渗碳关键仪器仪表----氧探头

一、认识氧探头

车间使用氧探头型号OS-650，650表示保护管长度，mm，通常有650、750、850。单件价值14000余元。

二、氧探头用途及工作原理

1、用途：渗碳炉，无氧化炉的炉内，氧分压的测定。连续使用温度700℃-1100℃（因没有内置加热器，所以不能测定低温范围）。

2、原理：以高温氧化锆作固体电介质，高温下电介质两侧氧浓度不同时，形成氧浓度差电池，浓差电池产生的电势与两侧氧浓度有关，如一侧氧浓度固定，即可通过测量浓差电势来测量另一侧的氧含量。严格来讲，氧探头不能测量碳含量，而是只能输出电压的氧传感器，因为氧势与碳势之间存在线性关系，所以可以通过一个数学式计算出炉内的碳式，进而达到控制碳式的目的。碳式计算式为：

三、氧探头类型

氧探头主要有两种类型，一种是球状氧化锆，利用其球面与瓷管或不锈钢管端面紧密配合达到密封效果。另一种是柱状氧化锆与瓷管焊接成一体达到密封效果。两种类型产品有的由进口零件组装，有的采用国产氧化锆产品组成成品氧探 由氧化锆球组成的氧探头，因其锆球与瓷管（或金属管）端面紧密配合，因此当球面受污染时，可以拆卸进行清理后继续使用，缺点是锆球与管端面接触处易漏气，从而造成氧毫伏值输出有时会有偏差。

由柱状氧化锆与瓷管焊接一体装配成的氧探头，接触端不易漏气，从而氧毫伏值输出较稳定，但该产品只能一次使用，无现场修复的可能，所以该类产品用户不可自行拆开。

四、氧探头使用期限

新探头使用期限原则一般为24个月。也有案例表明氧探头寿命远高于24个月（山拖渗碳炉使用的氧探头是跟设备到货的原装氧探头，期间未更换过）。

五、安装位置及使用要求

1、可垂直或水平安装，竖装时，氧探头必须保持垂直状态。2、氧探头应该靠近控温热电偶放置。3、安装位置应该尽量避免靠近或接触热源和风扇，避免装在激烈振动的地方。4、应该尽量避免靠近富化剂的滴管或气管，最好置于这些进入管的上风口5、氧探头的插入深度应以探头头部的通气孔在炉内的位置计算，一般通气孔离炉膛50～150mm为好。如果插入较浅，通气孔贴近炉壁或未伸出炉膛时，会使气氛交换不良，影响测量精度。如深入过长，容易碰到工件，造成探头损坏。6、探头的检测孔不能和搅拌机的旋转方向一致，需朝向搅拌机的中心方向。7、炉内气氛中不应有低熔点金属蒸汽如Na及S\P\Cl等气体8、新炉在进行烘炉时，绝对不能安装氧探头。初次使用的新渗碳炉一定要经过烘炉和对炉膛预渗碳后才可插入氧探头。一般烘炉从室温到额定温度一周左右，对空炉预渗碳后炉内存在大量碳黑，故应在烧碳结束后才能安装碳头，否则有可能对碳头造成损坏。9、基准空气流量100±50cc/min. 烧碳空气流量1-2L/min。

六、插入/拔出氧探头的要求 氧探头最好在炉子冷态时装卸，如必须在高温下进行装卸，应该缓慢拔出或慢慢插入，插入速度应该在30～40mm/min之间，一般需要10分钟以上的时间，插入速度过快可能会引起热冲击，有可能损坏氧探头。移出探头时，按20mm/2min的速度平稳移出。 安装于高温炉内的情况下，安装结束后，立即通入基准空气。

七、参比气流量 参比气的流量过大，会缩短氧探头的使用寿命，则检测到的碳式低于炉内实际值，只要能够满足需求，流量越小越好。 参比气和烧炭黑管路的安装：由于多数热处理设备供应的参比气和烧炭黑空气气源采用的是微型气泵，并且使用了流量计进行流量调节，所以要求气管管路不能过长，尤其是采用软管作气路时，要求流量计距离探头位置不超过2～3m，否则应考虑用硬管连接。

如果参比气不能顺利到达探头，会造成探头输出毫伏值大幅度降低，影响控制精度。若烧碳黑气不通畅，会使除碳黑过程失效，时间长了会损害探头的使用寿命，影响测量精度。

八、氧探头工作在非常恶劣的气氛环境中，这些气氛会在氧探头的端部产生堆积物（炭黑或油烟），如果氧探头的探测端被堆积物覆盖所带来的结果将会提高碳式测量值的读数，控制器因而减少富化剂的通入量，降低了炉内的实际碳式，这通常会导致碳式控制设定值的提高，从而增加了渗碳过程。 氧探头护套采用高镍合金材料，在高温下电阻抗增加，，因此对堆积物的产生起到了催化剂的作用。

