氧传感器波形分析.ppt

电喷发动机波形分析 蒋科军 电喷发动机电子控制系统的工作原理是电控单元通过接收各个传感器输入的电信号 识别其电子信号特征 并依据内存信息和这些电子信号特征来控制不同的执行器动作 从而保证汽车的正常运转 当某些电信号发生异常时 表明汽车存在着与之相对应的某些故障 因此可以通过汽车示波器检测这些电信号的波形 幅值和频率 分析其信号的变化特征 从而进行发动机故障的诊断 波形分析法就是利用汽车示波器获得汽车电子控制系统中的传感器 执行器等电子设备的波形信号 即电压随时间变化的电信号 然后把这些实测信号与这些电子设备的正常波形信号进行对比 分析找出其中的差异 最后操作者根据自己的理论知识找出故障发生部位的方法 利用检测设备中的示波器功能不仅可以快速捕捉汽车电路信号 还可以用较慢的速度来显示这些波形信号 以便我们一面观察 一面分析 此外 汽车示波器还具有存储功能 可以显示已发生过的信号波形 为我们分析判断故障提供了极大方便 信号的判定依据 汽车发动机电控单元是通过分辨各类电子信号的特征来识别各个传感器输入的各种信息 并依据这些特征来发出各种命令 指挥不同的执行器动作 当这些电子信号的特征发生变化时 电控单元即可诊断出汽车的故障部位 我们把这些汽车电子信号的基本特征 幅度 频率 脉冲宽度 形状和陈列 称为5种判定依据 具体内容如下 1 幅度 电子信号在一定点上的瞬时电压 2 频率 信号的循环时间 即电子信号在两个事件或循环之间的时间 一般指每秒的循环次数 Hz 3 脉冲宽度 电子信号所占的时间或占空比 4 形状 电子信号的外形特征 如它的曲线 轮廓 上升沿 下降沿等 5 陈列 组成专门信息信号的重复方式 如同步脉冲或串行数据等 第一节氧传感器波形分析 1 氧传感器简介 氧传感器是电喷发动机闭环控制系统的重要部件 发动机电脑利用氧传感器的输出信号来控制混合气的空燃比 即令空燃比总是在理论空燃比14 7的上下波动 这不仅是发动机进行最优燃烧的要求 也是三元催化器中两种主要化学反应 氧化和还原 的需要 好的氧传感器是非常灵敏的 但其信号也极易受干扰 若发动机有故障 氧传感器的输出信号一定会有反应 所以 氧传感器电信号的波形分析可以用在汽车发动机的故障诊断中 氧传感器的失效过程是缓慢进行的 首先是响应速度变慢 输出信号幅度变低 最后是输出信号不变化或完全没有信号输出 这时就会有故障代码出现 故障指示灯也会亮 氧传感器的失效原因很多 除了正常失效外 氧传感器还可能因汽油中含铅或冷却液中的硅胶腐蚀而提前失效 氧传感器的衬垫在维修过程中被拆掉所造成的尾气泄漏也会导致氧传感器提前失效 还有一些潜在的因素 例如燃油压力过高 喷油器损坏 发动机电脑和传感器损坏以及操作不当等 也都可能导致氧传感器提前失效 然而 导致氧传感器提前失效的首要原因是由发动机混合气过浓所造成的积炭堵塞 汽车氧传感器的工作条件极其恶劣 一般无加热器的氧传感器的寿命约为5 8万公里 而有加热器的氧传感器的寿命比无加热器的氧传感器长3万公里 在汽车示波器上进行氧传感器信号电压波形分析 通常称为氧反馈平衡测试 OxygenSensorFeedbackBalance 简称O2FB 2 氧传感器结构 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 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过缘套接线端引出 氧化锆式氧传感器在温度超过300 后才能正常工作 早期使用的氧传感器靠排气加热 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 它有四 三根 根接线 一根信号线接ECU 一根是搭铁线 另外两根分别连接加热器的两端 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 外侧氧浓度不一致 存在浓差 氧离子会从大气侧向排气侧扩散 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 2 