CN111295583B - 气体传感器 - Google Patents
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Abstract
气体传感器具备在外表面设有多孔质层的传感器元件体、和向传感器元件体中的发热体投入电力的电力供给装置。设在进行通过气体传感器的气体检测的稳定状态下由电力供给装置向发热体投入的投入电力量为P[W],传感器元件体中的设有发热体的发热区域的长度范围的体积为V[mm3]。并且,投入电力密度X[W/mm3]为由X=P/V表示的值。此时,投入电力密度X和多孔质层37的平均厚度Y[μm]满足Y≥509.32-2884.89X+5014.12X2的第1关系式(R1)。
Description
相关申请的相互参照
本申请基于2017年10月31日提出的日本专利申请第2017-210404号主张优先权,这里引用其全部内容。
技术领域
本公开涉及被规定了覆盖传感器元件体的多孔质层的平均厚度与供给传感器元件体中的发热体的电力的关系的气体传感器。
背景技术
气体传感器例如被用于检测从内燃机排气的废气中的氧浓度或特定气体成分浓度。在气体传感器中,多使用将设有检测电极及基准电极的固体电解质层和通过通电而发热的发热体一体化而成的层叠型的传感器元件体。此外,在传感器元件体中的固体电解质层的一方的主面,内部配置检测电极的检测气体室和用来将检测气体向检测气体室导入的扩散阻力层相邻地形成。
此外,在传感器元件体,设有至少将扩散阻力层的露出表面覆盖或将包括扩散阻力层的露出表面的全周围覆盖的多孔质层。多孔质层被用作如下目的:将电极从有毒物质、水等保护;或者将传感器元件体从飞散的水保护。作为这样的相当于层叠型的传感器元件体的气体传感器元件,例如有在专利文献1、2中的记载。
在专利文献1的气体传感器元件中,记载了通过表面保护层(多孔质层)在固体电解质层为活性的高温时具有疏水性,使表面保护层的厚度成为20~150μm的范围内。此外,在专利文献2的气体传感器元件中,记载了将多孔质保护层(多孔质层)形成在当通过加热器的温度控制时成为500℃以上的温度状态的层叠体的区域中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2011-117935号公报
专利文献2:日本特开2016-48230号公报
发明内容
在专利文献1、2等所记载的以往的气体传感器或气体传感器元件中,考虑到气体传感器元件的早期活性化、抑制因受水造成的裂纹的发生等,决定多孔质层的厚度。但是,在对气体传感器要求的本质性的性能中,有作为传感器输出特性的检测精度及响应性。该检测精度受到传感器元件体的包括各电极及被各电极夹着的固体电解质层的部分在内的检测部的温度带来的影响。并且,通常检测部的温度越高,检测部中的氧等的分解反应越被促进,有检测精度及响应性变高的趋势。
检测部的温度相应于检测部的受热量和检测部的散热量的热收支而变化。检测部的受热量尤其受到由从发热体的发热部向检测部施加的投入电力密度带来的影响。投入电力密度被表示为将向发热体的投入电力量用传感器元件体中的设有发热体的发热区域的长度范围的体积除得到的值。另一方面,检测部的散热量尤其在覆盖检测部的多孔质层受水时,受到因附着在多孔质层的表面的水蒸发时的蒸发热(气化热)带来的影响。
由于多孔质层的厚度越小则其热容越小,所以可以想到能够减小向用来使检测部的温度成为目标温度的发热体的投入电力量。另一方面,多孔质层的厚度越小,检测部越容易受到因蒸发热带来的影响,可以想到检测部的散热量变大。因此可以想到,多孔质层的厚度越小,越需要增大向用来将检测部的温度维持为目标温度的发热体的投入电力量。
此外可以想到,因为多孔质层的厚度越大、检测气体越不易到达检测部的理由,气体传感器的响应性变差。所以,为了将气体传感器的响应性维持得较高,还希望尽可能减小多孔质层的厚度。但是,根据发明者们的研究的结果可知,如果使多孔质层的厚度过小,则难以使检测部的温度成为目标温度,气体传感器的检测精度变差。
为了决定投入电力量的大小,需要考虑上述的热容与蒸发热相反的因素。并且,发明者们研究的结果发现,在投入电力量与多孔质层的厚度之间,有超过本领域技术人员能够预测之范围的复杂的关系。
在以往的气体传感器或气体传感器元件中,在与投入电力量的关系方面,没有关于能够将多孔质层的厚度减小多少的认识。因而可知,为了适当地维持检测部的温度,为了将气体传感器的检测精度维持得较高,需要能够适当地决定投入电力量和多孔质层的厚度的指标。
本公开的目的是提供一种能够将检测精度维持得较高、能够提供在与投入电力密度的关系中能够知道多孔质层的厚度的容许最小值的指标的气体传感器。
本公开的一技术方案是一种气体传感器,具备:传感器元件体,具有固体电解质层、设在上述固体电解质层的第1主面的检测电极、设在上述固体电解质层的第2主面的基准电极、以邻接于上述固体电解质层的上述第1主面而在内部配置上述检测电极的方式形成的检测气体室、被层叠在上述固体电解质层并用来向上述检测气体室导入检测气体的扩散阻力层、层叠在上述固体电解质层的绝缘层、埋设在上述绝缘层内并通过通电而发热的发热体及至少将上述扩散阻力层的露出表面覆盖的多孔质层;以及电力供给装置,对上述发热体进行通电;当设在进行上述气体传感器的气体检测的稳定状态下由上述电力供给装置向上述发热体投入的投入电力量为P[W]、以及设上述传感器元件体中的设有上述发热体的发热区域的长度范围的体积为V[mm3]、将投入电力密度X[W/mm3]设为由X=P/V表示的值时,上述投入电力密度X和上述多孔质层的平均厚度Y[μm]满足Y≥509.32-2884.89X+5014.12X2的关系式。
在上述一技术方案的气体传感器中,提供如下指标,该指标是在与电力供给装置向发热体投入的投入电力密度X的关系中、多孔质层的平均厚度Y应该设为多少以上的指标。该指标通过投入电力密度X与多孔质层的平均厚度Y的关系式来表示。该关系式也考虑到了多孔质层受水的情况,是通过进行实验或模拟而得到的。
