任务一  氧传感器检测

任务引入

汽修厂接收了一辆待维修的车辆，客户反映汽车有发动机启动困难、加速无力、怠速不稳、油耗增大等现象。请根据你的专业知识对氧传感器进行检测和维修。

一、发动机排放控制系统概述

发动机排放控制系统是指通过精准的燃油量控制、喷油正时控制，配合废气再循环控制、油箱蒸气排放控制以及三元催化转换器控制，使发动机的燃烧条件得以改善，从而有效降低汽车废气排放的系统。为了最大限度减少污染物排放量，满足污染物排放法规和标准的要求，各汽车厂商研发了多种排放控制系统，常见的有废气再循环控制系统、燃油蒸发排放控制（EVAP）系统等。

汽车排放是指发动机在燃烧做功过程中产生废气，废气中排出的CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）和NO_x（氮氧化物）等有害物质。

二、发动机排放控制系统的组成

汽车排气控制系统是主要排放发动机工作时所产生的废气，同时减少排出的废气污染和噪声，一般由进排气歧管、活性炭罐、炭罐电磁阀、氧传感器、三元催化转换器、消声器等部件组成。发动机排放控制系统如图3-1所示。

图3-1  发动机排放控制系统

（一）进气、排气歧管

进气歧管的作用是将可燃混合气（汽油机）分别送到各个气缸中；排气歧管的作用是汇集各个气缸的废气，从排气消声器排出，并消除排气噪声。进气、排气歧管一般由铸铁制成，进气歧管也有用铝铸造的。电控汽油机的进气歧管和排气歧管通常分布在发动机两侧。

（二）活性炭罐

活性炭罐一般位于燃油箱通风口末端，其作用是收集燃油箱蒸发的HC，以及保证燃油箱内部空气和外围大气的平衡。有些燃油蒸发排放控制系统的活性炭罐内还装有通气阀。这是一种膜片阀，它的上部为真空室，其真空度由发动机控制模块（ECM）通过炭罐清污电磁阀进行控制。当真空度增大时，膜片向上拱曲，通过主通气口的清洁气体流量就会增加。活性炭罐结构如图3-2所示。

图3-2  活性炭罐

（三）炭罐电磁阀

活性炭罐负责收集燃油蒸发的HC，在控制单元的指令下，炭罐电磁阀负责控制适时地将HC输入进气系统。

（四）氧传感器

氧传感器按照功能可以分为前氧传感器和后氧传感器。

1．前氧传感器

前氧传感器通常安装在三元催化转换器前面，用于检测混合气空燃比，控制喷油量。

2．后氧传感器

后氧传感器通常安装在三元催化转换器后面，用于检测经过三元催化转换器转换后的排气成分，监测三元催化转换器的转换效率，以此判断三元催化转换器的好坏。氧传感器位置如图3-3所示。

1：前氧传感器；2：后氧传感器

图3-3  氧传感器位置

（五）三元催化转换器

三元催化转换器通常安装在发动机排气管中，是汽车排气系统中最重要的机外净化装置之一，它可以将汽车尾气排出的CO、HC和NO_x等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。其工作原理是当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化转换器中的净化剂将增强CO、HC和NO_x三种气体的活性，促使其发生一定程度的氧化还原反应，其中CO在高温下氧化成无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水和二氧化碳；NO_x还原成氮气和氧气。三种有害气体都变成无害气体，使汽车尾气得以净化。三元催化转换器如图3-4所示。

图3-4  三元催化转换器

（六）消声器

排气消声器通常安装在排气管出口处，废气先经排气管进入排气消声器，然后再排入大气。排气消声器的基本原理是通过消耗废气流的能量，以平衡气流的压力波动。排气管排出的废气进入多孔管后，再进入多孔管与外壳之间的滤声室，在这里会受到反射并进行膨胀与冷却，又经多次与内壁碰撞消耗能量，使废气温度、压力和流速都显著降低，从而消减排气噪声，消除火焰及火星。

