本发明涉及检测被测定气体中的氧浓度的氧传感器元件。
背景技术：
检测氧浓度的氧传感器元件配置在将发动机(内燃机)的排气管等的排气气体进行排气的部位，为了将在发动机中进行燃烧时的空燃比控制为最适合等而使用。氧传感器元件是在固体电解质体上设置暴露于排气气体等被测定气体的电极和暴露于大气等参比气体的电极而构成的。而且，测定在一对电极间流动的氧离子电流的变化，检测发动机的空燃比相对于理论空燃比是向燃料过剩的富足侧变动、还是向空气过剩的贫乏侧变动。
例如，在专利文献1的氧传感器元件中，相对于作为固体电解质体中的被测定气体接触的范围的被测定气体接触面，规定在固体电解质体的表面设置的测定电极的位置。而且，有效地进行通过加热器对测定电极的加热，缩短直到获得氧传感器元件的传感器输出功率为止的活性时间。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-153571号公报
技术实现要素：
发明所要解决的技术问题
氧传感器元件在使用铂等具有催化作用的电极的情况下，在发动机的空燃比达到成为理论空燃比的化学计量比附近(λ点＝1的附近)时，可以观察到由氧离子电流引起的输出功率波形的变化。已知通常空燃比越从化学计量比附近向贫乏侧位移，NOx(氮氧化物)的排出量越多。因此，为了减少NOx的排出量，需要提前检测出空燃比向贫乏侧发生了位移。
然而，在专利文献1中，仅显示了有效地进行利用加热器对测定电极的加热，并没有进行将抑制NOx的排出量抑制得较少的研究。
本发明是鉴于这样的背景作出的，是为了提供在应用氧传感器元件的内燃机中能够将NOx的排出量抑制得较少的氧传感器元件而得到的。
用于解决问题的手段
本发明的一个方案为一种氧传感器元件，其特征在于，其具有：具有氧离子传导性的固体电解质体、设置在该固体电解质体的一个表面上的具有催化作用的测定电极、设置在上述固体电解质体的另一个表面上的具有催化作用的参比电极、和用于加热上述测定电极的加热器，其中，
在测定被测定气体中的氧浓度时，在被上述加热器加热后的上述测定电极中，暴露于被测定气体的接触部位的面积S中的表面温度达到低于450℃的低温区域的面积S1的比例为15％以下。
发明的效果
在上述氧传感器元件中，在测定被测定气体中的氧浓度的状态下，使测定电极中的接触部位的表面温度的分布适当，从而设法将NOx的排出量抑制得较少。
具体而言，在氧传感器元件中，在测定作为从内燃机排气的排气气体等的被测定气体中的氧浓度的状态下，测定电极被加热器加热。而且得知，该被加热器加热的测定电极的表面温度左右作为氧传感器元件的输出功率波形的变化点的λ点的微小的偏差。该λ点在作为排气气体等的被测定气体向富足侧位移时，略微小于1，在被测定气体向贫乏侧位移时，略微大于1。
而且得知，在测定电极的接触部位的整体中，在表面温度低于450℃的低温区域的面积的比例在15～20％的附近时，λ点略微向富足侧位移。
由此得知，在接触部位的面积S中的低温区域的面积S1的比例(％)为15％以下的情况、即氧传感器元件具有S1/S≤0.15的关系的情况下，可以得到伴随λ点略微向富足侧位移的NOx的排出量的降低效果。此外，接触部位中的除低温区域以外的区域的温度为450℃以上。
因此，根据上述氧传感器元件，能够在适用氧传感器元件的内燃机中将NOx的排出量抑制得较少。
能够将上述NOx的排出量抑制得较少的理由考虑如下。
