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车载氧传感器高温应用技术
李旭海 马达
泛亚汽车技术中心有限公司 驱动系统部 上海市 201201
摘 要： 基于氧传感器在整车上的高温应用,以某车型的实际应用为例,阐述氧传感器工作于高温环境后导致稳健性降低的机理,分析影响氧传感器温度的因素,并提出降低排温,优化下护罩材料,散热流速及流向,优化隔热罩形状等方法.结果表明,应用这些设计方法能有效改善氧传感器温度负荷,提高氧传感器抗热老化性能,增加系统的设计稳健性.
关键词：氧传感器；高温保护
1 引言
在汽车发动机中,当燃烧室内混合气控制在理论空然比周围时,车载三元催化器的催化效率最高,汽车尾气的排放达到最佳状态.氧传感器用于测定废气中的氧,将发动机喷油量控制在理论空然比周围,实现最佳尾气排放.氧传感器安装在排气管上,受高温等各种因素的影响,工作环境恶劣.氧传感器需要伸入排气管中.这一特性对氧传感器尤其是传感器下端部分的抗高温性能提出了苛刻的要求,同时传感器位于排气管外侧的部分,如六角头,线束缩口区域,也会受到来自排气管及传感器金属部分的热传导,排气管外壁的热辐射等影响.这就要求在氧传感器设计及应用中采取合适的措施和方法保证其具备足够的可靠性和稳健性.
2 氧传感器基本原理及结构
氧传感器的工作原理类似一个简单的感应电池.陶瓷体内外表面覆盖着一层充当电极用的导电,一般采用的材料为Pt .工作时,插在排气管中的感应元件的外侧电极和发动机燃烧后的尾气接触,而内电极内侧通过一定路径和大气接触.当传感器内外电极两端的氧气含量不相同时,其内外2 个电极之间便产生了电动势.由于空气中的氧的浓度是一定的,所以传感器感应电动势的大小取决于排气中氧含量的高低.输出电动势E 可由
3 高温应用
3.1 排气管内部分的高温应用氧传感器应用高温环境中,其不同的部位能承受的温度极限有所不同.图1 显示氧传感器的结构,箭头方向表示尾气的流动方向.以螺纹处为分界线,螺纹下部包括伸入到排气管中的感应元件以及保护感应元件的下护罩两个部分,在整车应用环境中主要承受高温尾气,水汽和燃油添加剂等因素的影响,工作环境恶劣.螺纹上部暴露在发动机外部,主要承受发动机热传导,辐射,以及周边环境水汽颗粒物等杂质的影响.整个传感器温度敏感区域包括以下几个部位：（1）下护罩；（2）传感元；（3）六角头；（4）线束缩口；（5）接插件.
传感器上不同温度敏感区域温度过高会导致传感器产生各种不同的失效模式.例如.传感元温度过高会导致传感元开裂；传感元护罩温度过高会导致护罩变形,氧化或者开裂；六角头温度过高会导致参考空气腔污染,以及引起传感器电压信号偏移；线束缩口处温度过高会导致泄露,参考空气腔污染以及引起传感器电压信号偏移.
先分析伸入到排气管中的感应元件的保护罩,即下护罩.目前传感器的下护罩基本选用耐热钢,最高使用温度要求一般能够到达1000° C.在实际的整车开发过程中发现,使用上述材料开发的氧传感器并不是在所有应用中都是一帆风顺.随着一些大排量高性能发动机的普及,发动机的燃烧排温越来越高,在某些应用条件下传感器的下护罩在尾气的作用下随着时间的推移,存在不同程度的变形,开裂和脱落的现象.经过查阅相关文献和一定的试验分析发现该类型钢长时间在1100° C~400C°的温度范围内快速加热和冷却会造成奥氏体晶粒长大,造成各种力学性能下降,开裂和畸变的倾向加大,这一特性和发动机尾气的温度变化十分的相似.发动机尾气交变的特性也可以导致金属护罩晶粒变大.另外尾气中含有氧气,水汽,NOx等物质.在尾气的作用下处在高温环境的金属护罩容易被氧化生成氧化亚铁,该物质的特征为疏松的粉末状物质,与基体结合力差,在排气的气流冲击下,生成的氧化物会快速剥落,外露的基体继续被氧化,氧化物再次剥落,这一现象将随着时间的推移造成壁厚减少.当壁厚逐渐减少,应力集中点等最薄弱的地方容易出现沿晶裂纹,裂纹在气流冲刷下,快速扩展,最终导致断裂.为了在试验室模拟这种高温失效,采用模拟尾气在电加热炉中对氧传感器进行老化,设定一定的空气环境.在多次的加热冷却循环后,数据显示实验材料本身的重量会随着试验的推进先增加后逐渐的减少,这是由于金属材料在周边环境的作用下先由于氧化作用所以一开始质量略有增加,但是随着时间的推荐氧化层开始脱落.按照这一现象进行推测,材料最终将会开裂失效.基于试验和实际情况法系得出的高温尾气导致传感器下护罩失效机理如下：金属材料在汽车尾气环境的作用下,通过不断的氧化和脱落过程,和晶粒变大过程,当作用达到一定时间和里程时,类似的失效发生.
