毕业论文-宝马前氧传感器工作原理及检测方法

山西机电职业技术学院汽车系毕业论文PAGEPAGE1毕业综合实践材料山西机电职业技术学院姓名：学号：24班级：专业：汽车检测与维修技术实习单位：长治宝城宝马4S店实习时间：2011年7月至2012年5月系部：宝马前氧传感器工作原理及检测方法摘要：随着对汽车尾气排放要求的不断提高，传统的开关型氧传感器已不能满足高排放标准的要求，取而代之的是控制精度更高的线性宽带氧传感器（UniversalExhaustGasOxygenSensor简称UEGO),宽带氧传感器能够提供准确的空燃比反馈信号给ECU，从而ECU精确地控制喷油时间，使气缸内混和气浓度始终保持理论空燃比值，宽带氧传感器的使用提高了ECU的控制精度，最大限度地发挥了三元催化器的作用，优化了发动机的性能，并可节省大约15%的燃油消耗，更加有效地降低了有害气体的排放。宝马目前采用的是博世公司研发的宽带氧传感器LSUADV，LSU是“通用氧传感器”的缩写，而ADV则代表“高级”。本文主要介绍宝马调控氧传感器的工作原理及故障检测方法。关键词：宽带型氧传感器；工作原理；空燃比；发动机；泵单元。目录TOC\o"1-2"\h\z\u1引言 31.1宽带氧传感器的诞生 31.2宽带氧传感器的类型及作用 32宝马宽带氧传感器的结构和原理 42.1宝马宽带氧传感器的概述 42.2宽带氧传感器的结构原理 52.3宽带氧传感器的调整举例 63宝马宽带氧传感器的检测 83.1宝马宽带氧传感器的线脚图 83.2宝马宽带氧传感器的特性线及标准值 84宝马宽带氧传感器的常见故障及排除方法 94.1宽带氧传感器的常见故障 94.2宽带氧传感器的检测方法 105宝马宽带氧传感器的实车案例分析 12总结 17致谢 181引言1.1宽带氧传感器的诞生氧化锆型氧传感器的工作范围是在λ=1附近产生一个跳跃性的输出电压变化，一旦超出此范围，其反应性能便降低。当发动机需要作稀混合或浓混合控制时，这一类型的氧传感器便无法胜任了，使得发动机的燃油控制不能十分精确了。随着人们环保意识的日渐加深和对汽车尾气排放要求的不断提高，传统的开关型氧传感器已不能满足高排放标准的要求，因为它只能定性的知道混合气的浓稀，而不知道浓稀的程度，并且应用开关型氧传感器的发动机空燃比控制系统，只能以当量空燃比值为目标进行反馈，为了克服普通氧传感器带来的缺陷，线性宽带氧传感器就诞生了。1.2宽带氧传感器的类型及作用根据氧传感器的制造材料不同，宽带型氧传感器可分为以ZrO2为基体的固化电解质型和利用氧化物半导体电阻变化型两大类；根据传感器的结构不同，宽带型氧传感又可分为电池型、临界电流型及泵电池型三种。现代汽车发动机管理系统中，安装在催化转换器前的氧传感器，称作控制氧传感器，监测尾气中氧的浓度，并将信息反馈给控制单元，用于调节喷油量，从而实现发动机的闭环控制，改善发动机的燃烧性能并减少有害气体的排放。根据OBD-Ⅱ规定，现代汽车必须对三元催化转换器效率进行持续监控，为此配有诊断氧传感器，安装在催化转换器的下游端，ECU通过比较催化转换器上游和下游的传感器信号，可以确定催化转换器的效率。另外由于控制氧传感器的老化，控制氧传感器向ECU输送的电压信号曲线会发生偏移，诊断氧传感器会检测控制氧传感器是否仍然处于最佳工作状态，然后ECU就可计算出矫正偏移所需的补偿量，从而实现更精确的闭环控制。宽带氧传感器通过检测发动机尾气排放中的氧含量，并向电子控制单元(ECU)输送相应的电压信号，反映空气燃油混合比的稀浓，ECU根据氧传感器传送的实际混合汽浓稀反馈信号而相应调节喷油脉宽，使发动机运行在最佳空燃比(λ=1)状态，从而为催化转换器的尾气处理创造理想的条件。如果混合汽太浓(λ<1)，必须减少喷油量，如果混合汽太稀(λ>1)，则要增加喷油量。宽带氧传感器的使用提高了ECU的控制精度，最大限度的发挥了三元催化的器的作用，优化了发动机的性能，并可节省大约15%的燃油消耗，更加有效地降低了有害气体的排放。2宝马宽带氧传感器的结构和原理2.1宝马氧传感器的概述如图1所示宝马目前采用的是博世公司研发的宽带氧传感器LSUADV，该氧传感器的传感机构由二氧化锆陶瓷层(层压板)组成。层压板中插入的加热元件确保快速加热到至少760℃的必要工作温度，宽带氧传感器具有2

