JPS5816144B2 - 排ガス中の酸素量を測定する電気化学的検知器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオン電導性固体電解質を有する酸素濃淡電池
により排ガス、とくに内燃機関の排ガス中の酸素量を決
定するための電気化学的検知器に関し、固体電解質は片
側閉鎖された管の形を有し、この管はこれに対し同軸に
配置されケーシングによって１部包囲され、管の排ガス
側の外側表面は少なくとも１部、第１の電気的接続部材
と直接または間接に電気的に結合している電子電導性多
孔層を支持し、管の周囲空気にさらされる内側表面に管
底まで達する電子電導性帯状体が備えられ、この帯状体
が直接または間接に第２の電気的接続部き電気的に結合
している。

内燃機関とくに自動車内燃機関はその排ガス中に空気を
汚染する、とくに１酸化炭素、ナラ素酸化物および未燃
焼または不完全燃焼の炭化水素を含む。

これらの物質によって生ずる空気汚染を最小に抑制する
ため、内燃機関の排ガスからできるだけ完全にこれらの
物質を除去することが必要である。

これは１酸化炭素および炭化水素をできるだけ完全にそ
の最高の酸化段階すなわち２酸化炭素へ、炭化水素の場
合はさらに水に変え、ナラ素酸化物は元素チッ素に変え
なければならないことを表わす。

このような排ガスの有害成分の無害化合物２酸化炭素、
チッ素および水への変換はたきえば排ガスを６００℃以
上の温度で触媒に導き、２次燃焼させることによって達
成される。

しかし好結果を得る前提は排ガスの組成を空気と燃料の
比がほぼ化学量論的であり、したがって無害化合物への
ほぼ完全な反応が可能であるように調節することである
。

この空気と燃料の化学量論比は公知のようにλ＝１で表
わされる。

λく１は種々の可能な反応の平衝量を超える過剰の酸素
が存在しないことを表わし、１より大きいλ値の場合は
過剰酸素の存在を表わす。

それゆえλ＝１で排ガスは還元性状態から酸化性状態へ
、またはその逆に移行する。

許容しうる排ガスおよび最適の燃料消費を達成するため
λを約１に保持することが必要である。

この理由から排ガスの通路に電気化学的検知器が組込ま
れる。

この検知器はたとえば排ガス中の酸素量を測定し、制御
装置を介して燃料−空気混合物を正しく調節し、それに
よって排ガスの組成にも広範囲に影響を与える。

ン この種の公知の電気化学的検知器はイオン電導性固
体電解質を有する酸素濃淡電池の原理によって作動する
。

排ガス出口の壁に固定的に組込まれたこのような検知器
は濃淡電池の基準系として外気と結合し、かつ両側の少
なくとも１部が電子電導層たとえば白金で蔽われた固体
電解質を有する。

固体電解質は多くは片側閉鎖された管の形を有し、その
閉鎖端は排ガス管の内部へ突出する。

電解質管の外側表面にも内側表面にもある電子電導層ま
たは帯状導体はそれぞれ導電性接続部材に接続された接
触範囲を有する。

この接続部材の１つは通常金属ケーシングによって形成
され、このケーシングによって検知器は内燃機関の排ガ
ス管へ気密に、かつ固定的に組込まれ、それによって自
動車内の多くの電気使用場所のための電気的帰線を形成
する車体に対する電気的接触が形成される。

自動車内の種々の電気使用場所のため、この電気的帰線
は完全に無電圧になることはほとんどなく、したがって
電気化学的検知器の実際の電圧信号を変化するように作
用し、それによって燃料−空気混合物を正しく調節する
ための制御回路が乱され、したがって排ガス組成の悪化
にも作用する。

それゆえ本発明の目的は自動車自体を電気的帰線として
利用しないで、別個の帰線へ接続するように形成され、
構造が堅牢であり、その機能が相当な寿命期間にわたっ
て信頼できる電気化学的検知器を得ることである。

この目的は本発明により固体電解質管がその外側に肩を
有し、この肩により固体電解質管がケーシング内にある
電気絶縁性の第１支持リングに支持され、この支持リン
グの接続側に固体電解質管の電子電導層と接触している
導電性シール材が続き、このシール材がこれをケーシン
グに対し電気的に絶縁する電気絶縁性のパツキンによっ
て同軸に包囲され、このシール材またはパツキンの接続
側にケーシング内にある第２支持リングが接し、その孔
を通して固体電解質管の接続側端部および導電性スリー
ブが導かれ、このスリーブは固体電解質管と支持リング
の孔によって形成される間隙を充てんし、スリーブの１
端がシール材と電気的に接触し、その接続側端部が直接
または間接に第１電気接続部材と結合していることによ
って解決される。

この本発明による配置によって固体電解質管の外側表面
の電子電導層と検知器ケーシングの間の電気的接触が防
止される。

本発明による電気化学的検知器の有利な実施方式によれ
ば第１支持リング、シール材、第２支持リング、したが
って固体電解質管およびスリーブはケーシング内で１つ
にはケーシングの段、もう１つはその折曲げ端縁によっ
て固定される。

