JP6561719B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
ポンプセルを構成する電極及びセンサセルを構成する電極は、適切な温度範囲内に制御する必要がある。具体的には、ポンプセルを構成する電極は、酸素を分解する一方、特定ガス成分を分解しない温度範囲に制御し、センサセルを構成する電極は、特定ガス成分を分解する一方、水を分解しない温度範囲に制御している。
また、ガスセンサにおいては、ポンプセルのインピーダンスが温度によって変化することを利用して、センサ素子の温度の制御を行っている。具体的には、ポンプセルのインピーダンスに応じてポンプ電極の温度を制御することによって、センサセルの温度も間接的に制御している。そのため、被測定ガスが、センサ電極が設けられた部位の周辺に衝突しやすい状態が形成されていると、センサ電極の温度に変動が生じやすくなる。
該ハウジングの内周側に保持された碍子と、
該碍子に挿通された、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体を有し、長手方向の先端部が上記碍子の先端面から突出するセンサ素子と、
該センサ素子の上記先端部を覆うよう上記ハウジングの先端側に取り付けられ、被測定ガスを上記センサ素子の上記先端部に導くためのカバー導入孔が形成された保護カバーと、を備えるガスセンサにおいて、
上記固体電解質体の上記長手方向の先端部には、被測定ガスに晒されて被測定ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプ電極と、被測定ガスに晒されて上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するためのセンサ電極とが設けられており、
該センサ電極の全体は、上記保護カバーの外周部に形成されたすべての上記カバー導入孔よりも上記長手方向の基端側に位置しており、
上記センサ電極の上記長手方向の基端位置は、上記ハウジングの先端面よりも基端側に位置していることを特徴とするガスセンサにある。
具体的には、センサ素子におけるセンサ電極の長手方向の基端位置を、ハウジングの先端面よりも基端側に位置させている。そして、センサ端子にセンサ電極が設けられた部位の少なくとも一部は、ハウジング内に入っている。
本形態のガスセンサ1は、図1に示すように、ハウジング11A,11B、碍子12、センサ素子10及び保護カバー13A,13Bを備えている。ハウジング11A,11Bは、金属から構成されている。碍子12は、絶縁性を有するセラミックスによって構成されており、ハウジング11Aの内周側に保持されている。センサ素子10は、碍子12に挿通されており、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体2を有している。センサ素子10の長手方向Lの先端部100は、碍子12の先端面121から突出している。保護カバー13A,13Bは、金属から構成されており、センサ素子10の先端部100を覆うようハウジング11Aの先端側に取り付けられている。保護カバー13A,13Bには、被測定ガスGをセンサ素子10の先端部100に導くためのカバー導入孔131,132が形成されている。
ガスセンサ1は、内燃機関の排気管を通過する排気ガスを被測定ガスGとして、この被測定ガスG中の特定ガス成分としてのNOxの濃度を検出するために用いる。
図2に示すように、センサ素子10は、固体電解質体2に対して、被測定ガス空間101を形成するための絶縁体31、及び固体電解質体2を加熱するためのヒータ5を積層して形成されている。固体電解質体2の一方の表面201には、スペーサ33を介して絶縁体31が積層されている。センサ素子10においては、固体電解質体2の一方の表面201、絶縁体31及びスペーサ33によって囲まれて、被測定ガスGが導入される被測定ガス空間101が形成されている。
センサ素子10の固体電解質体2において、ポンプ電極21は、導入口331に近い先端側の位置に設けられており、センサ電極23及びモニタ電極22は、ポンプ電極21の基端側に隣接して、ポンプ電極21から互いに等しい位置に設けられている。
基準電極25は、ポンプ電極21、モニタ電極22及びセンサ電極23の3つの電極を投影する位置の全体に設けられている。基準電極25は、ポンプ電極21、モニタ電極22及びセンサ電極23に対して別々に設けることもできる。
ガスセンサ1においては、センサセル43における酸素イオン電流値からモニタセル42における酸素イオン電流値が差し引かれて、被測定ガスG中のNOx濃度が検出される。
なお、保護カバー13A,13Bは、一重構造を有するものとすることもできる。
ポンプ電極21は、酸素を分解する一方、NOxを分解しないために、830〜920℃の範囲内の温度に加熱される。また、センサ電極23は、NOxを分解する一方、水を分解しないために、650〜740℃の範囲内の温度に加熱される。
ガスセンサ1によって被測定ガスG中のNOx濃度を検出する際には、被測定ガスGは、カバー導入孔131,132から保護カバー13A,13B内に導入され、センサ素子10の先端部100に接触する。そして、被測定ガスGは、センサ素子10の先端103に形成された導入口331から被測定ガス空間101内に導入される。
また、ガスセンサ1においては、図6に示すように、センサ素子10の先端(先端位置)103が、第1ハウジング11Aの先端面111よりも基端側に位置していてもよい。この場合には、センサ素子10の全体が碍子12の先端面121と第1ハウジング11Aの内周面112とによる凹部14内に配置される。この場合には、センサ電極23及びモニタ電極22の温度がさらに一層変動しにくくすることができる。