个元件，一个所谓的测量元件和一个参考元件，这两个元件上涂有铂电极，通过宽带氧传感器可以无级测得一个介于0.65和空气之间的空燃比(稳定的特性线)。为了实现完全而完美的燃烧，需要的空燃比为1千克燃油和约14.7千克空气，实际输送的空气质量与化学计算的空气质量之间的比称为空气过量系数。在车辆正常运行时空气过量系数会摆动，发动机在空气不足(空气过量系数约0.9=浓混合气)时具有最佳功率，发动机在空气过量(空气过量系数约1.1=稀混合气)时油耗最低，当混合气在空气过量系数=1的范围内时，废气触媒转换器可最佳地减少有害物质的排放，转换率(即已转换的有害物质部分)在先进的废气触媒转换器上达98%至几乎100%。油气混合气的最佳成分由发动机控制调节，氧传感器这时提供关于废气成分的基本信息。图1N73发动机宽带型氧传感器实物图表1N73发动机实物图描述2.2宽带氧传感器的结构原理宽带型氧传感器的根本原理就是以一般氧化锆型氧传感器为根底扩展而来。氧化锆型氧传感器有一特性，即当氧离子移动时会产生电动势，反之，若将电动势加在氧化锆两侧电极上，也会形成氧离子的移动，依据此原理可由发动机控制单元掌握想要的比例值。宽量程氧传感器的结构如图2所示，它主要由两部分构成。一部分称为感应室，它的一面与大气接触而另一面是测试腔，通过扩散孔与排气接触，和普通氧化锆氧传感器一样，由于感应室两侧的氧含量不同而产生一个电动势Us，一般的氧化锆传感器将此电压作为控制单元的输入信号来控制空燃比。而宽域型氧传感器与此不同的是：发动机控制单元要使感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V，这个电压只是电脑的参考标准值，它就需要传感器的另一部分来完成。另一部分是传感器的关键部件泵氧元，泵氧元一边是排气，另一边是与测试腔相连。泵氧元就是利用氧化锆传感器的反作用原理，将电压施加于氧化锆组件（泵氧元）上，这样会造成氧离子的移动，把排气中的氧泵入测试腔当中，使感应室两侧的电压值维持在0.45V.这个施加在泵氧元上变化的电压，才是我们要的氧含量信号。如果混合气太浓，那么排气中含氧量下降，此时从扩散孔益出的氧较多，感应室的电压升高。如图3所示为达到平衡，发动机控制单元增加控制电流使泵氧元增加泵氧效率，使测试腔的氧含量增加，这样可以调节感应室的电压恢复到0.45v；相反，混合气太稀，则排气中的含氧量增加，这时氧要从扩散孔进入测试腔，感应室电压降低，此时泵氧元向外排出氧来平衡测试腔中的含氧量，使感应室的电压维持在0.45v.总而言之，加在泵氧元上的电压可以保证当测试腔内的氧多时，排出腔内的氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流；当腔内的氧少时，进行供氧，此时发动机控制单元的控制电流是负电流。以上过程供给泵氧元的电流就反映了排气中的过量空气含量系数。图2宽带型氧传感器结构图图3宽带型氧传感器原理图2.3宽带型氧传感器调整举例（一）混合气过浓1、如图4所示泵入混合气过浓时，泵氧元以原来的工作电流工作，测试室的氧含量减少。2、氧传感器感应室电压值超过0.45v。3、控制单元增大泵氧元的工作电流，使泵氧元旋转速度增加，增加泵氧速度。4、泵氧元泵入测试室中的氧量增加，使感应室电压值恢复到0.45v。5、控制单元根据增加的电流（折算成电压值）从而控制喷油嘴减少喷油量。图4混合气过浓调整图示（二）混合气过稀1、如图5所示混合气过稀时，泵在原来的工作电流下会泵入较多的氧，测试室中氧的含量增加。2、氧传感器感应室电压值低于0.45v。3、控制单元减小泵氧元的工作电流，使泵氧速度减小。4、泵氧元泵入测试室中的氧量减少，使感应室电压值恢复到0.45v。5、同时控制单元根据减少的电流（折算成电压值）增加喷油量。图5混合气过稀调整图示3宝马宽带氧传感器检测3.1宝马氧传感器的线脚图图6宝马N73发动机氧传感器线脚图表2N73发动机氧传感器线脚图描述表3N73发动机线脚布置3.2宝马宽带性氧传感器的特性线及标准值宽带氧传感器的特点是自空气过量系数=0.65起扩大的测量范围，另外它还有较高的温度耐受性、响应时间缩短到30毫秒以下，以及较高的信号精确度。