CN101387618A - 汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器，采用平板式双电池型氧传感器，包括：泵氧电池，由固体电解质和分别形成于固体电解质两侧表面的至少两个泵氧电极；测氧电池，由固体电解质和分别形成于固体电解质处于测量空腔侧表面的至少一个感应电极及形成于固体电解质处于参比环境侧表面的至少一个参比电极；所述泵氧电池和测氧电池并排放置，且泵氧电池处于比测氧电池更靠近待测量气体的位置；该传感器能够提高测量准确性，缩短传感器激活时间，提高氧传感器的可靠性和耐用性，同时降低制作难度和成本，解决现有平板式双电池型氧传感器存在的上述缺点。

Description

汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器

技术领域

本发明涉及一种汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器，具体是一种平板式双电池型氧传感器。

背景技术

汽车在给人们的生活带来便利和舒适的同时也带来了污染，未经处理的汽车尾气中含有NO_x、CO、碳氢化合物等有害气体，会对环境造成污染进而危害人类的身体健康，因此各国都对汽车尾气中有害气体的排放进行了限制。

氧传感器是排气氧传感器的简称，其功用是通过监测汽车尾气中氧气的含量来获得汽车发动机中汽油/空气混合气的空燃比信号，并将该信号转变为电信号输入电子控制单元ECU。ECU根据氧传感器信号，对进油量进行修正，实现空燃比反馈控制，从而将过量空气系数λ控制在0.98～1.02之间，即理论空燃比A/F＝14.7附近，使发动机得到最佳浓度的混合气，最终达到降低有害气体的排放量和节约燃油之目的。

美国专利4,765,880提出了一种平板式双电池型氧传感器，包括一个测氧电池和一个泵氧电池，这种传感器能够进行全范围的空气/燃料比例测量，该传感器经过不断的改进和完善形成了目前通用的叠层结构双电池型氧传感器，其结构和工作基本原理如图1、图2所示：泵氧电池1和测氧电池2各自为一个以掺杂二氧化锆氧离子导体为电解质12、22的电化学电池，泵氧电池1和测氧电池2通过氧离子绝缘材料4连接而形成叠层结构，两者之间存在一个测量空腔3；泵氧电池1的外电极11与汽车尾气相通，测氧电池2的参比电极23与参比空气相通；通过外界的一个控制电路来控制、调节泵氧电池1的电流大小和方向从而保持测氧电池2所测量的电压值为一固定常数约450毫伏，这对应于空腔3内氧气的分压为10^-10大气压，即空气和燃料恰好反应完全时的尾气的氧分压。当进入汽车发动机的混合气发生稀薄燃烧即空气过量时，如图1所示，汽车尾气6通过扩散孔5进入泵氧电池1与测氧电池2之间的空腔3，测氧电池2的内电极21和处于空气中的参考电极23之间会生成相应的氧浓差电压值，与之相连的外界控制电路会将该电压值与设定电压值比较，然后调节泵氧电池1内外电极11、13之间的电压，从而将氧气从空腔3内泵出到尾气中，使得测氧电池2感应到的电压与设定值相同，此时流过泵氧电池1内外电极11、13的电流与尾气中氧气含量成线性关系，通过该电流的大小即可确定尾气中氧气的含量。当发生浓燃烧即燃料过量时，如图2所示，与稀薄燃烧时的区别在于泵氧电池1是将氧气从尾气6中泵入空腔3中。

