排放控制系统波形分析
氧传感器的波形
(1)氧传感器的波形检测氧传感器是燃油反馈控制系统的重要部件,用汽车示波器观察到的氧传感器的信号电压波形能够反映出发动机的机械部分、燃油供给系统以及发动机电脑控制系统的运行情况。并且,所有汽车的氧传感器信号电压的基本波形都是一样的,利用波形进行故障判断的方法也相似。常用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种,如图4-97和图4-98所示。
图4-97氧化锆式氧传感器
图4-98氧化钛式氧传感器
测试氧传感器信号波形常用的方法有两种:丙烷加注法和急加速法①丙烷加注法。氧传感器信号测试中有三个参数(最高信号电压、最低信号电压和混合气从浓到稀时信号的响应时间)需要检测,只要在这三个参数中有一个不符合规定,氧传域器就必须予以更换。更换氧传感器以后还要对新氧传感器的这三个参数进行检测,以判断
新的氧传感器是否完好测试步骤(氧化钛型传感器和氧化锆型传感器都适用)如下。
a连接并安装加注丙烷的工具。
b.把丙烷接到真空管入口处(对于有PCV系统或制动助力系统的汽车应在其连接完好的条件下进行测试)c.接上并设置好波形测试设备d.启动发动机,并让发动机在2500/min下运转2e.使发动机息速运转f打开丙烷开关,缓慢加注丙烷,直到氧传感器输出的信号电压升高(混合气变浓)此时,一个运行正常的燃油反馈控制系统会试图将氧传感器的信号电压向变小(混合气变稀)的方向拉回。然后继续缓慢地加注丙烷,直到该系统失去将混合气变稀的能力。接着再继续加注丙烷,直到发动机转速因混合气过浓而下降100~200r/min。这个操作步骤必须在20~25s内完成g迅速把丙烷输入端移离真空管,以造成极大的瞬时真空泄漏(这时发动机失速是正常现象,并不影响测试结果),然后关闭丙烷开关h.待信号电压波形移动到波形测试设备显示屏的中央位置时锁定波形,测试完成。接着就可以通过分析信号电压波形来确定氧传感器是否合格②急加速法。对有些汽车,用丙烷加注法测试氧传感器信号电压波形是非常困难的因为这些汽车的发动机控制系统具有真空泄漏补偿功能(采用速度密度方式进行空气流量的计量或安装了进气压力传感器等),能够非常快地补偿较大的真空泄漏,所以氧传感器的信号电压绝不会降低。这时,在测试氧传感器的过程中就要用手动真空泵使进气压力传感器内的压力稳定,然后再用急加速法来测试氧传感器急加速法测试步骤如下a.以2500ymin的转速预热发动机和氧传感器2-6min,然后再让发动机息速运转20sb.在2s内将发动机节气门从全闭(息速)至全开1次,共进行五六次特别提醒:不要使发动机空转转速超过4000/min,只要用节气门进行急加速和急减速即可c.定住屏幕上的波形(图499),接着就可根据氧传感器的最高、最低信号电压值和信号的响应时间来判断氧传感器的好坏。
在信号电压波形中,上升的部分是急加速造成的,下降的部分是急减速造成的(2)氧传感器的波形分析好的氧传感器应输出如图4100所示的信号电压波形,其3个参数值必须符合表49所列的范围。一个已损坏的氧传感器可能输出如图4-101所示的信号电压波形,其中,最高信号电压下降至427mV,最低信号电压小于0,混合气从浓到稀时信号的响应时间却延长为237m,所以这3个参数均标准。用传感器进行测试时可以从显示屏上直接读取最高和最低信号电压值,还可以用示波器游动标尺读出信号的响应时间(这是汽车示波器特有的功能),汽车示波器还会同时在其屏幕上显示测试数据值,这对分析波形非常有帮助。
氧传感器信号波形参数标准
