CN101063668A - 带有用于防止传感元件被水溅湿的护罩组件的气体传感器 - Google Patents

带有用于防止传感元件被水溅湿的护罩组件的气体传感器 Download PDF

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CN101063668A CNA2007101011164A CN200710101116A CN101063668A CN 101063668 A CN101063668 A CN 101063668A CN A2007101011164 A CNA2007101011164 A CN A2007101011164A CN 200710101116 A CN200710101116 A CN 200710101116A CN 101063668 A CN101063668 A CN 101063668A
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Abstract

本发明公开了一种气体传感器带有由内罩和外罩构成的罩体组件，气体传感元件被布置在所述的内罩中。外罩带有外进气口和外出气口，其中的外出气口被形成为比外进气口更靠近罩体组件的顶端。内罩具有内进气口，其被形成为比外进气口更靠近罩体组件的顶端。内进气口的朝向被设计成可防止水滴随同被测量气体进入到内罩中，从而避免了气体传感元件被水溅湿。

Description

带有用于防止传感元件被水溅湿的护罩组件的气体传感器
与相关文件的交叉引用
本发明要求享有如下专利申请的优先权：在2006年4月27日提交的第2006-124074号日本专利申请、以及在2006年11月15日提交的第2006-309297号日本专利申请，这些申请的公开内容被结合到文中作为参考。
技术领域
本发明总体上涉及一种气体传感器，其可被安装到内燃机的排气系统中，以确定O2的浓度、空气-燃料比、或废气排放物中的NOX浓度，更具体而言，本发明涉及一种气体传感器的改进结构，这种传感器上配备有护罩组件，用于防止传感元件由于被水溅湿而损坏，同时也不会牺牲气体传感器的响应速度。
背景技术
图19表示了一种典型的氧传感器9(其也被称为O2传感器)实例，该传感器将要被安装到车用内燃机(图中未示出)的排气管中，用于测量废气G中所含氧气(O2)的浓度，并以此作为充入到发动机中的混合气的空-燃比的函数，用于对发动机中的燃烧进行控制。
氧气传感器9包括气体传感元件92和保护罩组件93。气体传感元件92中设置有由氧化锆制成的固态电解质体，且该传感元件被布置在保护罩组件93中。保护罩组件93是由不锈钢等金属制成的，且其上制有进气口933，废气G经该入口933进入到保护罩组件933中。
废气G从进气口933处进入到保护罩组件93中，并到达气体传感元件92处。气体传感元件92对废气G是敏感的，从而产生出信号，该信号作为氧气浓度的函数。
在发动机停机期间，废气G中所含的湿气遇到冷却后排气管的已冷却内壁，从而凝结成水滴。在发动机刚刚启动之后，废气G的温度低，在此条件下，水滴将会被废气G吹带走，并随废气G一起进入到保护罩组件93中，而不是被蒸发掉。
如要正确地测量氧气浓度，就需要将气体传感元件92保持在400℃或以上的高温条件下-即使其处于激活状态。因而，如水滴粘附到保护罩组件93中气体传感元件92的表面上，则就会使气体传感元件92受到热应力而损坏。
从图19可清楚地看出，为了减少水对气体传感元件的粘附，将保护罩组件93制成了具有内罩931和外罩932的双层壁结构，且内罩931上也设置有进气口933，在废气G的流动方向上，入口933并不与外罩932上的入口对正。
但是，如图19所示，水滴W在粘附到外罩932外表面934上的情况下，就可能在外表面934上移动到进气口933处，并进入到外罩931中。水滴还可能在内罩931的外表面936或外罩932的内表面935上进一步地滑动，从而移动到内罩931的进气口933处，然后进入到内罩931中，这样，水滴就将粘附到气体传感元件92上，由此导致气体传感元件92的损坏。
为了避免上述问题，如图20所示那样，日本专利首次公开文件8-240559介绍了如下的方案：气体传感元件92上覆盖一层拒水性的保护膜94，以阻止水粘附到气体传感元件92上。
但是，在气体传感元件92的表面上设置保护膜将导致废气G到达气体传感元件92感测部分所需的时间增加，这将导致气体传感元件9的响应延迟。这样的设计还会导致气体传感元件92的热容量增加，因而延长了气体传感元件92变为激活状态所需的时间。
如图21所示，第4-11461号日本实用新型首次公开文件披露了这样的技术方案：气体传感器90上设置有保护层940，该保护层被制在保护罩93上，用以遮盖住进气口933。如果保护层940遮挡着进气口933的幅度太宽，则如上述的公开文件那样，将导致废气G到达气体传感元件920所需的时间增加，这将使得气体传感元件9的响应延迟。