图7宽带型氧传感器特性线图表4宽带型氧传感器特性线描述注意宽带氧传感器的下列标准值表5N73发动机宽带型氧传感器测量标准值4宽带氧传感器常见故障及排除方法4.1宽带氧传感器的常见故障1.氧传感器中毒氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障，尤其是经常使用含铅汽油的汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几千公里。如果只是轻微的铅中毒，接着使用一箱不含铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作，但往往由于过高的排气温度，而使铅侵入其内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时就只能更换了。另外，氧传感器发生硅中毒也是常有的事。一般来说，汽油和润滑油中含有的硅化合物燃烧后生成的二氧化硅，硅橡胶密封垫圈使用不当散发出的有机硅气体，都会使氧传感器失效，因而要使用质量好的燃油和润滑油。修理时要正确选用和安装橡胶垫圈，不要在传感器上涂敷制造厂规定使用以外的溶剂和防粘剂等。2.积碳由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或氧传感器内部进入了油污或尘埃等沉积物，会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的信号失准，ECU不能及时地修正空燃比，产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加，此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。3.氧传感器陶瓷碎裂氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而失效，因此，处理时要特别小心，发现问题及时更换。4.加热器电阻丝烧断对于加热型氧传感器，如果加热器电阻丝烧蚀，就很难使传感器达到正常的工作温度而失去作用。5.氧传感器内部线路断脱。4.2宽带氧传感器的故障排除方法1.氧传感器加热器电阻的测量拔下氧传感器线束插头，用万用表电阻档丈量氧传感器接线端中加热器接柱与搭铁接柱之间的电阻，其阻值为4-40Ω(参考详细车型阐明书)。如不契合规范，应更换氧传感器。2.氧传感器反响电压的测量测量氧传感器的反响电压时，应拔下氧传感器的线束插头，比照车型的电路图，从氧传感器的反响电压输出接线柱上引出一条细导线，然后插好线束插头，在发起机运转中，从引出线上测出反响电压。对氧传感器的反响电压停止检测时，最好使用有低量程(一般为2V)和高阻抗(内阻大于10MΩ)的指针型万用表。详细的检测办法如下：1)将发起机热车至一般工作温度(或起动后以2500r/min的转速运转2min)；2)将万用表电压档的负表笔接被检测插座内的搭铁线或蓄电池负极，正表笔接氧传感器线束插头上的引出线；3)让发起机以2500r/min左右的转速坚持运转，同时观察电压表指针能否在0-1V之间往返摆动，记下10s内电压表指针摆动的次数。在一般状况下，随着反响掌握的停止，氧传感器的反响电压将在0.45V高低不时变化，10s内反响电压的变化次数应不少于8次。假如少于8次，则阐明氧传感器或反响掌握零碎义务不一般，其缘由可以是氧传感器外表有积碳，使灵活度降低所致。对此，应让发起机以2500r/min的转速运转约2min，以肃清氧传感器外表的积碳，然后再反省反响电压。假如在肃清积碳可后电压表指针变化照旧迟缓，则阐明氧传感器保护，或电脑反响掌握电路有毛病。4)检查氧传感器有无保护拔下氧传感器的线束插头，使氧传感器不再与电脑衔接，反响掌握零碎处于开环掌握形态。