通常内燃机的空燃比越从化学计量比附近(理论空燃比的附近)向富足侧位移，则CO(一氧化碳)或HC(烃)的排出量越增加。另外，内燃机的空燃比越从化学计量比附近向贫乏侧位移，则NOx(氮氧化物)的排出量越增加。这样，为了将NOx的排出量抑制得较少，作为氧传感器元件的特性，要求能够立即检测出根据被测定气体中的氧浓度探测的内燃机的空燃比向贫乏侧发生了位移。
然而，对于空燃比位移到富足侧时大量排出的CO、HC来说，如果测定电极的接触部位的表面温度变低，就容易吸附在该接触部位的表面。而且，如果接触部位的低于450℃的低温区域的比例增多，则在内燃机的空燃比位移到富足侧时，富气(空燃比位移到富足侧时的被测定气体)中的CO、HC更多地吸附于接触部位。在该状态下，空燃比从富足侧变化到贫乏侧时，在接触部位中，吸附着的CO、HC与贫气(空燃比位移到贫乏侧时的被测定气体)的平衡反应时间变长。而且，贫气到达测定电极与固体电解质体的界面所需的时间延迟。
此时，尽管内燃机的空燃比位移至贫乏侧，贫气已经达到了氧传感器元件中的测定电极，但在氧传感器元件中也无法迅速检测出贫气。因此，内燃机的空燃比的控制就成为使其更向贫乏侧位移的控制，或者维持向贫乏侧的位移的控制。由此，内燃机的空燃比长时间位移至贫乏侧，伴随于此，NOx的排出量会增加。
为了改善该课题，在上述氧传感器元件中，尽量减少接触部位中低于450℃的低温区域。而且认为：解决内燃机的空燃比的控制的课题，能够将NOx的排出量抑制得较少。
另外，将上述低温区域规定为表面温度低于450℃的区域的理由如下。原因在于，如果温度低于450℃，则多发生CO、HC向具有催化作用的铂电极等电极(测定电极、参比电极)的吸附。
另外，上述接触部位的面积S中的低温区域的面积S1的比例更加优选为8％以下。换而言之，氧传感器元件更加优选具有S1/S≤0.08的关系。
此时，能够使作为氧传感器元件的输出功率波形的变化点的λ点稳定在比1略小的富足侧的位置，能够更有效地将NOx的排出量抑制得较少。
另外，接触部位的面积S中的低温区域的面积S1的比例S1/S能够如下进行测定。
通过加热器加热测定电极及参比电极，使得氧传感器元件成为检测氧浓度的使用状态。另外，为了通过热成像仪(热记录器)来测定测定电极的表面温度，预先将覆盖氧传感器元件的盖取下或切断。然后，通过热成像仪，测定测定电极中的接触部位的各部分的温度分布。根据该温度分布，能够算出接触部位中的温度低于450℃的面积的比例，测定低温区域的面积的比例S1/S。
附图说明
图1是表示实施例的氧传感器元件中的测定电极及参比电极的截面图。
图2是表示实施例的氧传感器元件中的测定电极的截面图。
图3是示意性地表示实施例的λ点与氧传感器元件的输出功率特性的关系的图表。
图4是表示确认试验的测定电极的接触部位的面积中的低温区域的面积的比例S1/S与氧传感器元件的λ点的关系的图表。
图5是表示确认试验的低温区域的面积的比例S1/S为0.15时的探测部的基端位置和气孔的前端位置之间的距离K与氧传感器元件的λ点的关系的图表。
图6是表示确认试验的低温区域的面积的比例S1/S为0.15时的多孔质保护层的厚度与λ点的关系的图表。
具体实施方式
对于上述氧传感器元件的优选实施方式进行说明。
在上述氧传感器元件中，上述固体电解质体具有：具有筒形状的外周部和封闭该外周部的前端的前端底部的有底筒形状。另外，上述测定电极设置在上述固体电解质体的外周部的外侧表面上，上述参比电极设置在上述固体电解质体的外周部的内侧表面上。此外，上述加热器插入到上述固体电解质体的内侧的空间中。另外，上述固体电解质体在具有筒形状的盖外周部和封闭该盖外周部的前端的盖前端底部的有底筒形状的盖内对齐上述盖前端底部和上述前端底部的朝向而配置。而且，在上述盖外周部上形成有用于使被测定气体在上述盖的内侧与外侧之间流通的气孔。另外，上述测定电极中的上述接触部位也可以具有用于探测在与上述参比电极之间流动的氧离子电流的探测部、和为了将该探测部连接于传感器电路而与该探测部连接的导体部。
