JPH0414306B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［分野］ この発明は、内燃機関、ガス燃焼機器などの燃
焼装置の排気ガス中の酸素濃度もしくは空燃比を
測定もしくは制御するための検知装置に関する。

［従来技術］ 従来より酸素イオン伝導性固体電解質（例えば
安定化ジルコニア）に多孔質電極層（例えば白金
製多孔質層）を被着して構成された酸素センサを
用い、排気ガスの酸素分圧と空気の酸素分圧との
差によつて生じる起電力の変化によつて理論空燃
比付近の燃焼状態を検知することにより、例えば
自動車の機関を理論空燃比で運転するように制御
することは一般に知られている。

ところで上記酸素センサは空気と燃料との重量
比率である運転空燃率（Ａ／Ｆ）が理論空燃比お
よそ14.7である時は大きな変化出力が得られるが
他の運転空燃比域での変化はほとんどなく、理論
空燃比以外の空燃比で機関を運転する場合には上
記酸素センサの出力を利用することができない。

特開昭58−153155号において、板状の酸素イオ
ン導電性固体電解質の先側の両面に電極層を設け
た素子を、２枚間隔をおいて平行状に配して上記
先側に間隙部を設けて該両素子を固定し、一方の
素子を酸素ポンプ素子、他方の素子を周囲雰囲気
と前記間隙部との酸素濃度差によつて作動する酸
素濃淡電池素子とした酸素濃度検知装置が提案さ
れている。かかる酸素濃度検知装置は応答性はよ
いが、出力信号に対応する理論空燃比数14.7より
低い燃料過濃域で作動させると燃料希薄域におけ
る場合と同じ向きの出力を発生する特性をもつこ
とが判つた。すなわち出力に対して２つの空燃比
が対応するようになるため空燃比制御が燃料過濃
域、あるいは燃料希薄域のいずれであるかはつき
りしている場合等にしか適用できないという問題
点があつた。

［発明の目的］ 本発明の第１目的は内燃機関等の燃焼装置の運
転空燃比（Ａ／Ｆ）が燃料過濃域から燃料希薄域
までの全域または任意の区域において正しく検知
できる空燃比検知装置の提供であり、第２の目的
は、空燃比のフイードバツク制御を行う場合にお
いて精度よくかつ容易なフイードバツク制御がで
きる利点を有する空燃比検知装置を提供すること
である。

［発明の構成］ 本発明は、上記の目的を達成するために、次の
２つの構成を採用する。

（第１発明） 第１発明の空燃比検知装置は、酸素イオン伝導
性固体電解質の両側面に多孔性電極を設けた固体
電解質酸素ポンプ素子と、酸素イオン伝導性固体
電解質の両側面にそれぞれ２組の多孔性電極を設
けた固体電解質酸素濃淡電池素子とを備え、該酸
素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とを小間〓を介
して対向配設するとともに上記小間〓は周囲被測
定ガスと連通するようにし、前記縁切酸素濃淡電
池素子の小間〓の側と反対側に外気と連通する空
気室を形成する。

そして、前記酸素濃淡電池素子の一方の１組の
多孔性電極に接続され、前記空気室から前記小間
〓へ酸素を汲み込むべき定電流源と、前記酸素ポ
ンプ素子に接続され、前記小間〓の酸素を汲み出
す量を変化させる変動電流源と、前記酸素濃淡電
池素子の他方の１組の多孔性電極間の起電力を出
力し、その出力電圧が急激に変化する際の前記変
動電流源の電流値から空燃比を検知する信号処理
部とを備えた構成を採用する。

（第２発明） 第２発明の空燃比検知装置は、酸素イオン伝導
性固体電解質の両側面に多孔性電極を設けた固体
電解質酸素ポンプ素子と、酸素イオン伝導性固体
電解質の両側面にそれぞれ２組の多孔性電極を設
けた固体電解質酸素濃淡電池素子とを備え、該酸
素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とを小間〓を介
して対向配設するとともに上記小間〓は周囲被測
定ガスと連通するようにし、前記酸素濃淡電池素
子の小間〓の側と反対側に外気と連通する空気室
を形成する。

そして、前記酸素濃淡電池素子の一方の１組の
多孔性電極に接続され、前記空気室から前記小間
〓へ酸素を汲み込むべく定電流源と、前記酸素ポ
ンプ素子に接続され、前記酸素濃淡電池素子の他
方の１組の多孔性電極の起電力を所定値に保つ変
動電流源と、前記酸素ポンプ素子へ供給されるポ
ンプ電流値から空燃比を検知する信号処理部とを
備えた構成を採用する。