此外,该关系式为了维持气体传感器的检测精度,在与投入电力密度X的关系中规定能够使多孔质层的平均厚度Y变小的极限值。通过使投入电力密度X和多孔质层的平均厚度Y满足上述关系式,能够适当地维持传感器元件体的、包括各电极及被各电极夹着的固体电解质层的部分在内的检测部的温度,能够将气体传感器的检测精度维持得较高。
详细情况在后述的实施方式中表示,上述关系式并不简单。在该关系式中,混合存在投入电力密度X越小则需要的多孔质层的平均厚度Y越大的关系、和投入电力密度X越大则需要的多孔质层的平均厚度Y越大的关系。也确认了,为了适当地维持检测部的温度、使多孔质层的平均厚度Y变得更小,对于投入电力密度X而言有适当的值。
根据上述一技术方案的气体传感器,能够将气体传感器的检测精度维持得较高,提供如下指标,该指标在与投入电力密度的关系中能够知道多孔质层的厚度的容许最小值。
在由气体传感器进行的气体检测中,有利用检测电极和基准电极的氧浓度或特定气体成分浓度的差的各种用途。作为气体检测的用途的例子,例如有检测根据废气的组成求出的内燃机的空燃比相对于理论空燃比处于燃料浓侧还是处于燃料淡侧的用途、定量地检测根据废气求出的内燃机的空燃比的用途、求出废气中的NOx成分浓度的用途等。
此外,进行气体检测的稳定状态,与在气体传感器的启动时传感器元件体中的检测部的温度从常温到成为活性温度的过渡状态不同,是指将检测部的温度维持为作为目标温度的活性温度的状态。换言之,稳定状态也可以是指检测部的温度与目标温度平衡时的状态。检测部的目标温度可以设为600~800℃。
电力供给装置的投入电力量通过设投入电力密度,可以成为考虑到传感器元件体中的设有发热体的发热区域的长度范围的体积的值。为了维持投入电力密度,传感器元件体中的设有发热区域的长度范围的体积越大,投入电力量也需要越大。
所述的“发热体的发热区域”,是指除了发热体中的引线部以外、发热体中的蜿蜒设置有发热部的区域。所述的“传感器元件体中的设有发热体的发热区域的长度范围”,是指在沿着传感器元件体的多个边中的最长的边的长度方向上设有发热区域的长度的范围。此外,该长度范围的体积可以设为当将传感器元件体的长度方向上的设有发热区域的范围的两端正交于长度方向而切断时被取出的、包括发热体的传感器元件体的一部分的块的体积。此外,假设在该长度范围的体积中也包括长度范围中的多孔质层的体积。
多孔质层的厚度有根据在传感器元件体中设置多孔质层的部位而不同的情况。上述关系式中的多孔质层的平均厚度设为多孔质层的整体的厚度的平均值。该平均厚度理想的是可以作为将设在传感器元件体的各部位处的厚度不同的多孔质层的部分替换为具有与该多孔质层的整体的体积相同体积的厚度为一定的多孔质层的情况下的厚度来掌握。实质上,平均厚度可以测量多孔质层的厚度不同的多个部位的厚度,设为该多个部位的厚度的平均值。测量厚度的部位例如可以设为传感器元件体的厚度不同的10~100个部位。
另外,在本公开的一技术方案中表示的各构成要素的带括号的标号表示与实施方式的图中的标号的对应关系,但并不是将各构成要素仅限定于实施方式的内容。
附图说明
关于本公开的目的、特征、优点等通过参照附图的下述详细的记述会变得更明确。以下表示本公开的附图。
图1是表示有关实施方式的气体传感器的截面说明图。
图2是将有关实施方式的传感器元件体以分解的状态表示的立体图。
图3是表示有关实施方式的传感器元件体的剖视图。
图4是表示有关实施方式的传感器元件体中的设有发热体的发热区域的长度范围的说明图。
图5是表示有关实施方式的发热体的发热区域的立体图。
图6是表示有关实施方式的其他发热体的发热区域的立体图。
图7是表示有关实施方式的其他传感器元件体的剖视图。
图8是表示有关实施方式的投入电力密度和多孔质层的平均厚度的第1关系式的曲线图。
图9是表示有关实施方式的投入电力密度和多孔质层的平均厚度的第1~第4关系式的曲线图。
具体实施方式
参照附图,对有关上述气体传感器的优选的实施方式进行说明。
<实施方式>
本形态的气体传感器1如图1~图3所示,具备传感器元件体2和向传感器元件体2中的发热体34投入电力的电力供给装置5。传感器元件体2具有固体电解质层31、检测电极311、基准电极312、检测气体室35、扩散阻力层32、绝缘层33A、33B、发热体34及多孔质层37。
固体电解质层31在规定的活性温度下具有氧离子(氧化物离子)的传导性。检测电极311作为暴露在检测气体G中的电极而设置在固体电解质层31的第1主面301。基准电极312被设置在固体电解质层31的第2主面302。第1主面301及第2主面302,是指平板状的固体电解质层31的具有最大的表面积的表面(板面)。
如图2及图3所示,检测气体室35形成为,与固体电解质层31的第1主面301邻接,以在内部配置检测电极311的方式被绝缘层33A包围。扩散阻力层32被层叠在固体电解质层31,是用来以规定的扩散速度将检测气体G向检测气体室35导入的层。绝缘层33A、33B是具有绝缘性的层,被层叠在固体电解质层31的第1主面301及第2主面302。发热体34被埋设在绝缘层33B内,通过通电而发热。多孔质层37在传感器元件体2的外表面被设置在至少将扩散阻力层32的露出表面321覆盖的位置。电力供给装置5对发热体34进行通电(供给电力)。
在气体传感器1中,设在进行由气体传感器1进行的气体检测的稳定状态下被电力供给装置5向发热体34投入的投入电力量为P[W],以及如图4所示,设传感器元件体2中的设有发热体34的发热区域340的长度范围(La)的体积为V[mm3]。并且,设投入电力密度X[W/mm3]为由X=P/V表示的值。此时,如图8所示,投入电力密度X和多孔质层37的平均厚度Y[μm]满足Y≥509.32-2884.89X+5014.12X2的第1关系式R1。
以下,对本形态的气体传感器1详细说明。
(内燃机)
如图1所示,本形态的气体传感器1被安装在从车辆的内燃机(发动机)排气的废气流动的排气管。气体传感器1是将在排气管内流动的废气作为检测气体G、并且将大气作为基准气体A而进行气体检测的。本形态的气体传感器1被作为求出根据废气的组成求出的内燃机的空燃比的空燃比传感器来使用。以下,有将由气体传感器1求出的内燃机的空燃比称作废气的空燃比的情况。