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 如图所示 ECU2号端子将一个恒定的1V 5V 电压加在氧化钛式氧传感器的一端上 传感器的另一端与ECU4号端子相接 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 ECU4号端子上的电压降也随着变化 当4号端子上的电压高于参考电压时 ECU判定混合气过浓 当4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4号端子上的电压是在0 0 1V 0 5V 之间不断变化 3 宽带型氧传感器 宽带型氧传感器是以氧化锆氧传感器为基础加以改进而产生的 常见的宽带型氧传感器主要有平面式和嵌环式两种 其原理相似 宽带型氧传感器是由泵单元与常规氧传感器单元所组成 其功能由这两个单元相互作用而实现 一方面电脑设定常规氧传感器的目标电压为0 45V 另一方面利用泵单元的泵氧功能 使常规氧传感器的输出电压趋近目标值 这一过程中泵单元的电流要发生变化 电脑通过这个电流的变化和常规氧传感器的电压推算出尾气中氧的含量 并决定增加或减少喷油量 常规氧传感器的结构与氧化锆氧传感器相似 不再详述 下面讲泵单元的原理和结构 泵单元并不是我们想象中传统水泵的形式 但它具有泵氧气的功能 我们知道在二氧化锆ZrO2元件两端的氧气浓度不均 就会在ZrO2元件两端产生微小电压 反过来我们在ZrO2元件两端加上电压就能控制氧气的扩散 尾气中的氧气通过扩散栅渗透到电源负极 在负极氧气分子得到4个电子变成氧离子 氧离子在电离作用下 在电解质ZrO2中运动到正极 在正极中和掉4个电子又还原成氧气 这就是泵单元的泵氧原理 宽带型氧传感器的工作过程 1 混合气过稀时 尾气中氧含量增高 泵单元在原来电压下会泵入较多的氧 参考气室中氧含量升高 常规传感器电压下降 2 电脑加大喷油量 为了使常规传感器电压恢复到0 45V 减少泵单元的工作电流 使参考气室中氧含量降低 3 混合气过浓时 尾气中氧含量降低 泵单元在原来电压下泵入的氧减少 参考气室中氧含量降低 常规传感器电压上升并超过0 45V 4 电脑减少喷油量 为了使常规传感器电压恢复到0 45V 控制单元增加泵单元的工作电流 使参考气室中氧含量上升 常规传感器电压恢复到0 45V 3 氧传感器的波形分析 氧传感器的信号电压的变化是由尾气中氧含量的变化引起的 下图为发动机起动后燃油反馈控制系统进入闭环时氧传感器的信号电压波形 由图可见波形先逐渐升高到450mV 然后进入升高和下降 混合气变浓和变稀 的循环 后面波形的波动表示燃油反馈控制系统进入闭环状态 要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的 实际上反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小范围内波动 故氧传感器的输出电压在0 1 0 9V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 氧传感器的波形检测方法很多 常用的是用汽车示波器进行波形检测 检测方法是启动发动机且处于闭环控制状态 将示波器的测试探头连接至传感器的连接插头 下图是实测氧传感器波形 其三要素为 最高电压 最低电压 响应时间 最高电压允许范围 大于850mV最低电压允许范围 75 175mV浓到稀允许响应时间 少于100ms 单点喷射TBI 多点喷射MFI 氧传感器信号电压波形上都会有杂波 如果氧传感器信号电压波形上的杂波比较明显 则它通常与发动机的故障有关 在发动机修理后应消失 需要学会区分正常的杂波和不正常杂波的方法 而最好的学习方法就是观察在不同行驶里程下不同类型轿车氧传感器的信号电压波形 氧传感器信号电压波形上的杂波通常是由发动机点火不良 燃油雾化不好 如喷油器堵塞 结构原因 如各缸的进气管道长度不同 零件老化及其他各种故障 如进气管堵塞 进气门卡滞等 引起的 其中点火不良引起的杂波呈高频毛刺状 在判断点火不良的原因时 