[go: up one dir, main page]

JPH11183429A - Gas sensor for natural gas engine - Google Patents

Gas sensor for natural gas engine

Info

Publication number
JPH11183429A
JPH11183429A JP9365806A JP36580697A JPH11183429A JP H11183429 A JPH11183429 A JP H11183429A JP 9365806 A JP9365806 A JP 9365806A JP 36580697 A JP36580697 A JP 36580697A JP H11183429 A JPH11183429 A JP H11183429A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
sensor
electrode
natural gas
coating layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP9365806A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3773014B2 (en
Inventor
Takashi Mizobuchi
剛史 溝渕
Jun Yamada
潤 山田
Motomasa Iizuka
基正 飯塚
Kenji Kanehara
賢治 金原
Isao Watabe
勲 渡部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Soken Inc
Original Assignee
Denso Corp
Nippon Soken Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp, Nippon Soken Inc filed Critical Denso Corp
Priority to JP36580697A priority Critical patent/JP3773014B2/en
Priority to US09/112,289 priority patent/US6210641B1/en
Publication of JPH11183429A publication Critical patent/JPH11183429A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3773014B2 publication Critical patent/JP3773014B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • Y02T10/32

Landscapes

  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable highly accurate air-fuel ratio control by preventing sensor output from deviating due to H2 in exhaust gases peculiar to a natural gas engine and improving detection accuracy. SOLUTION: An outside electrode 23 to be exposed to exhaust gases is provided at the outer surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte 21, and an inside electrode 22 to be exposed to gaseous oxygen of reference concentration is provided at the inner surface. A protective coating layer 24 to cover the surface of the outside electrode 23 is provided and constituted of a porous film with an average pore diameter of 1000 Å or more. As the difference in diffusing steed between H2 and O2 becomes sufficiently small with an average pore diameter of 1000 Å, and the outside electrode 23 does not become richer in H2 than reality it is possible to eliminate the effects of H2 to sensor output and to prevent output deviations.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガスエンジン
からの排出ガスに含まれる特定ガス成分を検出するため
のガスセンサ、例えば、空燃比制御用のO2 センサ等と
して利用されるガスセンサに関する。
The present invention relates to the gas sensor for detecting a specific gas component contained in exhaust gas from a natural gas engine, for example, relates to a gas sensor which is used as the O 2 sensor or the like for the air-fuel ratio control.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、石油の代替燃料車として、天然ガ
ス自動車が注目されてきている。天然ガス自動車は、ガ
ソリンエンジンに比しCO2 排出量の低減が可能であ
る、クリーンな排気エミッション特性が期待できる、等
の利点を有し、その燃料供給システムとしては、従来、
LPG自動車に用いられるキャブレターシステムを応用
したシステム(ガスミキサーシステム)が知られてい
る。また、排気エミッション特性をさらに向上させて電
気自動車に匹敵する超低公害車とするためには、ガスミ
キサーシステムを上回る高精度な空燃比制御が必要で、
このため、空燃比変動が小さく、燃料制御の応答性に優
れるインジェクションシステムを搭載した天然ガス自動
車の開発が進められている。
2. Description of the Related Art In recent years, a natural gas vehicle has been attracting attention as an alternative fuel vehicle to oil. Natural gas vehicles have the advantages of being able to reduce CO 2 emissions compared to gasoline engines, and being able to expect clean exhaust emission characteristics.
2. Description of the Related Art A system (gas mixer system) to which a carburetor system used in an LPG vehicle is applied is known. Also, in order to further improve the exhaust emission characteristics and make it an ultra-low-emission vehicle comparable to an electric vehicle, it is necessary to have a more accurate air-fuel ratio control than a gas mixer system,
For this reason, the development of a natural gas vehicle equipped with an injection system having a small air-fuel ratio fluctuation and excellent fuel control responsiveness has been promoted.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】空燃比は、通常、排気
管内に設置されるO2 センサの出力に基づいてフィード
バック制御される。従って、空燃比制御の高精度化に
は、O2 センサの検出精度が、欠くことのできない要素
である。ところが、天然ガスエンジンの空燃比を検出す
るために、ガソリンエンジン用のO2 センサをそのまま
適用すると、O2 センサの出力特性にずれが生じること
が判明した。これは、天然ガスはメタン(CH4 )を主
成分とするためガソリンに比べてH/C比が大きく、排
出ガスに含まれる水素(H2 )の量が多いことに起因
し、特に、インジェクションシステムにおいて、顕著に
発生する。
Generally, the air-fuel ratio is feedback-controlled based on the output of an O 2 sensor installed in an exhaust pipe. Therefore, the detection accuracy of the O 2 sensor is an indispensable factor for improving the accuracy of the air-fuel ratio control. However, it has been found that if an O 2 sensor for a gasoline engine is used as it is in order to detect the air-fuel ratio of a natural gas engine, the output characteristics of the O 2 sensor will deviate. This is because natural gas contains methane (CH 4 ) as a main component and therefore has a higher H / C ratio than gasoline and a larger amount of hydrogen (H 2 ) contained in exhaust gas. It occurs remarkably in the system.

