JP4198386B2 - Oxygen sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一端が閉じた筒状の固体電解質からなり、該固体電解質の内壁及び外壁にそれぞれ、基準電極と測定電極とを形成してなる検出素子を備えた酸素センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、自動車などのエンジンに取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する様々な形態の酸素センサが開発されている。そして、その中の1つとして、一端が閉じた筒状の固体電解質(ジルコニアなど)からなる検出素子を備えた酸素センサが開発されている。
【0003】
ここで、図14は、従来の検出素子の外観を示す平面図である。そして、図15は、従来の検出素子の図14における背面側の平面図である。
図14,15に示すように、検出素子70には、その内壁の全面と、排気ガス中に曝される閉じた一端(以下、「底部」という。)側の外壁のほぼ全面とにそれぞれ、白金などからなり酸素解離触媒機能を有した多孔質の基準電極(図示せず)と測定電極71とが形成されている。
【0004】
尚、検出素子70は、測定電極71に比べて検出素子70の外周方向における幅が十分に狭い長尺状のリード部72を測定電極71から当該検出素子70の上端部に至る部位に1つ有しており、このリード部72によって、当該検出素子70の上端部に形成された端子接続部73と測定電極71とが電気的に接続されている。
【0005】
そして、検出素子70の内部には、検出素子70を加熱するためのヒータ(図示せず)が配置され、このヒータの熱と排気ガスの熱とによって検出素子70を加熱するようにされている。尚、このヒータは、検出素子70を確実に加熱できるように、検出素子70の底部の内壁や底部近傍の内周壁に接触するように配置されることが一般的となっている。
【0006】
このように構成された酸素センサでは、加熱により検出素子70が活性化すると、検出素子70の内部の酸素濃度と検出素子70の外部の酸素濃度との濃度差に応じた量の酸素イオンが検出素子70の電極間を往来するため、濃度差に応じた大きさの起電力が生じる。
【0007】
従って、エンジンの制御を行うエンジン制御ECUなどは、この起電力に基づいて排気ガス中の酸素濃度を検出するようにされている。
尚、上記のような酸素センサでは、検出素子70の底部から上部へ向かうに従って、排気ガスに曝され難くなる上、検出素子70の底部の内壁や底部近傍の内周壁に接触させたヒータの熱も伝わり難くなる。このため、検出素子70の上部に向かう程、活性温度に達するのに時間を要したり、十分な熱量を得られないことがある。そして、電極が形成された部位における固体電解質に不活性な部分があると、その部分は電気的抵抗が大きく、酸素イオンの往来を妨げるため、酸素センサ70の応答性能が低下することがあった。即ち、ヒータを作動させてから酸素センサ70の出力が安定するまでに時間を要したり、排気ガス中の酸素濃度が変動しても、それを検出するのに大きな遅延を有することがあった。
【0008】
そこで、近年、図16,17に示すように、ヒータが接触するヒータ接触部位、及びヒータ接触部位の近傍の外壁にのみ測定電極81を大きく形成した検出素子80を備えた酸素センサが開発されている。尚、図16は、検出素子80の外観を示す平面図である。そして、図17は、検出素子80の図16における背面側の平面図である。
【0009】
このように構成された酸素センサでは、酸素イオンが検出素子80の固体電解質が最も活性化した部位のみを介して電極間を往来するため、活性状態が不十分な固体電解質によって酸素イオンの往来が妨げられることがなく、良好な応答性能を発揮する。尚、検出素子80における測定電極81が大きく形成された部位からリード部82に至る部位では、測定電極81がリード部82と同じ幅を有するように長尺上に成形され、リード部82と接続している。そして、検出素子70と同様、リード部82によって、当該検出素子80の上端部に形成された端子接続部83と測定電極81とが電気的に接続されている。
【0010】
ここで、上記検出素子70,80における軸方向の中央付近から底部に至る部位L3,L4の外壁の全面には、プラズマ溶射法によって、スピネル(MgAl2O4)の粉末が塗着されており(図示せず)、測定電極71,81を排気ガスの熱から防護するようにされている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、基準電極や測定電極は、これらを構成する白金などが排気ガスの熱やヒータの熱によって昇華するため、次第に消耗してくる。特に、測定電極は、排気ガスに直接曝されるため基準電極よりも消耗の度合が大きい。そして、測定電極81では、幅の狭い長尺状の部位が他の部位に比べて早く消耗することが考えられる。
【0012】
又、電極を構成する白金などは昇華する前に液化し、表面張力によって凝集する。このため、長尺状の部位にて凝集が生じると、この部位にて測定電極81が断線する可能性がある。
即ち、検出素子80では、検出素子70よりも良好な応答性能が得られる一方、熱に対する耐久性能が低下する虞があった。
【0013】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、良好な応答性能と熱に対する高い耐久性能とを両立させた検出素子を具備した酸素センサを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための発明である請求項1記載の酸素センサは、一端が閉じた底部を有する筒状の固体電解質からなり、該固体電解質の内壁及び外壁にそれぞれ、基準電極と測定電極とを形成してなる検出素子を備え、該検出素子の一端側を被測定ガス中に曝して、該被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサであって、前記検出素子の内部には、前記検出素子を加熱するヒータが配置され、前記検出素子は、前記検出素子の底部の内壁もしくは前記検出素子の中央部から前記底部に至る内周壁に、前記ヒータが接触するヒータ接触部位を有し、前記検出素子の内周方向における前記基準電極の形成範囲、及び前記検出素子の外周方向における前記測定電極の形成範囲のうち、少なくとも該測定電極の形成範囲は、前記ヒータ接触部位にて最も大きく、該ヒータ接触部位から前記検出素子の上端部に向かって離れるに従って縮小されていることを特徴とする。
