JP4878371B2 - センサエレメント - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念として記載したセンサエレメントに関する。

従来技術
ガスコンポーネントの検出するため及び／又は測定ガス混合物におけるガス濃度の決定のためにガスセンサを使用し、該ガスセンサが測定ガスとガス導通結合された測定室における酸素含有量に関連して測定信号を生ぜしめることは公知である。

このようなセンサの一種はいわゆるラムダセンサである。これは２つの電極を導イオン的に結合するセラミック式の固体電解質をベースとした限界電流式センサである。測定室は有利には測定室内への測定ガスの流入を鎮静化するかもしくは制限もする拡散バリヤを備えている。

測定室における酸素含有量を調節するためには両方の電極は適当な回路を用いてポンプ電圧で負荷される。測定室内に配置されたポンプ電極と測定室の外側に配置された対向ポンプ電極との間の酸素イオン流の尺度はその際測定可能な、両電極の間を流れる電流である。測定室における酸素不足もしくは酸素過剰（これは石油排ガスにおいては、それぞれ石油リッチもしくは石油リーン（欠乏）の混合物を意味する。）、に応じて、前記回路によって適当な電圧が両方の電極にかけられる。この電圧は両電極の間に、固体電解質を流れる酸素イオン流を電界力が生ぜしめる電界を形成する。

拡散バリヤを介して測定室内へ流れる測定ガスによって惹起される、測定室内でコンスタントに調節された酸素濃度の変化は、いわゆる測定セルで確認することができる。この測定セルは有利には同様に固体電解質と測定室内に配置された測定電極と、基準ガス、有利には空気に晒された基準電極とから成っている。測定電極と基準電極との間で発生する電圧は、測定室内のガス混合物と基準ガスとの間の酸素濃度の差である。基準ガス中に含まれる公知の酸素濃度の場合、つまり、空気のように酸素濃度（体積百分率）が約２１％である場合には、濃度補償に際して測定室における絶対的な酸素濃度も公知である。

このようなガスセンサは、しばしばゾンデとも呼ばれ、燃焼プロセスを調整するために使用される。ガスセンサは燃焼プロセスで発生する排ガスを評価するために用いられ、これにより適当な別の処置ですでに、例えば燃焼機関の場合に大幅な有害成分の減少が達成される。しかしながら有害成分のエミッションの意義が増大していることに基づき、可動な燃焼プロセスでも不動な燃焼プロセスでもより良い効果を得ることが望まれている。

本発明の課題と利点
本発明の課題は冒頭に述べた形式のセンサを改良することである。

この課題は請求項１の特徴によって解決された。従属請求項には有利な、合目的的な構成が開示されている。

本発明は、測定ガス混合物におけるガスコンポーネント、特に燃焼装置の排ガスにおけるガスコンポーネントを決定するためのセンサエレメントであって、測定ガス混合物とガス導通結合された測定室（７）と、該測定室（７）内の酸素含有量を調節するために、前記測定室（７）内に配置されたポンプ電極（４）と、該ポンプ電極（４）に対向して位置する対向ポンプ電極（５）と、これらのポンプ電極（４）および（５）の間で酸素イオンが導かれるように接続された固体電解質（３）とを有している形式のセンサエレメント（１）において、前記対向ポンプ電極（５）が基準ガス室（８）内に配置され、前記センサエレメント（１）の幅をｂ、前記基準ガス室（８）の、対向ポンプ電極（５）が位置する側の領域である測定セル領域（１９）の幅をｓ、前記基準ガス室（８）の、前記測定セル領域（１９）とは反対側の領域である供給領域（１７）の幅をｒ、そして、前記対向ポンプ電極（５）の幅をｔとするとき、ｂ＞ｒ＞ｓ及びｔ≧ｓ並びにｓ≦ｂ／４の関係式を満足することを特徴としている。

対向ポンプ電極を基準ガス室内に配置することによって、特に測定ガスの空燃比が、理論空燃比を意味するラムダ＝１の位置を通過するように変化したとしても、ゾンデ（センサ）の高い信号安定性が達成されるという認識に基づいている。これまで公知技術によって知られている、測定信号として役立つポンプ電流のいわゆるラムダ＝１の位置を通過する際に生じる信号の変化は、センサエレメントを前述の如く構成することによって強く減じられる。この理由は、測定ガスにおける高ガス濃度と低ガス濃度（稀薄）との間でのガス交換が、測定室の酸素供給のために基準ガス室に配置された対向ポンプ電極の酸素イオン受容に影響を持たないことにある。すなわち、特に測定ガスの空燃比が、ラムダ＝１の位置を通過するように大きく変化するときに生じる酸化及び還元過程は、測定ガスと、対向ポンプ電極が位置する基準ガス室内の基準ガスとの間のガス密な分離によって、対向ポンプ電極の表面にてポンピング過程のために用いられる自由な酸素イオンに、測定信号に影響を及ぼす量変化が生ぜしめられることはない。