本確認試験においては、センサ電極23の長手方向Lの位置と、センサ電極23に生じる温度の変動との関係を確認した。この温度の変動は、図1に示した保護カバー13A、13Bを用いる場合(試験品1)と、図7に示した保護カバー13A,13Bを用いる場合(試験品2)とについて、シミュレーションを行って求めた。
このシミュレーションは、ガスセンサ1が配置された排気管における被測定ガスGの流れ方向、すなわちガスセンサ1に対してセンサ素子10の長手方向Lに直交する方向から被測定ガスGが20m/sの流速で流れる場合を想定した。そして、被測定ガスGが保護カバー13A,13B内に流れるときに、センサ素子10の先端部100に接触する被測定ガスGの流速と、センサ電極23に生じる温度の変動とを求めた。また、流速及び温度の変動は、センサ電極23の長手方向Lの位置を適宜変更して求めた。
センサ電極23の長手方向Lの位置が示す値は図8の場合と同様である。同図に示すように、試験品1,2のいずれにおいても、センサ電極23の長手方向Lの基端位置231がハウジング11Aの先端面111よりも基端側に位置する場合(負の値の場合)には、センサ電極23に生じる温度の変動が小さく抑えられることが分かる。また、センサ電極23の長手方向Lの基端位置231がハウジング11Aの先端面111よりも基端側へ離れるほど、センサ電極23に生じる温度の変動は小さくなる。
本確認試験の結果より、センサ電極23の長手方向Lの位置は、ハウジング11Aの先端面111よりも基端側に位置するほど、センサ電極23に生じる温度の変動が小さくなることが分かった。
10 センサ素子
11A,11B ハウジング
12 碍子
13A,13B 保護カバー
131,132 カバー導入孔
2 固体電解質体
21 ポンプ電極
22 モニタ電極
23 センサ電極
231 基端位置
Claims (6)
- ハウジング(11A,11B)と、
該ハウジング(11A,11B)の内周側に保持された碍子(12)と、
該碍子(12)に挿通された、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(2)を有し、長手方向(L)の先端部(100)が上記碍子(12)の先端面(121)から突出するセンサ素子(10)と、
該センサ素子(10)の上記先端部(100)を覆うよう上記ハウジング(11A,11B)の先端側に取り付けられ、被測定ガス(G)を上記センサ素子(10)の上記先端部(100)に導くためのカバー導入孔(131,132)が形成された保護カバー(13A,13B)と、を備えるガスセンサ(1)において、
上記固体電解質体(2)の上記長手方向(L)の先端部(200)には、被測定ガス(G)に晒されて被測定ガス(G)中の酸素濃度を調整するためのポンプ電極(21)と、被測定ガス(G)に晒されて上記ポンプ電極(21)によって酸素濃度が調整された後の被測定ガス(G)中の特定ガス成分濃度を検出するためのセンサ電極(23)とが設けられており、
該センサ電極(23)の全体は、上記保護カバー(13A,13B)の外周部に形成されたすべての上記カバー導入孔(131,132)よりも上記長手方向(L)の基端側に位置しており、
上記センサ電極(23)の上記長手方向(L)の基端位置(231)は、上記ハウジング(11A,11B)の先端面(111)よりも基端側に位置していることを特徴とするガスセンサ(1)。 - 上記センサ電極(23)の全体は、上記保護カバー(13A,13B)の基端位置よりも基端側に位置していることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ(1)。
- 上記保護カバー(13A,13B)は、上記ハウジング(11A,11B)の先端部の外周に取り付けられた第1保護カバー(13A)と、該第1保護カバー(13A)の外周に取り付けられた第2保護カバー(13B)とからなり、
上記第1保護カバー(13A)の外周部に形成された上記カバー導入孔(131)は、上記第2保護カバー(13B)の外周部に形成された上記カバー導入孔(132)よりも上記長手方向(L)の先端側に位置することを特徴とする請求項1又は2に記載のガスセンサ(1)。 - 上記センサ電極(23)の全体が、上記ハウジング(11A,11B)の先端面(111)よりも基端側に位置して、上記碍子(12)の先端面(121)と上記ハウジング(11A,11B)の内周面(112)とによって形成される凹部(14)内に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ(1)。
- 上記センサ素子(10)の上記長手方向(L)の先端位置(103)が、上記ハウジング(11A,11B)の先端面(111)よりも基端側に位置して、上記碍子(12)の先端面(121)と上記ハウジング(11A,11B)の内周面(112)とによって形成される凹部(14)内に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ(1)。
- 上記センサ素子(10)は、上記固体電解質体(2)の表面に被測定ガス(G)を導入する被測定ガス空間(101)を有しており、
上記ポンプ電極(21)及び上記センサ電極(23)は、上記被測定ガス空間(101)に導入される被測定ガス(G)に晒されており、
上記センサ素子(10)の先端(103)には、拡散抵抗体(32)を介して上記被測定ガス空間(101)に被測定ガス(G)を導入するための導入口(331)が形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のガスセンサ(1)。
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