【0015】
このように構成された酸素センサでは、検出素子において、ヒータが接触している部位であるヒータ接触部位における電極の形成範囲が大きいため、熱に対する高い耐久性能を確保することができる。しかも、ヒータ接触部位から離れる程、電極の形成範囲が小さくなるため、固体電解質が不活性な部位から受ける影響を十分に抑えることができる。
【0016】
従って、加熱された検出素子における各部位の温度に応じて電極の形成範囲を縮小していく割合を適切に設定すれば、熱に対する耐久性能を低下させることなく、良好な応答性能を有することができる。
即ち、本発明により、良好な応答性能と熱に対する高い耐久性能とを両立させた検出素子を具備した酸素センサを得ることができる。
また、ヒータによって、検出素子をより高い温度に加熱することができる。即ち、検出素子をより活性化できるため、酸素センサの応答性能をより向上できる。
【0017】
尚、上記「該ヒータ接触部位から前記検出素子の上端部に向かって離れるに従って縮小される」とは、検出素子の軸方向に沿った一部の区間における基準電極及び測定電極の形成範囲が一様であっても良い。
ここで、電極の形成範囲が縮小される部位における電極の外縁は、例えば、請求項2記載のように連続的な形状に成形されていても良いし、請求項3記載のように、階段状に成形されていても良い。尚、「連続的な形状」とは、直線的な形状であっても良いし、曲線的な形状であっても良い。
【0019】
尚、ヒータは、請求項4記載のように、前記検出素子の中央部から前記底部に至る内周壁に接触していることが望ましい。
このようにヒータが配置されていれば、検出素子へのヒータの接触面積が大きくなり、高温に加熱できる面積を増大させることができる。即ち、検出素子において、固体電解質の活性状態が良好な部位の面積が増大するため、酸素センサの応答性能を更に向上させることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
[第1実施形態]
まず、図1は、本発明を適用した酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【0021】
図1に示すように、酸素センサ1は、ジルコニアを主成分とする固体電解質からなり、一端が閉じた筒状の検出素子2と、この検出素子2の内部に配置された棒状のセラミックヒータ(以下、単に「ヒータ」という。)3と、これら検出素子2とヒータ3とを収納するケーシング4と、ケーシング4の下端部に装着され、ケーシング4の下端部から突出された検出素子2の底部を覆う円筒状のプロテクタ5などとから構成されている。
【0022】
尚、ケーシング4は、酸素センサ1を内燃機関の排気管などに固定すると共に、検出素子2の底部を排気ガス中に突出させながら、検出素子2を内部に収納した環状のセラミックホルダ6,7及びセラミック粉末8などによって当該ケーシング4内に固定する主体金具40と、主体金具40の上部に延設され、上方から検出素子2の内部に大気を導入するための円筒状の外筒41とから構成されている。
【0023】
ここで、検出素子2の上端部の内壁及び外壁には、検出素子2から起電力を取り出すための端子金具20,21が取り付けられている。更に、これら端子金具20,21には、引き出し線22,23を介して、外筒41の上端部から突出された接続端子24,25が接続されている。又、ヒータ3の上端部にも、外筒41の上端部から突出された接続端子31が接続されている。尚、ヒータ3は、端子金具21によって検出素子2の内部に固定されると共に、この端子金具21から図中における左方向の押圧力を受け、検出素子2の軸方向の中央部付近から底部に至る部位の内周壁に接触するようにされている(以下、ヒータ3が接触している部位を「ヒータ接触部位」という。)。
【0024】
そして、外筒41の上端部には、検出素子2が発生する起電力を取り出すための信号線42,43、ヒータ3へ電力を供給するための電力線(図示せず)、信号線42,43と接続端子24,25とを連結する雌型端子44,45、電力線と接続端子31とを連結する雌型端子(図示せず)を備えた保護外筒46が加締めによって連結されており、検出素子2の起電力を外部に取り出すと共に、外部からヒータ3へ電力を供給するようにされている。
【0025】
ここで、図2,3を用いて、検出素子2について詳述する。尚、図2は、検出素子2の図1における左側面図である。そして、図3は、検出素子2の図1における右側面図である。
図2,3に示すように、検出素子2には、当該検出素子2の底部近傍から当該検出素子2の軸方向の中央付近に至る部位の外壁に測定電極26が形成されている。尚、測定電極26は、当該検出素子2の底部近傍では、当該検出素子2を外周方向に一周し、又、当該検出素子2の上部へ向かうに従って、当該検出素子2の外周方向における形成範囲が縮小するように成形されている。但し、検出素子2の上方では、測定電極26は、ヒータ接触部位側の外壁にのみ形成されている。そして、測定電極26の形成範囲が縮小される部位における測定電極26の外縁は、両側が共に直線的な連続性を有した形状に成形されている。
【0026】
又、検出素子2は、当該検出素子2の外周方向における幅が測定電極26の最上端部の幅と等しい長尺状のリード部27を測定電極26から当該検出素子2の上端部に至る部位に有している。そして、このリード部27によって、端子金具20を接続するために検出素子2の上端部に形成された端子接続部28と測定電極26とが電気的に接続されている。
