CN101784890B - 排气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种同时展现出增强的防浸水性和功能性的排气传感器。所公开的是一种排气传感器(10)，所述排气传感器是多层的且暴露于排气路径内的空间。排气传感器(10)包括：电解质层(20)，其位于排气电极(24)与大气电极(22)之间；大气层形成层(16)，其形成为朝向大气电极(22)以形成大气层，大气电极(22)暴露于所述大气层；防扩散层(26)，其是多孔的且形成为朝向排气电极(24)以控制到达排气电极(24)的排气的流量；以及捕集层(30)，其是多孔的且形成为覆盖暴露于排气路径内的空间的整个部分。捕集层(30)包括覆盖靠近防扩散层(26)的气体入口/出口部分(26a)的区域的捕集层(30a)、以及覆盖未被捕集层(30a)覆盖的其它区域的另一捕集层(30b)。捕集层(30a)比捕集层(30b)薄、或具有更高的孔隙率或者被省略。
Description
技术领域
本发明涉及一种排气传感器，并且尤其是涉及一种排气传感器的结构。
背景技术
例如在JP-A-2003-322632中公开的常规的多层气体传感器即使当小水滴附着至传感器元件时也防止其传感器元件破裂。至少，由多孔粘附层和多孔表面层所组成的多孔防护层形成在气体传感器前端的整个外周表面上，该外周表面将暴露于待测量的气体。该多孔防护层以如下方式形成：当从元件的四个纵向延伸的拐角测量时，其厚度为至少20μm(微米)。因此，即使当小水滴附着至元件的易于破裂的拐角时，该小水滴散布在多孔防护层内，从而有效防止元件破裂。
专利文献1：JP-A-2003-322632
专利文献2：JP-A-2007-206082
非专利文献1：JIII技术公开杂志No.2002-633
发明内容
待由发明解决的问题
使用上述常规气体传感器通常就是这样，随着覆盖排气传感器的传感器元件的暴露于排气的整个外周表面的多孔层的厚度增加，排气传感器的防浸水性增强。但是，多孔层厚度的这种增加会过度限制排气到达排气侧电极的速度。这削弱了传感器的输出响应。此外，排气组分在发动机停机的时长期间附着至多孔层。当所附着的排气组分在用于冷起动的发动机预热期间脱附时，该排气组分在电极附近改变。这导致传感器的输出偏离正常。多孔层变得越厚，则附着的排气组分的量越大。因此，多孔层厚度的增大会增加传感器输出偏离正常的时长，从而影响系统的空燃比控制性能。
已完成本发明以解决以上问题。本发明的目的在于提供一种同时展现出增强的防浸水性和功能性的排气传感器。
解决问题的手段
本发明的第一方面是一种排气传感器，所述排气传感器是多层的且暴露于内燃发动机排气路径内的空间，所述排气传感器包括：
电解质层，所述电解质层位于排气电极与大气电极之间以允许氧离子在所述电极之间移动；
大气层形成层，所述大气层形成层设置在所述电解质层的大气电极侧以形成大气层，所述大气电极暴露于所述大气层；
防扩散层，所述防扩散层是多孔的且设置在所述电解质层的排气电极侧以控制到达所述排气电极的排气的流量；以及
捕集层，所述捕集层是多孔的且形成为覆盖暴露于所述排气路径内的所述空间的整个部分；
其中，所述捕集层包括第一捕集层和第二捕集层，所述第一捕集层覆盖靠近所述防扩散层的气体入口/出口部分的区域，而所述第二捕集层覆盖未被所述第一捕集层覆盖的其它区域，所述第一捕集层比所述第二捕集层薄。
本发明的第二方面是如第一方面所述的排气传感器，进一步包括：
加热器层，在所述加热器层中嵌入加热器以加热所述电解质层；
