JPS6367135B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の排ガス中の若しくは排ガス
の化学的平衡状態化したあとの酸素濃度を測定す
るための酸素イオン電導性固体電解質を用いた排
ガスセンサに関する。

この種の排ガスセンサで公知のものは、底を有
し該底側の内面と外面とにはそれぞれ大気と接す
る基準ガス側電極と排ガスに接する被側定ガス側
電極とが被着された固体電解質管と、上記固体電
解質管をその底側の外面が排ガスに曝されるよう
になして把持する金属製ハウジング管と、上記ハ
ウジング管の一端から同軸状に延在して上記固体
電解質管の底側を包囲する如くに配設される管を
有し該管には排ガス流を接線方向に向けて偏向さ
せて導入するようにする開口が形成された保護管
装置を備える。この保護管装置は固体電解質管の
底側外面に被着せられてある多孔質または多孔の
膜状電極が高温の排ガス衝撃流の直撃や排ガス中
の微粒子の衝突をうけることを抑制するためのも
のである。このような保護管装置の１つには、１
つの金属管から構成され管の側壁を軸方向に長く
延びる線分に沿つて切断し、その線分の片側の壁
部分を該線分に沿つて内方へ押し曲げることによ
り管壁と一体の偏向部を具えた軸方向に長い開口
を周回方向に多数個設けたものがあるが、本来こ
の構造のものは開口部直上から電解質管が露呈す
る状態になることは避けられないものであり、実
験の結果高速の排ガスの一部は固体電解質管表面
を直撃して面の薄膜の白金電極をいためがちとな
る外、殊に鉛を混入したガソリンを使用した場合
とかオイル上りが多い機関で使用した場合に、排
ガス中に混入した酸化鉛などのデポジツトが多孔
質また多孔の電極に付着して触媒被毒或いは目づ
まり現象を起しセンサの出力性能の大きい劣化が
比較的早い時期に起つてしまうという欠点がある
ことが判つた。またこの構造のものは製作上開口
を大きくすることは、開口と開口の間の軸方向に
長い壁部分の変形を生じ易いために、困難である
という不利もあつた。今一つには金属性保護管の
側壁上に軸方向の多数のスリツト孔又は丸孔を穿
つた径の異なる２つの金属管を互の管のスリツト
又は孔が重なり合わないように同軸的に結合した
構造のものがあるが、このものは固体電解質管の
周りの排ガスの流れが円滑でなくなつて活性化性
能が劣るという欠点のあることが判つた。

本発明はかゝる従来の排ガスセンサの欠点を除
去したもので、鉛等の被害に対して強くしかも排
ガスの流入流出の際の抵坑が小さく円滑に流れて
固体電解質管要部の昇温の速いすなわち活性化性
能の優れた新規な排ガスセンサを提供するを目的
とする。

即ち、本発明の排ガスセンサは底を有し、該底
側の内面と外面とにそれぞれ基準酸素源と接する
基準酸素源側電極と排ガスに接する被測定ガス側
電極とが被着された固体電解質管と、前記固体電
解質管とその底側の外面が排ガスに曝されるよう
になして把持する金属製ハウジング管と、前記ハ
ウジング管の一端から同軸状に延在して前記固体
電解質管の底側を包囲する如くに設けられかつ側
壁には排ガス流を偏向させて導入するようにする
開口が形成された保護管装置とを備えた内燃機関
用排ガスセンサにおいて、保護管装置が軸方向に
長い孔が側壁に多数穿設された管と、これに結合
されかつ該管の内側において上記孔に沿つて長く
延在し該孔の巾方向に向きを揃えて傾斜しかつま
た該孔の巾域よりも広い域に及ぶように巾広とし
た偏向板とを備えたことを特徴とする。

