氧傳感器常見失效模式分析

楊淑玲，王文群，林麗安

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

氧傳感器常見失效模式分析

楊淑玲，王文群，林麗安

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

介紹汽車氧傳感器幾種常見故障模式，分析失效模式，提出解決措施和對策，為氧傳感器的應用及開發提供依據。

氧傳感器；失效模式；故障分析

1 氧傳感器進水

由于氧傳感器線束導線毛細作用及氧傳感器冷態時負壓吸氣，當傳感器插接件防水等級低或導線破損時，水汽容易從插接件或導線進入傳感器內部。進水失效是氧傳感器失效模式中最典型的一種。

1.1 進水模式分析

水進入氧傳感器內部后，通過參考空氣腔流入傳感元件內部，當電極加熱時，水分汽化膨脹，導致傳感元件頭部爆破。水從插接件進到氧傳感器內部，腐蝕氧傳感器插接件端子或加熱電極生銹，造成接觸不良或開路。水進入氧傳感器內部，攜帶的污染物（如HC）進入參考空氣腔，導致氧含量基準變化，氧傳感器輸出信號漂泊不定。

某一車型氧傳感器安裝位置偏低，在排氣管上方約20 cm處（圖1a），行駛時容易被泥水濺到，售后故障返回件相對其他車型多。對故障件進行分析，發現氧傳感器鋯元件爆裂、加熱電極腐蝕、部分插接件有水痕與銅銹（圖1b），判定為傳感器進水失效。調高插接件離地高度，同時將插接件由豎直放置改成水平放置，避免插接件外部積水。更改后該車型氧傳感器售后返回件數量明顯下降。

1.2 解決和防護措施

由于氧傳感器冷態吸氣及導線毛細作用特性，相對整車其他傳感器，更容易進水。因此，氧傳感器設計或整車應用布置時，需要從以下幾個方面考慮防水要求。

圖1 氧傳感器布置圖及故障件分析

1）氧傳感器插接件最好布置在發動機艙或車身內，當不能滿足時，盡可能抬高插接件位置，降低水侵入和潑濺風險，且插接件按水平方向布置，避免積水。

2）如果插接件布置不能遠離水濺風險，需要重新設計或使用防水等級高于6K的插接件。

3）氧傳感器線束布置應增加固定約束，避免與周邊零件干涉破損。

2 高溫水沖擊

氧傳感器只有高溫才能被激活。氧傳感器開始工作時，需要ECU控制加熱元件，對傳感器進行加熱。氧傳感器越早被加熱激活，ECU盡早將混合氣空燃比控制在理論值附近，越有利于整車排放控制。但是，在冷起動或某些工況下時，排氣中水蒸氣會冷凝在排氣歧管內表面（包括氧傳感器元件的表面）。此時加熱元件加熱，傳感元件頭部在高溫時遭遇外部水源，在熱應力作用下，導致鋯元件表面開裂失效，即高溫水沖擊失效。高溫水沖擊裂紋如圖2所示。

圖2 高溫水沖擊裂紋

2.1 傳統設計方式

傳統設計中，ECU 通過延遲開啟加熱時間，保證在排氣溫度低于排氣冷凝水露點溫度時，感應元件頭溫度不高于350 ℃。同時，通過以下幾種布置方式，避免鋯元件遇水。

1）氧傳感器及安裝凸臺接口處密封，防止鋯元件受冷態水沖擊。

2）氧傳感器不要布置在容易蓄積水的排氣管段及其下游位置。

3）氧傳感器安裝角度與水平面大于10°，避免排氣中冷凝水在傳感器頭部聚積。

2.2 現有設計方式

現在氧傳感器設計時，可以通過以下方式提高氧傳感器耐水性，不需要ECU延遲加熱時間，做到露點自由。

1）設計上使用新型鋯元件涂層或雙涂層，降低水的擴散速度，水在到達鋯元件之前被蒸發掉。

2）使用新型保護套管（圖3），增大內外保護層空間，增加內外層間蓄水能力，防止水浸入內保護套管；防止水直接從頂端孔濺入，水從保護套管頂端孔排出。

3）降低鋯元件工作溫度。

圖3 新型保護套管結構

3 氧傳感器高溫失效

氧傳感器熱量來源主要是發動機排氣熱，熱量沿著排氣歧管及傳感器本體傳遞，直接輻射到氧傳感器各個部位。傳感器各組成部分設計時，均需滿足表1最高溫度要求。但傳感器實際應用不當，如安裝基座高度低于設計要求，熱傳遞途徑變短，熱輻射大；氧傳感器布置在發動機隔熱罩內，發動機隔熱罩對發動機散發的熱量有匯集作用等，這些極高輻射熱使傳感器各部位所受熱量高于設計值，導致氧傳感器燒壞。

表1 氧傳感器各部件耐溫要求

3.1 高溫失效現象

某車型開發過程中，整車試驗時發現發動機故障燈常亮，清除故障后繼續試驗故障仍重現，讀取故障信息為：上游氧傳感器電熱控制電路開路。把故障氧傳感器拆下后發現：①部分位置呼吸膜消失，被烤熔化；②傳感器尾端的導線密封圈松脫，線束松動。見圖4。

對故障件做X光檢查，端子有不同程度移動，造成接觸不良。分析原因為氧傳感器安裝在排氣歧管隔熱罩內（圖5），受隔熱罩熱量匯集作用，氧傳感器工作環境溫度高于其各部件耐高溫要求，導致傳感器高溫失效。將前氧傳感器安裝位置調整到隔熱罩外側迎風面，散熱效果好，故障消失。

