汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氧傳感器原理及數(shù)據(jù)診斷分析

隨著汽車經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車的生產(chǎn)、使用量、保有量均急劇增長，汽車排氣對環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重。汽車排氣主要污染物為一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、含鉛化合物、二氧化硫及固體顆粒物等，會(huì)引起光化學(xué)煙霧、溫室效應(yīng)、酸雨和臭氧層破壞等大氣環(huán)境問題。國六排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)與實(shí)施，對于汽車排放的要求則日益嚴(yán)苛

。

在列車司機(jī)室安裝有RPT(中繼器)。RPT是滿足IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的0類設(shè)備，是冗余管理的MVB-EMD中繼設(shè)備，其主要作用是進(jìn)行信號的放大和中繼傳輸。相對于以往常用的“串型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前所采用的“T型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠在一定程度上隔離通信故障，提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。RPT前面板上會(huì)設(shè)置指示燈，用于表征通信狀態(tài)及故障。

影響汽車排放的主要因素是空燃比，氧傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制中的重要傳感器?，F(xiàn)代汽車在三元催化器前、后都安裝有氧傳感器，三元催化器之前的為前氧傳感器，三元催化器之后的為后氧傳感器。前氧傳感器主要用于監(jiān)測排氣當(dāng)中氧的含量，并將信號輸送給ECM，即發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊。ECM使用氧傳感器信號用來修正發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量，達(dá)到最佳的空燃比，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少有害物質(zhì)排放，使得氣缸內(nèi)部混合氣比例盡量控制在理論空燃比14.7：1附近

。前氧傳感器中，按照其工作特點(diǎn)可以分為傳統(tǒng)氧傳感器和寬頻氧傳感器，按照測氧單元材質(zhì)的不同，主要可分為氧化鋯式和氧化鈦式等。本文以上汽通用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳統(tǒng)氧傳感器和寬頻氧傳感器為例，材質(zhì)選擇氧化鋯式，進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氧傳感器原理及數(shù)據(jù)診斷分析。

1 傳統(tǒng)氧傳感器

1.1 傳統(tǒng)氧傳感器工作原理

傳統(tǒng)氧傳感器測氧單元類似一個(gè)微型蓄電池，當(dāng)氧離子在傳感器的內(nèi)外表面因濃度不同而遷移，就形成了電壓信號。由于大氣中氧的濃度幾乎不變，所以此電壓可反映排氣中氧，即混合氣的濃度變化。測氧單元在較高的溫度下才能正常工作，即350℃左右，加熱電阻能主動(dòng)從內(nèi)部加熱，減少傳感器啟用時(shí)間，盡快獲取正常信號，并保持氧傳感器工作在最佳溫度內(nèi)

。如圖1所示，空氣中含氧量取21%，排氣中取0%，則高信號電壓輸出，當(dāng)排氣含氧量取2%則低信號電壓輸出。

如表1，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中氧含量增加，鋯管內(nèi)外表面之間的電壓差減少，氧傳感器輸出信號為低電壓信號，即小于0.45V，反饋給ECM的信號表示為混合氣稀信號，從而噴油脈寬增加。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中氧含量減少，鋯管內(nèi)外表面之間的電壓差增加，氧傳感器輸出信號為高電壓信號，即大于0.45V，反饋給ECM的信號表示為混合氣濃信號，從而噴油脈寬減少

。

工業(yè)廢水中的Cl-，如果不經(jīng)過處理直接排入水中，水質(zhì)將會(huì)惡化，生態(tài)平衡被破壞，地下水系統(tǒng)和飲用水源將受到嚴(yán)重污染；同時(shí)Cl-還會(huì)引起材料中鋼筋腐蝕，一旦Cl-濃度達(dá)到一定值，材料當(dāng)中的金屬就和Cl-發(fā)生原電池反應(yīng)，即電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，嚴(yán)重腐蝕材料，從而影響到整個(gè)材料的穩(wěn)定性[1-5]。

