探究汽车氧传感器的检测与维修.docx

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探究汽车氧传感器的检测与维修

摘要

现代电控发动机控制系统中,装用的氧传感器起着非常重要的作用,它能够将排气中氧离子的含量转变为电信号输入发动机ECU。

根据氧传感器信号对喷油进行修正,实现燃油喷射的闭环控制,使发动机得到最佳浓度的混合气,从而达到了降低有害气体的排放量，但是由于氧传感器安装在高温的排气管上,由于工作环境恶劣,时间长了就会造成其输出信号不准确,所以氧传感器到一定时间必须进行检查。

否则燃油控制系统也不能得到精确的控制。

关键词：

汽车氧传感器检测与维修波形分析

1氧传感器概述

1.1氧化锆式氧传感器

氧化锆式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，陶瓷体制成管状（锆管），固定在带有安装螺纹的固定套中。

锆管表面装有透气铂电极，配有护管及电接头，其内表面与大气相通，外表面与废气相通，外表面还加装了一个防护套管，套管上开有通气槽。

锆管的陶瓷体是多孔的，允许氧渗入该固体电解质内，温度较高时（高于300℃），氧气发生电离，如果在陶瓷体内（大气）外（废气）侧的氧气浓度不同，就会在2个铂电极表面产生电压降，含氧量高的一侧为高电位。

当混合气稀时，排气中含氧多，两侧浓度小，只产生小的电压；反之，混合气浓时，产生高电压。

根据所测电压值就可测量氧传感器外表面氧气含量，而发动机废气排放中的氧含量主要取决于混合气的空燃比，因此，ESU根据氧传感器输入的电信号分析汽油的燃烧状况，以便及时修正喷油量，使空燃比处于理想状况，即λ=14.7，所以这种传感器又称为λ传感器。

1.2氧化钛式氧传感器

氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似，内部结构和工作原理不同。

氧化钛式氧传感器的敏感元件是采用二氧化钛制成的二氧化钛厚膜元件，其电阻值随排气中氧含量的变化。

因此又称电阻型氧传感器。

纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其品格便出现缺陷，电阻随之减小，如图1-1。

由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化，因此，在二氧化钛式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钛式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。

图1-1氧传感器电阻变化图图1-2氧化钛式氧传感器的控制电路

 氧化钛式氧传感器的控制电路如图1-2所示，ECU的OX+端子将一个恒定的1V电压加在氧化钛式氧传感器的一端上，传感器的另一端与ECU的OX端子相接。

当混合气较浓，实际空燃比小于理论空燃比时，排气中氧含量少，氧化钛式氧传感器的电阻骤减，输出电压接近1V。

反之，当混合气较稀，实际空燃比大于理论空燃比时，排气中氧含量多，氧化钛式氧传感器的电阻突增，输出电压几乎为零。

氧传感器产生的电压在理论空燃比时发生突变。

二氧化钛式氧传感器与ECU连接的OX端子上的电压也是在0.1～0.9V之间不断变化，这一点与氧化锆式氧传感器是相似的。

2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、气燃烧等炉体的气分控制。

它是目前最佳的燃烧气分测量方式，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。

3氧传感器故障的分析

氧传感器一旦出现故障，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、缺火、喘振等故障现象。

因此，必须及时地排除故障或更换。

3.1氧传感器中毒

铅、硅等杂质会使氧传感器和三元催化转换器中毒，使氧传感器输出信号电压发生变化，不能正常工作。

铅、硅对氧传感器输出特性的影响如图3-1所示。

氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障，尤其是经常使用含铅汽油的汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几千公里。

如果只是轻微的铅中毒，接着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。

但往往由于过高的排气温度，而使铅侵入其内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时就只能更换了。

图3-1铅、硅对氧传感器输出特性

另外，氧传感器发生硅中毒也是常有的事。

一般来说，汽油和润滑油中含有的硅化合物燃烧后生成的二氧化硅，硅橡胶密封垫圈使用不当散发出的有机硅气体，都会使氧传感器失效，因而要使用质量好的燃油和润滑油。

修理时要正确选用和安装橡胶垫圈，不要在传感器上涂敷制造厂规定使用以外的溶剂和防粘剂等。

3.2积碳

由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或氧传感器内部进入了油污或尘埃等沉积物，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。

产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加。

此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。

3.3氧传感器陶瓷碎裂

氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而失效。

因此，处理时要特别小心，发现问题及时更换。

3.4加热器烧断

对于加热型氧传感器，如果加热器烧断，就很难使传感器达到正常的工作温,导致传感器失去作用。

图3-2加热线烧断示意图

4氧传感器检修

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。

图4-1为四线氧化锆式氧传感器与ECU的连接电路图。

图4-1四线氧化锆式氧传感器连接图

4.1氧传感器加热器电阻的检测

如图4-2，点火开关置于OFF，拔下氧传感器导线插接器，用万用表欧姆档测量氧传感器接线端中加热器端子与搭铁端子间的电阻，其电阻值应符合标准值（一般为4-40Ω，具体数值参见具体车型说明书）。

如不符合标准，应更换氧传感器。

测量后，接好氧传感器线束插接器，以便作进一步的检测。

图4-2氧传感器加热器电阻线损坏

4.2氧传感器反馈电压的检测

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1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。

