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汽车氧传感器波形分析在检修中的应用张锦龙(无锡科技职业学院,江苏无锡214028)摘要:在汽车故障诊断中,氧传感器信号电压波形反映空燃比是否控制在理论空燃比附近。通过氧传感器正常波形与故障波形的比较,分析诊断发动机故障的准确率将大幅提高。因此,氧传感器的波形检测和分析在汽车检修过程中有着重要的意义。关键词:氧传感器; 信号电压; 波形分析; 故障诊断中图分类号: TK428文献标识码: B文章编号: 1006- 0006 (2008) 05- 0089- 02App lica tio n of O sc illog ram Ana lys is of O xygen Senso rin Au tomo bile O ve rhau lZHANG J in2long(Wuxi Professional College of Science and Technology,Wuxi 214028, China)Ab s tra c t: In the trouble diagnosis of automobile, the wave form of voltage for oxygen sensor demonstrates if thep ractical value is near the theoretical value for air fuel ratio. By the comparison between the normal oscillogram form and theabnormal wave form of oxygen sensor, the accuracy of the analysis of the trouble diagnosis of enginemay remarkably imp rove.The testing and analyzing of the wave form of oxygen sensor is very important in the p rocess of the examining and repairing ofautomobile.Key wo rd s: Oxygen sensor; Oscillogram analysis; Signal voltage; Malfunction diagnose随着人们环保意识的不断提高,对汽车尾气排放要求更加严格。电子控制发动机利用氧传感器对发动机的整个工作过程实行闭环控制,同时配合使用三元催化转换器以有效提高排气净化能力。氧传感器是闭环控制中必不可少的重要部件,也是系统故障诊断的重要检测部件。利用汽车专用示波器观察氧传感器的信号电压波形,可以反映出发动机的机械部分、燃油供给系统以及控制电脑的工作状态,这样就可以利用氧传感器信号电压波形进行故障诊断,使其在现代汽车检修中有着重要作用。形象地讲,氧传感器的信号电压波形就像人的心电图。1 工作原理简介 1 正常情况下,氧传感器的信号电压约在0至1 V之间变化,平均值约为0. 45 V。当燃油混合气浓度小于理论空燃比时,氧传感器产生约0. 85 V的高电压信号;当燃油混合气浓度大于理论空燃比时,氧传感器产生接近0. 1 V的低电压信号。氧传感器根据实时检测到的排气管中的氧浓度,在汽油发动机内进行理论空燃比(14. 7 1)监控,即令空燃比维持在理论空燃比附近变化。这不仅是发动机燃烧室燃料完全燃烧的要求,也是三元催化转换器中氧化还原化学反应的需要。一旦混合气浓度偏离了理论空燃比的范围,则三元催化转换器对有害气体净化能力便急剧下降,如图1所示。不同的空燃比将导致不同的排放成分,过量的燃油将导致碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)上升,过量的空气将导致氮氧化合物(NOx )上升(图2) 。控制电脑根据氧传感器反馈的氧浓度信号可以及时调整喷油量(喷油脉宽) 。如信号反映混合气较浓,则减少喷油时间;反之,如信号反映较稀,则延长喷油时间。喷油量的闭环控制框图如图3所示。