，如果传感器两侧氧的百分比含量不同，就会在两端产生电压变化。

两种环境（空气侧和排气侧）中不同含氧量的测量值的这种变化告诉ECU，在排气中剩余的氧含量，对保证燃烧有害废气生成是不合适的百分比。

陶瓷材料在低于300℃温度时是非线性的，因而传感器不输送有用信号。

ECU有一个特殊功能，即在暧机时（开环运转）停止对混合气的调整。

传感器装有加热元件以尽快达到工作温度。

当电流流通过加热元件时，它缩短了使陶瓷成为铁的导体的时间，而且使得传感器可以装在排气管较后的部位。

在三元催化净化器中，ECU利用来自氧传感器的数据，调节空燃比，但其方法EFI装置各标准化油器多少有些不同。

在EFI装置中，EFI的ECU通过增减从喷油喷入气缸的燃油量，调节空燃比。

如果ECU从氧传感器检测到混合气太浓，就会逐渐减少燃油喷射量，于是混合气就变稀了。

实际空燃比因此变得比理论空燃比大些（稀些）。

发生这种情况时，ECU通过氧传感器测出这个事实，就会开始逐渐增加喷射量。

这样，空燃比就会娈得低些（浓些）直到低于理论空燃比。

于是，这样循环反复，ECU主浊以这种方式，不断地增减空燃比，使实际空燃比接近理论空燃比。

在使用化油器的装置中，是用调节进入进气口的空气量调节空燃比。

混合气通常保持略浓理论空燃比。

ECU内氧传感器不断得到空燃比的信息，并要据实际空燃比操纵EBCU（电控进气阀）调节进入化油器进气口的空气量。

如果混合气太浓，就允许较多空气进入，使其变稀：

如果混合气太稀，就允许较少空气进入，使其变浓些。

第二章汽车氧传感器的结构特点

2.1氧传感器的作用

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，三元催化剂对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降，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。

电喷车为获得高排气净化率，降低排气中（CO）一氧化碳、（HC）碳氢化合物和（NOx）氮氧化合物成份，必须利用三元催化器。

但为了能有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比。

催化器通常装在排气歧管与消声器之间。

氧传感器具有一种特性，在理论空燃比（14.7：

1）附近它输出的电压有突变。

这种特性被用来检测排气中氧气的浓度并反馈给电脑，以控制空燃比。

当实际空燃比变高，在排气中氧气的浓度增加而氧传感器把混合气稀的状态（小电动势：

0伏）通知ECU。

当空燃比比理论空燃比低时，在排气中氧气的浓度降低，而氧传感器的状态（大电动势：

1伏）通知（ECU）电脑。

ECU根据来自氧传感器的电动势差别判断空燃比的低或高，并相应地控制喷油持续的时间。

但是，如氧传器有故障使输出的电动势不正常，（ECU）电脑就不能精确控制空燃比。

所以氧传感器还能弥补由于机械及电喷系统其它件磨损而引起空燃比的误差。

可以说是电喷系统中唯一有“智能”的传感器。

2.2氧传感器的组成

主氧传感器包括一根加热氧化锆元件的热棒，加热棒受（ECU）电脑控制，当空气进量小（排气温度低）电流流向加热棒加热传感器，使能精确检测氧气浓度。

在试管状态化锆元素（ZRO2）的内外两侧，设置有白金电极，为了保护白金电极，用陶瓷包覆电机外侧，内侧输入氧浓度高于大气，外侧输入的氧浓度低于汽车排出气体浓度。

应当指出采用三元催化器后，必须使用无铅汽油，否则三元催化器和氧传感器会很快失效。

再注意，氧传感器在油门稳定，配制标准混合时较为重要的作用，而在频繁加浓或变稀混合时，（ECU）电脑将忽略氧传感器的信息，氧传感器就不能起作用。

2.3氧传感器的工作原理

氧传感器是利用陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空然比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。

它是目前最佳的燃烧气氛测量方式，具有结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便、测量准确等优点。

运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约能源。

氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。

其基本工作原理是：

在一定条件下（高温和铂催化），利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。

大气中氧的含量为21％，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。

在高温及铂的催化下，带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上。

由于大气中的氧气比废气中的氧气多，套管上与大气相通一侧比废气一侧吸附更多的负离子，两侧离子的浓度差产生电动势。

当套管废气一侧的氧浓度低时，在电极之间产生一个高电压（0.6～1V），这个电压信号被送到ECU放大处理，ECU把高电压信号看作浓混合气，而把低电压信号看作稀混合气。

