汽车发动机故障分析：氧传感器、空燃比传感器与废气分析优势

怠速不稳经断缸检查，以判断这种故障是“影响某个气缸”还是“对所有气缸都有影响”。如果这种故障只影响某个气缸，就检查这个气缸的“发动机三要素”。如果这种故障对所有气缸都有影响，就检查空燃比。

为判断空燃比是否合适，一般先通过诊断仪读取氧传感器或空燃比传感器信号。

对于氧化锆式氧传感器，当空燃比值为14.7∶1时，氧传感器电压在0.45V左右；其信号电压范围是0.1～0.9V，信号电压小于0.45V，氧传感器反馈给ECU的信号是混合气稀，信号电压大于0.45V，反馈信号表示混合气浓。在新型的发动机控制中，给氧传感器加装了加热线圈，以提高它在发动机怠速运转时的工作温度，使氧传感器在发动机低温和怠速时也能正常工作。所以此种氧传感器变为三线或四线。它常安装在排气总管三元催化器前，用于混合气的短时调节。目前最常见的氧传感器为加热型氧化锆式氧传感器，它的检测最好是用示波器检测信号电压波形。在空燃比控制适当时，氧传感器信号是计算机系统的最好指示。一般说来，一个工作良好的电控汽油发动机在闭环工作状态下，怠速时，氧传感器在10s内应有不少于8个浓/稀振幅；转速为2500 r/min时，10s内应有10～40个浓/稀振幅。当空燃比由稀变到浓时，氧传感器的响应时间应小于100ms，当空燃比由浓变到稀时，氧传感器的响应时间应小于125ms。评定氧传感器信号的第一步是证明该传感器处于良好的状况。用数字存储示波器测试氧传感器的响应时间。用丙烷使空燃比变浓，而用真空大量泄漏使空燃比变稀。在正确的时间内，将开关从浓切换到稀，再从稀切换到浓，应符合上述要求。

对于装用空燃比传感器的发动机，以丰田车为例，为了确定故障是空气燃油混合物过稀还是过浓，使用一台智能检测仪（手持式测试仪），检查氧气传感器、空燃比传感器的电压及短期燃油校正数值。智能检测仪上显示的空燃比传感器的电压应为3.3V，这个电压值是ECM内部数值。因为A/F传感器是电流输出元件，在ECM内部电流被转化为电压。直接测量A/F传感器或ECM连接器接线处的电压会发现电压是恒定的。因此，如不使用智能测试仪就无法确认A/F传感器输出电压。该传感器电压用来给ECM提供反馈，以便能控制空燃比。

ECM对偏离理论空燃比值的情况作出判断，并控制燃油喷射时间。如果A/F传感器故障，则ECM不能准确控制空燃比。

图3-43 A/F传感器

A/F传感器为平面式，如图3-43所示，与加热器集成在一起，加热器用来加热固体电解质（氧化锆元素）。加热器由ECM控制。在进气量低（废气温度低）时，电流流入加热器以加热传感器，从而准确地检测氧气浓度。另外，传感器和加热器部分比常规型式传感器窄。加热器产生的热量通过氧化铝传导到固体电解质，这样就加快了传感器的启动。

如果检测到A/F传感器故障，ECM设定DTC P2195或P2196。

如果A/F传感器电压大于3.8V持续10s或更长时间（第二行程逻辑），设定DTC P2195；如果A/F传感器电压1小于2.8V持续10s或更长时间（第二行程逻辑），ECM设定DTC P2196。

过浓空燃比混合气体会造成A/F传感器低电流，过稀空燃比混合气体会造成A/F传感器高电流。因此，加速期间传感器输出变低，节气门全关的减速期间传感器输出会变高。ECM在燃油切断期间监控A/F传感器电流并检测异常电流值。

如果A/F传感器输出电流大于等于3.6mA累计3s以上，ECM判断A/F传感器故障并且设定DTC P2195（高侧卡住）。如果A/F传感器输出电流小于等于1.0mA累计3s以上，ECM设定DTC P2196（低侧停留）。

一旦设定任一DTC，通过选择智能测试仪中的下列菜单来检查A/F传感器输出电压。Powertrain（传动系统）/Engine and ECT（发动机和ECT）/Data List（数据表）/A/FCon-trol System（A/F控制系统）/AFS B1 S1。还可用智能测试仪读取短期燃油修正值。ECM控制其A1A+和A1A-端子的电压保持恒定水平。因此，如不使用智能测试仪就无法确认A/F传感器输出电压。

