氧传感器的结构原理与故障分析文档格式.docx

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2.2氧传感器反馈电压的测量……………………………………...…3

3.氧传感器常见故障………………………………………..….…4

3.1氧传感器铅中毒…………………………………………..……..4

3.2硅中毒………………………………….……………………....5

3.3氧传感器陶瓷碎裂…………………………………….……….…5

3.4氧传感器表面积碳………………………………….….…………5

3.5加热器电阻丝烧断………………………………….…….……..5

3.6氧传感器内部线路断脱…………………………….…….……...5

4.别克氧传感器维修实例…………………………….….……….5

4.1故障诊断与排除…………………………………….….……….6

4.2维修小结……………………………………….......………..7

5.总结……………………………………….……….….………..7

参考文献………………………………………..……...……8

致谢……………………………………….….…….………...9

氧传感器是进行闭环反馈控制的主要元件之一，用于检测发动机的燃烧状况，通过测定发动机排气管内废气中的氧含量（浓度）判定空燃比，电子控制单元ECU据此发出反馈信号不断修正喷油量,使空燃比收敛于理论值（λ=1）。

现代汽车上普遍采用可以同时净化NOx、CO及HC3种有害物质的三元催化转换装置。

在此系统中占主导地位的是氧传感器,氧传感器是使此系统最有效地发挥作用必不可少的部件。

对于氧传感器的故障分析直接影响到最佳空燃比，同时对氧传感器的研究也能直接影响汽车废气的排放。

1氧传感器的结构与原理

1.1氧化锆氧传感器

图1为氧化锆氧传感器的结构。

该传感器把加入少量氧化钇（Y2O3）的氧化锆固溶体，制成试管状电解质元件（锆管），内外表面覆盖一层多孔性的铂膜作为电极。

锆管内侧通入氧浓度高的大气，外侧通入氧浓度低的发动机排出气体。

为了保护电极，在电极外面镀上一层陶瓷。

图2为氧传感器的工作原理示意图。

在高温下氧气发生电离，锆管内外侧的氧气存在浓度差，氧离子从浓度较高的大气侧向浓度较低的排气侧扩散，结果在锆管内外侧之间产生一个微电动势。

氧气浓度差大，电动势大；

氧气浓度小，电动势小。

氧传感器利用这一性质，在氧化锆管内侧通入大气（氧浓度高），外侧接触氧浓度低的排气。

因此，随着排气中的氧浓度变化，其内外侧浓度比也在变化，从而锆管内外侧之间的电动势也在变化。

当浓的混合气燃烧后排出的气体与铂催化剂接触时，利用铂的催化作用将残存的低浓度氧与排气中的CO及CH再反应，铂表面的氧气几乎没有了，从而使氧传感器内外表面的氧气浓度差变大，产生约1V的电动势。

稀薄的混合气燃烧时，排气管中高浓度的氧与低浓度的CO反应后，仍有残存氧气。

因此氧传感器内外表面氧浓度差小，几乎不产生电动势。

当空燃比较大时，排气中氧浓度增高，氧传感器把这种状态转变为电信号输入微机，然后微机发出信号增加燃油喷射量。

反之，可用微机控制减少喷油量，使之恢复最佳状态。

1.2氧化钛式传感器

氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛（TiO2）材料的电阻值随排气中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。

二氧化钛是在室温下具有很高电阻的半导体。

但当排气中氧含量少（混合气浓）时，氧分子脱离，使其晶体出现缺陷，便有更多的电子可用来递电流，材料的电阻亦随之降低。

此种现象与温度和氧含量有关，因此，欲将二氧化钛在300～900℃的排气温度中连续使用，必须作温度补偿。

图3所示即为氧化钛式氧传感器的示意图，它具有两个二氧化钛元件，一个是具有多孔性用来感测排气中氧含量的二氧化钛陶瓷，另一个则为实心二氧化钛陶瓷，用来作加热调节，补偿温度的误差。

