JPH07174729A - ガス混合物中の酸素含量を測定するためのセンサーおよび内燃機関に供給された燃料／空気混合物の組成を調節する方法 - Google Patents
ガス混合物中の酸素含量を測定するためのセンサーおよび内燃機関に供給された燃料／空気混合物の組成を調節する方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 製造技術的に有利であり、高い感度を示し、
長い時間にわたっても確実に作業することができる測定
センサー。 【構成】 電極（１，２）を備えた電気化学的測定セル
（Ａ）、および電極（２，３）を備え、ガス混合物に対
して気密に遮断されかつ圧力補償接続部（１８）を介し
て大気と接続している内部の酸素基準区域（１７）を有
する電気化学的基準セル（Ｂ）；ガス混合物の成分が測
定セルおよび基準セルに共通の電極（２）へ拡散するの
を困難にする拡散遮断部（５）；および測定セル（Ａ）
および基準セル（Ｂ）を特定の温度にまで加熱すること
ができる加熱装置（７）を備えており、その際、電気化
学的測定セル（Ａ）および電気化学的基準セル（Ｂ）中
の固体電解質（４）のイオン伝導性が十分に大きいこと
を特徴とするガス混合物中の酸素含量を測定するセンサ
ー。
長い時間にわたっても確実に作業することができる測定
センサー。 【構成】 電極（１，２）を備えた電気化学的測定セル
（Ａ）、および電極（２，３）を備え、ガス混合物に対
して気密に遮断されかつ圧力補償接続部（１８）を介し
て大気と接続している内部の酸素基準区域（１７）を有
する電気化学的基準セル（Ｂ）；ガス混合物の成分が測
定セルおよび基準セルに共通の電極（２）へ拡散するの
を困難にする拡散遮断部（５）；および測定セル（Ａ）
および基準セル（Ｂ）を特定の温度にまで加熱すること
ができる加熱装置（７）を備えており、その際、電気化
学的測定セル（Ａ）および電気化学的基準セル（Ｂ）中
の固体電解質（４）のイオン伝導性が十分に大きいこと
を特徴とするガス混合物中の酸素含量を測定するセンサ
ー。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、欠乏、中立および豊富
領域内の、ガス混合物中の、特に内燃機関からの排気ガ
ス中の酸素含量を測定するためのポンプ基準を用いたセ
ンサーに関する。さらに、本発明は新規の排気ガスセン
サーを用いた内燃機関に供給された燃料／空気混合物の
組成を調節する方法に関する。
領域内の、ガス混合物中の、特に内燃機関からの排気ガ
ス中の酸素含量を測定するためのポンプ基準を用いたセ
ンサーに関する。さらに、本発明は新規の排気ガスセン
サーを用いた内燃機関に供給された燃料／空気混合物の
組成を調節する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディーゼル機関およびオットー機関のよ
うな内燃機関は、所望の運転状態に応じて、燃料が化学
量論的に過剰量で存在する（豊富領域）か、空気酸素が
化学量論的に上回る（欠乏領域）か、または燃料と空気
とが化学量論に相当するような燃料／空気比により運転
されることは公知である。燃料／空気混合物の組成は排
気ガスの組成を決定する。豊富領域では、著しい量の未
燃焼または部分的に燃焼した燃料が見出され、一方酸素
はほとんど消滅している。欠乏領域では、この割合は反
対にあり、燃料／空気混合物の化学量論的組成の場合
は、燃料ならびに酸素は最低限に抑えられている。燃料
／空気比に対する一般的尺度は、排気ガス中で測定され
るラムダ値であり、これは欠乏領域では＞１であり、豊
富領域では＜１であり、中立領域では＝１である。
うな内燃機関は、所望の運転状態に応じて、燃料が化学
量論的に過剰量で存在する（豊富領域）か、空気酸素が
化学量論的に上回る（欠乏領域）か、または燃料と空気
とが化学量論に相当するような燃料／空気比により運転
されることは公知である。燃料／空気混合物の組成は排
気ガスの組成を決定する。豊富領域では、著しい量の未
燃焼または部分的に燃焼した燃料が見出され、一方酸素
はほとんど消滅している。欠乏領域では、この割合は反
対にあり、燃料／空気混合物の化学量論的組成の場合
は、燃料ならびに酸素は最低限に抑えられている。燃料
／空気比に対する一般的尺度は、排気ガス中で測定され
るラムダ値であり、これは欠乏領域では＞１であり、豊
富領域では＜１であり、中立領域では＝１である。
【０００３】排気ガスの組成を知ることは、燃料／空気
混合物の組成をそのつどの必要条件に応じて最適にする
ことを目的にして制御する操作のための基礎である。数
年来、排気ガスの酸素含量を測定し、燃料／空気比をそ
のつどの必要条件に相応して調節する評価回路にこの測
定信号を提供するゾンデは公知である。このようなゾン
デは電位差的にまたはポラログラフィー的に作業するこ
とができる。電位差ゾンデは測定すべきガスの異なる部
分圧のもとにある２つの電極の間の電流を測定すること
に基づいている。ポラログラフィーゾンデはポンプセル
の限界電流の測定に基づいている。
混合物の組成をそのつどの必要条件に応じて最適にする
ことを目的にして制御する操作のための基礎である。数
年来、排気ガスの酸素含量を測定し、燃料／空気比をそ
のつどの必要条件に相応して調節する評価回路にこの測
定信号を提供するゾンデは公知である。このようなゾン
デは電位差的にまたはポラログラフィー的に作業するこ
とができる。電位差ゾンデは測定すべきガスの異なる部
分圧のもとにある２つの電極の間の電流を測定すること
に基づいている。ポラログラフィーゾンデはポンプセル
の限界電流の測定に基づいている。
【０００４】ドイツ連邦共和国特許出願公開（Ａ１）第
３６３２４５６号明細書から、内燃機関のための燃料／
空気混合物を調節するゾンデは公知であり、このゾンデ
は、酸素イオンを伝導する固体電解質からなる第１のプ
