JP3860068B2

JP3860068B2 - 酸素センサ

Info

Publication number: JP3860068B2
Application number: JP2002142749A
Authority: JP
Inventors: 祥一堺; 太一柳
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: JP2003337115A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内燃機関の排気管に装着されて空燃比の検出に用いられる酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、内燃機関の空燃比を検出する酸素センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質層を挟んで設けられるポンピング電極間に電圧を印加したときの拡散限界電流を計測する一方、前記ポンピング電極の一方と基準電極との間に発生する起電力から空燃比のリッチ・リーンを判別する構成の酸素センサが知られている（特開昭６１−１００６５１号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の酸素センサにおいては、基準電極の電圧特性がストイキ特性にならずになまされ、然も、大きくばらつくため、リッチ・リーンの判定精度が安定せず、空燃比を精度良く検出することが困難であるという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、酸素イオン伝導性の固体電解質層を挟んで一対のポンピング電極を形成する一方、該一対のポンピング電極の一方に対して固体電解質層を挟んで基準電極を形成してなり、ポンピング電極間に電圧を印加したときの限界電流を計測すると共に、一方のポンピング電極と基準電極との間に生じる起電力を計測するよう構成された酸素センサにおいて、前記基準電極の電圧に基づくリッチ・リーン判別が安定して精度良く行えるようにすることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そのため請求項１記載の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を挟んで一対のポンピング電極を形成する一方、該一対のポンピング電極の一方に対して前記固体電解質層を挟んで基準電極を形成し、かつ、前記一方のポンピング電極にガス拡散層を積層してなり、前記ポンピング電極間に電圧を印加したときの限界電流を計測すると共に、前記一方のポンピング電極と基準電極との間に生じる起電力を計測し、前記起電力に応じて前記ポンピング電極間に印加する電圧を切り換えるよう構成され、基準電極と一方のポンピング電極間に、基準電極に酸素を供給するための酸素供給用電圧を印加すると共に、基準電極を緻密層で覆う構成とした。上記構成によると、酸素供給用電圧が印加されることで、基準電極に向けて酸素が固体電解質層を介して輸送され、かつ、基準電極の周囲が緻密層で覆われることで、輸送された酸素が基準電極の周囲に溜め込まれる。
【０００５】
従って、被検出ガスの酸素分圧が低い状態であっても、基準電極の酸素分圧を高い状態に安定させることができ、基準電極を、擬似的に基準酸素濃度の電極（参照電極）とすることができるから、基準電極の電圧に基づく酸素濃度測定の精度を向上させることができる。
【０００６】
また、周囲に酸素が溜め込まれる基準電極と一方のポンピング電極との間に、酸素分圧差に応じて発生する起電力の判定結果から、ポンピング電圧の切り換え（電圧の向きの切り換え）が行われる。従って、基準電極の電圧に基づき精度良く判定される酸素濃度から、ポンピング電圧が精度良く切り換えられ、結果的に、拡散限界電流に基づくリニアな酸素濃度測定の精度が向上する。
【０００７】
請求項２記載の発明では、ロッド状の基体の外周に環状にガス拡散層を形成し、該ガス拡散層の外側に、前記固体電解質層，緻密層，一対のポンピング電極，基準電極をそれぞれ環状に形成する構成とした。上記構成によると、ロッド状の基体の外周に同心円状に、ガス拡散層，固体電解質層，一対のポンピング電極、緻密層，基準電極が積層される。