现有的平板式双电池型氧传感器还存在不少缺点，因此其实际应用受到了限制。首先，现有的双电池氧传感器在工作时测量空腔3内存在着较大的氧浓度梯度，即从扩散孔5到传感器边缘之间、从泵氧电池1内电极13到测氧电池2内电极21之间氧气浓度呈梯度分布，这将导致测氧电池2测量的电压不准确，从而导致测量的氧气含量出现偏差。虽然采取将泵氧电池1内电极13和测氧电池2内电极21短路从而使测氧电池2内电极21也参与泵氧的方法可以部分消除上述两电极之间的氧浓度差，但是从扩散孔5到传感器边缘之间的氧浓度梯度却无法消除。其次，现有的平板式双电池型氧传感器是叠层结构，即泵氧电池1叠加在测氧电池2之上，泵氧电池1距离加热器较远，由于热量传递速度的限制，在氧传感器冷启动时当测氧电池2已经达到工作温度时，泵氧电池1仍需要一段时间之后才能达到工作温度，因而传感器的激活时间较长，不能很好的满足汽车启动时的排放控制要求。再次，现有的双电池氧传感器是将测氧电池2测量的电压作为外界控制电路的比较参数，一旦测氧电池2由于线路断开而无法输出电压，传感器就失去工作能力，而在实际使用中传感器会处于急速升降温、颠簸、强还原气氛等恶劣环境中，内部电路容易出现断开等问题，因此现有的双电池氧传感器的可靠性和耐用性不高。最后，现有的双电池氧传感器是将泵氧电池1叠加在测氧电池2之上的，在制作时需要将多层不同组分的陶瓷薄层进行加工处理后压成为一个完整体，其制作工艺复杂，因而成本也较高。

中国专利03103722.4提到，现有的平板式双电池型氧传感器在制作时，泵氧电池1和测氧电池2之间的距离必须准确的控制在一定范围内，优选为20—80微米，否则将会影响传感器的测量精度，这无疑也增加了传感器制作的难度和成本。

发明内容

本发明目的是：提供一种汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器，采用泵氧电池和测氧电池并排放置的平板式双电池型氧传感器，该传感器能够提高测量准确性，缩短传感器激活时间，提高氧传感器的可靠性和耐用性，同时降低制作难度和成本，解决现有平板式双电池型氧传感器存在的上述缺点。

本发明的技术方案是：

本发明的汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器包括：泵氧电池，由固体电解质和分别形成于固体电解质两侧表面的至少两个泵氧电极组成；测氧电池，由固体电解质和分别形成于固体电解质处于测量空腔侧表面的至少一个感应电极及形成于固体电解质处于参比环境侧表面的至少一个参比电极组成；所述泵氧电池和测氧电池并排放置，且泵氧电池处于比测氧电池更靠近待测量气体的位置。

本发明的汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器的测氧电池并不仅仅用于测量氧浓差电压，所述测氧电池的至少一个感应电极参与泵氧，外界控制电路通过同时测量测氧电池的电压、流过测氧电池参与泵氧的电极上的电流两个变量作为比较参数来控制氧传感器工作。

本发明的优点是：

1、本发明的氧传感器包含泵氧电池和测氧电池，泵氧电池和测氧电池并排放置，且泵氧电池处于比测氧电池更靠近待测量气体的位置。汽车尾气从扩散孔或者扩散层进入测量空腔，在穿过测量空腔到达测氧电池的过程中，其中绝大部分氧气被泵氧电池泵出到尾气中或者泵氧电池将尾气中的氧气泵入到测量空腔中，此时测量空腔内的氧分压已非常接近具有理论空燃比的尾气的氧分压，测氧电池测量空腔内气体的氧分压并将信号传递给外界控制、反馈电路。在上述过程中，测氧电池工作在一个氧分压基本稳定的气氛中，没有明显的氧浓度梯度存在，因而测量得到的电压值更准确。

2、本发明的氧传感器中的泵氧电池和测氧电池并排放置，加热器将能同时加热上述两电池，因而上述两电池将同时达到工作温度，缩短传感器的激活时间。

3、本发明的氧传感器中的测氧电池的至少一个感应电极参与泵氧，外界控制电路通过同时测量测氧电池的电压、流过测氧电池参与泵氧的电极上的电流两个变量来控制氧传感器工作，即使某一个变量由于电路问题而无法输出，控制电路仍然可以通过另外一个变量作为比较参数来运行传感器，这样可以大大提高传感器的可靠性和耐用性。

4、本发明的氧传感器中的泵氧电池和测氧电池并排放置，与现有的平板式双电池型氧传感器相比，本发明的氧传感器在制作时需要叠加的陶瓷薄层数目较少，能够简化制作工艺、降低制作成本。

5、本发明的氧传感器中的泵氧电池和测氧电池并排放置，与现有的平板式双电池型氧传感器相比，不需要准确控制前述泵氧电池内电极和测氧电池内电极之间的距离，能够简化制作工艺、降低制作成本。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是现有的平板式双电池型氧传感器空气过量时的工作原理；

