氧传感器OBD系统诊断原理及故障分析

刘子强+邵晗+李全

摘要：从氧传感器的原理出发，对车辆氧传感器OBD报故障码机理及信号表现进行阐述，分析了市场上返回件故障原因并提出改进措施，从而预防及降低产品故障的发生。

关键词：氧传感器；OBD；故障分析

中图分类号：U472文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.027

Abstract：Base on oxygen sensor work principle， the paper discuss oxygen sensor OBD basic diagnosis theory and signal characteristic， analysis failure part root cause in field， the research can be guidance for reducing failure rate.

Key words：oxygen sensor；OBD； failure analysis

0引言

現代化的汽车为了获得高的经济性和低的排放污染，采取了多种措施， 其中加装三元催化反应装置可以大幅度降低废气中CO、CH、NOx的含量，提高汽车的环保性能。在使用三元催化反应装置降低排放污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件。从氧传感器原理出发，对车辆氧传感器OBD报故障码机理及信号表现进行阐述，探讨了市场上汽车氧传感器常见故障原因及相应措施，进而降低产品市场故障率。

1氧传感器工作原理

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，安装在车辆底部排气总管上。氧传感器的基本元件是氧化锆专用陶瓷体，锆管表面装有透气的铂电极及接头，其内表面与大气相通，外表面与废气相通，氧传感器结构见图1。锆管的陶瓷体是多孔性的固体电解质，氧传感器利用了Nernst原理，当温度较高时，允许渗入该固体电解质内的氧气发生电离，电离后的氧离子能够由氧浓度高的内侧向浓度低的外侧扩散，就会在两个铂电极表面产生电压降，形成微电池。氧传感器工作原理见图2，当空燃比较低时（浓混合气），废气中的氧较少，因此陶瓷管外侧氧离子较少，形成1.0 V左右的电动势；当空燃比等于14.7时，此时陶瓷管内外两侧产生的电动势为0.4～0.5 V， 该电动势为基准电动势；当空燃比较高时（稀混合气），废气中氧含量较高，陶瓷管内外的氧离子浓度差较小，所以产生电动势很低，接近为零。因此可以检测出排气中氧的含量，从而能检测出混合气的浓度。

1.座组件 2.绝缘衬套 3.密封件 4.垫圈 5.传感元 6.绝缘衬套 7.保护帽 8.弹簧夹 9.线束组件

一旦氧传感器及其连接线路出现故障，不能对空燃比进行反馈控制，会使发动机油耗和排气污染增加，出现怠速熄火、运转失准等各种故障。因此，引入的OBD系统，利用有缺陷或劣化的氧传感器替代性能良好的氧传感器或用于失效模拟的电气装置，产生各种氧传感器故障特征信号给ECU，设定响应速度或电压变化，检验ECU内的诊断算法是否能准确检测出预设的故障。

2氧传感器OBD系统诊断原理

氧传感器的接头有四个针脚：加热电源正极、加热电源负极、信号负极、信号正极。任何一个线端出现接触不良、短路或断路都会使信号端输出的信号不正确，电路诊断主要针对信号电路。若信号线端开路、对地或电源短路、与加热线耦合等问题出现，则信号端输出的电压信号将有不同的表现，据此判断出电路故障。

