李旭?！●R達

摘要：基于氧傳感器在整車上的高溫應用，以某車型的實際應用為例，闡述氧傳感器工作于高溫環(huán)境后導致穩(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。結果表明，應用這些設計方法能有效改善氧傳感器溫度負荷，提高氧傳感器抗熱老化性能，增加系統(tǒng)的設計穩(wěn)健性。

關鍵詞：氧傳感器；高溫保護

1引言

在汽車發(fā)動機中，當燃燒室內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，排氣管外壁的熱輻射等影響。這就要求在氧傳感器設計及應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構

氧傳感器的工作原理類似一個簡單的感應電池。陶瓷體內外表面覆蓋著一層充當電極用的導電，一般采用的材料為Pt。工作時，插在排氣管中的感應元件的外側電極和發(fā)動機燃燒后的尾氣接觸，而內電極內側通過一定路徑和大氣接觸。當傳感器內外電極兩端的氧氣含量不相同時，其內外2個電極之間便產生了電動勢。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；T為鋯固體電解質活性區(qū)的絕對溫度；F為法拉第常數；p^xhaust_O2為尾氣中的氧分壓；p^air_O2為大氣中的氧分壓。

3高溫應用

3.1排氣管內部分的高溫應用

氧傳感器應用高溫環(huán)境中，其不同的部位能承受的溫度極限有所不同。圖l顯示氧傳感器的結構，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元件以及保護感應元件的下護罩兩個部分，在整車應用環(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，輻射，以及周邊環(huán)境水汽顆粒物等雜質的影響。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)域溫度過高會導致傳感器產生各種不同的失效模式。例如。傳感元溫度過高會導致傳感元開裂；傳感元護罩溫度過高會導致護罩變形，氧化或者開裂；六角頭溫度過高會導致參考空氣腔污染，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1000℃。在實際的整車開發(fā)過程中發(fā)現，使用上述材料開發(fā)的氧傳感器并不是在所有應用中都是一帆風順。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，開裂和脫落的現象。經過查閱相關文獻和一定的試驗分析發(fā)現該類型鋼長時間在1100℃-400℃的溫度范圍內快速加熱和冷卻會造成奧氏體晶粒長大，造成各種力學性能下降，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致金屬護罩晶粒變大。另外尾氣中含有氧氣，水汽，NOx等物質。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，該物質的特征為疏松的粉末狀物質，與基體結合力差，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，這一現象將隨著時間的推移造成壁厚減少。當壁厚逐漸減少，應力集中點等最薄弱的地方容易出現沿晶裂紋，裂紋在氣流沖刷下，快速擴展，最終導致斷裂。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，設定一定的空氣環(huán)境。在多次的加熱冷卻循環(huán)后，數據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，當作用達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用環(huán)境影響因素特點，在兼顧設計成本和動力性經濟性的考慮的基礎上，可以采用更改噴油控制參數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不失效。

3.2排氣管外部分的高溫應用技術

氧傳感器的高溫應用，除了要考慮到氧傳感器位于排氣管內部的部分外，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，改善散熱風扇的位置和周邊散熱邊界可以改善氧傳感器溫度負荷，如圖2，將原來的單風扇（出風口中心和氧傳感器不對齊，即風扇不直接對著氧傳感器吹風）改為雙風扇，風扇的一個通風口直接對著氧傳感器六角頭和線束縮口吹。對比發(fā)現，兩者差異主要在于熱力學流場的改變，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，結果發(fā)現，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的原理進行分析和解釋。對流換熱系數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扇的冷卻空氣，兩個重要的參數會影響到氧傳感器的溫度負荷，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，而前艙風扇對于氧傳感器的冷卻效果也越好；另一個參數是氣流的溫度，廢氣和冷卻風的溫度越高，氧傳感器溫度負荷也會越大。研究發(fā)現，優(yōu)化出風及氧傳感器散熱邊界后，氧傳感器表面對流換熱系數增加，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離熱源：高溫排氣，因此很好地證明氧傳感器遠離熱源的溫度控制點受到熱傳導的影響比例減少，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扇的冷卻氣流，會降低氧傳感器表面的對流換熱系數，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。可以看出，優(yōu)化后，氧傳感器表面對流換熱系數增加，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離熱源：高溫排氣，因此很好地證明氧傳感器遠離熱源的溫度控制點受到熱傳導的影響比例減少，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)現氧傳感器六角頭處的溫度變化明顯更多的受到熱傳導的影響，兩者有較為明顯的線性相關性，通過擬合的方法得到兩者的關系，可近似用以下公式表示：y=0.9701x-193.64。

4結語

（1）氧傳感器位于排氣管排氣側的部分，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，排氣管避免輻射和外界風扇散熱影響，可以通過優(yōu)化傳感器本體結構，排氣管隔熱罩及散熱邊界（流速，流向）等方法改善溫度負荷。

（3）距離排氣側越遠的區(qū)域，受到發(fā)動機前艙散熱影響越明顯，該結論可以指導我們在制定改善熱負荷方案時優(yōu)先采用的措施和方法。