空燃比传感器能够从与理论空燃比相比燃料相对于空气的比例多的燃料浓的状态到与理论空燃比相比燃料相对于空气的比例少的燃料淡的状态定量地连续地检测空燃比。在空燃比传感器中,当通过扩散阻力层32向检测气体室35引导的检测气体G的流速被节流时,在检测电极311与基准电极312之间,施加用来表示与氧离子的移动量对应的电流被输出的极限电流特性的规定的电压。
此外,通过气体传感器1检测空燃比的内燃机,是4缸、6缸、8缸等的多气缸的往复式发动机。在该往复式发动机的控制装置中,接受由气体传感器1检测到的空燃比的反馈,进行将各气缸的空燃比控制为作为目标的空燃比的处理。进行各气缸的吸气、压缩、燃烧、排气的4个冲程的定时适当地不同,从各气缸向排气管以不同的定时将废气排气。
气体传感器1将从各气缸向排气管以规定的顺序排气的废气作为检测气体G。并且,在发动机控制装置中,为了求出各气缸的空燃比,需要检测在气体传感器1中求出的空燃比是关于从哪个气缸排气的废气的空燃比。通常,在内燃机中,将气缸间的空燃比的偏差称作气缸间不平衡的情况较多。
另一方面,在气体传感器1中,将能够把从各气缸排气的废气的空燃比、与从其他气缸排气的废气的空燃比区别地检测的性能称作气缸间不平衡的检测精度。本形态的气体传感器1的检测精度,是指气缸间不平衡的检测精度。本形态的投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的第1关系式R1是用来知道用于将气缸间不平衡的检测精度维持为规定的精度的多孔质层37的平均厚度Y的容许最小值的指标。
在排气管内,配置有用来将废气中的HC(碳化氢)、CO(一氧化碳)及NOx(氮氧化物)净化的三元催化剂。发动机控制装置使用由气体传感器1得到的空燃比进行控制,以将内燃机的各气缸的空燃比维持在有效地发挥三元催化剂的催化剂活性的理论空燃比的附近。本形态的气体传感器1被配置在比排气管中的三元催化剂的配置位置更靠废气流的上游侧的位置。
另外,气体传感器1也可以作为根据接触于检测电极311的检测气体G与接触于基准电极312的基准气体A的氧浓度的差,以开启/关闭来判定根据废气的组成求出的内燃机的空燃比是处于燃料浓侧还是处于燃料淡侧的氧传感器来使用。此外,在此情况下,气体传感器1能够配置到比排气管中的三元催化剂的配置位置更靠废气流的下游侧的位置。
此外,气体传感器1也能够作为检测废气中的作为特定气体成分的NOx的NOx传感器来使用。
在将气体传感器1作为氧传感器的情况下,为了将各气缸的氧浓度区别地检测,使气缸间不平衡的检测精度良好是有效的。此外,在将气体传感器1作为NOx传感器的情况下,为了将各气缸中的NOx浓度区别地检测,使气缸间不平衡的检测精度良好也是有效的。
(传感器元件体2)
如图2及图3所示,传感器元件体2是以在固体电解质层31上层叠着绝缘层33A、33B及发热体34的状态被烧结的层叠型。固体电解质层31以氧化锆为主成分,由通过稀土类金属元素或碱土类金属元素使氧化锆的一部分被置换后的稳定化氧化锆或部分稳定化氧化锆构成。固体电解质层31可以由氧化钇稳定化氧化锆或氧化钇部分稳定化氧化锆构成。此外,检测电极311及基准电极312含有呈现对于氧的催化剂活性的作为贵金属的白金、以及作为与固体电解质层31的共有材料的固体电解质。
传感器元件体2被形成为长条形状,检测电极311、基准电极312、检测气体室35、扩散阻力层32及发热体34的发热区域340被配置在长条方向L的前端侧部位。在传感器元件体2的长条方向L的前端侧部位,形成有由检测电极311及基准电极312和夹在这些电极311、312之间的固体电解质层31的部分形成的检测部21。
传感器元件体2的长条方向L,是指传感器元件体2被形成为长条形状的方向。此外,将与长条方向L正交且固体电解质层31、绝缘层33A、33B及发热体34被层叠的方向称作层叠方向D。此外,将与长条方向L及层叠方向D正交的方向称作宽度方向W。此外,在图1~图4中,将长条方向L的前端侧用L1表示,将长条方向L的基端侧用L2表示。
如图2所示,检测电极311及基准电极312,连接着用来将这些电极311、312与气体传感器1的外部电连接的电极引线部313、314,该电极引线部313、314被引出到长条方向L的基端侧部位。
此外,发热体34具有通过通电而发热的发热部341以及与发热部341相连的一对发热体引线部342。发热体引线部342被引出到长条方向L的基端侧部位。发热体34含有具有导电性的金属材料。
如图2所示,发热部341在发热体34的前端部被形成为在长条方向L上蜿蜒的形状。发热部341在与长条方向L正交的层叠方向D上被配置在与检测电极311对置的位置,以使检测电极311成为作为目标的温度的方式将固体电解质层31、检测电极311、基准电极312、绝缘层33A、33B等加热。
发热部341的截面积比发热体引线部342的截面积小,发热部341的每单位长度的阻力值比发热体引线部342的每单位长度的阻力值高。该截面积,是指与发热部341及发热体引线部342延伸的方向正交的面的截面积。而且,如果由电力供给装置5向一对发热体引线部342施加电压,则发热部341通过焦耳热发热,通过该发热,检测部21的周边被加热。
“发热体34的发热区域340”,是指发热部341蜿蜒而设置的区域,换言之,是指发热部341在长条方向L或宽度方向W上被相邻地配置3条以上的区域。发热部341在沿长条方向L蜿蜒地形成以外,也可以在宽度方向W上蜿蜒地形成。发热区域340表示通过向发热体34的通电而成为高温的区域。
发热部341被蜿蜒地设置的区域如图5所示,有比发热部341的长条方向L的长度短的情况。此外,发热部341被蜿蜒地设置的区域如图6所示,也有与发热部341的长条方向L的长度大致相同的情况。