2.1信号线对电源对地短路故障

信号线对电源对地短路故障诊断条件见图3，具体如下：

（1）氧传感器电压信号正常在0.1～0.9 V之间跳动，电压低时，表示混合气偏稀，电压高时，表示混合气偏浓，据此实现对混合气的闭环调节。

（2）当信号线对电源短路时，电压信号将一直处于高电平状态，不随混合气浓稀而跳变。

（3）当信号线对地短路时，电压信号将一直处于低电平状态，不随混合气浓稀而跳变。

2.2信号线开路故障

信号线开路故障诊断条件见图4，具体如下：

（1）信号线开路时，电压信号将一直保持在0.45 V左右，不随混合气浓稀而跳变。

（2）该类型诊断需在氧传感器足够热、电池电压充足、转速高于最低稳定转速、无喷油器故障等的情况下，才允许进行。

（3）若在满足上述条件后，电压信号持续（25 s左右）处于阀值范围内，即振不起来，则判定存在开路故障。

2.3信号不合理故障

不合理故障分为两种情况：即信号线与加热线耦合和前后氧传感器信号矛盾两类。信号不合理故障诊断条件见图5，具体如下：

（1）该类型诊断需在氧传感器足够热、电池电压充足、转速高于最低稳定转速、无喷油器故障等情况下，才允许进行。

（2）当信号线与加热线耦合时，电压信号在加热关闭时的增幅△将远超过正常信号的△变化，则认为存在信号线与加热线耦合故障。

（3）若混合气偏浓时，后氧电压信号显示偏浓，但前氧信号显示偏稀，则表明前氧信号不合理，反之亦然。

2.4氧传感器老化故障

（1）氧传感器长期工作在高温废气的环境中，会因各种物理和化学中毒等原因而逐渐老化，致使其对混合气浓稀的监测反应越来越迟钝，进而使闭环控制越发不准确，排放恶化。

（2）前氧老化形式主要有两种：即双边老化和单边老化。双边老化指浓稀两边反应都迟缓，以氧传感器信号周期作为诊断变量，当周期延迟时间超越阀值时即报出故障；单边老化分为浓边反应迟缓和稀边反应迟缓，周期延迟时间超越相应的阀值时即报出故障。上述老化故障的诊断阀值均以排放为依据。endprint

3氧传感器的常见故障分析

对某整车厂一年售后件分析结果进行统计分类，氧传感器失效的主要故障类型包括：线束不良、接插件进水、机械冲击传感元断裂、温度冲击传感元断裂、氧传感器中毒等。

3.1线束不良

线束不良如接插件端子松脱、端子不平整、接触面过度磨损或者线束断线、虚接等，导致诊断仪显示氧传感器信号故障和氧传感器加热故障等，其中线束断线X光如图6所示。措施是在使用中对产品的安装布置进行改善，减少波纹管的弯曲程度，避免波纹管位置存在严重的拉扯，优化使用环境，避免产品因机械损伤导致的失效。

3.2氧传感器接插件进水

氧传感器接插件进水、受潮，在PIN针处会造成腐蚀、氧化，导致电阻增大、接触不良、短路等问题。若后端进水，会导致参考空气腔氧浓度下降，无法正常反馈废气侧氧浓度信号。氧传感器接插件进水情况见图7。预防措施是提高接插件的防水等级，防止水汽进入。

3.3机械冲击造成传感器损坏

氧传感器端部由陶瓷制成，材质硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使氧传感器碎裂而失效，氧传感器机械损伤见图8所示。

3.4污染物造成传感元件断裂

湿汽、冷凝水或污染物进入传感器内部，造成传感器传感元断裂，当混合气空燃比等于1时，排气中水蒸汽约占12.5%。在发动机启动后且排气系统温度较低的一段时间内，水蒸汽可能会冷凝到排气系统上。如果在这段时间内氧传感器陶瓷体超过一定温度，并且冷凝水飞溅到氧传感器陶瓷体上，陶瓷体就可能会由于热应力而破裂。氧传感元热应力破裂如图9所示。 所以需要在发动机启动后对氧传感器陶瓷体温度以及氧传感器陶瓷体附近的排气管壁温度进行监测，以判定氧传感器是否存在有断裂危险。一般而言，废气中的水蒸汽总是在排气管壁冷凝，这样排气管壁的温度在50 ℃左右会因为水蒸汽的冷凝和蒸发过程的交叠而停滞一段时间。此后如果管壁温度继续上升，排气中的水蒸汽就不会再在排气管壁上冷凝和蒸发。当水汽随着排气管温度再度升高而蒸发后，才进行氧传感器全功率加热。

