汽车发动机氧传感器原理及数据诊断分析

随着汽车经济的快速发展，汽车的生产、使用量、保有量均急剧增长，汽车排气对环境的污染日趋严重。汽车排气主要污染物为一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、含铅化合物、二氧化硫及固体颗粒物等，会引起光化学烟雾、温室效应、酸雨和臭氧层破坏等大气环境问题。国六排放标准的出台与实施，对于汽车排放的要求则日益严苛

。

在列车司机室安装有RPT(中继器)。RPT是满足IEC 61375标准的0类设备，是冗余管理的MVB-EMD中继设备，其主要作用是进行信号的放大和中继传输。相对于以往常用的“串型”拓扑结构，目前所采用的“T型”拓扑结构能够在一定程度上隔离通信故障，提高网络通信质量。RPT前面板上会设置指示灯，用于表征通信状态及故障。

影响汽车排放的主要因素是空燃比，氧传感器是发动机空燃比控制中的重要传感器。现代汽车在三元催化器前、后都安装有氧传感器，三元催化器之前的为前氧传感器，三元催化器之后的为后氧传感器。前氧传感器主要用于监测排气当中氧的含量，并将信号输送给ECM，即发动机控制模块。ECM使用氧传感器信号用来修正发动机的喷油量，达到最佳的空燃比，从而提高燃油经济性，减少有害物质排放，使得气缸内部混合气比例尽量控制在理论空燃比14.7：1附近

。前氧传感器中，按照其工作特点可以分为传统氧传感器和宽频氧传感器，按照测氧单元材质的不同，主要可分为氧化锆式和氧化钛式等。本文以上汽通用汽车发动机中的传统氧传感器和宽频氧传感器为例，材质选择氧化锆式，进行汽车发动机氧传感器原理及数据诊断分析。

1 传统氧传感器

1.1 传统氧传感器工作原理

传统氧传感器测氧单元类似一个微型蓄电池，当氧离子在传感器的内外表面因浓度不同而迁移，就形成了电压信号。由于大气中氧的浓度几乎不变，所以此电压可反映排气中氧，即混合气的浓度变化。测氧单元在较高的温度下才能正常工作，即350℃左右，加热电阻能主动从内部加热，减少传感器启用时间，尽快获取正常信号，并保持氧传感器工作在最佳温度内

。如图1所示，空气中含氧量取21%，排气中取0%，则高信号电压输出，当排气含氧量取2%则低信号电压输出。

如表1，当发动机排气中氧含量增加，锆管内外表面之间的电压差减少，氧传感器输出信号为低电压信号，即小于0.45V，反馈给ECM的信号表示为混合气稀信号，从而喷油脉宽增加。当发动机排气中氧含量减少，锆管内外表面之间的电压差增加，氧传感器输出信号为高电压信号，即大于0.45V，反馈给ECM的信号表示为混合气浓信号，从而喷油脉宽减少

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工业废水中的Cl-，如果不经过处理直接排入水中，水质将会恶化，生态平衡被破坏，地下水系统和饮用水源将受到严重污染；同时Cl-还会引起材料中钢筋腐蚀，一旦Cl-浓度达到一定值，材料当中的金属就和Cl-发生原电池反应，即电化学腐蚀反应，严重腐蚀材料，从而影响到整个材料的稳定性[1-5]。

传统氧传感器的常见故障为传感器头部被污染或采样孔堵塞、传感器的大气通道堵塞或基准大气污染、传感器内部陶瓷基体破碎开裂、传感器老化，响应速度下降、加热控制故障，传感器失效等。

1.2 传统氧传感器线路

传统氧传感器为四线式传感器，如图2所示，端子1为加热电源，电压为12V，来自主继电器；端子2为加热接地控制，属于脉宽调制控制信号，由ECM控制；端子3为信号参考地，在ECM内部，端子4为信号，信号电压一般在0.1V-1.0V间波动。加热电阻正常在10Ω以下，此电阻值大小与温度有关。大气基准孔位于传感器线束间隙之间，为确保传感器正常工作，大气基准必须清洁有效

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1.3 传统氧传感器数据分析

首先，水资源的商品化未必与公共信托存在必然的冲突，譬如，水资源的商品化可以提升水资源的使用效率，借此降低人们开发新的地下水资源的动力，进而实现水资源的环境保护目标，因为减少地下水资源的抽取量一定会减少水资源遭受的生态环境破坏。如果缺乏水权交易市场，那么政府想要减低地下水资源的抽取量以保护水资源环境，必须采取强制性的限制措施，但是这通常会遭到现有的水资源使用者的反对。借助水权交易市场，政府的环境保护和用水者的用水需求之间的矛盾可以化解。比如，为了保护水资源环境，政府可以从用水者那里购买多余的水，并将这些水引入河流之中，这样一方面可以激励用水者节约用水，另一方面可以保护河流的水资源环境。

