JP3266039B2 - Oxygen sensor - Google Patents

Oxygen sensor

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JP3266039B2
JP3266039B2 JP05339797A JP5339797A JP3266039B2 JP 3266039 B2 JP3266039 B2 JP 3266039B2 JP 05339797 A JP05339797 A JP 05339797A JP 5339797 A JP5339797 A JP 5339797A JP 3266039 B2 JP3266039 B2 JP 3266039B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば内燃機関の
空燃比制御に用いられる酸素センサに係り、詳しくは、
酸素濃度が検出される気体を拡散律速させるための拡散
律速層を備えた酸素センサに関する。
The present invention relates to an oxygen sensor used for controlling an air-fuel ratio of an internal combustion engine, for example.
The present invention relates to an oxygen sensor including a diffusion-controlling layer for controlling the diffusion of a gas whose oxygen concentration is detected.

【0002】[0002]

【従来の技術】内燃機関の空燃比制御においては、従来
より酸素センサを用いたフィードバック制御が行われて
いる。また近年では、燃費向上等を目的としたリーンバ
ーン方式を採用する内燃機関があり、このような内燃機
関ではリーン空燃比を測定可能な酸素センサが必要とさ
れている。
2. Description of the Related Art In air-fuel ratio control of an internal combustion engine, feedback control using an oxygen sensor has been conventionally performed. In recent years, there has been an internal combustion engine adopting a lean burn method for the purpose of improving fuel efficiency and the like, and such an internal combustion engine requires an oxygen sensor capable of measuring a lean air-fuel ratio.

【0003】この種の酸素センサは、ジルコニア等の固
体電解質材料よりなるセンサ素子と、同本体に設けられ
た一対の白金電極と、一方の白金電極を覆うようにして
センサ素子に設けられた拡散律速層とを備えている。ま
た、この拡散律速層にはセンサ素子に接触する気体を拡
散律速させるための気孔が複数形成されている。
[0003] This type of oxygen sensor comprises a sensor element made of a solid electrolyte material such as zirconia, a pair of platinum electrodes provided on the main body, and a diffusion element provided on the sensor element so as to cover one of the platinum electrodes. It has a rate-limiting layer. In addition, a plurality of pores are formed in the diffusion-controlling layer to control the diffusion of gas coming into contact with the sensor element.

【0004】こうした酸素センサにあっては、拡散律速
層の気孔を通過した気体(例えば、機関排気ガス)がセ
ンサ素子に接触するとともに、各電極間に所定電圧が印
加されることにより、両電極間には気体の酸素濃度に応
じた一定の電流(限界電流)が流れる。従って、この限
界電流値の大きさから気体の酸素濃度を知ることができ
る。
In such an oxygen sensor, a gas (for example, an engine exhaust gas) that has passed through the pores of the diffusion-controlling layer comes into contact with the sensor element, and a predetermined voltage is applied between the electrodes so that both electrodes are turned on. A constant current (limit current) corresponding to the oxygen concentration of the gas flows between them. Therefore, the oxygen concentration of the gas can be known from the magnitude of the limit current value.

【0005】ところで、上記限界電流値は、気体の酸素
濃度が一定であっても、酸素センサが使用される環境の
温度に応じてその大きさが変化する特性、即ち温度依存
性がある。また、このような温度依存性は、拡散律速層
に形成される気孔の径によって異なった特性を有してい
る。即ち、気孔径が比較的小さい場合(例えば、100
Å以下)には、気体の拡散状態がクヌッセン拡散状態と
なり、限界電流値Iと温度Tとは次式(1)によって示
されるような関係を有するようになる。
[0005] By the way, the above-mentioned limit current value has a characteristic that its magnitude changes in accordance with the temperature of the environment in which the oxygen sensor is used, that is, the temperature dependence, even if the oxygen concentration of the gas is constant. Further, such temperature dependency has different characteristics depending on the diameter of pores formed in the diffusion-controlling layer. That is, when the pore diameter is relatively small (for example, 100
(Å), the diffusion state of the gas becomes a Knudsen diffusion state, and the limiting current value I and the temperature T have a relationship represented by the following equation (1).

【0006】[0006]

【数1】 一方、気孔径が比較的大きい場合(例えば、10000
Å程度)には、気体の拡散状態が分子拡散状態となり、
限界電流値Iと温度Tとは次式(2)によって示される
ような関係を有するようになる。
(Equation 1) On the other hand, when the pore diameter is relatively large (for example, 10,000
Å), the gas diffusion state becomes a molecular diffusion state,
The limit current value I and the temperature T have a relationship represented by the following equation (2).

【0007】[0007]

【数2】 このように、従来の酸素センサは温度依存性を有してい
るため、これを使用温度が変化する環境下で使用する際
には安定した限界電流値が得られないという問題があっ
た。
(Equation 2) As described above, since the conventional oxygen sensor has temperature dependency, there has been a problem that a stable limit current value cannot be obtained when the conventional oxygen sensor is used in an environment where the operating temperature changes.