上述探测部中的距离上述前端底部较远一侧的基端位置优选位于比上述气孔中的距离上述盖前端底部较近一侧的前端位置更靠前端侧。
此时，能够使作为氧传感器元件的输出功率波形的变化点的λ点设在略微小于1的富足侧的位置，能够更有效地将NOx的排出量抑制得较少。此外，如果探测部的基端位置位于比气孔的前端位置更靠基端侧，则λ点向贫乏侧的位置位移，由氧传感器元件带来的将NOx的排出量抑制得较少的效果会减少。
另外，在流入盖内的被测定气体的流动方向相对于氧传感器元件的轴向垂直的情况下，富气中的CO、HC容易吸附于测定电极的接触部位。此时，能够显著地获得由使上述探测部的基端位置位于比上述气孔的前端位置更靠前端侧所带来的效果。
另外，与通过上述固体电解质体的中心的中心轴线平行的轴向上的上述探测部的上述基端位置与上述气孔的上述前端位置之间的距离优选在0～2mm的范围内。
可以认为：如果探测部的基端位置相比于气孔的前端位置过于离开前端侧，则流入盖内的作为被测定气体的贫气到达测定电极所需的时间变长。此时，氧传感器元件检测到贫气所需的时间延迟，由氧传感器元件带来的将NOx的排出量抑制得较少的效果会减少。
因此，通过探测部的基端位置与气孔的前端位置之间的距离为2mm以下，能够将贫气到达测定电极所需的时间维持得较短，能够更有效地将NOx的排出量抑制得较少。
另外，在上述固体电解质体的上述外侧表面且至少覆盖上述探测部的整体的位置上设置有多孔质保护层，上述多孔质保护层具有使被测定气体通过而捕获可能会附着于上述测定电极的中毒成分的性质。其中，该多孔质保护层的厚度优选在250～350μm的范围内。
多孔质保护层的厚度低于250μm的情况下，富气容易到达测定电极的接触部位，富气中的CO、HC容易吸附于该接触部位。另一方面，在多孔质保护层的厚度超过350μm的情况下，贫气难以到达测定电极的接触部位。其结果是，氧传感器元件检测到贫气所需的时间延迟，由氧传感器元件带来的将NOx的排出量抑制得较少的效果会减少。
实施例
以下，参照附图说明氧传感器元件1的实施例。
氧传感器元件1如图1所示，具有：具有氧离子传导性的固体电解质体2、设置在固体电解质体2的一个表面上的具有催化作用的测定电极3、设置在固体电解质体2的另一个表面上的具有催化作用的参比电极35、和用于加热测定电极3的加热器5。在利用氧传感器元件1测定被测定气体G中的氧浓度时，如图2所示，在被加热器5加热后的测定电极3中，暴露于被测定气体G的接触部位31的面积S中的表面温度低于450℃的低温区域的面积S1的比例(％)为15％以下。其中，接触部位31中的除低温区域以外的区域的温度为450℃以上。
以下，参照图1～图3详细说明本实施例的氧传感器元件1。
如图1所示，本实施例的氧传感器元件1在配置于内盖6内的状态下，在汽车的排气管内使用。另外，被测定气体G为通过排气管的排气气体，氧传感器元件1用于检测排气气体中的氧浓度。
固体电解质体2由氧化锆构成，具有筒形状的外周部21和封闭外周部21的前端的前端底部22。而且，固体电解质体2具有有底筒形状。测定电极3设置在固体电解质体2的外周部21的外侧表面201上。参比电极35设置在固体电解质体2的外周部21的内侧表面202上。加热器5插入到固体电解质体2的内侧的空间20中。加热器5由氧化铝的绝缘体基板和设置在该绝缘体基板上的因通电而发热的导体构成。
