毕业设计(论文)
题目： 氧传感器故障诊断与分析
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毕业设计(论文)任务书
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题 目 氧传感器故障诊断与分析
1、本论文的目的、意义
2、学生应完成的任务
3、论文各部分内容及时间分配：(共 20 周)
第一部分 ( 周)
第二部分 ( 周)
第三部分 ( 周)
第四部分 ( 周)
第五部分 ( 周)
评阅及答辩 ( 周)
备 注
指导教师： 年 月 日
审 批 人： 年 月 日
摘 要
本文主要介绍汽车氧传感器及引起的各种故障的诊断与分析，氧传感器在电控汽车中为使混合气的空燃比达到最佳，有氧传感器修正的实际喷油时间比预先设定的基本喷油时间延长或缩短的时间的百分比。范围在—10%——10%之间。氧传感器在车辆发生故障多是老化、线路故障和燃油质量问题造成，本人根据实际工作的体会，浅谈氧传感器的故障诊断并分析造成故障的原因。
关键词：汽车; 氧传感器; 故障; 诊断
目 录
第一章 绪论 6
1.1、两种材料的氧传感器的发展 7
1.1.1、氧传感器应用在汽车上的意义 7
第二章、氧传感器的结构和工作原理 8
2.1、氧化锆式氧传感器 9
2.1.1、氧化钛式氧传感器 10
第三章、氧传感器的检测 11
3.1、氧传感器的基本电路 11
第四章、氧传感器的常见故障 14
4.1主要故障和引起原因 14
第五章、氧传感器的检测与清洗方法 16
5.1、电阻电压法检测 16
5.1.1、氧传感器的清洗方法如下： 18
第六章、案例分析 19
结论 21
致谢 22
参考文献： 23
第一章 绪论
随着汽车技术的发展，世界各国对汽车尾气排放标准要求越来越严格，电喷汽车越来越受市场的追捧。氧传感器是现代汽车控制废气排放、提高燃油经济性的重要传感器之一，发动机的氧传感器是发动机用于调节空燃比信号，氧传感器故障会造成燃油消耗增大，发动机工作异常，不但造成经济损失还会造成大气污染。汽车用传感器主要分为氧化锆和氧化钛型。本文主要介绍这两种传感器。
1.1、两种材料的氧传感器的发展
（1）二氧化锆传感器发展
二氧化锆的离子导电性最早研究是在1900 年，而真正将氧传感器应用于汽车上则是在1976 年，由德国博世BOSCH 公司首先在瑞典VOLVO 汽车上装用了氧化锆氧传感器，实现了汽车尾气空燃比的反馈
控制。之后通用、福特、丰田、日产等汽车都先后开发了氧传感器并应用于汽车上来控制汽车尾气。目前二氧化锆传感器已是应用在汽车上较成熟的氧传感器。
（2）二氧化钛传感器发展
二氧化钛（TiO2）属N 型半导体材料，其阻值大小取决于材料温度及周围环境中氧离子的浓度，因此可以检测排气中的氧离子浓度。氧化物半导体表面可选择性地吸附某种气体，利用其氧化物薄膜的电阻率变化可制成气敏元件是由日本的清山哲郎在1962年。
而二氧化钛传感器在汽车上的应用是日本于1982 年才开始使用，丰田公司于1984 年研制成功了管芯式氧化钛传感器，1985 年研制成功厚膜式氧化钛传感器并批量生产，并且之后在全球得到迅速的发展。氧化钛式一般都为加热型传感器，由于价格便宜，且不易受到硅离子的腐蚀，因此随着新技术，特别是纳米加工技术发展，
二氧化钛传感器将更具有广阔的前景。
1.1.1、氧传感器应用在汽车上的意义
在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，并向ECU发出反馈信号，再由ECU控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。
第二章、氧传感器的结构和工作原理
在讨论氧传感之前，我们先来研究引擎燃烧后所产生的有害废气。一般汽车所排放的废气特别是对人体有害的，主要有三种：一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、其中CO、HC只要使汽油完全地燃烧即可将这两者废气减到最低，然而当汽油达到完全燃烧时温度容易升高，连带的也就使得NOx剧增，在这部份可利用EGR来减少其发生量。但这对于废气的管制显然还不够的，要使引擎所有的运转范围皆达到其控制标准，因此加入了三元触媒转化器的控制，其内部有着极为细微的孔洞并含有大量的金属：铂、铑、钯。它能将上述三种有害的气体进行氧化及还原的作用，转化成无害的气体或是一般的废气。然而触媒转化器的使用条件相当严苛，除了需达到较高工作温度外，最重要的是它最大净化率是发生在理论混合比附近14.7: 1，也就是说引擎的燃烧须控制在14.7: 1空燃混合比之下，要达到此细微之标准并不容易，故在排气管中插入氧传感器，借检测废气中的氧浓度测定空燃比。并将其转换成电压信号或电阻信号，反馈给ECU。ECU控制空燃比收敛于理论值。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。
