发动机后氧传感器的布置方法

李 飞 许 涛

（安徽江淮汽车股份有限公司）

在使用三元催化转化器降低排放污染的发动机上，氧传感器是必不可少的。为了发挥三元催化剂对CO，HC，NOx的最佳净化功能，必须把混合气体的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内。为了检测出实际空燃比，在排气管中设置了氧传感器，由此检测实际空燃比，并向ECU提供空燃比反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值[1]。一般汽油发动机氧传感器，在布置上普遍采用前后氧布置形式，分别布置在三元催化器的前后。前氧传感器作用是检测发动机不同工况下的空燃比，ECU根据该信号调整喷油量，计算点火时间。后氧传感器作用是检测三元催化器的工作好坏，通过前后氧传感器检测数据对比来进行评价[2]。文章以后氧传感器（氧化锆式氧传感器）某些实车的布置进行分析，通过CFD技术等对其进行优化设计并形成布置设计方法。

1 实车布置分析

1.1 实例1

1.1.1 布置方法

A车型后氧传感器布置，如图1所示。

1）传感器根部朝下且装配孔与水平面夹角为68°，如图1a所示；

2）传感器线束长度为640 mm，但是从传感器根部至接插件固定点直接距离为165 mm，如图1b所示；

3）传感器接插件（1×4）布置在底盘下部，并由一个底盘支架进行卡扣固定，如图1c所示。

1.1.2 分析

1）线束在底盘上有1个固定点，线束上由于没有固定点标示，易产生线束固定长短不一的情况，部分拉扯过紧（线束余量小于30%），导致传感器根部线束疲劳老化断裂；

2）传感器接插件固定在底盘下部，极易造成液态水泼溅，从而导致传感器内部锆元件失效。

1.2 实例2

1.2.1 布置方法

B车型后氧传感器实车布置状态，如图2所示；布置方法示意图，如图3所示。

1）传感器根部朝上，并与水平夹角为60°（符合≥10°的要求），如图 3a所示；

2）传感器线束长度为340 mm，线束穿过车身孔，并在底盘隔热罩上有个固定点，如图3b所示；

3）接插件（1×4）布置在车身内部，并给予固定，可以有效避免防止液态水泼溅，如图3c所示。

1.2.2 分析

传感器接插件宽度尺寸大于底盘钣金开孔直径，导致装配工艺只能是先装传感器再装接插件，导致传感器根部安装结束后线束扭曲严重。同时线束没有固定点标示，导致固定位置距离传感器根部较近，线束余量无法保证，从而导致传感器线束内部断裂失效。

2 后氧传感器布置要求

2.1 工作环境

传感器常规工作温度范围要求，如表1所示。最大过热温度定义为：氧传感器可在其寿命期限内忍受此最大温度下不超过250 h，并且这250 h内由每次不超过10 min的时间段累计而成。

表1 传感器工作环境要求表 ℃

2.2 安装要求

2.2.1 安装位置

后氧传感器的理想安装位置是在三元催化转化器至下游外壳的延长管上、且距催化器载体后端面80～300 mm。当三元催化器下游与排气消声器之间为带有装配法兰结构时，为了防止因联结法兰漏气，造成排气氧含量信号的错误判断，须将传感器装配布置在三元催化转化器一侧的联结法兰的上游。同时由于后氧传感器采集氧信号的头部布置位置，需要根据三维CFD软件Fire对整车的排气管路流场进行分析，因此布置在排气管道上的主流区，以避免信号采集失效。图4示出氧传感器安装位置示意图。图5示出某车型排气管路流场分析。

图5中蓝色区域为废气稀薄区，红色区域为废弃主流区。传感器头部布置在蓝色区域时将不能完全与废气接触，对废气中氧信号的判断会产生数据漂移，故不应布置在蓝色区域。

2.2.2 安装方向

后氧传感器的装配位置选择，应避免路面砂石直接冲击，或飞溅到氧传感器的外壳及传感器的线束上。所以氧传感器的头部应朝下装配，且其装配孔轴心线与水平面夹角不小于10°。图6示出氧传感器安装方向要求示意图。

后氧传感器的安装方向应尽可能减少冷凝水，在传感器头部附近或传感器自身内产生聚集的可能性，以避免在排气中，冷凝水使传感器锆元件造成热冲击损坏。在调整传感器头部角度时，传感器的根部应与底盘位置保持最大的间隙，以防止汽车在极限路况或底盘排气系统橡胶悬臂老化时，出现传感器根部磕碰底盘的现象。在布置允许的情况下，可以考虑在传感器外部增加防护，以防止砂石泼溅碰撞至传感器导致失效[3]。

2.2.3 车身装配孔尺寸

对于接插件选在车身内部的后氧传感器布置设计，由于传感器需要穿过车身底板，传感器线束设计了防水橡胶密封塞，用于防止线束磨损造成短路。传感器一般采用从外向内装配方式。图7示出后氧传感器橡胶密封塞结构示意图。

2.2.4 传感器线束布置

传感器线束需要结合不同车型的实际布置选取最优长度，底盘的线束过孔尽量设计在传感器的安装位置上部，从而杜绝线束在底盘进行固定。如实在需要一个固定点，建议传感器线束根部至第一固定点留有30%～40%的线束余量，如图8所示。为了固化量产装配一致性，在线束上需要固定的位置进行颜色标示，或将固定卡扣直接随传感器线束设计固化，从而指导工艺装配，避免因线束余量的选型正确，而在装配工艺上无法保证一致。线束走向上选择时，为避免传感器根部线束磨损，应杜绝线束折弯角度过小（＜90°）的现象产生，避免氧传感器线束在装配时过分扭曲和变形。另外，传感器安装扭矩应为38～46 N·m，新传感器螺纹表面应涂有防烧结剂。

3 结论

1）实车的布置试验结果显示，未严格按照布置设计方法进行应用布置，会产生这样或那样的失效问题，因此可以按文章所提出的布置方法进行改善。在设计上，现阶段普通车型后氧传感器的布置应严格按照要求布置，才能大大降低开发成本，缩短开发匹配周期。

2）现阶段随着电喷系统的升级换代，传感器对布置的要求也越来越高，但是大部分传感器的布置经验仅停留在静态布置经验，应结合零部件开发，运用相应的实车验证试验，并总结动态布置经验，结合零部件本身工作环境要求及工厂的装配工艺要求、售后的维修便利要求3个方面进行布置设计方法总结。