如图1～图2所示，在固体电解质体2的内侧的空间20中，摄入作为参比气体H的大气，参比电极35与大气接触。固体电解质体2中的测定电极3与作为被测定气体G的排气气体接触。氧传感器元件1根据大气中的氧浓度与排气气体中的氧浓度之差，测定在测定电极3与参比电极35之间流动的氧离子电流。
固体电解质体2配置在内盖(盖)6内。内盖6具有筒形状的盖外周部61和封闭盖外周部61的前端的盖前端底部62。而且，内盖6具有有底筒形状。内盖6的盖前端底部62的方向与固体电解质体2的前端底部22的方向相同。
如图1所示，内盖6配置在外盖7内。内盖6及外盖7安装于安装有氧传感器元件1的壳11。在内盖6的盖外周部61中形成有用于使被测定气体G在内盖6的内侧与外侧之间流通的气孔611。另外，在内盖6的盖前端底部62中也形成有用于使被测定气体G在内盖6的内侧与外侧之间流通的气孔621。此外，在外盖7中也形成有用于流通被测定气体G的气孔711。
在氧传感器元件1配置在排气管内时，与通过固体电解质体2的中心的中心轴线O平行的轴向D相对于排气管中被测定气体G的流动方向F正交。而且，从盖外周部61的气孔611流入内盖6内的被测定气体G从盖前端底部62的气孔621流出到内盖6的外部。
如图2所示，测定电极3中的接触部位31具有用于探测在与参比电极35之间流动的氧离子电流的探测部311、和为了将探测部311与传感器电路连接而从探测部311引出的导体部312。探测部311设置在遍及固体电解质体2的外周部21的几乎整周上。导体部312从探测部的周向的一部分向固体电解质体2的基端侧D2引出。此外，导体部312中的基端侧D2的端部被引出到不与被测定气体G接触的部位。而且，测定电极3中的暴露于被测定气体G的接触部位31严格来说为探测部311的整体、和暴露于被测定气体G的导体部312的前端侧D1的部分。
另外，图2中，暴露于被测定气体G的接触部位31为探测部311的整体、和比固体电解质体2安装于壳11的部分111更位于靠近前端侧D1的导体部312的部分。
探测部311中的距离前端底部22较远一侧的基端位置301位于比盖外周部61的气孔611中的距离盖前端底部62较近一侧的前端位置601更靠近前端侧D1。更具体而言，固体电解质体2的轴向D中的探测部311的基端位置301与气孔611的前端位置601之间的距离K在0～2mm的范围内。
另外，在固体电解质体2的外侧表面201且至少覆盖探测部311的整体的位置上设置有具有多个通气孔的多孔质保护层4。多孔质保护层4具有使被测定气体G通过而捕获有可能附着于测定电极3的中毒成分的性质。多孔质保护层4也具有限制被测定气体G到达测定电极3的速度的作为扩散层的功能。多孔质保护层4的厚度t在250～350μm的范围内。
接着，说明氧传感器元件1的作用效果。
在氧传感器元件1中，在测定作为从内燃机排出的排气气体等的被测定气体G中的氧浓度的状态下，测定电极3及参比电极35被加热器5加热。而且可知，通过该加热器5加热的测定电极3的表面温度会左右作为氧传感器元件1的输出功率波形的变化点的λ点的微小的偏差。对于该λ点来说，如果作为排气气体等的被测定气体G位移到富足侧(燃料过剩侧)，则略微小于1。另外，如果被测定气体G位移到贫乏侧(空气过剩侧)，则略微大于1。此外，λ点在内燃机的空燃比为理论空燃比时显示为1。
而且可知，在测定电极3的接触部位31的整体中，在表面温度低于450℃的低温区域的面积的比例为15～20％的附近时，λ点略微向富足侧位移。
