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电控汽车波形分析——氧传感器波形分析李亮基本概念•①上流动系统(UpstreamSystem)•上流动系统是指位于氧传感器前的，包括传感器、执行器和发动机ECU的发动机各系统(包括辅助系统)，即在氧传感器之前的影响尾气的所有机械部件和电子部件，例如：进气系统、废气再循环系统和发动机电子控制系统等。•②下流动系统(DownstreamSystem)•下流动系统是指位于氧传感器后面的排气系统部件，包括三效催化转化器、排气管和消声器等。③闭环(CloseLoop)闭环是指发动机ECU根据氧传感器的反馈信号不断地调整混合气的空燃比，使其值符合规定。根据氧传感器的信号波形可以判断系统是否已经进入闭环控制状态。用波形测试设备测得的发动机起动后的氧传感器输出的信号电压波形如图所示。发动机起动后的氧传感器输出的信号电压波形•由图可以看出发动机起动后氧传感器输出的信号电压先逐渐升高到450mV，然后进入升高和下降(混合气变浓和变稀)的循环(右侧图形)，后者表示燃油反馈控制系统进入了闭环状态。•当然，只有当氧传感器在无故障的时候氧传感器的信号电压波形才能反映燃油反馈控制系统的状况；•如果氧传感器有故障，那么它所产生的波形就不反映燃油反馈控制系统的状况。氧传感器信号波形的检测•测试氧传感器信号波形有2种常用的方法：•丙烷加注法和急加速法。•按照波形测试设备使用手册连接好波形测试设备•①丙烷加注法检测氧传感器信号波形•氧传感器信号测试中有3个参数(最高信号电压、最低信号电压和混合气从浓到稀时信号的响应时间)需要检查，只要在这3个参数中有1个不符合规定，氧传感器就必须予以更换。•更换氧传感器以后还要对新氧传感器的这3个参数进行检查，以判断新的氧传感器是否完好。•测试步骤(氧化钛型传感器和氧化锆型传感器都适用)是：•1.连接并安装加注丙烷的工具。•2.把丙烷接到真空管入口处(对于有PCV系统或制动助力系统的汽车应在其连接完好的条件下进行测试)。•3.接上并设置好波形测试设备。•4.起动发动机，并让发动机在2500r/min下运转2min～3min。•5.使发动机怠速运转。•6.打开丙烷开关，缓慢加注丙烷，直到氧传感器输出的信号电压升高(混合气变浓)，此时一个运行正常的燃油反馈控制系统会试图将氧传感器的信号电压向变小(混合气变稀)的方向拉回；•然后继续缓慢地加注丙烷，直到该系统失去将混合气变稀的能力；•接着再继续加注丙烷，直到发动机转速因混合气过浓而下降100r/min～200r/min。这个操作步骤必须在20s～25s内完成。•7.迅速把丙烷输入端移离真空管，以造成极大的瞬时真空泄漏(这时发动机失速是正常现象，并不影响测试结果)，然后关闭丙烷开关。8.待信号电压波形移动到波形测试设备显示屏的中央位置时锁定波形，测试完成。接着就可以通过分析信号电压波形来确定氧传感器是否合格。一个好的氧传感器应输出如图所示的信号电压波形，其3个参数值必须符合表所列的值。氧传感器标准信号电压波形•氧传感器信号波形参数标准•序号测量参数允许范围•1最高信号电压850mV•（左侧波形）•2最低信号电压75~175mV•（右侧波形）•混合气从浓到稀的100ms(波形中在300•3最大允许响应时间~600mV之间的下降•（波形的中间部分）段应该是上下垂直的）•一个已损坏的氧传感器可能输出如图所示的信号电压波形，其中，最高信号电压下降至427mV，最低信号电压0V，混合气从浓到稀时信号的响应时间却延长为237ms，所以这3个参数均不符合标准。已损坏的氧传感器信号电压波形•用汽车波形测试设备对氧传感器进行测试时可以从显示屏上直接读取最高和最低信号电压值，并且还可以用波形测试设备游动标尺读出信号的响应时间(这是汽车波形测试设备特有的功能)。•汽车波形测试设备还会同时在其屏幕上显示测试数据值，这对分析波形非常有帮助。