发明内容
因而，本发明的一个目的是提供一种结构改进的气体传感器，其能防止传感元件由于被水溅湿而损坏，同时还不会影响气体传感器的响应速度。
根据本发明的一个方面，本申请提供了一种气体传感器，其可被用来测量机动车内燃机的废气排放物中特定气体的浓度。该气体传感器具有带有基端和与基端相对的顶端的长度，该传感器包括：(a)气体传感元件，其具有对所要测量气体的浓度敏感的感测部分，以便于生成反映该浓度的信号；(b)壳体，其具有基端和与该基端相对的顶端，壳体将气体传感元件包容在其中；(c)罩体组件，其具有基端和与基端相对的顶端，且该顶端接近于气体传感器的顶端，罩体组件包括外罩和布置在该外罩中的内罩，罩体组件在其基端处与壳体的顶端相接合，以将气体传感器的感测部分置于内罩中；(d)制在罩体组件中外罩的周壁上的外进气口；(e)外出气口，其被制在罩体组件中外罩的一个部分上，该部分比外进气口更接近于罩体组件的顶端；以及(f)内进气口，其被制在罩体组件中内罩的一个部分上，该部分比外进气口更接近于罩体组件的顶端。内进气口是由开孔形成的，该开孔的形状被设计成这样：其轴向中线被定向成从内罩的外侧指向内侧，并被确定成在直角坐标系内具有垂直正交分量，该分量被定向为沿着气体传感器的轴向方向指向气体传感器的基端。
如上所述，罩体组件具有制在外罩上的外进气口和外出气口、以及制在内罩某一部分上的内进气口，且所述部分比外进气口更靠近罩体组件的顶端，这样就使得来自于横向方向的被测量气体(下文将被称为测量气体)将被从外进气口引入到外罩与内罩之间的空隙中。大部分测量气体将流向罩体组件的顶端，然后从外出气口流出，而其余部分的气体将在内进气口处进入到内罩中，随后到达气体传感元件处。
内进气口所处位置比外进气口更接近于罩体组件的顶端，且其形状被设计成：其轴向中心线被定向为从内罩的外侧指向内侧，且具有指向气体传感器基端的垂直正交分量。这就使得从外进气口进入的测量气体被分成了外部气体流和内部气体流，其中的外部气体流沿较直的直线路径流向外出气口，而内部气体流则沿着较弯曲或绕曲的曲线路径从内进气口进入到内罩的内部，从而，已随着测量气体进入到内罩与外罩之间的水滴将在惯性力的作用下冲向外出气口，然后从外出气口排出到罩体组件的外部。此现象的原因在于：水滴的比重大于测量气体的比重，因而会被沿较直路线流向外出气口的外部气体流带走。比重小于水滴的测量气体将部分地进入到内罩中，以形成内部气体流，气体传感元件暴露在该内部气体流中。这样就防止了水滴进入到内罩中，且不会延迟测量气体到达气体传感元件处所需的时间，从而使气体传感元件避免了由于被水溅湿而损坏。
如上文提到的那样，外部气体流是从外进气口进入的测量气体流的一部分气流，其在内罩与外罩之间流向外出气口，且不必被导引成以直线形式流动。
如上文提到的那样，内部气体流是从外进气口进入的测量气体流的气体分流，其独立于外部气体流而进入到内罩中，且不必被导引成以曲线形式流动。
在本发明的优选实施方式中，外出气口被制在外罩的顶端。这可防止水停留在外罩的内壁上，以确保气体传感元件的耐久性。
外罩和内罩的顶端是相互平齐的，以限定罩体组件的顶端。这就可限制水随着测量气体进入到外出气口中。
内罩顶端所在位置远离罩体组件的基端。气体传感器还包括制在内罩顶端的内出气口。流经外出气口、并靠近内出气口孔的测量气体的流动将形成真空，该真空有利于已进入到外罩中的测量气体经内进气口进入到内罩中，而且不会使水滴进入。
罩体组件的外罩的至少一个壁的直径在靠近罩体组件顶端的方向上是渐缩的。例如，该至少一个壁可以锥缩地朝向罩体组件的顶端。这将有利于使得测量气体在流向外出气口的过程中、在外罩与内罩之间形成平稳的气流。
罩体组件内罩至少一个壁的直径在靠近罩体组件顶端的方向上是渐缩的。该至少一个壁可以锥缩地朝向罩体组件的顶端。这也有利于使得测量气体在流向外出气口的过程中、在外罩与内罩之间形成平稳的气流。
内罩的该至少一个壁包括内罩的一个部分，该部分的直径最小，且所处位置比气体传感元件的顶端(其面对着气体传感器顶端)更靠近气体传感器的顶端。当气体传感器发生振动和摆动时，这样的设计能减小气体传感元件与内罩内壁的结构干涉。
所述轴向中心线被确定为包括垂直正交分量和横向正交分量，其中，横向正交分量的定向与气体传感器的轴向方向垂直。这样的设计具有如下的作用：形成了测量气体的气流，该气流被引入到内罩与外罩之间，且经过内进气口进入到内罩中，并使得该气流更为复杂，因而，减少了水滴主要经内进气口进入到内罩中的可能性。
内罩的周壁上可制有凹陷，该凹陷的基端指向罩体组件的基端。内进气口可被制在凹陷的基端处。这就使得内进气口可具有这样的几何形状：其轴向中心线的延伸方向与罩体组件的长度方向平行，从而减小了水滴经内进气口进入到内罩中的可能性。
内罩具有面对着制在外罩上的外进气口的侧面，且该侧面的延伸方向平行于气体传感器的长度方向。这将有助于在内罩与外罩之间形成沿气体传感器轴向方向流动的平稳的测量气体气流，从而促使比重大于测量气体的水滴在气体传感器的长度方向上平稳地流动，并从外出气口排出。
