完整版浅谈氧传感器故障检测汽车氧传感器故障检修4毕业论文设计文档格式.docx
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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。
而氧传感器一旦出现故障，将使电子燃油喷射系统的电脑不能得到排气管中氧浓度的信息，因而不能对空燃比进行反馈控制，会使发动机油耗和排放污染增加，发动机怠速不稳、缺火、喘振等故障现象。
因此，必须及时的进行故障检测和排除故障或更换。
【关键词】汽车排放控制氧传感器故障检测
前言1
第一章汽车氧传感器的结构特点2
1.1氧传感器的组成2
1.2氧传感器的工作原理3
1.3氧化锆型氧传感器4
1.4氧化钛型氧传感器8
第二章汽车氧传感器的技术特点10
2.1氧传感器的作用10
2.2氧传感器技术特点分析10
2.2.1氧传感器是一种热敏电压型传感器10
2.2.2氧传感器的故障确认采取“时域判定法”11
2.2.3氧传感器是一种多元故障的“报警器”12
2.3简单介绍现在氧传感器技术的发展情况12
2.3.1摩擦电极引线方式的氧传感器12
2.3.2新型氧传感器13
第三章氧传感器故障对发动机的影响分析14
3.1氧传感器引起的故障现象14
3.2电控发动机氧传感器故障分析14
3.3氧传感器常见故障15
3.3.1氧传感器中毒15
3.3.2积碳16
3.3.3氧传感器陶瓷碎裂16
3.3.4加热器电阻丝烧断16
3.4维修氧传感器的注意事项16
第四章汽车氧传感器典型故障分析18
4.1故障现象18
4.2故障检修与诊断18
结论21
参考文献22
致谢23
前言
随着汽车工业的发展和汽车保有量的急剧增加，汽车排放对大气的污染已经构成了公害．它恶化了人类的生存环境，影响了人们的身体健康，已发展成为严重的社会问题。
在有些大城市，汽车废气排放已经接近或超过环境容量。
为了保护日益恶化的地球环境，世界各国先后出台了便为严格的汽车污染物排放标准。
汽车生产商在汽车的生产设计过程中，加设了减少对空气污染的辅助装置，如在电控燃油喷射技术的基础上，采用三元催化器，就可以获得更高净化率的排放控制，但是为了能最有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接接理论空燃比。
因此在排气管上增加了一个氧传感器，经常地检测排气的质量，并将其变换成电信号传给ECU。
发动机控制单元ECU根据氧传感器提供的信号，不断地检测和调整发动机喷油器的喷油量，使发动机在多数情况下都工作在理论空燃比附近，实现了喷油的闭环控制，也有效地的提高发动机性能及整车的经济性。
汽车行业是目前国际上应用传感器最大市场之一，现在世界上汽车年产量在4000万辆以上，其中日本的年产量达1000万辆以上。
从世界各国公布的专利情况来看，各主要汽车生产厂家和电气、元件生产厂家，都很重视汽车传感器的研制和生产。
而氧传感器的申报专利数，居汽车传感器的首位，这反映了该传感器的技术难度和各国的重视程度。
控制汽车空燃比用的氧传感器在日本以每年50％-60％的速度增长。
就我国来说，仅近三年需改加氧传感器的旧车就超过2000万辆，每年新生产的轿车所需的氧传感器也超过200万个。
目前，一辆普通家用轿车大约要安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上的传感器数量可多达200余只。
据报道，2000年汽车传感器的市场为61.7亿美元（9.04亿件产品），2005年达到84.5亿美元（12.68亿件产品），增长率为6.5％（按美元计）和7.0％（按产品件数计），所以，氧传感器的市场前景非常广阔，对氧传感器的研究也成为热点。
第一章汽车氧传感器的结构特点
1.1氧传感器的组成
氧传感器利用了Nernst原理
其核心元件是多孔的ZrO2陶瓷管，它是一种固态电解质，两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极。
在一定温度下，由于两侧氧浓度不同，高浓度侧（陶瓷管内侧4）的氧分子被吸附在铂电极上与电子（4e）结合形成氧离子O2-，使该电极带正电，O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧（废气侧），使该电极带负电,即产生电势差。
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1.0V左右的电动势；