•如果在关闭丙烷开关之前，发动机怠速运转时间(即混合气达到过浓状态的时间)超过25s，则可能是氧传感器的温度太低，这不仅会使信号电压的幅值过低而且还会使输出信号下降的时间延长，造成氧传感器不合格的假象。•因此，在检测前应将氧传感器充分预热(即让发动机在2500r/min下运转2min～3min)。•如果发动机仅怠速运转5s，就可能有1个或多个参数不合格，而这个不合格并不说明氧传感器是坏的，只是测试条件没有满足的缘故。•多数损坏的氧传感器都可以从其信号电压波形上明显地分辨出来。•如果从信号电压波形上还无法准确地断定氧传感器的好坏，则可以用波形测试设备上的游动标尺读出最大和最小信号电压值以及信号的响应时间，然后用这3个参数来判断氧传感器的好坏。②急加速法检测氧传感器信号电压波形•对有些汽车，用丙烷加注法测试氧传感器信号电压波形是非常困难的，因为这些汽车的发动机控制系统具有真空泄漏补偿功能(采用速度密度方式进行空气流量的计量或安装了进气压力传感器等)，能够非常快地补偿较大的真空泄漏，所以氧传感器的信号电压决不会降低。•这时，在测试氧传感器的过程中就要用手动真空泵使进气压力传感器内的压力稳定，然后再用急加速法来测试氧传感器。•急加速法测试步骤如下：•1.以2500r/min的转速预热发动机和氧传感器2min～6min。•然后再让发动机怠速运转20s。•2.在2s内将发动机节气门从全闭(怠速)至全开1次，共进行5次～6次。•特别提醒：不要使发动机空转转速超过4000r/min，只要用节气门进行急加速和急减速就可以了。•3.定住屏幕上的波形(图)，•接着就可根据氧传感器的最高、最低信号电压值和信号的响应时间来判断氧传感器的好坏。•在信号电压波形中，上升的部分是急加速造成的，下降的部分是急减速造成的。急加速法测试时氧传感器的信号电压波形氧化钛型氧传感器•氧化钛型氧传感器是用于输出信号为5V或1V的可变电阻，其工作原理与发动机冷却液温度传感器(ECT)和进气温度传感器(IAT)相似。•ECT和IAT都是一个可变电阻器，其电阻值随着温度的变化而变化；氧化钛型氧传感器的电阻值则随其周围氧含量的变化而变化。•发动机电控单元为读取这个可变电阻两端的电压降，通常都要给它提供一个参考工作电压，一般是1V(也有的是5V)，氧化钛型氧传感器输送给发动机电控单元的是一个稍低的反映混合气空燃比变化的变化电压(信号电压)。•大多数氧化钛型氧传感器用在多点燃油喷射系统中，氧传感器用5V电源，在其他汽车上用1V电源。•除了少数5V氧化钛型氧传感器系统以外，多数汽车氧化钛型氧传感器都具有与氧化锆型氧传感器相同的性能。•少数与氧化锆型氧传感器信号波形不同的5V氧化钛型氧传感器信号波形有2个特点：•1.信号电压的变化是从0V到5V，而不是从0V到1V。•2.信号电压与其他氧传感器的信号电压相反：混合气浓时电压低，混合气稀时电压高(图)。•氧化钛型氧传感器和氧化锆型氧传感器的信号响应时间一般是相同的。氧化钛型氧传感器的信号电压波形不同燃油喷射系统中的氧传感器波形•通常有2种不同的燃油喷射系统：节气门体燃油喷射(TBI)系统和多点式燃油喷射(MFI)系统。由于它们的结构、原理不同，其氧传感器的信号也稍有不同。•①节气门体燃油喷射系统氧传感器信号电压波形•节气门体燃油喷射系统(又称单点式燃油喷射系统)只有一个喷油器，由于系统的机械元件少了，所以它只需用较少的时间就可以响应系统的燃油控制命令，较迅速地改变喷油器的喷油量。•因此，在相同的时间内，该系统氧传感器信号电压变化的频率较高，其频率为0.2Hz(怠速时)～3Hz(2500r/min时)，如图所示。典型单点式燃油喷射系统氧传感器的信号电压波形②多点式燃油喷射(MFI)系统氧传感器信号电压波形•多点式燃油喷射系统由于大大改变了电子与机械部分设计，因而性能超过节气门体（单点式）燃油喷射系统。•该系统的进气通道明显缩短，从节气门体燃油喷射系统的喷油器到进气门的距离没有了，氧传感器信号电压变化的频率为0.2Hz(怠速时)～5Hz(2500r/min时)，如图所示。