气体传感元件的表面上附着有测量气体电极，其被暴露在要被测量的气体中。测量气体电极具有带有基端和与之相对的顶端的长度，且该顶端面对着罩体组件的顶端。内进气口所处位置位于从测量气体电极的基端出发的测量气体电极的一半长度之内。这样的设计确保了已从内进气口进入的测量气体能快速地到达测量气体电极处，并将整个测量气体电极暴露到测量气体中，从而增强了气体传感器的响应性。
所述轴向中心线还具有横向正交分量，该分量的指向与气体传感器的轴向垂直。内进气口轴向中心线与横向正交分量的夹角等于或大于5°，或者更为优选地是15°或更大的角度，或者更为优选地是30°或更大的角度。
根据本发明的第二方面，本申请提供了一种气体传感器，其具有带有基端和与基端相对的顶端的长度，该传感器包括：(a)气体传感元件，其具有对所要测量气体的浓度敏感的感测部分，以便于提供反映该浓度的信号；(b)壳体，其具有基端和与该基端相对的顶端，所述壳体将所述气体传感元件包容在其中；(c)罩体组件，其具有基端和与基端相对的顶端，且该顶端接近于气体传感器的顶端，所述罩体组件包括外罩和布置在该外罩中的内罩，所述罩体组件在其基端处与所述壳体的顶端相接合，以将所述气体传感器的感测部分置于内罩中；(d)形成在所述罩体组件中的外罩的周壁上的外进气口；(e)外出气口，其被形成在所述罩体组件中的外罩的一个部分上，该部分比所述外进气口更靠近于所述罩体组件的顶端；以及(f)内进气口，其被制在所述罩体组件中内罩的一个部分上，该部分比所述外进气口更接近于所述罩体组件的顶端。所述罩体组件内罩和外罩的形状被设计成这样：使得已从所述外进气口进入的被测气体被分成外部气流和内部气流。外部气流在内罩与外罩之间流向所述外出气口，而内部气流则经内进气口进入到内罩中。
在本发明的优选实施方式中，外部气流具有从所述罩体组件的基端指向顶端的矢量分量，而内部气流具有从所述罩体组件的顶端指向基端的矢量分量。
附图说明
从下文给出的详细描述、以及本发明优选实施方式的附图，可更加全面地理解本发明，但是，不应依据这些优选实施方式将发明限定为特定的实施例，这些实施方式的目的仅是为了便于解释和理解。
在附图中：
图1中的纵向剖视图表示了一种气体传感器，其带有根据本发明第一实施方式的保护罩组件；
图2是图1所示保护罩组件的放大视图；
图3中的放大视图表示了气流流经图1所示保护罩组件时的流动状况；
图4中的纵向剖视图表示了根据本发明第二实施方式的保护罩组件；
图5中的轴测图表示了根据本发明第三实施方式的保护罩组件的内罩；
图6中的局部剖视图表示了制在图5所示内罩上的进气孔；
图7中的纵向剖视图表示了根据本发明第四实施方式的保护罩组件；
图8中的纵向剖视图表示了根据本发明第五实施方式的保护罩组件；
图9中的纵向剖视图表示了图8所示保护罩组件的一种改型；
图10是一种测试机的侧视图，该测试机被用来评价使图1所示气体传感元件免于粘附水滴的效果；
图11中的图线表示了利用图10所示测试机所进行的试验的结果；
图12(a)和12(b)表示了在用于评价图1所示气体传感器的响应性的试验中、气体传感器的输出与空-燃比变化之间的关系；
图13中的图线表示了图12(a)和12(b)试验中所使用的气体传感器与普通气体传感器的增益输出；
图14中的纵向剖视图表示了根据本发明第六实施方式的保护罩组件；
图15(a)中的纵向剖视图表示了根据本发明第七实施方式的保护罩组件；
图15(b)中的轴测图表示了制在图15(a)所示保护罩组件内罩上的内进气孔；
图16中的纵向轴测图表示了气流在图15所示保护罩组件中的流动状况；
图17中的纵向剖视图表示了一种对比性的保护罩组件实例，用以解释图16所示结构的优点；
图18中的图线表示了一些试验的结果，进行这些试验是为了评价本发明气体传感器的响应性，这些试验涉及内罩上进气孔与气体传感元件测量气体电极之间的位置关系；
图19中的纵向剖视图表示了一种普通的气体传感器保护罩组件；
图20中的纵向剖视图表示了另一种普通的气体传感器保护罩组件；以及
图21中的纵向剖视图表示了另一种普通的气体传感器保护罩组件。
具体实施方式
参见附图，图中相同的数字标识指代不同附图中的同一部件-尤其是针对于图1，图1中表示了根据本发明第一实施方式的气体传感器，该传感器可被工程化处理而成为A/F传感器，以便于安装到车用内燃机的排气管中，从而用在废气反馈系统中，其可作为测量废气中所含氧气(O2)浓度的氧气(O2)传感器、或者作为用于监控安装在发动机排气管内的三元催化器性能恶化的NOX传感器。
气体传感器1基本上包括：气体传感元件2，其对气体(下文还将称之为测量气体)中选定组分浓度是敏感的，以便于产生出反映该浓度的信号；中空的圆柱状壳体3，气体传感元件被容纳在该壳体中；以及保护罩组件4，其被接合到壳体3的顶端(在图1中为下端)上。