レートの両側に配置されている２つの多孔性電極を備え
た第１のポンプセル、ならびに同様に酸素を伝導する固
体電解質からなる第２のプレートの両側に配置されてい
る２つの多孔性電極を備えた第２のポンプセルを有して
いる。両方のポンプセルの１個の多孔性電極につき、ポ
ンプセルの間にある１個のガス室が接続しており、この
ガス室はその側で拡散制限−または圧力調節部分として
作用する通路を介して測定すべきガスと連結している。
第１のポンプセルの多孔性電極の一つ、つまりガス室と
接触している電極は、同時に内部酸素基準として用いら
れる。この電極は、漏出圧力調節部分を介して、ガス室
と接触している第１のポンプセルの電極と連結されてい
る。特定の実施態様の場合、ガス室と接触している両方
の電極は、一つの電極にまとめられることができる。
３６３２４５６号明細書から、内燃機関のための燃料／
空気混合物を調節するゾンデは公知であり、このゾンデ
は、酸素イオンを伝導する固体電解質からなる第１のプ
レートの両側に配置されている２つの多孔性電極を備え
た第１のポンプセル、ならびに同様に酸素を伝導する固
体電解質からなる第２のプレートの両側に配置されてい
る２つの多孔性電極を備えた第２のポンプセルを有して
いる。両方のポンプセルの１個の多孔性電極につき、ポ
ンプセルの間にある１個のガス室が接続しており、この
ガス室はその側で拡散制限−または圧力調節部分として
作用する通路を介して測定すべきガスと連結している。
第１のポンプセルの多孔性電極の一つ、つまりガス室と
接触している電極は、同時に内部酸素基準として用いら
れる。この電極は、漏出圧力調節部分を介して、ガス室
と接触している第１のポンプセルの電極と連結されてい
る。特定の実施態様の場合、ガス室と接触している両方
の電極は、一つの電極にまとめられることができる。
【０００５】
【発明の構成】請求項１から７までのいずれか１項記載
のポンプ基準を備えたセンサーは製造技術的に有利であ
り、請求項８および９による方法では、所望な高い感度
を示し、長い時間にわたっても確実に作業する。これに
は、特に大気に対する酸素基準区域の圧力補償接続部が
寄与している。この圧力補償接続部は測定ガスからの還
元する成分が酸素基準区域中へ拡散することを阻止す
る。従って、このような拡散の危険性は、少ないポンプ
電流に基づき酸素基準電極での酸素部分圧が圧力補償接
続部中での対流を引き起すことができないために生じ
る。この回路装置は、ドイツ特許出願公開第３６３２４
５６号明細書に記載されたものよりも明らかに簡潔であ
る。製造技術的には、加熱装置および酸素基準を空間的
および機能的にまとめている請求項５によるセンサーが
特に有利である。
のポンプ基準を備えたセンサーは製造技術的に有利であ
り、請求項８および９による方法では、所望な高い感度
を示し、長い時間にわたっても確実に作業する。これに
は、特に大気に対する酸素基準区域の圧力補償接続部が
寄与している。この圧力補償接続部は測定ガスからの還
元する成分が酸素基準区域中へ拡散することを阻止す
る。従って、このような拡散の危険性は、少ないポンプ
電流に基づき酸素基準電極での酸素部分圧が圧力補償接
続部中での対流を引き起すことができないために生じ
る。この回路装置は、ドイツ特許出願公開第３６３２４
５６号明細書に記載されたものよりも明らかに簡潔であ
る。製造技術的には、加熱装置および酸素基準を空間的
および機能的にまとめている請求項５によるセンサーが
特に有利である。
【０００６】図１は調節回路の原理を含めた、本発明に
よるセンサーの１つの実施態様の縦断面図を示す。図２
はこのようなセンサーの特性曲線、つまり測定セル中で
のポンプ電流ＩMのラムダ値への依存性を示す。図３で
は、本発明によるセンサーの２つの他の特性曲線、つま
りラムダ値に依存する操作を調節せずに得られた基準セ
ルＢのポンプ電圧ＵPならびに測定セルのポンプ電流ＩM
から導かれ、再度ラムダ値に対して示された補整された
測定電圧ＵMが示される。図４には、接続部の数が減じ
られた本発明によるセンサーのもう一つの実施態様の横
断面図が示される。ここでは図１に十分に相当する調節
回路が省略されている。これは図５にも該当し、図５は
本発明によるセンサーの特に有利な実施態様の縦断面図
を示す。
よるセンサーの１つの実施態様の縦断面図を示す。図２
はこのようなセンサーの特性曲線、つまり測定セル中で
のポンプ電流ＩMのラムダ値への依存性を示す。図３で
は、本発明によるセンサーの２つの他の特性曲線、つま
りラムダ値に依存する操作を調節せずに得られた基準セ
ルＢのポンプ電圧ＵPならびに測定セルのポンプ電流ＩM
から導かれ、再度ラムダ値に対して示された補整された
測定電圧ＵMが示される。図４には、接続部の数が減じ
られた本発明によるセンサーのもう一つの実施態様の横
断面図が示される。ここでは図１に十分に相当する調節
回路が省略されている。これは図５にも該当し、図５は
本発明によるセンサーの特に有利な実施態様の縦断面図
を示す。
【０００７】
【実施例】本発明によるセンサーを用いて、内燃機関か
らの排気ガスの酸素含量を、豊富、中立および欠乏領域
で測定し、機関に供給される燃料／空気混合物の組成を
調節することができる。図１、４および５から明らかな
ように、センサーは多孔性電極１〜３を備えた測定セル
Ａおよび基準セルＢを有しており、その際、電極２は両
方のセルに共通である。電極１〜３は固体電解質４と接
続されている。拡散孔２０および拡散遮断部５を介して
電極２に排気ガスが案内されている。
らの排気ガスの酸素含量を、豊富、中立および欠乏領域
で測定し、機関に供給される燃料／空気混合物の組成を
調節することができる。図１、４および５から明らかな
ように、センサーは多孔性電極１〜３を備えた測定セル
Ａおよび基準セルＢを有しており、その際、電極２は両
方のセルに共通である。電極１〜３は固体電解質４と接