根据氧传感器的电压信号，电脑按照尽可能接近14.7：

1的理论最佳空燃比来稀释或加浓混合气。

因此氧传感器是电子控制燃油计量的关键传感器。

氧传感器只有在高温时（端部达到300°C以上）其特性才能充分体现，才能输出电压。

它在约800°C时，对混合气的变化反应最快，而在低温时这种特性会发生很大变化。

2.4氧化锆型氧传感器

氧化锆型氧传感器的基本元件是专用陶瓷体，即氧化锆（ZrO2）：

固体电解质，如图2-1所示。

陶瓷体制成管状，称为锆管。

锆管内表面与大气相通，外表面与废气相通。

锆管内外表面覆盖一层多孔性铂膜作为电极，允许氧渗入该固体电解质内，温度较高时它工作时的温度较高，氧气发生电离。

1、导管排气孔罩；2、锆管；3、电极；4、弹簧；5、线头支架（绝缘）；

6导管；7排气管

图2-1氧化锆型氧传感器的结构图

若陶瓷体内（大气）外（废气）侧氧含量不一致，固体电解质内部氧离子自大气一侧向排气一侧扩散，锆管便成了一个微电池，在锆管两铂极间产生电压。

1.陶瓷体;2.铂金体；3、4.电极引线点；5.排气管；6.陶瓷防护层；7.排气；8大气

图2-2氧传感器在排气管中的布置

如图2-2所示。

当混合气稀时，排气中氧含量多，两侧氧浓度差小，只产生小的电压；相反，混合气浓时电压增大。

氧传感器电压在过量空气系数等于一时产生突变，大于一时输出电压几乎为零，小于一时输出电压接近一伏，如图2-3所示。

在发动机混合气空燃比闭环控制的过程中，氧传感器相当于一个浓稀开关，根据混合气空燃比变化向电脑输送脉冲宽度变化的电压脉冲信号，如图2-4所示。

氧化锆型氧传感器输出信号的强弱与工作温度有关（正常工作温度在400℃～900℃），有些氧传感器采用加热的方式来保证其正常工作温度，称之为加热式氧传感器，它与不加热式的区别仅在于增加了一个陶瓷加热元件。

加热式氧传感器安装灵活性大，不受极端温升的影响，同时扩大了混合气闭环控制的工作范围。

图2-3氧传感器的电压特性

图2-4氧传感器电压脉冲信号变化

其核心部件是一个试管型ZrO2：

固体电解质元件，在管的内、外表面涂敷一层金属铂作为电极，并用金属线与传感器信号输出端子连接。

为防止废气中的杂质腐蚀铂膜，ZrO2：

传感元件的铂膜上覆盖一层多孔陶瓷作为涂层。

将传感器插入汽车的尾气中，固体电解质管的内侧通人参比气体（通常采用空气），参比氧分压固定为；外表面与尾气接触，排气氧分压为，且随着可燃混合气浓度的变化而变化。

这样由于内、外侧氧分压不同，氧离子从浓度高的一侧穿过ZrO2固体电解质向浓度低的一侧扩散，从而在固体电解质两侧电极上产生氧浓差电势，且该氧浓差电势随着可燃混合气浓度的变化而变化，形成“氧浓差电池”，传感器的信号相当于一个可变电源。

其工作特性。

当供给的可燃混合气较浓时（空燃t：

EA／F<14．7），尾气中的氧离子含量较少，和相差很大，由此可以产生较大的电动势（约0．9V）；当可燃混合气较稀时（空燃比A／F>14．7），因尾气中氧离子含量比较多，和很接近，氧浓差很小，产生的电动势很小（约0．1V）。

在混合气接近理论空燃比时，输出0．45V电压。

因此，在理论空燃比附近，固体电解质两边的氧分压之比的急剧变化将引起输出电压的急剧变化，表现为工作曲线非常陡峭。

这种特性使它非常适合应用于三元催化转化系统进行理论空燃比的控制。

而在整个稀薄燃烧区内（A／F>17），只有很低的电压信号，且信号变化很小、曲线平滑。

由此看来，氧浓差电池型传感器只能在比较狭窄的范围内对尾气含氧量进行检测，也只有用于理论空燃比附近的反馈控制才具有较高的准确性。

2.5氧化钛型氧传感器

TiO2式氧传感器是利用TiO2材料的电阻值随排气中的氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻型氧传感器。