［発明の効果］ 本発明の空燃比検知装置は、上記構成により次
の効果を奏する。

空燃比（Ａ／Ｆ）を燃料過濃域から燃料希薄域
までの全域において上記酸素ポンプ素子、または
酸素濃淡電池素子の多孔性電極への電圧または電
流の方向（正または負）を切換えることなく空燃
比と対応した正しい検知信号を得ることができ、
任意の値の空燃比制御が可能となる検知装置が得
られる。

［実施例］ つぎに本発明を図に示す実施例に基づき説明す
る。

第１図ないし第６図は第１発明の一実施例を示
す。

１は燃料装置である内燃機関の排気管、２は該
排気管１内に配設された空燃比検知装置の検知栓
部分である。空燃比検知栓２は、厚さが約0.5mm
の平板状のイオン伝導正固体電解質（例えば安定
化ジルコニア）３の両側面にそれぞれ厚膜技術を
用いて約20μの厚さの多孔性電極である多孔質白
金電極層４，５を設けて構成された固体電解質酸
素ポンプ素子６と、該酸素ポンプ素子６と同様の
平板状のイオン伝導性固体電解質７の両側面に前
記多孔質白金電極層４，５と同様に厚膜技術を用
いてそれぞれ２組の多孔質白金電極層８，９およ
び１０，１１を設けて構成された固体電解質酸素
濃淡電池素子１２とを備え、酸素濃淡電池素子１
２に設けられた１組の多孔質白金電極層８，９は
イオン伝導性固体電解質７の中央部の両側面に設
けられており、もう１組の多孔質白金電極層１
０，１１は、多孔質白金電極層８，９の外周部に
接触しないよう間隙を有して設けられている。前
記酸素ポンプ素子６と前記酸素濃淡電池素子１２
とは0.1mm程度もしくはそれ以下の間隔寸法の小
間隙ａを形成して排気管１の内部で対向配置させ
るため足元部を耐熱性で絶縁性のスペーサ（充填
接着剤でよい）１３を介して互いに固定されてい
る。前記酸素濃淡電池素子１２の他側には多孔質
白金電極層８および１０を大気に連通すべく金属
やセラミツクなどの耐熱性で気密な部材により空
気室ｂを形成するように室壁１４が設けられてい
る。

酸素ポンプ素子６、酸素濃淡電池素子１２およ
び室壁１４の足元部の外辺部にはねじ部１５を有
した支持台１６が、耐熱性で絶縁性である接着部
材１７により取付けられており、排気管１に設け
られた検知栓部取付用ねじ部１８に前記支持台１
６のねじ部１５をねじ込むことにより空燃比検知
栓部２が排気管１に取付けられている。

１９は、電子制御装置部分の例で前記酸素ポン
プ素子６の多孔質白金電極層４，５は、小間隙ａ
から排気管１内に酸素を汲み出すそれぞれ値の異
なつた定電流Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３と独立して導通す
る切換手段である定電流切換スイツチ２０に接続
されており、定電流切換スイツチ２０は定電流源
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に対応して、V1、V2、V3の３
ステツプに分割され、V1と定電流源Ｅ１，V2と
定電流源Ｅ２，V3と定電流源Ｅ３とにそれぞれ
導通されている。前記酸素濃淡電池素子１２の一
組の多孔質白金電極層８，９は、多孔質白金電極
層８，９の間に発生する起電力ｅを検知するため
出力端子２１を備え、他方の一組の多孔質白金電
極層１０，１１は空気室ｂより小間隙ａに酸素を
汲み入れる定電流源Ｅ４と接続されている。なお
定電流源Ｅ２と定電流源Ｅ４との酸素汲み出し能
力および酸素汲み込み能力はほぼ同じであるとす
る。

第４図〜第６図は前記第１図、第２図および第
３図に示した空燃比検知装置の特性図である。

排気管１に取付けられた空燃比検知部２の酸素
ポンプ素子６の多孔質白金電極層４，５に定電流
切換スイツチ２０をV1に設定して定電流源Ｅ１
を接続すると、酸素濃淡電池素子１２の一組の多
孔質白金電極層１０，１２が空気室ｂより小間隙
ａに酸素を汲み込む能力より、酸素ポンプ素子６
の多孔質白金電極層４，５が小間隙ａより排気管
１内へ酸素を汲み出す能力の方が小さいため酸素
濃淡電池素子１２の一組の多孔質白金電極層８，
９の間で発生する起電力ｅを検知する出力端子２
１では第４図に示す如く燃料過濃域の値（イ′）
にて起電力ｅが急激に低減する特性が得られる。
定電流切換スイツチ２０をV2に設定し、酸素ポ
ンプ素子６の多孔質白金電極層４，５と定電流源
Ｅ２とを接続すると、酸素濃淡電池素子１２の多
孔質白金電極層１０，１１が空気室ｂより小間隙
ａに酸素を汲み込む能力と、酸素ポンプ素子６の
多孔質白金電極層４，５が小間隙ａより排気管１
内へ酸素を汲み出す能力とがほぼ釣り合うため、
出力端子２１では第５図に示す如く排気管１内の
排気ガス中の酸素濃度の分岐点である理論空燃比
14.7付近で起電力ｅが急激に低減する特性が得ら
れる。定電流切換スイツチ２０をV3に設定し、
酸素ポンプ素子６の多孔質白金電極層４，５と定
電流源Ｅ３とを接続すると、酸素濃淡電池素子１
２の多孔質白金電極層１０，１１が空気室ｂより
小間隙ａに酸素を汲み込む能力より、酸素ポンプ
素子６の多孔室白金電極層４，５が小間隙ａより
排気管１内へ酸素を汲み出す能力の方が大きいた
め出力端子２１では第６図に示す如く燃料希薄域
の値（ハ′）にて起電力ｅが急激に低減する特性
が得られる。

