氧傳感器在電控汽車故障診斷中的應用

孫晟新，張忠洋，衛(wèi)紹元

(遼寧工業(yè)大學)

1 氧傳感器的結構和功用

1.1 氧傳感器的類型和結構

氧化鋯式氧傳感器元件是一陶瓷管，其結構原理如圖1所示。外側(cè)通排氣，內(nèi)側(cè)通大氣。當陶瓷管的溫度較高(高于300～400℃)時，氧氣發(fā)生電離成為氧離子，即具有固態(tài)電解質(zhì)的特性。正是利用這一特性，將氧氣的濃度差轉(zhuǎn)化成電勢差，從而形成電信號輸出。當混合氣偏稀時，排氣中氧的含量較多，兩側(cè)濃度差小，只產(chǎn)生小的電壓(約0.1 V);反之，當混合氣偏濃時，排氣中氧的含量較少，兩側(cè)濃度差大，產(chǎn)生高電壓(約0.9 V)。

圖1 氧化鋯式氧傳感器的結構

1.2 氧傳感器的功用

當氧傳感器達到其工作溫度(＞300℃)以后，就會使發(fā)動機電控系統(tǒng)進入閉環(huán)控制模式。氧傳感器將尾氣中的氧含量以電壓信號的形式反饋給ECU，ECU接收到該信號后，經(jīng)計算、分析、判斷，向噴油器等執(zhí)行器發(fā)出控制指令，修正噴油脈寬等參數(shù)，使發(fā)動機能夠在正常工作的前提下，更加節(jié)能和環(huán)保。

現(xiàn)在有的電控汽車上安裝有兩個氧傳感器，位于三元催化轉(zhuǎn)換器的前后，分別稱為前氧傳感器和后氧傳感器。其目的是通過前后兩個氧傳感器所反映的氧含量(即信號電壓值)的對比，來監(jiān)測三元催化轉(zhuǎn)化器對于尾氣中的HC、CO和NOx的轉(zhuǎn)化凈化能力，進而判斷三元催化轉(zhuǎn)換器工作性能是否良好。前氧傳感器將其獲得的空燃比信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸送給發(fā)動機ECU，ECU根據(jù)此信號來判斷混合氣的濃與稀的程度是否適合發(fā)動機此時的運行工況，及時修正噴油器的噴油脈寬、節(jié)氣門的開啟角度和點火提前角等參數(shù)，以滿足發(fā)動機對動力性、燃油經(jīng)濟性和環(huán)保的要求。

2 氧傳感器的工作特性

氧傳感器是以電壓信號的形式向ECU傳遞信號數(shù)據(jù)的。氧傳感器的特性曲線如圖2所示，由圖2可知，當混合氣在理論空燃比14.7∶1(即過量空氣系數(shù)λ=1)附近時，氧傳感器的輸出電壓發(fā)生急劇性突變，輸出電壓值在450 mV上下跳動;當過量空氣系數(shù)λ＜1(即空燃比較小，混合氣偏濃)時，排氣中的氧含量較少，氧傳感器“感知”出一個較高的電壓信號進行輸出;當過量空氣系數(shù)λ＞1(即空燃比較大，混合氣偏稀)時，排氣中的氧含量較多，氧傳感器此時會“感知”出一個較低的電壓信號進行輸出。氧傳感器的輸出信號存在兩個極值點:當過量空氣系數(shù)過小(混合氣過濃)時，氧傳感器感知到最高信號電壓值，大約900 mV左右;當過量空氣系數(shù)過大(混合氣過稀)時，氧傳感器感知到的信號電壓值臨近100 mV左右的最小值。不論混合氣是過稀還是過濃，都對發(fā)動機的正常運行和尾氣排放造成不利影響。在電控系統(tǒng)中，要準確地保證混合氣濃度為理想值是不可能的，實際上的反饋閉環(huán)控制只能使混合氣在理論空燃比附近一個狹小的范圍內(nèi)波動。該參數(shù)在發(fā)動機熱車后以中速(1 500～2 000 r/min)運動時，呈現(xiàn)濃稀的交替變化或輸出電壓在100～900 mV之間來回變化，每10 s內(nèi)變化次數(shù)應大于8次(0.8 Hz)。

