氧传感器故障诊断案例分析

氧传感器故障诊断案例分析

引论

本人在泰成集团泉州辖区凯迪拉克车间做机电实习生，我们岗位的主要任务是汽车的故

障诊断，包括机修跟电路。我在这里现在的主要任务是做汽车保养，其余的正在学习中，比

如我也开始更换火花塞，跟师傅一起拆装后桥洗油箱，跟换轮心总成，开始学习基本的故障

诊断等等。我觉得我们要进步应该脚踏实地地做，不能自己会的东西就不想去做了，更不能

不求上进，有些东西是靠自己去看去争取的。

氧传感器故障的排除对于我们维修人员来说也是非常重要的，前一阶段我们凯迪拉克轿

车CTS就是因为氧传感器的故障导致汽车不能正常运转。但是，我们本着认真负责的态度，

最终把故障解决了。

报告主体

一、氧传感器介绍

1.类型及工作原理

现在汽车上 常用的

氧传感器主要有 二氧化

锆与二氧化钛氧 传感器，

不过随着技术的 发展，

比较好的车型也 用到了

新型的氧传感器， 新型氧

传感器有平面型 氧传感

器和宽频带型氧 传感器。

⑴.氧化锆氧 传感器

是具有传导性的 固体电

解质，在氧分子浓度差的作用下产生电动势。（如图）

⑵.氧化钛型氧传感器 是高电阻半导体，当表面缺氧时，电阻变小与发动机冷却液温度传

感器(ECT)相似，氧化钛氧传感器的电阻值则随其周围氧含量的变化而变化。

（如下图）

C

O

O

2

H

C

NO

X

O

O

2

2

O

2

O2

尾

1V/

5V

搭

O

2

大

⑶.新型氧传感器平面型传感器(线性)

