李旭海

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 驅(qū)動系統(tǒng)部，上海 201201）

車載氧傳感器抗冷凝水應(yīng)用技術(shù)

李旭海

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 驅(qū)動系統(tǒng)部，上海 201201）

通過分析氧傳感器在整車應(yīng)用過程中的環(huán)境特點，以及氧傳感器本身的設(shè)計特性，提出了一系列熱沖擊保護(hù)的方法以及冷凝水負(fù)荷測試及驗證技術(shù)，并結(jié)合實例提出設(shè)計方案，以提高傳感器可靠性。結(jié)果表明，應(yīng)用這些方法設(shè)計的氧傳感器，能夠提高抗老化性能，增加系統(tǒng)的設(shè)計強(qiáng)度，提高氧傳感器的使用壽命。

在汽車發(fā)動機(jī)中，氧傳感器用于測定廢氣中的氧，將發(fā)動機(jī)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，檢測排氣氧的含量。排氣中有約12%水，在一些工況下，如在發(fā)動機(jī)起動時，排氣中水蒸氣會冷凝在排氣管表面，如果冷凝水碰到高溫的氧傳感器陶瓷體元件，會造成氧傳感器傳感元件開裂失效，影響發(fā)動機(jī)對空燃比的閉環(huán)控制和排放。為了提高氧傳感器起燃速度以滿足排放目標(biāo)，目前氧傳感器多采用加熱器給傳感元加熱。傳感元的加熱時間受到控制器的軟件及標(biāo)定策略影響。傳感器在發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的布置會影響到冷凝水的負(fù)荷量。因此，提高氧傳感器熱沖擊抗性以改善排放和閉環(huán)控制穩(wěn)定性，需要優(yōu)化傳感器硬件設(shè)計，布置及軟件控制策略，是一項需要綜合考慮諸多因素的復(fù)雜工作。

1 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，傳感器陶瓷體的基本物質(zhì)是氧化鋯固體電解質(zhì)［1-2］。陶瓷體內(nèi)外表面覆蓋著一層充當(dāng)電極用的導(dǎo)電層，一般采用材料為Pt。氧傳感器工作時，插在排氣管中的感應(yīng)元件的外側(cè)電極和發(fā)動機(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，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可由能斯特方程式給出

式中：R——氣體常數(shù)；T——鋯固體電解質(zhì)活性區(qū)的絕對溫度；F——法拉第常數(shù)；Po2Ehaust——尾氣中的氧分壓；Po2Air——大氣中的氧分壓。

當(dāng)燃燒室內(nèi)燃油噴射較濃時，尾氣中的氧含量較低，氧傳感器輸出高電平；當(dāng)燃燒室內(nèi)燃油噴射較稀時，尾氣中的氧含量較高，氧傳感器輸出低電平。圖1為一個氧傳感器的基本結(jié)構(gòu)。傳感元伸入到排氣管中測試排氣中的氧濃度。

圖1 氧傳感器結(jié)構(gòu)

2 抗冷凝水熱沖擊技術(shù)

陶瓷元件是氧傳感器的核心部件，其主體物質(zhì)是ZrO2固體電解質(zhì)，通過鋪設(shè)在陶瓷元件兩端的Pt電極感知尾氣中的氧含量形成電勢差，其感應(yīng)性能的好壞直接決定著發(fā)動機(jī)噴油系統(tǒng)的控制性能和整車排放。

在汽車的燃燒排放物中，水是重要組成部分。對于燃燒排放物來說，水是清潔的燃燒產(chǎn)物，但是對于處于高溫工作狀態(tài)的氧傳感器陶瓷感應(yīng)元件來說，由于其本身的材料特性，當(dāng)高溫陶瓷體遇到冷凝水滴時，傳感器便容易開裂失效。在氧傳感器的整車應(yīng)用環(huán)境中必須考慮這一失效模式，也是最常見的一種失效模式。

針對某車型出現(xiàn)的氧傳感器熱沖擊失效問題，從氧傳感器工作環(huán)境入手，分析感應(yīng)元件熱沖擊失效機(jī)理，然后針對這一機(jī)理優(yōu)化設(shè)計方案并開發(fā)測試驗證方法，最后驗證優(yōu)化方案的效果。