3 氧傳感器的故障診斷分析

實踐證明:若氧傳感器的工作電壓不隨著發(fā)動機工況的改變而發(fā)生變化，一直顯示在0.3V以下或者0.6V以上都表明氧傳感器存在故障。由于氧傳感器的工作電壓不正?？赡芤鸬闹饕收嫌?汽車加速不良、冒黑煙、有時突然熄火等現(xiàn)象。

圖2 氧傳感器的特性曲線

加速不良當汽車欲從低速檔位變換到高速檔位進行加速行駛時，如果氧傳感器表面有積碳或被污染，造成工作電壓不正常，此時顯示的是較高的電壓信號值，通過閉環(huán)控制反饋給發(fā)動機ECU的是一個混合氣較濃的的信號，ECU就會誤認為上一工作循環(huán)噴油器的噴油量過多，下一工作循環(huán)就會對噴油器發(fā)出減少噴油量的控制指令以修正噴油脈寬，同時會適當增加節(jié)氣門開啟的角度，以改變混合氣的空燃比使其趨近于理論空燃比附近。但此時汽車準備加速行駛，需要發(fā)動機提供更多的燃油，這就造成了汽車加速不良的故障現(xiàn)象出現(xiàn)。

冒黑煙，當氧傳感器表面形成積碳或被污染時，氧傳感器的阻值增大，氧傳感器感應出的信號電壓值降低，反饋給發(fā)動機ECU一個與實際不符的稀混合氣的信號。ECU就會根據(jù)此信號對噴油器發(fā)出增加噴油量的控制指令，使得混合氣變濃，導致過量的燃油蒸汽沒有經(jīng)充分燃燒就被排入大氣，出現(xiàn)汽車尾氣冒黑煙、排放超標，對環(huán)境造成污染。

有時突然熄火現(xiàn)代轎車點火系統(tǒng)多采用無觸點的電子控制點火系統(tǒng)。這種點火系統(tǒng)是由發(fā)動機ECU根據(jù)與點火控制系統(tǒng)有關的各傳感器輸入信號對點火時刻、點火能量進行控制的。氧傳感器就是與電子控制點火系統(tǒng)有關的傳感器之一。當氧傳感器的工作電壓不穩(wěn)或者是工作不正常，就會向發(fā)動機ECU輸送錯誤的混合氣濃或稀的反饋信號，發(fā)動機ECU接收到此信號后，會結合其他相關傳感器的輸入信號進行綜合分析、計算并做出判斷，就會導致對點火時刻、點火能量發(fā)出錯誤的控制指令，使點火系統(tǒng)出現(xiàn)點火時刻異常甚至紊亂、點火能量不足等嚴重故障，最終導致發(fā)動機運行過程中突然熄火。

造成氧傳感器的工作電壓不正常，除了其表面形成積碳等使其電阻值發(fā)生變化的原因以外，還有可能是氧傳感器本身的工作特性發(fā)生了變化造成的。要想判斷氧傳感器的工作特性是否發(fā)生改變，對其工作時的動態(tài)數(shù)據(jù)流進行分析是很關鍵的。下面就結合一具體的實例利用動態(tài)數(shù)據(jù)流功能診斷和分析電控汽車的氧傳感器的故障。

4 故障診斷實例

(1)故障現(xiàn)象。一大眾AJR 1.8L發(fā)動機冷啟動著車，在5 min內(nèi)自動熄火，當再次啟動著車后，發(fā)動機怠速發(fā)抖，7～8 min內(nèi)再次自動熄火，無故障代碼。