続されている。拡散孔２０および拡散遮断部５を介して
電極２に排気ガスが案内されている。
【０００８】測定セルには一般に白金からなる電極１お
よび２が所属する。これらの電極は有利に０．５〜２μ
ｍの厚さで、多孔性である。より厚い電極はガスの通過
を困難にし、排気ガスの酸素含量の変化に関するセンサ
ーの応答時間を高める。
よび２が所属する。これらの電極は有利に０．５〜２μ
ｍの厚さで、多孔性である。より厚い電極はガスの通過
を困難にし、排気ガスの酸素含量の変化に関するセンサ
ーの応答時間を高める。
【０００９】固体電解質４として特に酸化ジルコニウム
（ＩＶ）が適しており、これは有利に元素周期律表の第
２副族の元素の酸化物により安定化、有利に部分安定化
されている。適当な安定化酸化物は、たとえば酸化スカ
ンジウムおよび有利に酸化イットリウムならびに、配列
数＞６４を有するより高い希土類の酸化物、たとえば酸
化エルビウムおよび酸化イッテルビウムである。部分安
定化のための最適な量は、試験により簡単に測定するこ
とができる。酸化ジルコニウム（ＩＶ）／酸化イットリ
ウム（ＩＩＩ）の系にとってこの量は４〜７モル％であ
る。他の適当なイオン伝導性固体電解質は酸化ジルコニ
ウム（ＩＶ）と、酸化チタン（ＩＶ）、酸化ビスマス
（ＩＩＩ）および／または酸化セリウム（ＩＶ）との混
合酸化物である。
（ＩＶ）が適しており、これは有利に元素周期律表の第
２副族の元素の酸化物により安定化、有利に部分安定化
されている。適当な安定化酸化物は、たとえば酸化スカ
ンジウムおよび有利に酸化イットリウムならびに、配列
数＞６４を有するより高い希土類の酸化物、たとえば酸
化エルビウムおよび酸化イッテルビウムである。部分安
定化のための最適な量は、試験により簡単に測定するこ
とができる。酸化ジルコニウム（ＩＶ）／酸化イットリ
ウム（ＩＩＩ）の系にとってこの量は４〜７モル％であ
る。他の適当なイオン伝導性固体電解質は酸化ジルコニ
ウム（ＩＶ）と、酸化チタン（ＩＶ）、酸化ビスマス
（ＩＩＩ）および／または酸化セリウム（ＩＶ）との混
合酸化物である。
【００１０】拡散遮断部５は、有利に一般に１５〜４５
μｍの厚さの多孔性酸化ジルコニウム（ＩＶ）からな
る。この遮断部は測定セルＡ中の電流ＩMがもっぱら拡
散経過により決定されることをもたらし、電極２を介し
て一定の酸素部分圧を保持できることに寄与する。欠乏
領域での運転の場合、つまり酸素が豊富な排気ガスの場
合、遮断層５は主に酸素が電極２へ拡散するのを妨げ、
豊富領域での運転の場合、つまり、多くの未燃焼の成分
および少ない酸素を有する排気ガスの場合、主に、炭化
水素、一酸化炭素および水が電極２へ拡散するのを妨げ
る。拡散遮断部５は形状、大きさ、多孔性によって、電
極２での酸素部分圧（基準電圧ＵRに相当する）を調整
することができるように製造されている。内燃機関から
の排気ガス中の酸素を測定するためのセンサーの場合、
基準電圧は原則として約４００ｍＶであり、これは約１
０~8バールの酸素部分圧に相当する。この部分圧は、機
関が約１のラムダ値で運転する場合に調節される。遮断
層の拡散抵抗が少なすぎる場合には、欠乏領域での運転
の際に多すぎる酸素が電極２へ到達し、その結果、測定
電流ＩMが電圧非依存性でなくなり（つまり限界電流が
なくなり）、ひいてはもはや排気ガス中の酸素濃度に対
する尺度もしくはラムダ値に対する尺度がなくなる。大
きすぎる拡散抵抗の場合、限界電流は流れるが、これは
小さすぎ、その結果、センサーの感度は不十分となる。
μｍの厚さの多孔性酸化ジルコニウム（ＩＶ）からな
る。この遮断部は測定セルＡ中の電流ＩMがもっぱら拡
散経過により決定されることをもたらし、電極２を介し
て一定の酸素部分圧を保持できることに寄与する。欠乏
領域での運転の場合、つまり酸素が豊富な排気ガスの場
合、遮断層５は主に酸素が電極２へ拡散するのを妨げ、
豊富領域での運転の場合、つまり、多くの未燃焼の成分
および少ない酸素を有する排気ガスの場合、主に、炭化
水素、一酸化炭素および水が電極２へ拡散するのを妨げ
る。拡散遮断部５は形状、大きさ、多孔性によって、電
極２での酸素部分圧（基準電圧ＵRに相当する）を調整
することができるように製造されている。内燃機関から
の排気ガス中の酸素を測定するためのセンサーの場合、
基準電圧は原則として約４００ｍＶであり、これは約１
０~8バールの酸素部分圧に相当する。この部分圧は、機
関が約１のラムダ値で運転する場合に調節される。遮断
層の拡散抵抗が少なすぎる場合には、欠乏領域での運転
の際に多すぎる酸素が電極２へ到達し、その結果、測定
電流ＩMが電圧非依存性でなくなり（つまり限界電流が
なくなり）、ひいてはもはや排気ガス中の酸素濃度に対
する尺度もしくはラムダ値に対する尺度がなくなる。大
きすぎる拡散抵抗の場合、限界電流は流れるが、これは
小さすぎ、その結果、センサーの感度は不十分となる。
【００１１】基準セルＢは同様にポンプセルである。そ
の電極３は一般に同様に白金からなる。この電極は有利
に同様に多孔性である；この孔は酸素基準区域１７を表
す。この電極の厚さは、有利に５〜２５μｍである。電
極３は排気ガスに対して気密に封鎖されており、圧力補
償接続部１８を介して大気と接続されている。電極３の
酸素圧は、約１バールに調節される、それというのも、
電極２からイオンの形でポンピングされ電極３でガス状
で発生する酸素は圧力補償接続部１８を通して周辺へ逃
されるためである。
の電極３は一般に同様に白金からなる。この電極は有利
に同様に多孔性である；この孔は酸素基準区域１７を表
す。この電極の厚さは、有利に５〜２５μｍである。電
極３は排気ガスに対して気密に封鎖されており、圧力補
償接続部１８を介して大気と接続されている。電極３の
酸素圧は、約１バールに調節される、それというのも、
電極２からイオンの形でポンピングされ電極３でガス状
で発生する酸素は圧力補償接続部１８を通して周辺へ逃
