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测试博世的宽带氧传感器(LSU4.2)

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发表于 2015-8-17 11:44:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
测试博世的宽带氧传感器(LSU4.2)
                                              转自 Steve Smith - Pico Technology
注意:这篇技术报告是利用Pico科技的PicoScope4425型汽车示波器作为工具,并不能作为其他任何测试设备的指导说明,不管该设备是否是由Pico科技制造的。连接其他的设备可能会导致设备损坏或车辆部件的损坏。

这份技术报告所用的博世的零部件编号如下:
0 258 007 200(被称为7200型),
0 258 007 057(被称为7057型)。

这个测试的目的是利用电压下降法来评估与空燃比相关的博世LSU4.2氧传感器的效果。

注意:氧传感器的良好性能取决于:传感器探头的温度,发动机的机械状态,燃油品质,发动机温度,传感器的外部环境和发动机管理系统的完整性。

以下程序中假设上面提到的条件都是良好的,并且氧传感器能够正常工作。氧传感器工作识别的任何故障都不一定代表是氧传感器本身的故障。

通常由于燃油或机械的故障,使得氧传感器的工作性能与标准性能无法一致。因此测试结果是潜在状况的表现而不是原因。

因此最主要的是在判定氧传感器有故障之前一定要检查一下发动机的机械状况和管理系统。在这篇帮助文档中引用的所有的数值数据都是典型的,并不能适用于所有的发动机类型。

怎样完成这项测试
附件                                PicoScope示波器设置
1:1×TA125 测试引线                 ChA:×1 测试引线 ±1V
2:1×TA126 测试引线                 ChB:×1 测试引线 ±1V
3:1×TA127 测试引线                 ChC:×1 测试引线 ±20V
4:1×TA018 电流钳                   ChD:20/60 A 电流钳±2A
5:1×6 路通用引线                    时基:1 s/div
(所需的大小可能不一样)               采样数量:1 MS(最少)
图片1.png
在采用PicoScope示波器进行任何测试之前,我们需要测量校准电阻电路及氧传感器加热元件的电阻值。当这两个测量值的其中任何一个区别于额定值时,请看这篇文章最后的“问题直击”部分。

1、怎样测试氧传感器的加热元件
1、断开车辆电池负极。
2、断开氧传感器的连接器插头并找出端子3和4.
3、利用万用表,测量和记录氧传感器端子3和4之间的阻抗值(图1)。获得数值:大约为3.5Ω@20℃。
图片2.png