λ值为过量空气系数，实际供给燃料燃烧的空气量与理论空气量之比，是反映燃料与空气配合比的一个重要参数，应属于稳定而有轻微波动的信号，在0.8-1.1V之间波动。如果λ=1，相当于14.7：1的理想空燃比，正常工作情况下，如图8所示，λ值保持在1上下轻微波动。当混合气稀时，氧含量高，λ值大于1。当混合气浓时，氧含量低，λ值小于1。

加热电阻由ECM通过脉宽调制信号进行加热控制，可以使用以下方法检测诊断加热电阻及控制：如图5中(a)，使用诊断仪读取加热占空比，不同工况下，占空比会有所不同，正常值可以参考维修手册，以确认ECM的控制是否正常，图5中(a)所示为在正常工作温度时的占空比；如图5中(b)，使用诊断仪驱动加热指令，以确认加热是否正常执行；直接使用万用表测量氧传感器加热电阻的阻值，参考维修手册，以确认加热元件及线束是否正常。

如同传统氧传感器，宽频氧传感器也用于测量排气系统中氧的含量。与传统氧传感器相比，宽频氧传感器的内部结构和工作原理差异很大，而且宽频氧传感器更快、更精确：启动后更快地进入闭环运行模式，从而减少冷车排放；能更快地检测排气中氧浓度；能更精确反馈混合气浓或稀的具体程度；能在更宽的转速内配合实现更为精确的燃油修正控制。随着环保要求越来越高，宽频氧传感器在现行汽车中的占比也越来越大。

使用通用汽车GDS诊断仪，即通用汽车专用诊断仪，查看线形图并观察传统氧传感器信号电压的变化，运用图形特点来分析系统或传感器故障。如图4所示：前氧传感器(H02S1)信号电压以0.45V为中心波动说明混合气空燃比在正常修正中；后氧传感器位于三元催化器之后，由于三元催化器有储氧能力，所以正常的后氧传感器信号电压在0.7V，且波动较小，后氧传感器(H02S2)的电压稳定在0.7V左右，说明三元催化器工作效能正常

。

1.3.3 传统氧传感器加热电阻占空比诊断

如图3中(a)所示，氧传感器正常运行模式下读数在0.45V电压基准线上下变化，不同传感器基准电压也有所不同,传感器输出电压在0.1V和1V之间持续波动，说明ECM对混合气进行不断地闭环调整，长期空燃比的平均值接近14.7：1。如图3中(b)所示，若氧传感器信号电压长时间保持在0.45V附近很狭窄的范围内波动，可能的原因是氧传感器受到污染或中毒导致精确性降低，电压信号异常。如图3中(c)所示，浓混合气所产生的排气中几乎不含氧气，传感器产生较高的电压，大于0.45V。当信号电压长时间处于0.45V以上，说明空燃比持续过浓。如图3中(d)所示，稀混合气产生的排气中含有略多的氧气，传感器产生较低的电压，小于0.45V。当信号电压长时间处于0.45V以下，说明空燃比持续过稀。

2 宽频氧传感器

2.1 宽频氧传感器工作原理

1.3.2 传统氧传感器系统线形图诊断

式中：d1～d5为分离参数，为材料的临界等效塑性应变，Δεpl为等效塑性应变增量，为塑性应变率，ε0为参考应变率，σp为主应力平均应力，σe为Mises应力。

如图6所示，当发动机开始工作时，加热电阻把测氧单元和泵氧单元加热到350℃以上，此时氧化锆内部开始产生化学反应允许氧离子从中通过。以测氧单元为例，一侧是大气室与外部大气相通，一侧是测量室与排气管相通。当发动机工作时，排气通过泵氧单元中的孔道进入测氧室。由于排气中氧含量的浓度低于大气室，所以在测氧单元两侧产生了浓度差。这时氧离子就会从氧浓度高的一侧移动到氧离子浓度低的一侧，随着离子的移动在测氧单元两侧的电极上就感应出了电压，这个感应电压越高，说明氧浓度差越大，也就说明排气中氧含量越少，混合气越浓。电压越低，说明氧浓度差越小，也就说明排气中氧含量越多，混合气越稀

。测氧单元的工作原理与传统氧传感器是相似的，测氧单元只能判断混合气是否过浓或过稀，要进一步判断具体浓稀程度，则需要使用泵氧单元。

通常情况下当测氧单元输出电压为0.45V时，ECM认定此时为理想空燃比，当大于0.45V为浓混合气，小于0.45V则为稀混合气。因此，当测氧单元输出电压出现偏差时，为了使电压维持0.45V，ECM会通过给泵氧单元两侧电极供电以调整氧离子的移动，当测氧单元的电压偏离0.45V越大时，施加在泵氯单元两侧电极上的供电电流就会增加，反之则会减小

