JPH034930Y2

JPH034930Y2 -

Info

Publication number: JPH034930Y2
Application number: JP1983088064U
Authority: JP
Priority date: 1983-06-08
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1991-02-07
Also published as: JPS59194059U

Description

【考案の詳細な説明】技術分野本考案は内燃機関の酸素濃度制御のための酸素
イオン導電性固体電解質を利用した能動素子を保
護管内に収納した酸素センサの改良に関する。

従来技術内燃機関においては燃料の節約並びに排ガスの
無害化のために燃焼のフイードバツク制御が行な
われる。これに使用される排ガスセンサのうち空
気過剰率λが１の附近でのセンサ出力の急変点を
利用するいわゆるλセンサは専ら応答性を良くす
ることを主眼として設計がなされゝばよく、排ガ
スの流速の大小の出力に対する影響はあまり問題
とされず、その設計面で特別に考慮がはらわれる
必要はなかつた。即ちセンサに取付けられる保護
管は、その導入孔を排ガスの衝撃流にさらされる
ことによる白金電極の剥離現象を防止するととも
に排ガスを大量に流入させてセンサ表面を排ガス
の流れにあてることにより、寿命の延長と応答性
を良くするように配設されている。そしてλ＝１
の点近傍でのセンサ出力の急変を利用してλ点の
移動のないように管理するいわばスイツチ素子と
しての性格を有するためセンサ素子の電極面には
化学量論的に平衡化されたガスが到達するように
さえ配慮しておけばよかつた。これに対してλ＝
１以外の領域における酸素濃度の測定を目的とす
る酸素濃度センサの場合、酸素の孔または間隙に
よる拡散制限作用を利用するので、例えば内燃機
関のアイドリング時の低回転中の低いガス流速か
ら高速走行中の高回転中の高いガス流速迄の変化
によつて出力が変動しやすく、従来の保護管はそ
のまゝ適するものではない。出願人は先に板状ジ
ルコニア質固体電解質の両面に多孔質電極を厚膜
技術等により塗布焼成した素子を２枚三方を開口
した微少間隙を置いて平行に固定し、１枚の素子
は電流を流して内側の間隙部より外側の測定雰囲
気ガスへ酸素を吸み出す酸素ポンプ素子とし、他
の１枚の素子は内側の間隙部と外側との間の酸素
濃度差で動作する酸素濃淡電池素子として測定雰
囲気ガス中におき広いλ領域で有利に対応できる
酸素濃度センサを開発した。このセンサは間隙部
の間隙で酸素の拡散制限を行わせるのでガスの高
流速時と低流速時のセンサ出力の誤差が問題とな
り、従来のλセンサの保護管の形状をそのまゝ適
用するのでは流速の影響が大きくあらわれて誤差
が大きいため使用できないものである。

目的従つて本考案は上記に鑑みなされたものでλ＝
１以外の広いλ領域においてガス流速の影響を少
なくする好適な保護管に収納された酸素濃度セン
サを提供しようとするものである。

解決手段本考案は固体電解質の両面に多孔質電極を形成
した酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子を微少間
隙を置いて対向させたセンサの雰囲気ガス中にお
く電極部を収納した保護管を排ガスの流れる隙間
を形成した有底の２重管とし、その有底の外管に
は前記素子電極位置の軸方向のほぼ中央部円周上
にガス導入孔を１列に複数個と底面に１個開口
し、その有底の内管には前記外管のガス導入孔の
間に位置するガス導入孔を円周上に複数個で軸方
向にも複数列開口配設するとともに底面に孔を１
個設けたものである。

実施例以下本考案の実施例を図面にもとづき説明す
る。内燃機関のマニホールドに取付けるためのね
じ部１ａと締付用の六角部１ｂを有する管状の金
属製栓体２には内部に酸素センサ素子３を収めセ
ンサ基部を無機質耐熱材で絶縁的に固定し、該栓
体２の頭部には該センサ素子３のポンプ側のリー
ド線及び電池側のリード線を外部に引出している
金属筒４が固定され、栓体２の測定雰囲気中にお
かれる側には酸素濃度センサ３の素子電極部を保
護し排ガス（測定雰囲気ガス）流を回し込む有底
の外側保護管（外管）５と流入ガスの一部を取込
み収納したセンサ３の素子電極に引き込む有底の
内側保護管（内管）６とよりなる有底の２重管が
間隙を有して挿通固着されている。

酸素濃度センサ素子３は板状ジルコニア質固体
電解質３０１の両面に薄膜技術により被着した耐
熱金属の電極３０２とこの上に厚膜技術により被
着したセラミツク材の厚い多孔質の電極被覆層３
０３との組み合わせ層が酸素ガスの拡散抵抗性層
として形成された素子の２個を基部で微少間隙Ｄ
を保ち保護管側壁と底に面する三方を開口して無
機質耐熱接着剤で栓体２に一体に固着されてい
る。一方の素子にはリード線が電極３０２より引
出され外部リード線より外側電極を＋側として電
源に接続され内側の間隙部から外側の測定雰囲気
へ酸素イオンを移動させて酸素を汲み出し間隙部
に酸素分圧の勾配を生ぜしめる酸素ポンプ素子と
する。他方の素子にはリード線が電極３０２より
引出され外部リード線より電圧計若しくは制御装
置に接続し内側の間隙部と外側との間の酸素濃度
の差で生じる酸素濃淡電池素子とされる。このセ
ンサの出力値は広い酸素濃度の範囲でリニアに近
い出力特性をうるようにすることができかつ応答
特性に優れる。