導電性シール材としてはとくに弾性を有する材料たとえ
ば黒鉛が使用され、パツキンリングはこの場合電気絶縁
性粉末たとえばタルカムが選ばれる。

第１支持リングおよび（または）第２支持リングの材料
としてはとくにセラミックが適する。

固体電解質管の外側表面の電子電導層とアースされた保
護管またはケーシングの間の沿面距離を長くするため、
第１支持リングの下端部分を短管として形成し、これが
固体電解質管を離れて包囲し、かつとくに保護管からも
距離を保つのが有利である。

本発明の形成によれば有利な接続部材を形成するため、
スリーブの接続側端部に導電性押しばねの１つの端面が
接し、この押しばねの他の端面が第１電気接続部材と電
気的に接触する。

第１および第２電気接続部材は両方に共通の絶縁部材に
固定するのが有利である。

次に本発明の実施例を図面により説明する。

図示の電気化学的検知器１０はイオン電導性固体電解質
管１１を有し、この管は安定化した立方晶系２酸化ジル
コニウムからなり、その図示されない排ガス管へ突出す
る端部は底１２によって閉鎖され、かつ管の外側には肩
１３がある。

この固体電解質管１１はその外側表面に白金からなる電
子電導性の多孔層１４を支持し、この層は排ガスによっ
て洗われる範囲、固体電解質管１１の肩１３および接触
部１５を蔽う。

電子電導層１４と固体電解質管１１の間の肩１３と接触
部１５の範囲には図示されない電気絶縁性ガラス層が配
置され、これは検知器１０の電圧信号の減衰を防ぐ。

また排ガスにさらされる電子電導層１４に塗布した、排
ガスの機械的および熱的侵食に対する保護に役立つ多孔
性スピネル層も図示されていない。

固体電解質管１１はその内部空間１６に面する面に電子
電導性の帯状体１７を備え、この帯状体は底１２の範囲
へ達し、かつ同様白金からなる。

この電導性帯状体１７は接続側に固体電解質管１１の端
面１８まで拡がる。

固体電解質管１１は第１支持リング２０の孔１９へ押し
こまれ、その肩１３で支持リング孔１９の段２１に支持
される。

固体電解質管１１または第１支持リング２０の破壊の危
険を防ぐため、両者の間に耐熱鋼よりなる図示されてい
ない挿入板が配置される。

この第１支持リングは電気的絶縁体で、セラミック（Ａ
１２０３）よりなり、検知器ケーシング２４の縦孔２３
内の段２２に間接的に支持される。

第１支持リング２０の下端は固体電解質管１１を離れて
包囲する短管２０′として形成され、比較的内が薄く、
作動の際漏れ電流の自動除去障壁として役立つ。

ケーシング２４は鋼よりなり、その外側にスパナ用６角
部２５および図示されていない排ガス管へ気密に固く組
込むためのねじ２６を備える。

第１支持リング２０とケーシングの段２２の間に保護管
２８のフランジ２７が支持され、この保護管は固体電解
質管１１の排ガスにさらされる部分を包囲し、排ガスの
入口孔２９を備える。

第１支持リング２０の短管２０′は保護管２８からも離
れ、それζこよって固体電解質管１１の電子電導層１４
とケーシング２４を介してアースされた保護管２８との
間の既述の漏れ電流障壁を長くする。

ケーシング孔２３内の第１保護リング２０の接続側に黒
鉛粉末よりなる導電性シール材３０が続き、このシール
材は接触範囲１５で電子電導層１４を包囲し、かつ電気
絶縁性パツキン３１によって包囲される。

パツキン３１はタルカムパウタよりなる。

シール材３０およびパツキン３１にセラミック（Ａ１２
０３）よりなる電気絶縁性第２支持リング３２が続く。

この第２支持リング３２はケーシング孔２３に案内され
、導電性スリーブ３４が接する中心孔３３を有する。

このスリーブ３４はその両端部分にそれぞれフランジ３
５または３６が形成される。

このスリーブ３４のフランジ３５はシール材３０へ突入
し、したがって電気的に接触し、フランジ３６は押しば
ね３１の案内器として形成される。

スリーブ３４の孔３８を通して固体電解質管１１の接続
側端部が支持される。

第２支持リング３２の接続側の肩３９に保護管４１のフ
ランジ４０が支持され、この保護管は薄板よりなり、少
数の空気入口孔４２を有し、その接続側端部に凹所を有
する栓状絶縁部材４３を支持する。

外側へ向く保護管フランジ４０にリング４４が支持され
、その接続側はケーシング２４にある折曲げ縁４５によ
って押され、それによって上記全体の部材が固定される
。

１端がスリーブフランジ３６に固定された押しばね３７
は導電性材料よりなり、その接続側端部は絶縁部材４３
の凹所４６に側面が固定され、長さ方向には前応力のも
とに保持される。