【0027】
尚、これらリード部27、端子接続部28は、検出素子2の該当部分に白金ペーストを印刷により塗布したのち、焼成することで形成される。そして、測定電極26は、該当部分以外の部分をマスキングゴムで覆ったのちに、白金の無電解メッキ法により上記の形状に形成される。又、検出素子2の内壁には、上記白金からなる基準電極(図示せず)が無電解メッキ法によって、当該検出素子2の内壁の全面に形成されている。
【0028】
ここで、検出素子2の軸方向の中央から底部に至る部位L1の外壁の全面には、プラズマ溶射法によって、スピネルの粉末が塗着されており(図示せず)、測定電極26を排気ガスの熱から防護するようにされている。
以上のように構成された酸素センサ1では、検出素子2における排気ガスに最も曝され、高温となる底部や底部近傍において、測定電極26の形成範囲が大きく設定されているため、熱に対する高い耐久性を確保できる。しかも、排気ガスに曝され難く、温度が低くなる上部へ向かう程、測定電極26の形成範囲が小さく設定されているため、固体電解質が不活性な部位から受ける影響を十分に抑えることができる。
【0029】
そして、ヒータ3が検出素子2の内周壁に接触し、ヒータ接触部位の外壁に測定電極26が大きく形成されているため、良好な応答性能を発揮する。
[第2実施形態]
次に第2実施形態について説明する。
【0030】
本実施形態の酸素センサは、第1実施形態の酸素センサ1の検出素子2を図4,5に示す検出素子50に置き換えたものである。
従って、ここでは、検出素子50についてのみ詳述する。尚、図4は、検出素子50の外観を示す平面図であり、図5は、検出素子50の図4における背面側の平面図である。
【0031】
図4,5に示すように、検出素子50は、検出素子2と同じ形状を有した固体電解質からなり、当該検出素子50の底部近傍から当該検出素子50の軸方向の中央付近に至る部位の外壁には測定電極51が形成されている。尚、測定電極51は、当該検出素子50の底部近傍では、当該検出素子50を半周するように形成されており、当該検出素子50の上部へ向かうに従って、当該検出素子50の外周方向における形成範囲が縮小するように成形されている。但し、測定電極51の形成範囲が縮小される部位における測定電極51の外縁は、両側が共に階段状に成形されている。
【0032】
又、検出素子50は、当該検出素子50の外周方向における幅が測定電極51の最上端部の幅と等しいリード部52を測定電極51から当該検出素子50の上端部に至る部位に有している。そして、このリード部52によって、端子金具20を接続するために検出素子50の上端部に形成された端子接続部53と測定電極51とが電気的に接続されている。
【0033】
更に、検出素子50は、当該検出素子50の内壁の全面に基準電極(図示せず)が形成されている。又、上記検出素子2と同様、検出素子50の軸方向の中央から底部に至る部位L2の外壁の全面には、プラズマ溶射法によって、スピネルの粉末が塗着されている。
【0034】
そして、検出素子50は、測定電極51が形成された側の内周壁にヒータ3を接触させるようにして酸素センサに取り付けられる。
以上のように構成された本実施形態の酸素センサでは、検出素子50において、最も高温となる底部や底部近傍において、測定電極51の形成範囲が大きく設定され、又、温度が低くなる上部へ向かう程、測定電極51の形成範囲が小さく設定されているため、第1実施形態の酸素センサ1と同様の効果を得ることができる。
【0035】
ここで、上記効果を実証するために発明者が実証実験を行った。
この実証実験は、第1実施形態の酸素センサ1を実施例1、第2実施形態の酸素センサを実施例2、従来の検出素子(検出素子70,80)を備えた従来の酸素センサをそれぞれ比較例1,2として、応答性能と熱に対する耐久性能との比較を行ったものである。
【0036】
尚、この実証実験において、検出素子2,50,70,80の軸方向の中央から底部に至る部位L1〜L4の長さはいずれも23.0mmに設定されている。そして、L1〜L4の下部の径φ1〜φ4及びL1〜L4の上部の径φ5〜φ8は、それぞれ6.0mm及び5.0mmに設定されている。
【0037】
ここで、検出素子2,50,80の底部から測定電極26,51,81までの距離L5〜L7は、いずれも3.0mmに設定されている。又、測定電極26,51,81における形成範囲が最も大きい部分の検出素子2,50,80の軸方向の長さL8〜L10は、いずれも8.0mmに設定されている。そして、検出素子2,50,70,80の測定電極26,51,71,81の厚みはいずれも1.2μmに設定されている。
【0038】
又、検出素子2,50,70,80のリード部27,52,72,82の幅W1〜W4はいずれも1.5mmに設定され、その厚みは10μmに設定されている。尚、検出素子50において、測定電極51における形成範囲が最も大きな部分とリード部52と同じ幅となる部分との間に位置する部分の幅W5は4.0mmに設定されている。
【0039】
そして、上記L1〜L4の部位には、200μmの厚さでスピネルが塗布されている。
以下、発明者が行った実証実験の結果を図6〜図13に示す。
まず、図6〜図9は、上記4つの酸素センサを同一の内燃機関に順に取り付けて行うと共に、内燃機関の空燃比を0.5Hzの周期でリーンからリッチ、リッチからリーンへと交互に切り替え、その際に記録した各酸素センサの出力波形図である。尚、図6は、実施例1の酸素センサの出力波形図、図7は、実施例2の酸素センサの出力波形図、図8は、比較例1の酸素センサの出力波形図、図9は、比較例2の酸素センサの出力波形図である。
【0040】