图2是现有的平板式双电池型氧传感器汽油过量时的工作原理；

图3是本发明中实施例一的结构示意图；

图4是本发明中实施例二的结构示意图；

图5是本发明中实施例三的结构示意图；

图6是本发明中实施例四的结构示意图；

图7是本发明中实施例五的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图3所示，一种汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器由泵氧电池31和测氧电池32组成，泵氧电池31由固体电解质312和形成于该电解质内外表面的外电极311、内电极313组成，测氧电池32由固体电解质322和形成于该固体电解质一侧表面的参比电极323、形成于固体电解质312内表面的感应电极321组成。上述两层固体电解质312、322之间的空隙的靠近泵氧电池31的一侧设置有与尾气相通的第一扩散层或扩散孔33，另一侧设置固体电解质层35。泵氧电池31和测氧电池32被第二扩散层或扩散孔34分割开，形成两个测量空腔36、37。尾气通过第一扩散层或扩散孔33进入第一个空腔36后，其中的绝大部分氧气被泵氧电池31泵出到尾气中或者泵氧电池31将尾气中的氧气泵入到空腔36中，对应的泵氧电流为I₁、泵氧电压为V(I₁)。为保证第二空腔37内的氧分压在设定范围内，测氧电池32的感应电极321也参与泵氧，与泵氧电池31的泵氧外电极311形成泵氧电极对，其所对应的泵氧电流为I₂、泵氧电压为V(I₂)。第一空腔36中气体通过第二扩散层或扩散孔34进入第二个空腔37，外界的控制电路测量测氧电池32感应电极321和参比电极323之间的电压V₁以及感应电极321和泵氧电池31的外电极311之间的泵氧电流I₂，通过调节穿过泵氧电池31的电流I₁和泵氧电压V(I₁)的大小和方向以保持V₁、I₂为常数，I₂的大小范围是0到100mA，V₁的工作范围是100到1100mV。穿过泵氧电池31的电流I₁与尾气中的氧气含量成比例关系，作为尾气中氧气含量的量度。

上述测氧电池32的感应电极321可以位于两层固体电解质312、322处于第二个空腔37中的表面的任意位置，参比电极323位于参比环境与固体电解质322所接触表面的任意位置。上述各电极311、313、321、323所处位置也可以设置两个或更多个电极。上述两个空腔36、37的形状、大小及上述各电极311、313、321、323的形状、大小、位置等可以有所变化，但工作原理如上所述。

实施例二：

如图4所示，一种汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器由泵氧电池41和测氧电池42组成，泵氧电池41由固体电解质412和形成于该固体电解质内外表面的外电极411、内电极413组成，测氧电池42由固体电解质412和形成于该固体电解质内外表面的外电极411、感应电极421组成，外电极411与参比空气相通，同时作为测氧电池42的参比电极。上述固体电解质412和另一层固体电解质48之间的空隙的靠近泵氧电池41的一侧设置有与尾气相通的第一扩散层或扩散孔43，另一侧设置固体电解质层45。泵氧电池41和测氧电池42被第二扩散层或者扩散孔44分割开，形成两个测量空腔46、47。尾气通过第一扩散层或扩散孔43进入第一个空腔46后，其中的绝大部分氧气被泵氧电池41泵出到参比电极411一端或者泵氧电池41将氧气泵入到空腔46中，泵氧电池41的泵氧电流为I₃、泵氧电压为V(I₃)。参比电极411周围气体通过透气方式如具透气塑料外壳的电线与外界空气相通从而使参比电极411处于一个氧分压大致保持稳定的气氛中。上述进入第一空腔36中的尾气经过泵氧电池41调整氧气含量后，通过第二扩散层或扩散孔44进入第二个空腔47。为保证空腔47内的氧分压在设定范围内，测氧电池42的感应电极421也参与泵氧，与外电极411构成泵氧电极对，对应的泵氧电流为I₄、泵氧电压为V(I₄)。外界控制电路测量流过测氧电池42的感应电极421的电流I₄及对应泵氧电压V(I₄)，通过调节流过泵氧电池41的电流I3和对应泵氧电压V(I₃)的大小和方向以保持流过测氧电池42的感应电极的电流I₄及对应泵氧电压V(I₄)为常数，I₄的大小范围是0到100mA，V(I₄)的工作范围是100到1100mV。流过泵氧电池41的电流I₃与尾气中的氧气含量成比例关系，作为尾气中氧气含量的量度。