以下この発明を実施例に基づきかつ図面を参照
して説明する。１は鍔部１ａと底１ｂを有する酸
素イオン電導性固体電解質の管で、固体電解質と
しては例えばイツトリアなどを安定化酸化物とす
るいわゆる部分安定化酸化ジルコニウム焼結体が
好適に用いられる。１ｃは固体電解質管１の内面
に被着された多孔質白金層をなす基準ガス側電
極、１ｄは鍔部１ａから底側の固体電解質管の外
面に被着された多孔質白金層をなす被測定ガス側
電極で、これは例えば白金の化学メツキ処理後電
気メツキを施したのち熱処理を行なつて大きい孔
を多数形成させつゝ強固に被着させる方法が好ま
しく適用しうる。なおその際固体電解質管の被測
定ガス側電極を被着する部分の表面を予め強固な
凹凸面となしておくことは好ましい。１ｅは被測
定ガス側電極１ｄの上からスピネルなどの耐熱セ
ラミツク粉末をフレームスプレイなどの方法によ
り高温で吹きつけて固体電解質管表面に強固に固
着させた多孔質セラミツク層の電極保護層であ
る。２は全体に管形状をなす金属製ハウジング管
であり、その内面には中心に向つて張り出した環
状の棚部２ａを有しておりこれに固体電解質管の
鍔部１ａを直接的もしくは間接的に衝合させた状
態で公知の技術を採用してこれを把持するように
されてある。ハウジング管２はその際被測定ガス
側電極１ｄと棚部２ａで電気的に接触的に導通す
るようにされて排ガスセンサの一方の端子をなす
ようにされてある。２ｂはハウジング管の端部外
周に刻設されたねじで、排ガス管３の側に設けた
ねじ孔内に締付けされ、固体電解質管の底側外面
は排ガス中にさらされる。１ｆは固体電解質管１
の上部でタルク等の充填封止材４を介してハウジ
ング端２ｃを加締めることにより一体的に結合さ
れる。５はハウジング管２に隙間を有して挿通さ
れ円周数個所のスポツト溶接５ａで一体的に結合
された外部キヤツプで隙間を介して固体電解質管
１の基準ガス側電極１ｃが水の流入を防止された
状態で大気に連通する雰囲気におかれる。６は固
体電解質管１の上部１ｆに被冠され大気に連通す
る窓６ａを有する内部キヤツプで、外部キヤツプ
５にテフロン（登録商標名）材７を介して絶縁的
に保持される。８は固体電解質管１の基準ガス側
電極１ｃと接続されるコイル状の内部リード線で
その上部が内部キヤツプ６に保持される。９は内
部リード線８と接続される絶縁被覆された外部リ
ード線でシリコーンゴム１０を介して外部キヤツ
プ５に絶縁的に保持され外部キヤツプの外周が加
締られることによつて外部リード線が強固に固定
される。１１は固体電解質管の外面への排ガス流
の衝突を制御するためのステンレス鋼などの耐熱
金属製の保護管装置であり、ハウジング管２の端
から同軸状に延在するように配設されるが、ここ
では有底１１ａでかつ開放端に嵌合部１１ｂを有
する深紋り成形の肉薄ステンレスの管１１を備え
これは該嵌合部１１ｂをハウジング管の小径とし
た端部２ｄに嵌合し必要に応じ溶接等により固定
される。１２は管１１の側壁１１ｃ上に穿設され
た軸方向に長い多数のスリツトをなす排ガス導入
孔である。このスリツトは巾に対して軸方向には
少くとも３〜４倍以上に長くされかつ軸方向に１
段又は若干の間隔をおいて整列される２〜３段、
本例では２段に穿設され円周方向に複数列本例で
は８列等分に配設されている。なおこの軸方向の
段数は孔の大きさ及び壁面の強度維持の面から適
宜決定される。スリツト孔の具体的な寸法例を述
べると、保護管外径が12.5mm内径11.5mmの場合、
スリツト巾２mm長さ7.5mm軸方向のスリツト間隔
２mmである。１３は上記管１１とは別体であつて
これに結合された偏向板であり、これは管１１の
内側において孔１２の長手方向に沿つて長く延在
し、かつ孔１２の巾方向すなわち孔１２の部位に
おける管の接線方向に対しては向きを揃えて傾斜
しかつまた孔１２の巾域Ｗよりも広い域にわたつ
て及ぶようにすなわち孔の直上遠方から望んだと
き固体電解質管外面が露見しえないように巾広と
するものである。この実施例では上記偏向板１３
は、軸方向に整列させた２つのスリツト孔１２，
１２にわたつて延びる長板片１３ａ（第４図）で
形成されかつ該長板片１３ａの複数個は管１１の
先端側で共通のほゞ円形の中心連結片１３ｄ（第
４図）に連続して一体をなし、かつ該中心連結片
１３ｄに対してほゞ直角をなして折れ曲げらるて
あり、そして一体化された長板片１３ａの集合体
は有底の管１１内に接触状に収容され適宜少い個
所において点溶接で固定されてある。また偏向板
１３は傾斜部１３ｂと該傾斜部１３ｂに対して折
れ曲つた巾狭の補強部１３ｃとを具えるものとさ
れてある。また偏向板の巾方向の端は充分に延び
て孔１２からはどの方向から望んでも固体電解質
管の外面が全く露見しえないまでに至つているこ
と、すなわち偏向板の管の中心に向う側の端は孔
１２の巾方向の一端を通りかつ固体電解質管の外
面に接する線イ（第３図）に達する位置にまで延
びることは鉛などの被着物の被害に対する耐性の
面でより有利であり、この実施例ではそのように
されてある。また偏向板の傾斜部１３ｂが孔の巾
方向、すなわち孔部における管の接線ロ（第３
図）の方向となす角θは大きい方が排ガスの導入
上は有利であるが、一方導入した排ガスを固体電
解質管周りに円滑に流すための流路を確保する必
要から、偏向板の管の内側の端は管１１の内面と
固体電解質管１の外面との間隔のほゞ中間位にあ
ることが好ましく、この点から制限をうけるもの
である。一方固体電解質管の外径を小さく採るこ
とは固体電解質管自体の昇温性を改善する上に上
記角度θを大きくとつて排ガスの流通をよくする
ことができセンサの活性化性能を高め、また鉛な
どの被害に対する耐性も高めることもできて有利
である。本実施例では固体電解質管外径が4.5mm
と管内径の1/2以下に小さくされ、上記角度θは
約30゜である。なお上記長板片集合体（第４図）
は次のようにして製作されるのが有利である。す
なわち先づ偏向板を展開した形である第５図のも
のを製作する。即ち保護管１１の内径より僅かに
小径のほゞ円形の中心連結片１３ｄ（第５図）の
周りに所定の巾と所定の長さ例えば管１１の深さ
より若干短い長さの長板片１３ａ部（第５図）の
導入孔の円周方向の配列本数に等しい個数を、中
心面連結片部の面と同一面内においてかつこれを
中心に放射状に配列した薄板をプレス成形すると
同時にまたは前後して各長板片部には巾方向一端
側縁と長さ方向の端部を除いて傾斜部をプレス成
形する。１３ｅは接合部である。かくして製作し
たものを各長板片部の位置決めのための案内溝の
ある型におし込んで長板片部を中心連結片部に対
して直角にたておこす。