将万用表电压档的正表笔间接与氧传感器反响电压输出接线柱衔接，负表笔优良搭铁。在发起机运转中丈量反响电压，先脱开接在进气管上的曲轴箱强迫透风管或其他真空软管，人为地形成稀混合气，同时观看电压表，其指针读数应降落。然后接上脱开的管路，再拔下水温传感器接头，用一个4-8KΩ的电阻替代水温传感器，人为地形成浓混合气，同时观看电压表，其指针读数应下降。也可以用忽然踩下或抓紧加速踏板的办法来改动混合气的浓度，在忽然踩下加速踏板时，混合气变浓，反响电压应下降；忽然抓紧加速踏板时，混合气变稀，反响电压应降落。假如氧传感器的反响电压无上述变化，标明氧传感器已保护。5)氧传感器外观色彩的检查从排气管上拆下氧传感器，观察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，则应改换氧传感器。经过察看氧传感器顶尖部位的色彩也可以判定毛病：①淡灰色顶尖：这是氧传感器的一般色彩；②白色顶尖：由硅净化形成的，此时必需改换氧传感器；③棕色顶尖：由铅净化形成的，假如严峻，也必需改换氧传感器；④玄色顶尖：由积碳形成的，在扫除发起机积碳毛病后，一般可以主动肃清氧传感器上的积碳。6）假如排气管进了水,要尽快把积水扫除,免得水中的杂质梗塞三元摧化器或损坏氧传感器。5宝马氧传感器实车案例案例一：故障描述：2010年产宝马X3，涉水后发动机进水，拆下空滤，发现空滤已经湿透，拆火花塞，发现有积水，排净，可以手动转动发动机。检查各缸是否能到达上止点，没问题，装复，测缸压，发现只有1，3缸有400kPa缸压。拆进气道，发现气门有脏东西，卡滞，清洗进气道，缸筒，每个缸均可达700kPa缸压。再次启动，怠速平稳，但是把发动机踩到2500RPM时，发动机振动厉害。再测缸压，为1.2MPa。征得车主同意，解体发动机。图8宝马X3N52发动机端开缸盖后实物图维修过程：对进排气、凸轮轴、凸轮轴位置传感器和曲轴作好定位后，拆解发动机如图8所示，仔细检查后发现2，4缸连杆相对发动机纵向变形，因此缸压是没问题的，但是会使发动机抖动。更换6个连杆和螺栓（镁铝发动机采用的铝质螺栓拆卸后必须更换），装配发动机。用故障诊断仪GT1对电子节气门进行自适应设定。启动发动机，运转平稳了。但等到发动机达到正常温度以后，却发生了“游车”现象。显示无故障码。看数据流，空气流量计，冷却液温度传感器信号正常；1-3缸前氧传感器信号电压2.0-2.5V变化；4-6缸前氧传感器稳定在2.5V，只有反复踩踏板时才有明显变化。清除学习值以后，“游车”现象消除。但2分钟后又“游车”。由于N52K为电子节气门，进排气可变凸轮轴控制系统，装的时候没有专用工具，怀疑正时没有装好。于是找来专用工具重新拆装，依然不行。由于是涉水故障，怀疑到可能是氧传感器坏了。互换1-3，4-6的前氧传感器，清除学习值后，重启发动机，又开始“游车”，看数据流，发生电压变化的的变为4-6缸。断开4-6缸前氧传感器，使其进入开环工作状态，不“游车”了。更换氧传感器后修好。诊断结果：此款发动机采用的氧传感器采用6线的，增加了单元泵，应该是涉水时遇水坏掉了。维修总结：拆火花塞，发现有积水，此时就可断定发动机进了水，就不该测缸压，因发动机此时润滑很差，并有可能有沙粒，测缸压会磨坏气缸，应该直接拆解发动机，2，4缸连杆的变形说不定是测缸压时造成的。在发现“游车”，并通过诊断仪发现1-3缸前氧传感器信号电压2.0-2.5V变化，此时就应该采用拔下此前氧传感器插头，使其进入开环工作状态，直接就能找到故障点。而不是去重装正时，费了大功夫。由于涉水很严重了，三元和排气管都有进水的可能，说不定都有损坏，应该做一些检查的；如果进了泥水，从长远看会造成三元和排气管的损坏造成故障。发动机进水会造成不少的导线接头被污染，也会造成早期腐蚀损坏，应该逐一检查。案例二：故障描述一辆宝马320轿车，发动机怠速不稳、抖动极大，生油味较重，时有黑烟冒出。驾驶员反映近期油耗增大，并且该车仪表盘上的CHECKENGINE报警灯不熄。