【0004】この原因は、吸気通路の上流部でガスを均
一に混合した後、燃焼室に吸引するガスミキサーシステ
ムに対して、燃料制御の応答性を確保するために燃焼室
近傍にガスを直接噴射するインジェクションシステムで
は、燃焼室内の混合気が不均一になりやすいことにあ
る。このため、インジェクションシステムでは、燃焼室
内の空燃比がリッチな領域においてH2 が多量に発生
し、ガスミキサーシステムより排気中のH2 濃度が高く
なる結果、センサ出力のずれが拡大する。従って、天然
ガスエンジン用のO2 センサにおいて、空燃比制御を高
精度化するためには、センサ出力に対するH2 の影響を
排除し、センサ出力のずれを解消することが大きな課題
となっている。
[0004] This is because the gas is directly mixed in the vicinity of the combustion chamber in order to ensure the fuel control response to the gas mixer system that uniformly mixes the gas upstream of the intake passage and then sucks the gas into the combustion chamber. In the injection system for injection, the mixture in the combustion chamber tends to be non-uniform. For this reason, in the injection system, a large amount of H 2 is generated in a region where the air-fuel ratio is rich in the combustion chamber, and the H 2 concentration in the exhaust gas becomes higher than that of the gas mixer system. Therefore, in the O 2 sensor for a natural gas engine, in order to improve the air-fuel ratio control with high accuracy, it is a major problem to eliminate the influence of H 2 on the sensor output and to eliminate the deviation of the sensor output. .

【0005】しかして、本発明は、排出ガス中のH2
よるセンサの出力ずれを防止して、検出精度を向上可能
であり、例えば、インジェクションシステムの天然ガス
エンジンのように、排出ガスに多量のH2 が含まれる場
合においても、高精度な空燃比制御が可能な天然ガスエ
ンジン用のガスセンサを実現することを目的とするもの
である。
However, the present invention can prevent the output of the sensor from being shifted due to H 2 in the exhaust gas and improve the detection accuracy. For example, as in the case of a natural gas engine of an injection system, a large amount of the exhaust gas is used. even if it contains the H 2, it is an object to realize a gas sensor for natural gas engines capable of high-precision air-fuel ratio control.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明請求項1の構成の
天然ガスエンジン用ガスセンサは、酸素イオン導電性固
体電解質の表面に、上記排出ガスに晒される第1の電極
と、基準酸素濃度ガスに晒される第2の電極とを設け、
上記第1の電極の表面を覆うコーティング層を設けてな
る。そして、上記コーティング層を、平均細孔径が10
00Å以上である多孔質膜で構成したことを特徴とする
ものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a gas sensor for a natural gas engine, comprising: a first electrode exposed to the exhaust gas on a surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte; And a second electrode exposed to
A coating layer is provided to cover the surface of the first electrode. Then, the coating layer is formed so that the average pore diameter is 10
It is characterized by being constituted by a porous film of not less than 00 °.

【0007】天然ガスエンジンからの排出ガスには、低
分子量の水素(H2 )が多量に含まれており、このH2
がコーティング層を拡散する速度と、酸素(O2 )がコ
ーティング層を拡散する速度との間に差が生じること
が、センサの出力ずれの原因と考えられる。本発明は、
上記コーティング層の平均細孔径を1000Åとするこ
とで、H2 に比較して分子量の大きいO2 の拡散を容易
にし、両者の拡散速度差を十分小さくすることができる
ことを見出したものである。従って、センサ出力に対す
るH2 の影響を排除して、出力ずれを防止することがで
きるので、インジェクションシステムの天然ガスエンジ
ン用として用いた場合にも、高精度な空燃比制御が可能
であり、排気エミッションの改善に優れた効果を有す
る。
[0007] exhaust gas from natural gas engines, the low molecular weight hydrogen (H 2) is included in a large amount, the H 2
The difference between the rate at which the gas diffuses through the coating layer and the rate at which oxygen (O 2 ) diffuses through the coating layer is considered to be the cause of the sensor output deviation. The present invention
By making the average pore diameter of the coating layer 1000 °, it has been found that diffusion of O 2 having a higher molecular weight than that of H 2 can be facilitated, and the difference between the two diffusion rates can be sufficiently reduced. Accordingly, since the influence of H 2 on the sensor output can be eliminated to prevent the output deviation, even when used for a natural gas engine of an injection system, highly accurate air-fuel ratio control is possible, and Has an excellent effect on improving emissions.

【0008】より好ましくは、上記コーティング層を、
全細孔の90%以上が細孔径1000Å以上の膜で構成
する(請求項2)。細孔径1000Å以上の細孔の割合
を大きくすることで、H2 とO2 の拡散速度差をほぼ0
とすることができ、出力ずれを防止する上記効果をさら
に高めることができる。
More preferably, the coating layer is
90% or more of all the pores are composed of a membrane having a pore diameter of 1000 ° or more (claim 2). By increasing the ratio of the pores having a pore diameter of 1000 ° or more, the difference between the diffusion rates of H 2 and O 2 can be reduced to almost zero.
And the above-described effect of preventing output deviation can be further enhanced.

【0009】具体的には、上記第1の電極を上記酸素イ
オン導電性固体電解質の一方の表面に、上記第2の電極
を上記酸素イオン導電性固体電解質の他方の表面に設け
た構成が考えられる(請求項3)。例えば、上記酸素イ
オン導電性固体電解質を試験管状としてその内周側表面
に上記第1の電極を、外周側表面に上記第2の電極を設
けた構成、あるいは、平板状とした上記酸素イオン導電
性固体電解質の表面に上記第1の電極を、裏面に上記第
2の電極を設けた構成とすることができる。
Specifically, a configuration in which the first electrode is provided on one surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte and the second electrode is provided on the other surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte is considered. (Claim 3). For example, a configuration in which the oxygen ion conductive solid electrolyte is a test tube, the first electrode is provided on the inner peripheral surface, and the second electrode is provided on the outer peripheral surface, or the oxygen ion conductive solid electrolyte is formed in a plate shape It is possible to adopt a configuration in which the first electrode is provided on the front surface of the conductive solid electrolyte and the second electrode is provided on the back surface.