保护罩组件4的长度延伸方向与气体传感器1的纵向中心线(即气体传感元件2)成一直线。从图1和图2可清楚地看出，保护罩组件4为双层壁结构，该结构是由圆筒形的外罩42和布置在外罩42中的圆筒形内罩41构成的。外罩42的侧壁上具有多个进气孔421，且其顶端处具有出气孔422。内罩41的侧壁上制有进气孔411，其所在的位置比外罩42上的进气孔421更靠近保护罩组件4的顶端。
从图2可看出，内罩41的每个进气孔411的轴向中心线A都定向成这样：该直线的延伸方向垂直于经过进气口411轮廓线的平面，且该直线是由垂直正交分量Az和横向正交分量Ar限定的。在直角坐标系中，垂直正交分量Az被定向为沿着与气体传感器1纵向中心线(即轴线，或气体传感元件2)平行的方向朝向气体传感器1的基端(图1中的上端)。横向正交分量Ar被定向为沿着与气体传感器1纵向中心线(即气体传感元件2)垂直的方向指向气体传感器1的中心。具体而言，轴向中心线A代表了流经进气孔411的测量气体的定向方向。
如上所述，每个进气孔411的轴向中心线A都被确定为其延伸方向垂直于进气孔411的轮廓平面。但是，如果各个进气孔411的形状被设计成具有突出于该平面之外的部分外形轮廓，则轴向中心线A被定义为垂直于一个虚拟平面延伸，该虚拟平面被设定为包括一条曲线，该曲线最为接近进气孔411的外形轮廓。下文还将把轴向中心线A称为开孔定向线。
外罩42的顶端处制有出气孔422。类似地，内罩41的顶端处也制有出气孔412。
外罩42具有截头锥形的壁423，其向该外罩的顶端收缩。内罩41具有两段向其顶端收缩的截头锥形壁413、414。在内罩41的长度方向上，锥缩壁413、414相互分开，并同轴延伸。锥缩壁413具有进气孔411。
内罩41还具有环形的直立壁415，其在与气体传感器1长度方向平行的方向上笔直地延伸。直立壁415面对着外罩42的进气孔421，从而，在各个进气孔421处进入的测量气体流将撞击到直立壁415上。
内罩41被布置在外罩42中，且内罩41的顶端突出于外罩42的顶端之外。具体而言，外罩42的顶端处制有一个大直径的开孔424，其直径大于内罩41顶端的直径。内罩41的顶端被插入到大直径的开孔424中，以便于在内罩41顶端的外环周与外罩42大直径开孔424的内环周之间形成出气孔422。
作为备选方案，内罩41的端面可与外罩42的端面平齐，或位于该端面的内侧。
从图1可清楚地看出，保护罩组件4是由捏夹件保持定位，通过将壳体3顶端的环形延长部31进行弯折就可以形成该捏夹件。具体而言，从图2可清楚地看出，外罩42和内罩41的基端处制有凸缘429和419，它们被置于壳体3顶端处形成的环形沟槽内，且通过将环形延长部31向内翻卷而牢固地保持着这些凸缘。
如图1所示，壳体3中设置有气体侧陶瓷绝缘体11，气体传感元件2被保持在该绝缘体中。在气体侧陶瓷绝缘体11的基端处设置有大气侧陶瓷绝缘体12，其与气体传感器1的长度方向对齐。在壳体3的基端上连接或焊接了空气罩13，其包围着大气侧陶瓷绝缘体12。
金属接线端14被保持在大气侧陶瓷绝缘体12中，其用于与气体传感元件2建立电路连接。接线端14与引线15相连接。引线15经橡胶刷16延伸到气体传感器1的外部，其中的橡胶刷16被密闭地封装在空气罩13的基端中。
气体传感元件12属于典型的结构，其包括主要由氧化锆制成的固态电解质体、测量气体电极、基准气体电极、以及加热器(图中未完全示出)。测量气体电极和基准气体电极被固定到固态电解质体的对置表面上，并与引线15相连接。测量气体电极将要被暴露到测量气体中。基准气体电极将要被暴露到用作基准气体的空气中。在使用该气体传感器1时，加热器进行工作而将固态电解质体(即气体传感元件2)加热到400℃，以将气体传感器置于激活状态。
下面将介绍由保护罩组件4的结果所带来的特点或优点。
如上所述，保护罩组件4的外罩42上制有外进气孔421和出气孔422，且内罩41的一个部分上制有内进气孔411，其中，该部分的位置比外进气孔421更靠近保护罩组件4的顶端，因而，如图3所示，这样的设计将使得来自于横向方向的测量气体G被从外进气孔421引入到外罩42与内罩41之间的空隙中。大部分测量气体G将流向保护罩组件4的顶端，成为流动路线较为笔直的外部气流G1，然后，该气流从出气孔422流出，而其余部分的气体则从内进气孔411进入到内罩41中，从而形成了较为绕曲的内部气流G2，气体传感元件2就暴露在该气流中。如上文提到的那样，每个内进气孔411都被设计成使其轴向中心线A具有垂直正交分量Az和横向正交分量Ar-如同在直角坐标系中定义的那样。因而，内部气流G2沿着轴向中心线A进入到内罩41中。换言之，内部气流G在流经内进气孔411时，其流动具有从保护罩组件4的顶端指向基端的矢量分量(即垂直正交分量Az)，且该分量与外部气流G1的矢量相反。
