氧傳感器OBD系統診斷原理及故障分析

劉子強+邵晗+李全

摘要：從氧傳感器的原理出發，對車輛氧傳感器OBD報故障碼機理及信號表現進行闡述，分析了市場上返回件故障原因并提出改進措施，從而預防及降低產品故障的發生。

關鍵詞：氧傳感器；OBD；故障分析

中圖分類號：U472文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.027

Abstract：Base on oxygen sensor work principle， the paper discuss oxygen sensor OBD basic diagnosis theory and signal characteristic， analysis failure part root cause in field， the research can be guidance for reducing failure rate.

Key words：oxygen sensor；OBD； failure analysis

0引言

現代化的汽車為了獲得高的經濟性和低的排放污染，采取了多種措施， 其中加裝三元催化反應裝置可以大幅度降低廢氣中CO、CH、NOx的含量，提高汽車的環保性能。在使用三元催化反應裝置降低排放污染的發動機上，氧傳感器是必不可少的元件。從氧傳感器原理出發，對車輛氧傳感器OBD報故障碼機理及信號表現進行闡述，探討了市場上汽車氧傳感器常見故障原因及相應措施，進而降低產品市場故障率。

1氧傳感器工作原理

目前使用的氧傳感器有氧化鋯式和氧化鈦式兩種，其中應用最多的是氧化鋯式氧傳感器，安裝在車輛底部排氣總管上。氧傳感器的基本元件是氧化鋯專用陶瓷體，鋯管表面裝有透氣的鉑電極及接頭，其內表面與大氣相通，外表面與廢氣相通，氧傳感器結構見圖1。鋯管的陶瓷體是多孔性的固體電解質，氧傳感器利用了Nernst原理，當溫度較高時，允許滲入該固體電解質內的氧氣發生電離，電離后的氧離子能夠由氧濃度高的內側向濃度低的外側擴散，就會在兩個鉑電極表面產生電壓降，形成微電池。氧傳感器工作原理見圖2，當空燃比較低時（濃混合氣），廢氣中的氧較少，因此陶瓷管外側氧離子較少，形成1.0 V左右的電動勢；當空燃比等于14.7時，此時陶瓷管內外兩側產生的電動勢為0.4～0.5 V， 該電動勢為基準電動勢；當空燃比較高時（稀混合氣），廢氣中氧含量較高，陶瓷管內外的氧離子濃度差較小，所以產生電動勢很低，接近為零。因此可以檢測出排氣中氧的含量，從而能檢測出混合氣的濃度。

1.座組件 2.絕緣襯套 3.密封件 4.墊圈 5.傳感元 6.絕緣襯套 7.保護帽 8.彈簧夾 9.線束組件

一旦氧傳感器及其連接線路出現故障，不能對空燃比進行反饋控制，會使發動機油耗和排氣污染增加，出現怠速熄火、運轉失準等各種故障。因此，引入的OBD系統，利用有缺陷或劣化的氧傳感器替代性能良好的氧傳感器或用于失效模擬的電氣裝置，產生各種氧傳感器故障特征信號給ECU，設定響應速度或電壓變化，檢驗ECU內的診斷算法是否能準確檢測出預設的故障。

2氧傳感器OBD系統診斷原理

氧傳感器的接頭有四個針腳：加熱電源正極、加熱電源負極、信號負極、信號正極。任何一個線端出現接觸不良、短路或斷路都會使信號端輸出的信號不正確，電路診斷主要針對信號電路。若信號線端開路、對地或電源短路、與加熱線耦合等問題出現，則信號端輸出的電壓信號將有不同的表現，據此判斷出電路故障。