采用智能测试仪，用主动测试的“Control the Injection Volume for A/F Sensor”（为A/F传感器控制喷油量）功能可以识别故障区。“为A/F传感器控制喷油量”功能可以帮助确定A/F（空燃比）传感器、加热式氧传感器（HO₂S）和其他有潜在故障的区域是否存在故障。

用智能测试仪进行“为A/F传感器控制喷油量”的操作方法如下：

①将智能测试仪连接到DLC3上。

②起动发动机，并打开测试仪。

③以2500r/min的发动机转速使发动机暖机约90s。

④在测试仪上选择以下菜单项目：Powertrain（传动系）/Engine and ECT（发动机和ECT）/Active Test（主动测试）/Control the Injection Volume for A/F Sensor（为A/F传感器控制喷油量）。

⑤在发动机怠速条件下执行“为A/F传感器控制喷油量”功能（按下RIGHT键或LEFT键来改变喷油量）。

⑥监控测试仪上显示的A/F和HO₂ S的输出电压（AFS B1 S1和O2S B1 S2）。

说明：“为A/F传感器控制喷油量”的操作会使燃油喷射量降低12.5%，或增加25%。传感器根据喷油量的增加和减小做出反应。

当燃油喷射量增加25%时智能测试仪显示的“AFS B1 S1”应小于3.0V，当燃油喷射量降低12.5%时智能测试仪显示的“AFS B1 S1”应大于3.35V。

A/F传感器存在几秒钟的输出延迟。

也可选择以下菜单项目：Powertrain（传动系统）/Engine and ECT（发动机和ECT）/Active Test（主动测试）/Control the Injection Volume（控制喷油量）。用测试仪改变喷油量，将喷油量控制在-12%和+12%的范围之内。在该范围内可以用1%的梯度改变喷油量。并监控测试仪上所显示的空燃比（A/F）和HO2传感器的电压图形输出，如图3-44所示。

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图3-44 用测试仪改变喷油量时空燃比（A/F）和HO2传感器的电压图形输出

根据燃油喷射量的增加和减少，HO2传感器（O2S B1 S2）将会输出正常电压。如果HO2传感器显示为正常反应，但A/F传感器电压仍保持在小于3.3V或大于3.3V，则A/F传感器存在故障。

当判定空燃比浓的时候，应考虑引起燃油系统喷油量增大，或者连续喷油的因素。主要有：各传感器范围/性能问题；与传感器系统的搭铁线接触不良；喷油器滴漏等。

当判定空燃比稀的时候，应考虑引起燃油系统喷油量减少的因素，主要有：各传感器范围/性能问题；燃油压力低；与喷油器系统的搭铁线接触不良；氧气传感器系统故障（信号显示混合物浓）；由于积炭燃油被吸收等。

本田雅阁2.4L轿车的K24A8发动机上装的是四线型A/F传感器。这种A/F传感器的连接器处有四个接线头，其主要用于直列四缸发动机的本田车，从外观上看与氧传感器基本没有变化，因此比较难以区分。

四线型A/F传感器前端部分的构造如图3-45所示，在氧化锆元件与加热器之间设有一个排出气体不能进入的大气导入室。氧化锆元件与扩散层之间有一个排出气体检测室，这是为了限制扩散层通过的排气量。而在氧化锆元件的大气侧与排气侧各有一个白金电极。

与氧传感器的主要不同就是扩散层，还有就是在ECM/PC传感器两个电极上加载了电压。A/F就是通过流过电极间的电流值来进行判断的。

这个电流值如图3-46所示，浓度高时为正值，浓度低时为负值。端子线共有四根，分别是氧化锆元件两个电极上的两根，以及加热器的正负极的两根。

图3-45 本田四线型A/F传感器

进入排气检测室的排出气体，被扩散层控制在一定量，因此，对氧化锆元件加载电压，当浓度低时将排气检测的氧气吸到大气检测室，而在浓度高时从大气导入室吸入到排气检测室内，这样就可以用排气检测室内的A/F来得到理论空燃比。为了使排气检测室内保持理论空燃比，加载电压后使氧气移动时，与排气A/F相对应的氧气就会通过氧化锆元件。由于通过AFS+与AFS-间的电流值与其氧气量是成比例的，因此通过测定电流，就可以得到此时的排气的A/F。

