[發明專利]測量排出氣體中的可燃氣體濃度的裝置及其方法

無效

• 申請號: 00108032.6
• 申請日: 2000-06-09
• 公開（公告）號: CN1277354A
• 公開（公告）日: 2000-12-20
• 發明（設計）人: 藤田弘輝;加藤健次;井上隆治;北野谷昇治;夫馬智弘;大島崇文
• 申請（專利權）人: 日本特殊陶業株式會社
• 主分類號: G01N27/419
• 分類號: G01N27/419
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 顧紅霞,朱登河

本發明涉及一種測量可燃氣體濃度的裝置和使用該裝置測量可燃氣體濃度的方法，以及測量碳氫化合物氣體濃度的裝置和使用該裝置測量碳氫化合物氣體濃度的方法。更具體地說，本發明涉及一種測量可燃氣體濃度的裝置和使用該裝置測量可燃氣體濃度的方法，以及測量碳氫化合物氣體濃度的裝置和使用該裝置測量碳氫化合物氣體濃度的方法，其中上述裝置和方法能測量氣體中可燃氣體或者碳氫化合物氣體的濃度，并且對氣體中所含氧氣的濃度依賴性很低。

本發明的測量可燃氣體濃度的裝置和使用該裝置測量可燃氣體濃度的方法，以及測量碳氫化合物氣體濃度的裝置和使用該裝置測量碳氫化合物氣體濃度的方法，能測量可燃氣體(例如碳氫化合物氣體)的濃度，上述可燃氣體包含在從各種內燃機排出的燃燒廢氣中，上述裝置和方法特別適合應用于微弱燃燒的發動機。

背景技術

為了提高內燃機的燃燒效率以及使含在燃燒廢氣中的可燃氣體得到最大程度燃燒，傳統的作法是測量一種含在燃燒廢氣中的組份的百分含量，上述組份具體地說是氧氣，所測數據反饋到燃燒系統用于優化燃燒和提高廢氣的燃燒效率。但是，近年來為了順應對廢氣進行嚴格管理的趨勢并達到節約能源的目標，有必要對燃燒廢氣中可燃氣體的含量進行敏感探測。因此，就需要測量可燃氣體組份含量的裝置和方法。

例如，對于微弱燃燒的發動機，它可以節約能源，但釋放出大量氮氧化物。圖1示出了一種已研制出的去除氮氧化物的系統，其中氮氧化物的去除是利用一個噴射器通過把使用的燃料注入到位于催化轉化器進氣端的消耗室完成的。并且，對于柴油機還需要催化劑，而傳統的設計并沒有安裝催化轉化器。這樣，就研制了如圖2和圖3所示的能測量可燃氣體的傳感器，用于探測催化轉化器的性能惡化。

但是，與傳統的發動機比，微弱燃燒的發動機中氧氣的濃度有很大的變化，在貪油條件下氧氣的濃度特別高。這樣，需要一種測量可燃氣體濃度的裝置，它能探測含有很多碳原子(約2～15個碳原子)的碳氫化合物，而不依賴于氧氣的濃度。

在PCT專利申請公開號WO95/25277和日本專利申請公開號82763/1998中描述了以上述方式探測可燃氣體的技術。根據前一個專利，探測電極含有金、銀、鉑或鉍。后一個出版物并沒有具體描述探測電極。這些出版物并沒有提到降低對氧氣濃度的依賴性及對燃燒廢氣溫度的依賴性的技術。

本發明的目標是解決上述提到的問題，并提供一種測量可燃氣體濃度的裝置和使用該裝置測量可燃氣體濃度的方法，以及測量碳氫化合物氣體濃度的裝置和使用該裝置測量碳氫化合物氣體濃度的方法。上述裝置和方法能很敏感地探測可燃氣體，如碳氫化合物氣體，還能精確地測量這種可燃氣體的濃度，同時排除對燃燒廢氣中氧氣濃度的依賴和被測氣體溫度的依賴，并能發出穩定的響應信號。

第一發明測量可燃氣體的裝置包括一個傳導氧離子的固體電解質元件，一個基準電極和一個在固體電解質元件表面形成的探測電極，以及一個用于加熱固體電解質元件的加熱元件。上述裝置的特征在于探測電極含有金和金屬氧化物。

上述可燃氣體的實例包括含有2～15個碳原子的碳氫化合物氣體、氫氣、一氧化碳和氨。上述固體電解質元件可以是一種已知的傳導氧離子的固體電解質，例如氧化鋯基的燒結體或LaGaO₃基的燒結體。

上述“基準電極”是一種與一種基準氣體接觸的電極，放置在恒壓的氧氣氣氛中。氧氣的壓力通過氧氣泵來保持；或者一旦與被測氣體中所含的可燃氣體組份接觸，上述基準電極比探測電極的電勢高。上述探測電極置于被測氣體中。上述加熱元件用于加熱固體電解質元件，以使其保持在一個預定溫度，上述加熱元件可以采用傳統的形式，并用公知的材料制成。當固體電解質元件形狀為底部封閉的圓柱形時，加熱元件的形狀可以為棒狀，例如圓的桿或條。當測量可燃氣體的裝置為疊層結構時，加熱元件可以是疊層結構的一個組成部分或者以隔離狀態放置在固體電解質元件附近。

上述金屬氧化物可以是一種過渡族金屬氧化物。優選的情況下，探測電極至少包含In、Fe、Ta、Ga、Sr、Eu、W、Ce、Ti、Zr和Sn中的一種元素。特別優選的是，探測電極含有氧化銦和氧化鐵中的一種。金屬氧化物的使用大大降低了測量可燃氣體濃度的裝置對氧氣濃度的依賴性。

第二發明測量可燃氣體濃度的裝置，其特點在于探測電極包括第一電極層和第二電極層，第一電極層在固體電解質元件的表面形成，第二電極層在第一電極層的表面形成；第一電極層含有金和鉑中的至少一種，第二電極層至少含有金和一種金屬氧化物中的一種(當第一電極層與第二電極層的成分相同時除外)。