【0008】ところで、限界電流値Iと温度Tとの関係
において上記両拡散状態では逆の特性を有している。即
ち、上記各式(1),(2)から明らかなように、クヌ
ッセン拡散状態にあっては、温度Tの上昇に伴い限界電
流値Iが減少する傾向にあるのに対して、分子拡散状態
にあっては、温度Tの上昇に伴い限界電流値Iが増加す
る傾向がある。
Incidentally, the relationship between the limiting current value I and the temperature T has opposite characteristics in the above two diffusion states. That is, as is apparent from the above equations (1) and (2), in the Knudsen diffusion state, the limiting current value I tends to decrease with the rise of the temperature T, whereas the molecular diffusion state , The limit current value I tends to increase as the temperature T increases.

【0009】そこで、気孔径の平均値を、図7に実線で
示すように所定値(例えば、3000Å)に設定し、気
体の拡散状態をクヌッセン拡散と分子拡散との中間的な
拡散状態にすることにより、酸素センサの温度依存性を
減少させることが考えられる。
Therefore, the average value of the pore diameter is set to a predetermined value (for example, 3000 °) as shown by a solid line in FIG. 7, and the diffusion state of the gas is set to an intermediate diffusion state between Knudsen diffusion and molecular diffusion. This may reduce the temperature dependency of the oxygen sensor.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、拡散律
速層に形成される気孔径の平均値を同じ値に設定した場
合であっても、その径の分布状態は種々の状態となり得
る。例えば、図7に二点鎖線で示すように、拡散律速層
に形成される気孔の最大径が大きくなった場合には、拡
散律速層を通過する気体の総量のうち、その大部分が径
の大きい気孔を通過するようになる。このため、気体が
分子拡散状態となって拡散される傾向が強まり、酸素セ
ンサは温度依存性を示すようになる。このように、従来
のように、気孔径の平均値を所定値に設定するだけで
は、十分に温度依存性を減少させることができないとい
う問題があった。
However, even when the average value of the pore diameters formed in the diffusion-controlling layer is set to the same value, the distribution state of the diameters can be various. For example, as shown by the two-dot chain line in FIG. 7, when the maximum diameter of the pores formed in the diffusion-controlling layer increases, most of the total amount of gas passing through the diffusion-controlling layer has a diameter Through large pores. For this reason, gas tends to be diffused in a molecular diffusion state, and the oxygen sensor exhibits temperature dependence. As described above, there has been a problem that the temperature dependency cannot be sufficiently reduced only by setting the average value of the pore diameters to a predetermined value as in the related art.

【0011】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、温度依存性を確実に減少させて、
安定した限界電流値を得ることができる酸素センサを提
供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to surely reduce temperature dependency.
An object of the present invention is to provide an oxygen sensor capable of obtaining a stable limit current value.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成すべく研究を重ねることにより、拡散律速層を、層
厚が100〜1000μm、気孔率が5〜30%、最大
気孔径が600〜1300Å、気孔の最頻値が400〜
1000Åである多孔質材によって構成することによ
り、拡散律速層を通過する気体の拡散状態をクヌッセン
拡散状態と分子拡散状態との中間的な状態に保持して、
酸素センサの温度依存性を確実に減少させることができ
ることを見い出した。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted studies to achieve the above object, and have found that a diffusion-controlling layer has a layer thickness of 100 to 1000 μm, a porosity of 5 to 30%, and a maximum pore size of 600-1300 °, the mode of pores is 400-
By constituting by a porous material of 1000 °, the diffusion state of the gas passing through the diffusion-controlling layer is maintained at an intermediate state between the Knudsen diffusion state and the molecular diffusion state,
It has been found that the temperature dependence of the oxygen sensor can be reliably reduced.

【0013】この知見に基づき、本発明は、固体電解質
材料からなるセンサ素子と、当該センサ素子に設けら
れ、同センサ素子に接触する気体の酸素濃度に応じた信
号を出力する一対の電極と、一方の電極を覆うようにし
てセンサ素子に設けられ、気体を拡散律速するための複
数の気孔を有する拡散律速層とを備えた酸素センサにお
いて、拡散律速層は、層厚が100〜1000μm、気
孔率が5〜30%、最大気孔径が600〜1300Å、
気孔の最頻値が400〜1000Åである多孔質材から
なることをその趣旨としている。
Based on this finding, the present invention provides a sensor element made of a solid electrolyte material, a pair of electrodes provided on the sensor element, and outputting a signal corresponding to the oxygen concentration of gas in contact with the sensor element. An oxygen sensor comprising a diffusion-controlling layer provided on the sensor element so as to cover one of the electrodes and having a plurality of pores for controlling the diffusion of gas, wherein the diffusion-controlling layer has a layer thickness of 100 to 1000 μm; Rate is 5-30%, maximum pore diameter is 600-1300mm,
It is intended to be made of a porous material having a mode of pores of 400 to 1000 °.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明を車輌用ディーゼル
エンジンに設けられた酸素センサに適用した一実施形態
について説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment in which the present invention is applied to an oxygen sensor provided in a vehicle diesel engine will be described below.