【0010】上記コーティング層より外側に、気孔率4
0〜50容量%の多孔質膜を設けてトラップ層としても
よく(請求項4)、エンジンオイルの燃焼等によって生
じるデポジット成分が、上記コーティング層内に侵入し
て、目詰まりを生じるのを防止することができる。
On the outer side of the coating layer, a porosity of 4
A porous layer of 0 to 50% by volume may be provided as a trap layer (claim 4) to prevent deposit components generated by combustion of engine oil or the like from entering the coating layer and causing clogging. can do.

【0011】また、センサを加熱するためのヒータ部材
を設けることにより(請求項5)、エンジンオイルの燃
焼等によって生じるデポジット成分を、上記コーティン
グ層内で燃焼させ、上記コーティング層の目詰まりを防
止することができる。また、センサを早期に活性化し
て、排気エミッションの悪化を防止する効果がある。
Further, by providing a heater member for heating the sensor (claim 5), a deposit component generated by combustion of engine oil or the like is burned in the coating layer to prevent clogging of the coating layer. can do. Further, there is an effect that the sensor is activated early to prevent deterioration of exhaust emission.

【0012】上記コーティング層の表面に酸化作用を有
する触媒層を形成することもできる(請求項6)。これ
により、排出ガス中のH2 を触媒層で酸化させて、上記
コーティング層に至るH2 の量を減少させ、H2 による
センサ出力のずれをより確実に抑制できる。
A catalyst layer having an oxidizing effect can be formed on the surface of the coating layer. As a result, H 2 in the exhaust gas is oxidized by the catalyst layer, the amount of H 2 reaching the coating layer is reduced, and a shift in sensor output due to H 2 can be suppressed more reliably.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明を天然ガスエンジン
の空燃比を制御するために用いられるO2 センサに適用
した例について説明する。図2は、O2 センサの全体構
成を示すもので、O2 センサは、図略の天然ガスエンジ
ンの排気管壁に取り付けられる筒状ハウジング1と、そ
の内部に挿通保持されるガス検出素子2とを有してい
る。筒状ハウジング1は中央部外周に突設したフランジ
部11を排気管壁に当接し、その下方に形成したねじ部
にて天然ガスエンジンの排気管壁に取り付けられるよう
になしてある。ガス検出素子2は試験管状で、その下端
部は上記ハウジング1より突出して排気管内に位置して
おり、ハウジング1下端に固定されるカバー体3内に収
容されている。カバー体3は二重筒状で、内外筒の側面
に複数のガス流通孔31、32を有し、このガス流通孔
31、32を介してガス検出素子2に天然ガスエンジン
の排出ガスが導入されるようになしてある。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an example in which the present invention is applied to an O 2 sensor used for controlling an air-fuel ratio of a natural gas engine will be described. Figure 2 shows the overall configuration of the O 2 sensor, O 2 sensor comprises a cylindrical housing 1 which is attached to the exhaust pipe wall of an unillustrated natural gas engines, gas detection element 2 to be inserted and held therein And The cylindrical housing 1 has a flange 11 protruding from the outer periphery of the central portion in contact with the exhaust pipe wall, and can be attached to the exhaust pipe wall of the natural gas engine with a thread formed below the flange. The gas detecting element 2 is a test tube whose lower end protrudes from the housing 1 and is located in the exhaust pipe, and is accommodated in a cover 3 fixed to the lower end of the housing 1. The cover body 3 has a double cylindrical shape and has a plurality of gas circulation holes 31 and 32 on the side surfaces of the inner and outer cylinders. The exhaust gas of the natural gas engine is introduced into the gas detection element 2 through the gas circulation holes 31 and 32. It is made to be done.

【0014】上記ハウジング1の上方には、上記ガス検
出素子2の上部外周を覆う筒状カバー12が配設されて
いる。該筒状カバー12は、上記ハウジング1上端に固
定される下部カバー121と、その上半部にかしめ固定
される上部カバー122を有し、該上部カバー122の
上半部外周は筒状部材123で覆われて二重構造となっ
ている。上部カバー122の上端開口はゴムブッシュ1
3で封止され、このゴムブッシュ13を貫通して、上記
ガス検出素子2の出力を取り出すためのリード線4が外
部に延びている。上部カバー122および上記筒状部材
123には、側部の対向位置に複数の大気孔124、1
25がそれぞれ形成してあり、これら大気孔124、1
25を介して導入される大気が、基準酸素濃度ガスとし
て上記ガス検出素子2の中空部内に導入される構成とな
してある。なお、上記大気孔124、125の形成位置
において、上部カバー122および筒状部材123の間
には防水のために溌水性のフィルタ14が配設してあ
る。
Above the housing 1, there is provided a tubular cover 12 which covers the upper outer periphery of the gas detecting element 2. The tubular cover 12 has a lower cover 121 fixed to the upper end of the housing 1 and an upper cover 122 fixed to the upper half of the lower cover 121. The outer periphery of the upper half of the upper cover 122 is a cylindrical member 123. It is covered with a double structure. The upper end opening of the upper cover 122 is the rubber bush 1
A lead wire 4 for extracting the output of the gas detection element 2 extends to the outside through the rubber bush 13. The upper cover 122 and the cylindrical member 123 have a plurality of air holes 124,
25 are formed, and these air holes 124, 1
The atmosphere introduced through the gas detecting element 25 is introduced into the hollow portion of the gas detecting element 2 as a reference oxygen concentration gas. A water-repellent filter 14 is provided between the upper cover 122 and the cylindrical member 123 at the position where the air holes 124 and 125 are formed.