2.1信號線對電源對地短路故障

信號線對電源對地短路故障診斷條件見圖3，具體如下：

（1）氧傳感器電壓信號正常在0.1～0.9 V之間跳動，電壓低時，表示混合氣偏稀，電壓高時，表示混合氣偏濃，據此實現對混合氣的閉環調節。

（2）當信號線對電源短路時，電壓信號將一直處于高電平狀態，不隨混合氣濃稀而跳變。

（3）當信號線對地短路時，電壓信號將一直處于低電平狀態，不隨混合氣濃稀而跳變。

2.2信號線開路故障

信號線開路故障診斷條件見圖4，具體如下：

（1）信號線開路時，電壓信號將一直保持在0.45 V左右，不隨混合氣濃稀而跳變。

（2）該類型診斷需在氧傳感器足夠熱、電池電壓充足、轉速高于最低穩定轉速、無噴油器故障等的情況下，才允許進行。

（3）若在滿足上述條件后，電壓信號持續（25 s左右）處于閥值范圍內，即振不起來，則判定存在開路故障。

2.3信號不合理故障

不合理故障分為兩種情況：即信號線與加熱線耦合和前后氧傳感器信號矛盾兩類。信號不合理故障診斷條件見圖5，具體如下：

（1）該類型診斷需在氧傳感器足夠熱、電池電壓充足、轉速高于最低穩定轉速、無噴油器故障等情況下，才允許進行。

（2）當信號線與加熱線耦合時，電壓信號在加熱關閉時的增幅△將遠超過正常信號的△變化，則認為存在信號線與加熱線耦合故障。

（3）若混合氣偏濃時，后氧電壓信號顯示偏濃，但前氧信號顯示偏稀，則表明前氧信號不合理，反之亦然。

2.4氧傳感器老化故障

（1）氧傳感器長期工作在高溫廢氣的環境中，會因各種物理和化學中毒等原因而逐漸老化，致使其對混合氣濃稀的監測反應越來越遲鈍，進而使閉環控制越發不準確，排放惡化。

（2）前氧老化形式主要有兩種：即雙邊老化和單邊老化。雙邊老化指濃稀兩邊反應都遲緩，以氧傳感器信號周期作為診斷變量，當周期延遲時間超越閥值時即報出故障；單邊老化分為濃邊反應遲緩和稀邊反應遲緩，周期延遲時間超越相應的閥值時即報出故障。上述老化故障的診斷閥值均以排放為依據。endprint

3氧傳感器的常見故障分析

對某整車廠一年售后件分析結果進行統計分類，氧傳感器失效的主要故障類型包括：線束不良、接插件進水、機械沖擊傳感元斷裂、溫度沖擊傳感元斷裂、氧傳感器中毒等。

3.1線束不良

線束不良如接插件端子松脫、端子不平整、接觸面過度磨損或者線束斷線、虛接等，導致診斷儀顯示氧傳感器信號故障和氧傳感器加熱故障等，其中線束斷線X光如圖6所示。措施是在使用中對產品的安裝布置進行改善，減少波紋管的彎曲程度，避免波紋管位置存在嚴重的拉扯，優化使用環境，避免產品因機械損傷導致的失效。

3.2氧傳感器接插件進水

氧傳感器接插件進水、受潮，在PIN針處會造成腐蝕、氧化，導致電阻增大、接觸不良、短路等問題。若后端進水，會導致參考空氣腔氧濃度下降，無法正常反饋廢氣側氧濃度信號。氧傳感器接插件進水情況見圖7。預防措施是提高接插件的防水等級，防止水汽進入。

3.3機械沖擊造成傳感器損壞

氧傳感器端部由陶瓷制成，材質硬而脆，用硬物敲擊或用強烈氣流吹洗，都可能使氧傳感器碎裂而失效，氧傳感器機械損傷見圖8所示。

3.4污染物造成傳感元件斷裂

濕汽、冷凝水或污染物進入傳感器內部，造成傳感器傳感元斷裂，當混合氣空燃比等于1時，排氣中水蒸汽約占12.5%。在發動機啟動后且排氣系統溫度較低的一段時間內，水蒸汽可能會冷凝到排氣系統上。如果在這段時間內氧傳感器陶瓷體超過一定溫度，并且冷凝水飛濺到氧傳感器陶瓷體上，陶瓷體就可能會由于熱應力而破裂。氧傳感元熱應力破裂如圖9所示。 所以需要在發動機啟動后對氧傳感器陶瓷體溫度以及氧傳感器陶瓷體附近的排氣管壁溫度進行監測，以判定氧傳感器是否存在有斷裂危險。一般而言，廢氣中的水蒸汽總是在排氣管壁冷凝，這樣排氣管壁的溫度在50 ℃左右會因為水蒸汽的冷凝和蒸發過程的交疊而停滯一段時間。此后如果管壁溫度繼續上升，排氣中的水蒸汽就不會再在排氣管壁上冷凝和蒸發。當水汽隨著排氣管溫度再度升高而蒸發后，才進行氧傳感器全功率加熱。

