氧传感器的工作原理与检测方法

氧传感器的工作原理与检测方法
氧传感器安装在发动机的排气管上,位于三效催化转化器之前,用于测量废气中的氧含量。如果废气中的 氧含量高,说明混合气偏稀,氧传感器将这一信息输入发动机电控单元(ECU),ECU 指令喷油器增加喷油 量;如果废气中的氧含量低,说明混合气偏浓,ECU 指令喷油器减少喷油量,从而帮助 ECU 把混合气的空 燃比控制在理论值(14.7)附近。因此,氧传感器相当于一个混合气的浓度开关,它是电喷发动机实行闭 环控制不可缺少的重要部件。

1 氧传感器是一种热敏电压型传感器

氧传感器间接地反映进入气缸中混合气的浓度,这种信息是以波动的电压传递给电控单元(ECU)的,因此 判断氧传感器性能的主要方法是检测氧传感器输出的信号电压值及其波动的范围和波动的频率。 另一方面, 发动机只有达到一定的温度才能激活氧传感器。因此,检测氧传感器前,必须对发动机充分预热,在氧传 感器达到正常工作温度 300℃~350℃以后才能进行检测,在此之前,氧传感器的电阻大,如同开路,氧传 感器不产生任何电压信号;若发动机的排气温度超过 800℃,氧传感器的控制也将中断。目前有的车型采 用主、副 2 个氧传感器,主氧传感器(在前)通常带有加热器,副氧传感器不带加热器,要依*废气预热, 温度超过 300℃才能正常工作。对于加热型氧传感器,其加热电阻的阻值一般为 5Ω~7Ω。如果加热电阻被 烧蚀(电阻为无穷大),氧传感器很难快速达到正常的工作温度,此时应当更换氧传感器。 氧传感器的故障确认采取“时域判定法” 2 氧传感器的故障确认采取“时域判定法”

所谓“时域判定法”,是指某传感器的输出信号是否在一定的时间内发生变化以及变化的范围、频率是否 符合标准值,如果不发生这种变化,自诊断系统即确认其有故障。氧传感器提供的信号电压标准为 0.1 V ~1.0V,并且在这个范围内快速波动,其波动频率标准为 30 次/min。当氧传感器输出的信号电压在 0.1 V ~0.3V 之间波动时,ECU 判定为混合气偏稀;当氧传感器的信号电压在 0.6 V ~0.9V 之间波动时,ECU 判 定为混合气偏浓;当信号电压为 0.45V 左右时属最佳。如果氧传感器在一定的时间内没有 0.45V 左右的基 准信号电压输出,或者信号电压波动的频率不符合标准,即确认氧传感器已经失效。正因为如此,检测氧 传感器的反馈信号,目前没有其他设备比示波器更加快捷和有效。 氧传感器是一种多元故障的“报警器” 3 氧传感器是一种多元故障的“报警器”

氧传感器及其线路发生的故障会被电控单元(ECU)存储并且报警。一旦氧传感器输入 ECU 的信号电压< 0.45 V,或者信号电压波动的频率<20 次/min 时,ECU 就判定为可燃混合气太稀,并且增加喷油量,使 油耗增大,故障灯点亮,同时存储故障代码。这种故障属于氧传感器的“自生性故障”。 事实上,不仅氧

传感器发生自生性故障时会报警,而且发生他生性故障也会报警。所谓“他生性故障”,是指电控组件本 身没有故障,是相关组件工作不良的影响而引起控制系统报警。例如电动燃油泵、燃油滤清器、喷油器、 三效催化转化器等发生了脏堵,严重影响了空燃比(A / F)的大小,故障灯也点亮,故障码显示为“氧传 感器故障”,此时氧传感器本身其实并没有损坏。从这个意义上说,氧传感器是发动机多元故障的“代言 人”。 因此,当电喷发动机出现怠速不稳、缺火、喘抖或者油耗增加等故障时,都应当调取并且解读故障 代码,很可能显示“氧传感器故障”。但是,显示“氧传感器故障”故障代码并不一定就是氧传感器本身 损坏,线路短路、断路或者 ECU 内部控制电路有问题也会输出同样的故障代码。因此,当显示“氧传感器 损坏”故障码时,应当进行综合分析和判断,辨明是氧传感器的自生性故障还是他生性故障,以确定故障 的具体部位。

氧传感器最怕铅中毒和硅中毒 4 氧传感器最怕铅中毒和硅中毒

氧传感器的正常颜色是淡灰色,通过观察氧传感器顶端工作面的颜色,可以判断氧传感器是否因铅中毒、 硅中毒或者积碳沉积过多而损坏。

⑴顶端工作面呈棕色。这是由“铅中毒”引起的颜色。有资料显示,使用含铅汽油只要行驶 500 km,铅化 物就会粘附在氧传感器的工作面上,使氧传感器基本丧失信息反馈功能。无论氧化锆式氧传感器还是氧化 钛式氧传感器,都怕废气中的铅化物和碳化物的污染和覆盖。汽车一旦使用了含铅汽油或者发动机“烧机 油”,由于铅化物和碳化物的覆盖,氧传感器的信号电压突变特性立即失准,响应速度降低到 10s 内少于 8 次,并且报警显示,此时只能更换新的氧传感器。