【0015】上記ガス検出素子2は、図1に示すよう
に、試験管状に成形したジルコニア等の酸素イオン導電
性固体電解質21と、その内周面に沿って設けた第1の
電極たる内側電極22、外周面に沿って設けた第2の電
極たる外側電極23を有している。これら電極22、2
3は、例えば白金(Pt)等よりなり、蒸着等、通常の
手段で形成される。上記電極22、23は、図2に示さ
れるように、上記酸素イオン導電性固体電解質21表面
に押圧接触する出力金属端子41、42を通じて上記リ
ード線4に接続される。
As shown in FIG. 1, the gas detecting element 2 includes an oxygen ion conductive solid electrolyte 21 such as zirconia molded into a test tube, and an inner electrode as a first electrode provided along the inner peripheral surface thereof. 22, an outer electrode 23 serving as a second electrode provided along the outer peripheral surface. These electrodes 22, 2
Reference numeral 3 is made of, for example, platinum (Pt) or the like, and is formed by ordinary means such as vapor deposition. As shown in FIG. 2, the electrodes 22 and 23 are connected to the lead wire 4 through output metal terminals 41 and 42 that press and contact the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte 21.

【0016】上記外側電極23の外表面には、これを覆
うコーティング層たる保護皮膜24が形成してある。該
保護皮膜24は、外側電極23表面を排気中の有害物質
から保護するもので、例えばスピネル(MgO・Al2
3 )等のセラミックスよりなる多孔質膜が好適に用い
られる。本発明の特徴は、上記保護皮膜24を、平均細
孔径が1000Å以上である多孔質膜で構成することに
あり、これにより、排出ガスに含まれるH2 とO2 の拡
散速度の差を十分小さくして、センサ出力のずれを防止
する。好ましくは、平均細孔径が1000Åの細孔が、
全細孔中の90%以上となるようにすることで、H2
2 の拡散速度の差をほぼ0とし、H2の影響を排除す
ることができる。
On the outer surface of the outer electrode 23, a protective film 24 as a coating layer covering the outer electrode 23 is formed. The protective film 24 protects the surface of the outer electrode 23 from harmful substances in the exhaust gas, for example, spinel (MgO.Al 2
A porous film made of a ceramic such as O 3 ) is preferably used. The feature of the present invention resides in that the protective film 24 is constituted by a porous film having an average pore diameter of 1000 ° or more, whereby the difference between the diffusion rates of H 2 and O 2 contained in the exhaust gas is sufficiently reduced. By making it small, the deviation of the sensor output is prevented. Preferably, the pores having an average pore diameter of 1000 °
By setting it to be 90% or more of all the pores, the difference between the diffusion rates of H 2 and O 2 can be made almost zero, and the influence of H 2 can be eliminated.

【0017】上記保護皮膜24の形成は、例えば、公知
のプラズマ溶射装置を用いて行うことができる。プラズ
マ溶射法は、加熱溶融した溶射原料をプラズマジェット
化し、これを高速で被溶射体表面に吹き付けるもので、
溶射原料としては、上記保護皮膜24を構成するスピネ
ル(MgO・Al2 3 )等のセラミックスの粉末が、
作動ガスとしてアルゴン(Ar)と窒素(N2 )の混合
ガスが用いられる。プラズマアーク電圧は、通常、50
〜60V程度、プラズマアーク電流は、通常、500〜
700A程度の範囲とし、プラズマガンから被溶射体ま
での距離は、約80〜100mm程度とする。上記保護
皮膜24の細孔径は、溶射原料となるセラミックス粉末
の粒度、溶射パワーを調整することにより制御すること
ができ、一般に、セラミックス粉末の粒度を大きく、あ
るいは溶射パワーを小さくすると、細孔径は大きくな
る。
The formation of the protective film 24 can be performed, for example, using a known plasma spraying apparatus. In the plasma spraying method, a heated and melted spray material is converted into a plasma jet, which is sprayed at a high speed onto the surface of the object to be sprayed.
As a material for thermal spraying, ceramic powder such as spinel (MgO.Al 2 O 3 ) constituting the protective film 24 may be used.
A mixed gas of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) is used as a working gas. The plasma arc voltage is typically 50
~ 60V, plasma arc current is usually 500 ~
The range is about 700 A, and the distance from the plasma gun to the object to be sprayed is about 80 to 100 mm. The pore size of the protective coating 24 can be controlled by adjusting the particle size of the ceramic powder to be sprayed and the spraying power. Generally, when the particle size of the ceramic powder is increased or the spraying power is reduced, the pore size is reduced. growing.

【0018】なお、上記保護皮膜24の膜厚は、センサ
出力の安定性、機械的強度等を考慮すると、通常、10
0〜200μm程度の範囲とすることが望ましい。
In consideration of the stability of the sensor output, the mechanical strength, etc., the thickness of the protective film 24 is usually 10
It is desirable to set the range to about 0 to 200 μm.

