JPH0473100B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） ガスセンサは、なかでも空燃比検知のため、内
燃機関などの排気ガス雰囲気下で多用されつつあ
る酸素センサの改良に関してこの明細書で述べる
技術内容は、被測定ガス流によるセンサ本体の冷
却を伴う不利なく、応答性の改善を目指した開発
研究の成果を提案するところにあり、非限定的な
意味で一般に液体又は気体燃料の燃焼とくに自動
車の燃料供給に関連した技術を含む産業分野に位
置づけられる。 （従来の技術） 特開昭58−153155号公報には、酸素イオン導伝
性固体電解質板状体の先端側両面にそれぞれ電極
層を形成した素子の対を、それらの互に向い合う
電極間で平行に狭〓を介し対設し、それぞれ酸素
ポンプ素子と酸素濃淡電池素子とする酸素センサ
が開発されているが、これは例えば内燃機関の排
気ガス雰囲気中にて実用する際にははげしい気流
の影響を強く受けるところ、これについての防護
対策に触れられていない。 （発明が解決しようとする問題点） 被測定ガス環境に依存する気流の影響に対して
は、一般に多数の導入穴をあけた多孔筒状のプロ
テクタをかりに用いたとしても該導入穴から浸入
するガス流による素子の抜熱冷却を防ぐことが困
難であり、とくに応答性をより良好にしようとす
ると抜熱作用も不所望に増強されてしまうところ
に問題点があつた。 （問題点を解決するための手段） センサ本体の冷却を伴う不利なしに応答性の改
善を図る目的に対しては、 (a) 上記素子つまりセンサ本体につき、ガス流が
直接に当たらない配置とすること、 (b) センサ本体の周囲でガス流が周回する向きの
導入穴をプロテクタに開設すること、 (c) そしてセンサ本体には直面しない位置での導
入穴の開度を拡げること が、とくに有利であつて、(a)はガス流による抜熱
作用を抑制し、(b)は抜熱防止の下での応答性の向
上、そして(c)は応答性の改善に役立つことが見出
された。 第１図はこの発明に従う空燃比検知センサを示
し、１はセンサ本体、２は取付け金具、３はプロ
テクタである。 センサ本体１は酸素イオン導伝性固体電解質板
状体（以下単にイオン導伝体という）の両面に電
極を形成した素子の対よりなり両素子の互いに向
き合う電極間に狭〓Ｇを設け、この狭〓Ｇ内にて
被測定ガス雰囲気と接触させる配置として該狭〓
Ｇにより拡散の制限が行われるようにした固体電
解質酸素ポンプ４及び酸素濃淡電池５を用いるこ
とが前提である。さらに図示のように固体電解質
酸素ポンプ４の背後に沿わせて配置したヒーター
６を含むものとすることが好ましい。 センサ本体１は上記狭〓Ｇの先側と反対の元側
にて、締結用ねじ７を設けた取付け金具２の内部
で、耐熱性無機質接着剤たとえばりん酸アルミ系
セメントによる充てん層８、ガラスシール９によ
つて固着する。 酸素ポンプ４および電池５は、ともに例えば安
定化ジルコニア磁器の両面に酸素の拡散抵抗性を
もつ金属酸化物を含む多孔質金属質膜よりなるか
または、酸素の拡散抵抗性をもつ多孔質耐火材料
による被覆を有する電極をそなえる。 狭隙Ｇの先側と反対のセンサ本体１の元側は図
のような接続用導線１０とともにガラスシール９
に埋設合体し、取付け金具２に固着した継管１１
の内部にかしめ止めする耐熱ゴム例えばシリコー
ンゴムよりなる封塞栓１２による防水シールの下
に接続用導線１０を外部に引出す。 取付け金具７の締結用ねじ７の端部に、被測定
ガス環境と、該ガスの導入穴１３を介して連通し
てセンサ本体１を包囲するキヤツプ状のプロテク
タ３をかぶせる。 導入穴１３には、狭隙Ｇの先側の近傍にて、該
先側からセンサ本体１に対し離れる程、導入ガス
量が多くなる旋回流をプロテクタ３内に導く、偏
向片１４を設ける。 偏向片１４は、プレス加工でのいわゆる押抜き
による切曲げ又は切起し加工によつて、通常円筒
状をなすプロテクタ３の内周に対し接続方向で内
向きに突出するように形成する。ここにセンサ本
体１の先側を含みプロテクタ３の軸心と直交する
