JP2915064B2 - Air-fuel ratio detector - Google Patents
Air-fuel ratio detectorInfo
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- JP2915064B2 JP2915064B2 JP2103144A JP10314490A JP2915064B2 JP 2915064 B2 JP2915064 B2 JP 2915064B2 JP 2103144 A JP2103144 A JP 2103144A JP 10314490 A JP10314490 A JP 10314490A JP 2915064 B2 JP2915064 B2 JP 2915064B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空燃比測定用検出器に係り、特に、内燃機
関の制御に用い、低空燃比(リツチ領域)から高空燃比
(リーン領域)までの広範囲にわたる使用に好適な空燃
比測定用検出器に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an air-fuel ratio measuring detector, and more particularly, to a detector for controlling an internal combustion engine, from a low air-fuel ratio (rich region) to a high air-fuel ratio (lean region). The present invention relates to a detector for measuring the air-fuel ratio suitable for use over a wide range.
一般に、空燃比測定用検出器を用いた自動車用燃焼シ
ステムは、排気ガス中の酸素や未燃ガスの濃度を測定す
ることにより燃焼状態を把握し、燃料、すなわち、ガソ
リンの供給量と空気量を制御する回路に情報をフィード
バツクし、空気とガソリンとの混合比、すなわち、空燃
比A/Fを制御するものである。In general, an automobile combustion system using an air-fuel ratio measurement detector grasps the combustion state by measuring the concentration of oxygen and unburned gas in exhaust gas, and determines the fuel, that is, the gasoline supply amount and air amount. Is fed back to a circuit for controlling the air-fuel ratio, that is, the air-fuel ratio A / F.
なお、空気中の酸素がガソリンともつとも効率よく反
応する空燃比が理論空燃比(A/F=14.7)である。The stoichiometric air-fuel ratio (A / F = 14.7) at which oxygen in the air reacts efficiently even with gasoline is the stoichiometric air-fuel ratio.
従来、理論空燃比を検出するストイツクセンサ、ある
いは理論空燃比以上の領域の空燃比を検出するリーンセ
ンサは、ガス拡散層がマグネシアスピネル粉末を用いた
プラズマ溶射により50〜450μmの厚さで形成されてお
り、その気孔率は約5〜10%、平均細孔径では水根ポロ
シメータによる測定で約20nm〜50nmの性質をもつもので
あつた。Conventionally, a stoichiometric sensor that detects a stoichiometric air-fuel ratio or a lean sensor that detects an air-fuel ratio in a region above the stoichiometric air-fuel ratio has a gas diffusion layer formed with a thickness of 50 to 450 μm by plasma spraying using magnesia spinel powder. It has a porosity of about 5 to 10% and an average pore diameter of about 20 to 50 nm as measured by a water root porosimeter.
自動車の燃焼効率を高めるため、燃料が多い低空燃比
の領域(リツチ領域という)から燃料が比較的少ない高
空燃比の領域(リーン領域という)まで幅広い領域にわ
たつて空燃比を制御する必要がある。In order to increase the combustion efficiency of an automobile, it is necessary to control the air-fuel ratio over a wide range from a low air-fuel ratio region with a large amount of fuel (called a rich region) to a high air-fuel ratio region with a relatively small amount of fuel (called a lean region).
ところが、リツチ領域の空燃比を測定するには、従来
のガス拡散層より拡散抵抗を大きくする必要がある。そ
の理由を、第3図ないし第5図を参照して説明する。However, in order to measure the air-fuel ratio in the rich region, it is necessary to make the diffusion resistance higher than that of a conventional gas diffusion layer. The reason will be described with reference to FIGS.
第3図は、排ガスの空燃比とガス成分との関係を示す
線図、第4図は、一般的な限界電流式空燃比測定用検出
器の原理説明図、第5図は、空燃比と電気特性との関係
を示す線図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the air-fuel ratio of exhaust gas and gas components, FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of a general limit current type air-fuel ratio measuring detector, and FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship with electrical characteristics.
第3図に示すように、空燃比が理論空燃比より大きい
領域、すなわち、リーン領域では、排ガス中の成分はほ
とんど酸素(O2)であり、未燃ガスである一酸化炭素
(CO),ハンドロカーボン(HC),水素(H2)はきわめ
て微量である。As shown in FIG. 3, in the region where the air-fuel ratio is larger than the stoichiometric air-fuel ratio, that is, in the lean region, the components in the exhaust gas are almost oxygen (O 2 ), and the unburned gas carbon monoxide (CO), Hydrocarbon (HC) and hydrogen (H 2 ) are extremely small.
この場合、O2は、第4図で示されるように、ガス拡散
層3を通つて外側の反応電極2bで触媒反応によりイオン
化し、酸素イオンO2-は固体電解質1を通り大気側へ移
動する。この際、ガス拡散層を通過するO2を律速させる
必要がある。ここで律速とは、ガス拡散層を通過するO2
の流れにコンダクタンスを与えることを意味する。この
ガス拡散層3にはある程度の緻密さが要求される。反応
電極2bに到達したO2は、前述のように、イオン化する
が、空燃比によつて排ガス中の酸素濃度が異なるため、
出力は第5図に示すように、それぞれの空燃比A/Fに対
応した限界電流値をもつ特性を示す。In this case, as shown in FIG. 4, O 2 passes through the gas diffusion layer 3 and is ionized by a catalytic reaction at the outer reaction electrode 2 b, and oxygen ions O 2− move to the atmosphere side through the solid electrolyte 1. I do. At this time, it is necessary to control the rate of O 2 passing through the gas diffusion layer. Here, the rate-determining means that O 2 passing through the gas diffusion layer
Means to give conductance to the flow. The gas diffusion layer 3 is required to have a certain degree of denseness. O 2 arriving at the reaction electrode 2b is ionized as described above, but since the oxygen concentration in the exhaust gas varies depending on the air-fuel ratio,
As shown in FIG. 5, the output shows a characteristic having a limit current value corresponding to each air-fuel ratio A / F.