由此可知，接触部位31的面积S中的低温区域的面积S1的比例为15％以下时、即氧传感器元件1具有S1/S≤0.15的关系的情况下，可以得到伴随λ点略微向富足侧位移的NOx的排出量的降低效果。
因此，根据氧传感器元件1，在适用氧传感器元件1的内燃机中能够将NOx的排出量抑制得较少。
图3示意性地表示λ点与氧传感器元件1的输出功率特性A的关系，与其一起也示意性地表示λ点与NOx的排出量B的关系、及λ点与HC的排出量C的关系。λ点为1的点表示内燃机的空燃比为理论空燃比，λ点小于1则表示空燃比在富足侧，λ点大于1则表示空燃比在贫乏侧。在该图3中，如果λ点在富足侧，则HC的排出量C增加，而NOx的排出量B则减少。另一方面，如果λ点在贫乏侧，则NOx的排出量B增加，而HC的排出量C减少。在氧传感器元件1中，如该图的箭头E所示，有意使λ点向富足侧位移，使NOx的排出量B减少。其中，对于此时的HC的排出量C的增加，能够通过设置在内燃机的排气管的三效催化剂等对HC进行净化来对应。
(确认试验)
在本确认试验中，对于上述实施例所示的氧传感器元件1来说，确认了使λ点向富足侧位移、使NOx的排出量抑制得较少的构成。
图4表示测定电极3的接触部位31的面积S中的低温区域的面积S1的比例S1/S与氧传感器元件1的λ点的关系。如该图所示，λ点在S1/S大于0.2的范围、即低温区域多的范围中，显示为接近1的值。另一方面，λ点在S1/S接近0的范围、即低温区域极少的范围中，显示为接近0.999的值。而且，λ点的值在S1/S为0.15～0.2的附近急剧发生变化。由此可知，如果将S1/S设为0.15以下，则可以得到λ点向富足侧位移、降低内燃机中的NOx的排出量的效果。
另外，在该图中，也表示了使探测部311的基端位置301与气孔611的前端位置601之间的距离K变为-1mm、0mm、1mm、3mm时的S1/S与λ点的关系。距离K为1mm、3mm时，意味着探测部311的基端位置301位于比气孔611的前端位置601更靠近前端侧D1。另外，距离K为-1mm时，意味着探测部311的基端位置301位于比气孔611的前端位置601更靠近基端侧D2。
而且可知，距离K为-1mm时，与距离K为0mm、1mm、3mm时相比，λ点的值位移至接近1的贫乏侧。另外可知，距离K为3mm时，与距离K为0mm、1mm时相比，λ点的值接近贫乏侧。
图5表示低温区域的面积的比例S1/S为0.15时的距离K与λ点的关系。如该图所示，在距离K为1mm的附近时，λ点为最小。即，在距离K为1mm的附近时，λ点位移至最富足侧。可知λ点位移至富足侧时，将内燃机中的NOx的排出量抑制得较少。另外，在图4中，能够读取S1/S为0.15以下时的λ点的值为0.99925以下。因此可知，优选距离K在0～2mm的范围内，使得λ点为0.99925以下。
另外，图6表示低温区域的面积的比例S1/S为0.15时的多孔质保护层4的厚度t与λ点的关系。如该图所示，在多孔质保护层4的厚度t为300μm的附近时，λ点最小。即，在多孔质保护层4的厚度t在300μm的附近时，λ点位移至最富足侧。可知如果λ点位移至富足侧，则将内燃机的NOx的排出量抑制得较少。另外可知，通过S1/S为0.15以下时的λ点的值为0.99925以下，优选多孔质保护层4的厚度t在250～350μm的范围内，使得λ点为0.99925以下。
符号说明
1氧传感器元件
2固体电解质体
3测定电极
31接触部位
35参比电极
5加热器
G被测定气体