傳統(tǒng)氧傳感器的常見故障為傳感器頭部被污染或采樣孔堵塞、傳感器的大氣通道堵塞或基準(zhǔn)大氣污染、傳感器內(nèi)部陶瓷基體破碎開裂、傳感器老化，響應(yīng)速度下降、加熱控制故障，傳感器失效等。

1.2 傳統(tǒng)氧傳感器線路

傳統(tǒng)氧傳感器為四線式傳感器，如圖2所示，端子1為加熱電源，電壓為12V，來自主繼電器；端子2為加熱接地控制，屬于脈寬調(diào)制控制信號，由ECM控制；端子3為信號參考地，在ECM內(nèi)部，端子4為信號，信號電壓一般在0.1V-1.0V間波動(dòng)。加熱電阻正常在10Ω以下，此電阻值大小與溫度有關(guān)。大氣基準(zhǔn)孔位于傳感器線束間隙之間，為確保傳感器正常工作，大氣基準(zhǔn)必須清潔有效

。

1.3 傳統(tǒng)氧傳感器數(shù)據(jù)分析

首先，水資源的商品化未必與公共信托存在必然的沖突，譬如，水資源的商品化可以提升水資源的使用效率，借此降低人們開發(fā)新的地下水資源的動(dòng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水資源的環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，因?yàn)闇p少地下水資源的抽取量一定會(huì)減少水資源遭受的生態(tài)環(huán)境破壞。如果缺乏水權(quán)交易市場，那么政府想要減低地下水資源的抽取量以保護(hù)水資源環(huán)境，必須采取強(qiáng)制性的限制措施，但是這通常會(huì)遭到現(xiàn)有的水資源使用者的反對。借助水權(quán)交易市場，政府的環(huán)境保護(hù)和用水者的用水需求之間的矛盾可以化解。比如，為了保護(hù)水資源環(huán)境，政府可以從用水者那里購買多余的水，并將這些水引入河流之中，這樣一方面可以激勵(lì)用水者節(jié)約用水，另一方面可以保護(hù)河流的水資源環(huán)境。

λ值為過量空氣系數(shù)，實(shí)際供給燃料燃燒的空氣量與理論空氣量之比，是反映燃料與空氣配合比的一個(gè)重要參數(shù)，應(yīng)屬于穩(wěn)定而有輕微波動(dòng)的信號，在0.8-1.1V之間波動(dòng)。如果λ=1，相當(dāng)于14.7：1的理想空燃比，正常工作情況下，如圖8所示，λ值保持在1上下輕微波動(dòng)。當(dāng)混合氣稀時(shí)，氧含量高，λ值大于1。當(dāng)混合氣濃時(shí)，氧含量低，λ值小于1。

加熱電阻由ECM通過脈寬調(diào)制信號進(jìn)行加熱控制，可以使用以下方法檢測診斷加熱電阻及控制：如圖5中(a)，使用診斷儀讀取加熱占空比，不同工況下，占空比會(huì)有所不同，正常值可以參考維修手冊，以確認(rèn)ECM的控制是否正常，圖5中(a)所示為在正常工作溫度時(shí)的占空比；如圖5中(b)，使用診斷儀驅(qū)動(dòng)加熱指令，以確認(rèn)加熱是否正常執(zhí)行；直接使用萬用表測量氧傳感器加熱電阻的阻值，參考維修手冊，以確認(rèn)加熱元件及線束是否正常。

如同傳統(tǒng)氧傳感器，寬頻氧傳感器也用于測量排氣系統(tǒng)中氧的含量。與傳統(tǒng)氧傳感器相比，寬頻氧傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理差異很大，而且寬頻氧傳感器更快、更精確：啟動(dòng)后更快地進(jìn)入閉環(huán)運(yùn)行模式，從而減少冷車排放；能更快地檢測排氣中氧濃度；能更精確反饋混合氣濃或稀的具體程度；能在更寬的轉(zhuǎn)速內(nèi)配合實(shí)現(xiàn)更為精確的燃油修正控制。隨著環(huán)保要求越來越高，寬頻氧傳感器在現(xiàn)行汽車中的占比也越來越大。