されるためである。
【００１２】測定セルＡおよび基準セルＢは、図１およ
び４から明らかなように、支持体６と結合しており、こ
の支持体は有利に酸化アルミニウムからなっている。支
持体には加熱装置７が接続され、この加熱装置はその側
でカバー８により保護されており、このカバーも酸化ア
ルミニウムからなることができる。しかし、加熱装置を
通常のように酸化ジルコニウム（ＩＶ）からなる２層間
に配置することもできる。この加熱装置７は両方のセル
を、電解質４のイオン伝導性が十分に大きい温度に加熱
する。この温度は有利に５５０〜８００℃である。
び４から明らかなように、支持体６と結合しており、こ
の支持体は有利に酸化アルミニウムからなっている。支
持体には加熱装置７が接続され、この加熱装置はその側
でカバー８により保護されており、このカバーも酸化ア
ルミニウムからなることができる。しかし、加熱装置を
通常のように酸化ジルコニウム（ＩＶ）からなる２層間
に配置することもできる。この加熱装置７は両方のセル
を、電解質４のイオン伝導性が十分に大きい温度に加熱
する。この温度は有利に５５０〜８００℃である。
【００１３】図５に示されている本発明によるセンサー
のもう一つの実施態様に場合、電極３および加熱装置７
は空間的および機能的に１つの多孔性絶縁体９内にまと
められている。この場合、加熱装置７の有利に酸化アル
ミニウムからなる多孔性絶縁体９は、多孔性電極３と一
緒に酸素基準区域１７を形成し、導体路３′と接続する
多孔性電極３と一緒に圧力補償接続部１８を形成する。
多孔性絶縁体９は支持体で覆われており、この支持体は
この実施態様の場合、カバー８の保護機能を共有してい
る。この実施態様は前記したように製造技術的利点を提
供する。
のもう一つの実施態様に場合、電極３および加熱装置７
は空間的および機能的に１つの多孔性絶縁体９内にまと
められている。この場合、加熱装置７の有利に酸化アル
ミニウムからなる多孔性絶縁体９は、多孔性電極３と一
緒に酸素基準区域１７を形成し、導体路３′と接続する
多孔性電極３と一緒に圧力補償接続部１８を形成する。
多孔性絶縁体９は支持体で覆われており、この支持体は
この実施態様の場合、カバー８の保護機能を共有してい
る。この実施態様は前記したように製造技術的利点を提
供する。
【００１４】図１および５の縦断面図から明らかなよう
に、電極１、２および３の信号は相応する導体路１′、
２′および３′によりセンサーの大気側の末端に伝達さ
れ、そこで図示されていないスルーホールを用いてセン
サーの表面へ案内されている。この加熱装置７は２つの
導線（両方の面では加熱装置導線７′だけが示されてい
る）を有しており、この導線は再度センサーの大気側の
末端に、同様に図示されていない導線接点を備えてい
る。導体路１′、２′および３′は、公知のように電解
質４もしくは支持体６の多様なシートの間をセンサーの
大気側の末端まで案内され、そこでは平行してもしくは
向合って、それぞれ図示されていない接続部のための接
点として構成されている。
に、電極１、２および３の信号は相応する導体路１′、
２′および３′によりセンサーの大気側の末端に伝達さ
れ、そこで図示されていないスルーホールを用いてセン
サーの表面へ案内されている。この加熱装置７は２つの
導線（両方の面では加熱装置導線７′だけが示されてい
る）を有しており、この導線は再度センサーの大気側の
末端に、同様に図示されていない導線接点を備えてい
る。導体路１′、２′および３′は、公知のように電解
質４もしくは支持体６の多様なシートの間をセンサーの
大気側の末端まで案内され、そこでは平行してもしくは
向合って、それぞれ図示されていない接続部のための接
点として構成されている。
【００１５】電極３には、前記したように多孔性導体路
３′が接続されており、この導体路は多孔性電極と一緒
になって、図５によると加熱装置絶縁体９と一緒になっ
て、圧力補償接続部１８を形成し、これを通して電極３
で発生する酸素が逃される。すでに、製造技術的理由か
ら電極３および導体路３′の製造のために同じ材料を使
用することが推奨される。次いで、焼結の際に電極３中
でならびに導体路３′中で孔を形成させ、この孔は大気
との圧力補償を可能にする。しかし、電極３からセンサ
ーの大気側の末端までの開放する通路を備えていること
もでき、または電極材料とは異なる多孔性の、導電性で
ない材料、たとえば酸化アルミニウムを使用することも
できる。この場合、電極３の信号を評価回路に伝達する
特別な導体路３′を製造しなければならい。
３′が接続されており、この導体路は多孔性電極と一緒
になって、図５によると加熱装置絶縁体９と一緒になっ
て、圧力補償接続部１８を形成し、これを通して電極３
で発生する酸素が逃される。すでに、製造技術的理由か
ら電極３および導体路３′の製造のために同じ材料を使
用することが推奨される。次いで、焼結の際に電極３中
でならびに導体路３′中で孔を形成させ、この孔は大気
との圧力補償を可能にする。しかし、電極３からセンサ
ーの大気側の末端までの開放する通路を備えていること
もでき、または電極材料とは異なる多孔性の、導電性で
ない材料、たとえば酸化アルミニウムを使用することも
できる。この場合、電極３の信号を評価回路に伝達する
特別な導体路３′を製造しなければならい。
【００１６】測定セルと基準セルとは有利に、図１に原
則的に図示されたような調節回路により接続されてい
る。調節回路は電圧源１０から供給電圧ＵVにより作動
する。このセンサーを内燃機関の排気ガス中の酸素含量
の測定のために使用する場合、有利に自動車のバッテリ
ーが電圧源１０である。電流源１２は基準セルＢのため
の一定のポンプ電流ＩPを供給し、この電流はたとえば
５０マイクロアンペアであることができる。さらに、基
準電圧ＵRを供給する基準電圧源１２が存在する。これ
は内燃機関中で使用する場合、一般に約４００ｍＶであ