圖4 氧傳感器故障件

圖5 氧傳感器安裝位置

3.2 解決和防護措施

通過優化標定，降低發動機排氣溫度；優化排氣歧管及隔熱罩設計以達到更好散熱效果；氧傳感器布置在排氣歧管隔熱罩外發動機迎風面，可以避免氧傳感器高溫失效。此外，對于整車新布置氧傳感器，需要進行整車熱害試驗，對氧傳感器進行測溫摸底，確保氧傳感器各部位工作環境溫度低于傳感器耐溫要求。

4 氧傳感器中毒

整車所用油品含雜質，油氣混合氣、發動機潤滑/密封系統中含有Si、Mn、Ca、Zn、P等元素燃燒不完全，從排氣歧管進入氧傳感器內部，造成氧傳感器中毒。氧傳感器中毒是指氧傳感器的傳感元件收到污染而失效，可分為物理性和化學性兩種。物理性中毒是由于尾氣中夾雜微粒物，沉淀在傳感元件表面，堵塞多孔層，造成傳感元件內外側氧離子濃度差出現偏差，輸出信號不準確。化學性中毒是由于汽油或潤滑油中Si、Mn、Zn 、P等元素與傳感元件發生化學反應導致傳感元件失效［1］。氧傳感器中毒是經常出現且比較難防治的一種故障模式。

4.1 硅中毒

汽車使用的汽油、潤滑油中含有硅化物，發動機密封襯墊、排氣系統、進氣系統樹脂材料等含高揮發性硅樹脂材料等，不完全燃燒生成 SiO2、SiO。

SiO2沉積在氧傳感器傳感元外表面，封堵傳感區域，降低透氧能力，引起傳感器輸出電壓偏向于稀或負電壓范圍內。SiO附著于電極周圍，與電極發生反應形成PtSi，影響傳感元催化作用，電極活性下降，影響氧傳感器從濃到稀轉變信號。

拆解硅中毒氧傳感器，在傳感器保護套管和傳感元上可看到白色粉末附著，如圖6所示。

圖6 硅中毒

4.2 錳中毒

汽油無鉛化要求后，MMT替代四乙基鉛作為抗爆劑提高汽油辛烷值。MMT燃燒后產生的Mn氧化物沉積傳感元件表面，存在儲氧作用，影響信號精度。隨著Mn含量增加，精度影響程度加重。同時，與添加劑中的P、Ca、Zn、Si等形成結晶或釉體堵塞保護層，降低透氧能力，影響傳感器信號轉換時間。錳中毒氧傳感器保護管上有褐色粉粒，受污染傳感元上可看到綠色物體，如圖7所示。

圖7 錳中毒

4.3 機油油垢污染中毒

隨著汽車使用時間加長，在發動機潤滑油中的Ca、Zn和P也會進到排氣系統，與傳感元電極反應以及堵塞多孔層，使氧傳感器性能退化。氧傳感器性能退化程度，取決于中毒材料的數量和材料堆積的溫度、流動等。機油油垢中毒會導致在濃到稀和稀到濃轉變時傳感器響應時間慢。

解剖受機油油垢污染的氧傳感器，發現傳感元件及絕緣體上面均有油污存在，如圖8所示。

對于污染物顆粒堵塞傳感元表面多孔保護層，通過適當增加多孔保護層孔徑，一定程度上可以減少傳感器堵塞中毒失效；或者定期提高排氣高溫，燃燒污染物顆粒，但這種方法會影響發動機性能及整車油耗，且污染物也會再生。當前，從傳感器設計上，可通過研制抗毒的傳感元件材料及使用新涂層材料，加強傳感元件防護等方式預防傳感器中毒，但并不能消除氧傳感器中毒問題。隨著汽車排放法規越來越嚴格，油品中有害物質進一步下降，氧傳感器中毒得到緩解。

圖8 機油油垢中毒

5 線束斷裂

對氧傳感器售后返回件進行分析，線束斷裂位置主要集中在密封塞或連接器線束導線壓接附近。斷裂主要原因是：氧傳感器導線短時間內受過大拉力斷裂；線束布置不合理導致疲勞斷裂等。常見線束布置不合理情況如圖9所示。

氧傳感器線束布置時，線束不能拉扯或扭曲。傳感器線束長度大于200 mm或線束與周邊零件有干涉時，需要增加固定。固定線束護套必須根據發動機振動和排氣管實際擺動情況來確定位置，確保在擺動最大情況下，線束余量大于12%。氧傳感器安裝好后，禁止過度用力拉拽傳感器線束。

圖9 線束布置不合理情況

［1］ 蘇偉宗，馮翠屏.氧傳感器失效分析及預防［J］.中小企業管理與科技，2016（4）：136-137.

（編輯 心 翔）

Co mmon Failure Mode Analysis of Oxygen Sensor

YANG Shu-ling， WANG Wen-qun， LIN Li-an
（SGM-WULING Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou 545007， China）

This paperintroduces several co mmon fault cases of the oxygen and analyzes the failure mode and proposes corresponding solutions， which provides useful reference for oxygen sensor application and development in the future.

oxygen sensor； failure mode； fault analysis

U463.6

B

1003-8639（2017）04-0055-03

2016-08-10；

2016-09-08

楊淑玲（1983-），女，工程師，主要研究方向為發動機電器零件設計。