基準ガス室が周辺空気とガスを導くように接続されていることによって、センサエレメントの全寿命に亙って測定信号の安定化が保証されるだけではなく、きわめて石油リッチの、つまり低酸素ガス濃度の測定ガス混合物に向かって拡大されたセンサエレメントの使用領域が提供される。

周辺空気と接続された基準ガス室が、測定ガス室におけるポンプ電極へのＯ^2-の搬送を生ぜしめるために対向ポンプ電極における限界電流が十分に大きくなるように寸法設定されている条件のもとでは、極端に石油リッチの排ガスにおいても固体電解質の分解によってセンサエレメントの損傷が発生せず、ひいては反応（ＺｒＯ₂＋４ｅ^-−＞Ｚｒ＋２Ｏ^2-）による明確な褐色化が発生しないことが保証される。周辺空気と接続されている対向ポンプ電極は、基準ガス室の適宜の寸法設定で、きわめて石油リッチの排ガス混合物の測定の場合にも十分なＯ^2-が、測定室内のポンプ電極に接触する石油リッチガスを完全に酸化するために提供される。この結果、本発明の配置はきわめて石油リッチのガス混合物においても確実にかつより長い時間帯に亙ってλ値を決定することができる。

このようなセンサエレメントの製造費用を減少させるためもしくは製造労力を低減させるためには、適当に変更された実施形態においては、ポンプ電極を第１の測定電極と一緒にかつ／又は対向ポンプ電極を第２の測定電極と一緒に構成することができる。測定室におけるポンプ電極が第１の電極と一緒に構成され、基準ガス室において対向ポンプ電極が第２の測定電極（基準電極とも呼ばれる）と一緒に構成されていると、電極の数は適当な材料選択で２つに低減させることすらできる。この場合、センサエレメントの接続は使用される電極の数に相応して実施形態に応じて適合させられる必要がある。

別の有利な実施形態に応じて対向ポンプ電極は加熱エレメントの近くに配置され、対向ポンプ電極が迅速に運転温度にもたらされ、支障ない使用準備状態が対向ポンプ電極に与えられる。この場合には加熱エレメントと測定セルとの間に支障のない熱伝達を与えることができると特に有利である。このためには第１の実施形態では加熱エレメントと対向ポンプ電極との間に構成された基準ガス室の部分が、石油リッチの混合物のためにも十分な酸素供給を考慮したもとでできるだけ小さく構成されていることができる。このためには大きな容積で構成された基準ガス室の端部における先細部が対向ポンプ電極が配置されている領域に提供される。

測定信号の別のポジティブな影響は測定室に測定ガス混合物の方向で前置された拡散バリヤによって可能である。この拡散バリヤは、その有効な横断面に亙って見て、ほぼ同じ大きさの拡散抵抗をポンプ電極の、拡散バリヤに向いた表面の前に形成する。これによってポンプ電極の全有効横断面に亙ってポンプ電極の均等な老化が達成される。これはポンプ電極の有効な横断面で見て、すべての部分がほぼ等しく、測定室におけるガスの酸素含有量を一定に保つために酸素イオンの形成もしくは減少に係わることに起因する。

実施例
以下、図面と図面に関する説明とに基づき本発明を詳細に説明する。

図１から３までには異なる断面図でセンサエレメントが概略に示されている。

図１は本発明のセンサエレメントの縦断面図である。センサエレメント１は細長い形態を有しており、有利にはイットリウム安定化二酸化ジルコニウム（ジルコニア）をベースとして構成されている。この二酸化ジルコニウム（ジルコニア）は固体電解質３の機能の他に保持体エレメント２の機能を有している。固体電解質３はポンプ電極４と対向ポンプ電極５と共に酸素イオンのトランスファのために適したポンプセル６を構成する。

ポンプ電極４は測定室７内に配置され、測定室７内に一定の酸素濃度を準備するために固体電解質３を介して酸素イオンを導くように、本発明に従って基準ガス室８内に配置された対向ポンプ電極５と接続されている。基準ガス、この場合には周辺空気における対向ポンプ電極５の配置は特に測定ガス混合物の空燃比が、理論空燃比を意味するラムダ＝１の位置を通過するように変化したとしてもゾンデの良好な信号安定をもたらす。対向ポンプ電極を測定ガス内に配置することに帰因する測定信号に対するネガティブな作用、つまり、従来公知の配置でλ＝１による排ガス組成の通過に際して酸素信号の非単調性として認められる作用は前記センサエレメント構造によって排除することができる。