第5図では、横軸に電極間電圧Vをとり、縦軸にポン
プ電流IP(mA)をとつて、それぞれの空燃比A/Fに対応
して、ポンプ電流が一定となる実線をもつて限界電流値
を示している。In FIG. 5, the horizontal axis represents the inter-electrode voltage V, the vertical axis represents the pump current I P (mA), and the solid line at which the pump current is constant corresponds to each air-fuel ratio A / F. Indicates the limit current value.
この限界電流値は次の理論式(1)で表わされること
が知られている。It is known that this limit current value is represented by the following theoretical formula (1).
F:フアラデー定数 R:気体定数 T:ガスの絶対温度 S:ガス拡散層の空孔の等価断面積 l:ガス拡散層の厚さ αi:変換定数 Di:分子の拡散係数 Pi:ガス分圧 この(1)式における各項の値により第5図の限界電
流値が定まるが、各定数をまとめて示すと(1)式は
(2)式のように表わされる。 F: Faraday constant R: Gas constant T: Absolute temperature of gas S: Equivalent cross-sectional area of holes in gas diffusion layer l: Thickness of gas diffusion layer αi: Conversion constant Di: Diffusion coefficient of molecule Pi: Gas partial pressure This The limit current value in FIG. 5 is determined by the value of each term in the expression (1). When the constants are collectively shown, the expression (1) is expressed as the expression (2).
C:定数 すなわち、限界電流Ip*は、ガス拡散層の緻密さに
相当する空孔の等価断面積Sとガス拡散層の厚さlによ
つて決まるものである。 C: constant That is, the limiting current Ip * is determined by the equivalent sectional area S of the holes corresponding to the density of the gas diffusion layer and the thickness l of the gas diffusion layer.
ガス拡散層の厚さlが大きいと、限界電流Ip*は低
くなるが、あまり大きいと応答性や耐久性に影響するた
め、ある厚さ以下にしなければならない。そこで、限界
電流Ip*はガス拡散層の空孔の等価断面積Sに左右さ
れることとなり、Sが小さいほど、すなわち、ガス拡散
層が緻密であるほど、Ip*は小さくなり、リツチ領域
での検出制御に有効となる。If the thickness l of the gas diffusion layer is large, the limiting current Ip * decreases, but if it is too large, the response and durability are affected. Therefore, the limiting current Ip * depends on the equivalent cross-sectional area S of the holes in the gas diffusion layer, and the smaller the S is, that is, the denser the gas diffusion layer is, the smaller the Ip * becomes. This is effective for detection control in a region.
リツチ領域では、第3図に示すように、排ガス中の酸
素濃度は少なく、未燃ガスのCO,HC,H2が多い。従つて、
第4図の中のガス拡散層3にはこれらの未燃ガスが通過
し、酸素イオンO2-はリーン領域の場合とは逆に大気側
から固体電解質1を通り、外側電極2b上で未燃ガスと反
応する。ところが未燃ガス成分の分子の大きさは、酸素
分子よりはるかに小さいため、ガス拡散層を通過する量
を従来のガス拡散層では律速することができず、リツチ
側の制御ができなくなる。すなわち、リツチ側の制御を
行うためには、未燃ガスの拡散を律速しうる緻密な細孔
をもつガス拡散層が必要となる。In Ritsuchi region, as shown in FIG. 3, the oxygen concentration in the exhaust gas is small, CO unburned gas, HC, H 2 is large. Therefore,
These unburned gases pass through the gas diffusion layer 3 in FIG. 4, and the oxygen ions O 2− pass through the solid electrolyte 1 from the atmosphere side and conversely on the outer electrode 2b as opposed to the case of the lean region. Reacts with combustion gases. However, since the size of the molecules of the unburned gas component is much smaller than that of oxygen molecules, the amount of gas passing through the gas diffusion layer cannot be limited by the conventional gas diffusion layer, and the control on the rich side cannot be performed. That is, in order to control the rich side, a gas diffusion layer having dense pores capable of controlling the diffusion of the unburned gas is required.
こうした点を考慮し、ガス拡散層をプラズマ溶射法を
用いて密度の異なる二層構造とすることが例えば、特開
昭53−116896号公報に記載されている。この技術ではプ
ラズマ溶射法で、マグネシアスピネルを第一層は粗に30
0μm、第二層は密に2mmの厚さに形成している。In consideration of these points, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 53-116896 discloses that the gas diffusion layer has a two-layer structure having different densities by using a plasma spraying method. In this technology, the first layer of magnesia spinel is roughly 30
0 μm, the second layer is densely formed to a thickness of 2 mm.
一方、結晶性ガラス粉末(ガラスセラミツクス)を用
いた連続気孔質燃結体の製造方法は、例えば、特開平1
−108179号公報に記載されている。この技術では結晶性
ガラス粉末に無機塩を混合し、成形体を形成した後、燃
結し、冷却後、可溶性塩を抽出するプロセスであり、最
終的に得られる成形体の平均孔径は12μm〜98μm、気
孔率は53%〜67%である。On the other hand, a method for manufacturing a continuous porous sintered body using crystalline glass powder (glass ceramics) is disclosed in, for example,
-108179. In this technique, a crystalline glass powder is mixed with an inorganic salt to form a molded body, then fired, cooled, and then a soluble salt is extracted.The average pore diameter of the finally obtained molded body is 12 μm to 98 μm, porosity is 53% to 67%.