其中，所述第二捕集层形成为覆盖靠近所述加热器层的区域。
本发明的第三方面是一种排气传感器，所述排气传感器是多层的且暴露于内燃发动机排气路径内的空间，所述排气传感器包括：
电解质层，所述电解质层位于排气电极与大气电极之间以允许氧离子在所述电极之间移动；
大气层形成层，所述大气层形成层设置在所述电解质层的大气电极侧以形成大气层，所述大气电极暴露于所述大气层；
防扩散层，所述防扩散层是多孔的且设置在所述电解质层的排气电极侧以控制到达所述排气电极的排气的流量；以及
捕集层，所述捕集层是多孔的且形成为覆盖暴露于所述排气路径内的所述空间的整个部分；
其中，所述捕集层包括第一捕集层和第二捕集层，所述第一捕集层覆盖靠近所述防扩散层的气体入口/出口部分的区域，而所述第二捕集层覆盖未被所述第一捕集层覆盖的其它区域，所述第一捕集层的孔隙率比所述第二捕集层的孔隙率高。
本发明的第四方面是如第三方面所述的排气传感器，进一步包括：
加热器层，在所述加热器层中嵌入加热器以加热所述电解质层；
其中，所述第二捕集层形成为覆盖靠近所述加热器层的区域。
本发明的第五方面是如第三方面或第四方面所述的排气传感器，其中，所述第一捕集层的厚度与所述第二捕集层的厚度相等。
本发明的第六方面是一种排气传感器，所述排气传感器是多层的且暴露于内燃发动机排气路径内的空间，所述排气传感器包括：
电解质层，所述电解质层位于排气电极与大气电极之间以允许氧离子在所述电极之间移动；
大气层形成层，所述大气层形成层设置在所述电解质层的大气电极侧以形成大气层，所述大气电极暴露于所述大气层；
防扩散层，所述防扩散层是多孔的且设置在所述电解质层的排气电极侧以控制到达所述排气电极的排气的流量；以及
捕集层，所述捕集层是多孔的且形成为覆盖暴露于所述排气路径内的所述空间的部分；
其中，所述捕集层形成为覆盖除所述防扩散层的气体入口/出口部分附近区域之外的区域。
本发明的第七方面是如第六方面所述的排气传感器，进一步包括：
加热器层，在所述加热器层中嵌入加热器以加热所述电解质层；
其中，所述捕集层形成为覆盖靠近所述加热器层的区域。
发明的优点
在多层排气传感器中，多孔的捕集层形成为覆盖内燃发动机排气路径中的暴露部分的整个表面。当以捕集层覆盖排气传感器时，可有效减少当传感器被浸在排气中的水中时所经历的热冲击。因此，可有效抑制裂纹等的产生。同时，捕集层在发动机停机的时长期间吸附排气路径中的排气组分，并在预热时长期间使已吸附组分脱附。因此，当在防扩散层的气体入口/出口部分的附近设置厚的捕集层时，脱附的已吸附组分被大量引入防扩散层内。这导致传感器的输出长时间偏离正常。依据本发明的第一方面，覆盖防扩散层的气体入口/出口部分的附近区域的第一捕集层比覆盖其它部分的第二捕集层薄。因此，本发明有效减少了被引入防扩散层内的脱附的排气组分的量，从而缩短了传感器输出偏离正常的时长。这能够同时提高传感器的防浸水性和功能性。
根据本发明的第二方面，排气传感器包括加热器层，在该加热器层中嵌入加热器以加热电解质层。此外，比第一捕集层厚的第二捕集层形成为覆盖加热器层的附近区域。由于加热器层的温度高于其它部分，所以加热器层有可能由于浸水所引起的热冲击而破裂。因此，本发明有效提高了加热器层附近区域的防浸水性。
