JP3107817B2 - 混合ガスのλ値の検出のための限界電流センサ用センサ素子 - Google Patents

混合ガスのλ値の検出のための限界電流センサ用センサ素子

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JP3107817B2 JP03515439A JP51543991A JP3107817B2 JP 3107817 B2 JP3107817 B2 JP 3107817B2 JP 03515439 A JP03515439 A JP 03515439A JP 51543991 A JP51543991 A JP 51543991A JP 3107817 B2 JP3107817 B2 JP 3107817B2
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Description

【発明の詳細な説明】 従来の技術 本発明は、請求の範囲第1項の上位概念によるセンサ
素子から出発する。拡散限界電流原理で動作するこの種
のセンサ素子では拡散限界電流が、センサ素子の両電極
に印加される一定の電圧の下で測定される。この電流
は、燃焼過程で発生した排気ガス周の酸素濃度に、ポン
プ電極へのガス拡散が経過する反応速度を定める場合に
依存する。ポーラログラフィー測定方式で動作するこの
種のセンサにおいて、アノードもカソードも被測定ガス
に曝されるように構成することは公知である。ここでカ
ソードは、拡散限界電流領域で動作するために拡散バリ
アを有する。
公知の限界電流センサは通常、混合ガスのλ値を検出
するために用いる。λ値は、シリンダで燃焼する空気/
燃料混合気の“燃料の完全燃焼に必要な酸素量に対する
全酸素量”の比を表す。ここでセンサは排気ガスの酸素
濃度を、所定の領域にあるポンプ電圧による限界電流測
定を介して指示する。
簡単で安価な製造法であるため現場ではここ数年、セ
ンサ素子をセラミックシート技術およびプリント技術で
製造するのが有利であることが示された。
プレーナセンサ素子は小片状またはシート状の酸素導
通固体電解質、例えば安定化された2酸化ジルコンから
簡単で合理的に製造される。このセンサ素子は両側で、
所属の導体路を備えたそれぞれ1つの内部ポンプ電極お
よび外部ポンプ電極により被覆されている。その際内部
ポンプ電極は有利には拡散チャネルの縁領域に配置され
る。この拡散チャネルを通って測定ガスが供給される。
拡散チャネルはガス拡散抵抗として用いられる。
DE−OS3543759並びにEP−A0142993,0188900および019
4082(特開昭61−194345,特開昭61−24355)からさら
に、それぞれポンプセルおよびセンサセルを有するセン
サ素子および検知器が公知である。これらのポンプセル
およびセンサセルは小片状またはシート状の酸素イオン
伝導性固体電解質およびこの上に配置された2つの電極
からなり、共通の拡散チャネルを有している。
上記の形式のセンサ素子の欠点は、内部ポンプ電極の
前部分、すなわち供給される測定ガスに向いた部分が、
ポンプ電極の後部分、すなわち供給される測定ガスの反
対部分よりも強く負荷されることである。そのため高い
ポンプ電圧を必要とする高い電極分極が生じる。高い電
極分極は、内部ポンプ電極の領域における電解質破壊の
危険を含む。
この欠点を克服するためにDE−OS3728618(特表平3
−500086)から、限界電流センサに対するセンサ素子の
拡散チャネルに、相互に対向して配置された少なくとも
2つの内部ポンプ電極を設けることが公知である。これ
により、センサ素子に1つの内部電極しか設けられてい
ない場合に容易に生じる電極分極の欠点が明らかに減少
される。同時にポンプ電極の形成に必要な希金属の使用
効率がさらに改善される。
EP−A−019082からさらに、ガス中、例えば内燃機関
の排気ガス中のガス成分の濃度検出のためのセンサ素子
が公知である。このセンサ素子は実質的に、2つのポン
プ電極を有するポンプセルと2つの別の電極を有するセ
ンサセルからなる。しかしこのセンサ素子は比較的にコ
ストのかかる構造を有している。このセンサ素子の構造
では、補助ポンプ電流がネルンストセルの排気ガス側電
極に印加される。そのため比較的に高い酸素分圧がポン
プセルのカソードを介しておよびネルンストセルの排気
ガス側電極を介して生じる。
発明の利点 請求の範囲第1項の特徴部分の構成を有する本発明の
センサ素子はこれに対して、比較的容易に製造可能であ
り、センサ素子のポンプセルが有効に過負荷から保護さ
れ、それによりセンサ素子の寿命が格段に延長されると
いう利点を有する。本発明のセンサ素子の重要な特徴
は、拡散チャネルの両側に配置された2つのポンプ電極
の後方に、1つのネルンスト電極を配置することにあ
る。従い、本発明のセンサ素子は1つの拡散チャネルを
有し、この拡散チャネルは空気参照チャネルの方向に伸
張している。さらに拡散チャネルは拡散バリアとして作
用する多孔性の充填物を有する。本発明のセンサ素子の
場合、拡散チャネル中のネルンスト電極(排気ガス電
