浅谈氧传感器的故障分析与诊断

浅谈氧传感器的故障分析与诊断默认分类2008-03-2910:42阅读464评论4字号：大中小作者：王和平时间：2007年6月2日[摘要]本文首先阐述了氧传感器在电控发动机排放控制中的重要性，然后介绍了氧传感器的种类及影响氧传感器的因素。接着结合氧传感器的波形对氧传感器的技术状况进行了分析，并列举出了故障实例。主题词：氧传感器、空燃比、氧传感器的故障诊断论文主题：1、氧传感器在电控发动机排放控制中的重要性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，三元催化器对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。2、氧传感器的种类及氧传感器在汽车上安装的重要性目前，实际应用的氧传感器有氧化锆式氧传感器和氧化钛式氧传感器两种。而常见的氧传感器又有单引线、双引线、三引线及四引线之分，；单引线的为氧化锆式氧传感器；双引线的为氧化钛式氧传感器；三引线和四引线的为加热型氧化锆式氧传感器，原则上四种引线方式的氧传感器是不能替代使用的。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，必须及时的排除故障或更换。空燃比对排气中碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的含量有很大影响，在空燃比低于14.7：1时，HC及CO含量降低；如果空燃比高于14.7：1时，HC及CO含量迅速上升。但是，降低空燃比会导致燃烧温度升高，排气中的氮氧化合物（NOX）升高。所以，理想的空燃比应在接近14.7：1的很小范围内。另外三元催化转化器的转化效率只有在空气系数为1的很小范围内最高。如图1所示三元催化转化器对发动机的排放控制具有极其重要的意义。没有三元催化转化器就不可能满足欧洲排放法规。第二代车载故障诊断系统(OBD-Ⅱ)具1有对三元催化转化器进行故障诊断的功能。图1三元催化转换效率图而为了对三元催化转化器进行故障诊断，必须在它的前和后各装一个氧传感器(图2)。图2发动机闭环控制系统正常运行的三元催化转化器因其储氧能力而使后氧传感器的动态响应与前氧传感器相比明显差，后氧传感器动态响应曲线的振幅非常小(图3a)。反之，如果后氧传感器信号电压的波形非常接近前氧传感器，只不过相位略滞后(图3b)，则ECU认为三元催化转化器效率过低。因此通过观察前氧传感器和后氧传感器的波形就能判断三元催化转化器是否失效。图3a正常图形图3b非正常图形3、氧传感器的故障诊断3.1前氧传感器信号电压超出可能范围氧传感器信号电压在空气过量因数λ=1处发生阶跃。如图4所示，ECU为氧传感器提供了一个450mV电压。在稳定工况下，如果λ＜1，则氧传感器信号电压约为1000mV；如果λ＞1，则此信号电压约为100mV。如前所述，当ECU进入闭环控制后，氧传感器信号电压应在1000mV和100mV之间不断地波动(图5a)。在加速和减速工况下退出闭环控制，加速工况下混合气加浓，该信号电压应接近1000mV；减速工况下混合气变稀，该信号电压应按近100mV。如果在ECU进入闭环控制后该信号电压保持低于175mV达15s，或者在加速工况下该信号电压保持低于600mV达15s，则ECU认为该传感器信号电压偏低，不可信。如果在ECU进入闭环控制后信号电压保持高于800mV达15s，或者在减速工况下该信号电压保持高于110mV达15s，则ECU认为该传感器信号电压偏高，不可信。此时，在满足下列条件的情况下ECU将设置前氧传感器信号电压超出可能范围的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录。图4氧传感器电压输出特性图3.2前氧传感器信号电压响应速度过低如图5b和图5c所示，随着氧传感器的老化，其信号电压响应速度越来越低，表现为动态响应曲线趋于平缓。在ECU进入闭环控制的情况下，ECU连续监测氧传感器一段时间(例如100s)，记录其信号电压，每次从低于300mV到高于600mV(混合气从稀到浓)和从高于600mV到低于300mV(混合气从浓到稀)跳变所经历的时间及跳变的次数，简单的说氧传感器输出电压的跳变数量每10秒钟变化不少于8次，如达不到则ECU认为该氧传感器已老化。在此以特别注意：如果缺少以下几种信号，ECU将设置前氧传感器信号电压响应速度过低的故障信息记录：节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录。