如果在关闭丙烷开关之前,发动机怠速运转时间(即混合气达到过浓状态的时间)超过则可能是氧传感器的温度太低,这不仅会使信号电压的幅值过低,而且会使输出信号下降的时间延长,造成氧传感器不合格的假象。因此,在检测前应将氧传感器充分预热(即让发动机在2500r/min下运转2-3min)。如果发动机仅怠速运转5s,就可能有一个或多个参景不合格,而这种不合格的现象并不说明氧传感器是坏的,只是测试条件没有满足的故多数损坏的氧传感器都可以从其信号电压波形上明显地分辨出来,如果从信号电压波形还无法准确地断定氧传感器的好坏,则可以用示波器上的游动标尺读出最大和最小信号电压值以及信号的响应时间,然后用这3个参数来判断氧传感器的好坏(3)多点燃油喷射系统中的氧传感器波形通常有两种不同的燃油喷射系统:节气门体燃油喷射(TBI)系统和多点式燃油喷射(MFI)系统。由于它们的结构、原理不同,其氧传感器的信号也稍有不同。下面以多点燃油喷射系统为例进行说明多点燃油喷射系统大大改变了电予与机械部分设计,因而其性能超过节气门体(单点式)燃油喷射系统。该系统的进气通道明显缩短,从节气门体燃油喷射系统的喷油器到进气门的距离没有了,氧传感器信号电压变化的频率为0.2(速时)~5Hz(2500min时),如图4-102所示因此,该系统对燃油的控制更精确,氧传感器的信号电压波形更标准,三元催化转化器的效果更好。但因该系统分配至各气缸的燃油也不完全相等,所以氧传感器的信号电压波形会产生杂波或尖峰。
(4)双氧传感器信号电压波形分析在许多汽车发动机的燃油反馈控制系统中,安装了两个氧传感器(图4-103)。为适应美国环境保护署(EPA)对废气控制的要求,从1994年起有些汽车在三元催化转化器的前后都装有一个氧传感器,这种结构在装有OBDⅡ的汽车上可用于检查三元偿此转化器的性能,在一定情况下还可以提高对混合气空燃比的控制
精度。
由于氧传感器信号的反馈速度快,其信号电压波形就成为最有价值的判断发动机性能的依据之一。通常,氧传感器的位置越靠近燃烧室,燃油控制的精度就越高,这主要是由尾气气流的特性(例如尾气的流动速度、排气通道的长度和传感器的响应时间等)决定的。
许多制造厂在每个气缸的排气歧管中都安装有一个氧传感器,这就使汽车维修人员容易判断出工作失常的气缸,减少判断失误。在许多情况下只要能迅速地判断出大部分无故障的气缸(至少为气缸总数的1/2以上),就能缩短故障诊断时间。双氧传感器信号电压波形及分析如图4-104所示。
双氧传感器系统
图4-104双氧传感器信号电压波形分析
一个工作正常的三元催化转化器,再配上燃油反馈控制系统后就可以保证将尾气中的有害成分转变为相对无害的CO2和水蒸气但是,三元催化转化器会因温度过高(如点火不良时而损坏(催化剂有效表面减少和板块金属烧结),也会因受到燃油中的磷、铅、硫或发动机冷却液中的硅的化学污染而损坏,OBDⅢ诊断系统的出现改进了三元催化转化器的随车监视系统。在汽车匀速行驶时,安装在三元催化转化器后的氧传感器信号电压的波动应比装在三元催化转化器前的氧传感器(前氧传感器)信号电压的波动小得多[图4-104(a)],因为正常运行的三元催化转化器在转化HC和CO时要消耗氧气。OBDⅢ监视系统正是根据这个原理来检测三元催化转化器的转化效率的当三元催化转化器损坏时,其转化功能丧失,这时在其前后排气管中的氧气含量十分接近(几乎相当于没有安装三元催化转化器),前后氧传感器的信号电压波形就趋于相同4-104(b)],并且电压波动范围也趋于一致。出现这种情况时应更换三元催化转化器。
(5)氧传感器故障波形诊断分析
①个别缸喷油器堵塞造成各缸喷油不均衡的故障现象。个别缸喷油器堵塞会造成发动机怠速非常不稳、加速迟缓、动力下降等方面的故障现象。在冷启动后或重新热启动后的开环控制期间情况稍好,一旦燃油反馈控制系统进入闭环控制,症状就变得显著用示波器检测氧传感器,检测发动机在250/min和其他稳定转速下的氧传感器波形,以检查燃油反馈控制系统:氧传感器在所有的转速、负荷下都显示了严重的杂波(图4-105)。
严重杂波表明存在坏的喷油器高频率杂波使燃料反馈控制系统失去了控制能力,平均电压=672mV图4-105个别缸喷油器堵塞造成各缸喷油不均衡时的氧传感器信号电压波形
