KR100370694B1 - 가스혼합물중의산소함량을측정하기위한센서및내연기관에공급된연료/공기혼합물의조성을조절하는방법 - Google Patents

가스혼합물중의산소함량을측정하기위한센서및내연기관에공급된연료/공기혼합물의조성을조절하는방법 Download PDF

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Abstract

제조 기술적으로 유리하며, 높은 감도를 나타내고 긴시간에 걸쳐서도 확실하게 작업할 수가 있는 측정 센서.
전극(1, 2)을 구비한 전기 화학적 측정 셀 (A) 및 전극(2, 3)을 구비하며, 가스 혼합물에 대해서 공기가 밀폐 차단되는 위에 압력 보상 접속부(18)를 거쳐서 대기와 접속하여 있는 내부의 산소 기준 구역(17)을 갖는 전기 화학적 기준 셀(B)과 가스 혼합물의 성분이 측정 셀 및 기준 셀에 공통의 전극(2)에 확산하는 것을 곤란하게 하는 확산 차단부(5) 및 측정 셀(A) 및 기준 셀(B)을 측정의 온도까지 가열하는 일이 가능한 가열 장치(7)를 구비하고 있으며, 그 경우 전기 화학적 측정 셀(A) 및 전기 화학적 기준 셀(B)안의 고체 전해질(4)의 이온 전도성이 충분히 큰 것을 특징으로 하는 가스 혼합물안의 산소 함량을 측정하는 센서.