使用通用汽車GDS診斷儀，即通用汽車專用診斷儀，查看線形圖并觀察傳統(tǒng)氧傳感器信號電壓的變化，運(yùn)用圖形特點(diǎn)來分析系統(tǒng)或傳感器故障。如圖4所示：前氧傳感器(H02S1)信號電壓以0.45V為中心波動(dòng)說明混合氣空燃比在正常修正中；后氧傳感器位于三元催化器之后，由于三元催化器有儲(chǔ)氧能力，所以正常的后氧傳感器信號電壓在0.7V，且波動(dòng)較小，后氧傳感器(H02S2)的電壓穩(wěn)定在0.7V左右，說明三元催化器工作效能正常

。

1.3.3 傳統(tǒng)氧傳感器加熱電阻占空比診斷

如圖3中(a)所示，氧傳感器正常運(yùn)行模式下讀數(shù)在0.45V電壓基準(zhǔn)線上下變化，不同傳感器基準(zhǔn)電壓也有所不同,傳感器輸出電壓在0.1V和1V之間持續(xù)波動(dòng)，說明ECM對混合氣進(jìn)行不斷地閉環(huán)調(diào)整，長期空燃比的平均值接近14.7：1。如圖3中(b)所示，若氧傳感器信號電壓長時(shí)間保持在0.45V附近很狹窄的范圍內(nèi)波動(dòng)，可能的原因是氧傳感器受到污染或中毒導(dǎo)致精確性降低，電壓信號異常。如圖3中(c)所示，濃混合氣所產(chǎn)生的排氣中幾乎不含氧氣，傳感器產(chǎn)生較高的電壓，大于0.45V。當(dāng)信號電壓長時(shí)間處于0.45V以上，說明空燃比持續(xù)過濃。如圖3中(d)所示，稀混合氣產(chǎn)生的排氣中含有略多的氧氣，傳感器產(chǎn)生較低的電壓，小于0.45V。當(dāng)信號電壓長時(shí)間處于0.45V以下，說明空燃比持續(xù)過稀。

2 寬頻氧傳感器

2.1 寬頻氧傳感器工作原理

1.3.2 傳統(tǒng)氧傳感器系統(tǒng)線形圖診斷

式中：d1～d5為分離參數(shù)，為材料的臨界等效塑性應(yīng)變，Δεpl為等效塑性應(yīng)變增量，為塑性應(yīng)變率，ε0為參考應(yīng)變率，σp為主應(yīng)力平均應(yīng)力，σe為Mises應(yīng)力。

如圖6所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作時(shí)，加熱電阻把測氧單元和泵氧單元加熱到350℃以上，此時(shí)氧化鋯內(nèi)部開始產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)允許氧離子從中通過。以測氧單元為例，一側(cè)是大氣室與外部大氣相通，一側(cè)是測量室與排氣管相通。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，排氣通過泵氧單元中的孔道進(jìn)入測氧室。由于排氣中氧含量的濃度低于大氣室，所以在測氧單元兩側(cè)產(chǎn)生了濃度差。這時(shí)氧離子就會(huì)從氧濃度高的一側(cè)移動(dòng)到氧離子濃度低的一側(cè)，隨著離子的移動(dòng)在測氧單元兩側(cè)的電極上就感應(yīng)出了電壓，這個(gè)感應(yīng)電壓越高，說明氧濃度差越大，也就說明排氣中氧含量越少，混合氣越濃。電壓越低，說明氧濃度差越小，也就說明排氣中氧含量越多，混合氣越稀

。測氧單元的工作原理與傳統(tǒng)氧傳感器是相似的，測氧單元只能判斷混合氣是否過濃或過稀，要進(jìn)一步判斷具體濃稀程度，則需要使用泵氧單元。

通常情況下當(dāng)測氧單元輸出電壓為0.45V時(shí)，ECM認(rèn)定此時(shí)為理想空燃比，當(dāng)大于0.45V為濃混合氣，小于0.45V則為稀混合氣。因此，當(dāng)測氧單元輸出電壓出現(xiàn)偏差時(shí)，為了使電壓維持0.45V，ECM會(huì)通過給泵氧單元兩側(cè)電極供電以調(diào)整氧離子的移動(dòng)，當(dāng)測氧單元的電壓偏離0.45V越大時(shí)，施加在泵氯單元兩側(cè)電極上的供電電流就會(huì)增加，反之則會(huì)減小