波形故障分析:严重的杂波表明排气氧含量不均衡或存在缺火,这些杂波彻底毁坏了燃油反馈控制系统对混合气的控制能力。通常可以采用排除其他故障可能性的方法(即排除法)来判定喷油不均衡,包括用示波器检查、判断点火系统和气缸压缩压力以排除其可能性;用人为加浓或配合其他仪器等方法排除真空泄漏的可能性。总之,对于多点喷射式发动机,如果没有点火不良、压缩泄漏、真空泄漏问题引起的缺火,则可假定是喷射不均衡引起的缺火。此例中,进一步检查了上述点火、压缩、真空的各方面情况,结果表明可以排除这些方面问题的可能性。因此,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”,这进一步说明了有个别缸喷油器存在堵塞问题。这是因为,在当时情况下,喷油脉宽稍长,加浓了混合气,多少起到一些补偿作用。当更换了好的喷油器后,故障现象消失,波形恢复正常。
②间歇性点火系统缺火故障。如图4-106所示为发动机在2500/min时间歇性点火系统缺火故障波形,波形反映出点火系统存在间歇缺火故障。波形两边部分显示正常,但波形中段严重的杂波显示燃烧极不正常基至缺火。
发动机在2500r/min时间歇性点火系统缺火故障波形
③氧传感器配合喷油脉宽检查分析。如图4-107所示为发动机在2500/min时的氧传感器配合喷油脉宽波形。氧传感器波形显示为不正常的持续浓混合气信号(上边波形),而微机控制系统能正确地发出较短的喷油脉宽指令(下边波形,正常应为5ms)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。
图4-107发动机在2500r/min时氧传感器配合喷油脉宽波形
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6ms),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油反馈控制系统,可能是燃油压力过低或喷油器存在堵塞等原因。如图4-108所示为发动机在2500r/min时浓氧传感器信号配合长喷油脉宽信号波形。
发动机在2500r/min时浓氧传感器信号配合喷油脉宽信号波形
的较长的喷油脉宽指令(下边波形,正常应为5ms),即两个波形的关系出现方向性错误这说明故障存在于燃油反馈控制系统内部,例如可能是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④进气真空泄漏。如图4-109所示为发动机在2500r/min时进气真空泄漏波形,故障为个别气缸的进气歧管真空泄漏。
图4-109发动机在2500r/min时进气真空泄漏波形
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56mV则可解释为:当氧传感器向微机控制系统反馈低电压信号时,燃油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给出高电压信号,这说明燃油反馈控制系统的反应是正确的⑤氧传感器良好与损坏的波形比较。如图4-110所示为良好的氧传感器波形与损坏的氧传感器波形叠加比较。
图4-110良好的氧传感器波形与损坏的氧传感器波形比较
振幅大的波形表示良好者,振幅小的波形表示损坏者,损坏的氧传感器波形表明,燃油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,
燃油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度迟缓,限制了浓稀转换次数,使混合气空燃比超出了元催化转化器要求的范围,故此时排放指标恶化。图4-110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。