①.核心为陶瓷材料，两边有涂层。

②.涂层的优点是：对尾气中的氧浓度更敏感。

⑤.Pump cell加压室

⑥.Exhaust pipe排气管 （如下图）

外部大气

测量室

传感器电压

扩散

通道

排气歧管

单元泵电流

单元泵

为能使电压值尽快恢复到450mv的电压值，减小单元泵的工作电流，使泵入测试室的氧

量减少。单元泵的工作电流传递给控制单元，控制单元将其折算成电压值信号。（如下图）

控制单元增大单元泵的工作电流，使单元泵旋转速度增加，增加泵氧速度。单元泵泵入

测试室中的氧量增加，使电压值恢复到450mv。（如下图）

2.作用

①闭环控制的重要标志性零件。

②使三元催化器达到最佳的转换效率。

③调整和保持理想的空燃比。

㈠闭换环控制：电脑根据氧传感器的反馈信号不断地调整混合气的空燃

比，使其值符合规定。燃油反馈控制补偿误差，不稳定燃油修正触媒监测。（如下图）

㈡发动机起动后的氧传感器输出的信号电压波形（下图）：

①、氧传感器的工作温度

②、急加速中高负荷

③、快怠速

④、强制怠速

⑤、水温没达到正常水温

⑥、氧传感器损坏

⑦、断油

㈢使三元催化器达到最佳的转换效率（如下图）

过程中，氧传感器起到了氧浓度开关的作用，根据混合气的空燃比向ECU输出脉冲变化的电

压脉冲信号。ECU根据氧传感器的输入信号控制喷油器的增减，把空燃比精确地控制在理论

值空燃比附近。三元催化器后的氧传感器是四线式的，作用是检测经三元催化器转换之后排

出的气体的氧含量，从而判断三元催化器是否工作良好。

3.信号控制及路线图

氧传感器是检测废气中的氧浓度，并随时向微机控制装置反馈信号。微机则根据反馈来

的信号及时调整喷油量（喷油脉宽），如果信号反馈混合气较浓，则就缩短喷油时间；反之，

如果信号反馈混合气较稀，则就延长喷油时间。这样使混合气的空燃比始终保持在理论值附

近（14.7:1）。这就是所谓的闭环控制。

氧传感器由ECU控制，它其实就相当于是一个低电压、低电流的小发电机，当它的内外

表面所接触的氧分子浓度不同时，便形成一个电位差，它的外表面伸入排气管中直接与发动

机排气相接触，它的内表面与大气接触，大气中氧分子的浓度是不变的。而排气中氧分子的

浓度是随混合气浓度的变化而变化的。当混合气的实际空燃比高于理论空燃比14.7：1，即

稀混合气时，废气中剩余的氧分子浓度相对较高，这时氧传感器内外氧分子浓度相差较小，

只能输出大约0.1V的电压;而当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即浓混合气时，废气

中剩余的氧分子非常少，这时氧传感器内外表面氧分子浓度相差较大，可以输出大约1.0V

左右的电压。这样，电脑就可以通过氧传感器输出的信号了解当前混合气浓度相对于理论值

的微小偏差，于是根据这个信号相应调整喷油器的喷油脉宽，以弥补这个微小偏差，从而提

高了控制的精度。

下图是凯迪拉克CTS、SRX和XLR三款车上采用的宽频带型氧传感器的控制路线图。

二、故障诊断

1.工作状态分析

氧传感器工作状态参数表示由发动机排气管上的氧传感器所测得的排气的浓稀状况。有

些双排气管的汽车将这一参数显示为缸组1氧传感器工作状态和缸组2氧传感器工作状态两

种参数。排气中的氧含量取决于进气系统中混合气的空燃比。氧传感器是测量发动机混合气

浓稀状态的主要传感器。传感器必须被加热至300摄氏度以上才能向微机提供正确的信号。

而发动机微机必须处于闭环控制状态下才能对氧传感器的信号做出反应。

氧传感器工作状态参数的类型依车型而不同，有些车型以状态参数的形式显示出来，其

变化为浓或稀；也有些车型将它以数值参数的形式显示出来，其数值参数单位为mV。浓或

稀表示排气的总体状态，数值表示氧传感器的输出电压。该参数在发动机热车后以中速

（1500~2000r/min）运转时，呈现浓稀的交替变化或输出电压在100~900mV之间来回变化，

每10秒内的变化次数应大于8次（0.8Hz）。若该参数变化缓慢或不变化或数值异常，则说

明氧传感器或微机内的反馈控制系统有故障。

氧传感器工作电压过低，一直在0.3V以下，其主要原因如下：

①喷油器泄露。

②燃油压力过高。

③活性炭罐的电磁阀常开。

④空气流量计有故障。

⑤氧传感器加热故障或氧传感器脏污。

氧传感器工作电压过高，一直显示在0.6V以上，其主要原因如下：

①喷油器堵塞。

②空气流量计故障。

③燃油压力过低。

④空气流量计和节气门之间的未计量的空气。

⑤在排气歧管垫片处的未计量的空气。

⑥氧传感器加热故障或氧传感器脏污。

氧传感器的工作电压不正常可能引起的主要故障如下：

①加速不良。

②发冲。

③冒黑烟。

④有时熄火。

2.波形分析

如果用丙烷加注法检测氧传感器信号波形的话，一个好的氧传感器应输出如图2—1所

示的信号电压波形，其3个参数值必须符合表2—2所列的值。一个已损坏的氧传感器可能

输出如图2—17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0V，混合气从浓到稀时的响应时间却延长为237ms，所以这三个参数均不符合标准。用汽

车示波器对氧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，并且还可

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）。汽车示波器还可

以同时在屏幕上显示测试数据，这对分析波形非常有帮助。

如果在关闭丙烷开关之前，发动机怠速运转时间（即混合气达到果农状态的时间）超过

25s，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，而且还会使输出信

号下降的时间延长，造成氧传感器不合格的假象。因此，在检测氧传感器前应该将氧传感器

充分预热（即让发动机在2500转每分钟下运转两到三分钟）。要不然测试的数据就会不合格，

而这个并不说明氧传感器已损坏，只是测试条件没满足的缘故。

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

上还无法准确地判断氧传感器的好坏，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，然后用这三个参数来判断氧传感器的好坏。

