电喷摩托车氧传感器温度特性试验研究

李星韵，刘昌文，杨延相，郗大光，张 平

(1.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072;2.天津大学 内燃机研究所，天津300072;3.浙江福爱电子有限公司，浙江 杭州310018)

0 引 言

氧传感器的反馈信号是电子控制单元(ECU)判断发动机缸内混合气稀浓状态的重要依据，是闭环电控系统的重要一环。非加热型开关式ZrO2氧传感器具有能耗低、成本低廉、性能稳定［1～3］的特点，广泛应用于摩托车电喷系统中。但其有一定的局限性:由于没有加热器，只能靠排气温度加热［1，4］，为了保证可靠的起燃时间，安装位置不能离排气口太远，但在排气口近端又可能因为排气温度太高而导致传感器零部件过热损坏，影响其性能与寿命。

对此，国内外的工作者们做了一些相关研究:Scheffe M等人［5］在氧传感器排气系统的数学模型中加入了温度的分析，并通过试验验证了计算结果;张晓岩等人［6］对氧传感器探头部位的温度场进行了CFD 分析;包俊江等人［4］对电喷摩托车排气管上的三个典型位置与排气温度的关系进行了试验研究，提出了一种氧传感器安装位置的选择方案。以上研究定性地总结了氧传感器排气和探头温度随安装位置的变化趋势，但没有涉及传感器其他部位的受热状态，改变排气管安装位置的方案不能保证传感器所有零部件的降温效果，同时存在起燃特性恶化的风险。一些研究者从非排气管布置与优化本身结构的角度出发，比如:本田公司［7］提出的一种缸头布置方案，加强了氧传感器的散热，但是存在安装位置设计困难，通用性低的缺陷;李娇等人［8］对氧传感器进行多孔夹层的结构优化，改善了其热震性，但工艺复杂、且只能用于片式传感器。

对于摩托车电控系统，需要找到一种既能保证传感器工作性能，又可以节约成本、易于实施、且泛用性高的过热保护方案。

本文通过台架试验系统研究了氧传感器在排气管上的不同安装位置对其起燃时间和关键部位工作温度的影响，提出了一种加强传感器散热的方案(一种散热片)，并通过对比试验验证了该方案在实车上的应用效果。

1 试验设计

本试验所用摩托车氧传感器为非加热型管式ZrO2氧传感器，主要分为两部分内容:

1)氧传感器起燃时间、零部件温度特性与排气管安装位置关系的研究试验;

2)采用所设计散热方案前后的起燃时间与零部件工作温度的对比试验。

试验在摩托车专用测试台架上进行，测功机为MC100型30kW 摩托车底盘直流测功机，测温设备为K 型热电偶温度采集卡，标定软件为浙江福爱电子公司研发的FAI DATAVIEW 软件。选用现实使用中三种常见代表性排量的FAI 电喷改装摩托车进行试验，参数见表1。

表1 试验用摩托车参数Tab 1 Parameters of testing motorcycles

安装位置的选择要保证传感器可以顺利活性化，各个口之间温度有一定的梯度变化，所以，其与排气口距离不宜超过400 mm，并应尽量沿排气管轴向均匀布置。此外，在排气口附近安装温度传感器来监控排气温度，安装孔的布置见图1 和表2。

图1 安装孔分布Fig 1 Distributions of mounting hole

试验系统的结构框图见图2，起燃时间的检测通过FAI电子自主研发的标定软件DATAVIEW 实现，它可以接收ECU 收到的氧传感器信号并实时显示。因为氧传感器在试验过程中温度可能达到800 ℃以上，选用精度高、范围大的K 型热电偶，采集到的温度通过A/D 转换卡处理后在PC 上位机显示与保存结果。

图2 试验系统结构Fig 2 Structure of testing system

2 起燃时间与温度特性试验

2.1 起燃时间试验与结果分析

起燃时间是判断氧传感器性能优劣的重要参数之一，氧传感器中的ZrO2要在温度足够高(一般350 ℃以上)时才能工作。如果起燃时间过长，发动机无法迅速进入闭环控制，会严重影响排放与经济性［9］。发动机冷启动后只进行怠速时，排气温升最慢，传感器的活性化也最慢。所以，本文选用冷启动怠速工况作为试验工况。在试验台架上搭载有风机，每做完一组试验，通过风冷方式使发动机的温度冷却到室温后再进行下一组试验。

国三排放的FAI 电喷系统要求，氧传感器起燃时间阈值即最长可用起燃时间为120 s，超过此时间则不能选用。

试验测得的氧传感器起燃特性结果见图3。

图3 起燃时间测试结果Fig 3 Testing results of light-off time

图3 中，三种车型Port 3 的起燃时间均超过了所规定的阈值，对于150 mL 车，Port 4 距离排气口更远，所以，起燃时间会更长。可以看出，存在一个阈值(因车而异，如150 mL车为150 mm 左右，250 mL 车为230 mm 左右)，当距离超过此值时，起燃时间将无法满足正常要求，即排气管上的可用安装位置是有限的。

