氧化锆传感器在发动机故障诊断中的应用 发动机, 传感器, 氧化锆, 电信号, 混合气

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1　氧化锆氧气传感器的结构和功用
1.1　氧化锆氧气传感器的概述
氧化锆氧气传感器是排气氧化锆氧气传感器EGO （Exhaust Oxygen Sensor）的简称，其功能是通过检测排气中氧离子的含量来获得混合气的空燃比信号，并将该信号转变为电信号输入ECU。ECU根据（入）控制在0.98-1.02之间的范围内，使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到降低有害气体排放量和节约燃油之目的。
氧化锆氧气传感器安装在汽车的排气管上，头部装进排气管内，尾部暴露在空气中。空气可以从尾部流入传感器内部 （氧化锆式），传感器外部跟废气直接接触，这样当氧离子在错管中扩散时，错管内外表面之间的电位差将随可燃混合气浓度变化而变化，即错管相当于一个氧浓差电池，传感器的信号源相当于一个可变电源。在有的电控汽车上安装有两个氧化锆氧气传感器，位于三元催化转换器的前后，分别称为前氧化锆氧气传感器和后氧化锆氧气传感器。其目的是通过前后两个氧化锆氧气传感器所反映的氧含量（ 即信号电压值） 的对比，来监测三元催化转化器对于尾气中的 HC、CO和 NOx 的转化净化能力，进而判断三元催化转换器工作性能是否良好。前氧化锆氧气传感器将其获得的空燃比信号转换为电压信号输送给发动机 ECU，ECU 根据此信号来判断混合气的浓与稀的程度是否适合发动机此时的运行工况，及时修正喷油器的喷油脉宽、节气门的开启角度和点火提前角等参数，以满足发动机对动力性、燃油经济性和环保的要求。
1.2　氧化锆氧气传感器的工作特性
氧化锆氧气传感器是以电压信号的形式向 ECU 传递信号数据的。氧化锆氧气传感器的特性曲线如图1所示，由图1可知，当混合气在理论空燃比14．7∶1（即过量空气系数λ=1）附近时，氧化锆氧气传感器的输出电压发生急剧性突变，输出电压值在 450 mV上下跳动； 当过量空气系数 λ＜1（即空燃比较小，混合气偏浓）时，排气中的氧含量较少，氧化锆氧气传感器“感知”出一个较高的电压信号进行输出； 当过量空气系数λ＞1（即空燃比较大，混合气偏稀）时，排气中的氧含量较多，氧化锆氧气传感器此时会“感知”出一个较低的电压信号进行输出。

氧化锆氧气传感器的输出信号存在两个极值点: 当过量空气系数过小（ 混合气过浓）时，氧化锆氧气传感器感知到最高信号电压值，大约 900mV左右；当过量空气系数过大（ 混合气过稀）时，氧化锆氧气传感器感知到的信号电压值临近100mV左右的最小值。不论混合气是过稀还是过浓，都对发动机的正常运行和尾气排放造成不利影响。在电控系统中，要准确地保证混合气浓度为理想值是不可能的，实际上的反馈闭环控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的范围内波动。该参数在发动机热车后以中速（1500-2000r/min）运动时，呈现浓稀的交替变化或输出电压在 100-900mV之间来回变化，每10s内变化次数应大于8次（0．8Hz）。
2　氧化锆氧气传感器在故障诊断中的作用
2.1　氧化锆氧气传感器在故障诊断中的作用
首先有时突然熄火现象的发生；现代轿车点火系统多采用无触点的电子控制点火系统。这种点火系统是由发动机 ECU 根据与点火控制系统有关的各传感器输入信号对点火时刻、点火能量进行控制的。氧化锆氧气传感器就是与电子控制点火系统有关的传感器之一。当氧化锆氧气传感器的工作电压不稳或者是工作不正常，就会向发动机 ECU 输送错误的混合气浓或稀的反馈信号，发动机 ECU 接收到此信号后，会结合其他相关传感器的输入信号进行综合分析、计算并做出判断，就会导致对点火时刻、点火能量发出错误的控制指令，使点火系统出现点火时刻异常甚至紊乱、点火能量不足等严重故障，最终导致发动机运行过程中突然熄火。
其次氧化锆氧气传感器安装在电喷发动机的排气管上，位于三元催化转化器的前面，用来检测排气中的氧浓度。当发动机开始运转后，氧化锆氧气传感器不断地向发动机电控单元（ECU）输人反馈信号，ECU便依据此信号修正电磁喷油器的喷油量，使混合气的浓度保持在最佳范围内。例如，如果ECU根据氧化锆氧气传感器的反馈信号判断出混合气过浓，则发出指令使喷油器减少喷油量，这样就对发动机的供给和排放系统实现了闭环控制，极大地减少了排气污染。
多数的电喷发动机在三元催化转化器的后面还装着一个氧化锆氧气传感器，两个氧化锆氧气传感器分别称为主、副氧化锆氧气传感器。电控单元依据副氧化锆氧气传感器的反馈信号来修正主氧化锆氧气传感器的信号误差，此外副氧化锆氧气传感器还可“监视”三元催化转化器的工作状态。一旦它输出的信号电压与主氧化锆氧气传感器的相似或同步，则意味着三元催化转化器工作不良或已经失效。
2.2　氧化锆氧气传感器故障的检测
当氧化锆氧气传感器出现故障后，可以使用电脑检测仪，通过故障诊断接口读取氧化锆氧气传感器的故障代码或其它有关信息。此外也可利用其它的方法进行检测、诊断，根据故障现象分析，该发动机可能是燃油供给系统出现了故障。
首先，用燃油压力表对燃油压力进行了检测，从检测结果来看，并未发现异常情况，燃油系统油压正常，那么有可能是电控系统出现了问题。没有故障码存在，如何对电控系统进行诊断分析呢? 当遇到这样的情况时，对于很多汽车维修人员来说就遇到了难题。在这个时候，不要忘记发动机综合智能分析仪还有一个很重要的功能——动态数据流分析。所谓数据流，就是电控发动机在现实运行中，反映传感器和执行器工况的一系列数值所组成的数据块。由于是分别显示各个数值，因此，习惯上把它称作“数据流”。当然，它本身不具备分析和判断数据流变化情况是否正常这种能力，但它可以提供给我们多组很重要的动态变化的数据流，维修人员可以根据其中几组可能与故障有关的数据流进行综合分析，以缩小诊断范围，对可能的故障点做出一个判断。
其次，缓慢匀速踩下加速踏板，发动机转速和点火提前角均随节气门开大而均匀增加，信号反应和数据值都正常，却发现在节气门开度增加的过程中，氧化锆氧气传感器信号电压却始终在0.4V左右波动，即使是节气门全开的情况下也从未超过0.5V，点火提前角的数值也偏小一些。在快速踩下油门踏板时，发动机转速和点火提前角数据值均正常，氧化锆氧气传感器信号数据值依然如故。根据数据流的关联分析可以判断，由于氧化锆氧气传感器的工作特性发生了变化，不能随着节气门的开大而信号值升高。因而 ECU 接收到错误的反馈信号，发出错误的指令，导致不能及时地对喷油脉宽进行准确修正，导致在发动机起动时，喷油量过多，混合气过浓，而出现启动困难；在发动机怠速时，由于反馈信号失真，ECU 不能及时地对发动机转速进行修正，导致发动机在怠速时发抖。更换了氧化锆氧气传感器，再进行测试，故障现象消失。
最后，通常采用一种快速试验方法。它是检查混合气电磁控制阀的动作，以取代直接测量传感器的输出电压。快怠速凸轮以高速运转3m，此时混合气控制线圈闭合接线接地；然后接线脱开接地，接上闭合角测试仪。关闭阻风门，怠速运转。闭合角原先如不在55度，应在2s内增至55度。接着，拆去制动助力器处的真空软管，闭合角应在2s内降为6，如果传感器响应此过程，就是良好的。
３　案例分析