上記の従来技術では、ガス拡散層の厚さや緻密さと、
耐熱性,生産性、あるいは、応答性との関係について考
慮されておらず、外側の粗で厚い層が冷熱サイクルによ
つてクラツクを生じるという問題があつた。さらに、プ
ラズマ溶射法を用いているので生産コストが高く、緻密
さの制御について考慮されていなかつた。In the above prior art, the thickness and denseness of the gas diffusion layer,
No consideration was given to the relationship between heat resistance, productivity, and responsiveness, and there was a problem that the outer rough and thick layer was cracked by the thermal cycle. Furthermore, since the plasma spraying method is used, the production cost is high, and no consideration has been given to controlling the fineness.
また、後者の技術では、本発明と同様に結晶性ガラス
粉末を用いて連続気孔性多孔質焼結体を形成している
が、本発明の用途とは異なる。しかも、後者の技術を、
例えば、空燃比測定用検出器に適用したとしても、平均
空孔径、および気孔率が大きく異なることから、適用は
困難であると考えられる。In the latter technique, a continuous porous porous sintered body is formed using crystalline glass powder as in the present invention, but this is different from the use of the present invention. Moreover, the latter technology,
For example, even when applied to an air-fuel ratio measurement detector, it is considered difficult to apply it because the average pore diameter and the porosity greatly differ.
本発明の目的は、結晶性ガラス粉末に結晶性ガラス粉
末より高い融点をもつセラミツクス微粉末を混合し、形
成・焼成した膜の空孔にアルミナゾルを含浸させ、焼成
したガス拡散層を備え、気孔率および平均空孔径の選定
が容易で、耐熱性に優れ、かつ、応答性が良く、リーン
領域からリツチ領域まで広範囲に適用しうる生産性の良
い空燃比測定用検出器を提供することにある。An object of the present invention is to provide a glass diffusion layer in which a ceramic glass powder having a melting point higher than that of a crystalline glass powder is mixed with the crystalline glass powder, alumina pores are impregnated into pores of the formed and fired film, and a fired gas diffusion layer is provided. The object of the present invention is to provide an air-fuel ratio measuring detector which can easily select the ratio and the average pore diameter, has excellent heat resistance, has good responsiveness, and has good productivity which can be widely applied from the lean region to the rich region. .
上記目的を達成するため、本発明に係る空燃比測定用
検出器は、酸素イオン伝導性金属酸化物からなる固体電
解質素子の内外面に多孔質の薄膜状の電極を設け、前記
固体電解質素子の外側の電極を多孔質の電気絶縁性金属
酸化物からなるガス拡散層で形成し、前記電極の相互間
に一定電圧を印加することにより前記固体電解質素子が
置かれる雰囲気中の酸素をイオン化し、前記固体電解質
素子内部に拡散させ、酸素イオンの流量に対する空燃比
測定用検出器において、 少なくとも前記外側の電極の全表面を覆うべきガス拡
散層を結晶性ガラス粉末に前記結晶性粉末ガラスより高
い融点をもつセラミツクス微粉末を混合した後、形成
し、焼成した薄膜にアルミナゾルを前記薄膜内の空孔に
含浸させ、焼成して形成したものである。In order to achieve the above object, the air-fuel ratio measuring detector according to the present invention is provided with a porous thin-film electrode on the inner and outer surfaces of a solid electrolyte element made of an oxygen ion conductive metal oxide, The outer electrode is formed of a gas diffusion layer made of a porous electrically insulating metal oxide, and ionizing oxygen in the atmosphere where the solid electrolyte element is placed by applying a constant voltage between the electrodes, In the detector for diffusing inside the solid electrolyte element and measuring the air-fuel ratio with respect to the flow rate of oxygen ions, a gas diffusion layer that should cover at least the entire surface of the outer electrode is made of a crystalline glass powder having a melting point higher than that of the crystalline powder glass. Is formed by mixing a ceramic fine powder having the following formula, forming and firing a thin film, impregnating pores in the thin film with alumina sol, and firing.
より望ましくは、前記セラミツクス微粉末の材質は固
体電解質と同一の材質もしくはZrO2が好ましい。More preferably, the material of the ceramics fine powder is the same as that of the solid electrolyte or ZrO 2 .
なお付設すると結晶性ガラス粉末にセラミツクス微粉
末を混合し、形成した薄膜の焼成温度は850℃から1200
℃が好ましい。When attached, the ceramics fine powder was mixed with the crystalline glass powder, and the firing temperature of the formed thin film was 850 ° C to 1200 ° C.
C is preferred.
さらに、焼成後の薄膜に含浸する材料はアルミナゾル
のみならず、例えば、ジルコニアゾルを用いてもよく、
熱膨張率および平均粒子径が同様であれば、他の種類の
ゾルおよびゲル状物質を用いてもよい。また、焼成後の
薄膜に含浸する方法は真空中で含浸する方法および真空
中で含浸した後、油圧などを用いて、薄膜の周囲から含
浸材流を加圧する方法を用いてもよい。Further, the material to be impregnated into the fired thin film is not limited to alumina sol, for example, zirconia sol may be used,
Other types of sols and gel-like substances may be used as long as the coefficient of thermal expansion and the average particle diameter are the same. The method of impregnating the fired thin film may be a method of impregnating in a vacuum or a method of impregnating in a vacuum and then pressurizing a flow of the impregnating material from around the thin film using a hydraulic pressure or the like.
最適には、ガス拡散層は、平均空孔径が10nmから60n
m、膜厚は200μm以下に形成するとよい。Optimally, the gas diffusion layer has an average pore size of 10 nm to 60 n
m, the film thickness is preferably 200 μm or less.