2.1、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绝缘套从此接线端引出。如图
2-1所示。
图2-1 氧化锆式传感器
氧化锆在温度超过300℃后，才能进行正常工作。早期使用的氧传感器靠排气加热，这种传感器必须在发动机起动运转数分钟后才能开始工作，它只有一根接线与ECU相连。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。它有三根接线，一根接ECU，另外两根分别接地和电源。
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、外侧氧含量不一致，存在浓差，因而氧离子从大气侧向排气一侧扩散，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、H2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。
要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.1-0.8V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。
2.1.1、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，在传感器前端的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。如下图2-2所示。
图2-2 氧化钛式氧传感器
ECU B+端子将一个恒定的1V电压加在氧化钛式氧传感器的一端上，传感器的另一端与搭铁端子相接。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，信号端子上的电压降也随着变化。当信号端子上的电压高于参考电压时，ECU判定混合气过浓；当信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连接的信号端子上的电压也是在0.1-0.9V之间不断变化，这一点与氧化锆式氧传感器是相似的。氧化钛式氧传感器对比氧化锆式氧传感器的工作原理有很大的不同，它是利用多孔状导体TiO2的导电性随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻性氧传感器。这种传感器的结构简单、体积小、成本低，但是在300℃～900℃工作时，电阻值随温度变化较大，所以必须用温度补偿的方法来提高精度，通常用另一个实心TiO2导体作为温度补偿。
第三章、氧传感器的检测
3.1、氧传感器的基本电路
（1）氧传感器加热器电阻的检测
点火开关置于“OFF”，拔下氧传感器的导线连接器，用万用表Ω档测量氧传感器接线端中加热器端子与自搭铁端子（图3-1端子1和2）间的电阻其电阻值应符合标准值（一般为4-40Ω；具体数值参见具体车型说明书）。如不符合标准，应更换氧传感器。测量后，接好氧传感器线束连接器，以便作进一步的检测。
（2）氧传感器反馈电压的检测
测量氧传感器反馈电压时，应先拔下氧传感器线束连接器插头，对照被测车型的电路图，从氧传感器反馈电压输出端引出一条细导线，然后插好连接器，在发动机运转时从引出线上测量反馈电压。有些车型也可以从故障诊断插座内测得氧传感器的反馈电压，如丰田汽车公司生产的小轿车，可从故障诊断插座内的OX1或OX2插孔内直接测得氧传感器反馈电压（丰田V型六缸发动机两侧排气管上各有一个氧传感器，分别和故障检测插座内的OX1和OX2插孔连接）。
在对氧传感器的反馈电压进行检测时，最好使用指针型的电压表，以便直观地反映出反馈电压的变化情况。此外，电压表应是低量程（通常为2V）和高阻抗（阻抗太低会损坏氧传感器）的。
内层铂金层与大气接触，所以氧气浓度高。外层铂金与排气接触，氧气浓度低。当混合比较高时，排放的废气所含的氧相对地减少。因此二氧化锆两侧的铂金所接触到的氧气高低落差大，所产生的电动势也相对高（将近1V）；当混合比较稀时，燃烧后多余的氧气较多，二氧化锆两侧的铂金层的氧气落差小，因此所产生的电动势低（将近0V）.即下图3-2所示。
图3-2
喷油量少→空燃比大→废气中氧含量大→氧传感器产生电压低→ECU控制喷油量大
喷油量大→空燃比小→废气中氧含量少→氧传感器产生电压高→ECU控制喷油量少
二氧化锆式氧传感器的工作温度需在350度以上其特性才能充分体现，为使氧传感器尽快达到工作温度，为其附加了一个数4～10Ω的陶瓷加热器，引擎发动机约30秒钟后达到正常工作温度，输出的电压信号送到ECU放大处理，ECU把高电压信号看作浓混合气，而把低电压信号看作稀混合气根据氧传感器的电压信号，电脑按照尽可能接近14.7: 1的理论最佳空燃比来稀释或加浓混合气，此过程将不断地在稀释—加浓—稀释地空燃比进行循环调整，使氧传感器在0.1～0.9V间变换（以50次\min左右）送给电脑，在发动机怠速时实现闭环控制。因此，氧传感器是电子控制燃油计量的关键传感器。