この実施例は第４図〜第６図に示す如き特性を
利用するものである。

すなわち起電力ｅの急な変化を利用するもの
で、たとえば空燃比制御を行う場合、定電流切換
スイツチ２０をV1に設定することで第４図の特
性を出力端子２１で得られ、空燃比イ′の近傍の
値にて起電力ｅが急激に変化するのを利用し、定
電流切換スイツチ２０をV1に設定することによ
り空燃比イ′の近傍の値にて前記機関を制御する
ことが可能となる。以下同様にして、理論空燃比
の近傍および空燃比ハ′の近傍で前記機関を制御
することが可能となる。

上記機関の空燃比を制御する場合は、起電力ｅ
を検知する出力端子２１に最大起電力と最小起電
力との中間に任意の基準点であるＰ点を設定し、
電圧がＰ点より大きい時と電圧がＰ点より小さい
時とを検知するようにする。

上記実施例では多数の異つた値を有する定電流
源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を用い、切換スイツチ２０を
切換えることにより上記機関の空燃比の制御を行
つたが、定電流源の数および値は上記実施例に限
定されるものではなく、また定電流の値が連続ま
たは不連続的に可変可能な定電流源を用いること
により空燃比の全領域を木目細かく制御あるいは
測定をすることができる。

第７図および第８図は第２発明の一実施例を示
す。

上記酸素濃淡電池素子１２の多孔質白金電極層
８，９間に発生する起電力ｅを抵抗Ｒ１を介して
演算増幅器Ａの反転入力端子に印加し、上記演算
増幅器Ａの非反転入力端子に印加されている基準
電圧Vrと上記起電力ｅとの差に比例した上記演
算増幅器Ａの出力によりトランジスタTrを駆動
して上記酸素ポンプ素子６の多孔質白金電極層
４，５間に流すポンプ電流Ipを制御する機能を備
えている。すなわち、上記起電力ｅを一定値Vr
に保つのに必要な上記ポンプ電流Ipを供給する作
用をする。また直流電源Ｂから供給される上記ポ
ンプ電流Ipに対応した出力信号を出力端子２２に
得るために抵抗Ｒ０を備えている。また酸素濃淡
電池素子１２の多孔質白金電極層１０，１１間に
は、空気室ｂより小間隙ａ内に酸素を一定値汲み
込むべき定電流源Ｅ６が接続されている。Ｃはコ
ンデンサである。

第８図は上記第７図に示した空燃比検出装置の
特性図である。

第８図は基準電圧Vrを一定電圧に定めて起電
力ｅを一定（ｅ＞０）に保つたもので酸素ポンプ
素子６の多孔質白金電極層４，５間に生ずるポン
プ電流Ipは理論空燃比14.7より小さい範囲の空燃
比域（燃料過濃域）から理論空燃比14.7より大き
い範囲の空燃比域（燃料希薄域）へと空燃比の増
大に対応して漸次増大する。この他の実施例は第
８図に示すごとき特性を利用するものである。

すなわち第８図に示したごとき酸素ポンプ素子
６のポンプ電流Ipに対応した空燃比出力信号を出
力端子２２で検知することにより、燃料過濃域お
よび燃料希薄域におい上記機関の空燃比の数値を
正確に測定することや任意の値で空燃比制御する
ことが可能となるのである。