上記のように構成された空燃比測定用検出器は、プラ
ズマ溶射を用いず、結晶性ガラス粉末にセラミツクス微
粉末を焼結抑制剤として混合したのち形成し、焼成した
薄膜にアルミナゾルなどの微粒子を含浸,焼成して形成
したガス拡散層は空孔が均一に形成されているため、膜
厚が薄いにもかかわらず気孔率が小さくて十分な拡散律
速機能を発揮する。The air-fuel ratio measurement detector configured as described above does not use plasma spraying, and forms fine particles such as alumina sol in a thin film that is formed after mixing ceramics fine powder with crystalline glass powder as a sintering inhibitor. Since the gas diffusion layer formed by impregnation and sintering has uniform pores, it has a small porosity despite its thin film thickness and exhibits a sufficient diffusion-controlling function.
この層を薄く形成したことにより、ガス拡散層全体の
厚さが薄くなり、固体電解質素子との熱膨張係数の差に
よる熱ひずみの発生が少なくなり、クラツクが発生しに
くくなるとともに、応答性,生産性が向上する。By forming this layer thin, the thickness of the entire gas diffusion layer is reduced, the occurrence of thermal strain due to the difference in thermal expansion coefficient from the solid electrolyte element is reduced, and cracks are less likely to occur. Productivity is improved.
本発明の結晶性ガラス粉末にセラミツクス微粉末を混
合し、焼成した薄膜は空孔径が比較的大きい。そのた
め、本発明の目的である低空燃比(リツチ領域)から高
空燃比(リーン領域)までの広範囲の空燃比を検出する
ことは困難であるが、酸素ガスを拡散律速するのに十分
な空孔径であることから、高空燃比(リーン領域)だけ
の範囲であれば、十分に空燃比の検出が可能である。The thin film obtained by mixing the ceramic glass powder with the crystalline glass powder of the present invention and firing it has a relatively large pore diameter. Therefore, it is difficult to detect an air-fuel ratio in a wide range from a low air-fuel ratio (rich region) to a high air-fuel ratio (lean region), which is an object of the present invention. For this reason, the detection of the air-fuel ratio can be sufficiently performed within the range of only the high air-fuel ratio (lean region).
さらに、焼成後の薄膜にアルミナゾルなどの微粒子を
真空中で含浸することにより、薄膜内部の大きな空孔中
へアルミナゾルの微粒子が入り込んだ状態を形成する。
その後、電気炉などで焼成を行う。Further, by impregnating the fired thin film with fine particles of alumina sol or the like in a vacuum, a state is formed in which fine particles of alumina sol enter into large pores inside the thin film.
Thereafter, firing is performed in an electric furnace or the like.
以上のように形成した薄膜は空孔が微細で均一に形成
される。これはアルミナゾルなどの微粒子の大きさが非
常に微細で、しかも、均一粒子であることによる。ま
た、アルミナゾルなどの微粒子は焼成温度を変化させる
ことにより、粒子間の結合状態が変化するため、任意の
空孔径を得ることが容易である。The thin film formed as described above has fine and uniform holes. This is because fine particles such as alumina sol are very fine and uniform. Fine particles such as alumina sol change the bonding state between the particles by changing the firing temperature, so that it is easy to obtain an arbitrary pore diameter.
このように空燃比測定用検出器のガス拡散層に空孔が
微細で、しかも、均一な連続孔をもつ本発明を適用した
方法は従来例とは全く異なる独自のものである。As described above, the method of applying the present invention having fine and uniform continuous holes in the gas diffusion layer of the detector for measuring the air-fuel ratio is a unique method completely different from the conventional example.
以下、本発明の各実施例を第1図,第2図および、第
6図ないし第9図を参照し説明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2, and FIGS. 6 to 9.
まず、ガス拡散層に関する一実施例を第6図を参照し
て説明する。First, one embodiment of the gas diffusion layer will be described with reference to FIG.
第6図は、本発明の一実施例の空燃比測定用検出器の
ガス拡散層の要部の断面図で、この検出器は自動車の制
御に用いられる。FIG. 6 is a sectional view of a main part of a gas diffusion layer of an air-fuel ratio measuring detector according to one embodiment of the present invention, which is used for controlling an automobile.
第6図において、1は、酸素イオン伝導性金属酸化物
からなる固体電解質素子(以下単に固体電解質という)
で、本例では、この固体電解質1は酸化イツトリウム
(イツトリア)を固溶させることにより部分安定化させ
たジルコニアである。In FIG. 6, reference numeral 1 denotes a solid electrolyte element made of an oxygen ion conductive metal oxide (hereinafter simply referred to as a solid electrolyte).
In this example, the solid electrolyte 1 is zirconia partially stabilized by solid solution of yttrium oxide (yttrium).
2(2a,2bの総称)は、固体電解質1の内外面に白金
メツキされた多孔質の薄膜状の反応電極である。外側の
反応電極2bは、先の理論式(1)における特性に影響を
及ぼす空孔断面積Sに関わるため、白金メツキの際、マ
スキングにより精度良く形成されている。Reference numeral 2 (collectively 2a and 2b) denotes a porous thin-film reaction electrode in which the inner and outer surfaces of the solid electrolyte 1 are plated with platinum. Since the outer reaction electrode 2b is related to the pore cross-sectional area S which affects the characteristics in the theoretical formula (1), the outer reaction electrode 2b is accurately formed by masking in the case of platinum plating.
3は、外側の反応電極2bを覆うように形成した電気絶
縁性金属酸化物からなるガス拡散層、4はリード電極、
6は、固体電解質1を加熱するためのヒータである。3 is a gas diffusion layer made of an electrically insulating metal oxide formed so as to cover the outer reaction electrode 2b, 4 is a lead electrode,
Reference numeral 6 denotes a heater for heating the solid electrolyte 1.