九、烧碳的要点正常情况下连续生产时，氧探头的烧碳次数不低于1次/8小时定期对炉膛进行烧碳处理十、影响氧探头寿命的主要原因1、工件清洗不足一致混合在切削油、切削液、防锈油等里面的低熔点金属或氧化剂被带入炉内。2、热处理带有防渗剂、热处理盐的工件及料框3、内部电极导线的损伤。

这次车辆故障给我上了一课，氧传感器原来这么重要

共轨导读

氧传感器在国四、国五阶段应用较少，于是就产生了如下对话：

小轨：您听说过氧传感器吗？

师傅：啥？氮氧传感器？

小轨：不不不，没有氮，就是氧传感器。

师傅：氧传什么？

小轨：氧传感器。

师傅：氧什么器？

小轨：氧传感器。

师傅：什么传感器？

小轨：。。。

但是，终于在一次批量性故障中，常年不配拥有姓名的氧传感器，咸鱼翻身，给大家上了一课，用实力证明了氧传感器的自身价值以及维修的商机。今天小轨就带大家来看一下这个氧传感器的故障案例。

故障案例

故障排查

1.读取故障码

使用诊断能手读取故障码，报出一个当前故障。

P015A00：氧传感器动态跟随性差。

故障分析

动态跟随性差，就是指氧传感器的感应速度较慢，当氧浓度发生变化时，不能及时感应到变化，输出信号给ECU的速度慢。

而这一故障其实就是有一些碳附着在传感器头上，顺着孔进入内部造成的，之前的同批次车也出现过这种情况，都是氧传感器有积碳导致的故障。结合故障现象和故障码，决定把排查的重点放在氧传感器上。

2.检查氧传感器是否正常

既然已经锁定了排查方向，那么第一步肯定是检查氧传感器了，拆开氧传感器发现，果不其然，氧传感器探头处有许多积碳，已经堵塞探头。

3.进一步测试

经过上述基本检查后，初步判定是氧传感器探头堵塞，造成了故障灯亮，怠速抖动等现象。为了进一步确认是否为氧传感器的问题，在清除探头积碳后，对车辆进行路试，观察故障灯是否熄灭，车辆是否正常。

4.路试

对车辆进行大约60公里的路试后，车辆故障灯保持熄灭状态，且没有任何故障现象出现。故障处理到这一步，其实只能算是完成了一半，虽然车辆恢复正常，但是为了找到故障的根源，还是要找到积碳的原因。

最可能产生积碳的原因就是燃烧不好，所以优先对影响燃烧的部分进行检查。

小贴士： 这一步相当于只治标没治本，堵塞传感器只是表面现象，产生了更多的颗粒才是问题本质！所以各位师傅在维修过程中一定要多思考，透过现象，直达本质，方能成为高手！

5.检查进气管路

检查确定增压器没有问题，进气也没有漏气的情况。拆开EGR阀也没有发现积碳、堵塞、卡滞的情况。基本可以确定进气系统没有异常。

6.检查排放及喷油器

观察排气口处，原地加油门也没有任何黑烟冒出，并且也用台架测试过喷油器，结果都是没有问题的。脱开排气管，查看原地加油门时的原排，没有明显黑烟，但这不能完全确定燃烧良好，所以出于严谨考虑，通过读取数据流进一步进行判断燃烧状况。

7.读取数据流

数据流显示再生请求次数为55次，且读取里程数仅为5420km。正常情况下，车辆每行驶1000km左右，才会进行一次DPF再生，而该车竟然几乎每100km就要再生一次，此数值明显过于频繁，初步怀疑该车本身产生的碳烟颗粒就较多。

小贴士： DPF为颗粒捕捉器，主要用于发动机尾气的颗粒捕集，当DPF吸附的颗粒达到限制才需要再生。在本案例中，故障车几乎每行驶100km就要进行一次再生，说明燃烧产生的PM较多，由此推断燃烧不好。

8.再次检查氧传感器

为验证想法，拆开试车后的氧传感器进行检查，果然发现氧传感器探头再次出现明显积碳。

小贴士： 该车的后处理是EGR+DPF的结构布置，本来在排气管最前端，不经DPF捕集颗粒的原排产生的碳烟颗粒就会比较多，而不论国五还是国六，氧传感器就是安装在这个位置的，这样就非常容易积碳了。

故障处理到这一阶段，对于影响燃烧的部分已经都做了检查，并没有找到燃烧不好导致积碳的原因，只能整理整个故障的处理过程，交由厂家做进一步分析和测试，从而判断积碳原因。