⑵顶端工作面呈白色。这是由于在维修发动机时使用了硅密封胶、硅密封圈等引起的“硅中毒”。硅胶中 含有醋酸(它起硫化作用),当醋酸硅胶应用在有机油流动的部位,醋酸蒸发,进入曲轴箱,经过废气再 循环系统又进入气缸,最终经过排气管排出而损坏氧传感器。另外,如果汽油和机油中含有的硅化合物过 多,燃烧后生成二氧化硅(SiO2),也会使氧传感器“中毒”失效。 一辆大宇王子(PRINCE)轿车大修发 动机以后,试车时一切正常,只是排气管接口垫有点漏气,自制了一个厚石棉垫,装车后排气管不再漏气, 可是发动机预热后闻到一种怪味,之后又出现怠速不稳和加速不良现象,同时故障灯点亮。经过检查,显 示故障码 13,即氧传感器故障。更换氧传感器和火花塞都无效,还用尾气分析仪检测了尾气各成分的含量。 考虑到故障是在更换了排气管接口石棉垫后出现的,该垫片位于氧传感器的前方,而且相距很近,怀疑石 棉中的某种成分污染了氧传感器,于是换回原来的排气管垫片试验,结果故障不再出现。这说明石棉垫在 高温条件下有二氧化硅(SiO2)或者其他有机硅气体散发出来,造成氧传感器硅中毒。

⑶顶端工作面呈黑色。这是由积碳引起的颜色,当积碳沉积过多时,会影响氧传感器反馈信息的灵敏度。

5 氧传感器的 3 种检测方法 ⑴分工况检测:氧传感器输出的信号电压(指 ECU 导线侧连接器端子对地的电压)应当符合下面的要求 ——a.点火开关位于 ON 位置时,信号电压大约为 0V;b.发动机冷机怠速运转时,信号电压大约为 0V;c. 发动机预热后怠速运转时,信号电压大约为 0 V~1.0V;d.发动机预热后加速运转时,信号电压大约为 0.5 V~1.0V;e.发动机预热后减速运转时,信号电压大约为 0 V~0.4V。

⑵灵敏度检测:起动发动机,让发动机以 2500 r/min 的转速运转 3min,使氧传感器达到工作温度。发动 机继续以 2500r/min 的转速运转,同时测量氧传感器的信号电压,如果信号电压在 0.1 V~1.0V 之间波动 的次数为 10 s 内大于 8 次,说明氧传感器的灵敏度正常。否则,应当更换氧传感器。

⑶模拟检测:拔下一根发动机的真空软管,模拟混合气变稀,若氧传感器的信号电压下降到 0.1 V~0.3V; 堵住空气滤清器的进气口,模拟混合气变浓,若氧传感器的信号电压上升到 0.8 V~1.0V,说明氧传感器工 作正常。如果氧传感器的信号电压不发生上述变化,说明氧传感器有故障,应该予以更换。

6 维修氧传感器的其他注意事项 ⑴ECU 对氧传感器“混合气过稀”信号的修正范围是有限的(标准系数为 1±20%),不能克服点火时刻 偏晚带来的危害。因此,对“空燃比”的调整不能过份依赖氧传感器,还需要对相关的系统进行检查。

⑵由于氧传感器所形成的电动势的能量非常小,所以用普通的万用表是无法测定的,必须使用示波器或者 高阻抗的数字式万用表才行。

⑶一部分老车型的电控单元 (ECU) 在怠速状态下会忽略氧传感器的信号, 只有在发动机转速达到 1800r/min 时 ECU 才对混合气进行闭环控制。因此,对这类汽车必须先将转速提高到 1800r/min,然后再对氧传感器 进行检测。

⑷由于氧传感器始终处在高温废气之中,与其他传感器相比,它的故障率较高,使用寿命较短(普通型氧 传感器的寿命为 5~8 万 Km,加热型氧传感器的寿命大约 10 万 Km)。氧传感器损坏后应当及时更换,采取 将氧传感器断路或者短路的办法是不可取的,因为此时实行的是“开路控制”,对空燃比的调节不精确, 会带来动力性、经济性和排气净化性的恶化。

⑸氧传感器柄部套下有通气孔,外界空气由此进入氧传感器的内腔,作为“参考气”,因此应该检查该通 气孔是否畅通。一旦油污或者其他沉积物进入氧传感器内腔,或者堵塞了该通气孔,会使氧传感器的输出 信号失真。

⑹不要在氧传感器的插头上涂抹制造厂未规定使用的溶剂、清净液、防粘剂、油性液体或者挥发性固体。

⑺氧传感器的拧紧扭矩为 50~60 N?m。注意:在安装时不要对氧传感器侧的电缆金属扣环不适当地加热。


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