平板式极限电流型氧传感器热应力数值分析.pdf

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1、2015笠仪表技术与2015第2期InstrumentTechniqueNo．2平板式极限电流型氧传感器热应力数值分析任继文，徐雅琦(华东交通大学机电工程学院，江西南昌330013)摘要：对平板式极限电流型氧传感器冷启动时的热应力耦合场进行了模拟。通过施加阶跃电压取代恒定电压的方法，解决了响应时间和稳定工作温度的矛盾。电热耦合模拟分析结果显示，设计的传感器响应时间为5S，稳定工作温度为800oC。热力耦合模拟分析显示，在氧传感器实际安装使用时，热应力主要取决于装配应力，由于LSCM／3YSZ扩散障材料的热膨胀系数与YSZ电解质材料相近，用它

2、制备氧传感器，其最大热应力小于各层材料的断裂强度，解决了LSM与YSZ热不匹配的问题。关键词：极限电流氧传感器；热应力；耦合场；冷启动中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1002-1841(2015)02—0008—03NumericalAnalysisofThermalStressofPlanarAmperometricOxygenSensorRENJi—wen．XUYa—Qi(SchoolofMechanicalEngineering，EastChinaJiaotongUniversity，Nanchang330013，Chi

3、na)Abstract：Inthispaper，thermalstresscoupledfieldforcoldstartoftheplanaramperometricoxygensensorswassimulatedandanalyzed．LoadingstepvoltageinsteadofconstantvoltageisagoodmethodtOresolvethiscontradictionofresponsetimeandstableworkingtemperature．Theresultofelectro—thermalcou

4、plinganalysisshowsthattheresponsetimeofthissensoris5Sandthestableworkingtemperatureis800℃．Theresultofthermo—mechanicalcouplinganalysisshowsthatthethermalstressmainlydependsontheassemblystressinactualinstallation．AsthethermalexpansioncoeficientofLSCM／3YSZdiffusionbarriermat

5、erialisclosetotheYSZelectrolytematerial’S，theLSCM／3YSZmaterialisusedtomakeoxygensensor．Thissensor’Smaximumther—malstressislessthantherupturestrengthofalllayers，whichcanovercomethethermalmismatchofLSMandYSZ．Keywords：amperometricoxygensensor；thermalstress；couplingfield；colds

6、tart0引言层、铂电极、氧化铝绝缘层、铂加热器、氧化铝基体。随着全球对汽车尾气排放问题的关注，减少和控制尾气的氧化铝保护层装置也得到了广泛的应用。目前，控制汽车尾气排放的方法主Pt电极要采用带有氧传感器和三元催化反应器的空燃比闭环反馈控扩散障层制系统，因而使氧传感器得到了重视。平板式氧传感器集加热YSZ电饵质层器与感应元件于一体，铂金及锆粉用量小，相对成本较低，且可大幅缩短启动时间，因此传统管式加热型氧传感器将被平板式Pt电极汽车氧传感器替代J。目前，广泛用于三元催化系统的主要是氧化铝绝缘层浓差电压型氧传感器，但此类氧传感器不适于宽范围空

7、燃比的加热器控制，因此，极限电流型氧传感器受到了广泛重视。氧化铝基体以集成加热器的平板式极限电流型汽车氧传感器为例，建立其有限元模型，对其冷启动时传感器温度场和热应力场进行分析。目前极限电流氧传感器常用的扩散障层材料为LSM材图1平板式极限电流型氧传感器结构简图料，但是这种材料与YSZ电解质材料热不匹配，容易造成断裂。由于保护层和传感器电极较薄，故该模型忽略了这些层。文中通过合理设计，采用合适的材料，使得传感器工作温度、响参考Richard等2003年设计的宽范围氧传感器，设计此氧传应时间和强度均满足需要。感器各层厚度为：LSM扩散障层为2

8、00m，YSZ固体电解质层1分析方案为400tzm，氧化铝中间绝缘层为200Ixm，Pt加热器为50m，平板式LSM极限电流型氧传感器结构设计如图1所示，为氧化铝基体为200m．