JP2015102384A - 酸素センサ素子 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1の酸素センサ素子においては、固定電解質体における、被測定ガスが接触する範囲である被測定ガス接触面に対して、固体電解質体の表面に設ける測定電極の位置を規定している。そして、ヒータによる測定電極の加熱を効果的に行って、酸素センサ素子のセンサ出力が得られるまでの活性時間を短くしている。
しかしながら、特許文献1においては、ヒータによる測定電極の加熱を効果的に行うことが示されているのみであり、NOxの排出量を少なく抑える工夫はなされていない。
被測定ガス中の酸素濃度を測定する際に、上記ヒータによって加熱された上記測定電極において、被測定ガスに曝される接触部位の面積Sにおける、表面温度が450℃未満となる低温領域の面積S1の割合が15%以下であることを特徴とする酸素センサ素子にある。
具体的には、酸素センサ素子においては、内燃機関から排気される排気ガス等である被測定ガス中の酸素濃度を測定する状態において、測定電極はヒータによって加熱される。そして、このヒータによって加熱される測定電極の表面温度が、酸素センサ素子における出力波形の変化点であるλ点の僅かなずれを左右することがわかった。このλ点は、排気ガス等である被測定ガスがリッチ側にシフトすると1よりも僅かに小さくなり、被測定ガスがリーン側にシフトすると1よりも僅かに大きくなる。
そして、測定電極の接触部位の全体において、表面温度が450℃未満となる低温領域の面積の割合が15〜20%の付近において、λ点が僅かにリッチ側にシフトすることがわかった。
それ故、上記酸素センサ素子によれば、酸素センサ素子を適用する内燃機関において、NOxの排出量を少なく抑えることができる。
一般に、内燃機関における空燃比がストイキ近傍(理論空燃比の近傍)からリッチ側にシフトするほどCO(一酸化炭素)やHC(炭化水素)の排出量が増加し、内燃機関における空燃比がストイキ近傍からリーン側にシフトするほどNOx(窒素酸化物)の排出量が増加する。そして、NOxの排出量を少なく抑えるためには、酸素センサ素子の特性として、被測定ガス中の酸素濃度に基づいて検知する内燃機関の空燃比がリーン側にシフトしたことを直ちに検出できることが要求される。
この課題を改善するために、上記酸素センサ素子においては、接触部位における450℃未満の低温領域を極力少なくする。そして、内燃機関における空燃比の制御の課題を解決し、NOxの排出量を少なく抑えることができると考えられる。
また、上記接触部位の面積Sにおける低温領域の面積S1の割合は8%以下であることがさらに好ましい。言い換えれば、酸素センサ素子は、S1/S≦0.08の関係を有することがさらに好ましい。
この場合、酸素センサ素子における出力波形の変化点であるλ点を、1よりも僅かに小さいリッチ側の位置に安定させることができ、NOxの排出量をより効果的に少なく抑えることができる。
酸素センサ素子が酸素濃度を検出する使用状態になるように、ヒータによって測定電極及び基準電極を加熱する。また、サーモビューア(サーモグラフィ)によって、測定電極の表面温度を測定するために、酸素センサ素子を覆うカバーを取り外す又は切断しておく。そして、サーモビューアによって、測定電極における接触部位の各部の温度分布が測定される。この温度分布に基づき、接触部位における、温度が450℃未満である面積の割合を算出して、低温領域の面積の割合S1/Sを測定することができる。
上記酸素センサ素子において、上記固体電解質体は、筒形状の外周部と該外周部の先端を閉塞する先端底部とを有する有底筒形状であり、上記測定電極は、上記固体電解質体の外周部の外側表面に設けられており、上記基準電極は、上記固体電解質体の外周部の内側表面に設けられており、上記ヒータは、上記固体電解質体の内側の空間に挿入されており、上記固体電解質体は、筒形状のカバー外周部と該カバー外周部の先端を閉塞するカバー先端底部とを有する有底筒形状のカバー内に、上記カバー先端底部と上記先端底部との向きを合わせて配置されており、上記カバー外周部には、上記カバーの内側と外側との間で被測定ガスを流通させるためのガス孔が形成されており、上記測定電極における上記接触部位は、上記基準電極との間に流れる酸素イオン電流を検知するための検知部と、該検知部をセンサ回路に接続するために、該検知部に繋がった導体部とを有していてもよい。
この場合には、酸素センサ素子における出力波形の変化点であるλ点を、1よりも僅かに小さいリッチ側の位置にすることができ、NOxの排出量をより効果的に少なく抑えることができる。なお、検知部における基端位置が、ガス孔における先端位置よりも基端側に位置すると、λ点がリーン側の位置にシフトし、酸素センサ素子によるNOxの排出量を少なく抑える効果が減少してしまう。