る。しかし、所定の割合のもとでラムダ＝１の場合に起
電力に相当する他の基準電圧ＵR、たとえば３００〜８
００ｍＶの間の電圧を設定することも可能である。基準
電圧は演算増幅器１３の入力端に置かれている。演算増
幅器１３の反転入力端は、電極３および電流源１１に接
続している。
則的に図示されたような調節回路により接続されてい
る。調節回路は電圧源１０から供給電圧ＵVにより作動
する。このセンサーを内燃機関の排気ガス中の酸素含量
の測定のために使用する場合、有利に自動車のバッテリ
ーが電圧源１０である。電流源１２は基準セルＢのため
の一定のポンプ電流ＩPを供給し、この電流はたとえば
５０マイクロアンペアであることができる。さらに、基
準電圧ＵRを供給する基準電圧源１２が存在する。これ
は内燃機関中で使用する場合、一般に約４００ｍＶであ
る。しかし、所定の割合のもとでラムダ＝１の場合に起
電力に相当する他の基準電圧ＵR、たとえば３００〜８
００ｍＶの間の電圧を設定することも可能である。基準
電圧は演算増幅器１３の入力端に置かれている。演算増
幅器１３の反転入力端は、電極３および電流源１１に接
続している。
【００１７】拡散遮断部５を介する混合物交換の際に電
極２での酸素部分圧が変化する場合、電極２と電極３と
の間のポンプ電圧ＵP も変化する。豊富領域へ変化する
場合、図３に従って、ポンプ電圧ＵPは上昇し、それに
対して欠乏領域へ変かする場合にはポンプ電圧ＵPはラ
ムダ＝１に相当する約４００ｍＶの値より下に減少す
る。ポンプ電圧ＵPは前記したように演算増幅器１３の
反転端に印加される。差増幅器として作動する演算増幅
器１３は、基準電圧ＵRと反転入力端に印加されるポン
プ電圧ＵPとを比較する。その比較から、豊富のガス混
合物の場合、演算増幅器１３の出力端で負の電圧電位が
相応する測定電圧ＵMとともに現れ、この測定電圧は測
定電流ＩMを、酸素がイオンの形で電極１から電極２へ
ポンピングされるように作動する。それに対して欠乏ガ
ス混合物の場合、測定電圧ＵMは正の電圧電位とともに
演算増幅器１３の出力端で現れ、それにより測定電流の
流動方向は逆転し、酸素イオンは電極２から電極１へ移
送される。演算増幅器１３の出力端は電流計１４を介し
て電極１に達している。電流計１４を用いて測定電流も
しくは限界電流ＩMが測定される。電極１と２との間
で、電圧計１５を用いて測定電圧ＵMおよび電極２と３
との間で第２の電圧計１６を用いてポンプ電圧ＵPが測
定される。電流計１４に代えて測定電流ＩMの電流値
を、内燃機関の燃料／空気混合物の組成を調節する調節
装置に供給する測定装置を接続することができる。
極２での酸素部分圧が変化する場合、電極２と電極３と
の間のポンプ電圧ＵP も変化する。豊富領域へ変化する
場合、図３に従って、ポンプ電圧ＵPは上昇し、それに
対して欠乏領域へ変かする場合にはポンプ電圧ＵPはラ
ムダ＝１に相当する約４００ｍＶの値より下に減少す
る。ポンプ電圧ＵPは前記したように演算増幅器１３の
反転端に印加される。差増幅器として作動する演算増幅
器１３は、基準電圧ＵRと反転入力端に印加されるポン
プ電圧ＵPとを比較する。その比較から、豊富のガス混
合物の場合、演算増幅器１３の出力端で負の電圧電位が
相応する測定電圧ＵMとともに現れ、この測定電圧は測
定電流ＩMを、酸素がイオンの形で電極１から電極２へ
ポンピングされるように作動する。それに対して欠乏ガ
ス混合物の場合、測定電圧ＵMは正の電圧電位とともに
演算増幅器１３の出力端で現れ、それにより測定電流の
流動方向は逆転し、酸素イオンは電極２から電極１へ移
送される。演算増幅器１３の出力端は電流計１４を介し
て電極１に達している。電流計１４を用いて測定電流も
しくは限界電流ＩMが測定される。電極１と２との間
で、電圧計１５を用いて測定電圧ＵMおよび電極２と３
との間で第２の電圧計１６を用いてポンプ電圧ＵPが測
定される。電流計１４に代えて測定電流ＩMの電流値
を、内燃機関の燃料／空気混合物の組成を調節する調節
装置に供給する測定装置を接続することができる。
【００１８】調節回路は、有利に約１０~8である一定の
少ない酸素部分圧が電極２を介して保持されるように保
証する。酸素部分圧は所定の基準電圧ＵRにより規定さ
れる。この圧力は、周知のように化学量論的燃料／空気
比の場合の排気ガス中の酸素部分圧にほぼ相当する。欠
乏領域で運転する場合、電極２を介する酸素部分圧は拡
散遮断部があるにもかかわらず高い。従って、測定セル
の電圧ＵMは高まり、酸素はカソードで減少し、イオン
の形で電極１へポンピングされ、そこで放電する： １／２Ｏ2 ＋ ２ｅ~ → Ｏ２￣ （欠乏混合物の場合のカソードとしての電極２での反
応） Ｏ２￣ → １／２Ｏ2 ＋ ２ｅ~ （欠乏混合物の場合のアノードとしての電極１での反
応） 電極２で約１０~8バールの酸素部分圧が保持される場
合、排気ガス中の酸素割合に応じて、程度に差こそあ
れ、酸素はイオンの形で電極２から電極１へポンピング
される。これは演算増幅器がポンプ電圧ＵPと基準電圧
ＵRとの比較に基づき設定するポンプ電圧ＵMの変化によ
り生じる。それに対して、測定セルＩM中での電流の強
さは高いかまたは低い。電流の強さＩMは重要な値であ
り、それというのもこの強さは排気ガス中での酸素含量
に対する尺度であり、つまり酸素含量に正比例する。
少ない酸素部分圧が電極２を介して保持されるように保
証する。酸素部分圧は所定の基準電圧ＵRにより規定さ
れる。この圧力は、周知のように化学量論的燃料／空気
比の場合の排気ガス中の酸素部分圧にほぼ相当する。欠
乏領域で運転する場合、電極２を介する酸素部分圧は拡
散遮断部があるにもかかわらず高い。従って、測定セル
の電圧ＵMは高まり、酸素はカソードで減少し、イオン
の形で電極１へポンピングされ、そこで放電する： １／２Ｏ2 ＋ ２ｅ~ → Ｏ２￣ （欠乏混合物の場合のカソードとしての電極２での反
