氧傳感器失效分析及預防

蘇偉宗 馮翠平

摘 要：本文對某型號發動機的問題進行研究。通過對氧傳感器內部進水的原因分析，結果表明：該型號發動機轉氧傳感器內部進水原因為防水膠塞密封設計不合理。

關鍵詞：氧傳感器；腐蝕；密封

中圖分類號： TP212.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）10-136-2

0 引言

隨著汽車排放法規的不斷進步，氧傳感器在整個控制系統中起著至關重要的作用。它被用于探測汽車發動機所排出的燃燒廢氣中氧的含量，并通過自身產生的電器反應信號反饋給發動機電子控制模塊，以作為系統燃油管理系統的閉環燃油修正補償控制的重要依據。因此，研究氧傳感器的失效原因及預防方法，對于改善發動機的排放有著至關重要的作用。

1 氧傳感器概述

現代發動機管理系統多采用加熱式氧傳感器。主要分為非加熱型和加熱型兩種類型氧傳感器。其主要組成部分：陶瓷元件，它是一種充滿無數微孔的陶瓷基礎元件，外面鍍有氧化鋯涂層，該涂層外測暴露于發動機燃燒廢氣之中；涂層的內側透過含微孔的陶瓷元件與大氣相通。集中在氧化鋯內外兩側電極之間氧含量的差別形成的微分電壓信號。

加熱型氧傳感器工作原理：當氧化鋯元件被電流加熱或被流經傳感器的燃燒廢氣加熱所激活，空氣經陶瓷元件微孔進入氧化鋯元件的內電極，而燃燒廢氣流經氧化鋯的外電極。氧離子將從氧化鋯內電極向外電極移動，傳感器的內外電極之間構成了一個簡單的原電池。當燃燒廢氣中氧含量的變化不同時，在兩個電極之間產生不同的輸出電壓信號。氧傳感器將根據發動機燃燒廢氣中氧離子濃度的高低變化來改變這一輸出電壓信號的高低。

2 氧傳感器失效

在實際使用過程中， 常常發生氧傳感器失效的情況， 如加熱異常等。這主要是氧化鋯涂層失效，引起此種失效原因為中毒和腐蝕兩種。

中毒可分為物理性和化學性兩種。物理性中毒是由于尾氣中夾雜碳、鉛等微粒物，沉積在陶瓷元件表面，微孔被阻塞，形成電離子速度減慢，信號輸出不靈敏；化學性中毒由于汽油中Mn、P、Zn、Pb 等與氧化鋯元件發生化學反應導致鋯元件失效。

氧傳感器中毒預防大致可采取兩個方面的措施：一是研制抗毒的Pt電極材料；但工作周期長，不能快速滿足市場急需。二是對元件防護，即對涂層材料研究，重要的是選擇易得，便宜且工藝簡單的涂層材料。現階段雖有一些車企采用了涂層工藝，但未找到失效原因，造成使用周期短。因此，氧傳感器失效主要以腐蝕失效做重點分析、研究和預防。

氧傳感器腐蝕如圖1所示，即外界的水汽進入傳感器內部，附著在陶瓷體元件上，經長時間的積累，與相關元件發生化學反應，造成腐蝕，致使輸出電信號能力下降。

2.1 氧傳感器失效分析

氧傳感器進水路徑：線束電纜的外層包裹的銅絲間存在間隙，在實際應用過程中，當與氧傳感器線束連接的通道中有水滲入時（如接插件泄漏），水可以通過電纜芯線中銅絲的間隙進入到保護套腔內，進而污染傳感元的空氣參考腔，最終導致氧傳感器功能失效。

2.2 氧傳感器試驗驗證

試驗標準：根據國標GB/4208—2008 外殼防護等級試驗標準。

試驗方法：將水壓在50kPa-150kPa的范圍內，試驗期間水壓保持穩定不變，1min內插接器的泄漏量為1mg。

檢測結果：氧傳感器插接件在0.06MPa氣壓（如下圖3所示），在插接件防水膠塞位置泄漏（如下圖4所示）：

2.3 對插接件檢測

根據以上檢測結果對插接件相關零部件拆解，對相關尺寸給予檢測：檢測防水膠塞外徑為圖5所示為Φ5.24mm，膠塞安裝孔內徑為圖6所示Φ4.68mm，線束外徑為圖7所示Φ1.22mm。

保持防水膠塞內徑及線束直徑尺寸不變，根據傳感器進水原理、失效位置及公差配合分析，需增加防水膠塞與線束過盈配合量，因此需重新選擇防水膠塞外徑為圖8所示為Φ5.36mm。

2.4 公差尺寸配合計算

①優化前防水膠塞外徑（Φ5.24mm）與插接件安裝孔（Φ4.68mm）配合過盈量為0.56mm；

②優化后防水膠塞外徑（Φ5.36mm）與插接件安裝孔（Φ4.68mm）配合過盈量為0.68mm；

相比優化前防水膠塞過盈量增加0.12mm。

2.5 試驗驗證

依據3.2國標GB/4208—2008 外殼防護等級試驗標準，對優化后氧傳感器防水性能進行驗證：氣壓在0.08MPa狀態下，插接件未泄漏。

3 結論

通過此次分析不難發現，造成此次氧傳感器內部進水失效直接原因為插接件防水膠塞密封性設計不合理。

參 考 文 獻

[1] 耿衛芹，錢曉良.汽車氧傳感器的失效及預防[J].2002.

[2] 李旭東，王偉強.片式氧傳感器專用無機密封料的試驗研究[J].2014.

[3] 秦樹基.汽車用氧傳感器[J].傳感器技術，1992（3）：5-11.