本発明の空燃比検知栓部２の形状は上記構造に
限定されるものではなく、種々変更可能なもので
ある。すなわち、上記実施例の検知栓部２は、酸
素ポンプ素子６と酸素濃淡電池素子１２とを小間
隙ａ介して対向配設するのに酸素ポンプ素子６お
よび酸素濃淡電池素子１２の足元部にのみスペー
サ１３を設けて酸素ポンプ素子６と酸素濃淡電池
素子１２を互いに固定し、しかして上記小間隙は
三方向にまたがる解放された孔で周囲被測定ガス
と連通するようにして応答性の優れたものとなし
たが、そのような構造に限られず、素子間に小間
隙を保持し、かつ応答性の低減が実際上問題とな
らない限り、例えば上記スペーサ１３を素子の先
側の縁部にも設けて小間隙の間隙寸法の規定を容
易とするとともに上記スペーサ１３と酸素ポンプ
素子６および酸素濃淡電池素子１２によつて形成
した小さい孔によつて上記小間隙ａと周囲被測定
ガスとが連通されるように構成することもでき、
また更に上記孔を多孔質材の連通孔でおきかえて
形成するようにすることもできる。

また上記実施例では酸素濃淡電池素子１２に設
けた２組の多孔質白金電極層８，９および１０，
１１はそれぞれ他と切り離して設けるようにした
場合を示したが、酸素濃淡電池素子の一方の側の
面上の多孔質白金電極層（例えば９と１１）のみ
を切り離して設け、他方の面上の多孔質白金電極
層（８と１０）を共通電極となして設けることも
できる。

また酸素ポンプ素子６の多孔質白金電極層４，
５および酸素濃淡電池素子１２の一組の多孔質白
金電極層８，９と他の一組の多孔質白金電極層１
０，１１の酸素の汲み入れ、汲み出し方向、電流
切換手段、空燃比検出手段などの電子制御装置部
１９は上記構造に限定されるものではなく、種々
設定可能なものである。

本発明は上記構成よりなる空燃比検出装置の諸
特性を単独、もしくは複数利用して、全運転範囲
で運転空燃比の測定またはフイードバツク制御を
行うものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は第１発明の実施例を示す
もので、第１図は空燃比検知装置の構成図、第２
図は第１図の−線に沿う断面図、第３図は第
２図の−線に沿う断面図、第４図〜第６図は
酸素濃淡電池素子の一方の多孔質白金電極層の汲
み入れ電流を一定にし、酸素ポンプ素子の汲み出
し用定電流の値を切換えたときの酸素濃淡電池素
子の他方の多孔質白金電極層の起電力ｅの空燃比
に対する変化を示す実施例の特性図、第７図およ
び第８図は第２発明の実施例を示すもので、第７
図は空燃比検知装置の構成図、第８図は酸素濃淡
電池素子の一方の多孔質白金電極層の汲み入れ電
流を一定にし、酸素濃淡電池素子の他方の多孔質
白金電極層の起電力ｅを一定とする酸素ポンプ素
子の汲み出しポンプ電流Ipの空燃比に対する変化
を示す実施例の特性図である。 図中、１……排気管、６……固体電解質酸素ポ
ンプ素子、１２……固体電解質酸素濃淡電池素
子、ａ……小間隙、ｂ……空気室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素イオン伝導性固体電解質の両側面に多孔
   性電極を設けた固体電解質酸素ポンプ素子と、酸
   素イオン伝導性固体電解質の両側面にそれぞれ２
   組の多孔性電極を設けた固体電解質酸素濃淡電池
   素子とを備え、該酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ
   素子とを小間〓を介して対向配設するとともに上
   記小間〓は周囲被測定ガスと連通するようにし、
   前記酸素濃淡電池素子の小間〓の側と反対側に外
   気と連通する空気室を形成し、 前記酸素濃淡電池素子の一方の１組の多孔性電
   極に接続され、前記空気室から前記小間〓へ酸素
   を汲み込むべく定電流源と、 前記酸素ポンプ素子に接続され、前記小間〓の
   酸素を汲み出す量を変化させる変動電流源と、 前記酸素濃淡電池素子の他方の１組の多孔性電
   極間の起電力を出力し、その出力電圧が急激に変
   化する際の前記変動電流源の電流値から空燃比を
   検知する信号処理部とを備えた空燃比検知装置。 ２ 酸素イオン伝導性固体電解質の両側面に多孔
   性電極を設けた固体電解質酸素ポンプ素子と、酸
   素イオン伝導性固体電解質の両側面にそれぞれ２
   組の多孔性電極を設けた固体電解質酸素濃淡電池
   素子とを備え、該酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ
   素子とを小間〓を介して対向配設するとともに上
   記小間〓は周囲被測定ガスと連通するようにし、
   前記酸素濃淡電池素子の小間〓の側と反対側に外
   気と連通する空気室を形成し、 前記酸素濃淡電池素子の一方の１組の多孔性電
   極に接続され、前記空気室から前記小間〓へ酸素
   を汲み込むべく定電流源と、 前記酸素ポンプ素子に接続され、前記酸素濃淡
   電池素子の他方の１組の多孔性電極の起電力を所
   定値に保つ変動電流源と、 前記酸素ポンプ素子へ供給されるポンプ電流値
   から空燃比を検知する信号処理部とを備えた空燃
   比検知装置。