三、氧传感器的作用

（一）氧传感器的作用

氧传感器是为了测定发动机燃烧后的排气中氧气含量是否过剩的信息，再将废气中氧的浓度大小转变成电信号传给电脑，进行混合气浓度控制。

（二）氧传感器的分类

氧传感器按照功能可以分为前氧传感器和后氧传感器。前氧传感器安装在三元催化转换器前面，用于检测混合气空燃比，控制喷油量；后氧传感器安装在三元催化转换器后面，用于检测经过三元催化转换器转换后的排气成分，通过监测三元催化转换器的转换效率，即可判断三元催化转换器的好坏。

目前使用的氧传感器主要有二氧化锆式（ZrO₂）和二氧化钛式（TiO₂）两种，其中应用最多的是二氧化锆氧传感器，下面分别进行介绍。

1．二氧化锆氧传感器

（1）结构特点

二氧化锆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，是一种在有氧环境下能产生电压的材料。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，其内外表面均覆盖着一层多孔性的薄膜，内表面与大气接触，外表面与废气接触。主要由保护套、锆管、加热元件、壳体、碟簧、支撑管、导线支架和线束组成。二氧化锆氧传感器的结构如图3-5所示。

图3-5  二氧化锆氧传感器的结构

（2）工作原理

锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，会在温度较高时发生电离。其中，锆管内表面是正极，它与大气相通；锆管外表面是负极，它与汽车尾气相通。由于锆管内外侧氧含量不一致，存在浓度差，因而氧离子会从大气一侧向排气一侧扩散，于是锆管内、外表面电极之间就会产生电压差，这个电压差会作为传感器的信号经导线支架和线束输送给ECU，ECU据此计算汽车尾气中氧的浓度。二氧化锆氧传感器的工作原理如图3-6所示。

图3-6  二氧化锆氧传感器的工作原理

2．二氧化钛氧传感器

（1）结构特点

二氧化钛氧传感器与二氧化锆氧传感器相似，但有所不同的是二氧化钛氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值会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，如图3-7所示。二氧化钛属于N型半导体材料，其阻值大小取决于材料温度和周围环境中氧离子的浓度。

图3-7  二氧化钛氧传感器的结构

（2）工作原理

由于二氧化钛半导体材料的电阻具有随氧离子浓度的变化而变化的特性，因此二氧化钛型氧传感器相当于一个可变电阻，其电阻值随废气中氧离子的浓度而变化，氧离子浓度大（可燃混合气稀）时，二氧化钛呈低电阻状态；离子浓度小（可燃混合气浓）时二氧化钛呈高电阻状态。当汽车尾气中氧的含量发生变化时，二氧化钛感应元件的电阻值会随之变化，从而使二氧化钛氧传感器输出不同的电压。这个电压将作为传感器的信号输送给ECU，ECU据此计算尾气中氧的含量。

（三）造成氧传感器和三元催化转换器早期损坏的原因

前氧传感器安装在三元催化转换器前面，后氧传感器安装在三元催化转换器后面，采用三元催化转换器必须安装前氧传感器。造成氧传感器和三元催化转换器污染、损坏的原因主要有以下几个方面。

