[发明专利]测量排出气体中的可燃气体浓度的装置及其方法

说明书

本发明涉及一种测量可燃气体浓度的装置和使用该装置测量可燃气体浓度的方法，以及测量碳氢化合物气体浓度的装置和使用该装置测量碳氢化合物气体浓度的方法。更具体地说，本发明涉及一种测量可燃气体浓度的装置和使用该装置测量可燃气体浓度的方法，以及测量碳氢化合物气体浓度的装置和使用该装置测量碳氢化合物气体浓度的方法，其中上述装置和方法能测量气体中可燃气体或者碳氢化合物气体的浓度，并且对气体中所含氧气的浓度依赖性很低。

本发明的测量可燃气体浓度的装置和使用该装置测量可燃气体浓度的方法，以及测量碳氢化合物气体浓度的装置和使用该装置测量碳氢化合物气体浓度的方法，能测量可燃气体(例如碳氢化合物气体)的浓度，上述可燃气体包含在从各种内燃机排出的燃烧废气中，上述装置和方法特别适合应用于微弱燃烧的发动机。

背景技术

为了提高内燃机的燃烧效率以及使含在燃烧废气中的可燃气体得到最大程度燃烧，传统的作法是测量一种含在燃烧废气中的组份的百分含量，上述组份具体地说是氧气，所测数据反馈到燃烧系统用于优化燃烧和提高废气的燃烧效率。但是，近年来为了顺应对废气进行严格管理的趋势并达到节约能源的目标，有必要对燃烧废气中可燃气体的含量进行敏感探测。因此，就需要测量可燃气体组份含量的装置和方法。

例如，对于微弱燃烧的发动机，它可以节约能源，但释放出大量氮氧化物。图1示出了一种已研制出的去除氮氧化物的系统，其中氮氧化物的去除是利用一个喷射器通过把使用的燃料注入到位于催化转化器进气端的消耗室完成的。并且，对于柴油机还需要催化剂，而传统的设计并没有安装催化转化器。这样，就研制了如图2和图3所示的能测量可燃气体的传感器，用于探测催化转化器的性能恶化。

但是，与传统的发动机比，微弱燃烧的发动机中氧气的浓度有很大的变化，在贪油条件下氧气的浓度特别高。这样，需要一种测量可燃气体浓度的装置，它能探测含有很多碳原子(约2～15个碳原子)的碳氢化合物，而不依赖于氧气的浓度。

在PCT专利申请公开号WO95/25277和日本专利申请公开号82763/1998中描述了以上述方式探测可燃气体的技术。根据前一个专利，探测电极含有金、银、铂或铋。后一个出版物并没有具体描述探测电极。这些出版物并没有提到降低对氧气浓度的依赖性及对燃烧废气温度的依赖性的技术。

本发明的目标是解决上述提到的问题，并提供一种测量可燃气体浓度的装置和使用该装置测量可燃气体浓度的方法，以及测量碳氢化合物气体浓度的装置和使用该装置测量碳氢化合物气体浓度的方法。上述装置和方法能很敏感地探测可燃气体，如碳氢化合物气体，还能精确地测量这种可燃气体的浓度，同时排除对燃烧废气中氧气浓度的依赖和被测气体温度的依赖，并能发出稳定的响应信号。

第一发明测量可燃气体的装置包括一个传导氧离子的固体电解质元件，一个基准电极和一个在固体电解质元件表面形成的探测电极，以及一个用于加热固体电解质元件的加热元件。上述装置的特征在于探测电极含有金和金属氧化物。

上述可燃气体的实例包括含有2～15个碳原子的碳氢化合物气体、氢气、一氧化碳和氨。上述固体电解质元件可以是一种已知的传导氧离子的固体电解质，例如氧化锆基的烧结体或LaGaO₃基的烧结体。

上述“基准电极”是一种与一种基准气体接触的电极，放置在恒压的氧气气氛中。氧气的压力通过氧气泵来保持；或者一旦与被测气体中所含的可燃气体组份接触，上述基准电极比探测电极的电势高。上述探测电极置于被测气体中。上述加热元件用于加热固体电解质元件，以使其保持在一个预定温度，上述加热元件可以采用传统的形式，并用公知的材料制成。当固体电解质元件形状为底部封闭的圆柱形时，加热元件的形状可以为棒状，例如圆的杆或条。当测量可燃气体的装置为叠层结构时，加热元件可以是叠层结构的一个组成部分或者以隔离状态放置在固体电解质元件附近。

上述金属氧化物可以是一种过渡族金属氧化物。优选的情况下，探测电极至少包含In、Fe、Ta、Ga、Sr、Eu、W、Ce、Ti、Zr和Sn中的一种元素。特别优选的是，探测电极含有氧化铟和氧化铁中的一种。金属氧化物的使用大大降低了测量可燃气体浓度的装置对氧气浓度的依赖性。

第二发明测量可燃气体浓度的装置，其特点在于探测电极包括第一电极层和第二电极层，第一电极层在固体电解质元件的表面形成，第二电极层在第一电极层的表面形成；第一电极层含有金和铂中的至少一种，第二电极层至少含有金和一种金属氧化物中的一种(当第一电极层与第二电极层的成分相同时除外)。