                   图1

  • 如果能获得正确的阻抗值,请阅读下面2.2。
  • 如果获得的阻抗值与额定值不一致,那么请看下面“问题直击”部分。
2、怎样获得氧传感器校准电路电阻值

校准电阻器在生产时安装在氧传感器连接器上,以确保所有空燃比情况下的传感器都具有良好的精确性。因此电阻/连接器是特定于传感器的,并且是无法替代的。

注意:端子编号印在氧传感器的连接器上。
  • 断开车辆电池负极。
  • 断开氧传感器的连接器插头并接入对应的6路通用引线,利用通用引线完成氧传感器到车辆线束的重新连接(图2)。
  • 利用万用表,通过通用引线测量,记录氧传感器端子6和2之间的阻抗值。获得数值:大约为38Ω。
  • 如果能够获得正确的阻抗值,那么,移开万用表,并重新连接好车辆电池。
  • 如果获得的阻抗值与额定值不一致,那么请看文章最后的“问题直击”部分。
图片3.png
                                         图2
图片4.png
                       图3
怎样连接到PicoScope示波器4425
一旦阻抗值能够确定,示波器就可以连接到氧传感器上来评估氧传感器的性能:
1、连接3条测试引线到示波器的A,B,C通道。
2、连接A通道蓝色的测试引线到与氧传感器的接口端子1相连的通用引线上,黑色的接地线连接到氧传感器的接口端子5 的通用引线上(在这里我们能够获得测量单元电压)。
3、连接B通道红色测试引线到与氧传感器接口端子6相连的通用引线上,并且黑色的接地线连接到氧传感器接口端子2上(在这里我们能够获得泵单元电压)。
4、连接C通道绿色测试引线到与氧传感器接口端子3相连的通用引线上,并且黑色的接地线连接到氧传感器接口端子4上(在这里我们能够获得氧传感器加热元件的控制电压)。
5、连接20/60安的电流钳到示波器的D通道,归零,然后将钳子夹在连接到氧传感器接口端子4上的通用引线周围(在这里我们能够获得氧传感器加热元件的电流)。
  注意:检查一下电流钳的正确方向,确保示波器读到一个正的电流值。
6、通过单击键盘上的空格键或PicoScope软件中的开始 图片10.png 按钮来运行示波器软件。
7、起动发动机,并使得空转速度达到稳定。在氧传感器的温度上升期间,你的波形中可能存在噪声的干扰。这是一个工作特性而不是故障
8、当发动机处在恰当的工作温度上时,进行多次节气门瞬时大开的试验,并同时监控通道B的信号(泵单元电压)。节气门瞬时大开测试使得空燃比瞬间增加然后下降,这表现了泵单元的转换功能。
点击PicoScope示波器软件的停止 图片11.png )按钮,停止捕捉并进行波形的分析。
示例波形1
发动机从怠速到节气门全开再到怠速
图片5.png
                                       图4
示例波形 2
结合数学通道
图片6.png
                                      图5
在示例波形中的所有数值都是典型的,并不一定适用于所有的发动机类型。
通道A指示氧传感器测量单元的电压值。
通道B指示氧传感器泵单元的电压。
通道C指示氧传感器加热电路的PWM控制。通道D指示通过加热电路的电流,此加热电路由通道C看到的PWM控制。
数学通道 表示泵单元电流,可通过公式 通道B/38.7Ω 得到。

波形诊断

参考特定试验条件和结果下的车辆技术数据

参考数据(发动机处在恰当的工作温度下)

图片12.png    发动机怠速中氧传感器测量单元电压应该保持稳定在450mV附近,不管发动机燃油条件如何。
        
图片13.png    发动机怠速中氧传感器泵单元电压会增加还是下降取决于在排放系统中测量的氧含量水平。在正常的运行条件下,电压会保持不变为0V,这表明正确的理论计量空燃比为14.7:1lambda 1.0)。泵单元电压和电流值有以下特性:
  • Lambda<1.0(稀)泵单元电压下降,电流增长(+)
  • Lambda>1.0(浓)泵单元电压增长,电流下降(-)

图片14.png    WOT(节气门全开)瞬时试验:在WOT(+30mV)时泵单元电压有一段很小的上升,这是因为在加速增浓时排气系统中氧含量下降(氧气被泵入测量室中)。
图片15.png    超速断油:表示发动机在超速断油的条件下,泵单元电压会发生下降(-158mV)。排气系统中的氧含量因此也会增长。(氧气被泵出测量室中)。
         在WOT和超速过程中,泵单元电压的高低转换证明氧传感器工作正常。对发动机的加速和减速反应应该接近瞬时,这可确认氧传感器的反应时间是有效率的。泵单元的动作通常是使用毫安级的电流钳来测量,而不是测量它的电压。从上面第2步进行的测试中得到泵单元电路的阻抗值,我们可以利用欧姆定律(电流=电压/阻抗)将记录的泵单元电压值转换为电流值,而不需要毫安级电流钳。

         看下面第7条及示例波形2,利用数学通道进行这个计算,并用额外的波形将泵单元电流显示出来。
图片16.png    发动机运行中:确认加热器电路的最大电流(1.6安培)。加热器电流波形应该与第6点的PWM信号成镜像。
图片17.png    发动机运行中:加热器电路电压从0V转换到约13.5V,这确认氧传感器加热元件的PWM控制功能良好(>2Hz)。氧传感器的感应元件最低工作温度为300℃,并且需要在发动机运转过程中一直对它进行控制,以确保它的有效动作,同时保持加热元件的可靠性。
  
         注意:也有可能发生氧传感器的PWM控制被PCM停止的情况(在最初节气门大开时)。这取决于制造商和服务商,目的是减少车辆上的电力负荷,以改善燃油经济性和排放。

        在热起动过程中,PCM可能会改变PWM 的控制,来保证不同的工作环境条件下都能充分地驱散水/冷凝液。
图片18.png    波形捕捉已停止:上面的示例波形并不是直接测量通过泵单元的电流,而是测量与电流成比例变化的电压值(B通道)。