極)の酸素分圧は定常状態において、内部ポンプ電極の
酸素分圧よりも大きくなることはできない。従いポンプ
セルは、ネルンスト電極の酸素分圧が過度に高いことが
原因で、過度に高められたポンプ電流に制御されること
がない。ネルンスト電極の測定電圧にポンプ電流負荷に
よって誤差が生じることはない。なぜならネルンスト電
極は拡散チャネルのポンプ電極と短絡されていないから
である。2つのポンプ電極により、(PO2)Nernst≒(P
O2)pmが保証される。
本発明の有利な実施例では、ネルンストセルの空気参
照電極は空気参照チャネルに配置される。
本発明の別の有利な実施例では、ネルンストセルの空
気参照電極がネルンストセルの排気ガス電極の下方に配
置されており、空気参照チャネルからの空気の導入のた
めに多孔性のカバーを有している。有利には、外部ポン
プ電極の表面を内部ポンプ電極の表面に比較して拡大す
る。外部ポンプ電極の表面は内部ポンプ電極の表面より
3倍まで大きくすることができる。さらに有利には、外
部ポンプ電極上に多孔性のカバー層を配置することがで
きる。
本発明のセンサ素子はプレーナ構造の公知のセンサ素
子の代わりに、広帯域センサに使用することができ、こ
のようなセンサとして例えばDE−OS3206903および35370
51から公知の形式の通常のセンサケーシングに組み込
み、排気ガスの空燃比測定に使用することができる。
図面 図1Aは、本発明のセンサ素子の有利な実施例の拡大断
面図である。このセンサ素子はセラミックシート技術お
よびプリント技術で製造可能である。このセンサ素子は
実質的にまとめてラミネートされた4つの固体電解質
1、2、3、4からなり、打ち抜かれた中央測定ガス供
給開口部5、この測定ガス供給開口部周囲に配置された
リング状の外部ポンプ電極6、測定ガス供給開口部5の
周囲に相互に対向して拡散チャネル7に配置された同様
にリング状の内部ポンプ電極8、8′、排気ガス電極
9、空気参照チャネル10に配置された空気参照電極11
(この電極は排気ガス電極と共にネルンストセルを形成
する)、内部ポンプ電極8、8′前方の多孔性トンネル
充填物12さらにヒータ13を有する。測定ガスに曝される
リング状電極6、8、8′は導体路に接続されており、
例えば電極6は導体路6′に接続されている。ここで導
体路の下方には絶縁層、例えばAl2O3層が配置されてい
る。導体路は図示しない電圧源、例えば0.5から1.0Vの
範囲に動作電圧を有するバッテリーと接続されており、
バッテリーの極性は排気ガスのλ値に依存して調整され
る。有利には外部ポンプ電極と所属の導体路は、例えば
マグネシウムスピネル製の多孔性カバー層により覆われ
ている。
図1Bは、図1Aのセンサ素子の拡大正面図である。ここ
では付加的に導体路9′と11′が示されている。
図2Aは本発明のセンサ素子の別の有利な実施例の拡大
断面図である。このセンサ素子もセラミックシート技術
およびプリント技術で製造可能である。この実施例は図
1A,Bの実施例と、空気参照電極11が空気参照チャネル10
にではなく、排気ガス電極9の下方に配置されている点
でのみ異なる。この場合、空気参照電極11には多孔性の
カバー14が設けられている。カバーは空気の空気参照チ
ャネル10からの流入を可能にする。
図2Bは、図2Aのセンサ素子の拡大正面図である。
本発明のセンサ素子を製造するのに適した酸素イオン
導電性の固体電解質は、例えばZrO2,HfO2,CeO2およびTh
O2ベースの固体電解質である。特に有利には、イットリ
ウムにより安定化された2酸化ジルコニウム(YSZ)か
らなる小片およびシートを使用する。その際小片および
シートは有利には0.25から0.3mmの厚さを有する。
ポンプ電極は有利には、プラチナ族の金属、例えばプ
ラチナからなるか、またはプラチナ族の金属の合金また
はプラチナ族の金属と他の金属の合金からなる。ポンプ
電極は有利には、セラミック支持フレーム材料、例えば
YSZ粉を約40Vol%の体積成分で含む。ポンプ電極は多孔
質で、有利には8〜15μmの厚さを有する。ポンプ電極
に所属する導体路は有利には同様に、プラチナまたは前
記形式のプラチナ合金からなる。ポンプ電極と導体路は
公知の手段、例えばプリント技術により固体電解質支持
体に被着することができる。外部ポンプ電極を図示しな
い電圧源と接続する導体路と固体電解質支持体との間に
は通常、例えばAl2O3からなる絶縁層が配置される。絶
縁層は例えば約15μmの厚さを有することができる。セ
ンサ素子を形成する個々のシートまたは小片の合体は、
セラミックシート技術およびプリント技術で通常の手段
を用いて行われる。この手段ではシートはまとめ合わさ
れ約100℃の温度に加熱される。その際同時に、拡散チ
ャネルを前準備することができる。有利には拡散チャネ
ルは、シート2に打ち抜かれたスリット2を用いて、ま
たは厚膜技術で例えばテオブロミンプリント層により設
けられる。テオブロミンはその際後の焼成プロセスで蒸
発する。拡散チャネルを形成するために同様に例えば熱
煤粉または炭酸アンモニウムを使用することができる。