该传感器外端以具有孔槽的金属管作为防护套，一方面让废气可以进出，另一方面防止里面二氧化钛元件受到外物撞击，传感器接线端以橡胶作为密封材料，止外界气体渗入。

它一般安装在排气歧管或尾管上，同时可借助排气高温将传感器加热至适当的工作温度。

氧化钛式氧传感器的优点是结构简单，造价便宜，抗腐蚀、抗污染能力强，经久耐用，可靠性高。

2汽车氧气传感器的检查方法

2.1氧传感器加热器电阻的检查

拔下氧传感器线束插头，用万用表电阻档测量氧传感器接线端中加热器接柱与搭铁接柱之间的电阻，其阻值为4-40Ω（参考具体车型说明书）。

如不符合标准，应更换氧传感器。

2.2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（有些车型也可以由故障检测插座内测得氧传感器的反馈电压，如丰田汽车公司生产的系列轿车都可以从故障检测插座内的OX1或OX2端子内直接测得氧传感器的反馈电压）。

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；

3）让发动机以2500r/min左右的转速保持运转，同时检查电压表指针能否在0-1V之间来回摆动，记下10s内电压表指针摆动的次数。

在正常情况下，随着反馈控制的进行，氧传感器的反馈电压将在0.45V上下不断变化，10s内反馈电压的变化次数应不少于8次。

如果少于8次，则说明氧传感器或反馈控制系统工作不正常，其原因可能是氧传感器表面有积碳，使灵敏度降低所致。

对此，应让发动机以2500r/min的转速运转约2min，以清除氧传感器表面的积碳，然后再检查反馈电压。

如果在清除积碳可后电压表指针变化依旧缓慢，则说明氧传感器损坏，或电脑反馈控制电路有故障。

4）检查氧传感器有无损坏

拔下氧传感器的线束插头，使氧传感器不再与电脑连接，反馈控制系统处于开环控制状态。

将万用表电压档的正表笔直接与氧传感器反馈电压输出接线柱连接，负表笔良好搭铁。

在发动机运转中测量反馈电压，先脱开接在进气管上的曲轴箱强制通风管或其他真空软管，人为地形成稀混合气，同时观看电压表，其指针读数应下降。

然后接上脱开的管路，再拔下水温传感器接头，用一个4-8KΩ的电阻代替水温传感器，人为地形成浓混合气，同时观看电压表，其指针读数应上升。

也可以用突然踩下或松开加速踏板的方法来改变混合气的浓度，在突然踩下加速踏板时，混合气变浓，反馈电压应上升；

突然松开加速踏板时，混合气变稀，反馈电压应下降。

如果氧传感器的反馈电压无上述变化，表明氧传感器已损坏。

另外，氧化钛式氧传感器在采用上述方法检测时，若是良好的氧传感器，输出端的电压应以2.5V为中心上下波动。

否则可拆下传感器并暴露在空气中，冷却后测量其电阻值。

若电阻值很大，说明传感器是好的，否则应更换传感器。

5）氧传感器外观颜色的检查

从排气管上拆下氧传感器，检查传感器外壳上的通气孔有无堵塞，陶瓷芯有无破损。

如有破损，则应更换氧传感器。

通过观察氧传感器顶尖部位的颜色也可以判断故障：

①淡灰色顶尖：

这是氧传感器的正常颜色；

②白色顶尖：

由硅污染造成的，此时必须更换氧传感器；

③棕色顶尖：

由铅污染造成的，如果严重，也必须更换氧传感器；

④黑色顶尖：

由积碳造成的，在排除发动机积碳故障后，一般可以自动清除氧传感器上的积碳。

3氧传感器常见故障

3.1氧传感器铅中毒

氧传感器铅中毒是常见的一种故障,使用含铅汽油只要行驶500km,铅化物就会粘附在氧传感器的工作面上,使氧传感器基本丧失信息反馈功能。

轻微的铅中毒,使用一箱不含铅的汽油,就能消除氧传感器表面的铅,使其恢复正常工作。

如果过高的排气温度,使铅侵入其内部,阻碍了氧离子的扩散,使氧传感器失效,这时只能更换。

3.2硅中毒

维修发动机时使用了硅密封胶、硅密封圈等会引起的“硅中毒”。

硅胶中含有醋酸（它起硫化作用）,当醋酸硅胶应用在有机油流动的部位,醋酸蒸发,进入曲轴箱,经过废气再循环系统又进入气缸,最终经过排气管排出而损坏氧传感器。