如图4所示,发热体34的发热区域340被设置的长度范围La为传感器元件体2的长条方向L的一部分。传感器元件体2中的设有发热区域340的长度范围La的体积V,为将作为传感器元件体2的长度方向的长条方向L上的设有发热区域340的长度范围La的两端在与长条方向L正交的切断面S切断时被取出的、包括发热体34的传感器元件体2的一部分的块的体积。在长度范围La的体积V中,也包括长度范围La中的多孔质层37的体积。
电力供给装置5的投入电力密度X是向发热体34的投入电力量P、换言之由发热体34的发热区域340带来的热被用于将传感器元件体2中的设有发热区域340的长度范围La的部分加热而设定。
如图4所示,在设传感器元件体2中的设有发热区域340的长条方向L的长度为La[mm],设传感器元件体2的宽度方向W的宽度(长度)为Wa[mm],设传感器元件体2的层叠方向D的厚度(长度)为Da[mm]的情况下,体积V基于La×Wa×Da来设定。传感器元件体2的与长条方向L正交的截面中的角部22在作为缺口部被切掉的情况下,体积V可以设为从La×Wa×Da减去长度La的范围内的缺口部的体积后的值。
在固体电解质层31的第1主面301及第2主面302都层叠着绝缘层33A、33B。被层叠在固体电解质层31的第1主面301的第1绝缘层33A为了形成检测气体室35而被层叠,被层叠在固体电解质层31的第2主面302的第2绝缘层33B为了形成大气通道36并将发热体34埋设而被层叠。第1、第2绝缘层33A、33B由氧化铝等的绝缘性的金属氧化物构成。第1、第2绝缘层33A、33B被形成为不具有气孔的致密的层,不使检测气体G、基准气体A等的气体透过。
如图2及图3所示,检测气体室35被固体电解质层31的第1主面301、第1绝缘层33A和扩散阻力层32包围而形成。本形态的扩散阻力层32被配置在与固体电解质层31的第1主面301面对、且相对于检测气体室35在正交于长条方向L的宽度方向W的两侧对置的位置。扩散阻力层32也可以配置在与固体电解质层31的第1主面301面对、且相对于检测气体室35从长条方向L的前端侧对置的位置。此外,扩散阻力层32也可以隔着第1绝缘层33A层叠在固体电解质层31的第1主面301,配置在隔着检测气体室35与固体电解质层31的第1主面301对置的位置。
扩散阻力层32与第1、第2绝缘层33A、33B同样,由氧化铝等的绝缘性的金属氧化物构成。扩散阻力层32被形成为具有用来以规定的扩散速度将检测气体G向检测气体室35引导的多个气孔的多孔质的层。扩散阻力层32的密度比第1、第2绝缘层33A、33B的密度小。
如图2及图3所示,在固体电解质层31的第2主面302,相邻地形成有被第2绝缘层33B包围的、供作为基准气体A的大气被导入的大气通道36。大气通道36被从传感器元件体2的长条方向L的基端位置形成到隔着固体电解质层31与检测气体室35对置的位置。基准电极312被配置在大气通道36内的前端侧部位。
多孔质层37由作为金属氧化物的氧化铝构成。多孔质层37具有用来捕获向检测电极311的有毒物质及在排气管内产生的冷凝水等的多个气孔。多孔质层37的气孔率比扩散阻力层32的气孔率大,能够透过多孔质层37的检测气体G的流量比能够透过扩散阻力层32的检测气体G的流量多。另外,所述的气孔率,是指每单位体积气孔(空隙)所占的体积比例。
多孔质层37是多个粒子状的金属氧化物集合而形成的,形成在多个粒子状的金属氧化物彼此之间的多个气孔形成妨碍水穿过的迷宫构造。多孔质层37除了由氧化铝构成以外,也可以由包含氧化铝、二氧化钛、氧化锆、碳化硅、氮化硅、尖晶石、氧化锌中的至少1种的陶瓷(金属氧化物)构成。
本形态所示的传感器元件体2具有1片固体电解质层31及大气通道36。除此以外,传感器元件体2例如也可以如图7所示,具有两片固体电解质层31A、31B并且不具有大气通道36。在此情况下,可以将设在第1固体电解质层31A的一对电极315用于调整检测气体室35内的检测气体G的氧浓度,将设在第2固体电解质层31B的一对电极316用于检测检测气体室35内的检测气体G的氧浓度。在此情况下,也与图3的情况同样,可以设置发热体34、多孔质层37等。
如图3及图4所示,本形态的传感器元件体2其与长条方向L正交的截面形状被形成为具有大致四边形状的形状。传感器元件体2具有沿着长条方向L的4个表面,即与第1主面301及第2主面302平行的一对第1平坦面201、以及与第1主面301及第2主面302垂直的一对第2平坦面202。此外,在第1平坦面201与第2平坦面202之间的4个角部22,形成有由倒角形成的锥面203。此外,也可以代替锥面203而形成曲面状的角部22。
多孔质层37连续地形成在一对第1平坦面201、一对第2平坦面202及4个锥面203。多孔质层37可以通过在使传感器元件体2浸渍在包含用来形成多孔质层37的金属氧化物及溶媒的浆料中之后、将该传感器元件体2取出、使附着在传感器元件体2的浆料干燥而形成。此外,多孔质层37也可以通过将浆料向传感器元件体2喷射、使该喷射的浆料干燥而形成。
多孔质层37因为制造方法的关系,难以整体形成为均匀。因此,多孔质层37的厚度由平均厚度Y表示。多孔质层37的平均厚度Y可以设为形成在一对第1平坦面201、一对第2平坦面202及4个锥面203的多孔质层37的平均厚度Y。该平均厚度Y可以设为在一对第1平坦面201、一对第2平坦面202及4个锥面203的各部位的多处测量的厚度的平均值。此外,在各面201、202、203,例如可以测量各10处多孔质层37的厚度,多孔质层37的平均厚度Y为各面201、202、203的多孔质层37的厚度的测量值的平均值。
本形态的多孔质层37被设置在传感器元件体2的前端侧部位的整个周围。除此以外,多孔质层37也可以仅设在露出表面321的周围,以将扩散阻力层32的露出表面321覆盖。在此情况下,设想多孔质层37的平均厚度Y会变小。
(气体传感器1的其他结构)
如图1所示,气体传感器1除了具备传感器元件体2等以外,还具备保持传感器元件体2的第1绝缘体(隔热体)42、保持第1绝缘体42的壳体41、连结在第1绝缘体42的第2绝缘体(隔热体)43、被保持在第2绝缘体43并与传感器元件体2接触的触点端子44。此外,气体传感器1具备被安装在壳体41的前端侧的部分的前端侧罩45、被安装在壳体41的基端侧的部分并覆盖第2绝缘体43、触点端子44等的基端侧罩46、用来将与触点端子44相连的导线48保持在基端侧罩46的套筒47等。