2.2 耐热特性试验与结果分析

在氧传感器的各个部件中，容易过热损坏的部件有:锆元件探头、金属外壳、陶瓷件等。这些部位是主要研究对象。本文选定的测温部位与各部位温度阈值如图4 所示。

图4 温度测试部位示意图Fig 4 Diagram of temperature testing position

在保证摩托车正常行驶的条件下，排气温度越高时传感器受热越严重，试验选取了两种排气温度较高的极限行驶模式，即高速行驶与高负载行驶两种摩托车运行中两种最常见、最具代表性的工况，具体运行条件如下:

1)公路路况行驶:50 km/h，五档(约4 min)→节气门全开全速行驶，五档(约90 s)→怠速约2 ～3 min 至温度基本稳定;

2)最大输出功率(爬坡):保持最大输出功率时转速，二档(约5 min)→怠速至温度稳定。

试验时只研究起燃时间合格的Port 1 和Port 2 位置，分别对三种摩托车以上述两种工况进行温度测定试验，其中250 mL 车Port1 的温度变化趋势见图5。

图5 250 mL Port 1 温度测试结果Fig 5 Temperature testing result of 250 mL Port 1

可以看出，在两种工况下探头对排气温度变化的响应最快，在节气门全开时达到最大值。这是因为其与排气直接接触，其他三个部位暴露在排气管外部，由于传热的延迟在试验过程中始终处于升温状态，在怠速过程中才达到最高值，工况2 排气温度更高，氧传感器的受热也更严重。另外两种车也有类似的变化趋势。各部件的最高温度测定结果见图6。

图6 最高温度测试结果Fig 6 Highest temperature testing result

图6 中，由于金属壳的材料本身耐热性好，基本不存在过热情况。探头和橡胶套在正常行驶时，温度基本在可用范围之内，但是在极端路况(工况1 中节气门全开时、工况2 整个过程)条件下，由于排气温度极高，安装位置太近可能使温度逼近甚至超过限定值，有损坏的可能性。陶瓷套筒在整个试验传感器在电喷摩托车排气管上使用时有过热损坏的风险。

3 优化方案与验证试验

本文设计了一种散热片，代替原有的密封垫片安装在氧传感器的螺纹处来加强散热，可以避免结构材料和安装位置的变动。如图7(a)所示，为了保证氧传感器的探头在排气管中能与排气充分接触，设计散热片厚度为2 mm，与氧传感器原有垫片厚度相同;内径为M12×1.25 的螺纹;同时为了保证便于使用套筒扳手进行拆卸，并满足排气管安装空间的需求，设计散热片外径为28 mm，壁厚2 mm;为兼顾散热效果与机械强度，沿周向均匀布置8 个散热槽;装配如图7(b)所示。使用时该防热罩的整体裸露在排气管外部，与金属外壳接触，根据温度试验的结果推测其温度不会超过500 ℃，所以，材料采用散热效果较好，且熔点高于500 ℃的铝合金。

图7 散热片三维图Fig 7 Three-dimensional view of cooling fin

为了验证其效果，使用散热片在相同条件下进行工况1 与工况2 的温度测试试验。

图8 显示的是受热情况最严重的工况2 Port 1 试验结果，因为探头处在排气管内部，散热片的作用并不明显，温降小于10 ℃。但是剩下三个部位平均有50 ～60 ℃的温降，尤其是陶瓷套筒，最高达到79 ℃的温降，对于125 mL 车辆，在Port1 处使用散热片以后探头温度依然存在超标风险，但在Port 2 安装即可满足要求，而对于另两种车型，使用散热片在所研究安装位置均可使最高温度达到阈值以下。三种车使用散热片后，位于Port 2 的起燃时间分别为77，64，92 s，与原传感器测试结果相近。可知，散热片对该传感器外露部分的散热作用很明显，对起燃特性影响微小，基本实现了防止氧传感器过热损坏的功能。

图8 工况2 Port 1 试验对比结果Fig 8 Testing comparison result of working condition 2 port 1

4 结 论

起燃时间和工作温度是影响氧传感器工作性能与寿命的两大重要因素。试验结果表明:

1)排气口距离越远，起燃时间越长，安装位置超过一定距离将无法满足工作要求;

2)距离排气口越近，各部件工作温度呈上升趋势，距离排气口太近，则部件(尤其是陶瓷件)可能由于过热而损坏;

3)设计了一种散热片，无需改变传感器结构与安装位置，通过试验证明了其在保证起燃时间的前提下，可以抑制氧传感器的过热现象。

［1］ 夏朝阳，卢旭晨，阎 岩，等.保护层对汽车尾气氧传感器响应特性影响［J］.传感器与微系统，2011，30(8):25－27.

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