4.3氧传感器波形分析

1、氧传感器的正常波形

常用的汽车氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种。

以氧化锆式为例，正常情况下当闭环控制时（如图4-3所示），氧传感器的电压信号大约在0至1V之间波动，平均值约450mV。

当混合气浓度稍浓于理论空燃比时，氧传感器产生约800mV的高电压信号；当混合气浓度稍稀于理论空燃比时，氧传感器产生接近100mV的低电压信号。

图4-3良好的氧传感器信号波形

当然，不同类型的氧传感器其实际波形并不完全相同。

朱军老师曾总结说：

“一般亚洲和欧洲车氧传感器（博世）信号电压波形上的杂波要少，尤其是丰田凌志车氧传感器信号电压波形的重复性好，而且对称、清楚，美国车（不是采用亚洲的发动机和电子反馈控制系统）杂波要多。

”但需要指出，氧化钛型氧传感器反馈给发动机电控单元的电压，一般是1V范围内变化，也有少数的是5V范围内变化的。

2、引起氧传感器的信号波形出现异常的原因

当氧传感器及微机控制装置无故障，而氧传感器信号波形异常，如果不是在某些特殊工况下由于发动机控制策略所引起的，一般表明发动机有故障。

这些故障造成汽缸内混合气燃烧不正常，进而使排气中的氧含量变化，氧传感器的信号波形就出现异常。

一般发动机的下列故障会引起氧传感器信号波形产生严重杂波。

（1）点火系故障，如某缸火花塞损坏、某缸高压分线损坏或分电器、分电器转子、点火线圈等损坏。

这些故障可使部分氧“不经消化”即排出缸外，从而使排气中的氧含量升高。

（2）由机械原因引起的压缩泄漏，如气门烧损、活塞环断裂或磨损过度等造成的压缩泄漏，使点火之前的压缩温度、压缩压力不够，造成燃烧不完全甚至缺火。

（3）真空泄漏，例如进气道、进气管上的真空软管等处存在泄漏。

如果真空泄漏使混合气空燃比达到17以上时，就可引起因混合气过稀而发生的缺火，造成排气氧含量增大。

（4）喷油系统故障。

个别缸喷油器的喷油量过多或过少（喷油器卡在开的位置或堵塞），造成混合气过浓或过稀。

当个别缸的混合气空燃比达到13以下或17以上时，将可能引起缺火，亦可造成排气氧含量异常。

3氧传感器波形异常分析

（1）喷油系统故障引起缺火时的氧传感器波形分析

图4-4是喷油器损坏后的氧传感器波形。

此例中，排气中氧不均衡或存在缺火使氧传感器电压波形产生严重杂波，这些杂波彻底毁坏了燃料反馈控制系统对混合气的控制能力。

在图形上表现为氧传感器的信号电压波形的尖峰，覆盖氧传感器的整个信号电压范围。

通过更换喷油器以后，发动机工作恢复正常，且氧传感器信号波形也恢复正常。

图4-4喷油器损坏的氧传感器信号电压波形故障分析

（2）真空泄漏故障的氧传感器波形分析

图4-5为某发动机在2500r/min时的氧传感器波形。

故障为个别汽缸的进气歧管真空泄漏。

对图中波形分析可以得出：

真空泄漏使混合气过稀，每当真空泄漏的汽缸排气时，氧传感器就产生一个低电压尖峰，一系列的低电压尖峰在波形中形成了严重的杂波。

而平均电压高达536mV则说明燃料反馈控制系统的反应是正确的。

因为当氧传感器向微机控制系统反馈低电压信号时，燃料反馈控制系统使汽缸内的氧气立即加浓，排气时氧传感器对此反映为高电压信号。

图4-5真空泄漏故障

（3）间歇性缺火故障的氧传感器波形分析

图4-6为某发动机在2500r/min时的氧传感器波形。

该波形反映出点火系统存在间歇性缺火故障。

波形两边部分显示正常，但波形中段严重的杂波表明燃烧极不正常，甚至缺火。

如前述，由于缺火时汽缸内的氧“未经消化”即排出缸外，致使氧传感器波形出现一系列的低压尖峰，形成严重的杂波。

同时，整个波形显示燃料反馈控制系统的反应是正常的。

从波形上看，其数秒的间歇性杂波表明压缩泄漏或真空泄漏的可能性较小，应对点火系做进一步检查，以确定具体故障原因。

图4-6发动机间歇点火故障波形图

（4）氧传感器异常波形的分析结论

对于喷油系统和点火系统故障以及真空泄漏、压缩泄漏引起的氧传感器的信号波形严重杂波，其形态会有一定的区别。

但对不同的车型，明确区分是比较困难的。

要想学会区分不同杂波所对应的故障，最好的方法就是观察在不同行驶里程下同一类型汽车氧传感器的信号电压波形，并加以分析比较。

不过，可以肯定的是如果你检测出氧传感器信号波形出现非常严重的杂波，就可以推测这可能是缺火所引起的发动机故障。

一般来说，点火失误引起的严重杂波，氧传感器波形大多处在低电压位置，喷油器损坏引起喷油滴漏和各缸喷油不均匀则可能使氧传感器电压波形大多处于高电压位置。

结束语

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。

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后记

本论文能完成，要感谢程美老师在选题及研究过程对我的悉心指导，并为我指点迷津，帮助我开拓写作的思路，精心点拨。

感谢汽车工程系的每一位老师，感谢他们对我三年来的教育和培养。

同时我还要谢谢和我在一起度过愉快的大学生活的高汽电0902班的全体同学，谢谢你们陪我一起走过三年学习生涯。