TiO2式氧传感器的外形和ZrO2式氧传感器相似，在传感器前端的护罩内是一个TiO2厚膜元件（图2-5）。

纯TiO2在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其晶格便出现缺陷，电阻随之减少。

由于TiO2的电阻也随温度不同而变化，因此，在TiO2式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持TiO2

1.二氧化钛；2.陶瓷；3.电极；4铂线；

图2-5氧化钛式氧传感器

1.氧化钛式氧传感器；2.电压端子；3.ECU；4.输出电压端子；

图2-6氧化钛式氧传感器工作原理

式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。

如图2-6所示，ECU2端子将一个恒定的1V电压加在TiO式氧传感器的一端上，传感器的另一端与ECU4~接。

当排出的废气中氧浓度随发动机混合气浓度变化而变化时，氧传感器的电阻随之改变，ECU4端子上的电压降也随着变化。

当4端子上的电压高于参考电压时，ECU判定混合气过浓；当4端子上的电压低于参考电压时，ECU判定混合气过稀。

通过ECU的反馈控制，可保持混合气的浓度在理论空燃比附近。

在实际的反馈控制过程中，TiO2式与ECU连接的4端子上的电压也是在0．1～0．9V之问不断变化，这一点与Zr02氧传感器式氧传感器是相似的。

2.6双氧传感器系统

随着排放法规越来越严格，现在，越来越多的车辆都在三元催化转化器的前后端分别安装了氧传感器，称为双氧传感器系统（如图3-7），一个在三元催化转化器之前，成做主氧传感器或上游氧传感器，用于混合气反馈控制，发动机电脑根据主氧传感器反馈信号，增加或减少喷油量，将实际空燃比控制在理论空燃比附近；另一个位于三元催化转化器之后，称作负氧传感器活下有氧传感器，用于检测三元催化转化器的催化净化效率。

应为正常运行的三元催化转化器在转化CH和CO时要消耗氧气。

所以负氧传感器输出的电压信号比主氧传感器输出的电压信号波动要缓慢得多，两个氧传感器电压幅度差值可反映出三元催化转化器存储氧以及转换有害气体的能力，当三元催化转化器损坏时，其转化效率丧失，这是在其前后的排气管中的氧气量十分接近，几乎相当于没有安装三元催化转化器，前、后两传感器的信号电压波形就趋于相同，并且电压波动范围也趋于一致，此时标明三元催化转化其转化能力下降。

（a）三元催化转化器正常（b）三元催化转化器故障

图3-7三元催化转化器正常和故障时前后氧传感器输出波形

第三章汽车氧传感器的检查

氧传感器一般有单线、双线、三线、四线4种引线形式。

单线为氧化锆式氧传感器；双线为氧化钛式氧传感器；三线和四线为氧化锆式氧传感器。

三线和四线的区别：

三线氧传感器的加热器负极和信号输出负极共用一根线，四线氧传感器的加热器负极和信号负极分别各用一根线。

3.1氧传感器加热器电阻的检查

（1）点火开关置于“OFF”位置，拔下氧传感器的导线连接器。

（2）用万用表的Ω档测量氧传感器接线端中加热器端子和搭铁端子（图3-1的端子1和2间的电阻。

（3）所测电阻值应符合标准值（一般为4-40Ω；具体数值参见具体车说明书）。

如不符合标准，应更换氧传感器。

测量后，接好氧传感器线束连接器，以便作进一步的检测。

1-加热元件正极；2-加热元件负极；3-信号电压正极；4-信号电压负极

图3-1氧传感器线路图

3.2氧传感器反馈电压的测量

测量氧传感器的反馈电压时，应拔下氧传感器的线束插头，对照车型的电路图，从氧传感器的反馈电压输出接线柱上引出一条细导线，然后插好线束插头，在发动机运转中，从引出线上测出反馈电压。

对氧传感器的反馈电压进行检测时，最好使用具有低量程（通常为2V）和高阻抗（内阻大于10MΩ）的指针型万用表。

具体的检测方法如下：

（1）将发动机热车至正常工作温度（或起动后以2500r/min的转速运转2min）；

（2）将万用表电压档的负表笔接故障检测插座内的E1或蓄电池负极，正表笔接故障检测插座内的OX1或OX2插孔，或接氧传感器线束插头上的号|出线（图3-1）。

（3