前端侧罩45被配置在内燃机的排气管内。在前端侧罩45,形成有用来使作为检测气体G的废气穿过的气体通过孔451。前端侧罩45可以做成双重构造,也可以做成一重构造。从前端侧罩45的气体通过孔451向前端侧罩45内流入的作为检测气体G的废气穿过传感器元件体2的多孔质层37及扩散阻力层32被向检测电极311引导。
如图1所示,基端侧罩46被配置在内燃机的排气管的外部。在基端侧罩46,形成有用来向基端侧罩46内导入作为基准气体A的大气的大气导入孔461。大气导入孔461配置有不使液体穿过而使气体穿过的过滤器462。被从大气导入孔461向基端侧罩46内导入的基准气体A穿过基端侧罩46内的间隙及大气通道36被向基准电极312引导。
触点端子44在第2绝缘体43配置有多个,以与检测电极311的电极引线部313、基准电极312的电极引线部314、发热体34的发热体引线部342分别连接。此外,导线48与触点端子44分别连接。
如图1所示,气体传感器1中的导线48被电连接至传感器控制装置6。传感器控制装置6与发动机控制装置协同来进行气体传感器1的电气控制。传感器控制装置6形成有测量流过检测电极311与基准电极312之间的电流的测量电路、向检测电极311与基准电极312之间施加电压的施加电路、用来向发热体34进行通电的通电电路等。另外,传感器控制装置6也可以构建在发动机控制装置内。
本形态的电力供给装置5由形成在传感器控制装置6的通电电路构成。通电电路构成为,调整向发热体34供给的投入电力量P。投入电力量P由通电电路根据加热气体传感器1的检测部21的目标温度及多孔质层37的平均厚度Y而适当变更。投入电力量P[W]由向发热体34施加的电压[V]与流过发热体34的电流[A]的乘积表示。
电力供给装置5通过变更向发热体34的一对发热体引线部342施加的电压,能够调整向发热体34的投入电力量P。由电力供给装置5带来的向发热体34的投入电力可以为进行了PWM(脉冲宽度调制)等的电力。
(投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的第1关系式R1)
本形态的第1关系式R1表示用来将气缸间不平衡的检测精度维持为规定的精度的多孔质层37的平均厚度Y的容许最小值,是也考虑到多孔质层37受水、进行测量使投入电力密度X和多孔质层37的平均厚度Y变化时的气体传感器1的输出变动的实验而得到的。
气体传感器1的输出变动对应于由于传感器元件体2的多孔质层37受水所发生的检测部21的温度下降而发生。假设本形态的气体传感器1的输出变动与检测部21的温度下降成比例地变动率变大。此外,气体传感器1的输出变动由气缸间不平衡的检测精度来表示。所述的气缸间不平衡的检测精度,表示能够将从各气缸排气的废气的空燃比与从其他气缸排气的废气的空燃比区别地检测的性能。在内燃机的多个气缸中,以分别不同的定时进行吸气、压缩、燃烧、排气的4个冲程。并且,被从各气缸排气的废气依次向内燃机的排气管流动。
在本形态中,为了检测气缸间不平衡的检测精度,使某个气缸中的空燃比与其余的气缸中的空燃比不同。并且,求出对全部的气缸进行4个冲程的1个燃烧周期中的气体传感器1的输出值的波形的振幅(最大值与最小值的差)作为不平衡响应值。气体传感器1的输出值的波形以内燃机的1个燃烧周期为1个周期而变动。
不平衡响应值以对应于气体传感器1的检测部21的温度上升的变化而值变好(变大)的方式变化。此外,在本形态中,假设检测部21的温度越是上升,越与检测部21的温度成比例地不平衡响应值变得越好。此外,多孔质层37的平均厚度Y越小,则检测部21的温度下降的程度越大。
在本形态的气体传感器1中,决定由电力供给装置5向发热体34的投入电力量P,以使检测部21的温度作为目标温度而成为700℃。设检测部21的温度是700℃时的不平衡响应值为100%,在检测部21的温度比700℃低的情况下,不平衡响应值成为不到100%,不平衡响应值变差。另一方面,在检测部21的温度比700℃高的情况下,不平衡响应值超过100%,不平衡响应值提高。
此外,评价气缸间不平衡的检测精度的好坏时的不平衡响应值的评价基准值,在不平衡响应值在5%~10%的范围内变差的情况下,添加±0.5%的误差范围,设为在4.5%~10.5%的范围内变差的情况。该评价基准值换言之设为不平衡响应值为89.5%~95.5%的范围内的情况。并且,当使投入电力密度X和多孔质层37的平均厚度Y变化时,对不平衡响应值为89.5%~95.5%的范围内的情况下的数据进行回归分析,求出第1关系式R1。
图8表示投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的关系。设在第1关系式R1代入了投入电力密度X时的多孔质层37的平均厚度Y为平均厚度Y的基准值。并且,在气缸间不平衡的检测精度的评价中,当确定投入电力密度X时,将多孔质层37的平均厚度Y为平均厚度Y的基准值以上的情况设为气缸间不平衡的检测精度满足需要的检测精度。第1关系式R1是表示投入电力密度X变化时的多孔质层37的平均厚度Y的基准值的关系式。
在检测部21的温度与不平衡响应值的关系中,当检测部21的温度下降了10℃时,不平衡响应值下降约6%,当检测部21的温度下降了30℃时,不平衡响应值下降约18%。并且,在不平衡响应值为89.5%~95.5%的范围内的情况下,检测部21的温度下降7.5~17.5℃左右。
此外,当使投入电力密度X和多孔质层37的平均厚度Y变化而求出不平衡响应值时,将内燃机的旋转速度设定为1600rpm(26.7rps),进行调整以使排气管内的每单位截面积的气体流量为20g/s。并且,在内燃机的多个(在本形态中是4个)气缸中,使某1个气缸的燃料喷射量相比其余的气缸的燃料喷射量过剩地增加。在本形态中,使某1个气缸的燃料喷射量增加40%,使某1个气缸的空燃比相对于理论空燃比向燃料浓侧变动,将其余的气缸的空燃比设为理论空燃比。