平面と接するかまたはこれに近接する配列αの偏
向片１４の切曲げ又は切り起し角度に対し、セン
サ本体１の先側からプロテクタ３の端部の方へよ
り遠く離れる配列βの偏向片１４のそれを、より
大きくすることが重要で、（第２図ｂのように）
さらにセンサ本体１を取囲む配列γにて偏向片を
設けるときには、この切曲げ又は切起し角度はむ
しろより小さくする。 この角度は、偏向片１４の導入穴１３と対向す
る面の、プロテクタ３の内周面との交点における
該内周面の接線に対する交角θ（第１図Ａ−Ａ断
面図参照）で定義し、配列αにつき５〜45゜、配
列βにつき30〜90゜として、α＜βの関係とする。 偏向片１４は、たとえば内径10mm程度のプロテ
クタ３に対し半径ほぼ２mmの半円形の導入穴１３
を、プロテクタ３の母線方向に沿う向きにて、弦
を限界するものとして、配列αについて４こ程
度、また配列βについては４〜８こ程度を何れも
プロテクタ３の円周に沿う等間隔で配列αとβと
における導入穴１３の開口縁がオーバーラツプし
ないように配置するのか好ましい。ちなみにこの
場合プロテクタ３の全長は、幅ほぼ４mmとしたセ
ンサ本体１の取付け金具２上の突出高さのほぼ２
倍、図示の例では20mm程度が好ましい。 （作用） 上記の構成において被測定ガス環境へ設置し、
たとえば酸素ポンプ４の狭隙に面する電極に負、
反対面の電極で正となる電圧を印加することによ
り、固体電解質内を酸素イオンが移動して狭隙Ｇ
から汲み出され、被測定ガス環境との間に酸素濃
度の差が生じる。 この濃度差によつて電池５に起電力を生じ、こ
の起電力は、狭隙Ｇの３方の開口端から流入拡散
する酸素量と酸素ポンプ４により上記のように汲
み出される酸素量とが平衡に達したとき一定値に
収斂するのでこの平衡が維持される酸素ポンプ４
の電流調節にて、ほぼ一定温度下にその電流値は
被測定ガス環境の酸素濃度とほぼ比例することか
ら、その酸素濃度を求めることができる。 なお電池５の代わりに、たとえばその電極を省
略した形の断熱性耐火材料を狭隙Ｇの形成に用い
た酸素ポンプ４のみを素子に用いる酸素濃度の検
出は、たとえば酸素ポンプ４に十分高い一定の電
圧を印加しその時にポンプに流れる電流すなわち
狭隙を介して汲み出される酸素量が被測定ガス環
境中の酸素濃度に依存することを利用して、酸素
濃度を測定するようにすればよい。 何れにしてもプロテクタ３の導入穴１３を通し
て流入する被測定ガスの気流が激しいと、それに
よる抜熱作用にて一定温度の前提が崩れるわけで
あるが、この導入穴１３の上述配置と、偏向片の
適切な配置をもつてプロテクタ３内に旋回流動を
生じさせることにより、被測定ガスの勘だしい気
流による、センサ本体１に不所望な抜熱作用が有
効に回避されしかも応答性の向上に著しい寄与を
呈する。 （実施例） 第１図に従い内径10mm、肉厚0.3mmの薄肉をな
すキヤツプ状のプロテクタ３に配列α，βとも４
こ宛、何れも半径２mmの半円形をなして開口する
導入穴１３を円周上等間隔配置にて、配列αの偏
向片１４の切曲げ角度θを25゜配列βの偏向片１
４の切曲げ角度θを45゜として例（No.１）、配列β
の偏向片１４のみθ：60゜に変えた例（No.２）、お
よび配列α，βはNo.２と同じにしてとくに配列γ
にてθ：10゜の偏向片１４を加えた例（No.３）に
つき、配列α，βとも半径２mmの円形打抜き孔と
し、偏向片をもたない参考例（No.４）と、センサ
本体１をその狭隙Ｇの先側と対応する位置に至る
高さで取囲む偏向配列α_vとこれを上下に挟む配列
β_v，γ_vの導入穴１３に、何れも切曲げ又は切起し
角度θ：25゜の偏向片１４を設けた参考例（No.５）
およびNo.４の配列αを廃し、βのみとした参考例
（No.６）とを比較して、次の条件に従う性能を対
比した結果を表１にまとめて示した。なお上記各
例の導入穴配列を第２図ａ〜ｅに示した。 試験条件 温度計測：電池５の電極表面に0.32mmφのクロメ
ルアルメル熱電対を接着してそれによる熱起電
力により、電池５の表面温度を試験中測定し
