氧传感器波形分析

电喷发动机波形分析
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蒋科军
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电喷发动机波形分析
电喷发动机电子控制系统的工作原理是电控 单元通过接收各个传感器输入的电信号,识别其 电子信号特征,并依据内存信息和这些电子信号 特征来控制不同的执行器动作,从而保证汽车的 正常运转。 当某些电信号发生异常时,表明汽车存在着 与之相对应的某些故障,因此可以通过汽车示波 器检测这些电信号的波形、幅值和频率, 分析其 信号的变化特征，从而进行发动机故障的诊断。
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氧传感器的信号电压的变化是由尾气中氧含量的变化引起的， 下图为发动机起动后燃油反馈控制系统进入闭环时氧传感器的信号 电压波形,由图可见波形先逐渐升高到450mV,然后进入升高和下降 (混合气变浓和变稀)的循环。后面波形的波动表示燃油反馈控制系 统进入闭环状态，
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宽带型氧传感器的工作过程
1、混合气过稀时，尾气中氧含量 增高，泵单元在原来电压下会泵入 较多的氧，参考气室中氧含量升高， 常规传感器电压下降。
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氧化锆式氧传感器在温度超过300℃后才能正常工作。早 期使用的氧传感器靠排气加热，现在大部分汽车使用带加热器 的氧传感器，这种传感器内有一个电加热元件，可在发动机起 动后的20-30s内迅速将氧传感器加热至工作温度。它有四（三 根）根接线，一根信号线接ECU，一根是搭铁线，另外两根分 别连接加热器的两端。
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如图所示，ECU2号端子将一个恒定的1V（5V）电压加在氧化钛式 氧传感器的一端上，传感器的另一端与ECU4号端子相接。当排出的废 气中氧浓度随发动机混合气浓度变化而变化时，氧传感器的电阻随之 改变，ECU4号端子上的电压降也随着变化。 当4号端子上的电压高于参考 电压时，ECU判定混合气过浓；当4 号端子上的电压低于参考电压时， ECU判定混合气过稀。通过ECU的反 馈控制，可保持混合气的浓度在理 论空燃比附近。在实际的反馈控制 过程中，二氧化钛式氧传感器与 ECU连接的4号端子上的电压是在00-1V（0-5V）之间不断变化。
第一节 氧传感器波形分析
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1、氧传感器简介
氧传感器是电喷发动机闭环控制系统的重要部件， 发动机电脑利用氧传感器的输出信号来控制混合气的空 燃比，即令空燃比总是在理论空燃比14.7的上下波动。 这不仅是发动机进行最优燃烧的要求，也是三元催化器 中两种主要化学反应（氧化和还原）的需要。
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波形分析法就是利用汽车示波器获得汽车电子 控制系统中的传感器、执行器等电子设备的波形信 号(即电压随时间变化的电信号),然后把这些实测 信号与这些电子设备的正常波形信号进行对比,分 析找出其中的差异,最后操作者根据自己的理论知 识找出故障发生部位的方法。 利用检测设备中的示波器功能不仅可以快速捕 捉汽车电路信号,还可以用较慢的速度来显示这些 波形信号,以便我们一面观察,一面分析。此外,汽 车示波器还具有存储功能,可以显示已发生过的信 号波形, 为我们分析判断故障提供了极大方便。
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要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能 的。实际上反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近 一个狭小范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.10.9V之间不断变化（通常每10s内变化8次以上）。如 果氧传感器输出电压变化过缓（每1Os少于8次）或电 压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明 氧传感器有故障，需检修。
3)脉冲宽度。电子信号所占的时间或占空比。
4)形状。电子信号的外形特征,如它的曲线、轮廓、上升沿、下降沿等。 5)陈列。组成专门信息信号的重复方式,如同步脉冲或串行数据等。
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2、电脑加大喷油量，为了使常规 传感器电压恢复到0.45V，减少泵 单元的工作电流，使参考气室中氧 含量降低。
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3、混合气过浓时，尾气中氧含量降 低，泵单元在原来电压下泵入的氧减 少，参考气室中氧含量降低，常规传 感器电压上升并超过0.45V。
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（1）氧化锆式氧传感器
氧化锆式氧传感器的基 本元件是氧化锆陶瓷管（固 体电解质），亦称锆管。锆 管固定在带有安装螺纹的固 定套中，内外表面均覆盖着 一层多孔性的铅膜，其内表 面与大气接触，外表面与废 气接触。氧传感器的接线端 有一个金属护套，其上开有 一个用于锆管内腔与大气相 通的孔，电线将锆管内表面 铂极经过缘套接线端引出。 中德诺浩汽车实训基地
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（3）宽带型氧传感器