检查过程报警灯不熄，说明该发动机有故障。利用本车的自诊断故障功能调出故障代码，即把点火开关开至点火档(不起动)约3s后，报警灯即有规律地闪烁两次，尔后如此重复，表示故障代码为“2”。查说明书，故障部位在氧传感器信号、喷油嘴及怠速控制电机等。装于排气管消声器前部的氧传感器，实为一固体电池。在正常工作时，能发出0.25-0.85V电动势，对应稀浓混合气的燃烧状况。其电动势反馈输入电脑(ECU)的28号脚及10号脚，以控制汽油喷射，达到最佳的空燃比(14.7)。为缩短氧传感器的受热加温过程，该传感器为电加热式。就车检查测量氧传感器(测量时，应使用高阻抗的数字万用表)。检测时发现电动势为零，表明传感器已损坏，从而使电脑误收“稀”混合气信号，结果造成该车油耗增大，排气冒黑烟。以新传感器换之，发动机运行恢复正常，故降得以排除。维修方案排除故障后应将故障代码清零，方法是，把点火开关旋至“OFF”档，直接拔下蓄电池搭铁线15s(但须注意防止如“CD”音响、防盗器等密码的丢失)。案例三一辆2004年款宝马E66760Li轿车，用户反映发动机怠速抖动，行驶中加速无力，最近又出现了发动机起动后有汽油味的情况。故障现象：一辆2004年款宝马E66760Li轿车，用户反映发动机怠速抖动，行驶中加速无力，最近又出现了发动机起动后有汽油味的情况。故障检修：接车后，笔者首先向用户了解此车在故障出现前后是否有异常情况。用户反映，前一段时间因为当地台风的原因，导致此车部分进水。当时将水处理干净后没有出现故障，使用一段时间后就出现了各种各样的故障，但后来大多都修好了，只有发动机故障一直没有修好。在其他修理厂清洗了节气门，更换过点火线圈和火花塞也都没有解决问题。