【0019】次に、上記構成のO2 センサにおける上記
保護皮膜24の作用について説明する。図1においてガ
ス検出素子2の外側電極23には、上記保護皮膜24を
通過した排出ガスが、内側電極22には大気が導入され
る。この時、酸素イオン導電性固体電解質21には、こ
れら内側電極23と外側電極22の酸素濃度差に応じた
起電力が生じる。そのセンサ出力は、理論的には、空気
過剰率(λ)=1.0で出力が急変するはずである(図
3に理論値(a)として示す)。
Next, the operation of the protective film 24 in the O 2 sensor having the above configuration will be described. In FIG. 1, the exhaust gas passing through the protective film 24 is introduced to the outer electrode 23 of the gas detection element 2, and the atmosphere is introduced to the inner electrode 22. At this time, an electromotive force is generated in the oxygen ion conductive solid electrolyte 21 according to the difference in oxygen concentration between the inner electrode 23 and the outer electrode 22. The sensor output should theoretically change abruptly when the excess air ratio (λ) = 1.0 (shown as the theoretical value (a) in FIG. 3).

【0020】ところが、天然ガスエンジンの排気中に
は、ガソリンエンジンの2〜3倍のH2 が存在し、上記
保護皮膜24の細孔径が小さい場合、センサ出力が急変
する空気過剰率(λ)がリーン側にシフトする(図3に
(b)として示す)。これは、上記保護皮膜24の細孔
径が小さいと、ガス拡散がKnudsenフローに支配
され、H2 とO2 の拡散速度に差が生じるためと考えら
れる。
However, in the exhaust gas of the natural gas engine, H 2 is present two to three times that of the gasoline engine, and when the pore size of the protective film 24 is small, the excess air ratio (λ) at which the sensor output suddenly changes. Shifts to the lean side (shown as (b) in FIG. 3). This is presumably because when the pore size of the protective film 24 is small, gas diffusion is governed by the Knudsen flow, and a difference occurs in the diffusion rates of H 2 and O 2 .

【0021】そこで、上記保護皮膜24の平均細孔径と
拡散速度の関係を調べ、その結果を図4に示した。測定
に用いた各サンプルの形成は以下のようにした。なお、
細孔径の測定は、次のようにした。
The relationship between the average pore diameter of the protective film 24 and the diffusion rate was examined, and the results are shown in FIG. Each sample used for the measurement was formed as follows. In addition,
The measurement of the pore diameter was performed as follows.

【0022】図4に示すように、上記保護皮膜24の細
孔径が1000Åより小さい領域では、分子量の小さい
2 の拡散速度がO2 に比べて大きくなる。この場合、
2は保護皮膜24をO2 より早く通過して外側電極2
3の表面に到達し、外側電極23は実際よりもH2 リッ
チな状態となる。つまり、外側電極23の表面において
2 不足が生じ、O2 センサの出力特性は、理論値に対
し、出力急変点がリーン側にずれることになる(図3
(b))。この結果、O2 フィードバック制御システム
におけるλ値がずれ、排気エミッションが悪化するおそ
れがある。
As shown in FIG. 4, in a region where the pore diameter of the protective film 24 is smaller than 1000 °, the diffusion rate of H 2 having a small molecular weight becomes larger than that of O 2 . in this case,
H 2 passes through the protective film 24 earlier than O 2 and the outer electrode 2
3 and the outer electrode 23 is H 2 richer than it actually is. In other words, O 2 deficiency occurs on the surface of the outer electrode 23, and the output characteristic of the O 2 sensor shifts its output sudden change point to the lean side with respect to the theoretical value (FIG. 3).
(B)). As a result, the λ value in the O 2 feedback control system is shifted, and the exhaust emission may be deteriorated.

【0023】これに対し、上記保護皮膜24の平均細孔
径が1000Å以上の領域では、図4のように、出力ず
れの原因であるH2 とO2 の拡散速度差がほぼ0とな
る。従って、外側電極23の表面におけるO2 不足が解
消され、出力特性のずれを防止することができる。そこ
で、平均細孔径と出力が急変する空気過剰率(λ)との
関係を調べ、図5に示した。図5に明らかなように、平
均細孔径が1000Å以下では、センサ出力がリーン側
にずれているが、平均細孔径が1000Åで空気過剰率
(λ)がほぼ1となり、1000Åでは、出力ずれが生
じないことが確認された。
On the other hand, in the region where the average pore diameter of the protective film 24 is 1000 ° or more, as shown in FIG. 4, the difference between the diffusion rates of H 2 and O 2 , which causes the output shift, is almost zero. Therefore, O 2 deficiency on the surface of the outer electrode 23 is eliminated, and a shift in output characteristics can be prevented. Then, the relationship between the average pore diameter and the excess air ratio (λ) at which the output changes suddenly was examined and shown in FIG. As is apparent from FIG. 5, when the average pore diameter is 1000 ° or less, the sensor output is shifted to the lean side. It was confirmed that it did not occur.