応） Ｏ２￣ → １／２Ｏ2 ＋ ２ｅ~ （欠乏混合物の場合のアノードとしての電極１での反
応） 電極２で約１０~8バールの酸素部分圧が保持される場
合、排気ガス中の酸素割合に応じて、程度に差こそあ
れ、酸素はイオンの形で電極２から電極１へポンピング
される。これは演算増幅器がポンプ電圧ＵPと基準電圧
ＵRとの比較に基づき設定するポンプ電圧ＵMの変化によ
り生じる。それに対して、測定セルＩM中での電流の強
さは高いかまたは低い。電流の強さＩMは重要な値であ
り、それというのもこの強さは排気ガス中での酸素含量
に対する尺度であり、つまり酸素含量に正比例する。
【００１９】豊富領域での運転の場合、つまり約１０~
20バールの排気ガス中の酸素部分圧で、電極２での酸素
部分圧は同じ程度にある。これは、そこで約１０~8バー
ルの酸素部分圧が保持される場合に、酸素を電極１から
イオンの形で電極２へポンピングするはずである： ＣＯ2 ＋ ２ｅ~ → ＣＯ ＋ Ｏ2~ Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ~ → Ｈ2 ＋ Ｏ2~ （豊富な混合物中でのカソードとしての電極１での反
応） 酸素イオンは、電極２で一方で拡散する酸化可能な成分
を酸化する、たとえば： ＣＯ ＋ Ｏ2~ → ＣＯ2 ＋ ２ｅ~ Ｈ2 ＋ Ｏ2~ → Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ~ Ｃ2Ｈ4＋ ６Ｏ2~ → ２ＣＯ2＋ ２Ｈ2Ｏ ＋１
２ｅ~ （豊富な混合物中でのアノードとしての電極２での反
応） 他方で、基準電圧ＵR（たとえば４００ｍＶ）により所
定の酸素部分圧（たとえば１０~8バール）が達成される
まで酸素イオンは放電して分子状酸素になる。
20バールの排気ガス中の酸素部分圧で、電極２での酸素
部分圧は同じ程度にある。これは、そこで約１０~8バー
ルの酸素部分圧が保持される場合に、酸素を電極１から
イオンの形で電極２へポンピングするはずである： ＣＯ2 ＋ ２ｅ~ → ＣＯ ＋ Ｏ2~ Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ~ → Ｈ2 ＋ Ｏ2~ （豊富な混合物中でのカソードとしての電極１での反
応） 酸素イオンは、電極２で一方で拡散する酸化可能な成分
を酸化する、たとえば： ＣＯ ＋ Ｏ2~ → ＣＯ2 ＋ ２ｅ~ Ｈ2 ＋ Ｏ2~ → Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ~ Ｃ2Ｈ4＋ ６Ｏ2~ → ２ＣＯ2＋ ２Ｈ2Ｏ ＋１
２ｅ~ （豊富な混合物中でのアノードとしての電極２での反
応） 他方で、基準電圧ＵR（たとえば４００ｍＶ）により所
定の酸素部分圧（たとえば１０~8バール）が達成される
まで酸素イオンは放電して分子状酸素になる。
【００２０】 Ｏ2~ → １／２Ｏ2 ＋ ２ｅ~ （豊富な混合物中でのアノードとしての電極２での反
応） 適切な拡散遮断部５の場合、限界電流が流れ、次いで、
拡散される酸化可能な全ての成分が酸化され、所定の部
分圧が達成されているまで元素状酸素が発生する。
応） 適切な拡散遮断部５の場合、限界電流が流れ、次いで、
拡散される酸化可能な全ての成分が酸化され、所定の部
分圧が達成されているまで元素状酸素が発生する。
【００２１】調節回路は、排気ガスの品質が変った場
合、たとえば排気ガスの組成が欠乏から豊富領域へまた
はその逆に変化した場合、前記したように、電極１およ
び２の極性を交換させる。
合、たとえば排気ガスの組成が欠乏から豊富領域へまた
はその逆に変化した場合、前記したように、電極１およ
び２の極性を交換させる。
【００２２】極性、ラムダ値、ポンプ電圧ＵMおよび電
流強度ＩMの関係は、図３に基づき説明され、図中では
基準セルの特性曲線（ラムダ値に対する電圧ＵP）およ
び測定セルの特性曲線（ラムダ値に対する測定セルのポ
ンプ電圧ＵM）がプロットされる。
流強度ＩMの関係は、図３に基づき説明され、図中では
基準セルの特性曲線（ラムダ値に対する電圧ＵP）およ
び測定セルの特性曲線（ラムダ値に対する測定セルのポ
ンプ電圧ＵM）がプロットされる。
【００２３】内燃機関が化学量論的燃料／空気混合物で
運転される場合、つまりラムダ値が１である場合、測定
セル中のポンプ電圧ＵMは実際に０Ｖであり、基準セル
中の電圧は約４００ｍＶである。排気ガスの組成が欠乏
範囲、たとえばラムダ値＝１．０４の方向へ変化する場
合、すでにラムダ値における僅かな移行が電圧ＵPの著
しい減少を引き起す。調節回路はそれに関して電極１を
アノードとしておよび電極２をカソードとして接続す
る。測定セル中での電圧ＵMは高まり、電極２を介する
酸素部分圧が再度約１０~8バールであり、測定セルの電
圧ＵPが再度約４００ｍＶになる程度の酸素をイオンの
形で電極２からポンピングする。排気ガスの組成が変化
しなくなるまで、酸素はイオンの形でポンピングされな
ければならず、相応する電流ＩMが流れ、その電流の強
さは図２中で読取ることができ、これは電極１および２
の極性と関連で排気ガスの酸素含量と比例する。
運転される場合、つまりラムダ値が１である場合、測定
セル中のポンプ電圧ＵMは実際に０Ｖであり、基準セル
中の電圧は約４００ｍＶである。排気ガスの組成が欠乏
範囲、たとえばラムダ値＝１．０４の方向へ変化する場
合、すでにラムダ値における僅かな移行が電圧ＵPの著
しい減少を引き起す。調節回路はそれに関して電極１を
アノードとしておよび電極２をカソードとして接続す
る。測定セル中での電圧ＵMは高まり、電極２を介する
酸素部分圧が再度約１０~8バールであり、測定セルの電
圧ＵPが再度約４００ｍＶになる程度の酸素をイオンの
形で電極２からポンピングする。排気ガスの組成が変化
しなくなるまで、酸素はイオンの形でポンピングされな
ければならず、相応する電流ＩMが流れ、その電流の強
