汽车发动机氧传感器信号波形分析

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随着汽车排放法规的逐渐严格和对汽车排气污染控制的重视，“电喷”加三元催化器的发动机正成为普遍配置。这种发动机采用了混合气成分的闭环控制和三元催化反应装置的联合使用技术，是汽油机有效的排气净化方法。在这一系统中，氧传感器是进行闭环反馈控制的主要元件之一，必不可少。正常工作时，氧传感器随时测定发动机排气管中的氧含量(浓度)，以检测发动机燃烧状况。因此，当发动机出现燃烧故障时，必然引起氧传感器电压信号的变化，这就为通过观察氧传感器的信号波形判断发动机某些故障提供可能。很多资料显示其效果很好。
1. 氧传感器的一般作用
    如图1所示，要使三元催化转化器全面净化CO、HC和NOX这三种有害气体，必须保证混合气浓度始终保持在理论空燃比(14.7)附近的狭小范围内。一旦混合气浓度偏离了这个狭小范围，则三元催化转化器净化能力便急剧下降。保证混合气浓度在理论空燃比附近，“电喷”系统和氧传感器的配合是很好的解决方案。

图1  转换效率随空燃比变化曲线

    氧传感器检测排气中的氧浓度，并随时向微机控制装置反馈信号。微机则根据反馈来的信号及时调整喷油量(喷油脉宽)，如信号反映混合气较浓，则减少喷油时间；反之，如信号反映混合气较稀，则延长喷油时间。这样使混合气的空燃比始终保持在理论空燃比附近(见图2)，这就是燃料闭环控制或称燃料反馈控制。

图2  反馈控制原理图

2. 氧传感器的正常波形
    常用的汽车氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种。以氧化锆式为例，正常情况下当闭环控制时(见图3)，氧传感器的电压信号大约在0至1V之间波动，平均值约450mV。当混合气浓度稍浓于理论空燃比时，氧传感器产生约800mV的高电压信号；当混合气浓度稍稀于理论空燃比时，氧传感器产生接近100mV的低电压信号。当然，不同类型的氧传感器其实际波形并不完全相同。朱军老师曾总结说：“一般亚洲和欧洲车氧传感器(博世)信号电压波形上的杂波要少，尤其是丰田凌志车氧传感器信号电压波形的重复性好，而且对称、清楚，美国车（不是采用亚洲的发动机和电子反馈控制系统）杂波要多。”但需要指出，氧化钛型氧传感器反馈给发动机电控单元的电压，一般是1V范围内变化，也有少数的是5V范围内变化的。

图3  正常的多点喷射发动机氧传感器波形

3. 引起氧传感器的信号波形出现异常的原因
    当氧传感器及微机控制装置无故障，而氧传感器信号波形异常，如果不是在某些特殊工况下由于发动机控制策略所引起的，一般表明发动机有故障。这些故障造成汽缸内混合气燃烧不正常，进而使排气中的氧含量变化，氧传感器的信号波形就出现异常。一般发动机的下列故障会引起氧传感器信号波形产生严重杂波。
   （1）点火系故障，如某缸火花塞损坏、某缸高压分线损坏或分电器、分电器转子、点火线圈等损坏。这些故障可使部分氧“不经消化”即排出缸外，从而使排气中的氧含量升高。
   （2）由机械原因引起的压缩泄漏，如气门烧损、活塞环断裂或磨损过度等造成的压缩泄漏，使点火之前的压缩温度、压缩压力不够，造成燃烧不完全甚至缺火。
   （3）真空泄漏，例如进气道、进气管上的真空软管等处存在泄漏。如果真空泄漏使混合气空燃比达到17以上时，就可引起因混合气过稀而发生的缺火，造成排气氧含量增大。
   （4）喷油系统故障。个别缸喷油器的喷油量过多或过少(喷油器卡在开的位置或堵塞)，造成混合气过浓或过稀。当个别缸的混合气空燃比达到13以下或17以上时，将可能引起缺火，亦可造成排气氧含量异常。
4. 氧传感器波形异常分析
（1）喷油系统和点火系统故障引起缺火时的氧传感器波形分析
     图4是本刊2002年第2期第43页朱军老师列出的喷油器损坏后的氧传感器波形，被多篇文章采用。此例中，排气中氧不均衡或存在缺火使氧传感器电压波形产生严重杂波，这些杂波彻底毁坏了燃料反馈控制系统对混合气的控制能力。在图形上表现为氧传感器的信号电压波形的尖峰，覆盖氧传感器的整个信号电压范围。通过更换喷油器以后，发动机工作恢复正常，且氧传感器信号波形也恢复正常。但我们的问题是，如果氧传感器信号波形出现这种严重的杂波，能否可以推测是由于喷油系统损坏导致个别缸缺火或各缸喷油器喷油量不一致所引起的发动机故障？我们再看几个例子。