在多层排气传感器中，多孔的捕集层形成为覆盖内燃发动机排气路径中的暴露部分的整个表面。多孔的捕集层的孔隙率越低，则由浸水引起的热冲击被减少的程度越大。因此，当以低孔隙率的捕集层覆盖排气传感器时，能够有效抑制由于浸水所引起的裂纹等的产生。同时，捕集层在发动机停机的时长期间吸附排气路径中的排气组分，并在预热时长期间使已吸附组分脱附。多孔的捕集层的孔隙率越高，则其表面积越小，由此能够吸附的排气组分的量变得越小。因此，当在防扩散层的气体入口/出口部分附近设置低孔隙率的捕集层时，大量排气组分被吸附。这导致传感器的输出长时间偏离正常。依据本发明的第三方面，覆盖防扩散层的气体入口/出口部分的附近区域的第一捕集层具有比覆盖其它部分的第二捕集层高的孔隙率。因此，本发明不仅有效缩短了排气传感器的输出偏离正常的时长而且有效抑制了由于浸水所引起的裂纹等的产生。
依据本发明的第四方面，排气传感器包括加热器层，在该加热器层中嵌入加热器以加热电解质层。此外，具有比第一捕集层低的孔隙率的第二捕集层形成为覆盖加热器层的附近区域。由于加热器层的温度高于其它部分，所以加热器层有可能由于浸水所引起的热冲击而破裂。因此，本发明有效提高了加热器层附近区域的防浸水性。
依据本发明的第五方面，第一捕集层的厚度与第二捕集层的厚度相等。因此，本发明有效增强了由具有高孔隙率的第一捕集层所覆盖的区域的防浸水性。
捕集层在发动机停机的时长期间吸附排气路径中的排气组分，并在预热时长期间使已吸附组分脱附。因此，当在防扩散层的气体入口/出口部分附近设置厚的捕集层时，被脱附的已吸附组分被大量引入防扩散层内。这导致传感器的输出长时间偏离正常。同时，防扩散层极少由于浸水而破裂。因此能够想到在没有以捕集层提供防护的情况下也可能获得足够的防浸水性。依据本发明的第六方面，捕集层形成为覆盖除防扩散层的气体入口/出口部分的附近区域之外的区域。因此，本发明未对靠近防扩散层的气体入口/出口部分的区域设置捕集层。因此，可有效减少引入到防扩散层内的脱附排气组分的量，从而缩短传感器输出偏离正常的时长。这能够同时提高传感器的防浸水性和功能性。
依据本发明的第七方面，排气传感器包括加热器层，在该加热器层中嵌入加热器以加热电解质层。此外，捕集层形成为覆盖加热器层的附近区域。由于加热器层的温度高于其它部分，所以加热器层有可能由于浸水所引起的热冲击而破裂。因此，本发明有效提高了加热器层附近区域的防浸水性。
附图说明
图1是图示用于本发明的第一实施方式的多层空燃比传感器10的构造的图。
图2是图示用于本发明的第二实施方式的多层空燃比传感器50的构造的图。
图3是图示用于本发明的第一实施方式的多层空燃比传感器10的构造的图。
具体实施方式
现在将参考附图来描述本发明的实施方式。图中相同的元件由相同的参考数字标示而且不再赘述。应当理解，本发明不局限于以下所描述的实施方式。
第一实施方式
〖空燃比传感器的构造〗
图1是图示用于本发明的第一实施方式的多层空燃比传感器10的构造的图。更具体地，图1是图示空燃比传感器10的传感器元件部分的剖视图。空燃比传感器10包括传感器元件和用于保护传感器元件的覆盖部，传感器元件具有图1所示的截面结构。空燃比传感器10安装在内燃发动机的排气路径中，使得被覆盖的传感器元件暴露于排气。
空燃比传感器10的覆盖部具有多个通气孔，使得流经排气路径内部的气体到达传感器元件。因此，图1所示的空燃比传感器10(传感器元件)处于其外周表面暴露于排气的状态。
空燃比传感器10包括加热器层12。加热器14嵌在加热器层12中以将传感器元件加热至活化温度。参考图1，大气层形成层16位于加热器层12上方。大气层形成层16由诸如氧化铝的陶瓷材料制成。
由例如氧化锆制成的电解质层20位于大气层形成层16上方。在大气层形成层16的上部中央部分中制成凹部以形成大气层18。大气层18通过大气层形成层16和电解质层20与排气路径中的空间隔离，并通过空气孔(未示出)开口至大气。
