1 氧化鋯氧氣傳感器的結(jié)構(gòu)和功用
1.1 氧化鋯氧氣傳感器的概述
氧化鋯氧氣傳感器是排氣氧化鋯氧氣傳感器EGO （Exhaust Oxygen Sensor）的簡(jiǎn)稱，其功能是通過檢測(cè)排氣中氧離子的含量來獲得混合氣的空燃比信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸入ECU。ECU根據(jù)（入）控制在0.98-1.02之間的范圍內(nèi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)得到佳濃度的混合氣，從而達(dá)到降低有害氣體排放量和節(jié)約燃油之目的。
氧化鋯氧氣傳感器安裝在汽車的排氣管上，頭部裝進(jìn)排氣管內(nèi)，尾部暴露在空氣中?？諝饪梢詮奈膊苛魅雮鞲衅鲀?nèi)部 （氧化鋯式），傳感器外部跟廢氣直接接觸，這樣當(dāng)氧離子在錯(cuò)管中擴(kuò)散時(shí)，錯(cuò)管內(nèi)外表面之間的電位差將隨可燃混合氣濃度變化而變化，即錯(cuò)管相當(dāng)于一個(gè)氧濃差電池，傳感器的信號(hào)源相當(dāng)于一個(gè)可變電源。在有的電控汽車上安裝有兩個(gè)氧化鋯氧氣傳感器，位于三元催化轉(zhuǎn)換器的前后，分別稱為前氧化鋯氧氣傳感器和后氧化鋯氧氣傳感器。其目的是通過前后兩個(gè)氧化鋯氧氣傳感器所反映的氧含量（ 即信號(hào)電壓值） 的對(duì)比，來監(jiān)測(cè)三元催化轉(zhuǎn)化器對(duì)于尾氣中的 HC、CO和 NOx 的轉(zhuǎn)化凈化能力，進(jìn)而判斷三元催化轉(zhuǎn)換器工作性能是否良好。前氧化鋯氧氣傳感器將其獲得的空燃比信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸送給發(fā)動(dòng)機(jī) ECU，ECU 根據(jù)此信號(hào)來判斷混合氣的濃與稀的程度是否適合發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)的運(yùn)行工況，及時(shí)修正噴油器的噴油脈寬、節(jié)氣門的開啟角度和點(diǎn)火提前角等參數(shù)，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的要求。
1.2 氧化鋯氧氣傳感器的工作特性
氧化鋯氧氣傳感器是以電壓信號(hào)的形式向 ECU 傳遞信號(hào)數(shù)據(jù)的。氧化鋯氧氣傳感器的特性曲線如圖1所示，由圖1可知，當(dāng)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(shí)，氧化鋯氧氣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(dòng)； 當(dāng)過量空氣系數(shù) λ＜1（即空燃比較小，混合氣偏濃）時(shí)，排氣中的氧含量較少，氧化鋯氧氣傳感器“感知”出一個(gè)較高的電壓信號(hào)進(jìn)行輸出； 當(dāng)過量空氣系數(shù)λ＞1（即空燃比較大，混合氣偏?。r(shí)，排氣中的氧含量較多，氧化鋯氧氣傳感器此時(shí)會(huì)“感知”出一個(gè)較低的電壓信號(hào)進(jìn)行輸出。
氧化鋯氧氣傳感器的輸出信號(hào)存在兩個(gè)極值點(diǎn): 當(dāng)過量空氣系數(shù)過?。?混合氣過濃）時(shí)，氧化鋯氧氣傳感器感知到高信號(hào)電壓值，大約 900mV左右；當(dāng)過量空氣系數(shù)過大（ 混合氣過?。r(shí)，氧化鋯氧氣傳感器感知到的信號(hào)電壓值臨近100mV左右的小值。不論混合氣是過稀還是過濃，都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行和尾氣排放造成不利影響。在電控系統(tǒng)中，要準(zhǔn)確地保證混合氣濃度為理想值是不可能的，實(shí)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(gè)狹小的范圍內(nèi)波動(dòng)。該參數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)熱車后以中速（1500-2000r/min）運(yùn)動(dòng)時(shí)，呈現(xiàn)濃稀的交替變化或輸出電壓在 100-900mV之間來回變化，每10s內(nèi)變化次數(shù)應(yīng)大于8次（0．8Hz）。
2 氧化鋯氧氣傳感器在故障診斷中的作用
2.1 氧化鋯氧氣傳感器在故障診斷中的作用
首先有時(shí)突然熄火現(xiàn)象的發(fā)生；現(xiàn)代轎車點(diǎn)火系統(tǒng)多采用無觸點(diǎn)的電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)。這種點(diǎn)火系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī) ECU 根據(jù)與點(diǎn)火控制系統(tǒng)有關(guān)的各傳感器輸入信號(hào)對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻、點(diǎn)火能量進(jìn)行控制的。氧化鋯氧氣傳感器就是與電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)有關(guān)的傳感器之一。