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氧气探头(Oxygen sensor),是定期换还是坏了再换?

(2012-07-15 19:48:11) 下一个

我来说这个话题是有些悖论的。我一贯主张等车坏了再修,除了最基本的维护如换机油及几个滤器,别的没事儿别折腾。不过关于氧气探头,这一主张是有些问题的。


先说说氧气探头是干什么的。近十几年来的车上有两组氧气探头,分别放在exhaust manifold 上(称为Upstream,上游)以及Catalytic Converter 后(Downstream,下游),见下图。




对于直列发动机,上游下游一般各有一个探头。对于V列发动机,上游有两个探头,下游有一个或两个探头。


上游和下游的氧气探头功能是不一样的。而且,因为功能不一样,上下游的探头的类别是有可能不同的。这也是为什么有时上下游探头不能互换的原因。当然,多数家用车因为经济原因采用的是一类探头。


上游探头的功能,一句话,是为了监测空气/汽油(A/F mix 质量比)混合比例的。对于汽油内燃机,空气中含21%的氧气,其A/F最佳值为14.71。多于或少于该比例都会造成热功效率降低,同时造成污染。见下图。



 


图中三条实曲线分别代表NOxHC,和CO在尾气的浓度,虚线代表发动机的输出功率。从图中曲线可见,如果A/F比太低(rich mix), 燃烧不完全,则排出的碳化污染物会大大增加。不过由于现代的车都有catalytic converter,这些没有完全燃烧的碳化物在cat 里会被继续氧化除去,因此这部分污染问题不大。一般来说,当车在heavy load的情况下,因为throttle开度大,ECM控制给出一个比较richmix,这样发动机的输出功率会比较高。但是,这样一来供应的氧气不够,所以就算有cat,碳污染物不能通过催化氧化除去。怎么办?有两种办法。一种是EGR系统,把适量尾气循环,一方面重新燃烧掉碳污染物,另一方面,因为循环尾气中有大量的二氧化碳和水,从而降低气缸内燃烧温度,进而降低NOx的生成,一举两得。更有可能,因为二氧化碳的分子量为44,氧气为32,多30%的质量,在高温下其thermomass更大一些,有可能提高热功效率。当然,这个说法本人不太感冒,因为在实验室里可以认为造成这样的条件,从而得出提高效率的结论。而实际情况千差万别,恐怕这部分的贡献早被别的损耗遮盖掉了。特别的,ECMthrottle full open 时会关掉EGR以保证功率输出,这时污染是没有控制的。当然,那些烧不掉的碳氢化物就有可能污染cat,并最终导致cat失效。所以,长时间heavy load是应当尽量避免的。因为这种EGR系统的缺陷,GM的皮卡一般采用bypass air而非EGR系统。其原理是正常情况下bypass air 不工作,A/F mix保证在14.7左右。在heavy load情况下,A/F rich, bypass air 系统在exhaust Cat之间提供空气,保证有足够氧气将碳污染物氧化掉。这样在大功率下,既不污染大气也不伤及cat。说完碳氢化物污染,再来说说NOx污染。一般来说,当A/F mix lean时,或engine cooling system有问题时,发动机工作温度上升,NOx排放量增加。而NOx是每什么好办法减排的,所以,最好的办法就是选一个合适的操作点,把NOx控制在某个范围内。这也是那个14.7 比例选取的原因之一。所以,上游的氧气探头的作用就是调节A/F比例。


下游的氧气探头功能就更单一了,就是监测cat 是否工作正常。该探头的输出对发动机的功效无任何影响。


说完功能,再说种类。氧气探头有三种,目前常用的两种。注意,本文所说的都是heated oxygen sensor。以前那种300 摄氏度的sensor已经不用了,所以就略过。此外,所有的氧气探头都是比较探头,即通过比较大气中氧气浓度和尾气中氧气浓度来输出信号。也就是说,测量一个大气浓度信号作为基准,再测量一个尾气浓度比较,从而输出测量信号。这个话题做个引子先放一下。第一种,就是大家都叫做Oxygen sensor的。这种sensor的输出信号为0.2-1.0伏特。不过这种sensor的响应曲线比较特别,类似于阶跃曲线。在A/F比较rich的情况下,尾气中氧气浓度低,则输出0.9 V信号。而A/F比较lean的情况下,尾气中浓度较高,则输出0.2 V信号。在A/F接近14.7 的很窄的范围内,输出信号和F/A比成正比。这种探头,信号是阶跃的,控制也是阶跃的。因此,测得的信号是从0.90.2再到0.9 往复循环。第二种探头,输出信号是电流。ECM会把输出的电流信号转换成3V左右的电压信号。 这种探头的工作温度更高一些,产生的电流信号,随尾气中氧气浓度增加而增加。所以这种探头又称油气比例探头(A/F ratio sensor)。一般来说,比较高档的车的上游装的是这种sensor,因为可以测得精确的氧气浓度,所以可以更精确的控制喷油量来控制A/F比。这种探头必须用专用仪器测量。所以如果service manual上说不能back probe或测电压,那就是这种探头。第三种,是在90年代用过的,现在几乎没有见过的,是电阻式探头。及电阻随氧气浓度变化而变化。因为不常用,所以就不多说了。


说完种类,说操作。不论是哪一种探头,探头对污染特别敏感。油,硅类润滑剂等等,都可能覆盖探头而导致探头失效。此外,由于尾气中总有没有烧完的机油,烧出来的碳颗粒,等等,时间一长,探头表面就会附着这些东西,导致测量偏差,或响应慢。此外,有些设计导致exhaust manifold附近很容易积灰,从而导致大气方面探头被堵。因此,氧气探头失效会有很多可能,表现也多样,后果各不相同。当然,最常见的就是尾气内部分被部分覆盖,探头的测量响应变慢,但测量的值仍然在正常范围内。由于探头部分被覆盖,造成测得尾气测氧气浓度低,比较后ECM判定A/F rich,于是减少喷油量,从而事实造成A/F lean。这种情况下,一是发动机操作温度上升,二是发动机热机效率下降。而尾气测量时会发现NOx上升,平时开车时觉得fuel efficiency下降,同时idling时比较rough。所以定期换上游Oxygen sensor可能应当成为routing maintenance的一部分。那么该多少mile一换呢?一般网上说大约10万迈一换。不过,本人有异议。其一,车的操作状况不同,schedule 应当有异。平时跑高速的车,氧气探头可用很长时间。平时干heavy duty活,城里开的车,经常上坡的车,由于rich的情况多,氧气探头的污染会严重一些,换得应当勤快些。另外,尾气量也是要考虑的因素。比如,V8 4.6 的车,两个探头,每个管2.3 L的排量;而I6 4.2 的车,一个探头,管4.6 L的排量。你说两辆车的上游氧气探头是否该有同样的里程寿命?


最后说一句,下游氧气探头等坏了再换。


 


 

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