         测量泵单元电路的阻抗值大约为38.7Ω。我们能够将这个值应用于第5个黑色的数学通道,并将通过B通道测得的泵单元电压值利用欧姆定律转换为电流值:电流= 压/阻抗I=V/R
            
         当示波器从通道B获得数据后,你会发现每个捕捉屏幕的尾部会出现一个第5个黑色的数学通道。停止捕捉后(按空格键或停止按钮),数学通道会出现在屏幕上。
         利用波形缓冲器您可以回放捕捉到的数据,并测量来自数学通道的泵单元的电流值(其与泵单元电压值直接成比例)。

         利用电压下降法和欧姆定律测量宽带氧传感器,这样就不需要用昂贵的毫安级电流钳来测量范围在0.5mA3.5mA的微小电流值。


更多信息
博世(LSU)4.2宽带氧传感器

现代的排放法规要求发动机的管理系统在发动机转速与负荷范围内有更为严格的控制。传统的氧传感器能够精确地检测到理论空燃比为14.7:1(Lambda 1.0),此时它的输出电压约为450mV。然而,在理论点外,传统的氧传感器会输出过浓信号(900mV)或过稀信号(100mV),但没有任何迹象表明过浓或过稀的程度。因此发动机管理系统会通过反复(浓/稀)地调整燃油(闭环控制)来进行补偿,试图维持正确的理论空燃比。传统的氧传感器仅能在很小的空燃比(14.7:1)范围内精确工作,因此命名为窄频带氧传感器。

对更高精度、更快速的反应时间及稳定性的需求使得传统的窄频带氧传感器得到了再一次发展——宽带氧传感器。

宽带氧传感器经常被称为宽频氧传感器或空燃比传感器(AFR传感器),可以安装在汽油/柴油发动机车辆上。

命名为宽带是因为传感器能够精确地探测自10:1至20:1(20:1是环境空气)的宽频谱的空燃比,而不像窄频带传感器只能够探测理论空燃比14.7:1。

宽带氧传感器的测量单元包含了窄频带传感器的部分工作特性。测量单元的一侧暴露在大气空气(参考空气)中,另一侧暴露在测量室里的排气氧气中。假设测量室中的氧气含量维持在一个指定的水平,那么从宽带氧传感器测量室输出到PCM(通道A)的电压为450mV。

维持测量室中恰当的氧气水平是最重要的,这样可以确保在所有燃油条件下测量单元的输出电压尽可能接近450mV。

泵单元的特性是,根据通过泵单元(PCM控制)的电流值和方向,氧气能够被泵入或泵出测量室,从而使得测量单元的输出电压维持在450mV。

因此,泵单元的电流可以用来直接且精确的指示排气氧含量导致的宽频空燃比。

宽带氧传感器加热元件的控制对传感器工作的准确性非常关键。氧传感器一直不被加热就会导致阻塞,并会被更新替换;同时传感器内的电化学反应确保了氧气的运输和电压的产生,如果不维持氧传感器温度,这些都不会发生。
图片7.png
                                      图6
问题直击
氧传感器加热元件

在步骤1中获取的氧传感器加热元件的阻抗值与额定值是不同的(20℃时大约为4.5Ω),应该替换氧传感器。
  • 检查插脚3和4之间的短路,其他插脚1、2、5和6.>1MΩ.
  • 检查插脚3和4之间的短路,并检测氧传感器外部金属壳(底盘接地)阻抗值>1MΩ。如果获得的阻抗值低于1MΩ,替换氧传感器。

校准电阻电路
在步骤2中获得的校准电阻值与额定值不同,移开6路通用引线(氧传感器和车辆蓄电池都要断开连接),在氧传感器连接器的端子62间测量校准电阻的阻抗值,其值约为10110Ω(图7)。如果获得的值在指定范围以外,替换氧传感器。

如果氧传感器的校准电阻阻抗值是正确的,那么在发动机线束的端子6和2之间测量阻抗值,其值约为62Ω(图8)。

如果获得的值与额定值不同,检测和测试氧传感器与PCM之间的线束到底盘地面是否开路或短路,端子6、2间(断开蓄电池)是否短路、蓄电池正极连接是否短路(重连接蓄电池并熄火)。如果获得的结果证明发动机线束没有问题,那么就可能是PCM存在故障。
图片8.png
                                             图7
图片9.png

                                            图8
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