また、カバー内に流入する被測定ガスの流れ方向が、酸素センサ素子の軸方向に対して垂直である場合には、測定電極の接触部位にリッチガス中のCO,HCが吸着しやすい。この場合、上記検知部における基端位置を、上記ガス孔における先端位置よりも先端側に位置させることによる効果を顕著に得ることができる。
検知部における基端位置が、ガス孔における先端位置よりも先端側に離れ過ぎてしまうと、カバー内に流入する被測定ガスとしてのリーンガスが測定電極に到達するまでの時間が長くなると考えられる。この場合、酸素センサ素子がリーンガスを検出するまでの時間が遅延し、酸素センサ素子によるNOxの排出量を少なく抑える効果が減少してしまう。
そこで、検知部の基端位置とガス孔の先端位置との間の距離は、2mm以下であることにより、リーンガスが測定電極に到達するまでの時間を短く維持して、NOxの排出量をより効果的に少なく抑えることができる。
多孔質保護層の厚みが250μm未満になる場合には、測定電極の接触部位にリッチガスが到達しやすくなり、この接触部位にリッチガス中のCO,HCが吸着しやすくなる。一方、多孔質保護層の厚みが350μm超過になる場合には、測定電極の接触部位にリーンガスが到達しにくくなり、酸素センサ素子がリーンガスを検出するまでの時間が遅延して、酸素センサ素子によるNOxの排出量を少なく抑える効果が減少してしまう。
酸素センサ素子1は、図1に示すごとく、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体2と、固体電解質体2の一方の表面に設けられた、触媒作用のある測定電極3と、固体電解質体2の他方の表面に設けられた、触媒作用のある基準電極35と、測定電極3を加熱するためのヒータ5とを有している。酸素センサ素子1によって被測定ガスG中の酸素濃度を測定する際に、図2に示すごとく、ヒータ5によって加熱された測定電極3において、被測定ガスGに曝される接触部位31の面積Sにおける、表面温度が450℃未満となる低温領域の面積S1の割合(%)が15%以下である。なお、接触部位31における、低温領域以外の領域の温度は450℃以上である。
図1に示すごとく、本例の酸素センサ素子1は、インナーカバー6内に配置された状態で、自動車の排気管内において使用される。また、被測定ガスGは排気管を通過する排気ガスであり、酸素センサ素子1は、排気ガス中の酸素濃度を検出するために用いられる。
固体電解質体2は、ジルコニアから構成されており、筒形状の外周部21と、外周部21の先端を閉塞する先端底部22とを有している。そして、固体電解質体2は有底筒形状を有している。測定電極3は、固体電解質体2の外周部21の外側表面201に設けられている。基準電極35は、固体電解質体2の外周部21の内側表面202に設けられている。ヒータ5は、固体電解質体2の内側の空間20に挿入されている。ヒータ5は、アルミナの絶縁体基板と、この絶縁体基板に設けられた、通電によって発熱する導体とによって構成されている。
固体電解質体2は、インナーカバー(カバー)6内に配置されている。インナーカバー6は、筒形状のカバー外周部61と、カバー外周部61の先端を閉塞するカバー先端底部62とを有している。そして、インナーカバー6は有底筒形状を有している。インナーカバー6のカバー先端底部62の方向と、固体電解質体2の先端底部22の方向とは同じになっている。
酸素センサ素子1が排気管内に配置されたときには、固体電解質体2の中心を通る中心軸線Oに平行な軸方向Dが、排気管における被測定ガスGの流れ方向Fに対して直交する。そして、カバー外周部61のガス孔611からインナーカバー6内に流入する被測定ガスGは、カバー先端底部62のガス孔621からインナーカバー6の外部に流出する。
また、同図において、被測定ガスGに曝される接触部位31は、検知部311の全体と、固体電解質体2がケース11に取り付けられた部分111よりも先端側D1に位置する導体部312の部分となる。
また、固体電解質体2の外側表面201であって、少なくとも検知部311の全体を覆う位置には、多数の通気孔を有する多孔質保護層4が設けられている。多孔質保護層4は、被測定ガスGを通過させる一方、測定電極3に付着する可能性のある被毒成分を捕獲する性質を有している。多孔質保護層4は、被測定ガスGが測定電極3に到達する速度を制限する拡散層としての機能も有する。多孔質保護層4の厚みtは、250〜350μmの範囲内にある。
酸素センサ素子1においては、内燃機関から排気される排気ガス等である被測定ガスG中の酸素濃度を測定する状態において、測定電極3及び基準電極35はヒータ5によって加熱される。そして、このヒータ5によって加熱される測定電極3の表面温度が、酸素センサ素子1における出力波形の変化点であるλ点の僅かなずれを左右することがわかった。このλ点は、排気ガス等である被測定ガスGがリッチ側(燃料過剰側)にシフトすると1よりも僅かに小さくなり、被測定ガスGがリーン側(空気過剰側)にシフトすると1よりも僅かに大きくなる。なお、λ点は、内燃機関における空燃比が理論空燃比であるときに1を示す。