•因此，该系统对燃油的控制更精确，氧传感器的信号电压波形更标准，三效催化转化器的效果更好。•但因该系统分配至各气缸的燃油也不完全相等，所以氧传感器的信号电压波形会产生杂波或尖峰。典型多点式燃油喷射系统氧传感器的信号电压波形双氧传感器信号电压波形分析•在许多汽车发动机的燃油反馈控制系统中，安装了2只氧传感器。•为适应美国环境保护署(EPA)对废气控制的要求，从1994年起有些汽车在三效催化转化器的前后都装有1只氧传感器，这种结构在装有OBD－Ⅱ的汽车上可用于检查三效催化转化器的性能，在一定情况下还可以提高对混合气空燃比的控制精度。•由于氧传感器信号的反馈速度快，其信号电压波形就成为最有价值的判断发动机性能的依据之一。对汽车维修人员来说，氧传感器安装得越多，好处就越多。•通常，氧传感器的位置越靠近燃烧室，燃油控制的精度就越高，这主要是由尾气气流的特性(例如尾气的流动速度，排气通道的长度和传感器的响应时间等)决定的。•许多制造厂在每个气缸的排气歧管中都安装1只氧传感器，这就使汽车维修人员容易判断出工作失常的气缸，减少判断失误。•在许多情况下只要能迅速地判断出大部分无故障的气缸(至少为气缸总数的1/2以上)，就能缩短故障诊断时间。•双氧传感器信号电压波形及分析如图所示双氧传感器信号电压波形分析•一个工作正常的三效催化转化器，在配上燃油反馈控制系统后就可以保证将尾气中的有害成分转变为相对无害的二氧化碳和水蒸气。•但是，三效催化转化器会因温度过高(如点火不良时)而损坏(催化剂有效表面减少和板块金属烧结)，也会因受到燃油中的磷、铅、硫或发动机冷却液中的硅的化学污染而损坏。•OBD－Ⅱ诊断系统的出现改进了三效催化转化器的随车监视系统。•在汽车匀速行驶时，安装在三效催化转化器后的氧传感器信号电压的波动应比装在三效催化转化器前的氧传感器(前氧传感器)信号电压的波动小得多(图a)，因为正常运行的三效催化转化器在转化HC和CO时要消耗氧气。•OBD－Ⅱ监视系统正是根据这个原理来检测三效催化转化器转化效率的。•当三效催化转化器损坏时，三效催化转化器的转化效率丧失，这时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效催化转化器)，前、后两氧传感器的信号电压波形就趋于相同(图b)，并且电压波动范围也趋于一致。•出现这种情况应更换三效催化转化器。氧传感器的杂波分析•杂波可能是由于燃烧效率低造成的，它反映了发动机各缸工作性能以及三效催化转化器工作效率降低的状况。•对杂波的分析是尾气分析中最重要的内容，因为杂波会影响燃油反馈控制系统的正常运行，使反馈控制程序失去控制精度或“反馈节奏”，导致混合气空燃比超出正常范围，从而影响三效催化转化器的工作效率以及尾气排放和发动机性能。•杂波信号的幅度越大，各个燃烧过程中氧气量的差别越大。•在加速方式下，能够与碳氢化合物(HC)相对应的氧传感器杂波（波形的峰值毛刺）是一种非常重要的信息，因为它表示发动机在加大负荷的情况下出现了断火现象。•杂波还说明由于进入三效催化转化器的尾气中的氧含量升高而造成NOx的增加，因为在浓氧环境(稀混合气条件)下三效催化转化器中的NOx无法减少。•在燃油反馈控制系统完全正常时，氧传感器信号电压波形上的少量杂波是允许的，而大量杂波则是不能忽视的。•需要学会区分正常的杂波和不正常杂波的方法，而最好的学习方法就是观察在不同行驶里程下不同类型轿车氧传感器的信号电压波形。•一张所修轿车的标准氧传感器信号电压波形图，能帮助维修人员了解怎样的杂波是允许的、正常的，而怎样的杂波是应该注意的。•关于杂波的标准是：在发动机性能良好状态下(没有真空泄漏，尾气中的HC和氧含量正常)，氧传感器信号电压波形中所含的杂波是正常的。•①杂波产生的原因•氧传感器信号电压波形上的杂波通常是由发动机点火不良、结构原因(如各缸的进气管道长度不同)、零件老化及其他各种故障(如进气管堵塞、进气门卡滞等)引起的。其中，由点火不良引起的杂波呈高频毛刺状，造成点火不良的原因有：•1.点火系统本身有故障(如火花塞、高压线