【0024】図6に本発明の第2の実施の形態を示す。
本実施の形態では、上記第1の実施の形態のO2 センサ
構成に加えて、上記コーティング層24の外側を覆うト
ラップ層5を設けている。その他の構成は上記第1の実
施の形態と同様である。トラップ層5は多孔性焼成体、
例えばAl2 3 等のセラミックスよりなり、その気孔
率は、通常、40〜50%とすることが望ましい。ま
た、トラップ層5の膜厚は、通常、100μm以下とす
るのがよい。このトラップ層5を設けることにより、エ
ンジンオイルの燃焼等によって生じるデポジット成分が
保護皮膜24内に侵入することを防止し、これによる保
護皮膜24の目詰まりを防止することができる。
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention.
In the present embodiment, a trap layer 5 that covers the outside of the coating layer 24 is provided in addition to the O 2 sensor configuration of the first embodiment. Other configurations are the same as those of the first embodiment. The trap layer 5 is a porous fired body,
For example, it is preferably made of ceramics such as Al 2 O 3 , and its porosity is usually preferably 40 to 50%. Further, the thickness of the trap layer 5 is usually preferably 100 μm or less. By providing the trap layer 5, it is possible to prevent a deposit component generated by combustion of engine oil or the like from entering the protective film 24, thereby preventing the protective film 24 from being clogged.

【0025】図7に本発明の第3の実施の形態を示す。
本実施の形態は、上記図1の構成のO2 センサにおけ
る、酸素イオン導電性固体電解質21の中空部内に、セ
ンサ加熱用のヒータ6を配設したものである。その他の
構成は上記第1の実施の形態と同様である。ヒータ6は
棒状、板状または管状等の形状とした絶縁体、例えばA
2 3 等の内部に、タングステン(W)、モリブデン
(Mo)等の発熱体を埋設してなり、該発熱体はリード
線を介して外部電源に接続されている。ヒータ6に供給
する電力は、上記保護皮膜24の温度が、通常、500
℃以上になるように、エンジン条件に応じて予め作成し
たマップによって制御するか、あるいはヒータ6の発熱
体の抵抗値をもとにフィードバック制御する。
FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the heater 6 for heating the sensor is disposed in the hollow portion of the oxygen ion conductive solid electrolyte 21 in the O 2 sensor having the configuration shown in FIG. Other configurations are the same as those of the first embodiment. The heater 6 is made of an insulator having a rod-like, plate-like or tubular shape, for example, A
A heating element such as tungsten (W) or molybdenum (Mo) is embedded inside l 2 O 3 or the like, and the heating element is connected to an external power supply via a lead wire. The power supplied to the heater 6 is such that the temperature of the protective film 24 is usually 500
The temperature is controlled to be not less than ° C. by a map prepared in advance according to the engine conditions, or by feedback control based on the resistance value of the heating element of the heater 6.

【0026】上記構成によれば、ヒータ6を設けること
により、エンジンオイルの燃焼等によって生じるデポジ
ット成分を保護皮膜24内で燃焼させることで、これに
よる保護皮膜24の目詰まりを防止することができる。
また、ヒータ6によりセンサの早期活性化を行い、エン
ジンの冷間始動時等、フィードバック制御ができない機
関を短縮し、エミッションの悪化を防ぐことができる。
According to the above configuration, by providing the heater 6, the deposit component generated by the combustion of the engine oil and the like is burned in the protective film 24, whereby the clogging of the protective film 24 can be prevented. .
In addition, the sensor 6 is activated early by the heater 6, so that the engine that cannot perform feedback control at the time of cold start of the engine or the like can be shortened, and deterioration of emission can be prevented.

【0027】図8に本発明の第4の実施の形態を示す。
本実施の形態では、上記保護皮膜24の外表面を、酸化
作用を有する触媒層7で被覆している。上記触媒層5
は、多孔質のセラミックス、例えばアルミナ(Al2
3 )に、触媒金属(Pt、Pt−Rh等)を担持させて
なり、排出ガスに含まれるH2 を保護皮膜24に達する
前に酸化することができる。ここで、上記触媒金属の担
持量は、上記触媒層7の全重量に対して、0.5〜5重
量%程度とするのが望ましい。また、触媒層7の膜厚
は、通常、50μm以下とすることが望ましい。この触
媒層7を設けることにより、排出ガス中のH2 を、触媒
層7内で酸化させ、保護皮膜24に到達するH2 の量を
減少させることができる。よって、H2 によるセンサ出
力のずれをより確実に防止することができる。
FIG. 8 shows a fourth embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the outer surface of the protective film 24 is covered with the catalyst layer 7 having an oxidizing effect. The above catalyst layer 5
Are porous ceramics such as alumina (Al 2 O)
3 ) a catalytic metal (Pt, Pt-Rh, etc.) is supported on H 2, and H 2 contained in the exhaust gas can be oxidized before reaching the protective film 24. Here, the loading amount of the catalyst metal is preferably about 0.5 to 5% by weight based on the total weight of the catalyst layer 7. The thickness of the catalyst layer 7 is usually desirably 50 μm or less. By providing the catalyst layer 7, H 2 in the exhaust gas can be oxidized in the catalyst layer 7 and the amount of H 2 reaching the protective film 24 can be reduced. Therefore, it is possible to more reliably prevent the deviation of the sensor output due to H 2.

