寬帶氧傳感器原理及檢測

◆文/山東 劉崇耀 劉華

隨著國家對汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求不斷提高，普通的加熱、開關(guān)型氧傳感器已不能滿足尾氣排放高標(biāo)準(zhǔn)的要求，取而代之的是測量范圍更廣的寬帶型廢氣氧傳感器(以下簡稱寬帶氧傳感器)。本文以帕薩特領(lǐng)馭BGC發(fā)動(dòng)機(jī)和桑塔納志俊BKT發(fā)動(dòng)機(jī)的前氧傳感器為例，對寬帶氧傳感器的工作原理及檢測進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、工作原理

1.前氧傳感器的安裝位置及插頭

帕薩特領(lǐng)馭BGC發(fā)動(dòng)機(jī)、桑塔納志俊BKT發(fā)動(dòng)機(jī)的前氧傳感器都采用了寬帶氧傳感器(BOSCH LSU4.2型)，后氧傳感器為普通的加熱、開關(guān)型氧傳感器。前氧傳感器安裝在三元催化器的前方，有5根線、6個(gè)接線端子。

2.微調(diào)電阻

帕薩特領(lǐng)馭BGC發(fā)動(dòng)機(jī)、桑塔納志俊BKT發(fā)動(dòng)機(jī)的前氧傳感器從表面上看只有5根線(2＃端子未接線)，但是傳感器側(cè)插頭T6t(T6m公頭)的2＃與6＃之間串聯(lián)了一個(gè)微調(diào)電阻(圖1)，因此前氧傳感器具有6個(gè)接線端子。

對帕薩特領(lǐng)馭BGC發(fā)動(dòng)機(jī)前氧傳感器的微調(diào)電阻進(jìn)行測試，測試值為125Ω；對桑塔納志俊BKT發(fā)動(dòng)機(jī)前氧傳感器的微調(diào)電阻進(jìn)行測試，測試值為124.1Ω。若微調(diào)電阻及其電路發(fā)生故障，前氧傳感器失效。

3.電路圖修改

通過實(shí)測BGC、BKT發(fā)動(dòng)機(jī)前氧傳感器的微調(diào)電阻值(在傳感器側(cè)插頭T6t或T6m公頭上的2＃與6＃之間)，可以發(fā)現(xiàn)大眾汽車提供的原廠電路圖明顯存在錯(cuò)誤，我們對其進(jìn)行修改見圖2、圖3。

4.工作原理

(1)結(jié)構(gòu)及工作原理

寬帶型氧傳感器是以普通的加熱、開關(guān)型二氧化鋯氧傳感器為基礎(chǔ)擴(kuò)展而成，其結(jié)構(gòu)主要包括氧濃度差電池、泵電池、擴(kuò)散室、參考室和加熱器等(圖4)。

廢氣通過擴(kuò)散孔進(jìn)入擴(kuò)散室(稱“取樣廢氣”)，若擴(kuò)散室中取樣廢氣的氧濃度和參考室中空氣的氧濃度不同，氧濃差電池的兩電極(電極C、D)間會(huì)產(chǎn)生氧濃度差電池電壓(即Nernst電壓)。

氧化鋯型氧傳感器有一特性，即當(dāng)氧離子移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，反之，若將電動(dòng)勢加在氧化鋯組件上，會(huì)造成氧離子的移動(dòng)。根據(jù)此原理，通過寬帶氧傳感器的控制器(內(nèi)置于發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU中)改變泵電壓的大小和方向可改變寬帶氧傳感中氧離子的擴(kuò)散方向和速率(泵入或泵出擴(kuò)散室)，使氧濃度差電池輸出電壓維持在0.45V。

(2)控制器

寬帶氧傳感器與普通氧傳感器不同，必須設(shè)計(jì)專用的控制器。控制器結(jié)構(gòu)見圖5，控制器主要包括溫度檢測、加熱控制、泵電流控制與測量、泵電流校正標(biāo)定等功能模塊。

寬帶氧傳感器的溫度檢測條件是當(dāng)寬帶氧傳感器溫度為750℃時(shí)，氧濃度差電池的內(nèi)阻為80Ω，通過測量氧濃度差電池的內(nèi)阻可以感知氧傳感器的溫度信息。利用氧濃度差電池的交流電壓來檢測內(nèi)阻，通過對氧傳感器的溫度檢測，輸出占空比控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)加熱電路，使氧傳感迅速達(dá)到并維持750℃的正常工作溫度。寬帶氧傳感器的加熱速度比普通氧傳感器更快。

(3)信號(hào)電壓

寬帶氧傳感器輸出的信號(hào)電壓是利用氧濃度差電池的直流通道信息，經(jīng)過比較、計(jì)算輸出的泵電壓，經(jīng)過61.9Ω電阻測量轉(zhuǎn)換成泵電流，再經(jīng)過信號(hào)處理、標(biāo)定而形成的。因此，利用萬用表在寬帶氧傳感器的6個(gè)端子上直接測量寬帶氧傳感器的輸出電壓是不可能實(shí)現(xiàn)的，必須通過診斷儀讀取數(shù)據(jù)流(選擇車型，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)01、選擇讀取數(shù)據(jù)流08、選擇組號(hào)33，以下簡稱01-08-33)。

