[发明专利]直接连接氧传感器

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种传感器，该传感器用于测量穿过汽车动力系和排气系统的流体中的氧(O₂)比例，且尤其涉及连接器布置，其用于可操作地将氧传感器连接至能够利用由该传感器产生的信号的装置。

背景技术

几乎所有传统的机动车辆，例如现代车辆，包括用于排出和减少车辆内燃机(ICE)正常操作产生的副产物的排气系统。多数排气系统包括催化转化器和类似的排气后处理装置，其通过流体管道或“排气管”接收来自发动机排气歧管(或头部器)的输出，并还原和氧化排气排放物。消声器组件或类似装置，通常定向于催化转化器的下游，以消弱排气排放过程产生的噪声。

电子传感器用于各种需要做定性和定量流体分析的应用中。在汽车行业中，例如，氧传感器，通俗地称为“O₂传感器”，用于内燃控制系统，以提供汽车排气中精确的氧浓度测量值。发动机排气中的氧浓度与提供给发动机的燃料混合物的空燃比具有直接的联系。由此，O₂传感器获取的测量值可用于确定最有利的燃烧条件、优化空燃比、使燃料经济性最大化以及控制排气排放。

多种氧传感器商业化地用于汽车应用中。典型地，用于汽车应用的电化学类型的氧传感器利用了套筒型电化学原电池，其在“电位模式(potentiometricmode)”下运行以确定，或感测发动机排气流中存在的氧的相对含量。这种类型的氧传感器包括离子导电性固体电解质材料，典型地，氧化钛和氧化钇稳定氧化锆(yttria stabilized zirconia)，暴露在排气流中的涂覆于传感器外部的多孔电极，以及暴露于已知浓度的参照气体(reference gas)的涂覆于传感器内部的多孔电极。

针对氧气而言，固体电解质传感器用来测量在未知气体试样和已知气体试样之间的氧活度差异。在汽车排气应用中，例如，未知气体是排气而已知的参照气体通常是大气空气，因为空气中的氧含量是相对恒定且易于获得的。经过固体电解质的气体浓度梯度产生伽伐尼电位。也就是说，当这个原电池的相对表面暴露在不同的氧分压下，根据能斯脱方程(Nernst equation)在电极之间产生电动势(“emf”)：

E＝ATln(P1/P2)

其中，E是单元的还原电势或“伽伐尼电压”，T是气体的绝对温度，P1/P2是两个电极处参照气体的氧分压的比值，和A＝R/4F，这里R是通用的气体常数(R＝8.314472J·K^-1·mol^-1)，而F是法拉第常数(F＝96485.3399C/mol)。

浓差型氧传感器(potentiometric oxygen sensor)通常用于ICE的排气系统，从而与化学计量相比较，量化地判定发动机是在富燃条件(空燃比是带有未燃燃料的“富的”)或是在贫燃条件(空燃比具有过量的氧气)下运行。达到平衡之后，由在这两个运行条件下运行的发动机产生的排气具有两个较大差异的氧分压。这个信息被提供到空燃比控制系统，该系统试图提供在两个极端条件之间的平均化学计量空燃比。在空燃比化学计量点下，氧浓度会变化若干数量级。因此，浓差型氧传感器能够量化地指示发动机是在富燃或是在贫燃条件下运行，而不必提供关于实际空燃比的更具体信息。

由于对提高燃料经济性和改进排放控制的日益增长的需求，开发了宽范围氧传感器，它们能够准确地确定发动机在富燃和贫燃条件下运行时排气中的氧分压。这些条件要求氧传感器能够以足够的灵敏度精确地判定在富燃和贫燃条件下的氧分压的同时，快速响应氧分压的几个数量级的变化。氧传感器会产生与空燃比成比例的输出，从而为发动机控制系统提供额外的性能优势。在扩散极限电流模式下工作的氧传感器可产生这样的比例输出，该输出提供了充分的分辨率以确定空燃比在富燃或贫燃的条件下。通常，扩散极限电流氧传感器具有用于产生内部氧参考值的泵送单元和氧储存单元。在储存单元和泵送单元之间保持恒定的电动势，使得泵送电流的大小和极性可被检测作为排气组分的表示。

当前的O₂传感器设计成包括两个电连接点，用于将氧传感器电连接至电子装置，例如车载发动机控制模块(ECM)，该模块利用传感器产生的信号。一个连接点相对于传感器在内部，而第二、外连接点与线束电连通。在这种设计中，细长的“绞编组件(pigtail assembly)”电连接这两个电连接点。绞编组件在其各个相对的端部具有截然不同的电连接器：第一金属连接器夹用于连接至传感器内部的连接点，而第二、便宜的塑料连接器夹用于将绞编组件附连至车辆线束。