发动机故障诊断排除中基于氧传感器数据流的应用研究

摘 要：在汽车检测和维修过程中，准确合理的分析氧传感器数据流能较快查出汽车故障原因。氧传感器数据流分析在汽车检测维修中起到非常重要的作用。

关键词：发动机；故障诊断；氧传感器；诊断

氧传感器是发动机电控系统中监测和监控发动机排放性能的重要传感器，该传感器的数据能真实反映混合气的浓度和燃烧情况是否良好，因此，合理分析氧传感器的数据流更容易找出汽车故障原因，对诊断与排除发动机燃油控制方面的故障有比较重要的意义。

数据流是指车辆在某一特定时间的工作状况的数据块，也称为保持帧，也指电子控制单元（ECU）与执行器、传感器运行的参数数据。闭环控制时发动机的氧传感器将时时监查着排气中的氧的浓度，将电信号反馈给发动机的ECU，ECU根据氧浓度中反馈的电信号来调整喷油量，也称喷油脉宽。使得混合气的空燃比始终保持在理论空燃比始终保持在理论空燃比14.7附近。当进气气缸供入的混合气体的空燃比值不正确时，氧传感器信号将有所反应。排气口的氧浓度值检测将不正常。除此之外，氧燃烧状况、氧传感器的好坏、微机控制装置的工作能力好坏都将影响氧传感器。氧传感器信号电压是能直接反映混合气空燃比大小或者燃烧过程完善程度，因此，通过解码器读取氧传感器的数据流并加以分析，对诊断和排除电控发动机相关故障有重要意义。

1 结构与原理

氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种结构。车用的氧化锆式传感器就是一个微电池，其基本工作原理是：在一定条件下，利用氧化锆内外两侧（内侧为大气，外侧为废气）的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。当混合气较浓时，氧化锆内外两侧氧浓度值相差很大，将有一个高电压（0.6～1V）信号被送到发动机的ECU处进行放大处理，发动机的ECU将会把电压信号分成两种混合气体进行处理，或是把高电压信号看作浓混合气，或是把低电压信号看作稀混合气。当氧传感器端部达到300°C以上才能输出电压。在氧传感器端部达到约800°C时，对混合气的变化反应最快，而在低温时这种特性会发生较大变化。

2 诊断故障的依据与流程

氧传感器在整个发动机空气燃油反馈控制系统中充当着“守门员”的作用。它能正确、有效、快速地检测发动机空气燃油反馈控制系统的运行情况。在氧传感器本身处于良好状况时，所输出的信号反映了排气再循环（EGR）系统、发动机ECU、喷射系统、进气系统、执行件、电路、发动机点火系统等元件的工作情况。如果汽车废气排放出现了故障，可以将喷油脉冲宽度和氧传感器波形两组参数结合起来评定进而检测出汽车废气排放故障的原因。当汽车出现油耗量大、废气排放超标、加速迟缓、功率低下、怠速不稳等故障时，可以利用示波器对波形进行检测、分析进而打出汽车出现上述故障的原因。

2.1上流动系统

上流动系统也称为Upstream System，主要指发动机电子控制系统、废气再循环系统和进气系统等。其中包括ECU的发动机各系统（包括辅助系统）、执行器、传感器。

2.2下流动系统

下流动系统也称Downstrear System，主要指消声器、排气管以及催化转化器等，基本上是位于氧传感器后面的排气系统部件。

2.3闭环控制

发动机ECU依据氧传感器反馈的信号不停的对混合气的空燃比进行调整让其与规定数据相符合即闭环控制也称为Close Loop。检验系统是否处于闭环控制状态方法主要通过分析氧传感器的信号波形来判断。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器信号电压波形上的杂波一般也比较少。

3 数据分析与故障诊断

氧传感器的数据流是对废气中氧浓度的实时监测，能真实反映空燃比浓度并及时作出修正，当λ值为0.97～1.04时，废气中的氧（O2）含量在1%～2%范围内，CO2在13.8%～14.8%，正常的氧传感器信号电压应该在0.1～0.9V之间变化，并10秒内应变化8次以上。经三元催化器转换后废气中O2浓度极小，因此下游氧传感器的电压正常值大于0.7V。如果λ值小于1，混合气偏浓，导致燃烧不充分，使得废气中含有大量的HC及CO，O2含量小于1%，氧传感器信号电压大于0.45V，ECU由此判断混合气过浓，从而会作出减少燃油喷射量的指令，此时短期燃油修正系数或者混合比λ控制值是负数，则会出现混合气浓的故障码。当混合气燃烧时，废气中二氧化碳和一氧化碳的含量较低，氧含量大于2%，氧传感器信号电压小于0.45V。此时混合比λ控制值大于1，由此判断混合气稀。从而会作出增加燃油喷射量的指令，此时混合比λ控制值或短期燃油修正系数为正值。当混合气过稀时，燃烧速度过缓，导致燃烧延续至进排气重叠角时，可能发生回火现象，或进入排气管中的HC发生二次燃烧，使排气中的O含量极低，氧传感器输出电压大于0.45V，ECU会认为此时混合气过浓，从而减少喷油量，使实际混合气稀的状况更加严重。 发动机缺火，会造成汽缸内的混合气燃烧不完全，使排气中HC及O2含量上升，氧传感器输出电压值低于0.45V，ECU据此判断混合气偏稀，从而会作出增加燃油喷射量的指令。这样导致的结果，是其余工作正常的汽缸，可能会由于混合气浓，使燃烧速度减缓，CO及HC化合物排放量增加，排气中O2含量略有降低，但发动机会出现严重工作不稳定的情况。

氧传感器的工作电压不正常可能引起加速不良、发冲、冒黑烟和有时熄火等故障。在发动机水温达到正常以中速（1500-2000r/min）运转时，氧传感器信号电压应该在0.1～0.9V之间，并10秒内应变化8次以上。若该信号电压变化缓慢或不变化或数值异常，则说明氧传感器或控制系统有故障。

4 结论

分析氧传感器数据流的关键是认识数据流异常的原因，只有正确分析氧传感器的数据流，才能找到真正的故障所在，科学合理并快速查找到故障。

参考文献：

[1] 陈吴，赵炜华.电控发动机氧传感器对排放影响的研究[J]，上海汽车，2007（8）.

[2] 王宏伟，氧传感器的结构原理与故障分析[J].内燃机，2005（1）.

作者简介：

魏德全，男，汉族，四川简阳人，大学，工学学士，党员，现任日喀则市职业技术学校汽修教研组组长、讲师，研究方向为汽车发动机故障诊断与检测、汽修专业基于项目教学法教材的开发、职业教育理念和教学方法的研究。