在图8的第1关系式R1中,当投入电力密度X为约0.29[W/mm3]时,多孔质层37的平均厚度Y的基准值成为约92.4[μm]变得最小。并且,在投入电力密度X比约0.29[W/mm3]小的情况下,随着投入电力密度X变小而多孔质层37的平均厚度Y的基准值变大。此外,在投入电力密度X比约0.29[W/mm3]大的情况下,随着投入电力密度X变大而多孔质层37的平均厚度Y的基准值变大。
决定不平衡响应值的好坏的检测部21的温度根据检测部21的受热量和检测部21的散热量的热收支而变化。检测部21的受热量尤其受到由从发热体34的发热部341向传感器元件体2的检测部21的投入电力密度X带来的影响。投入电力密度X越大,检测部21的受热量越大。此外,检测部21的受热量也受到由传感器元件体2中的各部分的厚度、各部分的热传导率等带来的影响。传感器元件体2中的各部分的厚度越大,各部分的热容越增加,检测部21的受热量越小。此外,传感器元件体2中的各部分的热传导率越大,各部分中的热传导越提高,检测部21的受热量越大。
另一方面,检测部21的散热量尤其在覆盖检测部21的多孔质层37受水时受到由附着在多孔质层37的表面的水蒸发时的蒸发热(气化热)带来的影响。蒸发热越大,检测部21的散热量越大。此外,检测部21的散热量受到由多孔质层37的平均厚度Y带来的影响。可以想到,多孔质层37的平均厚度Y越大,多孔质层37的热容越增加,由多孔质层37带来的保温效果越容易作用,检测部21的散热量越小。
此外,检测部21的散热量也受到由传感器元件体2中的各部分的厚度、各部分的热传导率等带来的影响。可以想到,传感器元件体2中的各部分的厚度越大,各部分的热容越增加,检测部21的散热量越小。此外,可以想到,传感器元件体2中的各部分的热传导率越大,各部分中的热传导越提高,检测部21的散热量越大。
第1关系式R1的投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的关系是基于实测求出的,得到第1关系式R1的理由并不一定明确。
在投入电力密度X比约0.29[W/mm3]小的情况下的第1关系式R1的关系中,多孔质层37的平均厚度Y越小,检测部21的温度越受到由受水带来的影响,检测部21的散热量越大。并且,该情况下的关系可以考虑处于如下关系:投入电力密度X越小则不得不越使多孔质层37的平均厚度Y变大。
另一方面,关于得到投入电力密度X比约0.29[W/mm3]大的情况下的第1关系式R1的关系的理由是不明确的。作为其理由可以考虑是,例如在投入电力密度X变得过大的情况下,多孔质层37的蒸发热也变大,形成投入电力密度X越大则不得不使多孔质层37的平均厚度Y越大的关系。
此外可以想到,为了使多孔质层37的平均厚度Y变小而最优的向传感器元件体2的发热体34供给的投入电力密度X处于0.29[W/mm3]附近。
(投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的第2~第4关系式R2、R3、R4)
如图9所示,投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的关系优选的是也满足以下的第2~第4关系式R2、R3、R4。
如果使多孔质层37的平均厚度Y过大,则多孔质层37的热容增加,气体传感器1的响应性下降。气体传感器1的响应性由当废气的空燃比变化时气体传感器1能够检测到该空燃比的变化的响应时间来表示。
气体传感器1的响应时间设为从废气的空燃比变化的时点到由气体传感器1检测到空燃比的变化的63%的变化的时点的63%响应时间。气体传感器1的63%响应时间将作为既有的气体传感器1的响应时间的600ms设为基准时间,将是该基准时间以下的情况作为能够确保响应性的情况。并且,如图9所示,在多孔质层37的平均厚度Y[μm]满足Y≤800的第2关系式R2的情况下,气体传感器1的响应时间成为基准时间以下,确保了气体传感器1的响应性(响应时间)。
如果使投入电力密度X过小,则在传感器元件体2中的检测部21被发热体34的发热部341加热时,到成为表示传感器特性的活性温度的时间变长,气体传感器1的早期活性变得困难。气体传感器1的早期活性由气体传感器1的活性时间表示。
气体传感器1的活性时间设为从开始向发热体34的电力供给的时点到检测部21的温度成为作为规定的活性温度的600℃为止的时点的时间。气体传感器1的活性时间将作为既有的气体传感器1的活性时间的5s设为基准时间,将是该基准时间以下的情况设为能够确保活性时间的情况。并且,如图9所示,在投入电力密度X[W/mm3]满足0.17≤X的第3关系式R3的情况下,气体传感器1的活性时间成为基准时间以下,确保了气体传感器1的早期活性(活性时间)。
如果使投入电力密度X过大,则当传感器元件体2中的检测部21被发热体34的发热部341加热时,发热部341由于发热量而断线的可能性变高。发热部341的断线在投入电力密度X超过了规定的大小的情况下被确认。具体而言,在投入电力密度X超过了0.45[W/mm3]的情况下,在发热部341确认了断线。因而,如图9所示,在投入电力密度X[W/mm3]满足X≤0.43的第4关系式R4的情况下,发热部341中未确认到断线,而确保发热部341的耐久性。
(作用效果)
本形态的气体传感器1中,在与被电力供给装置5向发热体34投入的投入电力密度X的关系中,提供多孔质层37的平均厚度Y应该处于怎样的范围内的指标。此外,在本形态的气体传感器1中,也提供投入电力密度X应该处于怎样的范围内的指标。
该指标由决定投入电力密度X和多孔质层37的平均厚度Y的第1~第4关系式R1、R2、R3、R4表示。本形态的第1~第4关系式R1、R2、R3、R4是也考虑到了多孔质层37受水的情况,是进行实验而得到的。
此外,第1关系式R1为了维持作为气体传感器1的检测精度的气缸间不平衡的检测精度,在与投入电力密度X的关系中规定能够使多孔质层37的平均厚度Y变小的极限值。通过投入电力密度X和多孔质层37的平均厚度Y满足第1关系式R1,能够适当地维持传感器元件体2中的检测部21的温度,能够将气缸间不平衡的检测精度维持得较高。