9.厂家处理

经厂家测试发现，该车的燃烧标定数据存在一些问题，是发动机燃烧不好导致积碳的原因之一，并且氧传感器也没有处在最合理的推荐安装位置上，这是导致积碳的另一原因。

不同角度的氧传感器安装位置

对燃烧标定数据进行优化后，又通过CFD模拟位置模型，在保证测量准确及温度的适当性前提下，重新优化了氧传感器的安装位置，以保证气流不要直接冲击到传感器的所有孔，背风的孔不会堵住，从而保证正常检测。

小贴士： CFD是一种模拟仿真技术，用于模拟预测空气或其他工质流体的流动情况。

10.重新安装氧传感器

按照优化后的位置安装氧传感器，再次试车，故障现象没有再出现，且氧传感器正常。（只有厂家经过严格计算才可以这么干，服务站不建议这么干，乱移是会有问题的）

案例梳理

1、什么会导致氧传感器积碳？

氧传感器积碳是氧传感器表面有油胶和碳质的混合物附着，而这种混合物就是由于柴油燃烧不完全产生的，也就是说，导致柴油燃烧不完全的因素（如：进气不畅、喷油器雾化不良等）就是积碳产生的原因。

另外，如果氧传感器安装位置不正确，内部容易被油污或尘埃等沉积物覆盖，会阻碍气体进入氧传感器内部，使氧传感器感应减慢，收集信号出现延迟，ECU不能及时地修正空燃比，也会有部分积碳产生。

2、为什么氧传感器积碳会导致故障灯亮、怠速不稳、油耗高？

故障灯亮： 类似于一些传感器故障，比如空气流量计、水温传感器等故障时，发动机故障灯会点亮，同样的，氧传感器发生故障时，故障灯也会点亮，这是判断氧传感器是否出现问题的初步依据之一。

怠速不稳： ECU通过氧传感器反馈的信号对进气量进行修正，氧传感器积碳后，感应会变慢，反馈给ECU的信号会发生延时，造成新鲜进气量波动，从而造成怠速不稳。

油耗高： 道理与怠速不稳类似，当进气波动时，动力会受到影响，而司机会通过加大油门等方式来保证动力，造成油耗增加。

知识拓展

故障码的报错逻辑

故障码P015A00： 氧传感器动态跟随性差。

检测工况： 松开油门进入倒拖工况时，EGR 阀关闭，并且不进行喷油，不发生燃烧的情况下排出的尾气基本接近从大气中进入的空气。

报错条件： 氧传感器实时检测此时尾气中的氧含量，记录氧含量上升至两个阈值的时间。（T30 阈值:0.1323；T60阈值:0.1656）

这里的T30阈值和T60阈值是经过试验确定的标定值，T30表示氧浓度达到13.23%，T60表示氧浓度达到16.56%。进入倒拖工况后，排气管中的废气还是存在的状态，氧气含量不能立即达到大气中的氧含量，而是需要一定的时间增加达到。

大气中的氧含量是21%左右，废气中氧含量在上升到21%的过程中，会经过13.23%与16.56%这两个状态，而达到这个状态的时间长短，就作为氧传感器感应快慢的评判标准，也就是氧传感器动态跟随性的评价标准。

当上升至T30阈值的时间大于2.65s时，则报错；

当从T30阈值上升到T60阈值的时间大于1.5s时，则报错；

当上升至T60阈值的时间大于4.15s时，则报错。

故障车路试： 测试数据发现，T30上升至T60阈值时间超过限值，说明氧传感器的动态跟随性较差，这是由于积碳附着在氧传感器表面，使得氧传感器检测困难、感应变慢导致的。

图中我们可以看到代表测试量的黄色线与代表模拟量红色线偏差较大，这就有很大可能性说明氧传感器的动态跟随性差了，再查看对应的达到阈值时间，果然超出了限度。

清除积碳 ，试车，测试数据，感应时间大幅降低，故障现象消除。

图中我们可以看到代表测试量的黄色线与代表模拟量红色线，在清除积碳后，已经几乎重合了，这就说明氧传感器的动态跟随性变好了，再查看对应的达到阈值时间，恢复了正常。

写在最后

对于柴油车来讲，氧传感器在国四国五阶段应用较少，一般只在部分装有TVA的车型上有所装配。而到现在的国六阶段，一般小车会安装有氧传感器，也就是N1类车辆。（N1类车辆是指最大设计总质量不超过3500kg的载货车辆，排量一般为1.9~2.8L）

看到这里，可能有师傅觉得委屈，感觉被小轨欺骗了。明明到最后，故障都是厂家处理的，说好的商机呢？

这里小轨要强调的是：国六阶段氧传感器可是有很多车型装配的，而前面已经把氧传感器故障的排查思路理清了呦~学好了氧传感器，还怕赚不到金子？（文/卡家号：共轨之家）

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