より詳しくは、外側の反応電極2bにつながるリード電
極4は、同時にマスキングした白金メツキにより形成さ
れ、排気ガスとの反応を完全に遮断するため緻密なガラ
ス絶縁層8で覆われている。この外側にガス拡散層3が
結晶性ガラス粉末に29%セラミックス微粉末を混合した
膜を骨格として、その空孔にアルミナゾルを含浸,焼成
により形成される。More specifically, the lead electrode 4 connected to the outer reaction electrode 2b is formed of a platinum mask that has been masked at the same time, and is covered with a dense glass insulating layer 8 to completely block the reaction with the exhaust gas. On the outside, a gas diffusion layer 3 is formed by impregnating alumina sol into pores and sintering, with a skeleton of a film in which 29% ceramic fine powder is mixed with crystalline glass powder.
次に、第7図は、本発明の他の実施例に係る空燃比測
定検出器のガス拡散層を示す要部断面図である。Next, FIG. 7 is a sectional view of a main part showing a gas diffusion layer of an air-fuel ratio measuring detector according to another embodiment of the present invention.
第7図の実施例が、第6図の実施例と異なるところ
は、ガス拡散層3Aの形成状態である。ガス拡散層3Aは、
必ずしも固体電解質1の外側の全領域を被覆する必要は
なく、少なくとも外側の反応電極2bの全表面を被覆して
いれば、本発明の目的は達せられる。The difference between the embodiment of FIG. 7 and the embodiment of FIG. 6 lies in the formation state of the gas diffusion layer 3A. The gas diffusion layer 3A
It is not always necessary to cover the entire area outside the solid electrolyte 1, and the object of the present invention can be achieved if at least the entire surface of the outer reaction electrode 2b is covered.
第6図,第7図の実施例におけるガス拡散層の形成法
について具体的に説明する。The method of forming the gas diffusion layer in the embodiment shown in FIGS. 6 and 7 will be specifically described.
最初、結晶性ガラス粉末に29%セラミツクス微粉末を
混入した微粉末混合粉に溶剤(例えば、エチレングリコ
ールモノエチルエーテルなど)、およびアルミナボール
を混合し、ボールミルなどの混合ミルを用いて、十分、
撹拌させ、分散液を作成する。こうしてできた分散液を
真空中で脱泡処理を行い、素子にデイツピング塗布す
る。その後、自然乾燥させ、電気炉を用いて1100℃で焼
成し、膜厚、約70μmの薄膜を形成した。First, a solvent (for example, ethylene glycol monoethyl ether, etc.) and alumina balls are mixed with a fine powder mixed powder obtained by mixing 29% ceramics fine powder into a crystalline glass powder, and sufficiently mixed using a mixing mill such as a ball mill.
Stir to make a dispersion. The dispersion thus obtained is subjected to a defoaming treatment in a vacuum, and is applied to the element by dipping. Then, it was air-dried and baked at 1100 ° C. using an electric furnace to form a thin film having a thickness of about 70 μm.
このようにして素子上に形成した薄膜を第8図に示
す。薄膜の空孔11は比較的大きな空孔であり、水銀ポロ
シメータ測定装置を用いて測定した結果平均空孔径で1.
5μm程度である。また、薄膜の骨格部10はセラミツク
ス微粉末の周囲を結晶性粉末ガラス物質が取り囲むよう
に溶融することによつて形成されたものである。この場
合、結晶性ガラス粉末に混合する、セラミツクス微粉末
は平均粒径0.8μmのセラミツクス微粉末で混合率は20
%〜40%が好ましい。また、セラミツクス微粉末は前述
のように、焼結抑制剤として混合させるため、セラミツ
クス微粉末の粒径によつて、結晶性ガラス粉末に混合す
る割合が変化する。粒径がさらに小さいもの、例えば、
超微粒子を混合する場合、混合割合いを小さくするとよ
い。FIG. 8 shows a thin film formed on the element in this manner. The pores 11 of the thin film are relatively large pores, and as a result of measurement using a mercury porosimeter, the average pore diameter is 1.
It is about 5 μm. The skeleton 10 of the thin film is formed by melting the fine ceramic powder so that the crystalline glass material surrounds the periphery. In this case, the ceramics fine powder to be mixed with the crystalline glass powder is a ceramics fine powder having an average particle size of 0.8 μm and a mixing ratio of 20 μm.
% To 40% is preferred. Further, as described above, since the ceramic fine powder is mixed as a sintering inhibitor, the mixing ratio of the ceramic fine powder to the crystalline glass powder changes depending on the particle size of the ceramic fine powder. Those having a smaller particle size, for example,
When mixing ultrafine particles, the mixing ratio may be reduced.
さらに、セラミツクス微粉末の材質は固体電解質と同
一の材質が、熱膨張率の観点から好ましく、ZrO2および
Al2O3を用いてよい。Further, the material of the ceramic fine powder is preferably the same as the material of the solid electrolyte from the viewpoint of the coefficient of thermal expansion, and ZrO 2 and
Al 2 O 3 may be used.
また、焼成条件に関しては、結晶性ガラス粉末の結晶
化温度より、高い温度で焼成することが好ましく、その
適正範囲は結晶性ガラス粉末の成分によつて異なるが、
850℃から1200℃である。Regarding the firing conditions, it is preferable to fire at a temperature higher than the crystallization temperature of the crystalline glass powder, and the appropriate range varies depending on the components of the crystalline glass powder.
850 ° C to 1200 ° C.
なお、分散液の塗布方法はデイツピング法に限らず、
はけ塗り法,スプレー法,スピンコート法など種々の方
法が用いられる。In addition, the application method of the dispersion liquid is not limited to the dipping method,
Various methods such as brushing, spraying, and spin coating are used.
