JPS6259855A - ポンプ式酸素濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、例えば自動車用エンジンの排気管に対して
設定され、上記エンジンの排気ガスに含まれる酸素の濃
度を検出して、上記エンジンの空燃比制御のために効果
的に利用されるようにするポンプ式の酸素濃度検出装置
に関する。

［背景技術］ 例えば、自動車用のエンジンの空燃比制御を実行するた
めには、このエンジンからの排気ガス中に含まれる酸素
濃度を検出して、エンジンにおける燃焼状態を監視し、
その燃焼状態に対応して燃料噴射量等を制御するもので
ある。すなわち、エンジンの空燃比制御のためには、こ
のエンジンの排気ガス中の酸素濃度を効果的に検出する
必要があるものであり、この排気ガス中の酸素濃度を検
出する手段として、ポンプ式酸素濃度検出装置が存在す
る。

このポンプ式酸素濃度検出装置は、それぞれ固体電解質
層の両面に電極を設定したポンプセルとセンサセルを有
するものであり、このポンプセルとセンサセルとの間に
特定される容積を有する密封空間を設定するものである
。この場合、この空間と外部の被測定ガス雰囲気との間
のガス拡散を可能な状態とするため、ポンプセルを構成
する固体電解質層に対して小孔を形成するようにしてい
る。

このように構成されるポンプ式酸素濃度検出装置におい
て、上記空間および小孔の大きさはガス拡散速度を決定
する大きな要因となるものであり、その大きさの状態が
この測定装置の出力特性、応答速度に大きく影響するよ
うになる。

しかし、上記ポンプセルを構成する固体電解質層を、焼
結体の接着、グリーンシートを用いた一体焼結等の手段
によって製造するようにしたのでは、シール性、焼成に
よる収縮等の問題から、ガス拡散速度の安定した制御を
実行するようにすることは非常に困難であり、要求され
る酸素濃度検出装置の検出特性精度を達成することが実
質的に困難な状態にある。

［発明が解決しようとする問題点コ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、特に
センサセルとポンプセルとの間に形成されるようになる
空間に相当する被測定ガス室と、外部ガス雰囲気との間
のガス拡散速度を効果的に制御設定できるようにして、
酸素濃度検出特性を安定設定制御できるようにすると共
に、その検出部分の形状も比較的に任意に設定すること
を可能にして、例えばエンジンの排気ガス中の酸素濃度
検出に際して効果的に利用できるようにするポンプ式酸
素濃度検出装置を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係るポンプ式酸素濃度検出装置Ｎ
は、それぞれ固体電解質層の両面に電極を形成するよう
にしたセンサセルとポンプセルとの間に、彼／Ｉ＋＋＋
定ガス室を形成するようにしたものであり、特に上記ポ
ンプセルの固体電解質層および彼ａｌｌｌ定ガス室はポ
ーラスな状態で構成し、この被測定ガス室の容積を正確
に設定することができ、またガス拡散速度が効果的に設
定制御できるようにしたものである。

［作用〕 このように構成されるポンプ式酸素濃度検出装置にあっ
ては、ポンプセルを構成する固体電解質層、さらに被Ａ
１１ｌ定ガス室を構成する例えばセラミック層は、例え
ばプラズマ溶射法によってポーラスな層に構成されるも
のであり、上記ポンプセルを構成するポーラスな固体電
解質層の細孔を介して外部ガス雰囲気との間でガスの供
給さらに排出が実行されるようになる。この場合、上記
細孔の容積、細孔分布の状態はその製造過程において容
易に制御されるようになるものであるため、ガス拡散速
度が安定して高精度に設定されるようになり、この酸素
濃度検出装置のδｐ１定検定検性特性果的に安定設定さ
れるようになるものである。

［発明の実施例コ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図はその断面構成を示しているもので、このポンプ
式酸素濃度検出装置は、センサセル１１およびポンプセ
ル１２を備えるもので、このセンサセル１［とポンプセ
ル１２との間に被測定ガス室１３が形成されるようにな
っている。

上記センサセル１１は、Ｚｒ　０２−Ｙ２０３等のち密
な焼結体によって構成される酸素導電性の第１の固体電
解質層１１１と、この電解質層１１１の両面に形成した
多孔性のＰｔでなる電極１１２および１１３とによって
構成される。そして、被測定ガス室１３はこのように構
成されるセンサセル１１の上層に、例えばＡＩ　２０３
等のポーラスなセラミック層によって構成されるように
する。この場合、このポーラスなセラミック層は、プラ
ズマ溶射によって形成するものであり、このセラミック
層の厚さおよび気孔率は、溶射材料の種類、粒度、溶射
条件の選定によって、酸素（０２）ガスの移動かスムー
ズに行なえるように制御されるものである。