【0015】図1は、本実施形態におけるディーゼルエ
ンジン(以下、単に「エンジン」という)1の概略構成
を示している。同図に示すように、エンジン1の燃焼室
(図示略)には吸気管2及び排気管3が接続されてい
る。エアクリーナ(図示略)等を通過して吸気管2内に
取り込まれた吸気は同管2内を通過してエンジン1の燃
焼室(図示略)内に導入される。また、吸気管2内に設
けられたスロットル弁4は、エンジン1の燃焼室内に導
入される吸気の量をその開度に応じて調節する。そし
て、燃焼室内においてインジェクタ(図示略)から噴射
された燃料と吸気とが混合され、この混合気が爆発燃焼
することによりエンジン1には駆動力が得られる。ま
た、燃焼後の排気は燃焼室から排気管3に導入された
後、触媒等(図示略)を通過して外部に排出される。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a diesel engine (hereinafter, simply referred to as “engine”) 1 in the present embodiment. As shown in FIG. 1, an intake pipe 2 and an exhaust pipe 3 are connected to a combustion chamber (not shown) of the engine 1. The intake air taken into the intake pipe 2 through an air cleaner (not shown) or the like passes through the pipe 2 and is introduced into a combustion chamber (not shown) of the engine 1. Further, a throttle valve 4 provided in the intake pipe 2 adjusts the amount of intake air introduced into the combustion chamber of the engine 1 according to its opening degree. Then, the fuel injected from the injector (not shown) and the intake air are mixed in the combustion chamber, and the air-fuel mixture explodes and burns, so that a driving force is obtained in the engine 1. After the combustion, the exhaust gas is introduced into the exhaust pipe 3 from the combustion chamber, and then is discharged outside through a catalyst or the like (not shown).

【0016】また、エンジン1には排気環流(EGR:
Exhaust Gas Recirculation )装置5が設けられてい
る。このEGR装置5は、排気管3と吸気管2において
スロットル弁4より下流側の部分とを連通するEGR通
路6と、同通路6の途中に設けられた流量調整弁7とを
備えている。排気管3内における排気の一部(EGRガ
ス)はEGR通路6を通過して吸気管2内に戻される。
EGR通路6を通過するEGRガスの量(EGR量)
は、流量調整弁7がエンジン1の電子制御装置(図示
略)によって制御されることにより調節されるようにな
っている。
The engine 1 has an exhaust gas recirculation (EGR:
Exhaust Gas Recirculation) device 5 is provided. The EGR device 5 includes an EGR passage 6 that communicates the exhaust pipe 3 with a portion of the intake pipe 2 downstream of the throttle valve 4, and a flow control valve 7 provided in the passage 6. Part of the exhaust gas (EGR gas) in the exhaust pipe 3 passes through the EGR passage 6 and is returned to the intake pipe 2.
EGR gas amount passing through the EGR passage 6 (EGR amount)
Is adjusted by controlling the flow control valve 7 by an electronic control unit (not shown) of the engine 1.

【0017】このEGR装置5にあっては、エンジン1
の燃焼室に導入される吸気の一部にEGRガス、即ち燃
焼に供されない不活性ガスを混入させることにより、燃
焼室における燃焼ガスの最高温度が下げられ、NOxの
低減が図られるようになっている。
In the EGR device 5, the engine 1
By mixing EGR gas, that is, an inert gas that is not used for combustion, into a part of the intake air introduced into the combustion chamber, the maximum temperature of the combustion gas in the combustion chamber is lowered, and NOx is reduced. ing.

【0018】また、吸気管2において、EGR通路6の
開口部分6aよりも下流側の位置には、その先端部が吸
気管2内に突出するようにして酸素センサ11が取り付
けられている。
An oxygen sensor 11 is attached to the intake pipe 2 at a position downstream of the opening 6a of the EGR passage 6 so that its tip projects into the intake pipe 2.

【0019】図2は、酸素センサ11におけるセンサ素
子12の先端部を示し、図3は図2の3−3線に沿った
断面を示している。酸素センサ11は、このセンサ素子
12と、同センサ素子12の外周を覆う有孔カバー(図
示略)と、センサ素子12及び有孔カバーを支持するハ
ウジング(図示略)とを備えている。
FIG. 2 shows a tip of the sensor element 12 in the oxygen sensor 11, and FIG. 3 shows a cross section taken along line 3-3 in FIG. The oxygen sensor 11 includes the sensor element 12, a perforated cover (not shown) for covering the outer periphery of the sensor element 12, and a housing (not shown) for supporting the sensor element 12 and the perforated cover.