熱煤粉は焼成プロセスで燃焼し、炭酸アンモニウムは蒸
発する。
拡散チャネルが有利には多孔性の充填物を有していれ
ばテオブロミンプリント層の代わりに例えば、テオブロ
ミンまたはほかの蒸発可能または可燃材料からなる層、
または固体電解質基板の焼成温度では密に焼成しない材
料、例えば粒子の粗いZrO2、マグネシウムスピネルまた
は例えば10μmの大きさの粒子を有するAl2O3を使用す
ることもできる。
実施例 図1Aおよび図1Bに模式的に示された形式のセンサ素子
の製造のために、イットリウムにより安定化された2酸
化ジルコニウムからなる層厚0.3mmのシートが使用され
る。プラチナからなるポンプ電極並びにネルンストセル
の電極、すなわち排気ガス電極と参照電極の支持シート
への被着は公知のプリント技術により行う。その際、外
部ポンプ電極を支持する支持シートの表面へは前もっ
て、20μm厚のAl2O3絶縁層が被着される。リング状の
ポンプ電極は2.8mmの外径と1.4mmの内径を厚さ12μmの
際に有する。導体路は、85重量%のPt粉末と15重量%の
YSZ粉末からなる通常のPtサーメットペーストから形成
される。拡散チャネルは厚膜技術においてテオブロミン
プリント層により取り込まれる。その際テオブロミン
は、300℃の温度領域での後の焼成プロセスで、高さ約3
0μm、深さ1.3mmのリング空隙を残して蒸発する。プリ
ントされた電極および導体路を有するヒータはまとめて
ラミネートされる。打ち抜かれた中央測定ガス供給開口
部は0.25mmの直径を有している。空気参照チャネルはシ
ート2に打ち抜かれる。支持シートのプリントの後、す
なわち電極、導体路、絶縁層並びに場合によりカバー層
を外部ポンプ電極に被着した後、シートはまとめ合わさ
れて焼成プロセスが施される。その際シートは約3時間
1380℃領域の温度に加熱される。
製造されたセンサ素子は、DE−OS3206903および35370
51から公知の形式のセンサケーシングに組み込まれ、希
薄燃焼ガスおよび濃厚燃焼ガスの空燃比測定に使用され
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴィーデンマン, ハンス−マルティン ドイツ連邦共和国 D−7000 シュツッ トガルト 1 ブルックナーシュトラー セ 20 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/419

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】混合ガス、例えば内燃機関の排気ガスのλ
    値を検出するための限界電流センサ用センサ素子であっ
    て、酸素イオン伝導性の固体電解質上に配置された外部
    ポンプ電極(6)および少なくとも2つの内部ポンプ電
    極(8,8′)を有し、 前記内部ポンプ電極(8,8′)は、測定ガスのための拡
    散チャネル(7)の両側に配置されており、かつ相互に
    短絡されており、 前記内部ポンプ電極と外部ポンプ電極はリング状に測定
    ガス供給部の周囲に配置されており、 前記拡散チャネルにある前記内部電極は相互に対向して
    いる形式のセンサ素子において、 前記拡散チャネル(7)には、内部ポンプ電極(8,
    8′)の後方に排気ガス電極(9)が配置されており、 1つのネルンストセルは、前記排気ガス電極(9)およ
    び空気参照電極(11)からなることを特徴とするセンサ
    素子。
  2. 【請求項2】ネルンストセルの空気参照電極(11)は空
    気参照チャネル(10)に配置されている請求の範囲第1
    項記載のセンサ素子。
  3. 【請求項3】ネルンストセルの空気参照電極(11)はネ
    ルンストセルの排気ガス電極(9)の下方に配置されて
    おり、空気参照チャネル(10)から空気が流入するため
    の多孔性カバー(14)を有している請求の範囲第1項記
    載のセンサ素子。
  4. 【請求項4】前記拡散チャネル(7)は拡散バリアとし
    て作用する充填物(12)を含んでおり、 該充填物はガスの流入方向で見て前記内部ポンプ電極
    (8,8′)の手前に配置されている、請求項1記載のセ
    ンサ素子。
  5. 【請求項5】外部ポンプ電極(6)の表面は内部ポンプ
    電極(8,8′)の表面と比較して拡大されている請求の
    範囲第1項から第4項までのいずれか1項記載のセンサ
    素子。
  6. 【請求項6】外部ポンプ電極(6)上に多孔性のカバー
    層が配置されている請求の範囲第1項から第5項までの
    いずれか1項記載のセンサ素子。
  7. 【請求項7】セラミックシート技術およびプリント技術
    で製造される請求の範囲第1項から第6項までのいずれ
    か1項記載のセンサ素子。
  8. 【請求項8】ヒータを有している請求の範囲第1項から
    第7項までのいずれか1項記載のセンサ素子。
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