Description

가스 혼합물 중의 산소 함량을 측정하기 위한 센서 및 내연기관에 공급된 연료/공기 혼합물의 조성을 조절하는 방법
산업상의 이용분야
본 발명은 희박영역, 중립영역 및 농후 영역내의 가스 혼합물중 특히, 내연 기관으로부터의 배기 가스중의 산소 함량을 측정하기 위한 펌프 기준을 이용한 센서에 관한 것이며, 또한 본 발명은, 신규의 배기 가스 센서를 이용한 내연 기관에 공급된 연료/공기 혼합물의 조성을 조절하는 방법에 관한 것이다.
종래의 기술
디젤 엔진 및 오토 엔진(otto engine)과 같은 내연 기관은 원하는 운전상태에 따라서 연료가 화학량론적으로 과잉량으로 존재(농후 영역)하거나, 공기 산소가 화학량론적으로 상회(희박 영역)하거나 또는 연료와 공기가 화학량론에 합당하는 연료/공기비에 의해 운전되는 것은 널리 알려져 있다. 연료/공기 혼합물의 조성은 배기 가스의 조성을 결정한다. 농후 영역에서는 현저한 양의 미연소 또는 부분적으로 연소된 연료를 볼 수 있으며, 한편으로 산소는 거의 소멸되어 있다. 희박 영역에서는, 이 비율이 반대이며, 연료/공기 혼합물의 화학량론적 조성의 경우는, 연료 및 산소는 최저로 억제할 수 있다. 연료/공기비에 대한 일반적 척도는 배기 가스중에서 측정되는 람다(λ)치이며, 이것은 희박 영역에서는 > 1 이고, 농후 영역에서는 < 1 이며 중립 영역에서는 = 1 이다.
배기 가스의 조성을 아는 것은, 연료/공기 혼합물의 조성을 그때마다 필요조건에 응해서 최적으로 하는 것을 목적으로 하여 제어하는 조작을 위한 기초이다. 수년동안 배기 가스의 산소 함량을 측정하여 연료/공기비를 그때마다 필요 조건으로 상응되게 조절하는 평가 회로에 이 측정 신호를 제공하는 존데(Sonde)는 널리 알려져 있다. 이와 같은 존데는 전위차 적으로 또는, 폴라로그래피(polarography)적으로 작업하는 일이 가능하다. 전위차 존데는 측정해야 하는 가스의 상이한 부분압하에 있는 2 개의 전극 사이 전류를 측정하는 것에 기초하고 있다. 폴라로그래피 존데는 펌프 셀의 한계 전류의 측정에 기초하고 있다.
독일 특허출원 공개(A1) 제 3632456 호 명세서에는 내연 기관용 연료/공기 혼합물을 조절하는 존데가 공지되어 있으며, 이 존데는 산소 이온을 전도하는 고체 전해질로 된 제 1 플레이트 양측에 배치되어 있는 2 개의 다공성 전극을 구비한 제 1 펌프 셀, 및 마찬가지로 산소를 전도하는 고체 전해질로 된 제 2 플레이트의 양측에 배치되어 있는 2 개의 다공성 전극을 구비한 제 2 펌프 셀을 갖고 있다. 양쪽 펌프 셀의 1 개의 다공성 전극에 대해 펌프 셀의 사이에 있는 1 개의 가스실이 접속되어 있으며 이 가스실은 그 측에서 확산 제한 또는 압력 조절부분으로서 작용하는 통로를 거쳐서 측정될 가스와 연결되어 있다. 제 1 펌프 셀의 다공성 전극 1개,즉 가스실과 접촉하고 있는 전극은, 동시에 내부 산소 기준으로서 이용된다. 이 전극은, 누출 압력 조절 부분을 거쳐서 가스실과 접촉하고 있는 제 1 펌프 셀의 전극과 연결되어져 있다. 특정 실시예의 경우, 가스실과 접촉하고 있는 양쪽의 전극은 1 개의 전극으로 모여질 수 있다.
제 1 도는 본 발명에 따른 센서의 한 실시예의 종단면도.
제 2 도는 센서의 특성 곡선.
제 3 도는 센서의 특성 곡선.
제 4 도는 본 발명에 따른 센서의 한 실시예의 횡단면도.
제 5 도는 본 발명에 따른 센서의 유리한 실시예의 종단면도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1:측정 셀 B:기준 셀
IP:펌프 전류 IM:펌프 전류
UM:측정 전압 UR:기준 전압
UP:펌프 전압 UV:공급 전압
1, 2, 3:전극 1', 2', 3':도체로
4:고체 전해질 5:확산 차단부
6:지지체 7:가열 장치
7':리드선 8:덮개
9:절연체 10:전압원
11, 12:전류원 13:연산 증폭기
14:전류계 15, 16:전압계
17:산소 기준 구역 18:압력 보상 접속부
20:확산구멍 21:전치 저항
청구항 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한항에 기재된 펌프 기준을 구비한 센서는 제조 기술적으로 유리하며 청구항 제 8 항 및 제 9 항에 의한 방법에서는 바라는 높은 감도를 나타내며, 장시간에 걸쳐서도 확실하게 작업한다. 이것에는 특히, 대기에 대한 산소 기준 구역의 압력 보상 접속부가 기여하고 있다. 이 압력 보상 접속부는 측정 가스로부터 환원되는 성분이 산소 기준 구역중에 확산하는 것을 저지한다. 따라서, 이와 같은 확산의 위험성은 적은 펌프 전류에 기초하여 산소 기준 전극에서의 산소 부분압이 압력 보상 접속부 안에서의 대류를 일으키는 일이 불가능하기 때문에 생긴다. 이 회로 장치는, 독일 특허출원 공개 제 3632456 호 명세서에 기재된 것 보다도 확실하게 간결하다. 제조 기술적으로는, 가열 장치 및 산소 기준을 공간적 및 기능적으로 정리한 청구항 제 5 항에 의한 센서가 특히 유리하다.