ここで、図6〜図9では、酸素センサのヒータに電力を供給した直後から記録した酸素センサの出力がリッチとリーンとの境界となる閾値(450mV)を越える振幅を得られるまでの時間をT1とする。そして、酸素センサのヒータに電力を供給した直後から酸素センサの出力が最初に閾値を越え、内燃機関の空燃比の変化に追従して、再度、閾値に達し、更に閾値よりも大きく設定された規定値(550mV)に達するまでの時間をT2としている。ここでは、T1は、酸素センサの検出素子が活性化するまでの時間を示し、又、T2は、検出素子から安定した出力が得られるまでの時間を示している。
【0041】
図6〜図9に示すように、本発明に係る実施例1,2の酸素センサでは、T1がそれぞれ、7.6秒、7.5秒、T2がそれぞれ、8.4秒、8.3秒であった。これに対し、比較例1,2の酸素センサでは、T1がそれぞれ8.9秒、7.7秒、T2がそれぞれ9.7秒、8.7秒であった。
【0042】
この結果により、実施例1,2の酸素センサは、外壁の全面に測定電極が形成された検出素子70を備えた比較例1の酸素センサよりも短時間で活性化すると共に、速やかに安定した出力が得られることが確認できる。更に、良好な応答性能を発揮する検出素子80を備えた比較例2の酸素センサに対しても、活性化するまでの時間や安定した出力が得られるまでの時間に遜色がないことが確認できる。
【0043】
次に、図10〜図13は、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御信号の変化に対する上記各酸素センサの出力の変化を記録した波形図である。尚、図10は、実施例1の酸素センサ1の出力波形図、図11は、実施例2の酸素センサの出力波形図、図12は、比較例1の酸素センサの出力波形図、図13は、比較例2の酸素センサの出力波形図である。
【0044】
ここで、図10〜図13では、空燃比制御信号をリーンからリッチに切り替えてから、各酸素センサの出力が閾値を越えるまでの時間をTLS、空燃比制御信号をリッチからリーンに切り替えてから、各酸素センサの出力が閾値を下回るまでの時間をTRSとしている。
【0045】
図10〜図13に示すように、実施例1,2の酸素センサでは、TLSがそれぞれ0.36秒、0.33秒、TRSがそれぞれ0.39秒、0.38秒であった。これに対し、比較例1,2の酸素センサでは、TLSがそれぞれ0.38秒、0.34秒、TRSがそれぞれ0.41秒、0.37秒であった。
【0046】
この結果により、実施例1,2の酸素センサは、比較例1の酸素センサよりも排気ガス中の酸素濃度の変動に対する反応が早いことが確認できる。更に、比較例2の酸素センサに対しても、反応速度に遜色がないことが確認できる。
以上の結果から、実施例1,2の酸素センサは、良好な応答性能を発揮することが証明された。
【0047】
ここで、上記各酸素センサを850℃の排気ガス中に2000時間曝したのち、再度、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御信号の変化に対する上記各酸素センサの出力の変化を確認した。
その結果、比較例1の酸素センサの応答時間(TRS+TLS)は0.81秒となったのに対し、実施例1の酸素センサの応答時間は0.76秒、実施例2の酸素センサは0.72秒であった。そして、比較例2の酸素センサにおいては、1200時間経過時点で測定電極81の長尺状に成形された部位に断線を生じた。
【0048】
この結果から、実施例1,2の酸素センサはいずれも、高温の雰囲気に長時間曝されても測定電極に断線を生じたり、応答性能に大きな変化が生じることがなく、熱に対する高い耐久性能を有していることが証明された。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【0049】
例えば、上記実施形態では、測定電極26,51を検出素子2,50の底部の近傍から形成していたが、底部の先端から形成しても良い。又、検出素子2では、底部近傍において、測定電極26が当該検出素子2を外周方向に一周するように形成されていたが、ヒータ接触部位の外壁にのみ形成されていても良い。又、検出素子50においては、測定電極51が、当該検出素子50の底部近傍において当該測定電極50を外周方向に一周するように形成されていても良い。
【0050】
又、上記実施形態では、検出素子2において、測定電極26の形成範囲が縮小される部位の測定電極26の外縁が、直線的に成形されていたが、曲線的に成形されていても良い。
又、上記実施形態では、検出素子2,50において、測定電極26,51の形成範囲が縮小される部位の測定電極26,51の外縁は、両側が連続的に成形されていたり、階段状に成形されていたが、片側だけが連続的もしくは階段状に成形されていても良いし、一方が連続的に成形され、他方が階段状に成形されていても良い。
【0051】
又、上記実施形態では、基準電極を検出素子2,50の内壁の全面に形成したが、ヒータ接触部位にのみ形成しても良い。この場合、基準電極の形状を象った孔を有するマスキングゴムを検出素子2,50の内部に挿入し、孔内部にのみ白金を塗布すれば、所定の部位にのみ基準電極を形成できる。このように基準電極を形成すれば、酸素センサの応答速度をより高めることができる上、基準電極を形成するための白金の量を削減できるため、安価な酸素センサを実現できる。尚、この場合、検出素子2,50の内周方向における基準電極の形成範囲が縮小される形状に基準電極を成形すれば、熱に対する耐久性能を損なうことなく、酸素センサの応答性能を高めることができる。
【0052】
又、上記実施形態では、ヒータ3が検出素子2,50の内周壁に接触するように配置されていたが、検出素子2,50の内部の空間に浮かせて(検出素子2,50の内壁に非接触な状態で)配置したり、又、検出素子2,50の底部の内壁に接触するように配置しても良い。
【0053】
又、上記実施形態では、本発明をヒータを備えた酸素センサに適用したが、ヒータを具備せず、排気ガスの熱だけで検出素子を活性化する酸素センサに本発明を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の酸素センサ1の全体構成を示す断面図である。
