某車(chē)用前氧傳感器一種失效模式的研究

崔 凱 陳洪方 張大偉 紀(jì)立柱 劉 全

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

目前，國(guó)內(nèi)乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)各種連接膠管、隔振橡膠等零件普遍使用硅橡膠材料，含硅橡膠的零件在汽車(chē)行駛過(guò)程中會(huì)釋放出硅氧烷氣體，硅氧烷對(duì)空氣參考型前氧傳感器等敏感電子元件的可靠性有很大影響。

本文通過(guò)對(duì)某空氣參考型前氧傳感器失效的問(wèn)題進(jìn)行了分析，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙中硅氧烷氣體的來(lái)源，闡述了硅氧烷導(dǎo)致空氣參考型前氧傳感器失效的機(jī)理及相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 前氧傳感器分類(lèi)及進(jìn)氣過(guò)程

1.1 前氧傳感器分類(lèi)及原理

現(xiàn)在的汽車(chē)上一般都安裝2 個(gè)氧傳感器，其中一個(gè)氧傳感器位于三元催化的前端[1]，通常稱(chēng)為前氧傳感器。車(chē)用前氧傳感器按原理可以分為電容參考和空氣參考2 種類(lèi)型。

電容參考型前氧傳感器原理：ECU 通過(guò)對(duì)參考電壓和尾氣側(cè)電極產(chǎn)生的感應(yīng)電壓進(jìn)行比較，確定尾氣中氧氣的含量。由于直接采用電壓參考不涉及外界空氣，因此發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣體成分對(duì)該類(lèi)傳感器無(wú)影響。如圖1 所示。

圖1 電容參考型前氧傳感器原理

空氣參考型前氧傳感器原理：帶有空氣參考腔和尾氣腔2 個(gè)獨(dú)立腔室，因空氣參考腔和尾氣腔中氧離子的密度不同，與電極反應(yīng)產(chǎn)生的電壓也不同。ECU 通過(guò)對(duì)2 者電壓進(jìn)行比較，計(jì)算出氧含量。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣體需要不斷進(jìn)入?yún)⒖记粌?nèi)，用于反應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣體成分對(duì)該類(lèi)傳感器影響很大，如圖2 所示。

圖2 空氣參考型前氧傳感器原理

1.2 空氣參考型前氧傳感器進(jìn)氣過(guò)程

空氣參考型前氧傳感器進(jìn)氣過(guò)程主要分為2 個(gè)階段：

當(dāng)車(chē)輛起動(dòng)時(shí)，傳感器開(kāi)始工作，參考腔內(nèi)空氣中的氧氣不斷被反應(yīng)消耗掉，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的空氣不斷補(bǔ)充進(jìn)入傳感器內(nèi)部。

當(dāng)車(chē)輛停車(chē)后，傳感器溫度逐漸下降，傳感器內(nèi)參考腔氣體體積隨著溫度下降而減小，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣體被吸進(jìn)傳感器參考腔內(nèi)。如圖3 所示。

圖3 前氧傳感器進(jìn)氣過(guò)程

2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙中的硅氧烷氣體對(duì)空氣參考型前氧傳感器的影響

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙中硅氧烷的來(lái)源分析

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙中，進(jìn)氣系統(tǒng)的連接膠管、減震橡膠等零件普遍使用含硅橡膠。研究表明，即使沒(méi)有達(dá)到硅氧烷的沸點(diǎn)，在常溫下，橡膠中的低分子硅氧烷也會(huì)揮發(fā)。整車(chē)行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙溫度會(huì)升高到60 ℃左右，更利于硅氧烷的釋放。硅氧烷通常以D3～D8 的型式存在于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙中。環(huán)狀有機(jī)硅氧烷的開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)如圖4 所示[2]。

圖4 環(huán)狀有機(jī)硅氧烷的開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)氣體中硅氧烷含量測(cè)試

通過(guò)在某試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)氣含硅膠管、前氧傳感器位置布置硅氧烷捕捉設(shè)備及溫度傳感器，對(duì)不同整車(chē)工況下的氣體中硅氧烷含量進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試位置見(jiàn)圖5。

圖5 測(cè)試位置

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙測(cè)試表明：膠管會(huì)釋放出低分子的硅氧烷。測(cè)試工況及數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

圖6 不同工況下膠管溫度及硅氧烷釋放量

對(duì)不同工況下，傳感器位置的硅氧烷氣體含量進(jìn)行分析：

在車(chē)速為110 km/h 的工況下，因前迎風(fēng)流速高，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣體充分循環(huán)，傳感器處檢測(cè)到的硅氧烷量最低；

爬坡及停車(chē)工況（DS 工況），膠管溫度相對(duì)較高，同時(shí)沒(méi)有前迎風(fēng)循環(huán)，硅氧烷充分釋放并積聚在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙中，傳感器位置的硅氧烷濃度最高。見(jiàn)圖7。

圖7 不同工況下前氧傳感器處測(cè)得的硅氧烷含量

2.3 前氧傳感器的失效件檢測(cè)