(2)診斷流程。由于無故障代碼，無法判斷故障發(fā)生的部位。根據(jù)故障現(xiàn)象分析，該發(fā)動機可能是燃油供給系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。根據(jù)這種分析，首先用燃油壓力表對燃油壓力進行了檢測，從檢測結果來看，并未發(fā)現(xiàn)異常情況，燃油系統(tǒng)油壓正常，那么有可能是電控系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。沒有故障碼存在，如何對電控系統(tǒng)進行診斷分析呢?當遇到這樣的情況時，對于很多汽車維修人員來說就遇到了難題。在這個時候，不要忘記發(fā)動機綜合智能分析儀還有一個很重要的功能——動態(tài)數(shù)據(jù)流分析。所謂數(shù)據(jù)流，就是電控發(fā)動機在現(xiàn)實運行中，反映傳感器和執(zhí)行器工況的一系列數(shù)值所組成的數(shù)據(jù)塊。由于是分別顯示各個數(shù)值，因此，習慣上把它稱作“數(shù)據(jù)流”。當然，它本身不具備分析和判斷數(shù)據(jù)流變化情況是否正常這種能力，但它可以提供給我們多組很重要的動態(tài)變化的數(shù)據(jù)流，維修人員可以根據(jù)其中幾組可能與故障有關的數(shù)據(jù)流進行綜合分析，以縮小診斷范圍，對可能的故障點做出一個判斷。

從綜合分析儀中讀取動態(tài)數(shù)據(jù)流的步驟為:首先將KT600接到發(fā)動機的診斷插座上，啟動發(fā)動機，將KT600開啟使其運行，然后進入“汽車診斷”模塊，選擇大眾車系，再進入“發(fā)動機”模塊，最后在發(fā)動機模塊所顯示的界面中選擇“讀取動態(tài)數(shù)據(jù)流”選項，讀取并記錄發(fā)動機在怠速工況下5 min之內(nèi)的一些主要數(shù)據(jù)流的動態(tài)變化情況，詳見表1。

表1 AJR發(fā)動機怠速時動態(tài)數(shù)據(jù)流變化情況

(3)動態(tài)數(shù)據(jù)流的綜合分析

通過對表1中的動態(tài)數(shù)據(jù)流進行對比分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的波動變化較大，在怠速狀態(tài)下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速應該在80 030 r/min范圍內(nèi)。點火提前角較小，在怠速狀態(tài)下，點火提前角應該在124.5°范圍內(nèi)。有兩個參數(shù)信號異常，究竟是哪一個參數(shù)是造成發(fā)動機故障的主要因素，需要作進一步判斷。

緩慢勻速踩下加速踏板，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和點火提前角均隨節(jié)氣門開大而均勻增加，信號反應和數(shù)據(jù)值都正常，卻發(fā)現(xiàn)在節(jié)氣門開度增加的過程中，氧傳感器信號電壓卻始終在0.4V左右波動，即使是節(jié)氣門全開的情況下也從未超過0.5 V，點火提前角的數(shù)值也偏小一些。在快速踩下油門踏板時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和點火提前角數(shù)據(jù)值均正常，氧傳感器信號數(shù)據(jù)值依然如故。根據(jù)數(shù)據(jù)流的關聯(lián)分析可以判斷，由于氧傳感器的工作特性發(fā)生了變化，不能隨著節(jié)氣門的開大而信號值升高。因而ECU接收到錯誤的反饋信號，發(fā)出錯誤的指令，導致不能及時地對噴油脈寬進行準確修正，導致在發(fā)動機起動時，噴油量過多，混合氣過濃，而出現(xiàn)啟動困難;在發(fā)動機怠速時，由于反饋信號失真，ECU不能及時地對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行修正，導致發(fā)動機在怠速時發(fā)抖。

更換了氧傳感器，再進行測試，故障現(xiàn)象消失。

5 結論

綜上所述，當氧傳感器的工作特性發(fā)生變化，會造成發(fā)動機閉環(huán)控制失真，上述診斷實例說明，除了氧傳感器信號電壓一直顯示在0.3V以下或者0.6V以上表明氧傳感器存在故障，當其信號電壓值一直不超過0.5 V時也表明氧傳感器發(fā)生了故障。

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