このようにして形成した薄膜の平均空孔径は3000nm以
下が好ましく、小さければ小さいほどよい。また、気孔
率は5%から20%が好ましい。さらに、範囲外でも次工
程のアルミナゾルを含浸することによつて得られる最終
的な平均空孔径および気孔率が、H2ガスを拡散律速する
ことが可能な膜質であればよい。The average pore diameter of the thin film thus formed is preferably 3000 nm or less, and the smaller the average pore diameter, the better. The porosity is preferably 5% to 20%. Moreover, the scope finally also obtained Te cowpea to impregnate the alumina sol in the next step is outside of the average pore diameter and porosity, may be a film quality capable of diffusion control of the H 2 gas.
前述の方法を用いて形成した薄膜は、空孔径が比較
的、大きいため、H2ガスなどの小さいガスを拡散律速す
ることは困難であるが、酸素ガスを拡散律速するのに十
分な空孔径であることから、高空燃比(リーン領域)だ
けの範囲を制御するのであれば、十分、使用可能な特徴
もある。Thin film formed by using the method described above, since the pore diameter is relatively large, it is difficult to diffusion control small gas such as H 2 gas, sufficient oxygen gas to the diffusion control pore size Therefore, if the range of only the high air-fuel ratio (lean region) is controlled, there is also a feature that can be used sufficiently.
このように形成した薄膜に次工程として、アルミナゾ
ルを真空中で薄膜内の空孔中へ含浸し、乾燥させたの
ち、電気炉などを用いて1100℃で焼成を行つた。As a next step, the thin film thus formed was impregnated with alumina sol into holes in the thin film in a vacuum, dried, and then fired at 1100 ° C. using an electric furnace or the like.
第9図に詳細図を示す。結晶性ガラス粉末およびセラ
ミツクス微粉末からなる骨格部10のすきまの空孔を平均
粒径50nmのアルミナゾルの焼結体12でうめられている。
一般に、アルミナゾルを含浸前に薄膜にデイツピング塗
布しただけであれば、アルミナゾルは表面にしか付着し
ない。しかし、本発明の含浸処理を行うことにより、薄
膜内の空孔へ含浸材料でうめることが可能となる。FIG. 9 shows a detailed diagram. The voids in the skeleton 10 composed of crystalline glass powder and ceramic fine powder are filled with a sintered body 12 of alumina sol having an average particle diameter of 50 nm.
Generally, if only a thin film is dipped and applied before impregnation with alumina sol, the alumina sol adheres only to the surface. However, by performing the impregnation treatment of the present invention, it becomes possible to fill the pores in the thin film with the impregnation material.
なお、含浸方法には、真空中で行う真空含浸および真
空含浸後、油圧などを用いて、薄膜の周囲から含浸材料
を加圧する方法がある。As the impregnation method, there is a vacuum impregnation performed in a vacuum, and a method in which the impregnation material is pressurized from around the thin film using a hydraulic pressure or the like after the vacuum impregnation.
さらに、含浸材料はアルミナゾルのみならず、例え
ば、ジルコニアゾルを用いてもよく、熱膨張率、およ
び、平均粒子径が同様であれば、他の種類のゾルおよび
ゲル状物質を用いてもよい。Further, as the impregnating material, not only alumina sol but also, for example, zirconia sol may be used, and other types of sols and gel-like substances may be used as long as the thermal expansion coefficient and the average particle diameter are the same.
また、含浸後の焼成温度は、結晶性粉末ガラス、およ
び、セラミツクス微粉末からなる骨格部10の焼成温度と
同様の温度、もしくは、幾分、低い温度(50℃から100
℃)で焼成すればよい。The sintering temperature after the impregnation is similar to the sintering temperature of the crystalline powder glass and the skeletal portion 10 made of the ceramics fine powder, or a temperature somewhat lower (from 50 ° C to 100 ° C).
C.).
このように含浸材料を焼成した薄膜は空孔が微細で均
一に形成される。これはアルミナゾルなどの微粒子の大
きさが非常に微細で、しかも、均一粒子であることによ
る。また、アルミナゾルなどの微粒子は焼成温度を変化
させることにより、粒子間の結合状態が変化するため、
任意の空孔径を得ることが容易である。The thin film obtained by firing the impregnated material has fine and uniform pores. This is because fine particles such as alumina sol are very fine and uniform. In addition, fine particles such as alumina sol change the firing temperature to change the bonding state between the particles,
It is easy to obtain an arbitrary pore size.
なお、一回目の含浸処理を行ったのち、薄膜の空孔が
完全に含浸材により、みたされていない場合でも、空孔
全体に含浸材料により、空孔がみたされるまで数回、含
浸処理を行つてよい。その場合、基本的な膜厚は変化し
ない利点ももつている。After the first impregnation process, even if the pores of the thin film are not completely seen by the impregnating material, the impregnation material is used several times until the pores are seen by the impregnating material. May go. In this case, there is an advantage that the basic film thickness does not change.
このように形成したガス拡散層の最適な平均空孔径は
10nmから60nmであり、気孔率は4%から20%であり、膜
厚は200μm以下である。The optimum average pore diameter of the gas diffusion layer thus formed is
The thickness is 10 nm to 60 nm, the porosity is 4% to 20%, and the film thickness is 200 μm or less.
この実施例のガス拡散層では、従来のプラズマ溶射膜
を結晶性ガラス粉末にセラミツクス微粉末を混合した薄
膜の空孔にアルミナゾルを含浸して緻密膜を形成するこ
とにより、コストの低減のみならず、膜厚が薄くなり熱
ひずみに対する耐久性および応答性が向上した。In the gas diffusion layer of this embodiment, not only the cost reduction but also the conventional plasma sprayed film is formed by impregnating alumina sol into the pores of a thin film obtained by mixing a ceramic glass fine powder with a crystalline glass powder to form a dense film. In addition, the film thickness was reduced, and the durability and responsiveness to thermal strain were improved.