空燃比控制器主要通過(guò)氧傳感器模型輸出反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)空燃比控制[3]。對(duì)試驗(yàn)后的前氧傳感器性能進(jìn)行檢測(cè)，將該前氧傳感器測(cè)定的空燃比與實(shí)際值比較，結(jié)果顯示，該傳感器測(cè)定的空燃比高于實(shí)際值，見(jiàn)圖8，傳感器已失效。

對(duì)失效的傳感器空氣側(cè)電極進(jìn)行元素檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)電極上含有硅元素。對(duì)空氣側(cè)電極進(jìn)行電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)電極表面已被二氧化硅覆蓋，見(jiàn)圖9，這種失效稱(chēng)“硅中毒”。

圖9 電極表面檢查（空氣側(cè)電極電鏡掃描）

2.4 前氧傳感器的失效機(jī)理

當(dāng)硅氧烷氣體進(jìn)入前氧傳感器空氣參考腔內(nèi)，反應(yīng)生成二氧化硅，粘附在電極上。隨著電極上二氧化硅逐漸積累，會(huì)阻斷正常的電極與氧氣的化學(xué)反應(yīng)，使傳感器無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量氧氣含量。當(dāng)二氧化硅的量超過(guò)臨界值，最終導(dǎo)致傳感器失效。見(jiàn)圖10。

圖10 前氧傳感器失效機(jī)理

試驗(yàn)測(cè)試表明，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)使用的硅橡膠管可生成低分子硅氧烷氣體釋放到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙中，硅氧烷氣體隨發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)氣體流動(dòng)進(jìn)入空氣參考型前氧傳感器，反應(yīng)生成二氧化硅，粘附在電極上，當(dāng)二氧化硅達(dá)到一定數(shù)量，將導(dǎo)致傳感器失效，這種失效稱(chēng)為傳感器“硅中毒”。

3 改進(jìn)措施與效果驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)措施

根據(jù)失效機(jī)理，可以從硅氧烷產(chǎn)生源與傳感器的耐硅能力2 個(gè)方面進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。見(jiàn)圖11。

圖11 改進(jìn)方向

1）降低整車(chē)硅氧烷釋放量。例如膠管裝車(chē)使用前，通過(guò)提前加熱、清洗，降低硅氧烷釋放量。或優(yōu)化膠管材料，降低膠管中硅元素含量，從而減少硅氧烷釋放量。

2）提高傳感器本體耐硅能力。例如在傳感器電極處增加二氧化硅捕捉層，保護(hù)電極。

3.2 效果驗(yàn)證

3.2.1 試驗(yàn)資源準(zhǔn)備試驗(yàn)車(chē)輛：一臺(tái)

試驗(yàn)設(shè)備：ETK、592、傳感器耐久試驗(yàn)臺(tái)架、轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室，硅含量檢查儀，優(yōu)化前膠管1 套，降低硅量膠管1 套，清洗后膠管1 套。

3.2.2 降低整車(chē)硅氧烷釋放量改進(jìn)方案效果

通過(guò)整車(chē)轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)測(cè)試膠管硅氧烷釋放量，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 膠管硅氧烷釋放量整車(chē)測(cè)試結(jié)果

數(shù)據(jù)分析表明：

1）裝車(chē)前對(duì)膠管進(jìn)行清洗及加熱24 h（120 ℃下），可以降低膠管硅氧烷釋放量，其硅氧烷最高釋放量由15 000 ng 降低到1 200 ng。

2）優(yōu)化膠管材料成分，降低其中硅含量，硅氧烷最高釋放量可下降到500 ng。

3.2.3 提高前氧傳感器耐硅能力改進(jìn)方案效果

在傳感器電極處增加捕捉層（如氧化鋁涂層），使二氧化硅不會(huì)直接覆蓋到電極上，避免其阻斷電極反應(yīng)，提高傳感器本體耐硅能力。通過(guò)耐久試驗(yàn)增加捕捉層后，電極耐硅能力顯著提升。見(jiàn)圖12。

圖12 捕捉層原理及效果驗(yàn)證

4 結(jié)束語(yǔ)

本文剖析了整車(chē)膠管釋放的硅氧烷對(duì)空氣參考型前氧傳感器的影響，闡明了硅氧烷的可能來(lái)源，分析了傳感器因“硅中毒”而失效的原因及機(jī)理。從硅氧烷產(chǎn)生來(lái)源及傳感器本身2 個(gè)方向提出了解決方案，通過(guò)試驗(yàn)論證了方案的有效性。

當(dāng)前，隨著整車(chē)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，整車(chē)上使用的傳感器、光學(xué)元件等靈敏元件數(shù)量越來(lái)越多，含硅橡膠零件在整車(chē)上被廣泛使用。這些零件釋放出的硅氧烷氣體對(duì)電極反應(yīng)類(lèi)傳感器原件、光學(xué)元件、精密導(dǎo)電元件都存在很大的潛在威脅。因此，需要特別注意傳感器因“硅中毒”而失效的現(xiàn)象，關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)氣體的成分對(duì)零件可靠性的影響。