。最終通過監(jiān)測泵氧單元供電電流的大小，ECM就可以計(jì)算出混合氣具體的濃稀程度。

2.2 寬頻氧傳感器線路

上汽通用汽車目前裝配較多的是5線寬頻氧傳感器。如圖7所示，傳感器側(cè)有5根線束，而ECM側(cè)共有6根線束。

寬頻氧傳感器僅安裝在三元催化器之前，即僅作為前氧傳感器。寬頻氧傳感器分為頭部、尾部及線束連接器三個(gè)部分，內(nèi)部有四個(gè)重要結(jié)構(gòu)單元：測氧單元位于傳感器頭部，與傳統(tǒng)氧傳感器相似，用于監(jiān)測排氣系統(tǒng)中含氧量濃或?。槐醚鯁卧挥趥鞲衅黝^部，施加電流泵吸氧，從而維持測氧單元信號穩(wěn)定，電流的大小則反饋了精準(zhǔn)的空燃比；加熱電阻位于傳感器頭部，用于加熱，以加快進(jìn)入閉環(huán)控制，讓傳感器迅速處在最佳的溫度下工作

；調(diào)節(jié)電阻位于線束連接器內(nèi)部，用于校準(zhǔn)氧傳感器。

2.3 寬頻氧傳感器數(shù)據(jù)分析

2.3.1 寬頻氧傳感器λ值波形診斷

1.3.1 傳統(tǒng)氧傳感器信號波形診斷

2.3.2 寬頻氧傳感器泵氧單元電流值診斷

排氣樣本流經(jīng)泵氧單元與測氧單元之間的擴(kuò)散區(qū)，ECM監(jiān)測測氧單元的信號電壓變化。ECM通過增減至泵氧單元的電流大小，即控制氧離子流量來保持測氧單元電壓恒定。通過監(jiān)測保持恒定的測氧單元電壓需要的泵氧單元電流大小，ECM可計(jì)算排氣系統(tǒng)中氧的精確濃度

。

當(dāng)前很多建筑企業(yè)的施工隊(duì)伍，基本上是以農(nóng)民工為主，無論是在專業(yè)能力方面還是安全防護(hù)意識(shí)方面都存在缺失，在實(shí)際施工過程中，認(rèn)識(shí)不到安全管理工作的重要性，不執(zhí)行甚至拒絕執(zhí)行安全管理制度，給建筑施工安全管理工作的開展制造了一定的困難。

如圖9所示，寬頻氧傳感器的泵氧單元電流值通常用mA表示。此值有正負(fù)之分，正值代表混合氣稀，負(fù)值代表混合氣濃，符號后面的數(shù)值代表了混合氣的濃稀程度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況發(fā)生變化，此數(shù)值也隨之變化，車型各有不同，在診斷時(shí)參考維修手冊可以確定標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3.3 寬頻氧傳感器加熱電阻工作電流診斷

通常情況下，該數(shù)值在0.3-3A之間。通過此數(shù)值就可以判斷加熱電阻的加熱狀態(tài)，診斷寬頻氧傳感器的工作情況。根據(jù)維修手冊，當(dāng)工作電流值不符合要求時(shí)，也可以通過測量來診斷故障原因。

在測量時(shí)，按手冊要求不可以直接破線測量寬頻氧傳感器的電流和電壓，也不可以維修寬頻氧傳感器的線束和連接器?？梢詳嚅_線束連接器，通過萬用表測量診斷傳感器或線路的狀態(tài)：測量傳感器頭部的加熱電阻電阻，常溫下約為5Ω；測量連接器內(nèi)部的調(diào)節(jié)電阻，約為230Ω，個(gè)體間有差異；測量ECM側(cè)連接器的各端子電壓值，如圖7，其連接器的2、3、7端子對搭鐵電壓正常應(yīng)在4.8V-5.7V之間。寬頻氧傳感器不可維修，如有故障應(yīng)更換傳感器總成。