제 1 도는 조절 회로의 원리를 포함한 본 발명에 의한 센서의 한 실시상태의 종단면도를 도시하고 있다. 제 2 도는 이와 같은 센서의 특성곡선, 즉 측정 셀 안에서의 펌프 전류(IM)의 람다치에의 의존성을 도시한다. 제 3 도에서는 본 발명에 의한 센서의 2 가지 다른 특성곡선, 즉, 람다치에 의존하는 조작을 조절하지 않고 얻은 기준셀(B)의 펌프 전압(UP) 및 측정 셀의 펌프 전류(IM)에서 유도되어 다시 람다치에 대해서 도시되어진 보정된 측정 전압(UM)이 나타내어진다. 제 4 도에는, 접속부의 수가 줄어든 발명에 의한 센서의 또다른 한 실시상태의 횡단면도가 도시된다. 여기에서는 제 1 도에 충분하게 상당하는 조절 회로가 생략되어 있다. 이것은 제 5 도에도 해당하며, 제 5 도는 본 발명에 의한 센서의 특히 유리한 실시상태의 종단면도를 도시한다.
실시예
본 발명에 의한 센서를 이용하여 내연 기관에서의 배기 가스의 산소함량을 농후 영역, 중립 영역 및 희박 영역에서 측정하여 기관에 공급되는 연료/공기 혼합물의 조성을 조절하는 일이 가능하다. 제 1 도(4, 5)에서 알 수 있듯이 센서는 다공성 전극(제 1 전극(1) 내지 제 3 전극(3))을 구비한 측정셀(A) 및 기준셀(B)을 갖고 있으며 그 경우 제 1 전극(2)은 양쪽의 셀에 공통으로 되어 있다. 전극(1, 2, 3)은 고체 전해질(4)과 접속되어 있다. 확산 구멍(20) 및 확산 차단부(5)를 거쳐서 제 2 전극(2)에 배기 가스가 안내되고 있다.
측정 셀에는 일반적으로 백금으로 된 전극(1, 2)이 속하고 있다. 이들 전극은 유리하게 0.5∼2 ㎛ 의 두께이며 다공성이다. 보다 두꺼운 전극은 가스의 통과를 곤란하게 하며 배기 가스의 산소 함량의 변화에 따른 센서의 응답 시간을 높인다.
고체 전해질(4)로서 특히 산화 지르코늄(IV)이 적합하며, 이것은 유리하게 원소 주기율표의 제 2 부족(副族) 원소의 산화물에 의해 안정화되고, 유리하게 부분 안정화되어 있다. 적당한 안정화 산화물은, 예를 들면, 산화 스칸듐 및 유리한 산화 이트륨, 및 배열수(配列數) > 64 를 갖는것 보다 높은 희토류의 산화물 예를 들어, 산화에르븀(erbium) 및 산화 이테르븀(ytterbium)이다. 부분 안정화를 위한 최적의 양은 시험에 의해 간단히 측정 가능하다. 산화 지르코늄(IV)/산화 이트륨(III) 계에 있어서 이 양은 4 내지 7 몰 % 이다. 다른 적당한 이온 전도성 고체 전해질은 산화 지르코늄(IV)과 산화티탄(IV), 산화 비스무스(III) 또는 산화 세륨(Cerium)(IV)과의 혼합 산화물이다.
확산 차단부(5)는, 유리하게 일반적으로 15∼45 μm 두께의 다공성 산화 지르코늄(IV)으로 된다. 이 차단부는 측정 셀(A)중에 전류(IM)가 한결같이 확산 경과에 의해 결정되는 것을 갖고, 전극(2)을 거쳐서 일정한 산소 부분압을 유지할 수 있는 것에 기여한다. 희박 영역에서 운전할 경우, 즉, 산소가 농후한 배기 가스의 경우 차단층(5)은 주로 산소가 전극(2)으로 확산하는 것을 방지하며, 농후 영역에서 운전할 경우, 즉, 많은 미연소 성분 및 적은 산소를 갖는 배기 가스의 경우, 주로 탄화수소, 일산화탄소 및 물이 전극(2)으로 확산하는 것을 방지한다. 확산 차단부(5)는 형상, 크기, 다공성에 의해 전극(2)에서의 산소부분압(기준 전압(UR)에 상당한다)을 조정하는 일이 가능하도록 제조되어져 있다. 내연 기관에서의 배기 가스중에 산소를 측정하기 위한 센서의 경우 기준 전압은 원칙적으로 약 400 mV 이며, 이것은 약 10-8 바아(bar)의 산소 부분압에 상당한다. 이 부분압은 기관이 약 1 의 람다치로 운전하는 경우에 조절된다. 차단층의 확산 저항이 너무 적은 경우에는 희박 영역에서의 운전할 경우, 너무 많은 산소가 전극(2)에 도달하며 그 결과, 측정 전류(IM)가 전압 비의존성으로 없어지며(즉, 한계 전류가 없어짐), 더 나아가서는 이미 배기 가스중의 산소 농도에 대한 척도 혹은, 람다치에 대한 척도가 없어진다. 크기가 지나치면 확산 저항의 경우, 한계 전류는 흐르지만 이것은 너무 작으며, 그 결과 센서의 감도는 불충분해진다.
기준 셀(B)은 마찬가지로 펌프 셀이다. 그 전극(3)은 일반과 마찬가지로 백금으로 된다. 이 전극은 유익하게 같은 다공성이다. 이 구멍은 산소 기준 구역(17)을 나타낸다. 이 전극의 두께는, 유익하게 5∼25 ㎛ 이다. 전극(3)은 배기 가스에 대해서 밀폐되어 봉쇄되어 있으며 압력 보상 접속부(18)를 거쳐서 대기와 접속되어 있다. 전극(3)의 산소압은, 약 1 바아로 조절된다. 그렇게 얘기하는 것도 전극(2)에서 이온의 상태로 펌핑되어 전극(3)에서 가스 형상으로 발생하는 산소는 압력 보상 접속부(18)를 통해서 주변으로 날아가버리기 때문이다.
측정 셀(A) 및 기준 셀(B)은 제 1 도 및 제 4 도에서 알 수 있듯이 지지체(6)와 결합되어 있으며, 이 지지체는 유리하게 산화 알루미늄으로 되어 있다. 지지체에는 가열장치(7)가 접속되며, 이 가열 장치는 그 측부에서 커버(8)에 의해 보호되어 있고, 이 커버도 산화 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 그러나, 가열 장치를 통상의 것처럼 산화 지르코늄(IV)으로 된 2 층 사이에 배치하는 것도 가능하다. 이 가열 장치(7)는 양쪽의 셀을 전해질(4)의 이온 전도성이 충분히 큰 온도로 가열한다. 이 온도는 바람직하게 550∼800 ℃ 이다.
제 5 도에 도시하고 있는 본 발명에 의한 센서의 또다른 하나의 실시예의 경우, 전극(3) 및 가열장치(7)는 공간적 및 기능적으로 1 개의 다공성 절연체(9)안에 모여져 있다. 이 경우, 가열 장치(7)의 유익한 산화 알루미늄으로 된 다공성 절연체(9)는, 다공성 전극(3)과 함께 산소 기준 구역(17)을 형성하며, 도체로(3')와 접속하는 다공성 전극(3)과 함께 압력 보상 접속부(18)를 형성한다. 다공성 절연체(9)는 지지체로 덮여 있고, 이 지지체는 본 실시예의 경우 커버 (8)의 보호 기능을 공유하고 있다. 이 실시예는 상기와 같이 제조 기술적 이점을 제공한다.