２重の保護管は排ガスの高速流をしやへいし、
それぞれ有底円筒状で間隙を有して装嵌してお
り、その外管５はセンサ素子の電極のほゞ中央部
円周上に１列に開口するガス導入孔５１が複数個
本実施例では４個等分に配設するとともに底面に
ガス導入孔５２が１個穿設されている。

この外管５の内側に排ガスが流回できる間隙を
もつて挿通された内管６はその管壁にセンサ素子
の電極に対応して円周方向に複数個本実施例では
４個のφ2mmのガス導入孔６１を外管の孔５１と
は角度の差を以つて穿設し、軸方向には複数列本
実施例では３列が配設され更に底面中央にφ3mm
の導入出孔６２、１個が穿設されている。なおこ
の実施例においてセンサ素子３の間隙部は、板厚
0.5mmの板状素子２枚で、横巾4.5mm×深さ７mm×
間隙寸法0.1mmの間隙を形成した。

このように構成されているためセンサ素子３の
電極部は排ガスの衝撃流からしやへいされ外管５
のかみ方の導入孔５１からは排ガスが効率よく取
入れられ２重管の間隙内を回流してしも方の導入
孔から排出されてすばやく交替されるとゝもに、
内管６の導入孔６１，６２から回流している排ガ
スの一部を取り込みセンサ素子３の間隙部に対す
るガス流の方向性が影響されない状態で電極と接
触するものである。

次に本考案の酸素濃度センサを実機に装着して
試験した測定結果と、同種のセンサ素子３に外筒
５を設けない内筒６のみのもの（第３図）を実機
に装着して試験した測定結果とを比較した。内燃
機関の低速回転時の排ガス温度は350℃、ガス流
量約500／minと、高速回転時の排ガス温度は
700℃、ガス流量約3500／minの２条件で、空
燃比Ａ／Ｆを理論空燃比14.7から約20までふらせ
たときのセンサ素子の出力値を５個づゝについて
測定した。その出力値の平均値は内管のみのセン
サの場合は第５図、本考案の２重管をもつ場合は
第６図のようにそれぞれ得られた。但しこゝでセ
ンサの出力値はセンサの電池素子の出力を20mV
一定とするときのポンプ素子の電流値mAとし
た。このときの高流速時と低流速時との空燃比の
誤差は図において例えば出力値30mAの時、内管
のみの場合の誤差Δ₁は約0.8A／Ｆで、全測定値
のばらつきは0.5〜1.5A／Ｆであり、高流速のガ
スにさらされる影響があらわれている。これに対
し本考案の２重管の場合の誤差Δ₂は約0.2A／Ｆ
で全測定値のばらつきは0.1〜0.3A／Ｆであり、
空燃比Ａ／Ｆの誤差は大巾に少くなり、素子の出
力安定化の効果が顕著で検出精度を大巾に向上す
ることができた。

次に排ガス温度を500℃にし空燃比Ａ／Ｆを
15.5と18.0の間を急変させたときＡ／F18.0に於て
30mAポンプ電流を流して得られる酸素濃淡電池
素子出力20mVかからＡ／F15.5に於て30mA流し
続けた時得られる出力約500mVまでの両出力に
完全に到達する迄の時間を応答速度とすると応答
時間においては、センサ素子５個づゝ測定した結
果の平均値は内管のみの場合は40〜70msecで、
本考案の２重管の場合は100〜300msecであり、
応答性としてはガス流の接触状態の差で悪くなつ
ているけれどもそれ程犠牲にすることのない値で
あり実用して支障をきたさない程度の時間であつ
た。

効果本考案はセンサ素子の電極部を間隙を有して挿
通した有底の２重の保護管によつて排ガスの襲撃
流からしやへいし外管の導入孔から排ガスを管内
に効率よく取入れて回流させ、すばやく排出しそ
の一部を内管の円周上の導入孔より管内にとり込
んでセンサ素子にガス流の方向性に影響されない
ようにして接触させたため、内管の底部に負圧が
生じ管内の回流が滑らかに行われ滞留による煤の
付着がなく変動ガス流中での測定用酸素濃度セン
サとして高速流から低速流迄の広い範囲にわたつ
て安定した高い精度でしかも充分に実用に供せら
れうる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の酸素センサの外観図、第２図
は第１図のＡ−Ａ線断面図、第３図は外管を外し
た内管のみの酸素センサの外観図、第４図は第３
図のＢ−Ｂ線断面図、第５図は内管のみの場合の
酸素センサのＡ／Ｆと出力値との関係図、第６図
は本考案の酸素センサのＡ／Ｆと出力値との関係
図である。２……栓体、３……センサ素子、５……外側保
護管（外筒）、６……内側保護管（内管）、５１，
５２，６１，６２……ガス導入孔。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

板状固体電解質の両面に多孔質電極を形成した
２枚の素子を微小間隙を置いて平行に固定し１枚
の素子は酸素ポンプとし他方の素子は酸素濃淡電
池素子としたセンサの測定雰囲気中におく素子の
電極部を包囲するようにして収納する保護管を、
測定雰囲気ガスの流れ込む間隙を有する有底の２
重管とし、その有底外管には前記センサ素子電極
位置の軸方向ほぼ中央部円周上に開口するガス導
入孔を複数個一列に配設するとともにガス導入孔
を底面中央に１個穿設し、またその有底内管には
前記センサ素子電極部に対応して円周方向にかつ
前記外管のガス導入孔の開口位置の中間位置に開
口した複数個のガス導入孔を配設し該孔群を軸方
向にも複数列前記センサ素子電極部に対応する位
置に配設するとともに底面中央にも孔を１個穿設
したことを特徴とする酸素センサ。