この場合押しばね３７は絶縁部材４３に固定された導電
性膜４７に接し、その自由端は絶縁部材４３を通して導
かれ、第１接続部材４８として役立つ。

固体電解質管１１の端面１８に接触リング４９があり、
このリングは帯状導体１７と電気的に接触し、他面接触
ばね５０の案内体として役立つ。

この接触ばね５０は前応力下にあり、その他端には第２
接続部材５２の先端５１が挿しこまれる。

第２接続部材５２は同様絶縁部材４３を通して導かれ、
その中に固定される。

接触ばね５０は押しばね３７内を同軸に、互いに接触せ
ず、したがって電気的に互いに離れているように経過す
る。

検知器１０の本発明による形成の場合、固体電解質管１
１の内部空間１６に面する面の帯状導体１７は接触リン
グ４９および接触ばね５０を介して第２接続部材と結合
し、固体電解質管１１の外側表面の電子電導層１４はア
ースされたケーシング２４と接触しない。

電子電導層１４と絶縁部材；４３内の第１接続部材との
接続は導電性シール材３０、スリーブ３４および押しば
ね３７を介して行われる。

帯状導体１７と接触リング４９の例に示す接触法の代り
に接触ばね５０に作用する他の公知接触法を使用するこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明による検知器の縦断面図である。 １１・・・・・・固体電解質管、１４・・・・・・電子
電導層、１７・・・・・・帯状導体、２０・・・・・・
第１支持リング、２４・・・・・・ケーシング、２８・
・・・・・保護管、２９・・・・・・排ガス入口孔、３
０・・・・・・シール材、３１・・・・・・絶縁パツキ
ン、３２・・・・・・第２支持リング、３４・・・・・
・導電性スリーブ、３７・・・・・・押しばね、４１・
・・・・・保護管、４２・・・・・・空気入口孔、４８
・・・・・・第１接続部材、５２・・・・・・第２接続
部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体電解質が片側閉鎖した管の形を有し、この管が
   これと同軸に配置されたケーシングによって１部包囲さ
   れ、管の外側の排ガス（こ面する表面が少なくとも１部
   、第１電気接続部材と直接また。 は間接に電気的に結合した電子電導性の多孔層を支持し
   、管の内側の周囲空気にさらされる表面に管底まで達す
   る電子電導性の帯状体が備えられている、イオン電導性
   固体電解質を有する酸素濃淡電池により排ガス、とくに
   内燃機関排ガス中の酸、素置を測定する電気化学的検知
   器においで、固体電解質管１１がその外側面に肩１３を
   有し、この肩により固体電解質管がケーシング２４内に
   ある電気絶縁性の第１支持リング２０に支持され、この
   第１支持リング２０の接続側に固体電解質管１１の電子
   電導層１４と接触する導電性シール材３０が接続し、こ
   のシール材がこれをケーシング２４に対し電気的に絶縁
   する電気絶縁性パツキン３１によって同軸に包囲され、 このシール材３０またはパツキン３１の接続側にケーシ
   ング２４内にある第２の支持リング３２が接し、その孔
   ３３を通して固体電解質管１１の接続側端部および導電
   性スリーブ３４が導かれ、このスリーブが固体電解質管
   １１と支持リングの孔３３によって形成される間隙を充
   てんし、スリーブの１端がシール材３０と電気的に接触
   し、その接続側端部が直接または間接に第１電気接続部
   材４８と結合している ことを特徴とする排ガス中の酸素量を測定する電気化学
   的検知器。 ２ 第１支持リング２０、シール材３０．３１、第２支
   持リング３２、したがって固体電解質管１１およびスリ
   ーブ３４もケーシング２４内で１方がケーシングの段２
   ２、他方が折曲げ縁４５により固定されている特許請求
   の範囲１項記載の検知器。 ３ シール材３０が弾性を有する材料たとえば黒鉛より
   なる特許請求の範囲１項または２項記載の検知器。 ４ パツキンリング３１がたとえばタルカムのような粉
   末よりなる特許請求の範囲１〜３項の１つに記載の検知
   器。 ５ 第１支持リング２０および（または）第２支持リン
   グ３２がセラミックよりなる特許請求の範囲１〜４項の
   １つに記載の検知器。 ６ 第１支持リング２０の下端部が短管２０′として形
   成され、この短管が固体電解質管１１を離れて包囲し、
   かつとくに保護管２８からも離れて保持される特許請求
   の範囲１〜５項の１つに記載の検知器。 ７ スリーブ３４の接続側端部に導電性押しはね３７の
   １つの端面が支持され、この押しはね３７の他の端面が
   第１電気接続部材４８と電気的に接触している特許請求
   の範囲１〜６項の１つに記載の検知器。 ８ 第１および第２電気接続部材４８．５２が両方に共
   通の絶縁部材４３に固定されている特許請求の範囲１〜
   ７項の１つに記載の検知器。