車載氧傳感器高溫應(yīng)用技術(shù)

李旭海　馬達(dá)

摘要：基于氧傳感器在整車上的高溫應(yīng)用，以某車型的實(shí)際應(yīng)用為例，闡述氧傳感器工作于高溫環(huán)境后導(dǎo)致穩(wěn)健性降低的機(jī)理，分析影響氧傳感器溫度的因素，并提出降低排溫，優(yōu)化下護(hù)罩材料，散熱流速及流向，優(yōu)化隔熱罩形狀等方法。結(jié)果表明，應(yīng)用這些設(shè)計(jì)方法能有效改善氧傳感器溫度負(fù)荷，提高氧傳感器抗熱老化性能，增加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)穩(wěn)健性。

關(guān)鍵詞：氧傳感器；高溫保護(hù)

1引言

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，當(dāng)燃燒室內(nèi)混合氣控制在理論空然比周圍時(shí)，車載三元催化器的催化效率最高，汽車尾氣的排放達(dá)到最佳狀態(tài)。氧傳感器用于測(cè)定廢氣中的氧，將發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量控制在理論空然比周圍，實(shí)現(xiàn)最佳尾氣排放。氧傳感器安裝在排氣管上，受高溫等各種因素的影響，工作環(huán)境惡劣。氧傳感器需要伸入排氣管中。這一特性對(duì)氧傳感器尤其是傳感器下端部分的抗高溫性能提出了苛刻的要求，同時(shí)傳感器位于排氣管外側(cè)的部分，如六角頭，線束縮口區(qū)域，也會(huì)受到來自排氣管及傳感器金屬部分的熱傳導(dǎo)，排氣管外壁的熱輻射等影響。這就要求在氧傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用中采取合適的措施和方法保證其具備足夠的可靠性和穩(wěn)健性。

2氧傳感器基本原理及結(jié)構(gòu)

氧傳感器的工作原理類似一個(gè)簡(jiǎn)單的感應(yīng)電池。陶瓷體內(nèi)外表面覆蓋著一層充當(dāng)電極用的導(dǎo)電，一般采用的材料為Pt。工作時(shí)，插在排氣管中的感應(yīng)元件的外側(cè)電極和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后的尾氣接觸，而內(nèi)電極內(nèi)側(cè)通過一定路徑和大氣接觸。當(dāng)傳感器內(nèi)外電極兩端的氧氣含量不相同時(shí)，其內(nèi)外2個(gè)電極之間便產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)。由于空氣中的氧的濃度是一定的，所以傳感器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小取決于排氣中氧含量的高低。輸出電動(dòng)勢(shì)E可由其中R為氣體常數(shù)；T為鋯固體電解質(zhì)活性區(qū)的絕對(duì)溫度；F為法拉第常數(shù)；p^xhaust_O2為尾氣中的氧分壓；p^air_O2為大氣中的氧分壓。

3高溫應(yīng)用

3.1排氣管內(nèi)部分的高溫應(yīng)用

氧傳感器應(yīng)用高溫環(huán)境中，其不同的部位能承受的溫度極限有所不同。圖l顯示氧傳感器的結(jié)構(gòu)，箭頭方向表示尾氣的流動(dòng)方向。以螺紋處為分界線，螺紋下部包括伸入到排氣管中的感應(yīng)元件以及保護(hù)感應(yīng)元件的下護(hù)罩兩個(gè)部分，在整車應(yīng)用環(huán)境中主要承受高溫尾氣，水汽和燃油添加劑等因素的影響，工作環(huán)境惡劣。螺紋上部暴露在發(fā)動(dòng)機(jī)外部，主要承受發(fā)動(dòng)機(jī)熱傳導(dǎo)，輻射，以及周邊環(huán)境水汽顆粒物等雜質(zhì)的影響。整個(gè)傳感器溫度敏感區(qū)域包括以下幾個(gè)部位：（1）下護(hù)罩；（2）傳感元；（3）六角頭；（4）線束縮口；（5）接插件。

傳感器上不同溫度敏感區(qū)域溫度過高會(huì)導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生各種不同的失效模式。例如。傳感元溫度過高會(huì)導(dǎo)致傳感元開裂；傳感元護(hù)罩溫度過高會(huì)導(dǎo)致護(hù)罩變形，氧化或者開裂；六角頭溫度過高會(huì)導(dǎo)致參考空氣腔污染，以及引起傳感器電壓信號(hào)偏移；線束縮口處溫度過高會(huì)導(dǎo)致泄露，參考空氣腔污染以及引起傳感器電壓信號(hào)偏移。