。最终通过监测泵氧单元供电电流的大小，ECM就可以计算出混合气具体的浓稀程度。

2.2 宽频氧传感器线路

上汽通用汽车目前装配较多的是5线宽频氧传感器。如图7所示，传感器侧有5根线束，而ECM侧共有6根线束。

宽频氧传感器仅安装在三元催化器之前，即仅作为前氧传感器。宽频氧传感器分为头部、尾部及线束连接器三个部分，内部有四个重要结构单元：测氧单元位于传感器头部，与传统氧传感器相似，用于监测排气系统中含氧量浓或稀；泵氧单元位于传感器头部，施加电流泵吸氧，从而维持测氧单元信号稳定，电流的大小则反馈了精准的空燃比；加热电阻位于传感器头部，用于加热，以加快进入闭环控制，让传感器迅速处在最佳的温度下工作

；调节电阻位于线束连接器内部，用于校准氧传感器。

2.3 宽频氧传感器数据分析

2.3.1 宽频氧传感器λ值波形诊断

1.3.1 传统氧传感器信号波形诊断

2.3.2 宽频氧传感器泵氧单元电流值诊断

排气样本流经泵氧单元与测氧单元之间的扩散区，ECM监测测氧单元的信号电压变化。ECM通过增减至泵氧单元的电流大小，即控制氧离子流量来保持测氧单元电压恒定。通过监测保持恒定的测氧单元电压需要的泵氧单元电流大小，ECM可计算排气系统中氧的精确浓度

。

当前很多建筑企业的施工队伍，基本上是以农民工为主，无论是在专业能力方面还是安全防护意识方面都存在缺失，在实际施工过程中，认识不到安全管理工作的重要性，不执行甚至拒绝执行安全管理制度，给建筑施工安全管理工作的开展制造了一定的困难。

如图9所示，宽频氧传感器的泵氧单元电流值通常用mA表示。此值有正负之分，正值代表混合气稀，负值代表混合气浓，符号后面的数值代表了混合气的浓稀程度。当发动机的工况发生变化，此数值也随之变化，车型各有不同，在诊断时参考维修手册可以确定标准值。

2.3.3 宽频氧传感器加热电阻工作电流诊断

通常情况下，该数值在0.3-3A之间。通过此数值就可以判断加热电阻的加热状态，诊断宽频氧传感器的工作情况。根据维修手册，当工作电流值不符合要求时，也可以通过测量来诊断故障原因。

在测量时，按手册要求不可以直接破线测量宽频氧传感器的电流和电压，也不可以维修宽频氧传感器的线束和连接器。可以断开线束连接器，通过万用表测量诊断传感器或线路的状态：测量传感器头部的加热电阻电阻，常温下约为5Ω；测量连接器内部的调节电阻，约为230Ω，个体间有差异；测量ECM侧连接器的各端子电压值，如图7，其连接器的2、3、7端子对搭铁电压正常应在4.8V-5.7V之间。宽频氧传感器不可维修，如有故障应更换传感器总成。

乐器的选择也要考虑学生的家庭经济情况，巴乌以其音色柔美，价格便宜而备受师生的青睐，课堂上运用巴乌演奏乐曲简单易学，符合小学生的学习特性，巴乌小巧玲珑便于携带，学生在任何地方拿出来都可以演奏，奏出的乐曲婉转动听，增强了学生的练习兴趣；又因其声音的相容性较好适于集体演奏，有效地促进了乐器的普及。

泵前低压旋转网式过滤器(见图1)由双浮筒做浮体，将低压旋转网的滤筒及滤筒旋转驱动装置和反冲洗结构固定于浮筒上自成一体，安装于抽水水泵取水口的前端。与传统过滤器相比该过滤器在过滤过程中无需加压，利用自然水头(0.5～1.0 m)低压渗透过滤；滤筒过滤面积大，且过滤精度较高，采用200目过滤网，过滤泥沙颗粒可达300目，能有效处理水体中细小的悬浮物；同时可适应不同的水位要求，保证过滤水均为表层低悬浮浓度的水；微过滤机敝开设计，滤网反冲洗部分位于水面以上大气中，在自清洗时反清洗效率高，滤网再生效果好。

3 总结

本文通过分析氧传感器的工作原理及相关数据，使发动机在常工况、变工况的条件下，为空燃比控制提供精确的信号，保障氧传感器的运行性能得到有效发挥。在传统氧传感器及宽频氧传感器均有一定的保有量的情况下，研究与分析汽车氧传感器线路、信号波形、相关数据等，提升数据诊断分析的能力，为汽车发动机氧传感器的检修提供了具有较强的参考价值的故障诊断分析方法，对于有效促进汽车氧传感器在不同工况下稳定运行，控制汽车排放污染具有较为重要的意义。

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