そして、測定電極3の接触部位31の全体において、表面温度が450℃未満となる低温領域の面積の割合が15〜20%の付近において、λ点が僅かにリッチ側にシフトすることがわかった。
それ故、酸素センサ素子1によれば、酸素センサ素子1を適用する内燃機関において、NOxの排出量を少なく抑えることができる。
本確認試験においては、上記実施例に示した酸素センサ素子1について、λ点をリッチ側にシフトさせて、NOxの排出量を少なく抑えられる構成を確認した。
図4には、測定電極3の接触部位31の面積Sにおける低温領域の面積S1の割合S1/Sと、酸素センサ素子1のλ点との関係を示す。同図に示すごとく、λ点は、S1/Sが0.2よりも大きい範囲、つまり低温領域が多い範囲においては、1に近い値を示す。一方、λ点は、S1/Sが0に近い範囲、つまり低温領域が極めて少ない範囲においては、0.999に近い値を示す。そして、λ点の値は、S1/Sが0.15〜0.2の付近で急変している。このことより、S1/Sを0.15以下にすれば、λ点がリッチ側にシフトして、内燃機関におけるNOxの排出量を低減する効果が得られることがわかる。
そして、距離Kが−1mmである場合には、距離Kが0mm、1mm、3mmである場合に比べて、λ点の値が、1に近づくリーン側にシフトしていることがわかる。また、距離Kが3mmである場合には、距離Kが0mm、1mmである場合に比べて、λ点の値が、リーン側に近くなっていることがわかる。
2 固体電解質体
3 測定電極
31 接触部位
35 基準電極
5 ヒータ
G 被測定ガス
Claims (5)
- 酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(2)と、該固体電解質体(2)の一方の表面に設けられた、触媒作用のある測定電極(3)と、上記固体電解質体(2)の他方の表面に設けられた、触媒作用のある基準電極(35)と、上記測定電極(3)を加熱するためのヒータ(5)とを有する酸素センサ素子(1)において、
被測定ガス(G)中の酸素濃度を測定する際に、上記ヒータ(5)によって加熱された上記測定電極(3)において、被測定ガス(G)に曝される接触部位(31)の面積(S)における、表面温度が450℃未満となる低温領域の面積(S1)の割合が15%以下であることを特徴とする酸素センサ素子(1)。 - 上記固体電解質体(2)は、筒形状の外周部(21)と該外周部(21)の先端を閉塞する先端底部(22)とを有する有底筒形状であり、
上記測定電極(3)は、上記固体電解質体(2)の外周部(21)の外側表面(201)に設けられており、
上記基準電極(35)は、上記固体電解質体(2)の外周部(21)の内側表面(202)に設けられており、
上記ヒータ(5)は、上記固体電解質体(2)の内側の空間(20)に挿入されており、
上記固体電解質体(2)は、筒形状のカバー外周部(61)と該カバー外周部(61)の先端を閉塞するカバー先端底部(62)とを有する有底筒形状のカバー(6)内に、上記カバー先端底部(62)と上記先端底部(22)との向きを合わせて配置されており、
上記カバー外周部(61)には、上記カバー(6)の内側と外側との間で被測定ガス(G)を流通させるためのガス孔(611)が形成されており、
上記測定電極(3)における上記接触部位(31)は、上記基準電極(35)との間に流れる酸素イオン電流を検知するための検知部(311)と、該検知部(311)をセンサ回路に接続するために、該検知部(311)に繋がった導体部(312)とを有していることを特徴とする請求項1に記載の酸素センサ素子(1)。 - 上記検知部(311)における、上記先端底部(22)から遠い側の基端位置(301)は、上記ガス孔(611)における、上記カバー先端底部(62)に近い側の先端位置(601)よりも先端側(D1)に位置することを特徴とする請求項2に記載の酸素センサ素子(1)。
- 上記固体電解質体(2)の中心を通る中心軸線(O)に平行な軸方向(D)における、上記検知部(311)の上記基端位置(301)と上記ガス孔(611)の上記先端位置(601)との間の距離(K)は、0〜2mmの範囲内にあることを特徴とする請求項3に記載の酸素センサ素子(1)。
- 上記固体電解質体(2)の上記外側表面(201)であって、少なくとも上記検知部(311)の全体を覆う位置には、被測定ガス(G)を通過させる一方、上記測定電極(3)に付着する可能性のある被毒成分を捕獲する性質を有する多孔質保護層(4)が設けられており、
該多孔質保護層(4)の厚みは、250〜350μmの範囲内にあることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の酸素センサ素子(1)。
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