當(dāng)氧化鋯氧氣傳感器的工作電壓不穩(wěn)或者是工作不正常，就會(huì)向發(fā)動(dòng)機(jī) ECU 輸送錯(cuò)誤的混合氣濃或稀的反饋信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī) ECU 接收到此信號(hào)后，會(huì)結(jié)合其他相關(guān)傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行綜合分析、計(jì)算并做出判斷，就會(huì)導(dǎo)致對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻、點(diǎn)火能量發(fā)出錯(cuò)誤的控制指令，使點(diǎn)火系統(tǒng)出現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)刻異常甚至紊亂、點(diǎn)火能量不足等嚴(yán)重故障，終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中突然熄火。
其次氧化鋯氧氣傳感器安裝在電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管上，位于三元催化轉(zhuǎn)化器的前面，用來檢測(cè)排氣中的氧濃度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)后，氧化鋯氧氣傳感器不斷地向發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）輸人反饋信號(hào)，ECU便依據(jù)此信號(hào)修正電磁噴油器的噴油量，使混合氣的濃度保持在佳范圍內(nèi)。例如，如果ECU根據(jù)氧化鋯氧氣傳感器的反饋信號(hào)判斷出混合氣過濃，則發(fā)出指令使噴油器減少噴油量，這樣就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的供給和排放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，極大地減少了排氣污染。
多數(shù)的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)在三元催化轉(zhuǎn)化器的后面還裝著一個(gè)氧化鋯氧氣傳感器，兩個(gè)氧化鋯氧氣傳感器分別稱為主、副氧化鋯氧氣傳感器。電控單元依據(jù)副氧化鋯氧氣傳感器的反饋信號(hào)來修正主氧化鋯氧氣傳感器的信號(hào)誤差，此外副氧化鋯氧氣傳感器還可“監(jiān)視”三元催化轉(zhuǎn)化器的工作狀態(tài)。一旦它輸出的信號(hào)電壓與主氧化鋯氧氣傳感器的相似或同步，則意味著三元催化轉(zhuǎn)化器工作不良或已經(jīng)失效。
2.2 氧化鋯氧氣傳感器故障的檢測(cè)
當(dāng)氧化鋯氧氣傳感器出現(xiàn)故障后，可以使用電腦檢測(cè)儀，通過故障診斷接口讀取氧化鋯氧氣傳感器的故障代碼或其它有關(guān)信息。此外也可利用其它的方法進(jìn)行檢測(cè)、診斷，根據(jù)故障現(xiàn)象分析，該發(fā)動(dòng)機(jī)可能是燃油供給系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。
首先，用燃油壓力表對(duì)燃油壓力進(jìn)行了檢測(cè)，從檢測(cè)結(jié)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(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行診斷分析呢? 當(dāng)遇到這樣的情況時(shí)，對(duì)于很多汽車維修人員來說就遇到了難題。在這個(gè)時(shí)候，不要忘記發(fā)動(dòng)機(jī)綜合智能分析儀還有一個(gè)很重要的功能——?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)流分析。所謂數(shù)據(jù)流，就是電控發(fā)動(dòng)機(jī)在現(xiàn)實(shí)運(yùn)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(gè)數(shù)值，因此，習(xí)慣上把它稱作“數(shù)據(jù)流”。當(dāng)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(dòng)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(guān)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行綜合分析，以縮小診斷范圍，對(duì)可能的故障點(diǎn)做出一個(gè)判斷。