氧傳感器傳感元屬于陶瓷元件，為了確保傳感器快速起燃，在傳感元的內(nèi)部集成有加熱器，汽車在冷起動階段，排氣的溫度較低，排氣中的水蒸氣遇到冷的排氣管內(nèi)壁面時會冷凝形成水，并隨著氣流向下游方向移動。當(dāng)水滴碰到氧傳感器傳感元時，由于氧傳感器加熱器的作用，已經(jīng)將傳感元溫度升高至700～800 ℃左右（圖2），冷凝水遇到高溫的傳感元會在傳感元表面產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致傳感元的陶瓷體產(chǎn)生開裂。

圖2 加熱器對傳感元溫度的影響

在分析氧傳感器陶瓷元件熱沖擊失效的機(jī)理后，需要開發(fā)一定的試驗測試方法來對實際的冷凝水負(fù)荷進(jìn)行定量的測量，根據(jù)實際的經(jīng)驗，開發(fā)了測試氧傳感器附近冷凝水負(fù)荷的測試方法。以下游氧傳感器為例，通常其安裝于催化器下游的排氣管上，位置較低，需要在排氣管沿線布置熱電偶，以監(jiān)測各種工況下排氣管壁面的溫度變化情況，同時在氧傳感器的安裝點附近安裝水傳感器，以捕捉冷凝水的變化情況，通過ECU監(jiān)控氧傳感器加熱器的開啟時間和傳感元溫度，以便監(jiān)控露點標(biāo)定情況。

在熱偶和水傳感器安裝完成后，重復(fù)多次冷起動，每次冷起動后通過熱電偶觀察，在排氣溫度沒有超過露點溫度以前就關(guān)閉發(fā)動機(jī)，排氣管會聚集大量冷凝水，通過采集水傳感器數(shù)據(jù)來識別冷凝水負(fù)荷。表1和表2是采集到的多次冷起動和正常冷起動的數(shù)據(jù)，通過測試發(fā)現(xiàn)冷凝水的負(fù)荷相差很大。

表1 正常起動條件下冷凝水負(fù)荷

表2 反復(fù)冷起動（10次）條件下冷凝水負(fù)荷

對比表1和表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在正常冷起動的情況下，冷凝水聚集少，坡度和車況對氧傳感器冷凝水負(fù)荷的影響不大；而在反復(fù)冷起動的情況下，冷凝水會在排氣管壁面大量聚集，氧傳感器的冷凝水負(fù)荷量會顯著增加。如果此時駕駛員加油門，排氣管壁的冷凝水會隨著排氣大量飛濺到氧傳感器傳感元，或者碰到下坡的工況，排氣管的冷凝水由于排氣管坡度問題匯聚在氧傳感器附近，加大冷凝水負(fù)荷，增加傳感元熱沖擊失效的風(fēng)險。

同時，觀察氧傳感器陶瓷體元件溫度、排氣溫度以及順著排氣管壁從上游往下游布置的一系列熱電偶的溫度變化，分析數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：越靠近下游，溫度越低，溫度上升也越慢，這是因為沿程排氣溫度損失導(dǎo)致；在排氣管呈現(xiàn)彎曲或者凹坑等容易聚集冷凝水的區(qū)域，溫度上升得更慢；排氣管形狀對于溫度上升的影響比排氣上下游前后關(guān)系對溫升的影響更大。傳感元的溫度由于受到加熱器的影響，會在加熱器開啟后快速上升，如果在加熱器開啟以前排氣中的冷凝水蒸發(fā)成水蒸氣（即沒有過露點），則冷凝水飛濺到傳感元上會造成熱沖擊失效。

因此，在氧傳感器安裝布置設(shè)計的時候，應(yīng)當(dāng)盡可能考慮避開容易誘捕冷凝水的區(qū)域，且盡可能靠近排氣管上游。同時在設(shè)計的過程中，需要考慮傳感器的安裝角度。在布置位置時，如果氧傳感器布置在排氣管低洼處的后端，當(dāng)發(fā)動機(jī)停機(jī)后，低洼處會有冷凝水沉積，當(dāng)再次起動發(fā)動機(jī)時，沉積的冷凝水會隨著氣流飛濺到傳感器上，如果此時傳感器陶瓷元件的溫度達(dá)到一定程度，就會出現(xiàn)斷裂。從零部件本身的設(shè)計來說，通過增加陶瓷體保護(hù)層，增加陶瓷體強(qiáng)度，優(yōu)化外層保護(hù)套的設(shè)計等，可以一定程度上規(guī)避水汽直接作用在陶瓷體元件上。在傳感器自身的設(shè)計能力一定的基礎(chǔ)上，正確的布置和應(yīng)用傳感器可以有效地降低氧傳感器的失效概率。目前常用的方法有將傳感器布置在低洼處前端，傳感器的設(shè)計有一定的傾斜角度。

