車載氧傳感器高溫應(yīng)用技術(shù)

李旭?！●R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)計穩(wěn)健性。

關(guān)鍵詞：氧傳感器；高溫保護

1引言

在汽車發(fā)動機中，當(dāng)燃燒室內(nèi)混合氣控制在理論空然比周圍時，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)。氧傳感器用于測定廢氣中的氧，將發(fā)動機噴油量控制在理論空然比周圍，實現(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簡單的感應(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，插在排氣管中的感應(yīng)元件的外側(cè)電極和發(fā)動機燃燒后的尾氣接觸，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，其內(nèi)外2個電極之間便產(chǎn)生了電動勢。由于空氣中的氧的濃度是一定的，所以傳感器感應(yīng)電動勢的大小取決于排氣中氧含量的高低。輸出電動勢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)元件以及保護感應(yīng)元件的下護罩兩個部分，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)動機外部，主要承受發(fā)動機熱傳導(dǎo)，輻射，以及周邊環(huán)境水汽顆粒物等雜質(zhì)的影響。整個傳感器溫度敏感區(qū)域包括以下幾個部位：（1）下護罩；（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。傳感元溫度過高會導(dǎo)致傳感元開裂；傳感元護罩溫度過高會導(dǎo)致護罩變形，氧化或者開裂；六角頭溫度過高會導(dǎo)致參考空氣腔污染，以及引起傳感器電壓信號偏移；線束縮口處溫度過高會導(dǎo)致泄露，參考空氣腔污染以及引起傳感器電壓信號偏移。

先分析伸入到排氣管中的感應(yīng)元件的保護罩，即下護罩。目前傳感器的下護罩基本選用耐熱鋼，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)動機的普及，發(fā)動機的燃燒排溫越來越高，在某些應(yīng)用條件下傳感器的下護罩在尾氣的作用下隨著時間的推移，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)和一定的試驗分析發(fā)現(xiàn)該類型鋼長時間在1100℃-400℃的溫度范圍內(nèi)快速加熱和冷卻會造成奧氏體晶粒長大，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)動機尾氣的溫度變化十分的相似。發(fā)動機尾氣交變的特性也可以導(dǎo)致金屬護罩晶粒變大。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)象將隨著時間的推移造成壁厚減少。當(dāng)壁厚逐漸減少，應(yīng)力集中點等最薄弱的地方容易出現(xiàn)沿晶裂紋，裂紋在氣流沖刷下，快速擴展，最終導(dǎo)致斷裂。為了在試驗室模擬這種高溫失效，采用模擬尾氣在電加熱爐中對氧傳感器進行老化，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)顯示實驗材料本身的重量會隨著試驗的推進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，但是隨著時間的推薦氧化層開始脫落。按照這一現(xiàn)象進行推測，材料最終將會開裂失效?；谠囼灪蛯嶋H情況法系得出的高溫尾氣導(dǎo)致傳感器下護罩失效機理如下：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)到一定時間和里程時，類似的失效發(fā)生。

鑒于以上的失效機理和傳感器在排氣管上應(yīng)用環(huán)境影響因素特點，在兼顧設(shè)計成本和動力性經(jīng)濟性的考慮的基礎(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罩材料增加護罩尺寸等兩個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齊，即風(fēng)扇不直接對著氧傳感器吹風(fēng)）改為雙風(fēng)扇，風(fēng)扇的一個通風(fēng)口直接對著氧傳感器六角頭和線束縮口吹。對比發(fā)現(xiàn)，兩者差異主要在于熱力學(xué)流場的改變，在同樣的運行工況和環(huán)境溫度下進行不同車速的對比的測試，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，說明線束縮口受對流換熱的影響更大。

這個可以用以下的熱力學(xué)的原理進行分析和解釋。對流換熱系數(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，兩個重要的參數(shù)會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，高溫廢氣對于氧傳感器的加熱效果越大，而前艙風(fēng)扇對于氧傳感器的冷卻效果也越好；另一個參數(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，這是因為該處相對于六角頭遠(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受到熱傳導(dǎo)的影響比例減少，受到對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，會降低氧傳感器表面的對流換熱系數(shù)，造成了前氧散熱不夠充分。針對這種情況，研究了改進隔熱罩形狀對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)化隔熱罩對于溫度改善的效果?？梢钥闯?，優(yōu)化后，氧傳感器表面對流換熱系數(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，這是因為該處相對于六角頭遠(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受到熱傳導(dǎo)的影響比例減少，受到對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

（1）氧傳感器位于排氣管排氣側(cè)的部分，如下護罩，主要受到高溫排氣對流換熱影響，可以通過加強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)動機前艙散熱影響越明顯，該結(jié)論可以指導(dǎo)我們在制定改善熱負(fù)荷方案時優(yōu)先采用的措施和方法。