具体的には、厚さ５０〜２００μ、気孔率１０〜２０％
とする。

そして、ポンプセル１２は上記被測定ガス室１３の上層
に形成されるもので、被測定ガス室１３がこのポンプセ
ル１２と上記センサセル１１との間に封じ込まれるよう
に形成されるようにするものである。

このポンプセル１２は、ポーラスな状態で構成される酸
素導電性の第２の固体電解質層１２１と、この電解質層
１２１の両面に形成されるＰｔ等でなる多孔性の電極１
２２および１２３によって構成されるものである。すな
わち、上記被測定ガス室１３を構成するセラミック層の
上面に電極１２２を形成した後、プラズマ溶射等によっ
て第２の固体電解質層１２１を形成するものである。そ
して、この第２の固体電解質層１２１の表面に多孔性の
電極１２３を形成させるようにする。

ここで、上記ポンプセル１２を構成する第２の固体電解
質層１２１は、被測定ガス室１３と外部ガス雰囲気との
間に安定したガス拡散を可能とする必要がある。このた
め、この固体電解質層１２１を形成する場合に、溶射材
料の種類、粒度、溶射条件の選定によって、厚さ５０〜
１００μ、気孔率３〜１０％のポーラス状態が設定され
るようにする。

尚、上記酸素濃度検出装置にあっては、’Ｄｋ測定ガス
室１３およびポンプセル１２の側面からのガスの拡散を
阻止するため、センサセル１１を構成する第１の固体電
位質層１１１を、上記被測定ガス室１３およびポンプセ
ル１２の両側に立上がる一対の壁１１４．１１５を有す
る構造としている。

すなわち、上記のように構成されるポンプ式酸素濃度検
出装置において、ポンプセルＩ２に対して、直流電源１
４から電圧Ｖｐを印加設定し、電流ＩＰを流すようにす
ると、酸素のポンピング作用によって、被測定ガス室１
３の酸素分圧ｐｖと外部の酸素分圧ＰＡとの間には差が
生ずるようになる。そして、この状態では、センサセル
１１ではネルンストの式により濃淡起電力Ｖｓが発生す
るようになる。このＶｓは次式で示される。

ｖｓ−ＶＱノｎ　　（Ｐ　Ａ／　Ｐ　ｖ　）　−−（１
）但し、Ｖｏ＝ＲＴ／４Ｆであり、 Ｒ：ガス定数、Ｆ：ファラデ一定数、 Ｔ：温度 また、このとき酸素分子はポンプセル１２の第２の固体
電解質筋１２１の細孔を通って、被測定ガス室１３と外
部ガス雰囲気との間を移動する。いま、？＆　、’ＩＩ
！Ｉ定ガス室Ｉ３内の酸素分子数をＮｖとすると、次式
が成立つ。

ｄＮｖ／ｄｔ− （−ｉｐ／４ｅ） ＋σＬ　　（ＰＡ−Ｐｖ　）　−−（２）ここで、σＬ
は酸素の拡散係数、および被測定ガス室１３、第２の固
体電解質層１２１における拡散抵抗（厚さ、気孔率等）
によって決まる値である。

また、状態式ｐｖ−ＮＲＴと上記（２）式がら次の式が
成立つ。

ｄ　Ｐ　ｖ　／　ｄ　ｔ　− −（Ｖ□　Ｉ　ｐ　／　Ｖ） ＋　（Ｐ　Ａ　−Ｐ　ｖ　）　／　ｒ　ｐ　−（３）イ
Ｊ≦１　し　、　　τ　ｐ−Ｖ／　　σ　Ｌ　ｋＴ定常
状態では、（ｄ　Ｐ　ｖ　／　ｄ　ｔ　−０）であるか
ら、上記（１）式および（３）式から次の式が成立つ。

Ｉｐ＝ｄｅｒＬＰＡ ［１−ｅ　ｘＰ　（−Ｖｓ　／Ｖｏ　）　］・・・・・
・・（４） つまり、Ｖｓがある値を持つようにＩＰを制御すれば、
このＩＰとＰＡは比例関係にあり、ＩＰの測定から外部
ガス雰囲気の酸素濃度ＰＡを検出することができる。

このような酸素濃度検出装置は、その形状を任意性をも
って構成できるものであり、例えば第２図で示すように
円筒状に構成することができる。

すなわち、センサセル１１を円筒状態に成型すると共に
、その両端に鍔状にして壁１１４．１１５か形成される
ようにするものである。そして、このセンサセル１１の
外周に披Ａｆｌｌ定ガス室１３を構成するセラミック層
、およびポンプセル１２を層状態に巻き付は形成するも
のである。

このような円筒状あるいは柱状に構成されるようにする
と、例えばエンジンの排気ガスの酸素濃度を測定する場
合、排気ガスの方向性による検出特性の変動が効果的に
抑制することができ、またＩｌｌ付は性も向上するもの
である。

