氧傳感器在現(xiàn)代汽車維修中的應(yīng)用

魏玉

摘要：氧傳感器對(duì)控制可燃混合氣的濃度發(fā)揮著重要的作用，其工作性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能、燃油經(jīng)濟(jì)性及有害氣體的排放，本文從氧傳感器的作用出發(fā)，介紹了其結(jié)構(gòu)及原理，在此基礎(chǔ)上闡述其對(duì)維修檢測(cè)的作用，最后通過維修實(shí)例加以論證，為氧傳感器的應(yīng)用與維修提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氧傳感器;可燃混合氣;檢測(cè);維修實(shí)例

0? 引言

隨著國(guó)家對(duì)汽車排放控制的日益嚴(yán)格，現(xiàn)代轎車上廣泛采取了多種排放控制系統(tǒng)來減少汽車的排放污染，其中在電控燃油噴射的汽車上加裝三元催化轉(zhuǎn)換器是目前汽油機(jī)最為有效的排氣凈化方法，即首先通過發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制，將發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制在理論空燃比附近，排放的尾氣再由三元催化轉(zhuǎn)換器進(jìn)行凈化，氧傳感器是實(shí)現(xiàn)這一聯(lián)合控制的核心元件。氧傳感器本身不僅是排放控制的關(guān)鍵，其波形還可以作為分析判斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障的依據(jù)，并可通過檢測(cè)波形判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否修復(fù)，作為交車之前的一項(xiàng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1? 氧傳感器的作用

三元催化轉(zhuǎn)換器能夠十分有效的凈化尾氣中的有害氣體，但可燃混合氣的濃度是影響三元催化器凈化效果的關(guān)鍵因素，三元催化轉(zhuǎn)換器與可燃混合氣的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)混合氣濃度處于理論空燃比附近區(qū)間時(shí)，三元催化轉(zhuǎn)換器對(duì)CO、HC、NOx三種污染氣體的處理效果較佳，一旦混合氣的濃度偏離這個(gè)范圍，三元催化器的轉(zhuǎn)化效率將迅速下降，尾氣中有害氣體的排放增加，為降低污染，提高環(huán)保效果，需要提高三元催化器的轉(zhuǎn)化效率，必須要將可燃混合氣的濃度控制在理論空燃比（14.7：1）附近。為了有效控制混合氣濃度，將氧傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管上，氧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中氧濃度的變化，并依據(jù)氧濃度計(jì)算空燃比，將空燃比轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，該信號(hào)作為控制單元調(diào)整空燃比的主控信號(hào)，再結(jié)合其它修正信號(hào)，如冷卻水溫度信息，及時(shí)的調(diào)整噴油器的噴油時(shí)間，調(diào)整空燃比。當(dāng)ECU判斷混合氣過濃時(shí)，則減小噴油器的通電時(shí)間，即減少噴油量。當(dāng)ECU判定混合氣過稀時(shí)，則增加噴油器的通電時(shí)間，即增加噴油量。發(fā)動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制如圖2所示。

2? 氧傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 氧傳感器類型

加熱型氧化鋯式氧傳感器主要由鋯管、內(nèi)電極、外電極、加熱元件、通氣孔、陶瓷管、連接器等組成，其中加熱元件采用熱敏電阻，其上有鎢絲并引出兩個(gè)電極直接與汽車電源相通，用于對(duì)氧化鋯管進(jìn)行加熱，使氧化鋯式氧傳感器迅速達(dá)到工作溫度進(jìn)入工作狀態(tài)。

加熱型氧化鈦式氧傳感器主要由二氧化鈦元件、加熱元件、通氣孔、陶瓷管、連接器等組成，其中加熱元件采用熱敏電阻，其上繞有鎢絲并引出兩個(gè)電極直接與汽車電源相通，用于對(duì)二氧化鈦進(jìn)行加熱，使氧化鈦式氧傳感器迅速達(dá)到工作溫度而進(jìn)入工作狀態(tài)。

2.2 氧傳感器的工作原理

以氧化鋯式氧傳感器為例，其工作原理如圖3，二氧化鋯為一種固體電解質(zhì)，在高溫下，氧離子在其內(nèi)部能夠擴(kuò)散和滲透，與氧化鋯管的內(nèi)外表面分別接觸到不同密度的氧時(shí)，氧化鋯物質(zhì)中的氧離子便從內(nèi)向外擴(kuò)散，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，管內(nèi)外側(cè)的鉑電極間便產(chǎn)生電壓。