【図2】検出素子2の図1における左側面図である。
【図3】検出素子2の図1における右側面図である。
【図4】第2実施形態の酸素センサに用いる検出素子50の外観を示す平面図である。
【図5】検出素子50の図4における背面側の平面図である。
【図6】実施例1の酸素センサのヒータに電力を供給した直後から記録した酸素センサ1の出力の波形図である。
【図7】実施例2の酸素センサのヒータに電力を供給した直後から記録した酸素センサの出力の波形図である。
【図8】比較例1の酸素センサのヒータに電力を供給した直後から記録した酸素センサの出力の波形図である。
【図9】比較例2の酸素センサのヒータに電力を供給した直後から記録した酸素センサの出力の波形図である。
【図10】空燃比制御信号の変化に対する実施例1の酸素センサの出力の変化を示す波形図である。
【図11】空燃比制御信号の変化に対する実施例2の酸素センサの出力の変化を示す波形図である。
【図12】空燃比制御信号の変化に対する比較例1の酸素センサの出力の変化を示す波形図である。
【図13】空燃比制御信号の変化に対する比較例2の酸素センサの出力の変化を示す波形図である。
【図14】従来の検出素子70の外観を示す平面図である。
【図15】従来の検出素子70の図14における背面側の平面図である。
【図16】従来の検出素子80の外観を示す平面図である。
【図17】従来の検出素子80の図16における背面側の平面図である。
【符号の説明】
1…酸素センサ、 2,50,70,80…検出素子、 3…ヒータ、 4…ケーシング、 5…プロテクタ、 6,7…セラミックホルダ、 8…セラミック粉末、 20,21…端子金具、 22,23…引き出し線、 24,25…接続端子、 26,51,71,81…測定電極、 27,52,72,82…リード部、 28,53,73,83…端子接続部、 31…接続端子、 40…主体金具、 41…外筒、 42,43…信号線、 44,45…雌型端子、46…保護外筒。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen sensor comprising a cylindrical solid electrolyte with one end closed, and a detection element formed by forming a reference electrode and a measurement electrode on the inner wall and outer wall of the solid electrolyte, respectively.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Various types of oxygen sensors that have been conventionally attached to engines such as automobiles and that detect oxygen concentration in exhaust gas have been developed. As one of them, an oxygen sensor having a detection element made of a cylindrical solid electrolyte (zirconia or the like) whose one end is closed has been developed.
[0003]
Here, FIG. 14 is a plan view showing an appearance of a conventional detection element. FIG. 15 is a plan view of the conventional detection element on the back side in FIG.
As shown in FIGS. 14 and 15, the
[0004]
The
[0005]
A heater (not shown) for heating the
[0006]
In the oxygen sensor configured as described above, when the
[0007]
Therefore, an engine control ECU or the like that controls the engine detects the oxygen concentration in the exhaust gas based on the electromotive force.
In the oxygen sensor as described above, as it goes from the bottom to the top of the
[0008]
Therefore, in recent years, as shown in FIGS. 16 and 17, an oxygen sensor having a
[0009]
In the oxygen sensor configured as described above, oxygen ions travel between the electrodes only through the site where the solid electrolyte of the
[0010]
Here, spinel (MgAl) is formed on the entire outer wall of the portions L3 and L4 from the vicinity of the center in the axial direction to the bottom of the