ここで、上記電極１１２．１１３．１２２．１２３は、
化学メッキ、ペーストの塗布、スパッタリング、蒸着て
γの手段によって適宜形成すればよいものであり、また
彼４１す定ガス室１３をｆＭ成するポーラスな層の何科
は、前記Ａｌ　２０３の他に、Ｍｇ　Ｏ・Ａ　］　２０
３スピネル等の耐熱性セラミックの使用が可能である。

さらに、固体電解質層を構成する（」質は、前述した材
質の他に　Ｚｒ　０２−Ｙｂ２０３　、Ｃａ　Ｏ，Ｍｇ
　Ｏ等があり、サラニ他の酸素導電性材料が適宜使用で
きるものであり、シ木着、ＣＶＤ等の手段によって構成
するようにしてもよいものである。

第３図は第２図で示したような円筒状の検出装置によっ
て具体的な排気ガスセンサ装置を構成した例を示すもの
で、第２図で示されるような検出装置２０は、金属ハウ
ジング２１内に収納設定される。

このハウジング２１は、フランジ２２によってエンジン
の排気管に対して取り付は設定されるものであり、上記
Ａｌ１１定装置２０の部分を覆うカバー２３部分が上記
排気管内の排気ガスにさらされるようになるものである
。

そして、上記検出装置２０はスプリング２４を介して絶
縁管２５、金属パイプ２Ｇで押え込み設定しているもの
であり、金属カバー２７によってかしめ固定するように
している。また、検出装置２０のポンプセルのリード線
２８およセンサセルのリード線２９は、センサセルの固
体電解質層の壁部分を貫通して取り出し、ペースト等に
よって固定設定する。この場合、このリード線の貫通部
分に対してはシール材を充填する。また、この場合セン
サセルの内側のリード線は金属ステム３０に対して溶接
設定するものであり、この金属ステム３０は検出素子２
０の中空部分に嵌め込んで電気的な接触状態が設定され
るようにする。

上記ポンプ式酸素濃度検出装置２０は、さらに第４図で
示すようにコツプ状に構成することもできる。すなわち
、センサセル１１をｆ１′１７成する第１の固体電解質
１１１によって筒状体を４７１Ｓ成し、その一方の開口
部を閉じると共に、他方の開口部から外部ガス雰囲気が
導入されるようにするものであり、その中空部内面に電
極［１２か形成されるようにする。そして、この筒状の
固体電解質１１の外周に切り込み段部を形成し、この部
分に電極１１３、ポーラス状の被測定ガス室１３、電極
１２２、ポーラスな第２の３゛ｕｕ解質２１、および電
極１２３を順次積層形成するものである。

［発明の効果］ 以」二のようにこの発明に係るポンプ式酸素濃度検出装
置にあっては、被測定ガス室の容積を、この室を構成す
るポーラスなセラミック層の厚さおよび気孔率を制御す
ることによって、高精度に設定することができるもので
あり、またポンプセンサを構成するポーラスな第２の固
体電解室層の厚さおよび気孔率を制御することによって
、ガス拡散速度を効果的に設定制御することができるよ
うになる。すなわち、細孔容積、細孔分布を制御する状
態で上記ポーラスな第２の固体電解室層を製造すること
が可能であるため、この検出装置のガス拡散速度を目的
に合せて精度の高い状態で製造可能となるものであり、
その検出特性を必要精度内の効果的に設定できるように
なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係るポンプ式酸素濃度検
出装置の構成を説明する断面図、第２図は上記検出装置
の他の実施例の状態を示す断面図、第３図は上記検出装
置を用いた排気ガスセンサ装置の例を示す断面構成図、
第４図はこの発明のさらに他の実施例を示す図である。 Ｉｆ・・・センサセル、ｉｔｔ・・・第１の固体電解室
層（ち密な焼結体）、１２・・・ポンプセンサ、１２１
・・・第２の固体電解室層（ポーラスｈ’Ｍ造）、１３
・・・被測定ガス室（ポーラスなセラミック層）　、１
１．２．１１３．１２２．１２３　　・・電極。 出１傾人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ち密な焼結体でなる酸素導電性の第１の固体電解質層、
   およびこの電解質層の両面にそれぞれ形成された多孔性
   の電極とによって形成されるセンサセルと、 このセンサセルの一方の面に積層される状態で形成され
   、ポーラスな層によって構成するようにした被測定ガス
   室と、 この被測定ガス室を上記センサセルとの間で囲む状態に
   して、この被測定ガス室に積層する状態で形成された、
   ポーラスな層によって構成される第２の固体電解質層、
   およびこの電解質層の両面に形成した多孔性の電極から
   なるポンプセルを具備し、 上記ポンプセルの固体電解質層の両面の電極に電圧を印
   加設定して、この固体電解質層に酸素の移動状態に対応
   したポンプ電流が発生され、上記ガス室と外部との間に
   酸素の吸入および排出が行われるようにしたことを特徴
   とするポンプ式酸素濃度検出装置。