氧傳感器的位置和排氣系統的布置對水汽有很大的影響。氧傳感器的位置與水汽的關系圖見10。如果氧傳感器安裝在發動機附近向下的排氣管彎頭上，在管壁上只會形成一層很薄的水膜，風險階段就會比較短。但是如果在氧傳感器安裝位置前還布置有很多吸熱元件（如彎管、法蘭、波紋管和渦輪增壓系統等），排氣中冷凝的水就會增加，風險階段也會相應推遲。此外，管接頭、法蘭、波紋管會破壞管壁上的水膜，從而形成很多細小的水滴。這些水滴會通過氧傳感器的保護管到達陶瓷體（在踩油門等情況下“飛濺”出來），并在陶瓷體上形成一層水膜，對氧傳感器陶瓷體產生破壞。

該客戶市場上某一種車型，多次出現傳感元溫度沖擊碎裂故障。歷時一個多月排查，先后檢查了線束接插件進水、主繼電器上游線束進水和輔助氧傳感器呼吸試驗，都無法驗證原因。后經過對比，發現后氧傳感器安裝位置呈水平位置并處于法蘭接口處，氧傳感器在加熱過程中還有上游冷凝水“潑向”前端傳感元，導致傳感元因溫度變化沖擊碎裂，水汽滲入裂縫通過參考空氣腔壓到后端，加上水汽在加熱線端電解作用下，快速腐蝕，導致氧傳感器加熱故障爆發。后更改氧傳感器布置方式重新做標定，故障在全國范圍內逐漸消失。

3.5氧傳感器中毒

（1）氧傳感器鉛中毒。氧傳感器中毒是一件很難處理的問題。尤其是經常使用含鉛汽油的車主，輕微的鉛中毒只需要更換幾箱不含鉛的汽油使用，即可清除依附在氧傳感器表面的鉛殘留，如果是深度的鉛中毒既使是更換了新的氧傳感器，能夠使用的時間也是非常有限的。排氣溫度太高，會導致鉛深入到氧傳感器的固體電解質內部，阻礙氧離子的正常擴散，阻礙氧傳感器的正常工作。目前，市場用油已經是無鉛汽油，故鉛中毒的氧傳感故障件已基本沒有。

（2）氧傳感器硅中毒。硅中毒是另外一種比較常見的汽車氧傳感器的故障。由于汽油和潤滑油中含有的硅在燃燒后產生一系列的硅化物，覆蓋在傳感元上降低了透氧能力，無法正確反饋空燃比。故障表現：形成PtSi影響傳感元催化作用影響濃稀轉換時間。氧傳感器故障返回件頭部發白，檢驗發現對稀混合氣反應明顯遲緩，裝車排放試驗NOx超限，檢驗白色沉積物，主要成分為硅，油品檢驗也表明硅含量異常高。硅中毒的氧傳感外表如圖11所示。

（3）氧傳感器錳中毒。錳元素來源：燃油抗爆劑MMT（C9H7MnO3），代替鉛提高燃油辛烷值，國標允許添加量：0.008g/L（Mn含量）。錳中毒的傳感元如圖12所示。錳氧化物沉積導致陶瓷表面存在儲氧作用，影響信號精度；錳與添加劑中的P、Ca、Zn、Si等形成結晶或釉體堵塞保護層，降低透氧能力，影響信號轉換時間。

4總結

氧傳感器對發動機的工作、汽車的燃油經濟性及環保影響很大，其產品發生故障是某些綜合因素導致的，了解OBD報故障碼機理及信號表現，對市場上故障件及時作出原因分析并采取相應措施，從而降低及預防故障的發生。

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