另外,如果汽油和机油中含有的硅化合物过多,燃烧后生成二氧化硅（SiO2）,也会使氧传感器“中毒”失效。

3.3氧传感器陶瓷碎裂

氧传感器的陶瓷硬而脆,容易碎裂。

因此,处理时要特别小心,防止用硬物敲击或用强烈气流吹洗。

3.4氧传感器表面积碳

如果发动机燃烧不完全,所排的气体就会含碳,使其依附在氧传感器表面,形成积碳,产生积碳,主要表现为排放浓度明显增加,油耗上升。

此时,积碳（或油污、尘埃等沉积物）会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部,使氧传感器输出的信号失准,ECU不能及时地修正空燃比。

如果将沉积物清除,就会恢复正常工作。

3.5加热器电阻丝烧断

对于加热型氧传感器,如果加热器电阻丝烧蚀,就很难使传感器达到正常的工作温度而失去作用。

3.6氧传感器内部线路断脱

氧传感器由于内部的线路焊接不牢或由于汽车的颠簸,内部线路会出现断裂。

总之,氧传感器出现故障,将使电子燃油喷射系统的电脑不能得到排气管中氧浓度的信息,因而不能对空燃比进行反馈控制,会使发动机油耗和排气污染增加,发动机出现怠速不稳、喘振、缺火等故障现象。

因此,必须及时地排除故障或更换。

4别克氧传感器维修实例

一辆2002款2.5L别克，行驶里程为138000km。

发动机故障灯亮，有DTCP0171（燃油微调系统过稀）故障码。

4.1故障诊断与排除

根据修理经验，出现故障码P0171的原因常常在燃油系统，如喷油器或汽油滤清器堵塞、燃油压力不足等。

用TECH2测量燃油调整值，长期燃油调整为9%，短期燃油调整为0，都在允许范围之内；

检查氧传感器信号及波形均正常；

怠速时测量燃油系统压力为268kPa，加速时达到295kPa，也正常。

根据修理经验，怀疑喷油器堵塞。

清洗喷油器后，用TECH2测量燃油调整值，长期燃油调整为4%，短期燃油调整也为0，让车主将车提走。

第二天，此车又因故障灯亮来送修，经检测故障码还是P0171。

因为故障是偶发性的，故障发生后用TECH2检测数据又一切正常，随后对以下项目进行了全面检查或修理。

1）检查进、排气系统，没有发现泄漏。

2）清洗节气门体。

3）更换汽油滤清器。

4）检查排气再循环系统和曲轴箱通风系统，没有发现真空泄漏。

5）清洗汽油泵和燃油箱。

6）更换火花塞。

进行以上检修后试车，故障码又出现了。

后来又更换了此车的汽油泵和氧传感器，故障还是不能排除。

经过仔细思考，我们认为动力系统控制模块（PCM）计算的燃油调整值（即增加或减少的喷油量），是基于测得的进气量加上其它辅助信号的修正后，与氧传感器的反馈信号相比较而计算出的，出现燃油调整故障码应从以下三个方面考虑：

1）燃油系统故障造成喷油量减少，如喷油器堵塞、燃油压力过低、汽油中有杂质等。

2）空气计量不准确，造成检测到的进气量和实际进气量不符。

如果检测到的进气量比实际进气量低，则PCM计算的喷油量相对实际需求量就会减小，氧传感器反馈的信号会过稀，PCM控制喷油量增加，正的燃油调整值增大，当超出一定范围时，设置故障码P0171。

3）闭环反馈信号不准确，如氧传感器不良。

根据先前的检修过程，燃油系统相关部件和氧传感器已检查或更换，现在只有空气计量部件没有检查了。

用TECH2检测电控系统数据流，发现空气流量传感器（MAF）信号为1861Hz，比正常值偏低。

试换一个新空气流量计，MAF信号变为2162Hz。

而后此车行驶一个多月时间，没有再出现故障。

4.2维修小结

出现故障码P0171是别克乘用车的一个多发故障。

大多数的故障车可以通过清洗喷油器、更换汽油滤清器排除故障，也有个别车辆是通过更换空气流量计解决问题。

5总结

为了节能和减少汽车污染，我国大部分汽车都装有氧传感器。

所以了解氧传感器结构原理及简单维修非常之关键。

参考文献

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