【０００８】
従って、ロッド状の基体の略全周がセンシング部として機能し、センサの取り付け方向や被検出ガスの流れ方向などに影響されることなく、酸素濃度を安定した精度で検出でき、また、ロッド形状であることで耐熱衝撃性が高く、被水によるクラックの発生率を大幅に低減できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における酸素センサの断面図であり、この酸素センサは内燃機関の排気管に取り付けられて、機関の空燃比を検出するセンサである。
図１に示す酸素センサは、ホルダ１，センサ素子２，プロテクタ３，コンタクトフランジ４，ケース５等によって構成される。
【００１０】
前記ホルダ１は、ステンレス鋼などの金属材料によって段付筒状に形成され、先端側外周に取り付け部としてのおねじ部１Ａが形成されている。
そして、内燃機関の排気管の周壁を貫通して設けられる取り付け穴の内周に形成されるめねじ部に、前記おねじ部１Ａを締め付けることで、酸素センサが、その先端部を排気管内に内在させるようにして装着される。
【００１１】
前記センサ素子２は、ロッド状に形成されると共に、その先端側に後述するようなセンシング部２Ａを備える。
プロテクタ３は、耐熱性の高い金属板等を用いて有底筒状に形成されると共に、被測定ガス（機関排気）をプロテクタ３内に導入するための孔３Ａが複数箇所に形成されている。
【００１２】
そして、該プロテクタ３は、その開口端が、前記ホルダ１のおねじ部１Ａよりも先端側のおねじ部１Ａよりも外径が小さな先端部１Ｃに外挿されるように取り付けられ、溶接によって固定される。
前記プロテクタ３内には、センサ素子２のセンシング部２Ａが配置され、前記プロテクタ３を介して導入される排気ガス（被測定ガス）中にセンシング部２Ａが晒されることで、機関の空燃比（被測定ガス中の酸素濃度）が検出される。
【００１３】
前記ロッド状のセンサ素子２は、筒状のコンタクトフランジ４を介してホルダ１に組み付けられる。
前記コンタクトフランジ４には前記センサ素子２が圧入され、このセンサ素子２が圧入されたコンタクトフランジ４をホルダ１に圧入させることで、ホルダ１に対してセンサ素子２が組み付けられる。
【００１４】
ケース５は、耐熱性の高い金属板等を用いて有底筒状に形成され、ホルダ１の基端部に外挿されるように取り付けられて溶接によって固定され、その基端側からセンシング部２Ａを構成するヒータパターンや電極に接続されるリードが導出される。
図２及び図３は、前記センシング部２Ａの構成を詳細に示す図である。
【００１５】
前記センシング部２Ａは、基体としてのアルミナロッド５１の外周に、それぞれ環状に形成される、ヒータパターン５２，アルミナ絶縁層５３，第１ガス拡散層５４，酸素イオン伝導性の緻密なジルコニア固体電解質層５５を、この順に積層して構成され、固体電解質層５５の外周は、軸方向に並設される第２ガス拡散層（保護層）５６と緻密層５７とで覆われる。
【００１６】
前記第２ガス拡散層（保護層）５６で覆われるジルコニア固体電解質層５５の外側には、第２ポンピング電極５９（外側電極）が白金等によって環状に形成され、この第２ポンピング電極５９（外側電極）と対向するジルコニア固体電解質層５５の内側には、白金等からなる第１ポンピング電極５８が環状に形成される。
【００１７】
更に、前記緻密層５７で覆われるジルコニア固体電解質層５５の外側には、白金等からなる基準電極６０が環状に形成される。
尚、前記緻密層５７は、ムライト系（シリカ添加）のアルミナによって、平均粒径が0.3〜0.5μmに形成され、また、前記拡散層５４，５６は、アルミナ，ジルコニアを主成分とするセラミック混合粉によって形成され、前記セラミック混合粉の平均粒径を0.4〜0.8μmとしてある。
【００１８】
前記第１ポンピング電極５８は、仮想グランド（例えば1.5Ｖ程度の基準電位）に接続され、また、前記基準電極６０には、基準電極６０に向けて酸素を輸送させるための酸素供給用電源６５が接続される。
ここで、前記基準電極６０の電圧は、第１ポンピング電極５８の酸素分圧と基準電極６０の酸素分圧との差に応じて変化する。
【００１９】