如上所述，内进气孔411所处位置比外进气孔421更靠近保护罩组件4的顶端。每个内进气孔411的几何形状都被设计成这样：使得轴向中心线A从内罩41的外侧指向内侧，且具有指向气体传感器1基端的垂直正交分量Az。这就使得已从其中某个外进气孔421进入的测量气体G被分成了外部气流G1和内部气流G2，其中的外部气流几乎径直地流向出气孔422，而内部气流G2在从内罩41的内进气孔411流向出气孔412的过程中却较为卷曲或绕曲。
因而，已随同测量气体G进入到外罩42与内罩41之间的水滴在其惯性力作用下将被导向出气孔422，然后从出气孔422排出到保护罩组件4之外。比重小于水滴的测量气体G的一部分将进入到内罩41中，以作为内部气流G2，气体传感元件2就暴露在这部分气流中。这就可防止水滴进入到内罩41，同时不会延迟测量气体G到达气体传感元件2处所需的时间，从而使气体传感元件1免于被水溅湿而损坏。
具体而言，保护罩组件4的几何结构被设计成将从外进气孔421进入的测量气体G分成两股离散的气流；其中一股气流(即外部气流G1)在内罩41的外部，并指向出气孔422，另一股气体(即内部气流G2)进入到内罩41中，由此可防止测量气体中所含的水滴进入到内罩41中，从而使气体传感元件1避免了由于被水溅湿而损坏。
为了实现上述的两方面效果，如图2所述，可采取如下的方案：将各个内进气孔411的轴向中心线A与横向正交分量Ar的交角θ设定为大于或等于5°，优选地是大于或等于15°，更为优选地是30°，以便于减少进入到内罩41中的水滴，以避免气体传感元件1由于被水溅湿而损坏。
如上所述，保护罩组件4具有外进气孔421和内进气孔411，它们的位置和定向位置关系被设计成能减少水滴进入到内罩41中，因而能将所需量的测量气体G引入到保护罩组件4中，同时还不会影响气体传感器1的响应性。
该实施方式中气体传感器的保护罩组件4的结构消除了需要在气体传感元件92上设置憎水性保护膜94，如图20所示，以及如图21所示那样在保护罩93上设置保护层940的必要性，从而确保了气体传感元件2的响应性，不会增加气体传感元件2的激活时间。但是，保护罩组件4的表面上可形成任何涂覆层，以减少水滴的进入。
出气孔422被制在外罩42的顶端上，从而避免了将水蓄留在外罩42中，这保证了保护罩组件4的耐用性。
从图3可看出，内罩41出气孔412的作用在于将测量气体G抽吸向保护罩组件4的顶端，以形成气流G2，并将该气流从此处排出。在出气孔412外部附近流过的测量气体G将形成真空，该真空促进了已进入到外罩42中的测量气体G经进气孔411向内罩41中流动，以形成不带水滴的气流G2。这就可防止气体传感元件2被水溅湿。
从图3可看出，外罩42具有截头锥形的壁423，其作用在于将气流G1在内罩41与外罩42之间平稳地引导向出气孔422，从而防止水侵入到内罩41中。
壁423的锥缩形结构还易于使气流G1实现平稳流动，并有利于外罩42的机加工工作。
如上所述，内罩41具有锥缩向顶端的截头锥形壁413和414，从而有助于在外罩42与内罩41之间形成流向出气孔422的气流G1，这将减少进入到内罩41中的水。
壁413和414的锥缩结构还易于使气流G1实现平稳流动，并有助于内罩41的机械加工。
进气孔411被制在截头锥形壁413上，从而有助于对轴向中心线A进行定向，使其具有沿保护罩组件4的轴向方向指向其基端的垂直正交分量Az。
内罩41直立壁415的延伸方向与气体传感器1的纵长方向平行，且该壁面对着外进气孔421，从而有利于从经其中一个外进气孔421进入到外罩42与内罩41之间的测量气体G中形成指向气体传感器1长度方向的气流G1，由此促使比重大于测量气体G的水滴沿气体传感器1的长度方向平稳地流动，并从出气孔422排出。
图4表示了根据本发明第二实施方式的保护罩组件4。
内罩41具有锥缩壁413，其位置比第一实施方式中的情况(见图2)更靠近组件的顶端。具体来讲，锥缩壁413位于外罩42进气孔421与出气孔422的中间位置。进气孔411被制在锥缩壁413上，且位于外罩42的进气孔421与出气孔422之间。
各个外进气孔421与内进气孔411之间的距离大于第一实施方式中的情况，因而与第一实施方式的情况相比进一步阻止了水滴经进气孔411进入到内罩41中。
其它的设计与第一实施方式中的情况是相同的，此处将略去对它们的详细描述。
图5和图6表示了根据本发明第三实施方式的保护罩组件4的内罩41。
除了进气孔411存在区别之外，内罩41的结构与第一实施方式中的结构相同。
具体而言，内罩41的锥缩壁413上制有等圆周间距的凹窝417。每个进气孔411都被制在锥缩壁413上，并开口向内罩41的基端。每个凹窝417都通向一个进气孔411，其起到了通气孔的作用。
从图6可看出，各个进气孔411的延伸方向都大体上垂直于内罩41的纵向中心线。换言之，轴向中心线A的延伸方向平行于保护罩组件4的纵长方向，从而减少了水滴经进气孔411进入到内罩41中的可能性。
其它的设计与第一实施方式中的情况是相同的，此处将略去对它们的详细描述。
图7表示了根据本发明第四实施方式的保护罩组件4。