第四章、氧传感器的常见故障
4.1主要故障和引起原因
（1）氧传感器中毒
氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障，尤其是经常使用含铅汽油的汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几千公里。如果只是轻微的铅中毒，接着使用一箱不含铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作。但往往由于过高的排气温度，而使铅侵入其内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时就只能更换了。如图4-1和4-2所示。
图4-1 铅中毒 图4-2 硅中毒
另外，氧传感器发生硅中毒也是常有的事。一般来说，汽油和润滑油中含有的硅化合物燃烧后生成的二氧化硅，硅橡胶密封垫圈使用不当散发出的有机硅气体，都会使氧传感器失效，因而要使用质量好的燃油和润滑油。修理时要正确选用和安装橡胶垫圈，不要在传感器上涂敷制造厂规定使用以外的溶剂和防粘剂等。
（2）积碳
由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或氧传感器内部进入了油污或尘埃等沉积物，如图4-3所示。会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的信号失准，ECU不能及时地修正空燃比。产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加。此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。
图4-3 积碳
(3)氧传感器陶瓷碎裂
氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而失效。因此，处理时要特别小心，发现问题及时更换。
(4)机油污染
机油进入了发动机燃烧室会使氧传感器表面覆上一层油状的沉积物，如图4-4所示。从而使氧传感器的反应延迟或失灵。如果氧传感器表面有厚厚的一层白色或灰色油状沉积物，说明使用了燃油添加剂或者发动机在“烧机油”。这些燃油添加剂和机油的特殊成分会污染氧传感器的感应元件。
图4-4 机油污染
(5)加热器电阻丝烧断
对于加热型氧传感器，如果加热器电阻丝烧蚀，就很难使传感器达到正常的工作温度而失去作用。
氧传感器内部线路断脱
第五章、氧传感器的检测与清洗方法
5.1、电阻电压法检测
（1）氧传感器加热器电阻的检查
拔下氧传感器线束插头，用万用表电阻档测量氧传感器接线端中加热器接柱与搭铁接柱之间的电阻，其阻值为4-40Ω(参考具体车型说明书)。如不符合标准，应更换氧传感器。
(2)氧传感器反馈电压的测量
测量氧传感器的反馈电压时，应拔下氧传感器的线束插头，对照车型的电路图，从氧传感器的反馈电压输出接线柱上引出一条细导线，然后插好线束插头，在发动机运转中，从引出线上测出反馈电压(有些车型也可以由故障检测插座内测得氧传感器的反馈电压，如丰田汽车公司生产的系列轿车都可以从故障检测插座内的OX1或OX2端子内直接测得氧传感器的反馈电压)。
对氧传感器的反馈电压进行检测时，最好使用具有低量程(通常为2V)和高阻抗(内阻大于10MΩ)的指针型万用表。具体的检测方法如下：
1)将发动机热车至正常工作温度(或起动后以2500r/min的转速运转2min)；
2)将万用表电压档的负表笔接故障检测插座内的E1或蓄电池负极，正表笔接故障检测插座内的OX1或OX2插孔，或接氧传感器线束插头上的号|出线；
3)让发动机以2500r/min左右的转速保持运转，同时检查电压表指针能否在0-1V之间来回摆动，记下10s内电压表指针摆动的次数。在正常情况下，随着反馈控制的进行，氧传感器的反馈电压将在0.45V上下不断变化，10s内反馈电压的变化次数应不少于8次。如果少于8次，则说明氧传感器或反馈控制系统工作不正常，其原因可能是氧传感器表面有积碳，使灵敏度降低所致。对此，应让发动机以2500r/min的转速运转约2min，以清除氧传感器表面的积碳，然后再检查反馈电压。如果在清除积碳可后电压表指针变化依旧缓慢，则说明氧传感器损坏，或电脑反馈控制电路有故障。
4）检查氧传感器有无损坏
拔下氧传感器的线束插头，使氧传感器不再与电脑连接，反馈控制系统处于开环控制状态。将万用表电压档的正表笔直接与氧传感器反馈电压输出接线柱连接，负表笔良好搭铁。在发动机运转中测量反馈电压，先脱开接在进气管上的曲轴箱强制通风管或其他真空软管，人为地形成稀混合气，同时观看电压表，其指针读数应下降。然后接上脱开的管路，再拔下水温传感器接头，用一个4-8KΩ的电阻代替水温传感器，人为地形成浓混合气，同时观看电压表，其指针读数应上升。也可以用突然踩下或松开加速踏板的方法来改变混合气的浓度，在突然踩下加速踏板时，混合气变浓，反馈电压应上升；突然松开加速踏板时，混合气变稀，反馈电压应下降。如果氧传感器的反馈电压无上述变化，表明氧传感器已损坏。