제 1 도 및 제 5 도의 종단면도에서 알 수 있듯이 전극(1, 2, 3)의 신호는 상응하는 도체로(1', 2', 3')에 의해 센서의 대기측(大氣側) 말단에 전달되며, 그곳에서 도시하지 않은 관통공을 이용하여 센서의 표면에 안내되어 있다. 이 가열 장치(7)는 2개의 도선(양쪽의 면에서는 가열 장치 도선(7')만 도시되어 있음)을 갖고 있으며, 이 도선은 다시 센서의 대기측 말단에, 마찬가지로 도시되지 않은 도선접점을 구비하고 있다. 도체로(1', 2', 3')는 널리 알려진 것 같이 전해질(4) 혹은 지지체(6)의 다양한 시트 사이를 센서의 대기측 말단까지 안내되며 그곳에서는 평행하게 또는 마주 향해서 각각 도시하지 않은 접속부를 위한 접점으로서 구성되어 있다.
전극(3)에는 상기와 같이 다공성 도체로(3')가 접속되어 있으며, 이 도체로는 다공성 전극과 일체로 되고, 제 5 도에 의한 가열 장치 절연체(9)와 함께 압력 보상 접속부(18)를 형성하고, 이것을 통해서 전극(3)에서 발생하는 산소가 도피된다. 이미, 제조 기술적 이유에서 전극(3) 및 도체로(3')의 제조를 위해 같은 재료를 사용하는 일이 추천된다. 계속하여, 소결시에 전극(3)중에서 그리고 도체로(3')중에서 구멍을 형성시키며, 이 구멍은 대기와의 압력 보상을 가능하게 한다. 그러나, 전극(3)에서 센서의 대기측에 말단까지의 개방하는 통로를 구비하는 것도 가능하며 또한 전극 재료와는 틀린 다공성의 도전성이 아닌 재료, 예를들어 산화 알루미늄을 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 전극(3)의 신호를 평가 회로에 전달하는 특별한 도체로(3')를 제조해야 한다.
측정 셀과 기준 셀은 유익하게 제 1 도에 원칙적으로 도시한 것 같이 조절 회로에 의해 접속되어져 있다. 조절 회로는 전압원(10)으로부터 공급 전압(UV)에 의해 동작한다. 이 센서를 내연기관의 배기 가스중의 산소 함량의 측정을 위해 사용할 경우 유익하게 자동차의 배터리가 전압원(10)이다. 전류원(12)은 기준 셀(B)을 위한 일정의 펌프 전류(IP)를 공급하며 이 전류는 예를들면 50 ㎂ 인 것이 가능하다. 거기에다 기준 전압(UR)을 공급하는 기준 전압원(12)이 존재한다. 이것은 내연기관중에서 사용할 경우 일반적으로 약 400 mV 이다. 그러나, 일정의 비율을 근거로 람다 =1 의 경우에 기전력에 상당하는 다른 기준전압(UR) 예를들면, 300∼800mV 의 사이 전압을 설정하는 것도 가능하다. 기준 전압은 연산 증폭기(13)의 입력단에 놓여져 있다. 연산 증폭기(13)의 반전 입력단은, 전극(3) 및 전류원(11)에 접속되어 있다.
확산 차단부(5)를 거친 혼합물 교환의 경우에 전극(2)에서의 산소 부분압이 변화하는 경우 전극(2)과 전극(3) 사이의 펌프 전압(UP)도 변화한다. 농후 영역으로 변화하는 경우, 제 3 도에 따라서 펌프 전압(UP)은 상승하며 그것에 대해서 희박영역에 변화 할 경우에는 펌프 전압(UP)은 람다 =1 에 상당하는 400 mV 값 이하로 감소한다. 펌프 전압(UP)은 상기와 같이 연산증폭기(13)의 반전 단에 인가된다. 증폭기로서 작동하는 연산증폭기(13)는 기준 전압(UR)과 반전 입력단에 인가되는 펌프 전압(UP) 등을 비교한다. 그 비교로부터, 농후 가스 혼합물의 경우 연산 증폭기(13)의 출력단에서 마이너스의 전압 전위가 상응하는 측정 전압(UM)과 함께 나타나며, 이 측정 전압은 측정 전류(IM)을 산소가 이온의 모양으로 전극(1)에서 전극(2)으로 펌핑되도록 동작한다. 그것에 대해서 희박 가스 혼합물의 경우 측정 전압(UM)은 + 의 전압 전위와 함께 연산 증폭기(13)의 출력단에서 볼 수 있으며 그것에 의해 측정 전류의 유동 방향은 역전하며 산소 이온은 전극(2)에서 전극(1)으로 이송된다. 연산 증폭기(13)의 출력단은 전류계(14)를 거쳐서 전극(1)에 도달하고 있다. 전류계(14)를 이용하여 측정 전류 혹은 한계 전류(IM)가 측정된다. 전극(1)과 전극(2) 사이에서 전압계(15)를 이용하여 측정 전압(UM) 및 전극(2)과 전극(3) 사이에 제 2의 전압계 (16)를 이용하여 펌프 전압(UP)이 측정된다. 전류계(14)에 대신하여 측정 전류(IM)의 전류치를 내연기관의 연료/공기 혼합물의 조성을 조절하는 조절 장치에 공급하는 측정 장치를 접속하는 것이 가능하다.
조절 회로는, 유리하게 약 10-8인 일정의 적은 산소 부분압이 전극(2)을 거쳐서 유지되도록 보증한다. 산소 부분압은 일정의 기준 전압(UR)에 의해 규정된다. 이 압력은 널리 알려져 있듯이 화학양론적 연료/공기비의 경우 배기 가스중의 산소 부분압에 거의 상당한다. 희박 영역에서 운전한 경우, 전극(2)을 거친 산소 부분압은 확산 차단부가 있는데에도 불구하고 높다. 따라서, 측정 셀의 전압(UM)은 높으며 산소는 캐소드에서 감소하고, 이온의 형태로 전극(1)에 펌핑되며 그곳에서 방전한다 :
1/2 O2+ 2e-→ O2-
(희박 혼합물의 경우 캐소드로서의 전극(2)에서의 반응)
O2-→ 1/2 O2+2e-
(희박 혼합물의 경우 어노드로서의 전극(1)에서의 반응)