本発明の実施例のセンサを実機で評価試験を行
なつた結果を第１表に示す。この試験に供したセ
ンサは第１表に示す通りで、No.１（本発明品Ａ）
は前記実施例のセンサであり孔からは固体電解質
管外面が全く露見しえないものであり、No.２（本
発明品Ｂ）は孔の巾域を越える広い巾の偏向板で
はあるが露見する状態である点のみが異なるも
の、No.３（範囲外）は偏向板の巾が孔の巾域に達
しないものである点において前両者と異なるだけ
のものである。表中活性化評価試験は、センサを
排気管にとりつけ上記センサNo.１の固体電解質管
先端温度400℃、空気過乗率λ＝0.9の排ガスを流
したときセンサの出力が700mVに達するまでの
時間を1MΩの記録計によつて測定した値である。
耐鉛被毒性評価試験は鉛含有量1.5mg／ガロンの
ガソリンを使用しセンサNo.１の先端温度で500℃
の条件で30時間の鉛付着運転後のセンサの応答性
を測定した値である。応答性はセンサをセンサNo.
１の先端温度で600℃のガス中に入れλ＝0.9から
λ＝1.1にステツプ状に変化させた時のセンサ出
力が600mVから300mVになるまでの時間で示し
てある。多孔性電極に鉛化合物が付着して目づま
りを起すと、λの変化に対する出力の応答性は悪
くなる。本発明品であるNo.１とNo.２はNo.３に比べ
て活性化性能は殆んど差がないのに反し、耐鉛被
害性は顕著に優れ、特にNo.１は30時間の鉛付着運
転の前後で応答性の変化を生じるに至らず優れた
ものであることを示している。No.４の従来品は耐
鉛被害性はよいが、活性化性能が格段に劣ること
が示されている。