氧传感器的位置和排气系统的布置对水汽有很大的影响。氧传感器的位置与水汽的关系图见10。如果氧传感器安装在发动机附近向下的排气管弯头上，在管壁上只会形成一层很薄的水膜，风险阶段就会比较短。但是如果在氧传感器安装位置前还布置有很多吸热元件（如弯管、法兰、波纹管和涡轮增压系统等），排气中冷凝的水就会增加，风险阶段也会相应推迟。此外，管接头、法兰、波纹管会破坏管壁上的水膜，从而形成很多细小的水滴。这些水滴会通过氧传感器的保护管到达陶瓷体（在踩油门等情况下“飞溅”出来），并在陶瓷体上形成一层水膜，对氧传感器陶瓷体产生破坏。

该客户市场上某一种车型，多次出现传感元温度冲击碎裂故障。历时一个多月排查，先后检查了线束接插件进水、主继电器上游线束进水和辅助氧传感器呼吸试验，都无法验证原因。后经过对比，发现后氧传感器安装位置呈水平位置并处于法兰接口处，氧传感器在加热过程中还有上游冷凝水“泼向”前端传感元，导致传感元因温度变化冲击碎裂，水汽渗入裂缝通过参考空气腔压到后端，加上水汽在加热线端电解作用下，快速腐蚀，导致氧传感器加热故障爆发。后更改氧传感器布置方式重新做标定，故障在全国范围内逐渐消失。

3.5氧传感器中毒

（1）氧传感器铅中毒。氧传感器中毒是一件很难处理的问题。尤其是经常使用含铅汽油的车主，轻微的铅中毒只需要更换几箱不含铅的汽油使用，即可清除依附在氧传感器表面的铅残留，如果是深度的铅中毒既使是更换了新的氧传感器，能够使用的时间也是非常有限的。排气温度太高，会导致铅深入到氧传感器的固体电解质内部，阻碍氧离子的正常扩散，阻碍氧传感器的正常工作。目前，市场用油已经是无铅汽油，故铅中毒的氧传感故障件已基本没有。

（2）氧传感器硅中毒。硅中毒是另外一种比较常见的汽车氧传感器的故障。由于汽油和润滑油中含有的硅在燃烧后产生一系列的硅化物，覆盖在传感元上降低了透氧能力，无法正确反馈空燃比。故障表现：形成PtSi影响传感元催化作用影响浓稀转换时间。氧传感器故障返回件头部发白，检验发现对稀混合气反应明显迟缓，装车排放试验NOx超限，检验白色沉积物，主要成分为硅，油品检验也表明硅含量异常高。硅中毒的氧传感外表如图11所示。

（3）氧传感器锰中毒。锰元素来源：燃油抗爆剂MMT（C9H7MnO3），代替铅提高燃油辛烷值，国标允许添加量：0.008g/L（Mn含量）。锰中毒的传感元如图12所示。锰氧化物沉积导致陶瓷表面存在储氧作用，影响信号精度；锰与添加剂中的P、Ca、Zn、Si等形成结晶或釉体堵塞保护层，降低透氧能力，影响信号转换时间。

4总结

氧传感器对发动机的工作、汽车的燃油经济性及环保影响很大，其產品发生故障是某些综合因素导致的，了解OBD报故障码机理及信号表现，对市场上故障件及时作出原因分析并采取相应措施，从而降低及预防故障的发生。

参考文献：

[1]霍瑾杰.车用乙醇汽油与无铅汽油排放污染物检测结果的比较分析[J].环境保护与循环经济，2009（1）：40.

[2]潘永刚.氧传感器故障分析与排除[J].汽车技术开发，2012（8）：111.

[3]蒋晶，聂磊.汽车氧传感器的研究[J].广西轻工业，2007（3）：57.

[4]孙晟新，张忠洋，卫绍元.氧传感器在电控汽车故障诊断中的应用[J].黑龙江交通科技，2012（9），126.

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