次に、このようなガス拡散層をもつ限界電流式空燃比
測定用検出器の全体構成および出力特性について、第1
図、および、第2図を参照して説明する。Next, the overall configuration and output characteristics of the limiting current type air-fuel ratio measuring detector having such a gas diffusion layer will be described in the first section.
This will be described with reference to FIG.
第1図は、本発明の一実施例に係る限界電流式空燃比
測定用検出器の縦断面図、第2図は、第1図の検出器に
よつて得られる出力特性図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a limit current type air-fuel ratio measuring detector according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an output characteristic diagram obtained by the detector of FIG.
第1図において、固体電解質1は栓体5に固定されて
いる。栓体5の先には、各実施例で説明したようなガス
拡散層3を排気ガス中の不純物から保護するための外筒
7が備えられてあり、また、固体電解質1の内部には素
子を600〜700℃に加熱し、素子材質のジルコニアを電解
質たらしめるためのヒータ6が内蔵されている。さら
に、内側の反応電極2a,外側の反応電極2b,ヒータ6のそ
れぞれ電気的信号の取り出しや電圧を印加するためのリ
ード線9a,9b,9cが結線されている。In FIG. 1, the solid electrolyte 1 is fixed to a plug 5. An outer cylinder 7 for protecting the gas diffusion layer 3 from impurities in the exhaust gas as described in each embodiment is provided at the end of the plug 5, and an element is provided inside the solid electrolyte 1. Is heated to 600 to 700 ° C., and a heater 6 for making zirconia of the element material an electrolyte is built in. Further, lead wires 9a, 9b, 9c for extracting electric signals and applying voltages to the inner reaction electrode 2a, the outer reaction electrode 2b, and the heater 6, respectively, are connected.
このようにして製作された限界電流式空燃比測定用検
出器を自動車の排気管に取付け、ヒータ6を通電して素
子本体の固体電解質1を約700℃に加熱して素子に電圧
を印加していくと、本実施例の空燃比測定用検出器の出
力特性は、第2図に実線で示す出力電圧Vのように理論
空燃比(A/F=14.7)よりリツチ領域側までリニアな出
力として空燃比を検出できることになる。従来の拡散膜
での特性は破線で示すようにリツチ領域ではA/F=12ま
での検出しかできず、より燃料濃度の高いリツチ領域で
は出力が急減するという不具合のあつたものが大幅に改
善されている。The detector for measuring the limiting current type air-fuel ratio thus manufactured is attached to the exhaust pipe of the automobile, the heater 6 is energized to heat the solid electrolyte 1 of the element body to about 700 ° C., and a voltage is applied to the element. As shown in FIG. 2, the output characteristic of the air-fuel ratio measuring detector according to the present embodiment shows a linear output from the stoichiometric air-fuel ratio (A / F = 14.7) to the rich region side, as indicated by the output voltage V indicated by the solid line in FIG. As a result, the air-fuel ratio can be detected. As shown by the broken line, the characteristics of the conventional diffusion film can only be detected up to A / F = 12 in the rich region, and the output drops sharply in the rich region where the fuel concentration is higher. Have been.
これにより運転性に置き換えると、平地での通常走行
(40〜60km/h)ではリーン領域制御で経済運転となり、
山間道路などの登り坂走行ではリツチ領域制御で出力が
向上し、全体として運転性が改善できることになる。If this is replaced with drivability, normal driving on flat ground (40-60km / h) will be economical driving by lean area control,
When traveling uphill on a mountain road or the like, the output is improved by the rich region control, and the drivability can be improved as a whole.
また、酸素センサ(ストイツクセンサ)で三元フイー
ドバツク制御(排ガス中のCO,HC,NO制御)を行なつてい
る現行エンジンでは、コールドスタート時や、急加速時
には、空燃比A/Fが9程度までリツチになる場合がある
ため、本実施例による空燃比測定用検出器は、リーンバ
ーンエンジン(高空燃比,希薄燃焼制御用エンジン)の
みならず、現行のエンジンにおけるワイドレンジ空燃比
制御にも使用可能となり、燃費の向上,運転性の向上、
さらには安全性の向上等に有効となる波及効果がある。Also, with the current engine that performs three-way feedback control (CO, HC, NO control in exhaust gas) with an oxygen sensor (stoichiometric sensor), the air-fuel ratio A / F is 9 at the time of cold start or rapid acceleration. The air-fuel ratio measurement detector according to the present embodiment can be used not only for lean burn engines (high air-fuel ratio, lean-burn control engines) but also for wide-range air-fuel ratio control in current engines. It can be used, improving fuel efficiency, improving drivability,
Further, there is a ripple effect that is effective for improving safety and the like.
このように、本発明は、燃料噴射制御に用いる空燃比
測定用の検出器に係り、特に検出素子のガス拡散層に特
徴があり、結晶性ガラス粉末にセラミツクス微粉末を混
合した薄膜の空孔にアルミナゾルを含浸して、緻密なガ
ス拡散層を形成したことに発明のポイントがある。As described above, the present invention relates to a detector for measuring an air-fuel ratio used for fuel injection control, and particularly has a feature in a gas diffusion layer of a detecting element, and has a pore of a thin film obtained by mixing a ceramic glass fine powder with a crystalline glass powder. The point of the present invention lies in that a dense gas diffusion layer is formed by impregnating an alumina sol into the gas.
本発明によれば、最適なガスの拡散律速機能をもつ緻
密なガス拡散層を備え、耐熱性に優れ、かつ応答性が良
く、リーン領域からリツチ領域まで広範囲に適用しうる
生産性の良い空燃比測定用検出器を提供することができ
る。ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is equipped with the dense gas diffusion layer which has the optimal gas diffusion-controlling function, is excellent in heat resistance, has good responsiveness, and has good productivity which can be widely applied from the lean region to the rich region. A detector for measuring a fuel ratio can be provided.