1．汽油中含硫量过高

发动机机油中使用含硫、磷的抗氧化添加剂和低速行驶造成的CO含量高都会导致氧传感器和三元催化转换器污染。

机油窜入排气管的原因如下。

（1）气门油封不密封

表现：早晨第一次启动发动机时排气管冒蓝烟。应维修气门油封，进一步检查气门导管的工作间隙。

（2）活塞环与缸壁间隙封环密封不良

表现：启动和暖机时不冒蓝烟，行驶过程中冒蓝烟。进一步检查活塞环与缸壁间隙封环密封情况。

（3）涡轮增压系统密封环密封不良

表现：怠速和低速时排气管冒蓝烟。

2．进气不畅

空气滤清器内过脏或者新换的空气滤清器网过密导致进气不畅。

3．缺缸或燃烧不好

可燃混合气窜入三元催化转换器内燃烧，导致三元催化转换器内温度超过900 ℃，将陶瓷载体烧坏。

可燃混合气窜入排气系统的原因如下。

（1）发动机缺缸

对发动机缺缸诊断方法：用红外线测温仪逐缸进行检测，哪个缸的温度明显低于其他缸，就说明此缸燃烧不好。

（2）排气门密封不良故障

发动机怠速运转时，在排气尾管处如果能听到“噗噗”声，则表明排气门密封不良。

4．发动机冷却液进入排气管

发动机冷却液进入排气管也会导致氧传感器和三元催化转换器硅污染。现象：氧传感器触头表面为白色。

发动机的进气歧管垫、排气歧管垫和盖垫都是一次性的，只要打开就必须换新的。在没有做出正确判断前，不要盲目地拆开进气歧管。如果火花塞电极和氧传感器的触头发白（冷却液的结晶体是白色的），就表明冷却液已经窜入燃烧室和排气系统。也可以用一根软管沿进气歧管垫边缘处轻敲并听声音，进气歧管垫只要密封不良，就可以听到“噗”的漏气声。

5．误用了含铅汽油

现象：氧传感器上的孔没有被堵塞，但表面呈红褐色。

6．混合气过浓

氧传感器上的孔和三元催化转换器前部的孔被积炭堵塞。

现象：氧传感器触头表面呈黑色。

四、氧传感器故障的诊断

当氧传感器出现故障时，发动机会出现怠速不稳、动力不足、油耗过高、污染物排放量超标等现象。氧传感器故障常见的原因有感应元件中毒失效、老化、积炭、碎裂，加热元件烧断，线束断路等。氧传感器故障一般可用汽车故障诊断仪和万用表进行检测，下面以二氧化锆氧传感器为例，介绍汽车故障诊断仪和万用表的使用方法。

（一）使用汽车故障诊断仪检测氧传感器

1．读取故障码

关闭点火开关，连接汽车故障诊断仪后，打开点火开关，进入汽车故障诊断仪软件系统，读取并记录故障码，有氧传感器相关的故障码（如氧传感器电路不活动检测等），进一步进行故障诊断。

2．读取数据流并分析

读取氧传感器输出的电压，数值应在0.45 V左右变化，且变化幅度小；踩下加速踏板，同时观察汽车故障诊断仪，电压变化应在0.1～0.9 V之间来回跳动，且10 s内反馈电压的变化次数应不少于6～8次。如果电压变化偏小或是反馈电压变化次数少于6～8次，则说明氧传感器或反馈控制系统工作不正常。

（二）使用万用表检测氧传感器

二氧化锆氧传感器的线束端子如图3-8所示。

图3-8  二氧化锆氧传感器线束端子

1．检测氧传感器的供电线路

关闭点火开关，拔下氧传感器的线束连接器，使氧传感器不再与电脑连接。使用万用表电压挡检测端子1与车身搭铁之间的电压，所测电压值应为12 V左右（与蓄电池电压一致）。若不符，说明传感器的供电线路存在故障，应进行检修。

2．检测氧传感器的电阻

关闭点火开关，拔下氧传感器的线束连接器，使氧传感器不再与电脑连接。使用万用表电阻挡检测端子1与端子2之间的电阻，电阻值应在4～20 Ω之间，如果显示无穷大，则说明加热器内部断路，已损坏，需要进行更换。

3．检测氧传感器的输出信号

接通氧传感器的线束连接器，打开点火开关，启动发动机使其怠速运转。使用万用电压表检测氧传感器端子3和端子4，正常电压值在0～1 V。如果氧化锆式氧传感器的输出电压不在正常范围值内，则表明氧传感器有故障，须进行检修。

提示氧化锆式氧传感器只在正常工作温度范围内才进行工作，其正常工作温度为450～850 ℃，氧传感器负责检测尾气排放的氧气含量，检测发动机是否按理论空燃比燃烧，并向发动机控制单元反馈。当可燃混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以比较浓的混合气运转，排气中氧气含量少，产生较高输出电压，输出电压接近1V。当可燃混合气的实际空燃比大于理论空燃比，即发动机以比较稀的混合气运转，排气中氧气含量多，产生较低输出电压，输出电压接近0V。