전극(2)에서 약 10-8바아의 산소 부분압이 유지되는 경우, 배기 가스 중의 산소 비율에 따라서 정도의 차는 있으며 산소는 이온 형태로 전극(2)에서 전극(1)으로 펌핑된다. 이것은 연산 증폭기가 펌프 전압(UP)과 기준 전압(UR)의 비교에 기초하여 설정하는 펌프 전압(UM)의 변화에 의해 생긴다. 그것에 대해서 측정 셀(IM)중에서의 전류의 세기는 높거나 낮다. 전류의 세기(IM)는 중요한 값이며, 그렇다고 하는 것도 이 세기는 배기 가스 중에서의 산소 함량에 대한 척도이며, 즉 산소 함량에 정비례한다.
농후 영역에서 운전할 경우, 즉 약 10-20바아의 배기 가스중의 산소 부분압에서 전극(2)에서의 산소 부분압은 같은 정도가 된다. 이것은, 그래서 약 10-8바아의 산소 부분압이 유지되는 경우에 산소를 전극(1)에서 이온의 상태로 전극(2)에 펌핑하게 되어진다:
CO2+ 2e-→ CO + O2-
H2O + 2e-→ H2+ O2-
(농후한 혼합물중에서의 캐소드로서의 전극(1)에서의 반응)
산소 이온은, 전극(2)에서 한쪽으로 확산하는 산화 가능한 성분을 산화한다. 예를들면 :
CO + O2-→ CO2+ 2e-
H2+ O2-→ H2O + 2e-
C2H4+ 602-→ 2CO2+2H2O + 12e-
(농후한 혼합물중에서의 어노드로서의 전극(2)에서의 반응)
다른쪽에서, 기준 전압(UR)(예를들면 400 mV)에 의해 일정한 산소부분압(예를 들면 10-8바아)이 달성될 때까지 산소 이온은 방전되어 분사 상태 산소가 된다.
O2-→ 1/2 O2+ 2e-
(농후한 혼합물 중에서의 어노드로서의 전극(2)에서의 반응)
적절한 확산 차단부(5)의 경우, 한계 전류가 흐르며 계속해서 확산되는 산화가능한 모든 성분이 산화되며 일정한 부분압이 달성되어 있는 동안 원소 상태 산소가 발생한다.
조절 회로는, 배기 가스의 품질이 변화한 경우, 예를들어, 배기 가스의 조성이 희박에서 농후 영역으로 또는 그 반대로 변화한 경우, 상기와 같이 전극(1, 2)의 극성을 교환시킨다.
극성, 람다치, 펌프 전압(UM) 및 전류강도(IM)의 관계는 제 3 도에 기초하여 설명하며, 도면중에서는 기준 셀의 특성 곡선(람다치에 대한 전압 UP) 및 측정 셀의 특성 곡선(람다치에 대한 측정 셀의 펌프 전압(UM))이 플롯도시(plot)된다. 내연 기관이 화학양론적 연료/공기 혼합물로 운전될 경우, 즉, 람다치가 1 인 경우, 측정 셀안의 펌프 전압(UM)은 실제로 0 V 이며, 기준 셀 안의 전압은 약 400 mV 이다. 배기 가스의 조성이 희박 범위, 예를 들어서 람다치 = 1.04 의 방향으로 변화할 경우 이미 람다치에서의 약간의 이행이 전압(UP)의 현저한 감소를 일으킨다. 조절 회로는 그것에 관해서 전극(1)을 어노드로서 전극(2)을 캐소드로서 접속한다. 측정 셀 안에서의 전압(UM)은 높으며 전극(2)을 거치는 산소 부분압이 재차 약 10-8바아이고, 측정 셀의 전압(UP)이 다시 약 400 mV 가 될 정도의 산소를 이온의 형태에서 전극(2)에서 펌핑한다. 배기 가스의 조성이 변화하지 않을때까지 산소는 이온 형태로 펌핑되어야 하며, 상응하는 전류(IM)가 흐르고, 그 전류의 세기는 제 2 도에서 읽을 수 있으며, 이것은 전극(1, 2)의 극성과 관련되어 배기 가스의 산소 함량과 비례한다.
배기 가스의 조성이 람다 = 1, 예를 들면 람다 = 1.02 의 방향으로 이행할 경우 전류 강도(IM)는 배기 가스의 저하되는 산소 함량에 상응하여 감소하지만 전극(1, 2)의 극성은 유지한 상태 그대로이다. 람다치가 < 1, 예를들어 0.99 로 변화할 경우 점차로 다음에 생기는 UP값, 예를 들면 약 400 mV 에서 약 960 mV 로의 비약이, 조정 회로에 전극(1, 2)을 펌프 전압(UM)의 상응하는 변화를 이용하여 전극 교환시키며, 산소를 이온 형태로 전극(1)에서 전극(2)으로 펌핑하도록 유인하게 된다. 이온의 흐름에 상응하는 전류강도(IM)는, 배기 가스중의 산소 함량이 변화하지 않는 한 유지되는 상태에서, 상기 전류 강도는 양쪽의 전극 극성과 관계하여 배기가스의 산소 함량을 위한 척도이다.
제 4 도는 본 발명에 의한 배기 가스 존데의 유리한 실시예이다. 이 경우 접속부의 수는 4 로 감소되어 있다. 이것은, 기준 셀(B)의 펌프 전류(IP)는, 유리하게 배기 가스 존데에 프린트된 전치(前置) 저항(21)을 거쳐서 가열 장치 접속부에서 100 KΩ 의 정도로 인출되는 것에 의해 달성된다. 펌프 전류(IP)는, 교류 전압을 위해 가열 장치에 관해서 거의 일정하다. 그러나, 전극(3)안에서는 약 1 바아의 산소압이 조절되며 그 결과 기준 전극으로서 이용하는 것이 가능한 것을 보증한다.
본 발명에 의한 배기 가스 존데는 공지의 방법으로 통상의 방법으로 제조된다. 지지체(6) 및 커버(8)는 시트로 제조하는 일이 가능하며 전극은 프린트되거나 또는 다른 공지의 방법에 의해 설치될 수 있다. 전해질(3) 및 차단층(5)은, 유리하게 스크린 인쇄에 의해 설치된다. 각각의 성분으로 이루어지는 센서를 구조화한 뒤, 유리하게 1200∼1450 ℃ 에서 함께 소결하는 것에 의해 상호 강고하게 결합시킨다. 제 1 도, 제 4 도, 및 제 5 도에는 도체로용 절연층의 표시가 생략되어 있다. 이 절연층은 도체로가 부가적인 전극으로서 작업하지 않도록 필요하다. 그러나 당업자에게는 전극이 어디에 어떻게 절연되어 있는지는 널리 알려져 있다.