（１）故障现象。一辆捷达GTX电喷发动机轿车，在使用过程中出现排气管冒黑烟、油耗高、怠速不稳等故障。
（２）故障排除过程。用专用仪器VAG1552检查发动机电控系统，显示空气流量计有故障，但测量空气流量计的线路及电阻都正常，进一步检查“08读取测量数据块”中的显示组033的第二区，检查氧化锆氧气传感器的电压值在0.1～0.2V之间变动（正常情况应该在0.1～0.9V间变动）电压变动范围很小说明氧化锆氧气传感器未起作用。拆卸后发现氧化锆氧气传感器顶尖部位的颜色为棕色。
（３）故障检修：起动发动机，发动机转速在 800-900r/min 之间变化，路试加速至 90km/h 时松开加速踏板，感觉发动机抖动了一下就熄火了，但是车速在 80km/h 以下时松开加速踏板发动机不熄火。连接示波器对氧化锆氧气传感器信号电压波形进行检测，如图２所示，说明混合气过浓，初步判定是氧化锆氧气传感器失效所致。 拔下氧化锆氧气传感器 4 线插头，用万用表测量灰色信号线电压是0.45V不变化， 测量 2 根白色的加热电阻线阻值是 4Ω 正常，电源线也正常，因此确定氧化锆氧气传感器已经失效。 更换氧化锆氧气传感器后，故障排除。
（４）故障原因分析。这种现象是氧化锆氧气传感器中毒，经常使用含铅汽油的汽车更容易出现这种情况，所以即使更换了新的氧化锆氧气传感器，汽车行驶几千公里后还需要再次更换氧化锆氧气传感器。根本原因是:由于过高的排气温度，使铅侵入氧化锆氧气传感器内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧化锆氧气传感器失效，失效后的氧化锆氧气传感器不能把真实的混合气浓度信号传给发动机控制单元，造成喷油量不准确，就会导致上述故障现象。
４　结论
氧化锆氧气传感器老化、线路故障和燃油质量引起的综合性故障，对发动机的工作、汽车的燃油经济性及环保影响很大。维修人员在维修前要先分析车辆的使用运行情况，更重要的是要借助仪器、结合原理进行分析判断，以此来提高维修效率，节省维修时间及费用。相信随着汽车维修条件的改善、汽车维修人员素质的提高， 氧化锆氧气传感器波形分析法必将在汽车维修与故障诊断中占据重要的地位。
深圳市工采网科技有限公司提供汽车上的氧化锆氧传感器O2S-FR-T2-18C，该产品的特点：

• 测试范围广，量程为0.1~100%VOL 氧气
• 精度高，为0.5%
• 能在400°C的高温下正常工作
• 不需要平衡气体

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O2S-FR-T2-18C实物图