JPH038706B2 - - Google Patents

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JPH038706B2
JPH038706B2 JP59043097A JP4309784A JPH038706B2 JP H038706 B2 JPH038706 B2 JP H038706B2 JP 59043097 A JP59043097 A JP 59043097A JP 4309784 A JP4309784 A JP 4309784A JP H038706 B2 JPH038706 B2 JP H038706B2
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JP
Japan
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air
fuel ratio
oxygen
solid electrolyte
gas
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JP59043097A
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JPS59192955A (ja
Inventor
Yoshiaki Asayama
Masaya Kominami
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.)
Mitsubishi Electric Corp
Nippon Tokushu Togyo KK
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Nippon Tokushu Togyo KK
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Publication date
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Publication of JPS59192955A publication Critical patent/JPS59192955A/ja
Publication of JPH038706B2 publication Critical patent/JPH038706B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は内燃機関の排気ガス中の空燃比を測
定するための空燃比センサに関するものである。
従来、空燃比検知素子としてジルコニア酸素濃
淡電池センサが使用されていた。このセンサは理
論空燃比点で出力電圧が階段状に変化することに
よつて理論空燃比での燃焼状態を検出する。たと
えば自動車用内燃機関を理論空燃比で運転するよ
うに制御するシステムに用いられている。しかし
上記の酸素センサではリツチ雰囲気において起電
力の変化が殆んどなく、したがつてリツチ側にお
ける空燃比を厳密に測定することは不可能で、こ
のためほぼ一定のリツチ雰囲気に保持するために
吸気系側に種々の装置を設けてオープン制御を行
なつていた。ところがこのような制御方式では空
燃比制御コストが高になる上、高精度の制御が行
なえない欠点があつた。
また従来、空燃比全域を検出するセンサとし
て、特公昭53−34077号公報並びに特公昭57−
49860号公報に記載されているようなセンサが提
案されているが、いずれも技術的に困難で実用段
階に至つていない。上記の特公昭53−34077号公
報には空燃比が理論空燃比点よりもリツチ側での
空燃比を測定するためにジルコニア管の排気ガス
中に位置する測定側電極としてAu、Agのような
非触媒電極を用いる形式の酸素センサが記載され
ているが、上記の電極でも触媒作用があり、ガス
吸着現象が生じ出力電圧の再現性が悪くさらに高
温高速のガス中での耐久性が悪く実用できないセ
ンサであつた。また特公昭57−49860号公報には
リツチおよびリーン側の空燃比が測定しうる方法
が記載されているが使用電流値が極めて低く、電
気的な処理に注意が必要であり、製作も技術的に
難しく高温高速のガス中での耐久性、応答性が悪
いなどの欠点があつた。
この発明は上記のような従来のものの欠点を除
去するためになされたもので、比較的安価で実用
性に優れ、理論空燃比点ばかりでなくリツチ側や
リーン側の空燃比を測定し得るセンサを提供する
ことを目的としている。またこの発明は自動車用
機関の燃焼効率の向上および排気ガスの無害化を
良好にするためのリツチバーンエンジン、リーン
バーンエンジンの空燃比をクローズド制御するた
めの排気ガス中の空燃比を測定するセンサを提供
することを目的としている。
この発明による空燃比センサの特徴は、被測定
ガスが供給される室を介して対向する酸素ポンプ
と酸素濃淡電池から構成したセンサの酸素供給源
として空気中の酸素を利用したもので、この結果
被測定ガス中の可燃性ガス濃度と酸素濃度を変化
させるのに十分な量の酸素を供給することができ
る。このことは被測定ガスの化学当量点を酸素不
足状態の側に移動することができることになり、
これは理論空燃比点よりリツチ側での空燃比をも
検出できることを意味している。
以下この発明の実施例を第1図について説明す
る。
実施例 1 Y2O310重量%で安定したZrO2焼結体より5×
20×0.5mmの板を2枚切出し、この板の両面に8
×4mmの大きさにPtを約2000Å蒸着し、その後
厚さ1μになるように電気メツキして第2図に示
す電極付き固体電解質板12a(12b)を製作
した。次に5×20×1.5mmの板を2枚切出し、上
記固体電解質板12a(12b)と接着したとき
に空気側と通じる孔を形成するようなくぼみを設
けた第3図に示す固体電解質板11a(11b)
を製作した。さらに5×5×1.5mmの板を切出し、
空間室を形成するために4×1mmの穴をあけ、か
つ拡散細孔14となる0.07mmの孔をあけた第4図