上記の実施例では保護管装置の偏向板１３の管
内面側の端は管の内面に接触して組付けられた場
合を示したがそれらの間に僅かであれば空隙を生
じていてもよく本発明の効果において差はなく、
また上記実施例では偏向板が集合体（第４図参
照）として与えられた場合を示したがこれは保護
管装置の製作が容易かつ正確にできるという利点
をもつがこれに限られず、例えば第６図に示す短
冊状の偏向板１３１であつて、傾斜部１３１ｂ、
補強部１３１ｃ、接合部１３１ｄ・１３１ｅとを
具えるものを個々に板材からプレス加工で製作し
これを管内面に個々に接合することにより製作す
ることもできる。いづれにしても管の内側に管と
別体で偏向板を配設するので管の開口を有効に排
ガス導入に活用することができて活性化性能のよ
いセンサが得られる効果を奏する。なおまた偏向
板の傾斜する面は排ガスの導入と周回流に対して
阻害しない範囲なら僅かなわん曲を呈していても
よい。

以上詳述したように本発明の内燃機関用排ガス
センサは、保護管装置の排ガス導入孔を形成した
管とは別体で排ガスを一定周方向に周回させる偏
向板を上記導入孔の巾域より広い域にわたつて配
設するようになしたので排ガスの流出入の抵坑を
少くなしてセンサの初期活性化性能を優れたもの
とし、しかも排ガス中に混入された鉛等の付着物
による電極の触媒被毒若しくは目づまりを顕著に
抑制してセンサの出力性能の耐久性を顕著に向上
させることができるという大きな効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の排ガスセンサの半裁
側面図、第２図は第１図のＡ―Ａ線断面図、第３
図は偏向板部分の拡大図、第４図は保護管に挿入
する偏向板を示す図でイは拡大側面図、ロは平面
図、第５図は第４図の展開図、第６図は偏向板の
他実施例を示す図でイは拡大側面図、ロはイのＢ
―Ｂ線断面図である。 １…固体電解質管、２…ハウジング管、１１…
保護管、１２…導入孔、１３…偏向板、１３ａ…
長板片、１３ｂ，１３１ｂ…傾斜部、１３ｃ，１
３１ｃ…補強部、１３ｄ…中心連結片。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 底を有し該底側の内面と外面とにそれぞれ基
   準酸素源と接する基準酸素源側電極と排ガスに接
   する被測定ガス側電極とが被着された固体電解質
   管と、前記固体電解質管をその底側の外面が排ガ
   スに曝されるようになして把持する金属製ハウジ
   ング管と、前記ハウジング管の一端から同軸状に
   延在して前記固体電解質管の底側を包囲する如く
   に設れられかつ側壁には排ガス流を偏向させて導
   入するようにする開口が形成された保護管装置と
   を備えた内燃機関用排ガスセンサにおいて、保護
   管装置が軸方向に長い孔が側壁に多数穿設された
   管と、これに結合されかつ該管の内側において上
   記孔に沿つて長く延在し該孔の巾方向に向きを揃
   えて傾斜しかつまた孔の巾域よりも広い域に及ぶ
   ように巾広とした偏向板とを備えたことを特徴と
   する内燃機関用排ガスセサ。 ２ 管の孔から内側を望んだとき該孔から固体電
   解質管の外面が偏向板に遮られて露見しえない状
   態に至つている請求項１記載の排ガスセンサ。 ３ 偏向板の自由端が管の内径と固体電解質管の
   外径との間隔のほゞ中間の位置にある請求項１ま
   たは２記載の内燃機関用排ガスセンサ。 ４ 管が包囲する固体電解質管の部分の外径が該
   管の内径の1/2以下となした請求項１または２記
   載の内燃機関用排ガスセンサ。 ５ 孔は軸方向に一線上に延びる１または２以上
   のスリツト状の孔で管の周方向には多数列配設さ
   れており、偏向板は１のもしくは軸方向に整列す
   る２以上の上記孔について１個宛長く延びる長板
   片で形成され、かつ該各長板片は管の先端側で共
   通の中心連結片に連続して一体をなすとともに該
   中心連結片に対してほゞ直角に折れまげられてあ
   る請求項１または２記載の内燃機関用排ガスセン
   サ。