即ち、空燃比が理論空燃比よりもリーンであって排気ガス中に多くの酸素が存在する場合には、酸素供給用電源６５による電圧印加によって第１ポンピング電極５８から基準電極６０に向けて酸素が輸送されるものの、拡散層５４を介して第１ポンピング電極５８に酸素が拡散する結果、第１ポンピング電極５８の酸素分圧と基準電極６０の酸素分圧との差は小さく、酸素分圧差により第１ポンピング電極５８と基準電極６０との間で発生する起電力が小さく、基準電極６０の電圧は低くなる。
【００２０】
しかし、空燃比が理論空燃比よりもリッチであって排気ガス中の酸素量が僅かである状態では、第１ポンピング電極５８から基準電極６０に向けて酸素が輸送された酸素が、基準電極６０を覆う緻密層５７に溜め込まれる結果、基準電極６０の酸素分圧は安定的に高く維持されるのに対して、第１ポンピング電極５８の酸素分圧は低くなり、結果、第１ポンピング電極５８の酸素分圧と基準電極６０の酸素分圧との差が大きくなって、この大きな酸素分圧差によって第１ポンピング電極５８と基準電極６０との間に大きな起電力が発生し、基準電極６０の電圧は高くなる。
【００２１】
上記のように、基準電極６０に酸素を輸送させるための酸素供給用電源６５を接続し、かつ、基準電極６０を緻密層５７で覆うことで、基準電極６０の酸素分圧を空燃比変化に大きく影響されることなく高い状態に安定的に維持でき、擬似的に基準酸素濃度の電極（参照電極）とすることができるから、基準電極６０の電圧を、空燃比のリッチ・リーンでオン・オフ的に切り換わる安定した出力特性とすることができる（図４参照）。
【００２２】
前記基準電極６０の電圧はストイキセンサ出力（リッチ・リーンセンサ出力）として出力される一方、比較器６１に出力され、この比較器６１において所定の比較用電圧６６（理論空燃比相当電圧）と比較される。
そして、空燃比がリッチで前記基準電極６０の電圧が比較用電圧６６よりも高いときには、比較器６１からポンピング電圧として前記第１ポンピング電極５８の電圧よりも低い電圧（例えば１Ｖ）が出力され、空燃比がリーンで前記基準電極６０の電圧が比較用電圧よりも低いときには、比較器６１からポンピング電圧として前記第１ポンピング電極５８の電圧よりも高い電圧（例えば２Ｖ）が出力されるようになっている。
【００２３】
前記第１ポンピング電極５８の電位は、仮想グランド（例えば1.5Ｖ程度の基準電位）に固定であるから、空燃比のリッチ・リーンによって仮想グランドよりも高い電圧と低い電圧とに切り換えることで、ポンピング電極５８，５９間における電位の方向が切り換えられる。
前述のように、酸素供給用電源６５による基準電極６０に向けての酸素輸送と基準電極６０を覆う緻密層５７との作用によって、基準電極６０の電圧を、空燃比のリッチ・リーンでオン・オフ的に切り換わる安定した出力として得ることができるから、リッチ・リーンの判別に基づくポンピング電圧の切り換えを精度良く行わせることができる。
【００２４】
前記比較器６１の出力電圧は、第２ポンピング電極５９に印加される。
例えば、排気ガス中に酸素が残らず、水素（Ｈ₂），一酸化炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）の濃度が高い空燃比のリッチ状態では、第１ポンピング電極５８側の電位が第２ポンピング電極５９よりも高いことから、カソード側となる第２ポンピング電極５９において二酸化炭素，水に電子が付与されることで、酸素イオンが発生する。
【００２５】
そして、前記酸素イオンは、固体電解質層５５を介してアノード側である第１ポンピング電極５８に向けて輸送され、第１ポンピング電極５８では、輸送された酸素イオンと排気中の一酸化炭素，水素とが反応して、二酸化炭素，水分，電子に分解される。即ち、第１ポンピング電極５８に向けて酸素を輸送することで、前記基準電極６０と第１ポンピング電極５８との間の酸素分圧差を縮小させるように、換言すれば、前記基準電極６０の電圧に基づくリッチ・リーン判定がリッチからリーンに反転するように制御される。
【００２６】
一方、排気ガス中に多くの酸素が残存する空燃比のリーン状態では、第２ポンピング電極５９側の電位が第１ポンピング電極５８よりも高いことから、カソード側となる第１ポンピング電極５８において、排気ガス中に残存する酸素に電子が付与されて、酸素イオンが発生する。