测氧电池42的感应电极421可以位于固体电解质层412处于第二个空腔47中的表面的任意位置。上述固体电解质层45、48也可以选用其他陶瓷材料层，比如Al₂O₃。上述各电极411、413、421所处的位置也可以设置两个或更多个电极。上述各空腔46、47的形状、大小及上述各电极411、413、421的形状、大小、位置等可以有所变化，但工作原理如上所述。

实施例三：

如图5所示，一种汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器由泵氧电池和测氧电池组成，泵氧电池由固体电解质层52和形成于该固体电解质层52内外表面的外电极51、内电极53组成，测氧电池由固体电解质55和形成于该固体电解质55两侧表面的感应电极57、参比电极56组成。上述两层固体电解质52、55之间的空隙的靠近泵氧电池的一侧设置有与尾气相通的扩散层或扩散孔54，另一侧设置固体电解质层58。上述两个固体电解质层52、55与扩散层或扩散孔54、固体电解质层58围成一个空腔50。尾气通过扩散层或扩散孔54进入空腔50后，其中的绝大部分氧气被泵氧电池泵出到尾气中或者泵氧电池将尾气中的氧气泵入空腔50中，对应的泵氧电流为I₅、泵氧电压为V(I₅)。经过泵氧电池调整过氧分压后的气体扩散到测氧电池，为保证测氧电池感应电极57附近的气体的氧分压在设定范围内，测氧电池感应电极57和泵氧电池的外电极51组成泵氧电极对参与泵氧，对应泵氧电流为I₆、泵氧电压为V(I₆)。外界控制电路测量测氧电池感应电极57和参比电极56之间的电压V₂和流过测氧电池感应电极57的泵氧电流I₆，通过调节流经泵氧电池的电流I₅和对应泵氧电压V(I₅)的大小及方向，以保持V₂和I₆为常数，I₆的大小范围是0到100mA，V₂的工作范围是100到1100mV。流经泵氧电池的电流I₅与尾气中的氧气含量成比例关系，作为尾气中氧气含量的量度。

测氧电池的感应电极57可以位于固体电解质层52、55处于空腔50内的靠后的表面的任意位置，参比电极位于参比环境与固体电解质55所接触表面的任意位置。上述各电极51、53、56、57所处的位置也可以设置两个或更多个电极。上述空腔50的形状、大小及上述各电极51、53、56、57的形状、大小、位置等等可以有所变化，但工作原理如上所述。

实施例四：

如图6所示，一种汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器由泵氧电池和测氧电池组成，泵氧电池由固体电解质层62和形成于该固体电解质层内外表面的外电极61、内电极63组成，测氧电池由固体电解质62和形成于该固体电解质两侧表面的感应电极67、外电极61组成，外电极61与参比空气相通，同时作为测氧电池的参比电极。上述固体电解质62和另一层固体电解质65之间的空隙的靠近泵氧电池的一侧设置有与尾气相通的扩散层或扩散孔64，另一侧设置固体电解质层66。上述两个固体电解质层62、65与扩散层或扩散孔64、固体电解质层66围成一个空腔60。尾气通过扩散层或扩散孔64进入空腔60后，其中的绝大部分氧气被泵氧电池泵出到参比电极61一侧或者泵氧电池将氧气泵入到空腔60中，对应的泵氧电流为I₇、泵氧电压为V(I₇)。参比电极61周围的气体通过透气方式如具透气塑料外壳的电线与外界空气相连，从而参比电极61处于一个氧分压大致保持稳定的气氛中。上述进入空腔60的尾气经过泵氧电池调整氧气分压后扩散到测氧电池处，为保证测氧电池感应电极67附近的气体的氧分压在设定范围内，测氧电池感应电极67和泵氧电池的外电极61组成泵氧电极对参与泵氧，对应泵氧电流为I₈、泵氧电压为V(I₈)。外界控制电路测量流过测氧电池的感应电极67的电流I₈及对应泵氧电压V(I₈)，通过调节流过泵氧电池的电流I₇和对应泵氧电压V(I₇)的大小和方向以保持流过测氧电池的感应电极67的电流I₈及对应泵氧电压V(I₈)为常数，I₈的大小范围是0到100mA，V(I₈)的工作范围是100到1100mV。流过泵氧电池的电流I7与尾气中的氧气含量成比例关系，作为尾气中氧气含量的量度。