图3-46 本田四线型A/F传感器输出特性

A/F传感是一个检测电流值的传感器。由于电流值的直接检测会使ECM/PCM或是传感器产生故障，因此比较困难。在这里说明一下如何检测电压。这种类型的A/F传感器在工作时，AFS+与SG（信号搭铁线）之间的电压常常是在2.2V的附近值。实测一台K24A8发动机，在发动机运转AFS+与搭铁之间的电压为2.23V，AFS-与搭铁之间的电压为1.78V。

ECM/PCM如果要变更AFS值，就要控制流过氧化锆元件的氧气量。

AFS+，AFS-之间的电压在理论空燃比时输出为0.45V，浓度高时会稍低（0.4V等），浓度低时则会稍高一点（0.5V）。但是，实际上为了取得电流值而使用的电压值，有可能会由于老化而出现变动，因此有可能出现与上述不同的数值，这一点需要注意。

四线型A/F传感的工作情况如图3-47所示。

图3-47 本田四线型A/F传感器的工作原理

当混合气浓度高时，氧化锆元件会产生电动势，从而对A向加载电压。对与此相反方向的B则是由ECM/PCM来稍加电压，形成电动势大，且朝向A的加压状态，所以氧气由大气侧向排气侧（A’）移动。另外，由于从扩散层进入的排出气体受到限制，与吸入的氧气反应，排气中的HC或CO也受到限制。由于这些作用，排气检测室内的A/F在达到理论空燃比之前，氧气就一直在移动。因此，氧化锆元件中是只流过为达到理论空燃比所必要的氧气，这时通过检测电流就可以得到排气中的空燃比。

当混合气浓度低时，由于氧化锆元件不会产生电动势，根据ECM/PCM对B向加载的电压，使氧气由排气侧向大气侧（B’）移动，强制性地使排气检测室的A/F达到理论空燃比。氧化锆元件在特性上，不能使排气检测室内比理论空燃比的浓度高，即使再加大加载电压流过的电流也不会增加（增加是指向A方向流动的氧气）。这个电流称为极限电流，测定出这个时候的电流值就可以得到A/F。

实际上电流值不能直接用ECM/PCM来测量，要利用并联电阻来变换为电压，再将此电压增幅以及经AD变换来测定。

为判断当前的空燃比是否正确，在读取数据流时同时用废气分析仪检测汽车尾气排放不失为一种好的方法。然而，有些时候，怠速不稳仅是有时出现一下，也就是说故障是间歇出现的。这时在读取故障码的同时查看一下定格数据，也许能帮助我们迅速地缩小故障范围。如一辆本田雅阁2.4L轿车出现了有时怠速抖动的现象。读得的故障码为48-17：HO2S（A/FSENSOR）S1 AFS-LINE VOLTAGE LOW。意为空燃比传感器AFS-线电压过低。进入读取定格数据界面，并通过单击打印功能，打印成的图表如图3-48所示。

定格数据显示，AF SENSOR为-1mA、AF LAMBDA为1.81、F INJECTOR为4.10ms，这表示故障发生时发动机的空燃比传感器信号电流为-1mA，空燃比为1.81，喷油脉宽为4.10ms。在空燃比传感器正常的情况下如果AF SENSOR电流为负值（-1mA），说明混合气过稀。当发动机完全正常，热车怠速进入闭环控制状态后，空燃比应约为1，空燃比传感器信号电流应约为0mA，喷油脉宽为2.8ms左右。从上述定格数据上看，说明空燃比传感器正向ECU传送混合气过稀的信号，ECU已增大喷油脉宽。现在关键的问题就是区分故障发生时，混合气是真的过稀吗？如果空燃比传感器信号正确，那么说明空燃比过大（混合气过稀）；如果因某一原因导致空燃比传感器传送的信号错误，那么可能混合气并不过稀。经尾气分析仪检测故障出现时的尾气排放，HC和CO读数过高，说明混合气过浓状态。这就说明发动机抖动并不是混合气过稀导致的，而是ECM在接收到空燃比传感器传送的错误的过稀信号后迅速加浓混合气导致怠速运转粗暴。检查空燃比传感器线路，查得此车故障为空燃比传感器AFS-线绝缘材料磨破有时搭铁所致。