通过将大气电极22设置在电解质层20下方使大气电极22暴露于大气层18。同时，排气电极24位于电解质层20上方。用防扩散层26覆盖排气电极24。防扩散层26是多孔物质且能够适当控制通过排气路径到达排气电极24的气体的流量。
遮护层28位于防扩散层26上方。遮护层28覆盖防扩散层26的顶部，使得用于流入防扩散层26中的气体的入口/出口局限于入口/出口部分26a。
依据本实施方式的空燃比传感器10包括捕集层30，捕集层30覆盖传感器元件的暴露于排气路径内的空间的整个外周表面。捕集层30是多孔物质且主要由诸如氧化铝的陶瓷材料构成。此外，覆盖传感器元件的捕集层30的厚度随着区域不同而改变。更具体地，薄捕集层30a设置在覆盖传感器元件的防扩散层26的入口/出口部分26a的附近区域的区域中。另外，比前述捕集层30a厚的另一捕集层30b设置在主要覆盖加热器层12和大气层形成层16的区域中。
〖第一实施方式的特征〗
现在将描述本实施方式的特征。如稍早所述，空燃比传感器10设置成使得传感器元件暴露于内燃发动机的排气路径内的空间。当空燃比传感器10由于传感器元件从加热器14或排气热中接收热而变为具有活性时，空燃比传感器10提供期望的性能。
流入排气路径中的排气包含小水滴和小油滴。因此，当高温的传感器元件浸在水中时，传感器元件可能由于热冲击而破裂。因此，依据本实施方式的空燃比传感器10使用捕集层30保护暴露于排气路径内的空间的传感器元件的整个表面。更具体地，捕集层30形成为覆盖传感器元件的外周表面，如图1所示，该传感器元件是由加热器层12、大气层形成层16、电解质层20、防扩散层26、以及遮护层28构成的多层结构。捕集层30由多孔的陶瓷材料制成。因此，当捕集层30浸在排气中的水中时，水渗透至多孔材料中并扩散，从而减少施加至传感器元件的热冲击。这能够有效防止空燃比传感器10的元件因浸水而破裂。
如上所述，捕集层30能够有效防止空燃比传感器10的元件因浸水而破裂。另外，捕集层30越厚，则由浸水所引起的热冲击被减小的程度越大。但是，捕集层30的厚度增加可能增加在内燃发动机的预热过程中传感器输出偏离正常的时长。更具体地，当内燃发动机保持停机时，例如在充满排气路径的排气中所包含的碳氢化合物(HC)和其它浓气体组分变为被由陶瓷材料制成的捕集层30所吸附。所吸附的浓气体组分在内燃发动机的预热时长期间变为被脱附。这会增加流经防扩散层26的浓气体组分的量并导致传感器输出偏离正常。特别地，所吸附的浓气体组分的量随着捕集层30的厚度增加而增加，从而增加在内燃发动机的预热过程中传感器输出偏离正常的时长。
鉴于以上情况，依据本实施方式的空燃比传感器10包括薄捕集层30a，该薄捕集层30a设置在覆盖传感器元件的防扩散层26的入口/出口部分26a的附近区域的区域中。这减少了在内燃发动机停机的时长期间附着至入口/出口部分26a的附近区域的浓气体组分的量。这能够有效避免如下情形：脱附的浓气体组分进入防扩散层26，从而增加传感器输出偏离正常的时长。另外，比上述捕集层30a厚的另一捕集层30b设置在例如加热器层12的附近区域中，在该附近区域中，传感器元件有可能破裂。这能够有效保护传感器元件不受浸水所引起的热冲击的影响。
如上所述，依据本实施方式的空燃比传感器10使用厚度不同的捕集层30a、30b以有效避免传感器输出偏离持续长时间的情形，并有效防止传感器元件因浸水而破裂。这能够同时增强空燃比传感器的功能性和防浸水性。