【0028】図9に本発明の第5の実施の形態を示す。
上記各実施の形態では、ガス検出素子2として、試験管
状の酸素イオン導電性固体電解質の内外周面に第1の電
極、第2の電極を形成した例について説明したが、ガス
検出素子2の形状は、これに限定されるものではなく、
図9に示すように、平板状の酸素イオン導電性固体電解
質81の上下表面の対向位置に第1の電極82、第2の
電極83を形成した積層構造としてももちろんよい。排
気側の第1の電極82上には保護皮膜84が形成され、
大気側の第2の電極83の下面には、大気室85aおよ
びこれに連通する大気通路85bを形成するための平板
状支持体85が積層される。該支持体85の下面にはさ
らにヒータ86、絶縁シート87が積層配設される。
FIG. 9 shows a fifth embodiment of the present invention.
In the above embodiments, examples in which the first electrode and the second electrode are formed on the inner and outer peripheral surfaces of a test tubular oxygen ion conductive solid electrolyte as the gas detection element 2 have been described. The shape is not limited to this,
As shown in FIG. 9, a stacked structure in which a first electrode 82 and a second electrode 83 are formed at opposing positions on the upper and lower surfaces of a plate-shaped oxygen ion conductive solid electrolyte 81 may of course be used. A protective film 84 is formed on the first electrode 82 on the exhaust side,
On the lower surface of the second electrode 83 on the atmosphere side, a flat support 85 for forming an atmosphere chamber 85a and an atmosphere passage 85b communicating therewith is laminated. On the lower surface of the support 85, a heater 86 and an insulating sheet 87 are further laminated.

【0029】上記各実施の形態では、本発明を天然ガス
エンジンの空燃比制御用O2 センサに適用した例につい
て説明したが、本発明はこれら用途に限定されるものは
なく、より広域の空燃比を検出する空燃比センサ等、天
然ガスエンジン用ガスセンサであればいずれにも適用す
ることができる。
In each of the above embodiments, an example has been described in which the present invention is applied to an O 2 sensor for controlling the air-fuel ratio of a natural gas engine. However, the present invention is not limited to these uses, and the present invention is not limited to these applications. The present invention can be applied to any gas sensor for a natural gas engine such as an air-fuel ratio sensor for detecting a fuel ratio.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態を示す天然ガスエン
ジン用O2 センサの主要部拡大断面図である。
FIG. 1 is an enlarged sectional view of a main part of a natural gas engine O 2 sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第1の実施の形態のO2 センサの全体断面図で
ある。
FIG. 2 is an overall cross-sectional view of the O 2 sensor according to the first embodiment.

【図3】天然ガスエンジンのセンサ出力特性を示す図で
ある。
FIG. 3 is a diagram showing sensor output characteristics of a natural gas engine.

【図4】細孔径と拡散速度の関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a pore diameter and a diffusion rate.

【図5】細孔径とセンサ出力の関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a pore diameter and a sensor output.

【図6】本発明の第2の実施の形態を示すO2 センサの
主要部拡大断面図である。
FIG. 6 is an enlarged sectional view of a main part of an O 2 sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3の実施の形態を示すO2 センサの
主要部拡大断面図である。
FIG. 7 is an enlarged sectional view of a main part of an O 2 sensor according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第4の実施の形態を示すO2 センサの
主要部拡大断面図である。
FIG. 8 is an enlarged sectional view of a main part of an O 2 sensor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第5の実施の形態を示す図で、(a)
はガス検出素子構造を示す展開図、(b)は(a)のA
−A線断面図である。
FIG. 9 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention, in which (a)
Is a developed view showing the structure of the gas detection element, and (b) is A in (a).
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a line A.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ハウジング 11 フランジ 12 筒状部材 2 ガス検出素子 21 酸素イオン導電性固体電解質 22 内側電極(第1の電極) 23 外側電極(第2の電極) 24 保護皮膜(コーティング層) 3 カバー体 4 リード線 5 トラップ層 6 ヒータ 7 触媒層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Housing 11 Flange 12 Cylindrical member 2 Gas detection element 21 Oxygen ion conductive solid electrolyte 22 Inner electrode (first electrode) 23 Outer electrode (second electrode) 24 Protective film (coating layer) 3 Cover body 4 Lead wire 5 trap layer 6 heater 7 catalyst layer

フロントページの続き (72)発明者 飯塚 基正 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 金原 賢治 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 渡部 勲 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内Continued on the front page (72) Inventor Motomasa Iizuka 14 Iwatani, Shimowasakucho, Nishio City, Aichi Prefecture Inside the Japan Auto Parts Research Institute (72) Inventor Kenji Kanehara 14 Iwatani, Shimowasukamachi, Nishio, Aichi Prefecture Japan, Ltd. Within the Automotive Parts Research Laboratory (72) Inventor Isao Watanabe 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi, Japan Denso Corporation