因此,根据本形态的气体传感器1,能够将气缸间不平衡的检测精度维持得较高,在与投入电力密度X的关系中能够提供能够知道多孔质层37的厚度的容许最小值的指标。
此外,在本形态的气体传感器1中,设定投入电力密度X及多孔质层37的平均厚度Y,以使其不仅满足第1关系式R1,还满足第2~第4关系式R2、R3、R4。由此,能够确保气体传感器1的响应性(响应时间)、气体传感器1的早期活性(活性时间)及发热体34的耐久性。因此,通过满足第1~第4关系式R1、R2、R3、R4,能够形成各特性良好的气体传感器1。此外,当决定向气体传感器1的发热体34投入的投入电力密度X时,为了使多孔质层37的平均厚度Y成为适当,能够知道应该将该平均厚度Y在怎样的范围内设定。
此外,第1~第4关系式R1、R2、R3、R4在设定了向发热体34的投入电力密度X的情况下,能够作为用来决定多孔质层37的平均厚度Y的气体传感器1的制造方法来掌握。此外,第1~第4关系式R1、R2、R3、R4在设定了多孔质层37的平均厚度Y的情况下,也能够作为用来决定向发热体34的投入电力密度X的气体传感器1的使用方法来掌握。
本形态的多孔质层37的整体由同质的陶瓷(金属氧化物)形成为具有同等的气孔率的状态。除此以外,多孔质层37的一部分也可以由与其他部分不同的陶瓷形成。此外,也可以使多孔质层37的一部分的气孔率与其他部分的气孔率不同。例如,配置在扩散阻力层32的露出表面321的多孔质层37的部分也可以与配置在其他部分处的多孔质层37的部分相比材质、气孔率等不同。也可以在扩散阻力层32的露出表面321配置气孔率相互不同的两层的多孔质层37。
<确认试验1>
在确认试验1中,为了求出第1关系式R1,使投入电力密度X和多孔质层37的平均厚度Y适当变化,测量表示气缸间不平衡的检测精度的不平衡响应值的下降量。投入电力密度X在0.1~0.45[W/mm3]的范围内变化,多孔质层37的平均厚度Y在50~800[μm]的范围内变化。
在表1中表示测量了不平衡响应值的下降量的结果。在该表中,将投入电力密度X或多孔质层37的平均厚度Y适当变化的气体传感器1的试样表示为“1-1”~“1-12”。
[表1]
表1
不平衡响应值的下降量在不平衡响应值在5~10%的范围内下降的情况下添加±0.5%的误差范围、将为4.5~10.5%的范围内的情况作为求出第1关系式R1时的数据。在此情况下,作为区分气缸间不平衡的检测精度的好坏时的不平衡响应值的评价基准值,在表1的判定中用△表示。
在图8中,在投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的关系中,将不平衡响应值的下降量在4.5~10.5%的范围内下降的情况用△的标记表示。并且,对由△的标记表示的4点进行回归分析的结果是得到了第1关系式R1。
此外,在表1中,将在使投入电力密度X和多孔质层37的平均厚度Y变化时不平衡响应值的下降量成为不到4.5%的情况作为气缸间不平衡的检测精度良好的情况而用○的标记表示。此外,将不平衡响应值的下降量超过10.5%的情况作为气缸间不平衡的检测精度不好的情况而用×的标记表示。此外,在图8中也同样,将这些情况用○的标记及×的标记表示。在该图中,将满足第1关系式R1的范围进行斜线的加阴影而表示。
如确认试验1的结果所示,在满足对于气体传感器1的投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的关系进行回归分析而求出的第1关系式R1的情况下,能够将气缸间不平衡的检测精度维持得较高。
<确认试验2>
在确认试验2中,为了求出第2~第4关系式R2、R3、R4,使投入电力密度X和多孔质层37的平均厚度Y适当变化,测量不平衡响应值的下降量、气体传感器1的响应性(63%响应时间)、气体传感器1的早期活性(活性时间)及发热体34的耐久性(发热部341有无断线)。投入电力密度X在0.15~0.45[W/mm3]的范围内变化,多孔质层37的平均厚度Y在100~850[μm]的范围内变化。
在表2中,表示测量不平衡响应值的下降量、63%响应时间、活性时间及断线的有无的结果。在该表中,将投入电力密度X或多孔质层37的平均厚度Y适当变化的气体传感器1的试样表示为“2-1”~“2-12”。
[表2]
(不平衡响应值的下降量)
在表2的判定中,将不平衡响应值的下降量不到4.5%的情况作为气缸间不平衡的检测精度良好的情况而用○的标记表示。另一方面,将不平衡响应值的下降量超过10.5%的情况作为气缸间不平衡的检测精度不好的情况而用×的标记表示。此外,将不平衡响应值的下降量在4.5~10.5%的范围内下降的情况用△的标记表示。此外,也表示不平衡响应值的下降量不能测量的情况。
不平衡响应值的下降量的测量结果中,在投入电力密度X是0.2W/mm3、多孔质层37的平均厚度Y是100μm的情况下、以及投入电力密度X是0.4W/mm3而多孔质层37的平均厚度Y是100μm的情况下,判定结果为×。其以外的测量结果与确认试验1的情况是同样的。并且,确认了在传感器元件体2上设置多孔质层37时的多孔质层37的平均厚度Y[μm]的容许最小值可以基于第1关系式R1来决定。
(63%响应时间)
在表2的判定中,将63%响应时间是作为既有的气体传感器1的值的600ms以下的情况作为响应性良好的情况而用○的标记表示。另一方面,将63%响应时间超过作为既有的气体传感器1的值的600ms的情况作为响应性不好的情况而用×的标记表示。此外,也表示63%响应时间是不能测量的情况。
在63%响应时间的测量结果中,在多孔质层37的平均厚度Y是850μm的情况下判定结果为×,在多孔质层37的平均厚度Y是750μm的情况下判定结果为○。此外,通过数据的解析可知,在多孔质层37的平均厚度Y是750μm与850μm之间的800μm的情况下,有判定63%响应时间的好坏时的基准值。根据该结果,作为在传感器元件体2设置多孔质层37时的多孔质层37的平均厚度Y[μm]的容许最大值,得到了Y≤800的第2关系式R2。