先分析伸入到排氣管中的感應(yīng)元件的保護(hù)罩，即下護(hù)罩。目前傳感器的下護(hù)罩基本選用耐熱鋼，最高使用溫度要求一般能夠到達(dá)1000℃。在實(shí)際的整車開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，使用上述材料開發(fā)的氧傳感器并不是在所有應(yīng)用中都是一帆風(fēng)順。隨著一些大排量高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的普及，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒排溫越來越高，在某些應(yīng)用條件下傳感器的下護(hù)罩在尾氣的作用下隨著時(shí)間的推移，存在不同程度的變形，開裂和脫落的現(xiàn)象。經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和一定的試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)該類型鋼長(zhǎng)時(shí)間在1100℃-400℃的溫度范圍內(nèi)快速加熱和冷卻會(huì)造成奧氏體晶粒長(zhǎng)大，造成各種力學(xué)性能下降，開裂和畸變的傾向加大，這一特性和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的溫度變化十分的相似。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣交變的特性也可以導(dǎo)致金屬護(hù)罩晶粒變大。另外尾氣中含有氧氣，水汽，NOx等物質(zhì)。在尾氣的作用下處在高溫環(huán)境的金屬護(hù)罩容易被氧化生成氧化亞鐵，該物質(zhì)的特征為疏松的粉末狀物質(zhì)，與基體結(jié)合力差，在排氣的氣流沖擊下，生成的氧化物會(huì)快速剝落，外露的基體繼續(xù)被氧化，氧化物再次剝落，這一現(xiàn)象將隨著時(shí)間的推移造成壁厚減少。當(dāng)壁厚逐漸減少，應(yīng)力集中點(diǎn)等最薄弱的地方容易出現(xiàn)沿晶裂紋，裂紋在氣流沖刷下，快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。為了在試驗(yàn)室模擬這種高溫失效，采用模擬尾氣在電加熱爐中對(duì)氧傳感器進(jìn)行老化，設(shè)定一定的空氣環(huán)境。在多次的加熱冷卻循環(huán)后，數(shù)據(jù)顯示實(shí)驗(yàn)材料本身的重量會(huì)隨著試驗(yàn)的推進(jìn)先增加后逐漸的減少，這是由于金屬材料在周邊環(huán)境的作用下先由于氧化作用所以一開始質(zhì)量略有增加，但是隨著時(shí)間的推薦氧化層開始脫落。按照這一現(xiàn)象進(jìn)行推測(cè)，材料最終將會(huì)開裂失效。基于試驗(yàn)和實(shí)際情況法系得出的高溫尾氣導(dǎo)致傳感器下護(hù)罩失效機(jī)理如下：金屬材料在汽車尾氣環(huán)境的作用下，通過不斷的氧化和脫落過程，和晶粒變大過程，當(dāng)作用達(dá)到一定時(shí)間和里程時(shí)，類似的失效發(fā)生。

鑒于以上的失效機(jī)理和傳感器在排氣管上應(yīng)用環(huán)境影響因素特點(diǎn)，在兼顧設(shè)計(jì)成本和動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的考慮的基礎(chǔ)上，可以采用更改噴油控制參數(shù)降低整車的排氣溫度和選用更抗高溫和腐蝕的傳感器護(hù)罩材料增加護(hù)罩尺寸等兩個(gè)方面來來解決氧傳感器應(yīng)用問題。優(yōu)先采用降低排溫來控制傳感器下護(hù)罩的氧化速度的方法，保證在傳感器生命周期內(nèi)不失效。

3.2排氣管外部分的高溫應(yīng)用技術(shù)

氧傳感器的高溫應(yīng)用，除了要考慮到氧傳感器位于排氣管內(nèi)部的部分外，同時(shí)也需要考慮外部諸如六角頭，線束縮口等區(qū)域的溫度，這個(gè)地方的溫度明顯受到來自于整車散熱和傳感器安裝位置，改善散熱風(fēng)扇的位置和周邊散熱邊界可以改善氧傳感器溫度負(fù)荷，如圖2，將原來的單風(fēng)扇（出風(fēng)口中心和氧傳感器不對(duì)齊，即風(fēng)扇不直接對(duì)著氧傳感器吹風(fēng)）改為雙風(fēng)扇，風(fēng)扇的一個(gè)通風(fēng)口直接對(duì)著氧傳感器六角頭和線束縮口吹。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者差異主要在于熱力學(xué)流場(chǎng)的改變，在同樣的運(yùn)行工況和環(huán)境溫度下進(jìn)行不同車速的對(duì)比的測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧傳感器六角頭溫度和線束縮口的溫度均有所降低，其中降低線束縮口的溫度降低幅度更大，說明線束縮口受對(duì)流換熱的影響更大。