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the reference electrode and the measurement electrode are gradually consumed because platinum and the like constituting them are sublimated by the heat of the exhaust gas and the heat of the heater. In particular, since the measurement electrode is directly exposed to the exhaust gas, the degree of wear is greater than that of the reference electrode. In the
[0012]
Further, platinum constituting the electrode is liquefied before sublimation and aggregates due to surface tension. For this reason, if agglomeration occurs at a long part, the
That is, in the
[0013]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an oxygen sensor including a detection element that achieves both good response performance and high durability against heat in order to solve the above problems.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The oxygen sensor according to
[0015]
In the oxygen sensor thus configured, the detection elementIn the heater contact part, which is the part in contact with the heaterSince the formation range of the electrode is large, high durability against heat can be ensured. Moreover,Heater contact areaSince the electrode formation range decreases as the distance from the surface increases, the influence of the solid electrolyte from the inactive portion can be sufficiently suppressed.
[0016]
Therefore, if the ratio of reducing the electrode formation range according to the temperature of each part in the heated detection element is appropriately set, it has a good response performance without degrading the durability against heat. it can.
That is, according to the present invention, it is possible to obtain an oxygen sensor including a detection element that achieves both good response performance and high durability against heat.
Further, the detection element can be heated to a higher temperature by the heater. That is, since the detection element can be more activated, the response performance of the oxygen sensor can be further improved.
[0017]
In addition, said "the saidFrom the heater contact area toward the upper end of the detection element“Reduced as the distance increases” means that the formation range of the reference electrode and the measurement electrode in a part of the section along the axial direction of the detection element may be uniform.
Here, the outer edge of the electrode in the region where the formation range of the electrode is reduced may be formed into a continuous shape as described in
[0019]
The heater is, ContractClaim4As described, the detection elementFrom the center to the bottomIt is desirable to be in contact with the inner peripheral wall.