图1三元催化转化器与空燃比的关系曲线F ig. 1 Ra tio n sh ip o f Ca ta lytic Co nve rte r and Air Fue l Ra t图2尾气排放中CO , HC ,NO x之间的变化关系F ig. 2 CO , HC ,NO x Co nne c tio n in Exhau s t Ga s图3喷油量的闭环控制F ig. 3 C lo sed Loop Co n tro l o f In jec tio n Q uan tity收稿日期: 2007- 09- 1889第35卷第5期拖拉机与农用运输车Vol. 35 No. 52008 年10 月Tractor & Farm TransporterOct. , 20082 氧传感器故障波形及分析实例1) 用示波器检测氧传感器在发动机各种转速、负荷下信号电压波形都显示了严重的杂波(图4) 。此时发动机的故障现象为怠速非常不稳,加速迟缓,动力下降,在冷启动后或重新热启动后的开环控制期间情况稍好,但一旦反馈控制系统进入闭环控制,症状变得非常明显。图4个别缸喷油器堵塞造成各缸喷油不均衡Fig. 4 Im ba lance o f In je c tio n Q uan tity Cau sed by Ind ividua l In jec to r J am此时检查点火系统、气缸压缩力、真空度,可以排除这些问题的可能性,因此可判断为喷油器损坏。还应注意到,上述“在冷启动后或重新热启动后的开环控制期间情况稍好”,说明有个别缸喷油器存在堵塞问题,这是因为,在此时情况下,喷油脉宽时间加长,加浓了混合气,起到一定的补偿作用。当更换了好的喷油器后,故障现象消失,氧传感器信号电压波形恢复正常。2)图5为发动机在2 500 r/min时的氧传感器波形。整个波形显示燃料反馈控制系统的反应是正常的,虽然波形两边部分显示正常,但波形中段有严重的杂波,表明燃烧室燃烧不正常。如前述,虽然进入气缸的混合气空燃比没有问题,但缺火时气缸内的氧未参与燃烧排出缸外,氧传感器波形出现一系列的低压尖峰,形成严重的杂波。其原因范围属于机械原因引起的压缩泄漏,正常的压缩比遭到破坏。另可按个别缸喷油器堵塞造成各缸喷油不均衡中的“排除法”检查,但其数秒的间歇说明压缩泄漏或真空泄漏的可能性较小,可对点火系统做进一步检查以确定具体故障原因。图5波形反映出点火系统存在间歇缺火故障Fig. 5 O sc illo g ram Re flec t F itfu lM isfire in Ign itio n Sys tem3)图6为发动机在2 500 r/min时的氧传感器波形和喷油脉宽波形。其中图6a的氧传感器波形显示为不正常的持续浓混合气信号(上沿波形) ,而微机控制系统能正确地发出较短的喷油脉宽指令(下沿波形,正常值约为5 ms) 试图使混合气变稀。两个波形的关系是正确的负反馈关系。这说明故障不在燃料反馈控制系统,可能是燃油压力过高或喷油器存在漏油等原因。若氧传感器波形显示为不正常的持续稀混合气信号(低电压) ,而微机控制系统能发出较长的喷油脉宽指令(例如6 ms) ,这两个波形的关系也是正确的负反馈关系。这同样说明故障不在燃料反馈控制系统,可能是燃油压力过低或喷油器存在堵塞等原因。但图6b的氧传感器波形显示为不正常的持续浓混合气信号(上沿波形) ,而微机控制系统正在发出的却仍然是要加浓混合气的较长的喷油脉宽指令(下沿波形,正常值约为5 ms) ,即两个波形的关系出现方向性错误。这说明故障存在于燃料反馈控制系统内部,微机控制系统接收了错误的进气流量信号或错误的发动机冷却液温度信号等原因,应检查空气流量计和冷却液温度传感器。图6氧传感器波形和喷油脉宽波形F ig. 6 O xygen Sen so r and In jec tio n Pu lse O sc illo g ram4) 4) 图7为发动机在2 500 r/min时的氧传感器波形。此时由于个别气缸的进气歧管真空泄漏使混合气过稀,每当真空泄漏的气缸排气时,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536 mV则可认为: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气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。这说明燃料反馈控制系统的反应是正确的。