应首先检查点火系统本身是否有故障 然后检查气缸压力是否正常 再检查是否有气缸真空泄漏现象 如三项均正常 则对于多点式燃油喷射发动机来说 点火不良的原因一般就是各喷油器的喷油量不一致 实例 故障现象 一辆别克轿车 发动机怠速不稳 加速缓慢 动力不足 对汽车进行路试 观察汽车的故障情况 在冷启动或热车启动后的开环控制期间 故障情况稍好些 当燃油反馈控制系统进入闭环控制时 故障情况变得严重 故障诊断过程 首先将汽车示波器与发动机氧传感器连接 然后改变发动机的转速 测试在2500 min和其它稳定转速下的氧传感器波形 氧传感器波形如图所示 由图可知 氧传感器波形在所有的转速和负荷下都有严重的杂波 严重的杂波说明排气管排出的废气中氧不均衡 这通常是由于结构问题 燃油雾化不好 点火不良等故障引起的 从波形上可以发现严重的杂波 表明排气中氧不均衡或存在某些缸缺火 氧传感器信号的平均电压为672mV 偏离空燃比控制系统起作用的基准电压450mV 混合气偏稀 造成发动机怠速不稳 加速迟缓等故障 因此由氧传感器波形可以初步评定是点火不良或各缸喷油量不一致造成 结合故障现象 在冷启动后或重新热启动后情况稍好 进一步说明了个别缸喷油器存在堵塞问题 这是因为在启动工况下 喷油脉冲宽度稍长 加浓了混合气 从发动机拆下各缸喷油器后 用清洗喷剂清洗外表 再用布擦抹干净 对喷油器进行密封性检测 在喷油器关闭的情况下 加上喷油器的正常压力的油压检测喷油器的密封性 一般要求在1min内喷油不滴漏2滴以上 再进一步检测喷油器的雾化性 检查结果是2缸喷油器的雾化燃油量很少 其它缸喷油器的雾化质量都较好 可以判断可能存在2缸喷油器堵塞 进一步用数字万用电表测量喷油器电磁线圈电阻值 约13 4 14 2 说明喷油器的电磁线圈没有问题 所以故障为2缸喷油器严重堵塞故障 更换2缸喷油器后 故障象消失 氧传感器的波形恢复正常 氧传感器的故障波形分析法是用来诊断电喷发动机故障的一个行之有效的方法 在进行故障诊断的过程中 常常要结合其它的方法 如排除法 或仪器 如数字万用表 以达到准确判断电喷发动机故障发生的部位及产生的原因 就是诊断和修理的验证过程 验证燃料反馈控制系统故障是否真的已经排除或还需要重新测试 三元催化转化器故障诊断 三元催化转化器对发动机的排放控制具有极其重要的意义 没有三元催化转化器就不可能满足欧洲排放法规 车载故障诊断OBDII具有对三元催化转化器进行故障诊断的功能 为了对三元催化转化器进行故障诊断 必须在它的上游和下游各装一个氧传感器 见下图 OBDII的闭环控制回路1 空气流量传感器2 发动机3a 上游氧传感器3b 下游氧传感器4 三元催化转化器5 喷油器6 电子控制单元Usa 上游氧传感器电压信号Usb 下游氧传感器电压信号UV 喷油器控制电压VE 喷油量 ODB 的闭环控制回路 三元催化转化器对HC CO和NOX的转化效率与它的储氧能力有关 正常运行的三元催化转化器因其储氧能力而使下游氧传感器的动态响应与上游氧传感器相比受到明显的阻尼 下游氧传感器动态响应曲线的振幅将非常小 反之 如果下游氧传感器信号电压的波形非常接近上游氧传感器 只不过相位略滞后 则ECU认为三元催化转化器效率过低 1 上游氧传感器信号2 三效催化转化器损坏时的下游氧传感器信号3 三效催化转化器完好时的下游氧传感器信号 对三效催化转化器的监测 闭环 在加速和减速工况下退出闭环控制 加速工况下混合气加浓 该信号电压应接近1000mV 减速工况下混合气变稀 该信号电压应接近100mV 如果在ECU进入 闭环控制之后该信号电压保持低于175mV达15s 或者在加速工况下该信号电压保持低于600mV达15s 则ECU认为该传感器信号电压偏低 不可信 如果在ECU进入 闭环控制之后信号电压保持高于800mV达15s 或者在减速工况下该信号电压保持高于110mV达15s 则ECU认为该传感器信号电压偏高 不可信 随着氧传感器的老化 其信号电压响应速度越来越低 表现为动态响应曲线趋于平缓 其斜率的绝对值变小 100s的监测期间信号电压从低到高和从高到低的跳变次数均小于45次 则ECU认为该氧传