以上已描述过的第一实施方式假设空燃比传感器10包括厚度不同的捕集层30a、30b以同时增强传感器的功能性和防浸水性。但是，本发明不仅能够应用于空燃比传感器，而且还能够应用于氧传感器以及其它排气传感器，只要它们是多层的而且暴露于待测量的气体。
此外，以上已描述过的第一实施方式假设捕集层30由多孔的氧化铝制成。但是，本发明并不局限于使用这种捕集层。更具体地，捕集层30可由任意多孔的陶瓷材料制成。
此外，以上已描述过的第一实施方式假设薄捕集层30a位于防扩散层26的入口/出口部分26a处。但是，防扩散层26不太可能由于热冲击而破裂。因此，如图3所示，可以去除捕集层30a以进一步改善传感器的功能性。这能够有效缩短在预热过程中传感器输出偏离持续的时长，从而进一步增强传感器的功能性。
在以上已描述过的第一实施方式中，空燃比传感器10对应于依据本发明的第一方面的“排气传感器”；捕集层30a对应于依据本发明的第一方面的“第一捕集层”；而捕集层30b对应于依据本发明的第一方面的“第二捕集层”。
此外，在以上已描述过的第一实施方式中，空燃比传感器10对应于依据本发明的第六方面的“排气传感器”；而捕集层30b对应于依据本发明的第六方面的“捕集层”。
第二实施方式
〖空燃比传感器的构造〗
图2是图示用于本发明的第二实施方式的多层空燃比传感器50的构造的图。除了稍后描述的捕集层52之外，空燃比传感器50的构造与图1所示的空燃比传感器10相似。
如图2所示，依据第二实施方式的空燃比传感器50包括捕集层52，该捕集层52设置成覆盖传感器元件的暴露于排气路径内的空间的整个外周表面。如同使用图1所示的捕集层30的情况一样，捕集层52由多孔的陶瓷材料(氧化铝)制成。此外，覆盖传感器元件的捕集层52的孔隙率随着区域不同而改变。更具体地，由高孔隙率材料制成的捕集层52a设置在覆盖传感器元件的防扩散层26的入口/出口部分26a的附近区域的区域中。另外，由孔隙率比前述捕集层52a低的材料制成的另一捕集层52b设置在主要覆盖加热器层12和大气层形成层16的区域中。捕集层52a的厚度与捕集层52b的厚度相等。
〖第二实施方式的特征〗
现在将描述第二实施方式的特征。在稍早已描述过的依据第一实施方式的空燃比传感器10中，薄捕集层30a设置成靠近防扩散层26的入口/出口部分26a以减少在发动机停机时长期间附着至入口/出口部分26a的附近区域的浓气体组分的量。
另一方面，第二实施方式的特征在于，设置成靠近防扩散层26的入口/出口部分26a的捕集层52a具有高孔隙率。换言之，因为随着捕集层52的孔隙率增大，表面积减小，所以在发动机停机时长期间附着至捕集层52的浓气体组分的量少。因此，通过增大捕集层52a的孔隙率，可有效减少在发动机停机时长期间附着至入口/出口部分26a的附近区域的浓气体组分的量。这能够有效避免以下情形：在发动机的预热期间，脱附的浓气体组分进入防扩散层26，从而增加传感器输出偏离持续的时长。
此外，低孔隙率捕集层52b覆盖传感器元件有可能破裂的加热器层12的附近区域。捕集层孔隙率的减小将减少传感器元件由于浸水而经历的热冲击。因此，传感器元件的由捕集层52b所覆盖的部分得到有效保护而免于受到浸水所引起的热冲击的影响。
而且，如稍早所述，高孔隙率的捕集层52a覆盖防扩散层26的附近区域，从而提供了增强的功能性。因此，本实施方式假设捕集层52a的厚度与捕集层52b相等，即，捕集层52a具有足够的厚度以展示足够的防浸水性。因此，传感器元件的由高孔隙率的捕集层52a所覆盖的部分也得到有效保护而免于受到浸水所引起的热冲击的影响。