【0020】センサ素子12は積層構造をなし、所定の
粒径を有した酸素イオン導電性ジルコニア(ZrO2 )
及びイットリア(Y2 03 )に対してバインダ等を加え
て混合した混合物(以下、単に「素材」という)からな
る複数の板材21〜26を積層した後、これらを焼成す
ることにより形成されている。センサ素子12はヒータ
13と、このヒータ13上に設けられた素子本体14
と、同素子本体14上に設けられた拡散律速板26とに
よって構成されている。
The sensor element 12 has a laminated structure and has oxygen ion conductive zirconia (ZrO 2) having a predetermined particle size.
It is formed by laminating a plurality of plate members 21 to 26 made of a mixture (hereinafter, simply referred to as “raw material”) obtained by adding a binder and the like to yttria (Y 2 O 3) and firing them. The sensor element 12 includes a heater 13 and an element body 14 provided on the heater 13.
And a diffusion control plate 26 provided on the element body 14.

【0021】ヒータ13は一対のヒータ用板21,22
と、各板21,22間に設けられた発熱体40とを備え
ている。発熱体40の上下面はアルミナからなる絶縁層
(Al2 O3 )(図示略)によって覆われており、発熱
体40と各ヒータ用板21,22とは電気的に絶縁され
た状態になっている。発熱体40は電子制御装置に設け
られた駆動回路(図示略)に接続されている。
The heater 13 includes a pair of heater plates 21 and 22.
And a heating element 40 provided between the plates 21 and 22. The upper and lower surfaces of the heating element 40 are covered with an insulating layer (Al2 O3) (not shown) made of alumina, and the heating element 40 and the heater plates 21 and 22 are electrically insulated. . The heating element 40 is connected to a drive circuit (not shown) provided in the electronic control unit.

【0022】こうしたヒータ13にあっては、電子制御
装置により発熱体40が通電制御されて発熱することよ
り、センサ素子12の先端側部分が所定の活性化温度以
上にまで加熱されるようになっている。
In the heater 13, since the heating of the heating element 40 is controlled by the electronic control unit to generate heat, the front end portion of the sensor element 12 is heated to a predetermined activation temperature or higher. ing.

【0023】素子本体14は固体電解質板24と、同板
24の上下に積層された導入室形成板25及び排出室形
成板23を備えている。固体電解質板24の上下面には
第1電極(陰極)31と、第2電極(陽極)33とが設
けられている。この第1電極31及び第2電極33はリ
ード部(図示略)を介して電子制御装置の駆動回路に電
気的に接続されている。
The element main body 14 includes a solid electrolyte plate 24, and an introduction chamber forming plate 25 and a discharge chamber forming plate 23 which are stacked on and under the solid electrolyte plate 24. On the upper and lower surfaces of the solid electrolyte plate 24, a first electrode (cathode) 31 and a second electrode (anode) 33 are provided. The first electrode 31 and the second electrode 33 are electrically connected to a drive circuit of an electronic control unit via a lead (not shown).

【0024】排出室形成板23は全体がコ字形状を呈し
ており、同板23の内壁面、ヒータ用板22の上面、及
び固体電解質板24の下面とによって区画された空間に
よって排出通路34が区画形成されている。この排出通
路34はセンサ素子12の基端側にまで延長され大気に
開放されている。後述する導入室36から固体電解質板
24の内部を通過して移動した酸素は、この排出通路3
4から大気中に放出されるようになっている。
The discharge chamber forming plate 23 has a U-shape as a whole, and the discharge passage 34 is formed by a space defined by the inner wall surface of the plate 23, the upper surface of the heater plate 22, and the lower surface of the solid electrolyte plate 24. Are formed. The discharge passage 34 extends to the base end side of the sensor element 12 and is open to the atmosphere. Oxygen that has moved from an introduction chamber 36 described later through the inside of the solid electrolyte plate 24 is
4 to the atmosphere.

【0025】これに対して、導入室形成板25の先端側
には、第1電極31と対応する位置に矩形孔35が形成
されている。そして、導入室形成板25の上面には矩形
孔35を閉塞するようにして拡散律速板26が積層され
ている。この拡散律速板26の下面、矩形孔35の内周
面、及び固体電解質板24の上面によって区画された空
間により導入室36が区画形成されている。
On the other hand, a rectangular hole 35 is formed at a position corresponding to the first electrode 31 on the distal end side of the introduction chamber forming plate 25. The diffusion-controlling plate 26 is stacked on the upper surface of the introduction chamber forming plate 25 so as to close the rectangular hole 35. An introduction chamber 36 is defined by a space defined by the lower surface of the diffusion control plate 26, the inner peripheral surface of the rectangular hole 35, and the upper surface of the solid electrolyte plate 24.

【0026】また、拡散律速板26には、複数の気孔
(図示略)が同板26を上下に貫通した状態で形成され
ている。気孔は、拡散律速板26の素材を焼成すること
によって同素材中の各粒体間に形成される隙間により構
成されている。この気孔は、吸気管2内を流れる吸気を
拡散律速された状態で導入室36内に導入させる機能を
有している。
A plurality of pores (not shown) are formed in the diffusion control plate 26 so as to penetrate the plate 26 vertically. The pores are formed by gaps formed between the particles in the material of the diffusion-controlling plate 26 by firing the material. The pores have a function of introducing the intake air flowing through the intake pipe 2 into the introduction chamber 36 in a diffusion-controlled state.