If the heater is arranged in this way, the contact area of the heater with the detection element increases, and the area that can be heated to a high temperature can be increased. That is, in the detection element, since the area of the portion where the active state of the solid electrolyte is good increases, the response performance of the oxygen sensor can be further improved.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, FIG. 1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of an oxygen sensor to which the present invention is applied.
[0021]
As shown in FIG. 1, the
[0022]
The
[0023]
Here,
[0024]
At the upper end of the outer cylinder 41,
[0025]
Here, the
As shown in FIGS. 2 and 3, in the
[0026]
Further, the
[0027]
The
[0028]
Here, the entire outer wall of the portion L1 extending from the center in the axial direction to the bottom of the
In the
[0029]
Since the
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described.
[0030]
The oxygen sensor of this embodiment is obtained by replacing the
Accordingly, only the
[0031]
As shown in FIGS. 4 and 5, the
[0032]
Further, the
[0033]
Further, the
[0034]
The
In the oxygen sensor of the present embodiment configured as described above, in the
[0035]
Here, the inventor conducted a verification experiment in order to verify the above effect.
In this demonstration experiment, the
[0036]
In this demonstration experiment, the lengths of the portions L1 to L4 from the center in the axial direction to the bottom of the
[0037]
Here, the distances L5 to L7 from the bottom of the
[0038]
The widths W1 to W4 of the
[0039]
And the spinel is apply | coated to the site | part of said L1-L4 with the thickness of 200 micrometers.
Hereinafter, the results of the demonstration experiment conducted by the inventors are shown in FIGS.
First, in FIGS. 6 to 9, the above four oxygen sensors are attached to the same internal combustion engine in order, and the air-fuel ratio of the internal combustion engine is alternately switched from lean to rich and from rich to lean at a cycle of 0.5 Hz. It is an output waveform diagram of each oxygen sensor recorded at that time. 6 is an output waveform diagram of the oxygen sensor of Example 1, FIG. 7 is an output waveform diagram of the oxygen sensor of Example 2, FIG. 8 is an output waveform diagram of the oxygen sensor of Comparative Example 1, and FIG. FIG. 10 is an output waveform diagram of the oxygen sensor of Comparative Example 2.
[0040]
Here, in FIGS. 6 to 9, the time until the amplitude of the recorded oxygen sensor output exceeding the threshold (450 mV) that is the boundary between rich and lean immediately after supplying power to the heater of the oxygen sensor is obtained. Let T1. Immediately after supplying electric power to the heater of the oxygen sensor, the output of the oxygen sensor first exceeded the threshold, followed the change in the air-fuel ratio of the internal combustion engine, reached the threshold again, and was set larger than the threshold. The time to reach the specified value (550 mV) is T2. Here, T1 indicates the time until the detection element of the oxygen sensor is activated, and T2 indicates the time until a stable output is obtained from the detection element.
[0041]
As shown in FIGS. 6 to 9, in the oxygen sensors of Examples 1 and 2 according to the present invention, T1 is 7.6 seconds, 7.5 seconds, and T2 is 8.4 seconds, 8.3, respectively. Second. On the other hand, in the oxygen sensors of Comparative Examples 1 and 2, T1 was 8.9 seconds and 7.7 seconds, and T2 was 9.7 seconds and 8.7 seconds, respectively.
[0042]
As a result, the oxygen sensors of Examples 1 and 2 were activated in a shorter time than the oxygen sensor of Comparative Example 1 having the
[0043]
Next, FIGS. 10 to 13 are waveform diagrams that record changes in the outputs of the oxygen sensors with respect to changes in the air-fuel ratio control signal for controlling the air-fuel ratio of the internal combustion engine. 10 is an output waveform diagram of the
[0044]
In FIGS. 10 to 13, the time from when the air-fuel ratio control signal is switched from lean to rich until the output of each oxygen sensor exceeds the threshold is TLS, and after the air-fuel ratio control signal is switched from rich to lean. The time until the output of each oxygen sensor falls below the threshold is TRS.
[0045]
As shown in FIGS. 10 to 13, in the oxygen sensors of Examples 1 and 2, TLS was 0.36 seconds and 0.33 seconds, and TRS was 0.39 seconds and 0.38 seconds, respectively. On the other hand, in the oxygen sensors of Comparative Examples 1 and 2, TLS was 0.38 seconds and 0.34 seconds, and TRS was 0.41 seconds and 0.37 seconds, respectively.