内罩41具有环形的肩部416，其延伸方向大体上垂直于气体传感器1的长度方向(即保护罩组件4的纵向中心线)，进气孔411被制在凸肩部416上。与第三实施方式类似，各个进气孔411的轴向中心线A被定向为与保护罩组件4的纵长方向平行。
内罩41的端面与外罩42的端面平齐。
内罩41的这种几何结构用于形成测量气体气流，该气流被引入到外罩42与内罩41之间，并经进气孔411进入到内罩41中(即图3中的气流G2)，且该气流比第一实施方式中的气流更为复杂，因而极大地降低了水滴经进气孔411进入到内罩41中的可能性。
其它的设计与第一实施方式中的情况是相同的，此处将略去对它们的详细描述。
作为备选方案，环形的肩部416可被设计成延伸靠近保护罩组件4的基端(即附图中的上端)，同时沿内罩41的半径方向接近于内侧。
图8表示了根据本发明第五实施方式的保护罩组件4。
外罩42为侧壁直立延伸的圆筒状杯形结构。与图7所示的第四实施方式类似，内罩41具有环形的肩部416，且其顶部边缘被布置成与外罩42顶端的内壁相抵接。其它的设计与第一实施方式中的情况是相同的，此处将略去对它们的详细描述。
图9表示了图8所示结构的一种改型。内罩41具有锥缩壁413，进气孔411被制在该壁上，而不是像图8所示实施方式那样制在肩部上。
本申请的发明人进行了一些试验，以评价本发明使气体传感元件2免于粘附水滴的效果。
本发明人制备了具有图1到图3所示结构的气体传感器1、以及如图19所示的气体传感器9，以此作为测试试样。
然后，如图10所示，发明人将气体传感器1安装到管道51中，该管道的内径为35mm，且相对于水平面倾斜50°。气体传感器1与管道51上部开口端511之间的距离为100mm。利用喷射器52将含有水滴的空气从上部开口端喷入五次。每次空气射流中的水含量为0.2ml。空气射流的压力为0.15kg/cm2。
发明人测量了安装在气体传感器1中的气体传感元件上被水溅湿的总面积。对气体传感器9进行了同一的试验。试验结果被表示在图11的图线中。该图线表明气体传感器1上的被溅湿面积小于气体传感器9上面积的一半。
本发明还进行了一些试验来评价气体传感器1的响应性。
首先，本发明人将气体传感器1安装到直列六缸直喷发动机的排气管内，并使发动机运转在2000rpm。如图12(a)中的图线L1所示，发明人对空-燃比进行控制，从而以4.16Hz的频率使过量空气系数在0.9到1.1之间变动。气体传感元件2的温度为750℃。如图12(b)中的图线L2所示，在该试验过程中，气体传感器1的输出发生改变。发明人分析了气体传感器1由于空-燃比改变(L1)而出现的输出改变(L2)，并评价了输出的增益。对图19所示的气体传感器9进行了同样的试验。试验结果表示在图13的图线中。
该图线表明：气体传感器1的增益高于气体传感器9的增益，且具有优异的响应性。
图14表示了根据本发明第六实施方式的保护罩组件4。
内罩41是由两个部分组成的：漏斗形的筒体41a和中空的直筒体41b。漏斗形筒体41a的顶端处制有出气孔412，且喇叭形的孔口418扩展向气体传感元件2。
直筒体41b从保护罩组件4的基端延伸出去，部分地包围着内罩41。直筒体41b顶端所在的位置比漏斗形筒体41a的基端更靠近保护罩组件4的顶端。换言之，在保护罩组件4的半径方向上，直筒体41b的顶端部分与漏斗形筒体41a的基端部分重叠，从而形成了环形的进气口411。
其它的设计与图9所示第五实施方式中的情况是相同的，此处将略去对它们的详细描述。
图15(a)和图16表示了根据本发明第七实施方式的保护罩组件4，该保护罩组件是第一和第三实施方式的改型。内罩41的顶面410与外罩42的顶面420平齐。
在图15(a)和图16中，内罩41的顶面被表示为从外罩42的顶面420略微地移向保护罩组件4的基端。这样的对位不正是在误差容许范围内的。但是，该误差容限被确定为仅允许将顶面410设置在顶面420内侧。
内罩41的锥缩壁414包括内罩41上直径最小的一个部分，该部分的位置比气体传感元件2的顶端更靠近保护罩组件4的顶端。
外罩42具有六个外进气孔421，这些进气孔以相等的间距制在外罩的整个圆周上。每个外进气孔421的直径都为2mm。外罩42的底部上还制有圆形孔，其环绕着内罩41端面410的外边缘而形成环形或面包圈形状的出气孔422。外罩42的端面420的内边缘与内罩41的端面410的外边缘之间的间隙-即出气孔422的宽度为0.5mm。
外罩42上的外进气孔421处的内壁与内罩41上面对着该外进气孔421的外壁之间的间隙A为0.5mm。在制于内罩41上的内进气孔4111的下方，外罩42内壁与内罩41外壁之间的间隙B为1.5mm。
内罩41的出气孔412的直径为1.5mm。每个进气孔4111都具有图15(b)所示的构造。
六个内进气孔4111被等间距地布置在内罩41的整个圆周上。从图15(b)可看出，每个内进气孔4111都是通过对内罩41的侧面进行切开、并将其向内挤压而形成的。内进气孔4111的宽度4111a为2mm。从图15(a)和15(b)可看出，内进气孔4111的深度4111b是指在与保护罩组件4纵向中心线垂直的方向上的尺寸，该深度为0.5mm。