【0027】本実施形態における拡散律速板26は、酸
素センサ11の温度依存性を減少させるために以下の条
件1)〜4)を満たす多孔質材によって構成されてい
る。また、本実施形態においては、この条件1)〜4)
が満たされるように、前記素材の粒径や焼成温度等が適
宜調節されている。
The diffusion-controlling plate 26 in this embodiment is made of a porous material that satisfies the following conditions 1) to 4) in order to reduce the temperature dependence of the oxygen sensor 11. In the present embodiment, the conditions 1) to 4) are used.
The particle size of the material, the sintering temperature and the like are appropriately adjusted so as to satisfy the following.

【0028】1) 板厚:100〜1000μm 2) 気孔率:5〜30% 3) 最大気孔径:600〜1300Å 4) 気孔径分布の最頻値:400〜1000Å ここで、条件1)として、拡散律速板26の板厚を10
0〜1000μmの範囲に設定したのは、この板厚を1
00μmより小さくした場合には、拡散律速板26にお
いて吸気を十分に拡散律速させることができなくなるた
めであり、同板厚を1000μmより大きくした場合に
は、各電極31,33間を流れる限界電流が小さくなる
結果、酸素センサ11のS/N比が低下するためであ
る。尚、板厚は、拡散律速板26による良好な拡散律速
作用を確保するとともに、酸素センサ11のS/N比を
向上させるうえでは、板厚を400〜800μmの範囲
内に設定することが望ましい。このような観点から、本
実施形態ではこの板厚を「600μm」に設定してい
る。
1) Thickness: 100-1000 μm 2) Porosity: 5-30% 3) Maximum pore size: 600-1300Å 4) Mode of pore size distribution: 400-1000Å Here, condition 1) is The thickness of the diffusion control plate 26 is set to 10
The reason for setting the thickness in the range of 0 to 1000 μm is that
When the thickness is smaller than 00 μm, it becomes impossible to sufficiently control the diffusion of the intake air in the diffusion control plate 26. When the plate thickness is larger than 1000 μm, the limit current flowing between the electrodes 31 and 33 is limited. This is because as a result, the S / N ratio of the oxygen sensor 11 decreases. In addition, the plate thickness is desirably set in the range of 400 to 800 μm in order to secure a favorable diffusion-controlling effect of the diffusion control plate 26 and to improve the S / N ratio of the oxygen sensor 11. . From this point of view, in the present embodiment, the thickness is set to “600 μm”.

【0029】また、図4は、気孔率を限界電流値との関
係を示すグラフである。同図に示すように、気孔率を3
0%より大きくした場合には、拡散律速板26において
吸気を十分に拡散律速させることができなくなり限界電
流値の大きさが過大となる傾向がある。これに対して、
気孔率を5%より小さくした場合には、限界電流の大き
さが小さくなり酸素センサ11のS/N比が低下する傾
向がある。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the porosity and the limit current value. As shown in FIG.
If it is larger than 0%, diffusion control of the intake air cannot be sufficiently performed in the diffusion control plate 26, and the limit current value tends to be excessively large. On the contrary,
If the porosity is smaller than 5%, the magnitude of the limit current tends to be small, and the S / N ratio of the oxygen sensor 11 tends to decrease.

【0030】従って、本実施形態においては、条件2)
として、気孔率を5〜30%の範囲に設定し、より具体
的には「20%」に設定している。尚、気孔率は5〜3
0%の範囲であればよいが、拡散律速板26による良好
な拡散律速作用を確保するとともに、酸素センサ11の
S/N比を向上させるうえでは、気孔率を15〜25%
の範囲内に設定することが望ましい。
Therefore, in the present embodiment, condition 2)
The porosity is set in the range of 5 to 30%, and more specifically, set to “20%”. The porosity is 5-3.
It is sufficient that the porosity is within the range of 0%. However, in order to secure a favorable diffusion-controlling effect by the diffusion-controlling plate 26 and to improve the S / N ratio of the oxygen sensor 11, the porosity is set to 15 to 25%.
It is desirable to set within the range.

【0031】次に、条件3)及び条件4)のように、本
実施形態では、最大気孔径を600〜1300Åの範囲
内に設定するとともに、気孔径分布の最頻値を400〜
1000Åの範囲内に設定している。本実施形態では、
このように最大気孔径及び気孔径分布の最頻値を上記所
定範囲内に設定することにより、拡散律速板26におけ
る吸気の拡散状態が分子拡散とクヌッセン拡散との中間
状態に保持されることを実験により確認している。
Next, as in the conditions 3) and 4), in the present embodiment, the maximum pore diameter is set within the range of 600 to 1300 °, and the mode of the pore diameter distribution is set to 400 to 1300 °.
It is set within the range of 1000 °. In this embodiment,
By setting the maximum pore diameter and the mode value of the pore diameter distribution within the above-mentioned predetermined ranges, the diffusion state of the intake air in the diffusion control plate 26 is maintained at an intermediate state between the molecular diffusion and the Knudsen diffusion. Confirmed by experiment.