在實際應(yīng)用過程中需要考慮氧傳感器的加熱策略。在對傳感器的加熱時機(jī)上，選擇排氣溫度過露點后再進(jìn)行大功率的加熱等方式來避免失效。因為過露點以后排氣中的水主要以氣態(tài)形式存在，且遇到排氣管內(nèi)壁面后不會聚集成冷凝水，減少了熱沖擊失效的風(fēng)險。經(jīng)過實踐證明，采用該加熱策略可有效降低氧傳感器熱沖擊產(chǎn)生的斷裂失效。

最后，針對氧傳感器在整車排氣管上的設(shè)計，列出了5種不同的設(shè)計優(yōu)化方案，并通過實車測試數(shù)據(jù)，分析對比后，得出了明顯的不同冷凝水負(fù)荷數(shù)據(jù)，見圖3?？梢悦黠@地看到，設(shè)計方案的優(yōu)化和改善對于冷凝水負(fù)荷的影響，通過優(yōu)化傳感器布置及設(shè)計方案，可以明顯提升其抗冷凝水沖擊的能力。以方案2、方案4、方案5為例，從冷凝水隨時間變化的關(guān)系上看，基本呈現(xiàn)拋物線形狀，冷凝水持續(xù)時間越長，冷凝水粒徑越大，則冷凝水負(fù)荷越大。方案5的氧傳感器緊貼催化器上游，且無明顯冷凝水聚集，故冷凝水最少；方案4由于下游有冷凝水聚集，故冷凝水負(fù)荷最大；方案2由于下游沒有下凹管路聚集冷凝水，但法蘭和波紋管也造成了較大的水負(fù)荷，且距離催化器熱源較方案5更遠(yuǎn)，故冷凝水負(fù)荷介于兩者之間。因此，在設(shè)計氧傳感器應(yīng)用方案時，應(yīng)當(dāng)綜合考慮與熱源的距離，上下游凹坑情況，有無波紋管、法蘭等多方面的影響，確保冷凝水負(fù)荷最小，同時優(yōu)化加熱器加熱策略，以減少熱沖擊失效的風(fēng)險。

圖3 不同方案的冷凝水負(fù)荷

3 結(jié)語

本文總結(jié)了氧傳感器在應(yīng)用過程中的若干失效模式及應(yīng)用設(shè)計技術(shù)。主要圍繞冷凝水沖擊的應(yīng)用環(huán)境，分析其常見失效模式、失效機(jī)理及設(shè)計方案。提出了合理布置氧傳感器的安裝位置、安裝角度、采用合理的傳感器加熱策略等方案，同時提出了測試?yán)淠?fù)荷的方法，為氧傳感器應(yīng)用設(shè)計提供量化的數(shù)據(jù)。這一系列設(shè)計已成功應(yīng)用在某車型的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)中，一定程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

［1］ 周志賓，王季豐，辛明華. 汽車氧傳感器電壓輸特性研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（5）： 30-32.［2］ Young C T，Bode J D.Characteristics of Zr-O2 type oxygen sensor for automotive application［D］.Automotive Engineering Congress & Exposition，1979，790143：527.

［3］ 路順，林鍵，陳江翠.氧化鋯氧傳感器的研究進(jìn)展［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007（3）：1-3.

［4］ 許濤，張建操.氧傳感器在發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)中的布置研究［J］.北京汽車，2011（3）：21-22.

（編輯凌 波）

Anti-condensation Technology on Vehicle Oxygen Sensor

LI Xu-hai
（Propulsion System Department， Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd.， Shanghai 201201， China）

Based on the vehicle working environment of oxygen sensor and its design characteristics， some thermal shock resistance methods is proposed， as well as the condense water load test and verification technique. The design scheme to increase the sensor reliability is put forward based on practical examples. The result shows that the design could improve the reliability， robustness and lifecycle of oxygen sensors.

oxygen sensor; condense water; thermal shock

U463.6

A

1003-8639（2017）08-0053-03

2017-05-15；

2017-07-06

李旭海（1982-），男，湖北武漢人，工程師，碩士，主要從事發(fā)動機(jī)電控管理系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用及集成工作。

鍵詞：氧傳感器；冷凝水；熱沖擊