图5氧传感器动态响应曲线3.3前氧传感器信号电压跳变频率过低由图5不难看出，随着氧传感器的老化，信号电压跳变的频率逐渐减小，如果在闭环控制的情况下，100s的监测期间中信号电压从低到高和从高到低的跳变次数均小于45次，则ECU认为该氧传感器已老化。3.4前氧传感器活性不足如前所述，在闭环控制的情况下，氧传感器信号电压应在100mV-1000mV不断地跳变，这是氧传感器有活性的表现。如果该信号电压稳定在450mV附近，即在400mV和500mV之间达30s以上，则不论ECU是否进行闭环控制，均表明该传感器活性不足或信号电路为开路。此时，在满足下列条件的情况下ECU将设置前氧传感器活性不足的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统、缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录。3.5前氧传感器加热器加热过慢发动机起动后，氧传感器的加热器通电加热氧传感器，使它很快得到活性，也就是很快令其信号电压或者低于300mV，或者高于600mV，而不会停留在300mV-600mV。不论ECU是否进行闭环控制，只要发动机起动后前氧传感器信号电压停留在300mV-600mV的时间超出规定值(45s)，ECU记录氧传感器故障。在满足下列条件的情况下，ECU将设置前氧传感器加热器加热过慢的故障信息记录：没有节气门位置传感器、燃油蒸发排放控制系统缺火、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、燃油调节、喷油器、废气再循环阀位置传感器、冷却液温度传感器，曲轴位置传感器和空气流量传感器的故障信息记录；在有些系统中，例如BOSCH公司的Motronic系统中，ECU直接监测氧传感器加热器的电阻值并检验其可信度。3.6后氧传感器故障诊断在三元催化转化器后加设一个氧传感器，这是OBD-Ⅱ区别于OBD-Ⅰ的重要标志之一。后氧传感器的首要任务是与前氧传感器相配合，对三元催化转化器进行故障监测。其次才是作为前氧传感器的补充，进行闭环控制。由于三元催化转化器对废气中的氧有储存作用，后氧传感器的动态响应曲线自然与前氧传感器不同，所以故障的判别标准也有区别。3.7后氧传感器信号电压超出可能范围与前氧传感器信号电压过低或过高故障监测程序的差别在于，后氧传感器的无故障判别标准较为宽松，被判为故障的指示数值范围更小，即信号电压在ECU进行闭环控制情况下低于75mV达150s，才算过低；高于999mV或在减速工况下须高于200mV达105s，才算过高。3.8后氧传感器活性不足后氧传感器被判为活性不足的指标数值范围也比前氧传感器小。如果说前氧传感器信号电压在400mV-500mV保持达30s为活性不足的话，那么后氧传感器信号电压在425mV-475mV，保持100s才是活性不足。3.9后氧传感器加热器加热过慢发动机起动后后氧传感器得到活性前所经历的时间超过215s才算加热器有故障。4.故障实例捷达5气门发动机，行驶里程1万公里故障现象：怠速抖动、冒黑烟，最高车速60km/h故障原因：氧传感器失效故障排除：阅读故障码，读得三个故障码00533（怠速自适应超限）、00553（空气流量计信号不可靠-偶发）、00518（节起门控制组件故障-偶发）。清除故障码后发动机恢复正常运转，不再冒黑烟，再次读码没有故障码。可不到一个月又出现上述故障，接上示波器观察氧传感器波形，发现氧传感波形已没有明显变化，电压脉冲在0.11v左右。诊断到此，故障已明了，由于氧传感器输出脉冲信号很低，这样就使发动机电脑认为混合器太稀而加大喷油量，而当混合器过浓造成怠速调节超限时，发动机控制单元便认为空气流量计信号不可靠，即空气流量计信号点压过低，不可信。而捷达5阀汽车为直动式怠速控制系统，它是通过怠速电机通过传动机构直接控制节气门的开度的，而发动机电脑发出了控制指令，而执行机构不能很好的执行，电脑认为节气门控制组件出现故障，从而在发动机控制单元生成上述三个故障码。由于氧传感器的失效是要经过一个过程的，随着时间的推移氧传感器的故障现象表现的明朗起来，更换氧传感器后故障彻底排除。故障原因：由于这个车辆经常去外地，经常去一些小加油站加油，加了含铅的汽油，因此造成氧传感器铅中毒致而导致失效。总结：对于氧传感器器的故障直接的表现形式就是尾气排放超标，引起排放超标的故障原因有很多种，只要掌握其基本的工作原理才能对汽车电控部分的故障进行分析、判断以及排除。