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(yīng)用及開發(fā)提供依據(jù)。

氧傳感器；失效模式；故障分析

1 氧傳感器進(jìn)水

由于氧傳感器線束導(dǎo)線毛細(xì)作用及氧傳感器冷態(tài)時負(fù)壓吸氣，當(dāng)傳感器插接件防水等級低或?qū)Ь€破損時，水汽容易從插接件或?qū)Ь€進(jìn)入傳感器內(nèi)部。進(jìn)水失效是氧傳感器失效模式中最典型的一種。

1.1 進(jìn)水模式分析

水進(jìn)入氧傳感器內(nèi)部后，通過參考空氣腔流入傳感元件內(nèi)部，當(dāng)電極加熱時，水分汽化膨脹，導(dǎo)致傳感元件頭部爆破。水從插接件進(jìn)到氧傳感器內(nèi)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(jìn)入氧傳感器內(nèi)部，攜帶的污染物（如HC）進(jìn)入?yún)⒖伎諝馇?，?dǎo)致氧含量基準(zhǔn)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(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)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(jìn)水失效。調(diào)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(shù)量明顯下降。

1.2 解決和防護(hù)措施

由于氧傳感器冷態(tài)吸氣及導(dǎo)線毛細(xì)作用特性，相對整車其他傳感器，更容易進(jìn)水。因此，氧傳感器設(shè)計(jì)或整車應(yīng)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(fā)動機(jī)艙或車身內(nèi)，當(dāng)不能滿足時，盡可能抬高插接件位置，降低水侵入和潑濺風(fēng)險(xiǎn)，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(yuǎn)離水濺風(fēng)險(xiǎn)，需要重新設(shè)計(jì)或使用防水等級高于6K的插接件。

3）氧傳感器線束布置應(yīng)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(jìn)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(nèi)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(yīng)力作用下，導(dǎo)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(tǒng)設(shè)計(jì)方式

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)溫度時，感應(yīng)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(tài)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(xiàn)有設(shè)計(jì)方式

現(xiàn)在氧傳感器設(shè)計(jì)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(diǎn)自由。

1）設(shè)計(jì)上使用新型鋯元件涂層或雙涂層，降低水的擴(kuò)散速度，水在到達(dá)鋯元件之前被蒸發(fā)掉。

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

3）降低鋯元件工作溫度。

圖3 新型保護(hù)套管結(jié)構(gòu)

3 氧傳感器高溫失效

氧傳感器熱量來源主要是發(fā)動機(jī)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(shè)計(jì)時，均需滿足表1最高溫度要求。但傳感器實(shí)際應(yīng)用不當(dāng)，如安裝基座高度低于設(shè)計(jì)要求，熱傳遞途徑變短，熱輻射大；氧傳感器布置在發(fā)動機(jī)隔熱罩內(nèi)，發(fā)動機(jī)隔熱罩對發(fā)動機(jī)散發(fā)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(shè)計(jì)值，導(dǎo)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(xiàn)象

某車型開發(fā)過程中，整車試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)故障燈常亮，清除故障后繼續(xù)試驗(yàn)故障仍重現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)：①部分位置呼吸膜消失，被烤熔化；②傳感器尾端的導(dǎo)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?yàn)檠鮽鞲衅靼惭b在排氣歧管隔熱罩內(nèi)（圖5），受隔熱罩熱量匯集作用，氧傳感器工作環(huán)境溫度高于其各部件耐高溫要求，導(dǎo)致傳感器高溫失效。將前氧傳感器安裝位置調(diào)整到隔熱罩外側(cè)迎風(fēng)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(hù)措施

通過優(yōu)化標(biāo)定，降低發(fā)動機(jī)排氣溫度；優(yōu)化排氣歧管及隔熱罩設(shè)計(jì)以達(dá)到更好散熱效果；氧傳感器布置在排氣歧管隔熱罩外發(fā)動機(jī)迎風(fēng)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(jìn)行整車熱害試驗(yàn)，對氧傳感器進(jìn)行測溫摸底，確保氧傳感器各部位工作環(huán)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(zhì)，油氣混合氣、發(fā)動機(jī)潤滑/密封系統(tǒng)中含有Si、Mn、Ca、Zn、P等元素燃燒不完全，從排氣歧管進(jìn)入氧傳感器內(nèi)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(xué)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(nèi)外側(cè)氧離子濃度差出現(xiàn)偏差，輸出信號不準(zhǔn)確。化學(xué)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致傳感元件失效［1］。氧傳感器中毒是經(jīng)常出現(xiàn)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(fā)動機(jī)密封襯墊、排氣系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)樹脂材料等含高揮發(fā)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(qū)域，降低透氧能力，引起傳感器輸出電壓偏向于稀或負(fù)電壓范圍內(nèi)。SiO附著于電極周圍，與電極發(fā)生反應(yīng)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(zhuǎn)變信號。

拆解硅中毒氧傳感器，在傳感器保護(hù)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(chǎn)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(jié)晶或釉體堵塞保護(hù)層，降低透氧能力，影響傳感器信號轉(zhuǎn)換時間。錳中毒氧傳感器保護(hù)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(jī)油油垢污染中毒

隨著汽車使用時間加長，在發(fā)動機(jī)潤滑油中的Ca、Zn和P也會進(jìn)到排氣系統(tǒng)，與傳感元電極反應(yīng)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(shù)量和材料堆積的溫度、流動等。機(jī)油油垢中毒會導(dǎo)致在濃到稀和稀到濃轉(zhuǎn)變時傳感器響應(yīng)時間慢。

解剖受機(jī)油油垢污染的氧傳感器，發(fā)現(xiàn)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(hù)層，通過適當(dāng)增加多孔保護(hù)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(fā)動機(jī)性能及整車油耗，且污染物也會再生。當(dāng)前，從傳感器設(shè)計(jì)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(qiáng)傳感元件防護(hù)等方式預(yù)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(guī)越來越嚴(yán)格，油品中有害物質(zhì)進(jìn)一步下降，氧傳感器中毒得到緩解。

圖8 機(jī)油油垢中毒

5 線束斷裂

對氧傳感器售后返回件進(jìn)行分析，線束斷裂位置主要集中在密封塞或連接器線束導(dǎo)線壓接附近。斷裂主要原因是：氧傳感器導(dǎo)線短時間內(nèi)受過大拉力斷裂；線束布置不合理導(dǎo)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(hù)套必須根據(jù)發(fā)動機(jī)振動和排氣管實(shí)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(yù)防［J］.中小企業(yè)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?yàn)榘l(fā)動機(jī)電器零件設(shè)計(jì)。