[发明专利]汽车用宽范围空气/汽油比例测量传感器

说明书

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