本発明のセンサエレメントの別の利点は基準ガス室８の適当な寸法設定で本発明によるセンサエレメントの使用領域が著しく広いことである。例えばこのようなセンサエレメントを排ガストレーンに配置した場合に対向ポンプ電極は排ガスがきわめて石油リッチガスである場合にも確実な信号を保証するためにＯ₂＋２ｅ^-−＞２Ｏ^2-に従ってＯ₂から十分なＯ^2-をポンプ電極に供給する。このためには勿論、基準ガス室（基準空気通路）の正しい寸法設定が重要である。つまり対向ポンプ電極における限界電流は、ポンプ電極へのＯ^2-の搬送を保証するために十分に大きいことが必要である。測定しようとするガス混合物中に含有する石油ガスがリッチなほど、多くのＯ₂が追加搬送されなければならないために、基準空気通路の限界電流は大きく選択されなければならない。

これに対し対向ポンプ電極が排ガス内にあると、石油リッチな排ガスにおいてはＯ^2-は単にＣＯ₂（ＣＯ₂＋２ｅ^-−＞ＣＯ＋Ｏ^2-）から又はＨ₂Ｏ（Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-−＞Ｈ₂＋Ｏ^2-）からしか獲得されない。この反応のためには著しく高いポンプ電圧が必要であると想われる。このような反応後にもはや十分なＯ^2-が形成されないと（この危険は特に多くのＯ^2-が必要とされるので、きわめて石油リッチな混合物の場合に発生する。）、ＺｒＯ₂−セラミック（ＺｒＯ₂＋４ｅ^-−＞Ｚｒ＋２Ｏ^2-）が分解し、ひいてはセンサエレメントの損傷（褐色化）が生じるおそれがある。しかし、センサエレメントのこのような損傷は本発明による構成によって防止することができる。

図１のセンサエレメントはさらに、基準電極１１と測定電極１２とを有している。この基準電極１１と測定電極１２とを介して適宜の回路と共に、測定室７における酸素濃度が検出される。次いでこのように検出された酸素濃度値に関連して、対向ポンプ電極５とポンプ電極４とがポンプ電圧で負荷される。このポンプ電圧は測定室における濃度差を補償する、固体電解質を通る酸素イオン流を惹き起す。

この実施形態ではポンプ電極４と測定電極１２とは一緒に構成されている。この場合には対向ポンプ電極５と基準電極１１とは別個に構成されている。しかし変化実施例では対向ポンプ電極５と基準電極１１とは節約的な理由から同様に一緒に構成されていることもできる。択一的に基準電極は図１とは異なって別の基準ガス室にて稼動されることもできる。この場合には基準電極もポンピングされた基準電極として稼動させることができる。センサエレメントを、特に対向ポンプ電極５をできるだけ迅速に運転温度にもたらすためには基準ガス室８の下側で加熱エレメント１３がセンサエレメント１に配置されている。特に燃焼機関の排ガス設備に発生する強い流れ変動がセンサエレメントの測定エレメントの測定信号に作用することを減退させるためには、センサエレメント１は図１に相応して拡散バリヤ１４を有している。この拡散バリヤ１４は、その有効な横断面で見て、ほぼ同じ大きさの拡散抵抗をポンプ電極４の、拡散バリヤ１４に向いた表面の前に構成するように構成されている。象徴的に図１においては測定ガス混合物は矢印１５で示されている。測定室７においてガス濃度のより迅速な均等な分配を行なうためには、この実施形態では拡散バリヤ１４とポンプ電極４との間にさらにガス室１６が構成されている。

このセンサエレメントの別の構成は図２に図１のＩＩ−ＩＩ線の横断面図で示されている。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったセンサエレメントの断面図である。この実施形態では基準ガス通路である基準空気通路８は幅の広い供給領域１７を有し、この供給領域１７には測定セル領域１９における先細部１８が接続され、測定セルに対する加熱エレメントのできるだけ良好な熱伝導が保証されている。

センサエレメント１の測定セルの対向ポンプ電極への酸素の十分な供給を保証するためには以下の関係が提案されている：
ｂ＞ｒ＞ｓ及びｔ≧ｓ並びにｓ≦ｂ／４
基準空気通路の必要な限界電流にて空気を評価するためには以下の評価が役立つ：基準空気通路は Ｉ_RK（空気）≧｜Ｉ_P（石油リッチな排ガス）｜ が当て嵌まるように寸法設定されなければならない。