【0032】また、図5は、最大気孔径と限界電流値と
の関係を示すグラフである。尚、この場合、吸気の酸素
濃度は20.9%、センサ素子12の温度は約750
℃、各電極31,33間の印加電圧は0.75Vに設定
されている。同図に示すように、最大気孔径を800Å
より小さく設定した場合には、限界電流値が小さくなる
結果、酸素センサ11のS/N比が低下する傾向があ
る。一方、最大気孔径が1200Åより大きい場合に
は、拡散律速板26によって吸気が拡散律速され難くな
り限界電流値の大きさが増大する傾向がある。このた
め、吸気の拡散状態を分子拡散とクヌッセン拡散との中
間状態に保持するとともに、好適な拡散律速作用及びS
/N比を確保するうえでは、最大気孔径を800〜12
00Åの範囲内に設定することが望ましい。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the maximum pore diameter and the limit current value. In this case, the oxygen concentration of the intake air is 20.9%, and the temperature of the sensor element 12 is about 750.
° C, and the applied voltage between the electrodes 31 and 33 is set to 0.75V. As shown in FIG.
If it is set smaller, the S / N ratio of the oxygen sensor 11 tends to decrease as a result of the limit current value becoming smaller. On the other hand, when the maximum pore diameter is larger than 1200 °, the diffusion control of the intake air by the diffusion control plate 26 becomes difficult, and the size of the limit current value tends to increase. For this reason, the diffusion state of the intake air is maintained in an intermediate state between the molecular diffusion and the Knudsen diffusion, and a suitable diffusion-limiting action and S
In order to secure the / N ratio, the maximum pore diameter should be 800 to 12
It is desirable to set within the range of 00 °.

【0033】また、気孔径分布の最頻値についても、吸
気の拡散状態を分子拡散とクヌッセン拡散との中間状態
に確実に保持するためには、同値を600〜800Åの
範囲内に設定することが望ましい。
Also, the mode of the pore diameter distribution should be set within the range of 600 to 800 ° in order to ensure that the diffusion state of the intake air is in an intermediate state between the molecular diffusion and the Knudsen diffusion. Is desirable.

【0034】図6は拡散律速板26における気孔径の分
布状態を水銀ポロシメータを用いて測定した結果を示す
グラフである。同図に実線で示すように、気孔径は約9
00Åに最頻値を有した分布状態を示し、また、最大気
孔径は1100Åとなっている。
FIG. 6 is a graph showing the result of measurement of the distribution of pore diameters in the diffusion control plate 26 using a mercury porosimeter. As shown by the solid line in FIG.
The distribution state having the mode value at 00 ° is shown, and the maximum pore diameter is 1100 °.

【0035】このような酸素センサ11においては、電
子制御装置により第1電極31と第2電極33との間に
所定の電圧が印加されると、固体電解質板24の内部で
酸素イオンの移動が生じることにより各電極31,33
間には電流が流れるようになる。この際、導入室36内
に導入される酸素分子が気孔によって拡散律速されるこ
とにより、各電極31,33間を流れる電流は排気ガス
の酸素濃度に応じた一定値(限界電流値)をとるように
なる。従って、電子制御装置はこの限界電流値の大きさ
に基づいてエンジン1の空燃比を算出することができ
る。
In such an oxygen sensor 11, when a predetermined voltage is applied between the first electrode 31 and the second electrode 33 by the electronic control device, the movement of oxygen ions inside the solid electrolyte plate 24. Each electrode 31, 33
A current flows between them. At this time, the oxygen molecules introduced into the introduction chamber 36 are diffusion-controlled by the pores, so that the current flowing between the electrodes 31 and 33 takes a constant value (limit current value) according to the oxygen concentration of the exhaust gas. Become like Therefore, the electronic control unit can calculate the air-fuel ratio of the engine 1 based on the magnitude of the limit current value.

【0036】ここで、本実施形態では、拡散律速板26
を前述した各条件1)〜4)を満たす多孔質材料によっ
て形成するようにしている。従って、拡散律速板26に
おける吸気の拡散状態が分子拡散とクヌッセン拡散との
中間状態に確実に保持される。その結果、酸素センサ1
1の温度依存性を確実に減少させて、吸気の酸素濃度に
応じた限界電流値を安定して得ることができる。
Here, in the present embodiment, the diffusion control plate 26
Is formed of a porous material that satisfies the conditions 1) to 4) described above. Therefore, the diffusion state of the intake air in the diffusion control plate 26 is reliably maintained at an intermediate state between the molecular diffusion and the Knudsen diffusion. As a result, the oxygen sensor 1
1 is reliably reduced, and a limit current value corresponding to the oxygen concentration of the intake air can be stably obtained.

【0037】更に、本実施形態では、板厚、気孔率、最
大気孔径を限界電流値の大きさを考慮して好適な値に設
定しているため、確実な拡散律速作用及び良好なS/N
比を得ることができ、酸素センサ11における検出精度
を向上させることができる。
Further, in the present embodiment, since the plate thickness, porosity, and maximum pore diameter are set to appropriate values in consideration of the magnitude of the limiting current value, a reliable diffusion-controlling action and a good S / S N
The ratio can be obtained, and the detection accuracy of the oxygen sensor 11 can be improved.