（图2—1氧传感器标准信号电压波形）

（表2—2氧传感器信号波形参数标准）

序号 测量参数 允许范围

1 最高信号电压（左侧波形） >850mV

2 最低信号电压（右侧波形） 75~175mV

3

混合气从浓到稀的最大允许响应时间 <100ms（波形中间在

（波形的中间部分） 300~600mV的下降段应该是

上下垂直的）

（图2—3已损坏的氧传感器信号电压波形）

3.故障现象

如果氧传感器出现故障的话，汽车主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加，导致尾气

超标。氧传感器故障主要是由于积碳、铅中毒、硅中毒、机油污染。

积碳

无加热棒的氧传感器故障，通常是因为氧传感器或陶瓷元件表面形成积碳，从而增加了

氧传感器的反映时间，并可能造成氧传感器检测氧气功能的丧失。

对于带加热棒的氧传感器，通常的沉积物在运行过程中被燃烧掉，故障通常是缘于催化剂的

损耗，原因好比电池停止产生电流。氧传感器检测元件错误地报告混合气为稀，ECU因此增

加混合气浓度，汽车尾气中就含有更多的一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC），从而减少了

氧传感器的使用里程。不过现在的氧传感器一般都是加热型氧传感器，这种故障已经很少了。

铅中毒

亮色的沉积物表明燃油中含铅。铅中毒的氧传感器典型的特征是表面有发亮的生锈层。

含铅汽油会损害氧传感器和三元催化器。大多数的氧传感器经过含铅汽油的侵蚀后，里程

数会急剧下降。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。

这种现象是比较常见的，跟车子使用什么样的汽油有直接的关系。

硅中毒

另外一个造成氧传感器故障或失效的原因是硅中毒。硅化合物存在于一些密封材料，润

滑剂中及防冻剂中的腐蚀抑制成分。这种情况下，氧传感器表面的沉积物呈现的颜色介于亮

白色和颗粒状的浅灰色之间。

机油污染

机油进入了发动机燃烧室会使氧传感器表面覆上一层油状的沉积物，从而使氧传感器的

反应延迟或失灵。如果氧传感器表面有厚厚的一层白色或灰色油状沉积物，说明使用了燃油

添加剂或者发动机在“烧机油”。这些燃油添加剂和机油的特殊成分会污染氧传感器的感应

元件。

4.实际操作中的案例分析

案例：凯迪拉克赛威10款3.0L的发动机故障灯亮，车主反映没车子并没有什么不良现

象发生，只是突然就发生的。赛威的车是有双排气管的，就有两组氧传感器了。

我们就用故障诊断仪Tech2诊断了下，看下有什么故障码，结果诊断仪报的故障码是

P0053，我们查了下故障代码表发现是缸组1氧传感器1内部电阻故障。我们就用故障诊断

仪对氧传感器的数据进行读取，得到以下几组数据：

我们正常的氧传感器电阻跟电压在发动机启动后都是变化的，这是由于发动机的废气氧

含量时刻都在改变所致。我们可以从这四张截图看出缸组1氧传感器1的数据始终都是恒定

不变的，而且电阻也比其他的几个高很多。我们就可以初步断定是该氧传感器或该氧传感器

线路出现了问题。如果我们用测量的办法就肯定可以达到预期的效果，而且是绝对的准确，

但是工程会比较大，所以我们就用了个简单的办法来判断是氧传感器问题还是线路问题，就

是直接把缸组1氧传感器1与缸组2氧传感器1对调，然后把故障码清除掉去试下车。（特

别注意：不能用缸组1氧传感器1直接与缸组1氧传感器2对调，因为这两个传感器不一样