Ｉ_RK（空気）： カソード的に運転される対向ポンプ電極の限界電流の空気。
｜Ｉ_P 石油リッチな排ガス ｜：石油リッチな排ガスにおけるポンプ電極におけるポンプ流の値。λが小さければ小さいほど ｜Ｉ_P 石油リッチな排ガス ｜ は大きい。

Ｉ_rel＝｜Ｉ_P（石油リッチな排ガス）｜／Ｉ_P（空気）
Ｉ_P（空気）：カソード的に運転されたポンプ電極のための限界電流の空気。

この結果、 Ｉ_RK（空気）≧Ｉ_rel ^*Ｉ_P（空気） となる。

以下の表ではＩ_relはλ＝０．４まで決定されている（仮定：燃料におけるＣ：Ｈ−比１：２；これは理想的な石油リッチな排ガスである。つまり、石油リッチな排ガスはＣＯ、Ｈ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ及びＮ₂だけから成っている）。

Ｉ_relは２つの異なる石油リッチ排ガスのために算出されている：Ｋ_P（水平衡のための平衡定数）＝３．５は典型的な自動車排ガスに相当し、Ｋ_P＝２は高Ｈ₂ を含有する石油リッチ排ガスに相当している。

本発明によるセンサエレメントの長手方向断面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。

１ センサエレメント、 ２ 保持体エレメント、 ３ 固体電解質、 ４ ポンプ電極、 ５ 対向ポンプ電極、 ６ ポンプセル、 ７ 測定室、 ８ 基準ガス室（または基準空気通路）、 １１ 基準電極、 １２ 測定電極、 １３ 加熱エレメント、 １４ 拡散バリヤ、 １５ 矢印、 １６ ガス室、 １７ 供給領域、 １８ 先細部、 １９ 測定セル領域

Claims (9)

1. 測定ガス混合物におけるガスコンポーネントを決定するためのセンサエレメントであって、測定ガス混合物とガス導通結合された測定室（７）と、該測定室（７）内の酸素含有量を調節するために、前記測定室（７）内に配置されたポンプ電極（４）と、該ポンプ電極（４）に対向して位置する対向ポンプ電極（５）と、これらのポンプ電極（４）および（５）の間で酸素イオンが導かれるように接続された固体電解質（３）とを有している形式のセンサエレメント（１）において、
   前記対向ポンプ電極（５）が基準ガス室（８）内に配置され、
   前記センサエレメント（１）の幅をｂ、前記基準ガス室（８）の、対向ポンプ電極（５）が位置する側の領域である測定セル領域（１９）の幅をｓ、前記基準ガス室（８）の、前記測定セル領域（１９）とは反対側の領域である供給領域（１７）の幅をｒ、そして、前記対向ポンプ電極（５）の幅をｔとするとき、ｂ＞ｒ＞ｓ及びｔ≧ｓ並びにｓ≦ｂ／４の関係式を満足することを特徴とする、センサエレメント。
2. 前記基準ガス室（８）がガスを導くように周辺空気と接続されている、請求項１記載のセンサエレメント。
3. 前記測定室（７）における前記ポンプ電極（４）への前記固体電解質（３）を通るＯ^2-の搬送を保証するために、前記関係式を満足するように前記基準ガス室（８）を寸法設定して、前記対向ポンプ電極（５）における限界電流を大きくする、請求項１又は２記載のセンサエレメント。
4. 前記ポンプ電極（４）が測定電極（１２）も兼ねて一つの電極として構成されている、請求項１、２又は３記載のセンサエレメント。
5. 前記対向ポンプ電極（５）が基準電極（１１）も兼ねて一つの電極として構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
6. 基準電極（１１）が、前記基準ガス室（８）とは別個の基準ガス室内にあって、そこでポンピングされた基準電極として稼動させることができる、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
7. 前記センサエレメント（１）が、前記対向ポンプ電極（５）の近くに位置する加熱エレメント（１３）を有し、該加熱エレメント（１３）によって、前記対向ポンプ電極（５）を稼動温度まで加熱する、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
8. 前記測定室（７）に、測定領域に向かって拡散バリヤ（１４）が前接続されて配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
9. 前記拡散バリヤ（１４）は、その有効な横断面で見て、前記ポンプ電極（４）の、前記拡散バリヤ（１４）に面した表面にて、測定ガス混合物の拡散抵抗がほぼ同じ大きさになるように構成されている、請求項８記載のセンサエレメント。

Images