【0038】また、本実施形態では、酸素センサ11を
EGR装置5を備えたエンジン1の吸気管2に取り付
け、同管2内を流れる吸気の酸素濃度を検出するように
している。このように吸気管2に取り付けられた酸素セ
ンサ11にあっては、例えば、排気管3に取り付けられ
た酸素センサと比較して温度変化の大きい状況におかれ
ることとなる。
In this embodiment, the oxygen sensor 11 is attached to the intake pipe 2 of the engine 1 provided with the EGR device 5, and detects the oxygen concentration of the intake air flowing through the pipe 2. As described above, the oxygen sensor 11 attached to the intake pipe 2 is in a situation where the temperature change is larger than that of the oxygen sensor attached to the exhaust pipe 3, for example.

【0039】即ち、吸気管2内には、EGR装置5の作
動により比較的高温のEGRガスが間欠的に流入し、こ
のEGRガスの流入に伴って酸素センサ11(センサ素
子12)の温度が変化するためである。更に、酸素セン
サ11は吸気が接触することにより熱を奪われるが、吸
気の流速がエンジン1の回転速度に応じて変化し、この
奪われる熱量が変化することによって、同センサ11の
温度が変化するためである。
That is, relatively high-temperature EGR gas intermittently flows into the intake pipe 2 by the operation of the EGR device 5, and the temperature of the oxygen sensor 11 (sensor element 12) decreases with the inflow of the EGR gas. Because it changes. Further, the oxygen sensor 11 is deprived of heat by the contact of the intake air. However, the flow rate of the intake air changes according to the rotation speed of the engine 1, and the amount of heat deprived changes the temperature of the sensor 11. To do that.

【0040】この点、本実施形態における酸素センサ1
1は温度依存性が極めて小さいため、上記のような温度
変化がある状況下でも安定した限界電流値を出力するこ
とができ、吸気管用の酸素センサとして好適に使用する
ことができる。
In this regard, the oxygen sensor 1 of this embodiment
Since 1 has extremely low temperature dependency, it can output a stable limit current value even under the above-mentioned situation of temperature change, and can be suitably used as an oxygen sensor for an intake pipe.

【0041】尚、上記実施形態は以下に示すように構成
を変更することができる。このように構成を変更しても
上記実施形態と略同等の作用効果を奏することができ
る。・拡散律速板26に形成される気孔径の分布状態
は、図6に実線で示す分布状態に限定されず、上記各条
件2)〜4)を満たすものであれば、例えば、同図に二
点鎖線で示すような分布状態であってもよい。
The configuration of the above embodiment can be changed as described below. Even if the configuration is changed in this way, it is possible to achieve the same operation and effect as the above embodiment. The distribution state of the pore diameters formed in the diffusion control plate 26 is not limited to the distribution state shown by the solid line in FIG. 6, and if the above conditions 2) to 4) are satisfied, for example, the distribution state shown in FIG. The distribution state as shown by a chain line may be used.

【0042】・上記実施形態では、拡散律速板26の素
材を焼成することにより同板26を形成するようにして
いる。これに対して、例えば、溶射等の方法を用いてセ
ンサ素子12に拡散律速層を設けるようにしてもよい。
In the above embodiment, the diffusion-controlling plate 26 is formed by firing the material of the diffusion-controlling plate 26. On the other hand, for example, a diffusion-controlling layer may be provided on the sensor element 12 using a method such as thermal spraying.

【0043】・上記実施形態では、拡散律速板26を素
子本体14と同様、酸素イオン導電性ジルコニア(Zr
O2 )及びイットリア(Y2 03 )の混合物により形成
するようにしたが、同板26を例えばその他の多孔質材
料(アルミナ、マグネシア、スピネル等)により形成す
るようにしてもよい。
In the above embodiment, the diffusion-controlling plate 26 is made of oxygen ion conductive zirconia (Zr
Although the plate 26 is formed of a mixture of O2) and yttria (Y203), the plate 26 may be formed of, for example, other porous materials (alumina, magnesia, spinel, etc.).

【0044】・上記実施形態における酸素センサ11で
は、複数の板材が積層された積層構造をなすセンサ素子
12を用いるようにしたが、例えば、特開昭58−17
8248号公報に示されるように試験管状をなすセンサ
素子を用いるようにしてもよい。
In the oxygen sensor 11 of the above embodiment, the sensor element 12 having a laminated structure in which a plurality of plate members are laminated is used.
As shown in JP-A-8248, a sensor element having a test tube shape may be used.

【0045】・上記実施形態では、酸素センサ11をE
GR装置5を備えたエンジン1の吸気管2に取り付ける
ようにしている。これに対して、公知のブローバイガス
還元装置を備えたエンジンの吸気管に本発明に係る酸素
センサを取り付けるようにしてもよい。
In the above embodiment, the oxygen sensor 11 is
It is designed to be attached to the intake pipe 2 of the engine 1 provided with the GR device 5. On the other hand, the oxygen sensor according to the present invention may be attached to an intake pipe of an engine equipped with a known blow-by gas reduction device.