這個(gè)可以用以下的熱力學(xué)的原理進(jìn)行分析和解釋。對(duì)流換熱系數(shù)可以用下面的公式來表示：

可見，不論是來自排氣中的高溫廢氣還是來自前艙風(fēng)扇的冷卻空氣，兩個(gè)重要的參數(shù)會(huì)影響到氧傳感器的溫度負(fù)荷，其一是氣流的流速，流速越高，高溫廢氣對(duì)于氧傳感器的加熱效果越大，而前艙風(fēng)扇對(duì)于氧傳感器的冷卻效果也越好；另一個(gè)參數(shù)是氣流的溫度，廢氣和冷卻風(fēng)的溫度越高，氧傳感器溫度負(fù)荷也會(huì)越大。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化出風(fēng)及氧傳感器散熱邊界后，氧傳感器表面對(duì)流換熱系數(shù)增加，冷卻效果改善。六角頭和線束縮口處的溫度均有所降低，其中，線束縮口處溫度降低效果更為明顯，這是因?yàn)樵撎幭鄬?duì)于六角頭遠(yuǎn)離熱源：高溫排氣，因此很好地證明氧傳感器遠(yuǎn)離熱源的溫度控制點(diǎn)受到熱傳導(dǎo)的影響比例減少，受到對(duì)流換熱的影響比例增大。

另外，為了降低溫度，還研究了氧傳感器周圍的散熱環(huán)境。通常，位于氧傳感器和排氣系統(tǒng)之間的隔熱罩會(huì)降低來自排氣管的熱輻射，但是如果隔熱罩的形狀阻擋了來自前艙風(fēng)扇的冷卻氣流，會(huì)降低氧傳感器表面的對(duì)流換熱系數(shù)，造成了前氧散熱不夠充分。針對(duì)這種情況，研究了改進(jìn)隔熱罩形狀對(duì)氧傳感器的溫度影響，即將隔熱罩擋住氧傳感器散熱迎面風(fēng)的地方去除并優(yōu)化，表1給出了優(yōu)化隔熱罩對(duì)于溫度改善的效果。可以看出，優(yōu)化后，氧傳感器表面對(duì)流換熱系數(shù)增加，冷卻效果改善。六角頭和線束縮口處的溫度均有所降低，其中，線束縮口處溫度降低效果更為明顯，這是因?yàn)樵撎幭鄬?duì)于六角頭遠(yuǎn)離熱源：高溫排氣，因此很好地證明氧傳感器遠(yuǎn)離熱源的溫度控制點(diǎn)受到熱傳導(dǎo)的影響比例減少，受到對(duì)流換熱的影響比例增大。

最后，通過改變排氣溫度記錄六角頭溫度變化情況發(fā)現(xiàn)氧傳感器六角頭處的溫度變化明顯更多的受到熱傳導(dǎo)的影響，兩者有較為明顯的線性相關(guān)性，通過擬合的方法得到兩者的關(guān)系，可近似用以下公式表示：y=0.9701x-193.64。

4結(jié)語(yǔ)

（1）氧傳感器位于排氣管排氣側(cè)的部分，如下護(hù)罩，主要受到高溫排氣對(duì)流換熱影響，可以通過加強(qiáng)金屬材料或降低排溫防止氧化變形甚至脫落。

（2）氧傳感器位于排氣管外圍的部分，如線束縮口，六角頭區(qū)域，同時(shí)收到傳感器本身的金屬部件的熱傳導(dǎo)，排氣管避免輻射和外界風(fēng)扇散熱影響，可以通過優(yōu)化傳感器本體結(jié)構(gòu)，排氣管隔熱罩及散熱邊界（流速，流向）等方法改善溫度負(fù)荷。

（3）距離排氣側(cè)越遠(yuǎn)的區(qū)域，受到發(fā)動(dòng)機(jī)前艙散熱影響越明顯，該結(jié)論可以指導(dǎo)我們?cè)谥贫ǜ纳茻嶝?fù)荷方案時(shí)優(yōu)先采用的措施和方法。