就如该图的两个氧传感器电路图）跑完车回来故障灯肯定又会再亮起来，我们用故障诊

断仪再诊断下，如果此时还是缸组1氧传感器1故障的话，就说明是线路出现了问题；如果

此时变成了缸组2氧传感器1故障，则为氧传感器故障，应该更换。我们用这种方法很快的

就发现是氧传感器中毒了，更换之后问题就解决了。如果是线路问题的话，那我们就得慢慢

查了，关键还是要有耐心。

所以说氧传感器也不是有故障就拿个新的换上去就好了，替换法是个好方法，但是我们

不能只追求修好它，而是要懂得它的原理以及是如何控制的，在汽车电控系统越来越复杂的

情况下，我们就更应该去认真研究它的原理等；比如当故障诊断仪报出一组数据时，我们却

不知道是什么意思时，那我们就落伍了。

三、由氧传感器故障诊断引发的遐思

1.简单的汽油的介绍

＃是指汽油辛烷值指标。93号，97号。（现在几乎已经没有90号汽油了）所谓的97

号汽油，就是97％的异辛烷，3％的正庚烷。在引擎压缩比高者应采用高辛烷值汽油，若压

缩比高而用低辛烷值汽油，会引起不正常燃烧，造成震爆、耗油及行驶无力等现象。汽油

标号的高低只是表示汽油辛烷值的大小，应根据发动机压缩比的不同来选择不同标号的汽

油。压缩比在8.5－9.5之间的中档轿车一般应使用93号汽油；压缩比大于9.5的轿车应使

用97号汽油。目前国产轿车的压缩比一般都在9以上，最好使用93号或97号汽油。高压

缩比的发动机如果选用低标号汽油，会使汽缸温度剧升，汽油燃烧不完全，机器强烈震动，

从而使输出功率下降，机件受损。低压缩比的发动机硬要用高标号油，就会出现“滞燃”现

象，即压到了头它还不到自燃点，一样会出现燃烧不完全现象，对发动机也没什么好处。

车辆越高档对燃油质量的要求也越高，例如30万元以上的中高档车，最好是加97号汽油，

而这里说的97号代表的只是汽油中的辛烷值能量的大与小，并不能说明97号汽油就比93

号汽油清洁。而高档汽车对汽油的清洁度却要求极高，如果汽油的标号不够，对车辆的影响

很快就能表现出来，如加完油后马上出现加速无力的现象；如果汽油杂质过多，对汽车的影

响就要一段时间后才能反应出来，因为积碳或胶质增多到一定程度才会影响汽车行驶。

国家对车用汽油有严格的标准。它不仅要求汽油有一定的辛烷值（俗称汽油标号），同时对

汽油各种化学成分的含量都有严格的规定。如果烯烃的含量过高，汽车不能完全燃烧，从而

产生一种胶状物质，聚积在进气歧管及气门导管部位。在发动机处于正常工作温度时，无异

常现象；而当发动机熄火冷却一段时间后，这些胶质会把气门粘在气门导管内。这时起动发

动机，就会发生顶气门现象。并不是标号越高越好，要根据发动机压缩比合理选择汽油标号。

在汽车发动机的参数中，大多数崇尚动力性的车友都只是注意到了功率和扭矩这两个指标，

但另一个重要指标却往往被人所忽视，这就是压缩比。压缩比就是汽缸内活塞的最大行程

容积与最小行程容积的比值，也等于整个活塞的运动行程上止点和下止点在不同行程位置的

容积比值。目前，绝大部分汽车采用“往复式发动机”，简单地讲，就是在发动机汽缸中，

有一只活塞周而复始地做着直线往复运动，且一直循环不已，所以在这周而复始又持续不断

的工作行程之中有其一定的运动行程范围。就发动机某个汽缸而言，当活塞的行程到达最低

点，此时的位置点便称为下止点，整个汽缸包括燃烧室所形成的容积便是最大行程容积；当

活塞反向运动，到达最高点位置时，这个位置点便称为上止点，所形成的容积为整个活塞运

动行程容积最小的状况，需计算的压缩比就是这最大行程容积与最小容积的比值。例如压缩