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 天然ガスエンジンからの排出ガスに含ま
れる特定ガス成分を検出するためのガスセンサであっ
て、酸素イオン導電性固体電解質の表面に、上記排出ガ
スに晒される第1の電極と、基準酸素濃度ガスに晒され
る第2の電極とを設けるとともに、上記第1の電極の表
面を覆うコーティング層を設けた天然ガスエンジン用ガ
スセンサにおいて、上記コーティング層を、平均細孔径
が1000Å以上の多孔質膜で構成したことを特徴とす
る天然ガスエンジン用ガスセンサ。
1. A gas sensor for detecting a specific gas component contained in an exhaust gas from a natural gas engine, comprising: a first electrode exposed to the exhaust gas on a surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte; A second electrode exposed to a reference oxygen concentration gas; and a gas sensor for a natural gas engine provided with a coating layer covering the surface of the first electrode. A gas sensor for a natural gas engine, comprising a porous membrane.
【請求項2】 上記コーティング層において、全細孔の
90%以上が細孔径1000Å以上である請求項1記載
の天然ガスエンジン用ガスセンサ。
2. The gas sensor for a natural gas engine according to claim 1, wherein 90% or more of all the pores in the coating layer have a pore diameter of 1000 ° or more.
【請求項3】 上記第1の電極を上記酸素イオン導電性
固体電解質の一方の表面に、上記第2の電極を上記酸素
イオン導電性固体電解質の他方の表面に設けた請求項1
または2記載の天然ガスエンジン用ガスセンサ。
3. The oxygen ion conductive solid electrolyte according to claim 1, wherein the first electrode is provided on one surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte, and the second electrode is provided on the other surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte.
Or the gas sensor for a natural gas engine according to 2.
【請求項4】 上記コーティング層より外側に気孔率4
0〜50%の多孔質膜よりなるトラップ層を設けた請求
項1ないし3のいずれか記載の天然ガスエンジン用ガス
センサ。
4. A porosity of 4 outside the coating layer.
The gas sensor for a natural gas engine according to any one of claims 1 to 3, wherein a trap layer made of a porous film of 0 to 50% is provided.
【請求項5】 センサ加熱用のヒータ部材を設けた請求
項1ないし4のいずれか記載の天然ガスエンジン用ガス
センサ。
5. A gas sensor for a natural gas engine according to claim 1, further comprising a heater member for heating the sensor.
【請求項6】 上記コーティング層より外側に酸化作用
を有する触媒層を設けた請求項1ないし5のいずれか記
載の天然ガスエンジン用ガスセンサ。
6. The gas sensor for a natural gas engine according to claim 1, wherein a catalyst layer having an oxidizing action is provided outside the coating layer.
JP36580697A 1997-07-09 1997-12-22 Gas sensor for natural gas engine Expired - Lifetime JP3773014B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP36580697A JP3773014B2 (en) 1997-12-22 1997-12-22 Gas sensor for natural gas engine
US09/112,289 US6210641B1 (en) 1997-07-09 1998-07-09 Air-fuel ratio control system and gas sensor for engines

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP36580697A JP3773014B2 (en) 1997-12-22 1997-12-22 Gas sensor for natural gas engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH11183429A true JPH11183429A (en) 1999-07-09
JP3773014B2 JP3773014B2 (en) 2006-05-10

Family

ID=18485165

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP36580697A Expired - Lifetime JP3773014B2 (en) 1997-07-09 1997-12-22 Gas sensor for natural gas engine

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3773014B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002296221A (en) * 2001-03-30 2002-10-09 Kyocera Corp Oxygen sensor element and method of manufacturing the same
JP2007078473A (en) * 2005-09-13 2007-03-29 Toyota Motor Corp Gas sensor
JP2007206055A (en) * 2006-01-05 2007-08-16 Denso Corp Gas sensor element
JP2013096792A (en) * 2011-10-31 2013-05-20 Ngk Spark Plug Co Ltd Gas sensor element and gas sensor

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002296221A (en) * 2001-03-30 2002-10-09 Kyocera Corp Oxygen sensor element and method of manufacturing the same
JP4700214B2 (en) * 2001-03-30 2011-06-15 京セラ株式会社 Oxygen sensor element and manufacturing method thereof
JP2007078473A (en) * 2005-09-13 2007-03-29 Toyota Motor Corp Gas sensor
JP2007206055A (en) * 2006-01-05 2007-08-16 Denso Corp Gas sensor element
JP2013096792A (en) * 2011-10-31 2013-05-20 Ngk Spark Plug Co Ltd Gas sensor element and gas sensor

Also Published As

Publication number Publication date
JP3773014B2 (en) 2006-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6303012B1 (en) Gas sensor, gas sensor system using the same
US4383906A (en) Device for sensing oxygen concentration in an exhaust gas
US4770760A (en) Electrochemical NOx sensor
US4306957A (en) Device for producing control signal for feedback control of air/fuel ratio
US5006221A (en) Oxygen concentration-detecting apparatus
US6338783B1 (en) Gas sensor, method of manufacturing the same, and gas sensor system using the gas sensor
GB2033085A (en) Method of detecting air/fuel ratio by detecting oxygen in combustion gas
US4915814A (en) Sensor for measurement of air/fuel ratio and method of manufacturing
US4302312A (en) Device for producing control signal for feedback control of air/fuel mixing ratio
JPH11237361A (en) Gas sensor
US6153072A (en) Gas sensor, gas sensor system using the same, and method of manufacturing a gas sensor
US20020043460A1 (en) Heater control device for air-fuel ratio sensor
US20030154764A1 (en) Sensor element operated with a preliminary catalysis
EP0059933B1 (en) Solid electrolyte oxygen sensing element of laminated structure with gas diffusion layer on outer electrode
CN1312390C (en) Air/fuel ratio tester
US4712419A (en) Air/fuel ratio detector
JP3773014B2 (en) Gas sensor for natural gas engine
JP4051725B2 (en) Air-fuel ratio control method
JP3420932B2 (en) Method for detecting element resistance of gas concentration sensor
JPH11148910A (en) Method and apparatus for detecting concentration of discharged gas
JP2940164B2 (en) Air-fuel ratio sensor for internal combustion engines
JP3556790B2 (en) Exhaust gas sensor and exhaust gas sensor system
JP3695408B2 (en) Control device for gas concentration sensor
JP3152458B2 (en) Oxygen sensor
JPH1096707A (en) Oxygen sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040604

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20041202

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20041214

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050210

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050726

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050922

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20051108

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20051228

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060207

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060208

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090224

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100224

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110224

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120224

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130224

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140224

Year of fee payment: 8

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

EXPY Cancellation because of completion of term