当空燃比等于14.7时，此时陶瓷观内外两侧产生的电动势为0.4V～0.5V，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。
加热型氧传感器：
如图1-1所示。
加热型氧传感器抗铅能力强；
对排气温度依赖少，能在负荷低、废气温度较低的情况下照常发挥作用；
起动后迅速进入闭环控制。
图1-1加热型管式氧传感器核心元件
1.2氧传感器的工作原理
氧传感器是利用陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空燃比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。
它是目前最佳的燃烧气分测量方式，具有结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便、测量准确等优点。
运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约能源，如图1-2所示。
图1-2氧传感器
氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。
其基本工作原理是：
在一定条件下（高温和铂催化），利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。
大气中氧的含量为21%，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。
在高温及铂的催化下，带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上。
由于大气中的氧气比废气中的氧气多，套管上与大气相通一侧比废气一侧吸附更多的负离子，两侧离子的浓度差产生电动势。
当套管废气一侧的氧浓度低时，在电极之间产生一个高电压（0。
6～1V），这个电压信号被送到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。
因此氧传感器是电子控制燃油计量的关键传感器。
氧传感器只有在高温时（端部达到300℃以上）其特性才能充分体现，才能输出电压。
它在约800℃时，对混合气的变化反应最快，而在低温时这种特性会发生很大变化。
1.3氧化锆型氧传感器
氧化锆型氧传感器的基本元件是专用陶瓷体，即氧化锆（ZrO2）：
固体电解质，如图1-3所示。
陶瓷体制成管状，称为锆管。
锆管内表面与大气相通，外表面与废气相通。
锆管内外表面覆盖一层多孔性铂膜作为电极，允许氧渗入该固体电解质内，温度较高时它工作时的温度较高，氧气发生电离。
1、导管排气孔罩；
2、锆管；
3、电极；
4、弹簧；
5、线头支架（绝缘）；
6导管；
7、排气管
图1-3氧化锆型氧传感器的结构图
若陶瓷体内（大气）外（废气）侧氧含量不一致，固体电解质内部氧离子自大气一侧向排气一侧扩散，锆管便成了一个微电池，在锆管两铂极间产生电压，
1.陶瓷体;
2.铂金体；
3、4.电极引线点；
5.排气管；
6.陶瓷防护层；
7.排气；
8大气
图1-4氧传感器在排气管中的布置
如图1-4所示。
当混合气稀时，排气中氧含量多，两侧氧浓度差小，只产生小的电压；
相反，混合气浓时电压增大。
氧传感器电压在过量空气系数等于一时产生突变，大于一时输出电压几乎为零，小于一时输出电压接近一伏，如图1-5所示。
在发动机混合气空燃比闭环控制的过程中，氧传感器相当于一个浓稀开关，根据混合气空燃比变化向电脑输送脉冲宽度变化的电压脉冲信号，如图1-6所示。
氧化锆型氧传感器输出信号的强弱与工作温度有关（正常工作温度在400℃～900℃），有些氧传感器采用加热的方式来保证其正常工作温度，称之为加热式氧传感器，它与不加热式的区别仅在于增加了一个陶瓷加热元件。
加热式氧传感器安装灵活性大，不受极端温升的影响，同时扩大了混合气闭环控制的工作范围。
图1-5氧传感器的电压特性
图1-6氧传感器电压脉冲信号变化
其核心部件是一个试管型ZrO2：
固体电解质元件，在管的内、外表面涂敷一层金属铂作为电极，并用金属线与传感器信号输出端子连接。
为防止废气中的杂质腐蚀铂膜，ZrO2：
传感元件的铂膜上覆盖一层多孔陶瓷作为涂层。
将传感器插入汽车的尾气中，固体电解质管的内侧通人参比气体（通常采用空气），参比氧分压固定为；
外表面与尾气接触，排气氧分压为，且随着可燃混合气浓度的变化而变化。
这样由于内、外侧氧分压不同，氧离子从浓度高的一侧穿过ZrO2固体电解质向浓度低的一侧扩散，从而在固体电解质两侧电极上产生氧浓差电势，且该氧浓差电势随着可燃混合气浓度的变化而变化，形成“氧浓差电池”，传感器的信号相当于一个可变电源。