汽車尾氣中的氧離子由于帶負(fù)電，會(huì)被吸附在氧化鋯管的內(nèi)外表面，基于大氣和尾氣中氧含量的差異，將使氧化鋯管內(nèi)外兩側(cè)出現(xiàn)離子差從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，使鉑電極產(chǎn)生電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)在輸入回路的比較器中與基準(zhǔn)電壓對(duì)比，差值在0.45V以上時(shí)將高電平1傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，差值在0.45V以下時(shí)將低電平0輸入汽車ECU中，高電平表示濃混合氣，低電平表示稀混合氣，ECU根據(jù)電壓信號(hào)來調(diào)節(jié)混合氣濃度，最終確?；旌蠚鉂舛忍幱诶碚摽杖急雀浇?。

3? 氧傳感器對(duì)維修檢測(cè)的作用

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)行閉環(huán)控制時(shí)，氧傳感器時(shí)刻監(jiān)測(cè)尾氣中氧濃度的變化，當(dāng)可燃混合氣和尾氣中氧氣的含量波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氧傳感器的信號(hào)發(fā)生變化。尾氣中的氧含量不僅受可燃混合氣空燃比的影響，同時(shí)還受氣缸中燃燒狀況的影響。如果混合氣燃燒不充分或個(gè)別氣缸斷火，將會(huì)使廢氣中的氧濃度產(chǎn)生變化。氧傳感器自身損壞或者電子控制裝置故障也會(huì)導(dǎo)致氧傳感器的信號(hào)異常。

發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒需滿足三個(gè)條件：

①合適的空燃比;

②足夠的點(diǎn)火能量和適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火提前角;

③適當(dāng)?shù)臍飧讐毫蜏囟取?/p>

上述條件如不能同時(shí)滿足將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不正常，進(jìn)而導(dǎo)致尾氣中氧濃度異常和氧傳感器波形異常。引起氧傳感器波形異常的原因主要有：

①點(diǎn)火系統(tǒng)故障導(dǎo)致的燃燒不正常。如果在燃燒過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)某氣缸存在火花塞油污、間隙過大、點(diǎn)火線圈故障等，這樣將使一部分可燃混合氣未經(jīng)燃燒即排出發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，從而使尾氣中氧氣的濃度增加。

②機(jī)械原因?qū)е碌目扇蓟旌蠚鉂舛炔徽?。如氣門由于長(zhǎng)期磨損造成氣門關(guān)閉不嚴(yán)，活塞環(huán)彈性性能降低，使氣缸密封不嚴(yán)，使燃燒性能下降，一部分未經(jīng)燃燒的混合氣直接排出氣缸，使排氣中氧的濃度增加。

③各缸噴油不均衡。個(gè)別缸的噴油量過多或過少，造成可燃混合氣的濃度過稀或過濃，當(dāng)濃度在極限范圍以外時(shí)，將會(huì)造成個(gè)別氣缸斷火，從而使排氣中的氧濃度異常。

4? 維修案例分析

故障現(xiàn)象：一輛別克轎車，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)偶爾抖動(dòng)，起動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)故障指示燈點(diǎn)亮。

維修人員首先確認(rèn)故障現(xiàn)象，試車時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障指示燈點(diǎn)亮，使用診斷儀對(duì)車輛進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有“4809AB—混合氣調(diào)節(jié)，混合氣過濃”的故障碼存在。

故障分析：使用示波器檢測(cè)氧傳感器波形，測(cè)試不同階段的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在2500r/min以及其它穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下氧傳感器的波形如圖4所示。觀察圖4可知，無論發(fā)動(dòng)機(jī)處于任何轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，氧傳感器的波形均存在嚴(yán)重的雜波，表明發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)廢氣中氧濃度不均衡，圖中氧傳感器信號(hào)的平均電壓為672mV，該值偏離理論空燃比的基準(zhǔn)電壓450mV，表明混合氣偏濃。

故障排除：使用診斷儀檢測(cè)，結(jié)果顯示混合氣過濃，首先檢查氧傳感器電壓，發(fā)現(xiàn)后氧傳感器的電壓變化異常，一直在調(diào)節(jié)噴油量。在更換氣門室蓋時(shí)，發(fā)現(xiàn)高壓燃油泵出現(xiàn)了泄露，燃油泵泄露的汽油進(jìn)入氣缸，導(dǎo)致混合氣過濃，更換高壓燃油泵后故障排除。用示波器再次檢查氧傳感器波形，氧傳感器的波形恢復(fù)正常。

5? 總結(jié)

氧傳感器對(duì)控制可燃混合氣的濃度發(fā)揮著重要的作用，其工作性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能、燃油經(jīng)濟(jì)性及有害氣體的排放，若氧傳感器出現(xiàn)故障，將使可燃混合氣的空燃比不能精確控制，超出三元催化轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化效率最佳要求的空燃比范圍，從而造成排放指標(biāo)惡化。因此，掌握氧傳感器的結(jié)構(gòu)、原理以及故障分析方法對(duì)于汽車維修有著重要的意義。

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