に示すスペーサ13を製作した。上記の各部材は
第1図に示すように排気管1内に保持部3を介し
て組立て、その接着剤にNaO−SiO2−Al2O3系の
1000℃で軟化点を示すガラスフリツト2を塗布し
て接合した後、炉中で1150℃に加熱し結合した。
次に上記のように構成したセンサの機能を第1
図について説明する。図において、酸素量制御供
給手段としてのジルコニア固体電解質酸素ポンプ
を固体電解質板11a,12aで構成している。
また化学当量点検出手段としてのジルコニア固体
電解質酸素濃淡電池を固体電解質板11b,12
bで構成している。そして被測定ガスを導入して
測定するための拡散細孔14を備えた空間室Bを
スペーサ13が形成している。上記酸素ポンプの
電極15a,15bに電圧を印加されると空気側
に開放されている基準空気室Aの酸素が空間室B
内に移動する。また上記酸素濃淡電池は基準ガス
として空気を利用できるように空気側に開放され
ている空気室A′中の酸素濃度と上記空間室B中
の酸素濃度に応じて電圧を発生する。この電圧は
公知のネルンストの式で示される。
E=RT/4FlnPO″2/PO2 R……気体定数 T……絶対温度 F……フアラデー定数、 PO2……基準ガス中の酸素分圧 PO″2……被測定ガス中の酸素分圧 ところで、空燃比が理論空燃比点よりリツチ側
では被測定ガス中の酸素濃度が極めて低く可燃性
ガスが急増するためジルコニア固体電解質酸素濃
淡電池では、その出力電圧が理論空燃比点よりリ
ツチ側で階段状に変化しその現象を利用して理論
空燃比点を検出する手段として使用されることは
公知である。一方、この発明においても酸素濃淡
電池は上記と同様の動作を行なうが、酸素ポンプ
によつて上記空間室B内の被測定ガス中に酸素が
導入されるためにこの被測定ガス中の酸素と可燃
性ガスの化学当量点が上記空間室B外の被測定ガ
スの理論空燃比点よりも実質的にリツチ側に移動
し、この移動量は導入された酸素量によつて自由
に制御できるので、第6,7図に示すようにリツ
チ側の任意の空燃比を検出することができる。
実施例 2 Y2O310重量%で安定化したZrO2焼結体より5
×20×0.5mmの板を2枚切出し、この板の両面に
3×4mmの大きさにPtを約2000Å蒸着し、その
後厚さ1μになるように電気メツキして電極付き
固体電解質板12a,12bを製作した。次に5
×20×1.5mmの板を2枚切出し上記固体電解質板
12a,12bと接着したときに空気側と通じる
孔を形成するようなくぼみを設けた固体電解質板
11a,11bを製作した。さらに間〓室Cを設
けるためにスペーサ4として5×5×0.075mmの
板を切出した。上記の各部材は第5図に示すよう
に組立て、その接着部にNaO−SiO2−Al2O3系の
1000℃で軟化点を示すがガラスフリツトを塗布し
た後、炉内で1150℃に加熱し接合した。このよう
に構成したセンサの機能においては間〓室Cが実
施例1の拡散細孔14を備えた空間室Bと同等の
作作用が得られ、出力特性も同様であつた。
実施例 3 実施例1にて製作したセンサにおいて、固体電
解質酸素ポンプを使用し空間室B内の酸素を排出
し、固体電解質酸素濃淡電池の出力電圧が1000m
Vになるように、即ち空間室Bと基準空気室
A′との酸素分圧が設定値となるように空燃比に
対応してポンプ電流を変え測定したところ、800
℃排気ガス温中で第8図に示すような特性が確認
された。この特性からリーン時において空燃比を
測定するにはポンプ電流を測ればよい。また実施
例2にて製作したセンサでも同様の特性が得られ
た。なお、第7図にリツチ時におけるポンプ電流
と空燃比との関係を特性図を示している。
以上のようにこの発明によれば、所定量の酸素
を供給する酸素量制御供給手段と、化学当量点検
出手段とを備え、両手段が任意量の被測定ガスを
導入して測定するための間〓室または拡散細孔を
備えた空間室を形成したことにより、内燃機関の
排気ガス中の酸素濃度と空燃比が計測できる小型
で安価な空燃比センサとなり、基準としての理論
空燃比を検出し、酸素濃度と空燃比の補正ができ
るので、正確かつ安定にリツチ、リーンの任意の
空燃比が測定できる。またこの発明のセンサは自
動車用機関の他、工業用バーナおよび暖房燃焼装
置などにも広く適用できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の空燃比センサの断面図、第
2図は電極付き固体電解質板の斜視図、第3図は
固体電解質板の斜視図、第4図はスペーサの斜視
図、第5図は空燃比センサの他の実施例を示す断
面図、第6図はポンプ電流を流したときの電池電
圧の変化を示す特性図、第7図は化学当量点変化
をポンプ電流と空燃比で表わした特性図、第8図
はリーン時におけるポンプ電流と空燃比の関係を
示す特性図である。 2……ガラスフリツト接合部、4……スペー
サ、11a,11b……固体電解質板、12a,
12b……電極付き固体電解質板、13……スペ
ーサ、14……拡散細孔、15a,15b……ポ
ンプ部電極、16a,16b……電池部電極、
A,A′……基準空気室、B……空間室、C……
間〓室。なお、図中、同一符号は同一又は相当部
分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 固体電解質の両側面に電極を設けてそれぞれ
    構成された固体電解質酸素ポンプおよび固体電解
    質酸素濃淡電池、該酸素ポンプと酸素濃淡電池を
    間〓室または空間室を介して対向配置し、該室に
    被測定ガスを導入するように構成するとともに、
    上記酸素ポンプと酸素濃淡電池の両方の上記室と
    反対側の側面に大気と連通する空気室を形成した
    ことを特徴とする空燃比センサ。
JP59043097A 1984-03-06 1984-03-06 空燃比センサ Granted JPS59192955A (ja)

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