另外，氧化钛式氧传感器在采用上述方法检测时，若是良好的氧传感器，输出端的电压应以2.5V为中心上下波动。否则可拆下传感器并暴露在空气中，冷却后测量其电阻值。若电阻值很大，说明传感器是好的，否则应更换传感器。
5)氧传感器外观颜色的检查
从排气管上拆下氧传感器，检查传感器外壳上的通气孔有无堵塞，陶瓷芯有无破损。如有破损，则应更换氧传感器。
（3）通过观察氧传感器顶尖部位的颜色也可以判断故障：
①淡灰色顶尖：这是氧传感器的正常颜色；
②白色顶尖：由硅污染造成的，此时必须更换氧传感器；
③棕色顶尖：由铅污染造成的，如果严重，也必须更换氧传感器；
④黑色顶尖：由积碳造成的，在排除发动机积碳故障后，一般可以自动清除氧传感器上的积碳。
主氧传感器包括一根加热氧化锆元件的热棒，加热棒受（ECU）电脑控制，当空气进量小（排气温度低）电流流向加热棒加热传感器，使能精确检测氧气浓度。
在试管状态化锆元素（ZRO2）的内外两侧，设置有白金电极，为了保护白金电极，用陶瓷包覆电机外侧，内侧输入氧浓度高于大气，外侧输入的氧浓度低于汽车排出气体浓度。
应当指出采用三元催化器后，必须使用无铅汽油，否则三元催化器和氧传感器会很快失效。再注意，氧传感器在油门稳定，配制标准混合时较为重要的作用，而在频繁加浓或变稀混合时，（ECU）电脑将忽略氧传感器的信息，氧传感器就不能起作用。
5.1.1、氧传感器的清洗方法如下：
拆下氧传感器，用5-10%的三氯化铁溶液加过量的盐酸，这个比例要视传感器头子表面的情况而定。将氧传感器放到溶液里浸泡，10-15分钟后取出，用水冲净，不仅周围的四个孔要通畅，从底部观察，洗净后里面的载体呈白色。如果清洗得不理想，继续此项的工作，直到能看到白色的载体为止。用水冲净后，装上传感器，重复上述的第四步测量工作。一般说来，只要不是副厂的传感器，只要内部的瓷体没有炸裂，加热电阻没有开路，经过上述清洗过的氧传感器都可以恢复正常工作。
第六章、案例分析
1.奥迪轿车氧传感器不良引起的发动机故障
一辆德国原装奥迪轿车(发动机排量为2.8L，带空气流量传感器和双氧传感器)，冷机起动比较容易，但无法加速，只能怠速运转；发动机暖机后，加速尚可，但有时出现熄火现象；刚起步时进行加速，反应较慢(加速踏板踩下后，需过1-2s后才有反应)。
首先，检查发动机电控系统有无故障代码。经过一段时间路试后检查发现，故障指示灯显示完全正常，但上述故障现象确实存在。据了解，该车长期使用90号汽油，且燃油系统很长时间没有进行维护，故怀疑上述现象是因油路故障引起的。为此，把喷油器、节气门体、怠速通道、油管和油箱都拆下清洗，且更换了火花塞，然后再进行路试，故障依然存在。进一步分析，可能是燃油泵工作时过热，引起短时间不工作所致。换上另一辆运行正常的同型号车的燃油泵后进行路试，故障依旧。
接着又对该车的各个工况作了进一步检查，发现冷车时除了以上故障现象外还有一个特殊的现象，那就是当发动机空载加速到2 000r/min时，会出现转速突然下降的现象。据此，判断故障是因氧传感器不良而引起的。于是，又更换了同型号车上的氧传感器。后经路试，热车时故障现象消失，第2天冷机起动后，加速有力，一切恢复正常。
故障分析：奥迪2.8L发动机控制系统为一闭环控制系统，发动机ECU主要根据冷却液温度传感器信号、空气流量传感器信号、节气门位置传感器信号和氧传感器信号来控制喷油持续时间，以满足发动机冷机加浓和加速加浓等对供油量的要求。作为氧传感器，在发动机工作中主要检测的是尾气中的含氧量，ECU据此判断混合气是浓还是稀，然后发出指令，不断调整喷油持续时间，以实现最佳燃烧过程。由于该车长期使用90号汽油，与要求的93号以上汽油有一定的差别，故易引起氧传感器“中毒”，使氧传感器表面产生一层“保护膜”，从而不能正确反映尾气中的含氧量，它仅以一个基本固定的信号电压输给发动机ECU。这样，在实际使用中，当混合气过稀需加浓时，ECU并没有得到混合气过稀的信号，也就不能输出加浓混合气(延长喷油持续时间)的指令，从而出现上述故障现象。
2.
结论
氧传感器的作用是测定发动机燃烧后的排气中氧是否过剩的信息，即氧气含量，并把氧气含量转换成电压信号传递到发动机计算机，使发动机能够实现以过量空气因数为目标的闭环控制；确保三元催化转化器对排气中的碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化合物（NOX）三种污染物都有最大的转化效率，最大程度地进行排放污染物的转化和净化。为了节能和防止汽车污染，西方发达国家大都装有氧传感器，对我国来说装汽车用氧传感器势在必行。我国汽车工业同国外的主要差距之一，也表现在汽车传感器方面。因此，可得出氧传感器推广应用的前景十分乐观。
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