每个内进气孔4111都可被设计成其角度θ(见图2)为90°，从而进一步增大了测量气体G中所含水滴进入到内罩41中的难度，从而防止了气体传感元件2被水溅湿。
从图16可清楚地看出，气体传感元件2的表面上固定有测量气体电极22，以使其暴露到测量气体中。从图16可清楚地看出，内进气孔411位于测量气体电极22的基端221与测量气体电极22纵向中部之间的距离内。更为优选地是，内进气孔411位于测量气体电极22的三分之一长度范围内，该长度范围是指沿气体传感元件2的纵长方向、从基端221开始的三分之一长度范围。其它的结构与第一、第三实施方式中的情况相同。
该实施方式的结构具有如下的优点。
如果内罩41顶面410位于外罩42顶面420的外侧，则就会造成从气体传感器1横向方向流来的水滴随同测量气体一起撞击到内罩41的侧面，然后从出气孔422进入到内罩41与外罩42之间的空隙中。为了消除这一问题，将顶面410设置成与顶面420平齐或略微向内，由此减小了气体传感元件2被水溅湿的可能性。
如果内罩41的顶面410位于外罩42顶面420的内侧，则导致实现如下效果的难度增大：形成从制在内罩41顶面410的出气孔412流出的测量气体气流。可取的作法是：在气体传感器1的误差范围内，使内罩41的顶面410与外罩42的顶面420平齐或略微向内。
内罩41的锥缩壁414被布置成：其基端比气体传感元件2的顶端21更靠近气体传感器1的顶端，由此减小了气体传感元件2与内罩41内壁的结构干涉。具体来讲，如图17所表示的那样，如果内罩41锥缩壁414的基端414a所处位置比气体传感元件2的顶端21更靠近气体传感器1的基端，则顶端21将位于锥缩向保护罩组件4顶端的壁414内，从而，与图15所示的情况相比，气体传感元件2顶端21与内罩41内壁之间的间距将变小，从而增加了气体传感元件2与内罩41发生干涉的可能性-例如当气体传感元件2受到机械振动时。为了解决这一问题，内罩41被设计成这样：使得锥缩壁414的基端414a比气体传感元件2的顶端21更靠近气体传感器1(即保护罩组件4)的基端。
如上所述，内进气孔411位于从测量气体电极22基端221出发的一半长度内，从而，如图16所示那样，确保了已从进气孔411进入的测量气体G能快速地到达测量气体电极22，从而将整个测量气体电极22暴露到测量气体G中。这就提高了气体传感器1的响应性。
如果内进气孔411位于靠近测量气体电极22顶端的一半长度内，则导致难于使整个测量气体电极2都暴露到从内进气孔411进入的测量气体G中，这将影响气体传感器1的响应性。作为另一方案，如果内进气孔411所处位置比测量气体电极22的基端221更靠近保护罩组件4的基端，则导致从内进气孔411进入的测量气体G到达测量气体电极22所需的时间增加，这也会损坏气体传感器1的响应性。
该申请的发明人进行了一些试验以评价气体传感器1的响应性，这些试验针对的是内罩41进气孔411与气体传感器2测量气体电极22之间的位置关系。
首先，本发明人制备了一些气体传感器的样品，这些样品的Lh/Ls数值分别为1/3、1/2、2/3、4/5，如图16所示，Ls是测量气体电极22在气体传感元件2轴向方向上的长度，Lh是测量气体电极22的基端221与进气孔411之间的距离。然后，按照与图12(a)和图13所示试验相同的方式来进行试验。
试验结果被表示在图18中。图线表明：对于Lh/Ls为1/3和1/2的试样，即在内进气孔411位于测量气体电极22上靠近基端221一半长度内的情况下，增益为0.285，这样的增益足以确保气体传感器1的响应性，在考虑气体传感器1制造误差的情况下，将Lh/Ls设计成小于或等于1/3也是可取的。
尽管上文以优选实施方式的形式对本发明进行了描述以利于更好地理解本发明，但可以理解：在不悖离本发明基本原理的前提下，可按照多种方式来实施本发明。因而，本发明应被理解为包括所有可能的实施方式和已公开实施方式的改型方式，只要这些实施方式不悖离本发明的原理即可，本发明的原理由后附的权利要求书限定。

Claims (18)

1、一种气体传感器，具有带有基端和与基端相对的顶端的长度，该传感器包括：
气体传感元件，具有对所要测量气体的浓度敏感的感测部分，以便于提供反映该浓度的信号；
壳体，具有基端和与该基端相对的顶端，所述壳体将所述气体传感元件包容在其中；
罩体组件，具有基端和与基端相对的顶端，且该顶端接近于气体传感器的顶端，所述罩体组件包括外罩和布置在该外罩中的内罩，所述罩体组件在其基端处与所述壳体的顶端相接合，以将所述气体传感器的感测部分置于内罩中；
形成在所述罩体组件中的外罩的周壁上的外进气口；
外出气口，其被形成在罩体组件中的外罩的一个部分上，该部分比所述外进气口更接近于所述罩体组件的顶端；以及