Claims (9)

  1. 전극(1, 2)을 구비한 전기 화학적 측정 셀(A) 및 전극(2, 3)을 구비하며, 가스 혼합물에 대해서 기밀하게 차단되고 압력 보상 접속부(18)를 통해 대기와 접속하고 있는 내부의 산소 기준 구역(17)을 갖는 전기 화학적 기준 셀(B)과,
    가스 혼합물의 성분이 측정 셀 및 기준 셀에 공통의 전극(2)으로 확산하는 것을 곤란하게 하는 확산 차단부(5)와,
    측정 셀(A) 및 기준 셀(B)을 소정의 온도보다 높은 특정의 온도로 가열할 수 있는 가열 장치(7)를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 중의 산소 함량을 측정하기 위한 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    공급 전압(UV)을 공급하는 전압원(10)과, 기준 셀내에서 일정한 펌프 전류(IP)를 유지하는 전류원(11)과, 특정의 일정 전압(UR)으로 조절할 수 있는 기준 전압원(12)과, 전극(2, 3)의 사이에 나타나는 펌프 전압(UP)을 기준 전압(UR)과 비교하는 연산 증폭기(13)를 구비하는 조절 회로와 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 중의 산소 함량을 측정하기 위한 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    산소 기준 구역(17)과 다공성 도체로(3')가 함께 압력 보상 접속부(18)를 형성하도록 산소 기준 구역(17)은 대기까지 안내하는 다공성 도체로(3')와 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 중의 산소 함량을 측정하기 위한 센서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    전극(3)이 다공성이며, 그 구멍은 산소 기준 구역(17)을 나타내는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 중의 산소 함량을 측정하기 위한 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    가열 장치(7)가 다공성 전극(3)에 인접하여 배치된 다공성 절연체(9)내에 묻혀져 있으며, 이 절연체는 다공성 전극(3)과 함께 산소 기준 구역(17)을 형성하며, 다공성 전극(3) 및 다공성 도체로(3')와 함께 압력 보상 접속부(18)를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 중의 산소 함량을 측정하기 위한 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    다공성 절연체(9)가 산화 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 중의 산소 함량을 측정하기 위한 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    측정 셀(A) 및 기준 셀(B)의 고체 전해질(4)이 부분적으로 또는 완전히 안정화된 산화 지르코늄(IV)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 중의 산소 함량을 측정하기 위한 센서.
  8. 제 1 항에 기재된 센서를 사용하는 것을 특징으로 하는 내연기관에 공급된 연료/공기 혼합물의 조성을 조절하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    기준 전압(UR)이 400 mV 의 값으로 조절되는 것을 특징으로 하는 내연기관에 공급된 연료/공기 혼합물의 조성을 조절하는 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100667263B1 (ko) 2004-12-16 2007-01-11 (주)센코 전기화학식 산소가스 센서
KR102631601B1 (ko) * 2023-06-05 2024-02-02 주식회사 이너센서 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자 및 이를 포함하는 접촉 연소식 가스 센서