[0046]
From this result, it can be confirmed that the oxygen sensors of Examples 1 and 2 are more responsive to fluctuations in oxygen concentration in the exhaust gas than the oxygen sensor of Comparative Example 1. Furthermore, it can be confirmed that the reaction rate is comparable to the oxygen sensor of Comparative Example 2.
From the above results, it was proved that the oxygen sensors of Examples 1 and 2 exhibited good response performance.
[0047]
Here, after each oxygen sensor was exposed to exhaust gas at 850 ° C. for 2000 hours, the change in the output of each oxygen sensor with respect to the change in the air-fuel ratio control signal for controlling the air-fuel ratio of the internal combustion engine was confirmed again.
As a result, the response time (TRS + TLS) of the oxygen sensor of Comparative Example 1 was 0.81 seconds, whereas the response time of the oxygen sensor of Example 1 was 0.76 seconds, and the oxygen sensor of Example 2 was 0. 72 seconds. And in the oxygen sensor of the comparative example 2, the disconnection occurred in the site | part shape | molded by the elongate shape of the
[0048]
From these results, the oxygen sensors of Examples 1 and 2 both have high durability against heat without causing disconnection in the measurement electrode or large change in response performance even when exposed to a high temperature atmosphere for a long time. Proved to have
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various forms can be taken as long as they belong to the technical scope of the present invention. .
[0049]
For example, in the above embodiment, the
[0050]
Further, in the above embodiment, the outer edge of the
In the above-described embodiment, the outer edges of the
[0051]
In the above embodiment, the reference electrode is formed on the entire inner wall of the
[0052]
Further, in the above embodiment, the
[0053]
In the above embodiment, the present invention is applied to an oxygen sensor provided with a heater. However, the present invention may be applied to an oxygen sensor that does not include a heater and activates a detection element only by the heat of exhaust gas. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration of an
FIG. 2 is a left side view of the
3 is a right side view of the
FIG. 4 is a plan view showing an appearance of a
5 is a plan view of the back surface side of the
6 is a waveform diagram of the output of the
7 is a waveform diagram of the output of the oxygen sensor recorded immediately after supplying power to the heater of the oxygen sensor of Example 2. FIG.
8 is a waveform diagram of the output of the oxygen sensor recorded immediately after supplying power to the heater of the oxygen sensor of Comparative Example 1. FIG.
9 is a waveform diagram of the output of the oxygen sensor recorded immediately after supplying power to the heater of the oxygen sensor of Comparative Example 2. FIG.
FIG. 10 is a waveform diagram showing changes in the output of the oxygen sensor of the first embodiment with respect to changes in the air-fuel ratio control signal.
FIG. 11 is a waveform diagram showing changes in the output of the oxygen sensor of Example 2 with respect to changes in the air-fuel ratio control signal.
FIG. 12 is a waveform diagram showing changes in the output of the oxygen sensor of Comparative Example 1 with respect to changes in the air-fuel ratio control signal.
FIG. 13 is a waveform diagram showing changes in the output of the oxygen sensor of Comparative Example 2 with respect to changes in the air-fuel ratio control signal.
14 is a plan view showing the appearance of a
15 is a plan view of the back side in FIG. 14 of a
16 is a plan view showing the appearance of a
17 is a plan view of the back side in FIG. 16 of a
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記検出素子の内部には、前記検出素子を加熱するヒータが配置され、
前記検出素子は、前記検出素子の底部の内壁もしくは前記検出素子の中央部から前記底部に至る内周壁に、前記ヒータが接触するヒータ接触部位を有し、
前記検出素子の内周方向における前記基準電極の形成範囲、及び前記検出素子の外周方向における前記測定電極の形成範囲のうち、少なくとも該測定電極の形成範囲は、前記ヒータ接触部位にて最も大きく、該ヒータ接触部位から前記検出素子の上端部に向かって離れるに従って縮小されていることを特徴とする酸素センサ。Consists tubular solid electrolyte having a bottom closed at one end, respectively on the inner wall and the outer wall of the solid electrolyte, comprising a detection element obtained by forming the reference electrode and the measuring electrode, an end side of the detection element to be An oxygen sensor that is exposed to a measurement gas and detects an oxygen concentration in the measurement gas,
A heater for heating the detection element is disposed inside the detection element,
The detection element has a heater contact portion with which the heater contacts the inner wall of the bottom of the detection element or the inner peripheral wall from the center of the detection element to the bottom,
Of the formation range of the reference electrode in the inner circumferential direction of the detection element and the formation range of the measurement electrode in the outer circumferential direction of the detection element, at least the formation range of the measurement electrode is the largest at the heater contact site , The oxygen sensor is reduced as it moves away from the heater contact portion toward the upper end of the detection element .
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