宽带型氧传感器是以氧化锆氧传感器为基础加以改进 而产生的，常见的宽带型氧传感器主要有平面式和嵌环式 两种，其原理相似。 宽带型氧传感器是由泵单元与常规氧传感器单元所组 成，其功能由这两个单元相互作用而实现，一方面电脑设 定常规氧传感器的目标电压为0.45V，另一方面利用泵单元 的泵氧功能，使常规氧传感器的输出电压趋近目标值，这 一过程中泵单元的电流要发生变化，电脑通过这个电流的 变化和常规氧传感器的电压推算出尾气中氧的含量，并决 定增加或减少喷油量。 常规氧传感器的结构与氧化锆氧传感器相似，不再详 述，下面讲泵单元的原理和结构。
4、电脑减少喷油量，为了使常规 传感器电压恢复到0.45V，控制单 元增加泵单元的工作电流，使参考 气室中氧含量上升，常规传感器电 压恢复到0.45V 。
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3、氧传感器的波形分析
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信号的判定依据:
汽车发动机电控单元是通过分辨各类电子信号的特征来识别各 个传感பைடு நூலகம்输入的各种信息,并依据这些特征来发出各种命令,指挥不同 的执行器动作。当这些电子信号的特征发生变化时,电控单元即可诊 断出汽车的故障部位。我们把这些汽车电子信号的基本特征—幅度、 频率、脉冲宽度、形状和陈列,称为5种判定依据。具体内容如下: 1)幅度。电子信号在一定点上的瞬时电压。 2)频率。信号的循环时间,即电子信号在两个事件或循环之间的时间,一 般指每秒的循环次数(Hz)。
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2、氧传感器结构
目前使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式 两种，其中应用最多的是氧化锆式氧传感器。
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好的氧传感器是非常灵敏的，但其信号也极易受干 扰。若发动机有故障，氧传感器的输出信号一定会有反 应。所以，氧传感器电信号的波形分析可以用在汽车发 动机的故障诊断中。
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氧传感器的失效过程是缓慢进行的，首先是响应速度 变慢，输出信号幅度变低，最后是输出信号不变化或完全 没有信号输出。这时就会有故障代码出现，故障指示灯也 会亮。 氧传感器的失效原因很多，除了正常失效外，氧传感 器还可能因汽油中含铅或冷却液中的硅胶腐蚀而提前失效， 氧传感器的衬垫在维修过程中被拆掉所造成的尾气泄漏也 会导致氧传感器提前失效。还有一些潜在的因素，例如燃 油压力过高、喷油器损坏、发动机电脑和传感器损坏以及 操作不当等，也都可能导致氧传感器提前失效。 然而，导致氧传感器提前失效的首要原因是由发动机 混合气过浓所造成的积炭堵塞。
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锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中 的氧气在温度较高时发生电离。由于锆 管内、外侧氧浓度不一致，存在浓差， 氧离子会从大气侧向排气侧扩散，从而 使锆管成为一个微电池，在两铂极间产 生电压。当混合气的实际空燃比小于理 论空燃比，即发动机以较浓的混合气运 转时，排气中氧含量少，但CO、HC等较 多。这些气体在锆管外表面的铅催化作 用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余 的氧，使锆管外表面氧气浓度变为零， 这就使得锆管内、外侧氧浓差加大，两 铅极间电压陡增。因此，锆管氧传感器 产生的电压将在理论空燃比时发生突变： 稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混 合气时，输出电压接近1V。 中德诺浩汽车实训基地
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泵单元并不是我们想象中传统水泵的形式，但它具有 泵氧气的功能。我们知道在二氧化锆ZrO2元件两端的氧气 浓度不均，就会在ZrO2元件两端产生微小电压。反过来我 们在ZrO2元件两端加上电压就能控制氧气的扩散。 尾气中的氧气通过扩 散栅渗透到电源负极。在 负极氧气分子得到4个电 子变成氧离子，氧离子在 电离作用下，在电解质 ZrO2中运动到正极，在正 极中和掉4个电子又还原 成氧气。这就是泵单元的 泵氧原理。
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（2）氧化钛式氧传感器
氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随 排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻 型氧传感器。 二氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相 似，在传感器前端护罩内是一个二氧化钛厚膜元件。纯 二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦 缺氧，其品格便出现缺陷，电阻随之减小。由于二氧化 钛的电阻也随温度不同而变化，因此，在二氧化钛式氧 传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钛式氧传感 器在发动机工作过程中的温度恒定不变。
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汽车氧传感器的工作条件极其恶劣。一般无 加热器的氧传感器的寿命约为5～8万公里，而有 加热器的氧传感器的寿命比无加热器的氧传感器 长3万公里。 在汽车示波器上进行氧传感器信号电压波形 分析，通常称为氧反馈平衡测试（Oxygen Sensor Feedback Balance），简称O2FB。