内进气口，其被形成在所述罩体组件中的内罩的一个部分上，该部分比所述外进气口更接近于罩体组件的顶端，所述内进气口是由开孔形成的，该开孔的形状被设计成这样：其轴向中线被定向成从内罩的外侧指向内侧，并被确定成在直角坐标系内具有垂直正交分量，该分量被定向为沿着气体传感器的轴向方向指向气体传感器的基端。
2、根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：所述外出气口被形成在外罩的顶端。
3、根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于：外罩和内罩二者的顶端是相互平齐的，以限定罩体组件的顶端。
4、根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：内罩顶端所在位置远离所述罩体组件的基端，且气体传感器还包括制在内罩顶端的内出气口。
5、根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：所述罩体组件的外罩的至少一个壁的直径在靠近所述罩体组件顶端时是渐缩的。
6、根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于：所述至少一个壁朝向罩体组件的顶端逐渐收缩。
7、根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：所述罩体组件内罩的至少一个壁的直径在靠近所述罩体组件顶端时是渐缩的。
8、根据权利要求7所述的气体传感器，其特征在于：所述至少一个壁朝向罩体组件的顶端逐渐收缩。
9、根据权利要求7所述的气体传感器，其特征在于：内罩的所述至少一个壁包括内罩的一个部分，该部分的直径最小且所处位置比面对着气体传感器顶端的所述气体传感元件的顶端更靠近气体传感器的顶端。
10、根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：所述轴向中心线被确定为包括垂直正交分量和横向正交分量，其中，横向正交分量的定向与气体传感器的轴向方向垂直。
11、根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：内罩在其周壁上形成有凹陷，该凹陷的基端定位向所述罩体组件的基端，内进气口被形成在凹陷的基端处。
12、根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：内罩具有面对着形成在外罩上的外进气口的侧面，且该侧面的延伸方向平行于气体传感器的轴向方向。
13、根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：所述气体传感元件的表面上附着有测量气体电极，其被暴露在要被测量的气体中，测量气体电极具有带有基端和与之相对的顶端的长度，且该顶端面对着所述罩体组件的顶端，内进气口所处位置位于从测量气体电极的基端出发的测量气体电极长度的一半之内。
14、根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：所述轴向中心线具有垂直正交分量和横向正交分量，横向正交分量的指向与气体传感器的轴向垂直，内进气口的轴向中心线与横向正交分量的夹角为5°或更大角度。
15、根据权利要求14所述的气体传感器，其特征在于：所述夹角为15°或更大的角度。
16、根据权利要求14所述的气体传感器，其特征在于：所述夹角为30°或更大的角度。
17、一种气体传感器，其具有带有基端和与基端相对的顶端的长度，该传感器包括：
气体传感元件，具有对所要测量气体的浓度敏感的感测部分，以便于提供反映该浓度的信号；
壳体，具有基端和与该基端相对的顶端，所述壳体将所述气体传感元件包容在其中；
罩体组件，具有基端和与基端相对的顶端，且该顶端接近于气体传感器的顶端，所述罩体组件包括外罩和布置在该外罩中的内罩，所述罩体组件在其基端处与所述壳体的顶端相接合，以将所述气体传感器的感测部分置于内罩中；
形成在所述罩体组件中的外罩的周壁上的外进气口；
外出气口，其被形成在所述罩体组件中的外罩的一个部分上，该部分比所述外进气口更靠近于所述罩体组件的顶端；以及
内进气口，其被形成在所述罩体组件中的内罩的一个部分上，该部分比所述外进气口更接近于所述罩体组件的顶端，
其中，所述罩体组件的内罩和外罩的形状被设计成这样：使得已从所述外进气口进入的被测气体被分成外部气流和内部气流。外部气流在内罩与外罩之间流向所述外出气口，而内部气流则经内进气口进入到内罩中。
18、根据权利要求17所述的气体传感器，其特征在于：外部气流具有从所述罩体组件的基端指向顶端的矢量分量，而内部气流具有从所述罩体组件的顶端指向基端的矢量分量。
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