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4436222A1 (de) * 1994-10-11 1996-04-18 Bosch Gmbh Robert Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasgemischen
JP3521170B2 (ja) * 1996-03-19 2004-04-19 日本特殊陶業株式会社 排気ガスセンサ及びそれを用いたセンサシステム
US6071393A (en) * 1996-05-31 2000-06-06 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Nitrogen oxide concentration sensor
JP3694377B2 (ja) * 1996-11-29 2005-09-14 日本特殊陶業株式会社 酸素センサ及び空燃比検出方法
DE19815700B4 (de) * 1998-04-08 2004-01-29 Robert Bosch Gmbh Elektrochemisches Sensorelement mit porösem Referenzgasspeicher
EP1059524A1 (en) * 1998-12-24 2000-12-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Hydrocarbon sensor
DE19906908B4 (de) * 1999-02-19 2004-02-19 Robert Bosch Gmbh Sensor zur Analyse von Gasen
WO2000057167A1 (fr) * 1999-03-23 2000-09-28 Hitachi, Ltd. Dispositif de mesure de constituants de gaz
DE19950999B4 (de) * 1999-10-22 2013-07-25 Robert Bosch Gmbh Planares Sensorelement
JP3742000B2 (ja) 2000-11-30 2006-02-01 富士通株式会社 プレス装置
US6638405B2 (en) 2001-09-10 2003-10-28 Delphi Technologies, Inc. Gas sensor and method of manufacturing the same
DE10149739A1 (de) * 2001-10-09 2003-04-10 Bosch Gmbh Robert Sensorelement eines Gassensors
TW200504358A (en) * 2003-07-16 2005-02-01 Tokyo Gas Co Ltd Device for judging types of liquid in container and control method therefor
DE10345143B4 (de) * 2003-09-29 2006-08-24 Robert Bosch Gmbh Sensorelement
US7067323B2 (en) * 2003-10-15 2006-06-27 Lighthouse Instruments, Llc System and method for automated headspace analysis
US7197866B2 (en) * 2003-11-10 2007-04-03 Ford Global Technologies, Llc Control approach for use with dual mode oxygen sensor
US7449092B2 (en) * 2003-12-17 2008-11-11 Ford Global Technologies, Llc Dual mode oxygen sensor
DE102004049874A1 (de) * 2004-10-13 2006-04-20 Robert Bosch Gmbh Gasmessfühler
JP2006112918A (ja) * 2004-10-14 2006-04-27 Hitachi Ltd 酸素センサ
DE102005015569A1 (de) * 2005-04-05 2006-10-12 Robert Bosch Gmbh Keramisches Widerstands- oder Sensorelement
DE102008002446A1 (de) * 2008-06-16 2009-12-17 Robert Bosch Gmbh Sensorelement
JP2010164589A (ja) * 2010-04-30 2010-07-29 Hitachi Automotive Systems Ltd 酸素センサ
US11150217B2 (en) 2017-03-13 2021-10-19 University Of Houston System Method for directly measuring SO2 and other trace gases by electrochemical cell (ECC) sonde