此车搭载了N73发动机，这是一款技术含量很高的发动机，12个气缸呈V型结构排列，每缸4气门，采用了电子气门全变量气门控制技术以及燃油直接喷射技术。

N73发动机的燃油直接喷射系统，喷油器的喷嘴位于燃烧室内，靠近进气门，每列气缸的喷油器安装在同一根油轨上。每列气缸的油轨由1个高压泵提供高压燃油，高压泵由排气凸轮轴驱动。高压泵将来自电子燃油泵的燃油加压，使燃油压力提高到5~12MPa，被压缩的燃油通过高压油管到达油轨，然后到喷油器，喷油器由DME发动机控制单元根据相关传感器的信号来控制。因为加压后的燃油压力非常高，所以在一般维修厂，常规的燃油压力表无法用来测量高压管路的燃油压力。而且从维修手册上可知，喷油器的控制电压在85~100V之间，所以通用的汽车示波器很难用于此处测量，喷油时间一般只能使用故障诊断仪来查看。

首先连接宝马原厂故障诊断仪GT1，选择菜单中的7系E65项目，故障诊断仪自动识别车型后进入全车电控系统检测，检测到很多故障码，因为无法识别真假故障，于是记录下故障码后全部清除。此车有2个DME发动机控制单元，DME-1是1~6缸的发动机控制单元，DME-2是7~12缸的发动机控制单元，在查询DME-1的故障码时显示2缸工作不良的故障码，清除故障码后再次起动，此故障码再次出现。

查看发动机数据流，其中主要数据如下：空气流量信号15kg/h；油轨压力3.0MPa；燃油喷射时间1.89ms；加速踏板信号1为0.72V，加速踏板信号2为0.36V。通过与标准数据流比较后发现，空气流量信号稍大，燃油喷射时间也稍长。继续查看数据流发现了问题，2缸的运行不稳定数值已经达到5.10，而其他气缸的数值却接近0，这说明2缸明显工作不良。将发动机右侧的进气软管拆下，看到2缸的点火线圈上还贴有很新的标签，这说明是刚换过，为了可靠起见，又更换了1个工作正常的点火线圈和火花塞进行试验，结果2缸仍然不工作。继续使用故障诊断仪检测DME-2发动机控制单元，其中存储了8缸工作不良的故障码，从数据流中可以看出8缸的运行不稳定数值已经达到了1.93，检查8缸的点火线圈和火花塞也是刚换过。

根据维修经验，导致发动机整体工作不良的原因可能涉及到多个系统，但是导致1个或几个气缸不工作的原因应该不多。首先分析燃油系统，因为故障诊断仪上显示的油轨压力为3.0MPa，这说明压力正常，而且不应该出现个别气缸油压过低的情况，喷油器由发动机控制单元控制工作，发动机控制单元出问题的几率很低。另一方面，如果是个别气缸的喷油器线路有问题，系统内应该存储喷油器线路短路或断路的故障码。至于点火系统，宝马车系的点火系统的控制线路工作是比较稳定的，很少有问题，只是点火线圈和火花塞有时候会出问题，而且用试灯检测2缸的点火线路部分，起动发动机时试灯可以闪烁，这说明点火线路基本上是正常的。接下来应该检查气缸压力了。此车如果不拆卸进气歧管就无法测量气缸压力，但是用户担心维修人员不熟悉发动机的结构，不允许拆卸进气歧管。维修人员想起用户说过有时候起动时有汽油味，由于刚才检查时已经拆卸过燃油管，已经有很重的汽油味了，于是决定第二天再检查。第二天一早，起动发动机，确实有一些汽油味，但是查看外围的油管并没有发现泄漏的地方，如果有泄漏就应该是进气歧管下面的油管漏油了。因为从N73发动机的结构看，可以确定如果不拆卸进气歧管就无法继续检查故障，于是说服用户允许拆卸发动机进气歧管。拆下进气歧管后，发现2列气缸之间的燃油管有些渗油但并不严重。为什么油管漏油了故障诊断仪上显示的燃油压力还是正常的呢?维修人员认为应该是泄漏得很少，高压泵进行了压力补偿，所以从数据流上没有看出问题。

因为在用户感觉到此车有汽油味之前发动机就存在怠速抖动的故障，所以怠速抖动应该还有其他原因。由于只有2个气缸工作不良，所以空气流量计、氧传感器以及水温传感器等部件就不需要检查了，而应该重点检查是否有漏气的部位和气缸压力是否正常。

这时发现有1根曲轴箱废气循环管没有插，这样会导致发动机怠速不稳，这个情况如果不拆卸进气歧管是不容易发现的。测量了各缸压力均正常，检查2缸和8缸处进气歧管的密封性，虽然进气歧管的固定螺栓很紧，但是从歧管密封垫挤压的痕迹能看出有轻微的泄漏。

更换泄漏的燃油管，安装