さは図２中で読取ることができ、これは電極１および２
の極性と関連で排気ガスの酸素含量と比例する。
【００２４】排気ガスの組成がラムダ＝１の、たとえば
ラムダ＝１．０２の方向に移行する場合、電流強度ＩM
は排気ガスの低下する酸素含量に相応して減少するが、
電極１および２の極性は保持されたままである。ラムダ
値が＜１、たとえば０．９９に変化する場合にようや
く、次に生じるＵPの値のたとえば約４００ｍＶから約
９６０ｍＶへの飛躍が、調整回路に電極１と２をポンプ
電圧ＵMの相応する変化を用いて電極交換させ、酸素を
イオンの形で電極１から電極２へポンピングする誘因と
なる。イオンの流れに相応する電流強度ＩMは、排気ガ
ス中の酸素含量が変化しない限り保持されたままで、こ
の電流強度は両方の電極の極性と関係して排気ガスの酸
素含量のための尺度である。
ラムダ＝１．０２の方向に移行する場合、電流強度ＩM
は排気ガスの低下する酸素含量に相応して減少するが、
電極１および２の極性は保持されたままである。ラムダ
値が＜１、たとえば０．９９に変化する場合にようや
く、次に生じるＵPの値のたとえば約４００ｍＶから約
９６０ｍＶへの飛躍が、調整回路に電極１と２をポンプ
電圧ＵMの相応する変化を用いて電極交換させ、酸素を
イオンの形で電極１から電極２へポンピングする誘因と
なる。イオンの流れに相応する電流強度ＩMは、排気ガ
ス中の酸素含量が変化しない限り保持されたままで、こ
の電流強度は両方の電極の極性と関係して排気ガスの酸
素含量のための尺度である。
【００２５】図４は本発明による排気ガスゾンデの有利
な実施態様であり、この場合、接続部の数は４に減少さ
れている。これは、基準セルＢのポンプ電流ＩPは、有
利に排気ガスゾンデにプリントされた前置抵抗２１を介
して加熱装置接続部で１００ｋΩの程度で取出されるこ
とにより達成される。ポンプ電流ＩPは、交流電圧のた
めに加熱装置に関してほとんど一定である。しかし、電
極３中では約１バールの酸素圧が調節され、その結果、
基準電極として利用することができることを保証され
る。
な実施態様であり、この場合、接続部の数は４に減少さ
れている。これは、基準セルＢのポンプ電流ＩPは、有
利に排気ガスゾンデにプリントされた前置抵抗２１を介
して加熱装置接続部で１００ｋΩの程度で取出されるこ
とにより達成される。ポンプ電流ＩPは、交流電圧のた
めに加熱装置に関してほとんど一定である。しかし、電
極３中では約１バールの酸素圧が調節され、その結果、
基準電極として利用することができることを保証され
る。
【００２６】本発明による排気ガスゾンデは、公知の法
に通常の方法で製造される。支持体６およびカバー８は
シートから製造することができ、電極はプリントされる
かまたは他の公知の方法により設けることができる。電
解質３および遮断層５は、有利にスクリーン印刷により
設けられる。個々の成分からなるセンサーを構造化した
後、有利に１２００〜１４５０℃で一緒に焼結すること
により相互に強固に結合させる。図１、４および５に
は、導体路のための絶縁層の表示が省略されている。こ
の絶縁層は導体路が付加的な電極として作業しないため
に必要である。しかし、当業者には電極がどこでどのよ
うに絶縁されているかは周知である。
に通常の方法で製造される。支持体６およびカバー８は
シートから製造することができ、電極はプリントされる
かまたは他の公知の方法により設けることができる。電
解質３および遮断層５は、有利にスクリーン印刷により
設けられる。個々の成分からなるセンサーを構造化した
後、有利に１２００〜１４５０℃で一緒に焼結すること
により相互に強固に結合させる。図１、４および５に
は、導体路のための絶縁層の表示が省略されている。こ
の絶縁層は導体路が付加的な電極として作業しないため
に必要である。しかし、当業者には電極がどこでどのよ
うに絶縁されているかは周知である。
【図１】本発明によるセンサーの１実施態様の縦断面図
【図２】センサーの特性曲線
【図３】センサーの特性曲線
【図４】本発明によるセンサーの１実施態様の横断面図
【図５】本発明によるセンサーの有利な実施態様の縦断
面図
面図
【符号の説明】 Ａ 測定セル、 Ｂ 基準セル、 ＩP ポンプ電流、
ＩM ポンプ電流、ＵM 測定電圧、 ＵR 基準電
圧、 ＵP ポンプ電圧、 ＵV 供給電圧、 １，２，
３ 電極、 １′，２′，３′導体路、 ４ 固体電解
質、 ５ 拡散遮断部、 ６ 支持体、 ７ 加熱装
置、 ７′ リード線、 ８ カバー、 ９絶縁体、
１０ 電圧源、 １１，１２ 電流源、 １３ 演算増
幅器、 １４ 電流計、 １５，１６ 電圧計、 １７
酸素基準区域、 １８ 圧力補償接続部、 ２０ 拡
散孔、 ２１ 前置抵抗
ＩM ポンプ電流、ＵM 測定電圧、 ＵR 基準電
圧、 ＵP ポンプ電圧、 ＵV 供給電圧、 １，２，
３ 電極、 １′，２′，３′導体路、 ４ 固体電解
質、 ５ 拡散遮断部、 ６ 支持体、 ７ 加熱装
置、 ７′ リード線、 ８ カバー、 ９絶縁体、
１０ 電圧源、 １１，１２ 電流源、 １３ 演算増
幅器、 １４ 電流計、 １５，１６ 電圧計、 １７
酸素基準区域、 １８ 圧力補償接続部、 ２０ 拡
散孔、 ２１ 前置抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルマン ディーツ ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン シュタ インバイス シュトラーセ 48 (72)発明者 ヘルマン フィッシャー ドイツ連邦共和国 シュツットガルト ギ ュンターシュトラーセ 16 (72)発明者 マンフレート ケーダー ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン ヴェゾ ウラー シュトラーセ ３ (72)発明者 ヴェルナー グリュンヴァルト ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン レーマ ーヴェーク ８ (72)発明者 ウルリヒ アイゼレ ドイツ連邦共和国 シュツットガルト ベ ックラーシュトラーセ ６ベー