樂器的選擇也要考慮學(xué)生的家庭經(jīng)濟(jì)情況，巴烏以其音色柔美，價(jià)格便宜而備受師生的青睞，課堂上運(yùn)用巴烏演奏樂曲簡單易學(xué)，符合小學(xué)生的學(xué)習(xí)特性，巴烏小巧玲瓏便于攜帶，學(xué)生在任何地方拿出來都可以演奏，奏出的樂曲婉轉(zhuǎn)動(dòng)聽，增強(qiáng)了學(xué)生的練習(xí)興趣；又因其聲音的相容性較好適于集體演奏，有效地促進(jìn)了樂器的普及。

泵前低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)式過濾器(見圖1)由雙浮筒做浮體，將低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)的濾筒及濾筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置和反沖洗結(jié)構(gòu)固定于浮筒上自成一體，安裝于抽水水泵取水口的前端。與傳統(tǒng)過濾器相比該過濾器在過濾過程中無需加壓，利用自然水頭(0.5～1.0 m)低壓滲透過濾；濾筒過濾面積大，且過濾精度較高，采用200目過濾網(wǎng)，過濾泥沙顆粒可達(dá)300目，能有效處理水體中細(xì)小的懸浮物；同時(shí)可適應(yīng)不同的水位要求，保證過濾水均為表層低懸浮濃度的水；微過濾機(jī)敝開設(shè)計(jì)，濾網(wǎng)反沖洗部分位于水面以上大氣中，在自清洗時(shí)反清洗效率高，濾網(wǎng)再生效果好。

3 總結(jié)

本文通過分析氧傳感器的工作原理及相關(guān)數(shù)據(jù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在常工況、變工況的條件下，為空燃比控制提供精確的信號，保障氧傳感器的運(yùn)行性能得到有效發(fā)揮。在傳統(tǒng)氧傳感器及寬頻氧傳感器均有一定的保有量的情況下，研究與分析汽車氧傳感器線路、信號波形、相關(guān)數(shù)據(jù)等，提升數(shù)據(jù)診斷分析的能力，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氧傳感器的檢修提供了具有較強(qiáng)的參考價(jià)值的故障診斷分析方法，對于有效促進(jìn)汽車氧傳感器在不同工況下穩(wěn)定運(yùn)行，控制汽車排放污染具有較為重要的意義。

[1]吳向暢，石平，郭文軍．國六輕型車車載診斷系統(tǒng)開發(fā)[J]．汽車工程學(xué)報(bào)，2020，10( 1) : 28-30．

[2]崔凱，陳洪方，張大偉，紀(jì)立柱，劉全.某車用前氧傳感器一種失效模式的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2021，50(4)：26-29．

[3]胡春明，王旸，王齊英，等．基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)氣預(yù)估的汽油機(jī)瞬態(tài)空燃比控制研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2018，39( 2) : 2-3．

[4]王東亮，肖劍，路錄祥，等．氧傳感器響應(yīng)變慢自適應(yīng)空燃比閉環(huán)控制方法研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2016，37(6)：122-126．

[5]葉龍偉，何小剛．一種氧化鋯氧傳感器測氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2019，3( 1) : 15-16．

[6]李捷輝，劉婧，吳兵兵，等. 基于氧傳感器模型的空燃比精確控制器開發(fā)[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2018(4)：11-16．

[7]李曉麗．寬域氧傳感器控制器設(shè)計(jì)與評測[J]．工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2017，4( 2) : 120-122．

[8]粟慧龍，韓雪，魏麗君．高精度氧傳感器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究[J]．控制工程，2016， 23( 4) : 588-591．

[9]周樹艷，趙旻泓，靳越峰．寬域氧傳感器加熱方法研究[J]．現(xiàn)代車用動(dòng)力，2020，3( 1) : 30-32．

[10]劉子強(qiáng)，邵晗，李全. 氧傳感器OBD 系統(tǒng)診斷原理及故障分析[J]. 農(nóng)機(jī)使用與維修，2018(01)：39-43.