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4334974A (en) * 1979-02-23 1982-06-15 Robert Bosch Gmbh Electrochemical oxygen sensor, particularly for use with exhaust gases of internal combustion engines, and especially for polarographic application

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3841987A (en) * 1972-03-10 1974-10-15 Bosch Gmbh Robert Electro-chemical oxygen sensor,particularly for use in the exhaust system of internal combustion engines
JPS5289989A (en) * 1976-01-23 1977-07-28 Hitachi Ltd Oxygen concentration detector
JPS53147593A (en) * 1977-05-27 1978-12-22 Hitachi Ltd Oxygen density measuring device
DE2909201C2 (de) * 1979-03-09 1986-11-20 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschninen
GB2183042B (en) * 1985-09-27 1989-09-20 Ngk Spark Plug Co Air/fuel ratio sensor
US4839019A (en) * 1986-11-20 1989-06-13 Fuji Electric Co., Ltd. Oxygen sensor
JPH0786498B2 (ja) * 1988-06-02 1995-09-20 日本碍子株式会社 加熱型酸素センサ
US5290421A (en) * 1991-09-11 1994-03-01 Markel Corporation Oxygen sensor lead wire

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4334974A (en) * 1979-02-23 1982-06-15 Robert Bosch Gmbh Electrochemical oxygen sensor, particularly for use with exhaust gases of internal combustion engines, and especially for polarographic application

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100667263B1 (ko) 2004-12-16 2007-01-11 (주)센코 전기화학식 산소가스 센서
KR102631601B1 (ko) * 2023-06-05 2024-02-02 주식회사 이너센서 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자 및 이를 포함하는 접촉 연소식 가스 센서

Also Published As

Publication number Publication date
JP3626775B2 (ja) 2005-03-09
KR950009249A (ko) 1995-04-21
DE4333232B4 (de) 2004-07-01
JPH07174729A (ja) 1995-07-14
DE4333232A1 (de) 1995-04-06
US5474665A (en) 1995-12-12

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