第1図は、本発明の一実施例である限界電流式空燃比測
定用検出器の断面図、第2図は、第1図の検出器によつ
て得られる出力特性図、第3図は、排ガスの空燃比とガ
ス成分との関係を示す線図、第4図は、一般的な限界電
流式空燃比測定用検出器の原理説明図、第5図は、空燃
比と電気特性との関係を示す線図、第6図は、本発明の
一実施例の空燃比測定用検出器のガス拡散層の要部断面
図、第7図は、本発明の他の実施例である空燃比測定用
検出器のガス拡散層を示す要部の断面図、第8図および
第9図は、本発明のガス拡散層の構造を示す要部の断面
図である。 1……固体電解質、2a……内側の反応電極、2b……外側
の反応電極、3,3A……ガス拡散層、10……薄膜の骨格
部、11……空孔、12……焼結体。FIG. 1 is a sectional view of a limit current type air-fuel ratio measuring detector according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an output characteristic diagram obtained by the detector of FIG. 1, and FIG. , A diagram showing the relationship between the air-fuel ratio of the exhaust gas and the gas components, FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of a general limit current type air-fuel ratio measurement detector, and FIG. FIG. 6 is a sectional view of a main part of a gas diffusion layer of an air-fuel ratio measuring detector according to one embodiment of the present invention, and FIG. 7 is an air-fuel ratio according to another embodiment of the present invention. FIG. 8 and FIG. 9 are cross-sectional views of main parts showing the structure of the gas diffusion layer of the present invention. 1 ... solid electrolyte, 2a ... inner reaction electrode, 2b ... outer reaction electrode, 3, 3A ... gas diffusion layer, 10 ... thin film skeleton, 11 ... voids, 12 ... sintered body.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市川 範男 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会 社日立製作所佐和工場内 (72)発明者 上野 定寧 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会 社日立製作所佐和工場内 (56)参考文献 特開 平1−227955(JP,A) 特開 平2−80946(JP,A) 特開 平2−130460(JP,A) 特開 平2−287251(JP,A) 特開 昭64−88148(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/41,27/409 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Inventor Norio Ichikawa 2520 Oji Takaba, Katsuta City, Ibaraki Prefecture Inside Sawa Plant, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Seining Ueno 2520 Oji Takaba Katsuta City Ibaraki Prefecture Stock Company (56) References JP-A-1-227955 (JP, A) JP-A-2-80946 (JP, A) JP-A-2-130460 (JP, A) JP-A-2-287251 (JP, A) JP-A-64-88148 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01N 27/41, 27/409
Claims (3)
電解質素子の内外面に多孔質の薄膜状の電極を設け、前
記固体電解質素子の外側の電極を多孔質の電気絶縁性金
属酸化物からなるガス拡散層で覆い、前記電極の相互間
に一定電圧を印加することにより前記固体電解質素子が
置かれる雰囲気中の酸素をイオン化し、前記固体電解質
素子の内部に拡散させ、酸素イオンの流量に対する限界
電流値を求めることにより空燃比を測定する空燃比測定
用検出器において、 少なくとも前記外側の電極の全表面を覆うべきガス拡散
層を、結晶性ガラス粉末に、前記結晶性硝子粉末より高
い融点をもつセラミックス微粉末を混合し、成形・焼成
プロセスを経て得られた薄膜の空孔へ、アルミナゾルを
真空中で含浸したのち焼成する、含浸、焼成工程を複数
回繰り返して形成したことを特徴とする空燃比測定用検
出器。1. A solid electrolyte element made of an oxygen ion conductive metal oxide is provided with a porous thin-film electrode on the inner and outer surfaces thereof, and the outer electrode of the solid electrolyte element is made of a porous electrically insulating metal oxide. The solid electrolyte element is covered by a gas diffusion layer, and oxygen in the atmosphere in which the solid electrolyte element is placed is ionized by applying a constant voltage between the electrodes, and diffused inside the solid electrolyte element. In the air-fuel ratio measuring detector for measuring the air-fuel ratio by obtaining the limiting current value, at least a gas diffusion layer to cover the entire surface of the outer electrode, a crystalline glass powder, a melting point higher than the crystalline glass powder The alumina impregnated in a vacuum is impregnated into the pores of the thin film obtained through the molding and firing process, followed by firing. An air-fuel ratio measuring detector formed by repeating several times.
合するセラミックス微粉末の混合割合を40%以下にする
空燃比測定用検出器。2. The air-fuel ratio measuring detector according to claim 1, wherein the mixing ratio of the ceramic fine powder mixed with the crystalline glass powder is 40% or less.
れるガス拡散層の平均空孔径は10nmから60nm、気孔率が
4〜20%および膜厚が200μm以下である空燃比測定用
検出器。3. The detector for measuring an air-fuel ratio according to claim 1, wherein the gas diffusion layer finally obtained has an average pore diameter of 10 to 60 nm, a porosity of 4 to 20%, and a film thickness of 200 μm or less. .
Priority Applications (1)
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JP2103144A JP2915064B2 (en) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | Air-fuel ratio detector |
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JPH06174684A (en) * | 1992-12-02 | 1994-06-24 | Fujikura Ltd | Manufacture of limiting current type oxygen sensor |
US5593558A (en) * | 1994-06-09 | 1997-01-14 | Nippondenso Co., Ltd. | Oxygen concentration detector |
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1990
- 1990-04-20 JP JP2103144A patent/JP2915064B2/en not_active Expired - Fee Related
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JPH042960A (en) | 1992-01-07 |
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