Claims (9)
- 【請求項１】 電極（１，２）を備えた電気化学的測定
セル（Ａ）、および電極（２，３）を備え、ガス混合物
に対して気密に遮断されかつ圧力補償接続部（１８）を
介して大気と接続している内部の酸素基準区域（１７）
を有する電気化学的基準セル（Ｂ）；ガス混合物の成分
が測定セルおよび基準セルに共通の電極（２）へ拡散す
るのを困難にする拡散遮断部（５）；および測定セル
（Ａ）および基準セル（Ｂ）を特定の温度にまで加熱す
ることができる加熱装置（７）を備えており、その際、
電気化学的測定セル（Ａ）および電気化学的基準セル
（Ｂ）中の固体電解質（４）のイオン伝導性が十分に大
きいことを特徴とするガス混合物中の酸素含量を測定す
るセンサー。 - 【請求項２】 供給電圧（ＵV）を供給する電圧源（１
０）；基準セル内で一定のポンプ電流（ＩP）を維持す
る電流源（１１）；特定の一定の電圧（ＵR）に調節す
ることができる基準電圧源（１２）；および電極（２）
および（３）の間に現れるポンプ電圧（ＵP）を基準電
圧（ＵR）と比較する演算増幅器（１３）を備える調節
回路と接続している請求項１記載のセンサー。 - 【請求項３】 酸素基準区域(１７)と多孔性導体路
（３′）とが一緒に圧力補償接続部（１８）を形成する
ように、酸素基準区域（１７）は大気まで案内する多孔
性導体路（３′）と接続されている請求項１または２記
載のセンサー。 - 【請求項４】 電極（３）が多孔性であり、その孔は酸
素基準区域（１７）を表す請求項１から３までのいずれ
か１項記載のセンサー。 - 【請求項５】 加熱装置（７）が多孔性電極（３）に隣
接して配置さた多孔性絶縁体（９）内に埋込まれてお
り、この絶縁体は多孔性電極（３）と一緒に酸素基準区
域（１７）形成し、および多孔性電極（３）および多孔
性導体路（３′）と一緒に圧力補償接続部（１８）を形
成する請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ
ー。 - 【請求項６】 多孔性絶縁体（９）が酸化アルミニウム
からなる請求項５記載のセンサー。 - 【請求項７】 測定セル（Ａ）および基準セル（Ｂ）の
固体電解質（４）が部分的にまたは完全に安定化された
酸化ジルコニウム（ＩＶ）からなる請求項１から６まで
のいずれか１項記載のセンサー。 - 【請求項８】 請求項１から７までのいずれか１項記載
のセンサーを使用することを特徴とする内燃機関に供給
された燃料／空気混合物の組成を調節する方法。 - 【請求項９】 基準電圧（ＵR）が約４００ｍＶの値に
調節される請求項８記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4333232.3 | 1993-09-30 | ||
| DE4333232A DE4333232B4 (de) | 1993-09-30 | 1993-09-30 | Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasgemischen |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07174729A true JPH07174729A (ja) | 1995-07-14 |
| JP3626775B2 JP3626775B2 (ja) | 2005-03-09 |
Family
ID=6498995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23566094A Expired - Fee Related JP3626775B2 (ja) | 1993-09-30 | 1994-09-29 | ガス混合物中の酸素含量を測定するためのセンサーおよび内燃機関に供給された燃料／空気混合物の組成を調節する方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5474665A (ja) |
| JP (1) | JP3626775B2 (ja) |
| KR (1) | KR100370694B1 (ja) |
| DE (1) | DE4333232B4 (ja) |
Cited By (4)
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| JP2006112918A (ja) * | 2004-10-14 | 2006-04-27 | Hitachi Ltd | 酸素センサ |
| AU2004258013B2 (en) * | 2003-07-16 | 2008-01-24 | Tokyo Gas Co., Ltd. | Device for judging types of liquid in container and control method therefor |
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|---|---|---|---|---|
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| US6638405B2 (en) | 2001-09-10 | 2003-10-28 | Delphi Technologies, Inc. | Gas sensor and method of manufacturing the same |
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