五、任务实施

（一）实施方案

1．作业准备

使用万用表时，不要将红黑表笔接反。

设备器材：别克威朗车L3GA型实训车一辆、常用工具（一套）、万用表、故障诊断仪。

耗材：干净抹布。

2．学生分组

以6～8人为一组，选出组长并进行任务分配，填入表3-1中。

表3-1 小组概况及分工情况表

（二）操作步骤

1．氧传感器外观的检查

从排气管上拆下氧传感器，检查传感器外壳上的通气孔有无堵塞，陶瓷芯有无破损。如有破损，则应及时更换氧传感器。氧传感器外观如图3-9所示。

通过观察氧传感器顶尖部位的颜色也可以判断故障。

淡灰色顶尖：这是氧传感器的正常颜色。

白色顶尖：由硅污染造成的，此时必须更换氧传感器。

棕色顶尖：由铅污染造成的，如果严重，也必须更换氧传感器。

黑色顶尖：由积炭造成的，在排除发动机积炭故障后，一般可以自动清除传感器上的积炭。

图3-9  氧传感器外观

请将氧传感器的外观描述与故障的判断填入表3-2。

表3-2 外观与故障判断信息记录表

2．使用万用表检测氧传感器的供电线路

点火开关置于“OFF”（关闭）的位置，拔下氧传感器的线束连接器。

使用万用表电压挡检测端子1与车身搭铁之间的电压，所测电压值应为12 V左右（与蓄电池电压一致），如图3-10所示，测量电压值为12.31 V，与蓄电池电压一致。若不符，则说明传感器的供电线路存在故障，应进行检修。若测出端子1与车身搭铁电压值为0 V，则应进一步测量氧传感器供电线路中的保险丝，如图3-11所示，使用蜂鸣挡测量，若蜂鸣挡响，则表明保险丝及其上游供电线路正常。若蜂鸣挡没有反应，则需更换保险丝并进一步对上游供电线路进行检修。

图3-10  氧传感器的供电电压检测

图3-11  氧传感器保险丝检测

请将实测数据与故障判断信息填入表3-3。

表3-3 实测数据与故障判断信息表

3．使用万用表检测氧传感器的电阻

第一步：点火开关置于“OFF”（关闭）的位置，拔下氧传感器的线束连接器。

第二步：使用万用表电阻挡检测端子1与端子2的电阻。

第三步：查看读数，如图3-12所示，电阻为11.7 Ω，电阻值在4～20 Ω的范围内，氧传感器正常。若显示无穷大，则加热器是开路或是损坏，需要进行氧传感器的更换。

图3-12  万用表测量氧传感器的电阻

请将实测数据与故障判断填入表3-4。

表3-4 实测数据与故障判断信息表

4．使用万用表检测氧传感器的输出信号

接通氧传感器的线束连接器，打开点火开关，启动发动机使其处于怠速运转状态。

使用万用电压表检测氧传感器端子3和端子4，正常电压值在0～1 V之间。所测电压值为0.29 V，如图3-13所示。输出电压在正常范围值内。如果氧化锆式氧传感器的输出电压不在正常范围值之内，则表明氧传感器有故障，须进行检修。

图 3-13  氧传感器的输出信号

请将测量到的氧化锆式氧传感器的输出电压与对故障的判断填入表3-5中。

表3-5 实测数据与故障判断信息表

5．使用汽车故障诊断仪检测氧传感器

（1）读取故障码

关闭点火开关，连接汽车故障诊断仪。随后打开点火开关，进入汽车故障诊断仪软件系统，读取并记录故障码，氧传感器的故障码如图3-14所示，汽车故障诊断仪读取到故障码P0030表示氧传感器1存在故障，需要进一步检测分析。

图3-14  读取氧传感器的故障码

（2）读取数据流并分析

读取氧传感器数据流，如图3-15所示，输出电压存在异常，表明存在故障，需进一步进行检测。

图3-15  读取数据流

（三）任务评价（每组一份）

将小组成员评价分数填入表3-6中。

表3-6　任务评价表