比为10的发动机就是将可燃混合汽压缩为原来体积的1／10。一般来说在发动机的其他设

计不变的情况下，压缩比越高的车功率越大，效率越高，燃油经济性方面也会好一些。但是

压缩比过高会造成稳定性下降，发动机寿命缩短。而且压缩比也不可能无限制地提高，因为

可燃混合汽在压缩过程中温度会急剧提高，如果在没有到活塞的上止点处温度就已经超过可

燃混合汽的燃点，则可燃混合汽就会爆燃，这就是俗称的敲缸，可以听到明显的金属撞击声，

严重的爆燃甚至会使发动机倒转，给发动机造成致命的伤害。汽油发动机在运转时，吸进来

的是汽油与空气混合而成的混合气，在压缩过程中活塞上行，除了挤压混合气使之体积缩小

之外，同时也发生了涡流和紊流两种现象。当密闭容器中的气体受到压缩时，压力随着温度

的升高而升高。若发动机的压缩比较高，压缩时所产生的气缸压力与温度相应提高，混合气

中的汽油汽化得更完全，加上高压缩比的作用，当火花塞跳出火花时就能使混合气在瞬间

内完成燃烧，释放出能量，成为发动机的动力输出。反之，燃烧的时间延长，能量会耗费并

增加发动机的温度，而并非参与发动机动力的输出，所以，高压缩比的发动机就意味着具有

较大的动力输出。像凯迪拉克就属于高端品牌的轿车，应该使用97#汽油了。

2.简单介绍混合动力在市场上的前景

混合动力汽车，英文为Hybrid Power Automobile是指车上装有两个以上动力源：蓄电

池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前混合动力汽车一般是指内燃机车发

电机，再加上蓄电池的汽车。

混合动力汽车的种类目前主要有3种。一种是以发动机为主动力，电动马达助动力的“并

联方式”。这种方式主要以发动机驱动行驶，利用电动马达所具有的再启动时产生强大动力

的特征，在汽车起步、加速等发动机燃油消耗较大时，用电动马达辅助驱动的方式来降低

发动机的油耗。这种方式的结构比较简单，只需要在汽车上增加电动马达和电瓶。另外一种

是，在低速时只靠电动马达驱动行驶，速度提高时发动机和电动马达相配合驱动的“串联、

并联方式”。启动和低速时是只靠电动马达驱动行驶，当速度提高时，由发动机和电动马达

共同高效地分担动力，这种方式需要动力分担装置和发电机等，因此结构复杂。还有一种是

只用电动马达驱动行驶的电动汽车“串联方式”，发动机只作为动力源，汽车只靠电动马达

驱动行驶，驱动系统只是电动马达，但因为同样需要安装燃料发动机，所以也是混合动力

汽车的一种。

比如凯迪拉克的凯雷德6.2L带混合动力的是油电混合的，主要是靠汽油来驱动的，在

比较低的速度行驶时，就会自动转换成电驱，这样有助于节省燃油，特别是在市区行驶时，

红绿灯又比较多，如果只是用汽油的话肯定就很耗油了，但是凯雷德百公里的平均油耗却只

有12L左右，主要也是因为它能自动切换油与电的驱动方式。所以说混合动力在将来的市场

上是不错的选择，因为它在跑高速时就与我们普通的车型一样，但是在低速行驶时又比普通

的车省油。只是到目前为止它的造价会比较昂贵，很多人喜欢却经济条件不允许。不过我相

信在不久的将来，它将引领一个汽车时代的潮流。

结论

对于氧传感器的故障诊断，首先就需要我们对氧传感器的工作原理和控制电路及信号有

足够的理解，并且还要对故障后会产生的现象有一定的了解，这样我们才不会走太多的弯路，

保证质量的同时达到最高的效率。

参考文献

【1】谭本忠．汽车波形与数据流分析．机械工业出版社．2009.1．

【2】上海通用．氧传感器介绍以及故障诊断（内部维修资料）．2009.8.