其次，緩慢勻速踩下加速踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火提前角均隨節(jié)氣門開大而均勻增加，信號(hào)反應(yīng)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，氧化鋯氧氣傳感器信號(hào)電壓卻始終在0.4V左右波動(dòng)，即使是節(jié)氣門全開的情況下也從未超過0.5V，點(diǎn)火提前角的數(shù)值也偏小一些。在快速踩下油門踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)值均正常，氧化鋯氧氣傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)值依然如故。根據(jù)數(shù)據(jù)流的關(guān)聯(lián)分析可以判斷，由于氧化鋯氧氣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(hào)值升高。因而 ECU 接收到錯(cuò)誤的反饋信號(hào)，發(fā)出錯(cuò)誤的指令，導(dǎo)致不能及時(shí)地對(duì)噴油脈寬進(jìn)行準(zhǔn)確修正，導(dǎo)致在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，噴油量過多，混合氣過濃，而出現(xiàn)啟動(dòng)困難；在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，由于反饋信號(hào)失真，ECU 不能及時(shí)地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)發(fā)抖。更換了氧化鋯氧氣傳感器，再進(jìn)行測(cè)試，故障現(xiàn)象消失。
通常采用一種快速試驗(yàn)方法。它是檢查混合氣電磁控制閥的動(dòng)作，以取代直接測(cè)量傳感器的輸出電壓。快怠速凸輪以高速運(yùn)轉(zhuǎn)3m，此時(shí)混合氣控制線圈閉合接線接地；然后接線脫開接地，接上閉合角測(cè)試儀。關(guān)閉阻風(fēng)門，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。閉合角原先如不在55度，應(yīng)在2s內(nèi)增至55度。接著，拆去制動(dòng)助力器處的真空軟管，閉合角應(yīng)在2s內(nèi)降為6，如果傳感器響應(yīng)此過程，就是良好的。
３ 案例分析
（１）故障現(xiàn)象。一輛捷達(dá)GTX電噴發(fā)動(dòng)機(jī)轎車，在使用過程中出現(xiàn)排氣管冒黑煙、油耗高、怠速不穩(wěn)等故障。
（２）故障排除過程。用專用儀器VAG1552檢查發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)，顯示空氣流量計(jì)有故障，但測(cè)量空氣流量計(jì)的線路及電阻都正常，進(jìn)一步檢查“08讀取測(cè)量數(shù)據(jù)塊”中的顯示組033的第二區(qū)，檢查氧化鋯氧氣傳感器的電壓值在0.1～0.2V之間變動(dòng)（正常情況應(yīng)該在0.1～0.9V間變動(dòng)）電壓變動(dòng)范圍很小說明氧化鋯氧氣傳感器未起作用。拆卸后發(fā)現(xiàn)氧化鋯氧氣傳感器頂尖部位的顏色為棕色。
（３）故障檢修：起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在 800-900r/min 之間變化，路試加速至 90km/h 時(shí)松開加速踏板，感覺發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)了一下就熄火了，但是車速在 80km/h 以下時(shí)松開加速踏板發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火。連接示波器對(duì)氧化鋯氧氣傳感器信號(hào)電壓波形進(jìn)行檢測(cè)，如圖２所示，說明混合氣過濃，初步判定是氧化鋯氧氣傳感器失效所致。 拔下氧化鋯氧氣傳感器 4 線插頭，用萬用表測(cè)量灰色信號(hào)線電壓是0.45V不變化， 測(cè)量 2 根白色的加熱電阻線阻值是 4Ω 正常，電源線也正常，因此確定氧化鋯氧氣傳感器已經(jīng)失效。 更換氧化鋯氧氣傳感器后，故障排除。
（４）故障原因分析。這種現(xiàn)象是氧化鋯氧氣傳感器中毒，經(jīng)常使用含鉛汽油的汽車更容易出現(xiàn)這種情況，所以即使更換了新的氧化鋯氧氣傳感器，汽車行駛幾千公里后還需要再次更換氧化鋯氧氣傳感器。根本原因是:由于過高的排氣溫度，使鉛侵入氧化鋯氧氣傳感器內(nèi)部，阻礙了氧離子的擴(kuò)散，使氧化鋯氧氣傳感器失效，失效后的氧化鋯氧氣傳感器不能把真實(shí)的混合氣濃度信號(hào)傳給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，造成噴油量不準(zhǔn)確，就會(huì)導(dǎo)致上述故障現(xiàn)象。
４ 結(jié)論
氧化鋯氧氣傳感器老化、線路故障和燃油質(zhì)量引起的綜合性故障，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作、汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保影響很大。維修人員在維修前要先分析車輛的使用運(yùn)行情況，更重要的是要借助儀器、結(jié)合原理進(jìn)行分析判斷，以此來提高維修效率，節(jié)省維修時(shí)間及費(fèi)用。相信隨著汽車維修條件的改善、汽車維修人員素質(zhì)的提高， 氧化鋯氧氣傳感器波形分析法必將在汽車維修與故障診斷中占據(jù)重要的地位。
深圳市工采網(wǎng)科技有限公司提供汽車上的氧化鋯氧氣傳感器O2S-FR-T2-18C，該產(chǎn)品的特點(diǎn)：
- 測(cè)試范圍廣，量程為0.1~100%VOL 氧氣
- 精度高，為0.5%
- 能在400°C的高溫下正常工作
- 不需要平衡氣體
O2S-FR-T2-18C實(shí)物圖
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