【0046】・上記実施形態では、本発明に係る酸素セ
ンサをエンジン1に適用したが、例えば、一般の燃焼機
器、特に、使用環境温度が変化する燃焼機器等に適用す
るようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the oxygen sensor according to the present invention is applied to the engine 1. However, the oxygen sensor may be applied to, for example, general combustion equipment, particularly, combustion equipment in which the use environment temperature changes.

【0047】上記各実施形態から把握できる技術的思想
について以下にその効果とともに記載する。 (イ)請求項1に記載した酸素センサにおいて、同酸素
センサは排気還流装置或いはブローバイガス還元装置を
備えた内燃機関の吸気管に取り付けられるものであるこ
とを特徴とする。
The technical ideas that can be grasped from the above embodiments will be described below together with their effects. (A) In the oxygen sensor according to the first aspect, the oxygen sensor is attached to an intake pipe of an internal combustion engine having an exhaust gas recirculation device or a blow-by gas reduction device.

【0048】このように、吸気管に取り付けられた酸素
センサでは、前述したように温度変化が大きく限界電流
値の大きさが不安定になる傾向がある。上記(イ)に記
載した酸素センサは、温度依存性が極めて小さくなるた
め、上記傾向にある酸素センサとして好適である。
As described above, in the oxygen sensor attached to the intake pipe, as described above, there is a tendency that the temperature change is large and the limit current value becomes unstable. The oxygen sensor described in the above (a) has a very small temperature dependency, and thus is suitable as the oxygen sensor having the above tendency.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明では、拡散律速層を、層厚が10
0〜1000μm、気孔率が5〜30%、最大気孔径が
600〜1300Å、気孔の最頻値が400〜1000
Åである多孔質材によって構成するようにしている。従
って、拡散律速層を通過する気体の拡散状態がクヌッセ
ン拡散状態と分子拡散状態との中間的な状態に保持され
る。従って、酸素センサの温度依存性を確実に減少させ
て、気体の酸素濃度に応じた限界電流値を安定して得る
ことができる。
According to the present invention, the diffusion-controlling layer has a thickness of 10
0 to 1000 μm, porosity of 5 to 30%, maximum pore diameter of 600 to 1300 °, mode of pores of 400 to 1000
Å is made of a porous material. Therefore, the diffusion state of the gas passing through the diffusion-controlling layer is maintained at an intermediate state between the Knudsen diffusion state and the molecular diffusion state. Therefore, the temperature dependence of the oxygen sensor can be reliably reduced, and a limit current value corresponding to the oxygen concentration of the gas can be stably obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】酸素センサが用いられるエンジンシステムを示
す概略構成図。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an engine system using an oxygen sensor.

【図2】同酸素センサのセンサ素子を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a sensor element of the oxygen sensor.

【図3】図2の3−3線に沿った断面図。FIG. 3 is a sectional view taken along line 3-3 in FIG. 2;

【図4】気孔率と限界電流値との関係を示すグラフ。FIG. 4 is a graph showing a relationship between a porosity and a limit current value.

【図5】最大気孔径と限界電流値との関係を示すグラ
フ。
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a maximum pore diameter and a limit current value.

【図6】気孔径の分布状態を示すグラフ。FIG. 6 is a graph showing a distribution state of pore diameters.

【図7】従来における気孔径の分布状態を示すグラフ。FIG. 7 is a graph showing a conventional pore size distribution state.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…酸素センサ、12…センサ素子、26…拡散律速
板、31…第1電極、33…第2電極。
11: oxygen sensor, 12: sensor element, 26: diffusion-controlling plate, 31: first electrode, 33: second electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/41 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 27/41

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 固体電解質材料からなるセンサ素子と、
当該センサ素子に設けられ、同センサ素子に接触する気
体の酸素濃度に応じた信号を出力する一対の電極と、一
方の電極を覆うようにして前記センサ素子に設けられ、
前記気体を拡散律速するための複数の気孔を有する拡散
律速層とを備えた酸素センサにおいて、 前記拡散律速層は、層厚が100〜1000μm、気孔
率が5〜30%、最大気孔径が600〜1300Å、前
記気孔の最頻値が400〜1000Åである多孔質材か
らなることを特徴とする酸素センサ。
A sensor element made of a solid electrolyte material;
A pair of electrodes provided on the sensor element and outputting a signal corresponding to the oxygen concentration of the gas contacting the sensor element, provided on the sensor element so as to cover one of the electrodes,
An oxygen sensor comprising: a diffusion-controlling layer having a plurality of pores for controlling the diffusion of a gas; wherein the diffusion-controlling layer has a layer thickness of 100 to 1000 μm, a porosity of 5 to 30%, and a maximum pore diameter of 600. An oxygen sensor comprising a porous material having a maximum mode of pores of 400 to 1000 °.
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