(活性时间)
此外,在表2的判定中,将活性时间是作为既有的气体传感器1的值的5s以下的情况作为早期活性良好的情况而用○的标记表示。另一方面,将活性时间超过作为既有的气体传感器1的值的5s的情况作为早期活性不好的情况而用×的标记表示。此外,也表示活性时间不能测量的情况。
活性时间的测量结果中,在投入电力密度X是0.15W/mm3的情况下判定结果为×,在投入电力密度X是0.2W/mm3以上的情况下判定结果为○。此外,通过数据的解析可知,在投入电力密度X是0.15W/mm3与0.2W/mm3之间的0.17W/mm3的情况下,有判定活性时间的好坏时的基准值。根据该结果,作为向发热体34的投入电力密度X的容许最小值,得到了0.17≤X的第3关系式R3。
(断线的有无)
此外,在表2的判定中,将在发热部341中没有发生断线的情况作为发热体34的耐久性良好的情况而用○的标记表示。另一方面,将在发热部341中发生了断线的情况作为发热体34的耐久性不好的情况而用×的标记表示。
断线的有无的测量结果中,在投入电力密度X是0.45W/mm3的情况下判定结果为×,在投入电力密度X是0.4W/mm3以下的情况下判定结果为○。此外,通过数据的解析可知,在投入电力密度X是0.4W/mm3与0.45W/mm3之间的0.43W/mm3的情况下,有判定断线的有无时的基准值。根据该结果,作为向发热体34的投入电力密度X的容许最大值而得到了X≤0.43的第4关系式R4。
(综合判定)
并且,在表2中,作为综合判定,将不平衡响应值的下降量、63%响应时间、活性时间及断线的有无的全部的判定结果是良好的情况用○的标记表示,将某个判定结果不好的情况用×的标记表示。此外,在表示图9的投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的关系的曲线图中也同样,作为综合判定的结果而用○的标记和×的标记表示。在该图中,将满足第1~第4关系式R1、R2、R3、R4的范围进行斜线的阴影添加而表示。
如确认试验2的结果所示,对气体传感器1的投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的关系,在满足第1~第4关系式R1、R2、R3、R4的情况下,不仅能够将气缸间不平衡的检测精度维持得较高,还能够将气体传感器1的响应性、气体传感器1的早期活性及发热体34的耐久性也维持得较高。
<其他实施方式>
本公开并不仅限定于实施方式,在不脱离其主旨的范围中能够再构成不同的实施方式。本公开尤其对于层叠型的传感器元件体2着眼于投入电力密度X与多孔质层37的平均厚度Y的关系,气体传感器1、传感器元件体2等的各个结构能够适当变更。此外,本公开包括各种的变形例、等同范围内的变形例等。
Claims (7)
1.一种气体传感器(1),具备:
传感器元件体(2),具有:固体电解质层(31、31A、31B);检测电极(311),设置在上述固体电解质层的第1主面(301);基准电极(312),设置在上述固体电解质层的第2主面(302);检测气体室(35),以与上述固体电解质层的上述第1主面相邻并在内部配置上述检测电极的方式而形成;扩散阻力层(32),层叠在上述固体电解质层,用来向上述检测气体室导入检测气体(G);绝缘层(33A、33B),层叠在上述固体电解质层;发热体(34),埋设在上述绝缘层内,通过通电而发热;以及多孔质层(37),至少将上述扩散阻力层的露出表面(321)覆盖;以及
电力供给装置(5),通过对上述发热体进行电力供给从而对上述发热体进行通电;
上述传感器元件体所具有的上述多孔质层其平均厚度Y由在进行上述气体传感器的气体检测的稳定状态下表示投入电力密度X与上述平均厚度Y的关系的以下数式规定,
Y≥509.32-2884.89X+5014.12X2,上述平均厚度Y的单位是微米即μm,上述投入电力密度X的单位是瓦特每立方毫米即W/mm3,
对于上述投入电力密度X而言,当设在进行上述气体传感器的上述气体检测的上述稳定状态下由上述电力供给装置向上述发热体投入的投入电力量为P瓦特即PW、以及上述传感器元件体中的设置有上述发热体的发热区域(340)的长度范围(La)的体积为V立方毫米即Vmm3时,上述投入电力密度X为由X=P/V表示的值。
2.如权利要求1所述的气体传感器,
上述多孔质层的平均厚度Yμm还满足Y≤800的关系式(R2);
上述投入电力密度XW/mm3满足0.17≤X≤0.43的关系式(R3、R4)。
3.如权利要求1所述的气体传感器,
在上述固体电解质层的上述第2主面,相邻地形成有被上述绝缘层包围的、供大气被导入的大气通道(36);
上述基准电极被配置在上述大气通道内。
4.如权利要求2所述的气体传感器,
在上述固体电解质层的上述第2主面,相邻地形成有被上述绝缘层包围的、供大气被导入的大气通道(36);
上述基准电极被配置在上述大气通道内。
5.如权利要求1~4中任一项所述的气体传感器,
上述传感器元件体被形成为长条形状,并且在长条方向(L)的前端侧部位具有上述检测电极、上述基准电极及上述发热区域,且具有沿着上述长条方向的4个表面,即与上述第1主面及上述第2主面平行的一对第1平坦面(201)、以及与上述第1主面及上述第2主面垂直的一对第2平坦面(202);
上述多孔质层被连续地形成在一对上述第1平坦面及一对上述第2平坦面;
上述多孔质层的平均厚度Y被求出作为形成在一对上述第1平坦面及一对上述第2平坦面的上述多孔质层的平均厚度Y。
6.如权利要求1~4中任一项所述的气体传感器,
上述多孔质层由在含有氧化铝、二氧化钛、氧化锆、碳化硅、氮化硅、尖晶石、氧化锌中的至少1种的陶瓷上形成气孔而构成。
7.如权利要求5所述的气体传感器,
上述多孔质层由在含有氧化铝、二氧化钛、氧化锆、碳化硅、氮化硅、尖晶石、氧化锌中的至少1种的陶瓷上形成气孔而构成。
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