二、常見故障及診斷

1.常見故障

(1)寬帶氧傳感器中毒。氧傳感器中毒主要指鉛中毒和硅中毒，會(huì)造成氧傳感器性能老化甚至失效。

(2)寬帶氧傳感器積炭。由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性變差，在氧傳感器表面形成積炭，或氧傳感器內(nèi)部進(jìn)入了油污、塵埃、沉積物，阻礙或阻塞外部空氣進(jìn)入氧傳感器內(nèi)部，使氧傳感器輸出的信號(hào)失準(zhǔn)，ECU不能及時(shí)地修正空燃比。

(3)寬帶氧傳感器陶瓷碎裂。氧傳感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲擊或用強(qiáng)烈氣流吹洗都可能使其碎裂而失效。

(4)加熱器電阻絲燒斷。若寬帶氧傳感器加熱器的電阻絲斷路，其加熱功能失效，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)很難達(dá)到寬帶氧傳感器所需的正常工作溫度，傳感器會(huì)失效。

(5)寬帶氧傳感器連接插頭故障。

(6)寬帶氧傳感器與控制器之間的導(dǎo)線斷路及短路故障。

2.通過寬帶氧傳感器外觀顏色進(jìn)行故障診斷

從排氣管上拆下氧傳感器，檢查傳感器外殼上的通氣孔有無堵塞，陶瓷芯有無破損，如有破損，則應(yīng)更換氧傳感器。另外，通過觀察氧傳感器頂尖部位的顏色也可以判斷故障現(xiàn)象，寬帶氧傳感器的正常顏色是淡灰色，頂部顏色發(fā)生變化，氧傳感器存在以下故障或故障隱患：頂尖呈黑色是積炭污染造成的，拆下清除積炭一般可以正常使用；頂尖呈棕色是鉛污染造成的，頂尖呈白色是硅污染造成的，這種情況需要結(jié)合觀察寬帶氧傳感器的數(shù)據(jù)流(輸出電壓值、動(dòng)態(tài)系數(shù)及是否老化)及信號(hào)電壓變化頻率確定是否需要更換。

三、寬線路檢測

1.萬用表測量

(1)測量電阻值

通過對BGC、BKT發(fā)動(dòng)機(jī)的前氧傳感器的原理分析可以看出，利用萬用表能夠進(jìn)行特定電阻值測量，測量結(jié)果見表1。

(2)測量電壓值

關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，拔下前氧傳感器的插頭，點(diǎn)火開關(guān)置于ON位，在線束側(cè)插頭測量各端子的電壓值。

打開點(diǎn)火開關(guān)，用萬用表在線束側(cè)插頭測量寬帶氧傳感器各端子靜態(tài)電壓值，能有效檢查傳感器至控制器的線路及控制器自身存在的故障點(diǎn)。線束側(cè)測量寬帶氧傳感器的1＃與5＃端子之間的電壓差應(yīng)該為0.45V左右；2＃、6＃端子的電壓值應(yīng)相等；3＃端子為電源電壓(注意BGC發(fā)動(dòng)機(jī)由于接燃油泵繼電器后電源，點(diǎn)火開關(guān)打開后，只有2s左右的時(shí)間有電壓)，4＃端子為加熱器的控制端，由控制器(ECU內(nèi))控制。

2.診斷儀測量

(1)讀取故障碼

當(dāng)寬帶氧傳感器及線路出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)首先用診斷儀讀取故障信息。以下是利用BOSCH金德KT600診斷儀對BGC、BKT發(fā)動(dòng)機(jī)讀取故障碼信息。

①故障碼P0030

拔下前氧傳感器的插頭，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，只能讀取到P0030故障碼，其含義為“汽缸列1-傳感器1 加熱電路斷路”，此時(shí)并不能讀取到有關(guān)氧濃度差電池及泵電池的故障碼。

②故障碼P0130

當(dāng)寬帶氧傳感器與控制器之間的導(dǎo)線1＃與5＃之間短路或者寬帶氧傳感器與控制器之間的導(dǎo)線1＃或5＃與搭鐵短路時(shí)，能讀取到P0130故障碼，其含義是“汽缸列1-傳感器1電路中電氣故障”。

(2)讀取數(shù)據(jù)流

寬帶氧傳感的信號(hào)電壓在傳感器的6個(gè)端子上是無法直接測量的，只能利用診斷儀讀取該數(shù)值。連接診斷儀，選擇車型、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(01)，選擇讀數(shù)據(jù)流(08)，輸入組號(hào)就可以讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)流。

3.寬帶氧傳感的信號(hào)電壓異常值

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，寬帶氧傳感器的信號(hào)電壓值應(yīng)在1～2V之間來回變化，當(dāng)電壓信號(hào)低于1.5V時(shí)，說明混合汽過濃；當(dāng)電壓信號(hào)高于1.5V時(shí)，說明混合汽過稀。當(dāng)寬帶氧傳感器及線路出現(xiàn)故障時(shí)，寬帶氧傳感器的控制器會(huì)輸出固定電壓信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU據(jù)此診斷出故障并輸出故障信息。

表1 寬帶氧傳感器電阻值測量

4.波形讀取

利用專用示波器或者診斷儀自帶的示波功能可以讀取波形：寬帶氧傳感的加熱控制電壓波形、泵電壓波形、氧濃度差電池(直流通道)電壓波形、氧濃度差電池(交流通道)電壓波形、在2＃、6＃端子實(shí)測電壓波形(雙通道)、在1＃、5＃端子實(shí)測電壓波形(雙通道)、在1＃端子實(shí)測波形以及在1＃與5＃端子間實(shí)測電壓波形。