如上所述，依据本实施方式的空燃比传感器50使用孔隙率不同的捕集层52a、52b以有效避免传感器输出偏离持续长时间的情形，并有效防止传感器元件因浸水而破裂。这能够同时增强空燃比传感器的功能性和防浸水性。
以上已描述过的第二实施方式假设空燃比传感器50包括孔隙率不同的捕集层52a、52b以同时增强传感器的功能性和防浸水性。但是，本发明不仅能够应用于空燃比传感器，而且还能够应用于氧传感器以及其它排气传感器，只要它们是多层的而且暴露于待测量的气体。
此外，以上已描述过的第二实施方式假设捕集层52由多孔的氧化铝制成。但是，本发明并不局限于使用这种捕集层。更具体地，捕集层52可由任意多孔的陶瓷材料制成。
此外，以上已描述过的第二实施方式假设捕集层52a的厚度与捕集层52b相等。但是，捕集层52a的厚度无需总是与捕集层52b的厚度相等。更具体地，如同在使用依据第一实施方式的空燃比传感器10的情况下一样，靠近防扩散层26的入口/出口部分26a的捕集层52a可以比捕集层52b薄。这能够有效缩短在预热过程中传感器输出偏离持续的时长，从而进一步增强传感器的功能性。
在以上已描述过的第二实施方式中，空燃比传感器10对应于依据本发明的第三方面的“排气传感器”；捕集层30a对应于依据本发明的第三方面的“第一捕集层”；而捕集层30b对应于依据本发明的第三方面的“第二捕集层”。
Claims (5)
1.一种排气传感器，所述排气传感器是多层的且暴露于内燃发动机排气路径内的空间，所述排气传感器包括：
电解质层，所述电解质层位于排气电极与大气电极之间以允许氧离子在所述电极之间移动；
大气层形成层，所述大气层形成层设置在所述电解质层的大气电极侧以形成大气层，所述大气电极暴露于所述大气层；
防扩散层，所述防扩散层是多孔的且设置在所述电解质层的排气电极侧以控制到达所述排气电极的排气的流量；以及
捕集层，所述捕集层是多孔的且形成为覆盖所述排气传感器的暴露于所述排气路径内的所述空间的整个部分；
其中，所述捕集层包括第一捕集层和第二捕集层，所述第一捕集层覆盖位于所述防扩散层的气体入口/出口部分上的区域，而所述第二捕集层覆盖未被所述第一捕集层覆盖的其它区域，所述第一捕集层比所述第二捕集层薄。
2.如权利要求1所述的排气传感器，进一步包括：
加热器层，在所述加热器层中嵌入加热器以加热所述电解质层；
其中，所述第二捕集层形成为覆盖位于所述加热器层上的区域。
3.一种排气传感器，所述排气传感器是多层的且暴露于内燃发动机排气路径内的空间，所述排气传感器包括：
电解质层，所述电解质层位于排气电极与大气电极之间以允许氧离子在所述电极之间移动；
大气层形成层，所述大气层形成层设置在所述电解质层的大气电极侧以形成大气层，所述大气电极暴露于所述大气层；
防扩散层，所述防扩散层是多孔的且设置在所述电解质层的排气电极侧以控制到达所述排气电极的排气的流量；以及
捕集层，所述捕集层是多孔的且形成为覆盖所述排气传感器的暴露于所述排气路径内的所述空间的整个部分；
其中，所述捕集层包括第一捕集层和第二捕集层，所述第一捕集层覆盖位于所述防扩散层的气体入口/出口部分上的区域，而所述第二捕集层覆盖未被所述第一捕集层覆盖的其它区域，所述第一捕集层的孔隙率比所述第二捕集层的孔隙率高。
4.如权利要求3所述的排气传感器，进一步包括：
加热器层，在所述加热器层中嵌入加热器以加热所述电解质层；
其中，所述第二捕集层形成为覆盖位于所述加热器层上的区域。
5.如权利要求3或4所述的排气传感器，其中，所述第一捕集层的厚度与所述第二捕集层的厚度相等。
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