图7进气歧管真空泄漏时氧传感器波形F ig. 7 O xygen Sen so rO sc illo g ram duo to In take Tube Va cuum Le ak5)良好的氧传感器波形与损坏的氧传感器波形叠加的比较如图8所示。振幅大的波形表示良好者,振幅小的表示损坏者。损坏的氧传感器波形表明,燃料反馈控制系统的正常运行受到了严重的抑制,但从其波形中的“稍浓、稍稀”振动来分析,燃料反馈控制系统一旦接收到正确的氧传感器反馈信号是有控制空燃比能力的。由于损坏的氧传感器的反应速率迟缓限制了浓稀转换次数,使混合气空燃比超出了三元催化转化器要求的范围,故此时排放指标恶化。图中良好的氧传感器波形反映的是更换了氧传感器之后的情况。图8氧传感器好、坏波形叠加F ig. 8 No rm a l and abno rm a lO xygen Sen so rO sc illo g ram(下转第93页)90拖拉机与农用运输车第5期2008年10月高度36 mm为30 mm,改螺旋角68为72,便可自动生成所要求的气道模型,见图7。最后再经过倒圆角功能得到最终的模型,见图8。图7参数化后的气道F ig. 7 In le t Po rt a fte r Pa ram e triza tio n图8最终的进气道F ig. 8 U ltim a te In le t Po rt4 数值模拟利用AVL- F IRE对参数化前的螺旋进气道(气门室高度为36mm,螺旋角为68)和参数化后的气道(气门室高度为30 mm,螺旋角为72)进行了数值流动模拟,对两个气道的流动性能进行了对比,见图9和图10。图9流量系数对比F ig. 9 Co n tra s t o fD ischa rge Co e ffic ien t图10涡流比对比Fig. 10 Co n tra s t o f Sw irl Ra tio气门室高度减小,则气流直接进入气缸的部分减少,即切向气流减少,螺旋气流相应增多,螺旋气流占整个气流的比重增大,再加上螺旋角的增大,使螺旋气流占主导的趋势更加明显,因而涡流比将会增大,流量系数会减小。通过对参数化前后的螺旋进气道的数值模拟结果的对比,可见通过设定影响气道性能的关键参数进行参数化造型,可以进行气道的优化设计,从而快速设计出所需的三维气道模型。5 结论用参数化过程对柴油机螺旋进气道进行三维造型设计,可以大大的减少设计过程所花费的周期与成本,相反效率得到很大的提高,能实现气道造型的系列化,这在今后的设计过程中将会有很大的应用前景。参考文献: 1 常思勤. 汽车发动机气道的CAD与CAM J . 车用发动机, 1995 (5) : 3840, 26. 2 常思勤,刘雪洪,何小明. 螺旋进气道的三维造型设计研究 J . 内燃机工程, 2000 (3) : 2529. 3 单岩,谢龙汉,胡挺. CATIA V5曲面造型应用实例M . 北京:清华大学出版社, 2004.(编辑史洛晨)作者简介:戴云(1984 - ) ,男,江苏省丹阳市人,硕士研究生,主要研究方向是气道参数化造型及其流动数值模拟。(上接第90页)6)氧传感器失效故障诊断桑塔纳2000时代超人轿车,在运行中出现怠速不良,加速冒黑烟,动力明显不足,加速有闯车现象。用VAG1552检测仪检测, 当发动机水温达到85以上时, 首先进入1- 01- 02读取故障码,结果显示无故障记忆。在进入01- 08- 001组和007组,屏幕显示数据如表1所示。表1VAG1552数据流Tab. 1 VAG1552 Da ta S tre am001组007组发动机转速, 910 r/min 混合气控制, 8. 5%发动机负荷, 3. 7 ms 传感器电压, 0. 018 V节气门开度, 3 碳罐清除电磁阀占空比, 0%点火提前角, 12 碳罐清除时混合气修正系数, 1. 00001组2区是发动机的负荷信号, 怠速正常时一般为1. 5 2. 5 ms,实测为3. 7 ms,显然偏高。007组2区是氧传感器信号,动态值应在0. 10. 9 V之间变化,而实测值为0. 018 V,且不变化,信号电压波形近乎直线。经分析,氧传感器信号电压低表明混合气太稀,电脑将根据此信号电压控制增加喷油量,而实际情况是加速冒黑烟,说明氧传感器已失效,它向电脑反馈了一个错误信号,导致喷油量过多,混合气过浓,造成冒黑烟。同时过浓的混合气又使各个气缸内的燃烧不充分,火花塞很快积炭,使运行工况恶化,又加剧了冒黑烟。当检测