其工作特性。
当供给的可燃混合气较浓时（空燃t：
EAF<
14．7），尾气中的氧离子含量较少，和相差很大，由此可以产生较大的电动势（约0．9V）；
当可燃混合气较稀时（空燃比AF>
14．7），因尾气中氧离子含量比较多，和很接近，氧浓差很小，产生的电动势很小（约0．1V）。
在混合气接近理论空燃比时，输出0．45V电压。
因此，在理论空燃比附近，固体电解质两边的氧分压之比的急剧变化将引起输出电压的急剧变化，表现为工作曲线非常陡峭。
这种特性使它非常适合应用于三元催化转化系统进行理论空燃比的控制。
而在整个稀薄燃烧区内（AF>
17），只有很低的电压信号，且信号变化很小、曲线平滑。
由此看来，氧浓差电池型传感器只能在比较狭窄的范围内对尾气含氧量进行检测，也只有用于理论空燃比附近的反馈控制才具有较高的准确性。
1.4氧化钛型氧传感器
TiO2式氧传感器是利用TiO2材料的电阻值随排气中的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。
TiO2式氧传感器的外形和ZrO2式氧传感器相似，在传感器前端的护罩内是一个TiO2厚膜元件（图1-7）。
纯TiO2在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其晶格便出现缺陷，电阻随之减少。
由于TiO2的电阻也随温度不同而变化，因此，在TiO2式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持TiO2式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。
如图3-6所示，ECU2端子将一个恒定的1V电压加在TiO2式氧传感器的一端上，传感器的另一端与ECU4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，ECU4端子上的电压降也随着变化。
当4端子上的电压高于参考电压时，ECU判定混合气过浓；
当4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，TiO2式与ECU连接的4端子上的电压也是在0．1～0．9V之问不断变化，这一点与Zr02氧传感器式氧传感器是相似的。
1.氧化钛式氧传感器；
2.电压端子；
3.ECU；
4.输出电压端子；
图1-7氧化钛式氧传感器工作原理
第二章汽车氧传感器的技术特点
2.1氧传感器的作用
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。
电喷车为获得高排气净化率，降低排气中（CO）一氧化碳、（HC）碳氢化合物和（NOx）氮氧化合物成份，必须利用三元催化器。
但为了能有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比。
催化器通常装在排气歧管与消声器之间。
氧传感器具有一种特性，在理论空燃比（14.7：
1）附近它输出的电压有突变。
这种特性被用来检测排气中氧气的浓度并反馈给电脑，以控制空燃比。
当实际空燃比变高，在排气中氧气的浓度增加而氧传感器把混合气稀的状态（小电动势：
OV）通知ECU。
当空燃比比理论空燃比低时，在排气中氧气的浓度降低，而氧传感器的状态（大电动势：
1V）通知（ECU）电脑。
ECU根据来自氧传感器的电动势差别判断空燃比的低或高，并相应地控制喷油持续的时间。
但是，如氧传器有故障使输出的电动势不正常，（ECU）电脑就不能精确控制空燃比。
所以氧传感器还能弥补由于机械及电喷系统其它件磨损而引起空燃比的误差。
可以说是电喷系统中唯一有“智能”的传感器。
2.2氧传感器技术特点分析
2.2.1氧传感器是一种热敏电压型传感器
氧传感器间接地反映进入气缸中混合气的浓度，这种信息是以波动的电压传递给电控单元（ECU）的，因此判断氧传感器性能的主要方法是检测氧传感器输出的信号电压值及其波动的范围和波动的频率。
另一方面，发动机只有达到一定的温度才能激活氧传感器。
因此，检测氧传感器前，必须对发动机充分预热，在氧传感器达到正常工作温度300℃～350℃以后才能进行检测，在此之前，氧传感器的电阻大，如同开路，氧传感器不产生任何电压信号；
若发动机的排气温度超过800℃，氧传感器的控制也将中断。
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