测氧电池的感应电极67可以位于固体电解质62处于空腔60内靠后的表面的任意位置。上述固体电解质层65、66也可以选用其他陶瓷材料层，比如Al₂O₃。上述各电极61、63、67所处的位置也可以设置两个或更多个电极。上述空腔60的形状、大小及上述各电极61、63、67的形状、大小、位置等可以有所变化，但工作原理如上所述。

实施例五：

如图7所示，一种汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器由泵氧电池71和测氧电池72组成，泵氧电池71由固体电解质712和形成于该电解质内外表面的外电极711、内电极713组成，测氧电池72由固体电解质712和形成于该固体电解质内侧表面的感应电极721、形成于固体电解质712和参比环境接触的表面的参比电极722组成。上述固体电解质712和另一层固体电解质79之间的空隙的靠近泵氧电池71的一侧设置有与尾气相通的第一扩散层或扩散孔73，另一侧设置固体电解质层75，该固体电解质层75的另一部分形成参比气体通道或者参比固体通道78。泵氧电池71和测氧电池72被第二扩散层或扩散孔74分割开，形成两个测量空腔76、77。尾气通过第一扩散层或扩散孔73进入第一个空腔76后，其中的绝大部分氧气被泵氧电池71泵出到尾气中或者泵氧电池71将尾气中的氧气泵入到空腔76中，对应的泵氧电流为I₉、泵氧电压为V(I₉)。为保证第二空腔77内的氧分压在设定范围内，测氧电池72的感应电极721也参与泵氧，与泵氧电池71的泵氧外电极711形成泵氧电极对，其所对应的泵氧电流为I₁₀、泵氧电压为V(I₁₀)。第一空腔76中气体通过第二扩散层或扩散孔74进入第二个空腔77，外界的控制电路测量测氧电池72感应电极721和参比电极722之间的电压V₃以及感应电极721和泵氧电池71的外电极711之间的泵氧电流I₁₀，通过调节流经泵氧电池71的电流I₉和泵氧电压V(I₉)的大小和方向以保持V₃、I₁₀为常数，I₁₀的大小范围是0到100mA，V₃的工作范围是100到1100mV。流经泵氧电池71的电流I₉与尾气中的氧气含量成比例关系，作为尾气中氧气含量的量度。

测氧电池72的感应电极721可以位于上述两层固体电解质712、79处于第二个空腔77中的表面的任意位置，参比电极722位于参比环境与固体电解质层712或者固体电解质层79所接触的表面的任意位置。上述各电极711、713、721、722所处的位置也可以设置两个或更多个电极。上述扩散层或扩散孔空74也可以不设置。上述两个空腔76、77的形状、大小及上述各电极711、713、721、722的形状、大小、位置等可以有所变化，但工作原理如上所述。

上述实施例中所述固体电解质为氧离子传导材料，优选为Y₂O₃稳定的ZrO₂，所述电极为电子传导材料，优选为Pt或其合金或Pt与陶瓷形成的金属陶瓷。

本发明不限于上述的实施例。

本发明中可以根据目的和应用有各种修改和变形而不偏离本发明的范围。

Claims (2)

1.一种汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器，包括：泵氧电池，由固体电解质和分别形成于固体电解质两侧表面的至少两个泵氧电极；测氧电池，由固体电解质和分别形成于固体电解质处于测量空腔侧表面的至少一个感应电极及形成于固体电解质处于参比环境侧表面的至少一个参比电极；其特征在于：所述泵氧电池和测氧电池并排放置，且泵氧电池处于比测氧电池更靠近待测量气体的位置。

2.根据权利要求1所述的汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器，其特征在于：所述测氧电池的至少一个感应电极参与泵氧，外界控制电路通过同时测量测氧电池的电压、流过测氧电池参与泵氧的电极上的电流两个变量作为比较参数来控制氧传感器工作。

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