た。 応答性：2000c.c.ガソリン噴射エンジンの排気管に
装着して排ガス平均温度450℃の運転中、ヒー
ター出力14V、15Wで一定とし、吸入混合気の
空燃比につき、空気過剰率λを1.1から1.3に変
更したときにおける応答時間を調べた。 なおガス流速に由来した指示のばらつきについ
てはエンジン暖機状態の700〜1000rpm、約600
／min低流速時のセンサ出力をベースとし、排
ガス流量が約3000／minとなる3000〜4000rpm
相当の高流速時のセンサ出力との差を比較し、調
べた。

【表】 この結果から明らかなように参考例No.４、No.５
では、応答性につき参考例No.６に比べてすぐれて
いて実用可能範囲であるが、センサ本体１の温度
低下が800℃以下ではげしく、空燃比（Ａ／Ｆ）
の指示のばらつきも大きくて不具合であるに反
し、実施例のNo.１〜３では、センサ本体１の抜熱
が少なく、しかも応答性の改善がみられる。 第３図には酸素濃度の測定に適合する被測定ガ
ス温度に対するセンサ本体１の温度の関係を、第
１図の例（No.１）における場合と、第２図ｄの
（No.５）の例の場合を曲線イとロにて比較したが、
図に破線で示した直線で示される安定測定領域を
曲線ロは下まわつているので、被測定ガス温度が
ほぼ400℃以下のとき、安定な測定が困難となり、
測定可能範囲が狭く実用に適合し難い。 なお上記したところのほか第４図ａ，ｂおよび
ｃに示すように、配列α，βにまたがる長スリツ
ト状の導入穴１３を、センサ本体１から離れる程
切曲げによる穴の幅が大きくなる偏向片１４でプ
ロテクタ３内に周回流を導く場合、また、配列β
についてのみ単純な円形孔とする変形の場合、さ
らに配列βについて半円形偏向片付の導入穴の数
を８こに増した変形のばあいも、実施例１〜３に
おけると同等の機能が発揮され得た。 （発明の効果） 被測定ガス雰囲気の激しいガス流動の下にセン
サ本体の不所望な抜熱冷却を免れつつ応答性の改
善を導くことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は断面図、第２図は要部の外観正面図、
第３図は被測定ガス温度に対するセンサ本体温度
の関係グラフ、第４図は変形実施例の外観正面図
である。 Ｇ……挾隙、１……センサ本体、２……取付け
金具、３……プロテクタ、１３……導入穴、１４
……偏向片。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素イオン導伝性固体電解質板状体の両面に
   それぞれ電極を形成した一対の素子からなり、両
   素子の互いに向い合う電極間に狭〓を設け、この
   狭〓内に浸入する被測定ガスと接触させる配置と
   して該狭〓により拡散の制限をした固体電解質酸
   素ポンプ及び酸素濃淡電池を用いるセンサ本体
   を、上記狭〓の先側と反対のセンサ本体の元側を
   保持固定する取付け金具に組合わせて成る、空燃
   比検知センサであつて、 被測定ガス環境と該ガスの導入穴を介した連通
   下にセンサ本体を包囲するキヤツプ状のプロテク
   タを取付け金具にかぶせ、 このプロテクタには、上記狭〓の先側の近傍に
   て該先側からセンサ本体に対し離れるほど導入ガ
   ス量が多くなる上記導入穴からの旋回流をプロテ
   クタ内に導く偏向片を設けた ことを特徴とする、空燃比検知センサ。 ２ 偏向片が切曲げ又は切起し加工によるもので
   ある。特許請求の範囲第１項に記載のセンサ。 ３ プロテクタの導入穴が、狭〓の先側を含む平
   面と接し又は近接して開口する配列である、特許
   請求の範囲第１項又は第２項に記載のセンサ。 ４ 導入穴の配列が、互い違いの複列である特許
   請求の範囲第１項〜第３項の何れか一に記載のセ
   ンサ。 ５ 偏向片が狭〓の先側を含む平面に接するもの
   における切曲げ又は切り起し角度を最小にし、先
   側からセンサ本体に対し離れるにつれより大きい
   角度になるものとした、特許請求の範囲第４項に
   記載のセンサ。