そして、前記酸素イオンは、固体電解質層５５を介してアノード側となる第２ポンピング電極５９に向けて輸送され、第２ポンピング電極５９において酸素と電子とに分解される。
【００２７】
即ち、第２ポンピング電極５９に向けて酸素を輸送することで、前記基準電極６０と第１ポンピング電極５８との間の酸素分圧差を拡大させるように、換言すれば、前記基準電極６０の電圧に基づくリッチ・リーン判定がリーンからリッチに反転するように制御される。
上記のようにして電圧の向きがリッチ・リーンによって切り換えられるポンピング電極５８，５９の間に流れる拡散限界電流（ポンピング電流）Ｉｐは、理論空燃比を基準にリニアに変化するので、前記拡散限界電流（ポンピング電流）Ｉｐを電流検出抵抗Ｒの端子間電圧として検出し、これを空燃比センサ出力として出力し、前記ストイキセンサ出力と空燃比センサ出力とから空燃比が求められる。
【００２８】
尚、上記実施形態では、センサ素子２をロッド状のものとしたが、プレート状のセンサ素子２についても、同様な構成で同様な効果を得ることができる。
但し、センサ素子２をロッド形状とすることで、センサの取り付け方向や被検出ガスの流れ方向などに影響されることなく、酸素濃度を安定した精度で検出でき、また、耐熱衝撃性が高く、被水によるクラックの発生率を大幅に低減できる。
【００２９】
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項１〜３のいずれか１つに記載の酸素センサにおいて、前記緻密層が、ムライト系アルミナにより平均粒径0.3〜0.5μmに形成されることを特徴とする酸素センサ。
【００３０】
上記構成によると、基準電極を覆う緻密層は、ムライト系アルミナによって平均粒径0.3〜0.5μmに形成され、ここで酸素の溜め込みを行う。
これにより、基準電極における酸素分圧を、要求される高い値に安定させることができる緻密層を形成できる。
（ロ）請求項２記載の酸素センサにおいて、酸素センサで機関の空燃比を検出する構成とし、前記基準電極の電圧と理論空燃比相当の比較用電圧とを比較することで、空燃比の理論空燃比に対するリッチ・リーンを判別し、該判別結果に応じてポンピング用電圧の印加方向を前記リッチ・リーン判別が反転する方向に切り換える構成とした。
【００３１】
上記構成によると、基準電極の電圧に基づいて判別される空燃比のリッチ・リーンに応じて、リッチ・リーン判別が反転する方向にポンピング用電圧の印加方向（酸素の輸送方向）を切り換える。
これにより、空燃比のリッチ・リーン判別を反転させる方向に電圧を印加したときの拡散限界電流から、空燃比を精度良く検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸素センサの断面図。
【図２】センサ素子を示す図であり、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は斜視図。
【図３】センサ素子のセンシング部の部分拡大断面図。
【図４】起電力と空燃比との相関を示す図。
【符号の説明】
２…センサ素子、２Ａ…センシング部、５１…アルミナロッド、５２…ヒータパターン、５３…アルミナ絶縁層、５４…第１ガス拡散層、５５…ジルコニア固体電解質層、５６…第２ガス拡散層（保護層）、５７…緻密層、５８…第１ポンピング電極、５９…第２ポンピング電極、６０…基準電極

Claims

酸素イオン伝導性の固体電解質層を挟んで一対のポンピング電極を形成する一方、該一対のポンピング電極の一方に対して前記固体電解質層を挟んで基準電極を形成し、かつ、前記一方のポンピング電極にガス拡散層を積層してなり、前記ポンピング電極間に電圧を印加したときの限界電流を計測すると共に、前記一方のポンピング電極と基準電極との間に生じる起電力を計測し、前記起電力に応じて前記ポンピング電極間に印加する電圧を切り換えるよう構成され、
前記基準電極と前記一方のポンピング電極間に、前記基準電極に酸素を供給するための酸素供給用電圧を印加すると共に、前記基準電極を緻密層で覆ったことを特徴とする酸素センサ。
ロッド状の基体の外周に環状にガス拡散層を形成し、該ガス拡散層の外側に、前記固体電解質層，緻密層，一対のポンピング電極，基準電極をそれぞれ環状に形成したことを特徴とする請求項１記載の酸素センサ。