图4  喷油器损坏的氧传感器信号电压波形故障分析

    当引起发动机某缸缺火的原因不一样时，氧传感器信号波形会有较大的区别。Mark Warren曾在“氧传感器探秘”(钟其水译)一文中报道他的实验结果。实验中利用一辆3.5L V6发动机的Honda Odyssey进行检测。由于一个点火线圈失效而产生了缺火，氧传感器波形出现异常。可以注意到氧传感器在大多数时间里都处于小读数状态，但有很多的瞬时是高读数（如图5）。理论上，当存在点火失误时，尾气中氧含量较高，一般氧传感器波形应当处在低电压的状态，瞬时高读数可以理解为是由于未燃烧燃油在氧传感器表面燃烧引起氧含量大大降低以及非平衡气体（CO、HC、NOX）的作用所致。这里需要明确的是：氧传感器测量的是其表面的氧气浓度，而非排气管中的平均浓度，当然，正常情况下两者是基本一致的。

图5  点火故障产生缺火

    对同一个发动机汽缸在喷油系统出现故障时进行同样的试验，氧传感器信号波形如图6所示。可以注意到氧传感器的读数与图5刚好相反，此时更长的时间停留在高读数状态。理论上，氧传感器波形处于高电压的状态一般是由于混合气过浓、排气中氧含量减少所致，而瞬时低读数可以理解为各缸喷油不均匀及非平衡气体的作用所致。

图6  喷油故障产生缺火

（2）真空泄漏故障的氧传感器波形分析
    图7为某发动机在2500r/min时的氧传感器波形。故障为个别汽缸的进气歧管真空泄漏。对图中波形分析可以得出：真空泄漏使混合气过稀，每当真空泄漏的汽缸排气时，氧传感器就产生一个低电压尖峰，一系列的低电压尖峰在波形中形成了严重的杂波。而平均电压高达536mV则说明燃料反馈控制系统的反应是正确的。因为当氧传感器向微机控制系统反馈低电压信号时，燃料反馈控制系统使汽缸内的混合气立即加浓，排气时氧传感器对此反映为高电压信号。

图7  真空泄漏故障

（3）间歇性缺火故障的氧传感器波形分析
    图8为某发动机在2500 r/min时的氧传感器波形。该波形反映出点火系统存在间歇性缺火故障。波形两边部分显示正常，但波形中段严重的杂波表明燃烧极不正常，甚至缺火。如前述，由于缺火时汽缸内的氧“未经消化”即排出缸外，致使氧传感器波形出现一系列的低压尖峰，形成严重的杂波。同时，整个波形显示燃料反馈控制系统的反应是正常的。从波形上看，其数秒的间歇性杂波表明压缩泄漏或真空泄漏的可能性较小，应对点火系做进一步检查，以确定具体故障原因。

图8  间隙性故障

（4）对氧传感器异常波形的分析结论
    对于喷油系统和点火系统故障以及真空泄漏、压缩泄漏引起的氧传感器的信号波形严重杂波，其形态会有一定的区别。但对不同的车型，明确区分是比较困难的。要想学会区分不同杂波所对应的故障，最好的方法就是观察在不同行驶里程下同一类型汽车氧传感器的信号电压波形，并加以分析比较。不过，可以肯定的是如果你检测出氧传感器信号波形出现非常严重的杂波，就可以推测这可能是缺火所引起的发动机故障。一般来说，点火失误引起的严重杂波，氧传感器波形大多处在低电压位置；喷油器损坏引起喷油滴漏和各缸喷油不均匀则可能使氧传感器电压波形大多处于高电压位置。
5. 氧传感器波形异常的一般检查步骤
    当氧传感器波形出现严重杂波，而不是氧传感器本身及控制系统故障时，必须对发动机进行检查以确定故障部位。
    （1）检查、判断点火系统是否有故障；
    （2）检查汽缸压力以判断是否有压缩泄漏的可能性；
    （3）用人为加浓或配合其他仪器等方法判断是否有真空泄漏的可能性；
    （4）检查喷油系统是否有故障。