鉴于以上的失效机理和传感器在排气管上应用环境影响因素特点,在兼顾设计成本和动力性经济性的考虑的基础上,可以采用更改喷油控制参数降低整车的排气温度和选用更抗高温和腐蚀的传感器护罩材料增加护罩尺寸等两个方面来来解决氧传感器应用问题.优先采用降低排温来控制传感器下护罩的氧化速度的方法,保证在传感器生命周期内不失效.
3.2 排气管外部分的高温应用技术
氧传感器的高温应用,除了要考虑到氧传感器位于排气管内部的部分外,同时也需要考虑外部诸如六角头,线束缩口等区域的温度,这个地方的温度明显受到来自于整车散热和传感器安装位置,改善散热风扇的位置和周边散热边界可以改善氧传感器温度负荷,如图2,将原来的单风扇（出风口中心和氧传感器不对齐,即风扇不直接对着氧传感器吹风）改为双风扇,风扇的一个通风口直接对着氧传感器六角头和线束缩口吹.对比发现,两者差异主要在于热力学流场的改变,在同样的运行工况和环境温度下进行不同车速的对比的测试,结果发现,氧传感器六角头温度和线束缩口的温度均有所降低,其中降低线束缩口的温度降低幅度更大,说明线束缩口受对流换热的影响更大.
这个可以用以下的热力学的原理进行分析和解释.对流换热系数可以用下面的公式来表示：
可见,不论是来自排气中的高温废气还是来自前舱风扇的冷却空气,两个重要的参数会影响到氧传感器的温度负荷,其一是气流的流速,流速越高,高温废气对于氧传感器的加热效果越大,而前舱风扇对于氧传感器的冷却效果也越好；另一个参数是气流的温度,废气和冷却风的温度越高,氧传感器温度负荷也会越大.研究发现,优化出风及氧传感器散热边界后,氧传感器表面对流换热系数增加,冷却效果改善.六角头和线束缩口处的温度均有所降低,其中,线束缩口处温度降低效果更为明显,这是因为该处相对于六角头远离热源：高温排气,因此很好地证明氧传感器远离热源的温度控制点受到热传导的影响比例减少,受到对流换热的影响比例增大.
另外,为了降低温度,还研究了氧传感器周围的散热环境.通常,位于氧传感器和排气系统之间的隔热罩会降低来自排气管的热辐射,但是如果隔热罩的形状阻挡了来自前舱风扇的冷却气流,会降低氧传感器表面的对流换热系数,造成了前氧散热不够充分.针对这种情况,研究了改进隔热罩形状对氧传感器的温度影响, 即将隔热罩挡住氧传感器散热迎面风的地方去除并优化,表1 给出了优化隔热罩对于温度改善的效果.可以看出,优化后,氧传感器表面对流换热系数增加,冷却效果改善.六角头和线束缩口处的温度均有所降低,其中,线束缩口处温度降低效果更为明显,这是因为该处相对于六角头远离热源：高温排气,因此很好地证明氧传感器远离热源的温度控制点受到热传导的影响比例减少,受到对流换热的影响比例增大.
最后,通过改变排气温度记录六角头温度变化情况发现氧传感器六角头处的温度变化明显更多的受到热传导的影响,两者有较为明显的线性相关性,通过拟合的方法得到两者的关系,可近似用以下公式表示：y等于0.9701x-193.64 .
4 结语
（1）氧传感器位于排气管排气侧的部分,如下护罩,主要受到高温排气对流换热影响,可以通过加强金属材料或降低排温防止氧化变形甚至脱落.
（2）氧传感器位于排气管的部分,如线束缩口,六角头区域,同时收到传感器本身的金属部件的热传导,排气管避免辐射和外界风扇散热影响,可以通过优化传感器本体结构,排气管隔热罩及散热边界（流速,流向）等方法改善温度负荷.
（3）距离排气侧越远的区域,受到发动机前舱散热影响越明显,该结论可以指导我们在制定改善热负荷方案时优先采用的措施和方法.
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