JPH0414307B2 - - 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比（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〓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
にかけて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対をなす１組の多孔性電
極を設けた固体電解質第１酸素素子と、酸素イオ
ン伝導性固体電解質の両側面にそれぞれ対をなす
２組の多孔性電極を設けた固体電解質第２酸素素
子とを備え、前記第１酸素素子と第２酸素素子と
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、前記第
１酸素素子と第２酸素素子との上記小間〓の側と
の反対側にそれぞれ外気と連通する空気室を形成
する。そして、前記第１酸素素子の多孔性電極、
あるいは前記第２酸素素子の２組の多孔性電極の
どちらか１組の多孔性電極間に接続され、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、残る２組の多孔性電極の内のどちらか１組
の多孔性電極間に接続され、前記小間〓の酸素を
前記空気室へ汲み出す量を変化させる変動電流源
と、残る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対をなす１組の多孔性電
極を設けた固体電解質第１酸素素子と、酸素イオ
ン伝導性固体電解質の両側面にそれぞれ対をなす
２組の多孔性電極を設けた固体電解質第２酸素素
子とを備え、前記第１酸素素子と第２酸素素子と
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、前記第
１酸素素子と第２酸素素子との上記小間〓の側と
の反対側にそれぞれ外気と連通する空気室を形成
する。

そして、前記第１酸素素子の多孔性電極、ある
いは前記第２酸素素子の２組の多孔性電極のどち
らか１組の多孔性電極間に接続され、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、残る２組の多孔性電極の内のどちらか１組の
多孔性電極間に接続され、さらに残る１組の多孔
性電極間の起電力を所定値に保つ変動電流源と、
この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。

［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
にかけて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流また
は電圧の方向（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］ つい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は燃焼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
部である。空燃比検知栓部２は、厚さが約0.5mm
の平板状のイオン伝導性固体電解質（例えば安定
化ジルコニア）３の両側面に厚膜技術を用いて約
20μの厚さの多孔性電極であるそれぞれ対となる
２組の多孔質白金電極層４，５および６，７を設
けて構成された固定電解質酸素ポンプ素子８と、
該酸素ポンプ素子８と同様の平板状のイオン伝導
性固体電解質９の両側面に前記多孔質白金電極層
４，５および６，７と同様に厚膜技術を用いて対
となる１組の多孔質白金電極層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、前記酸素ポンプ素子８に設けられた１組
の多孔質白金電極層４，５はイオン伝導性固体電
解質３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６，７は、多孔質白金電
極層４，５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８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。前記酸素ポンプ素子８の小間隙ａの他
側の多孔質白金電極層４および６は、外気に連通
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、多孔質白金電極層４および６を外気と導
通するよう多孔質白金電極層４および６の足元部
をのぞく周辺で室壁１４は気密的に固着されてい
る。前記酸素濃淡電池素子１２の小間隙ａの他側
の多孔質白金電極層１１は、外気に導通すべく金
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ｃを形成するように室壁１５が設けられ、
多孔質白金電極層１１を外気と導通するよう多孔
質白金電極１１の足元部をのぞく周辺で室壁１５
は気密的に固着されている。

酸素ポンプ素子８、酸素濃淡電池素子１２、室
壁１４および室壁１５の足元部の外辺部にはねじ
部１６を有した支持台１７が、耐熱性で絶縁性で
ある接着部材１８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１９に前
記支持台１７のねじ部１６をねじ込むことにより
空燃比検知栓部２か排気管１に取付られている。
２０は、電子制御装置部分の例で前記酸素ポンプ
素子８の１組の多孔質白金電極層４，５は、小間
隙ａから空気室ｂに酸素を汲み出すそれぞれ値の
異なつた定電流源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２１に
接続されており、定電流切換スイツチ２１は定電
流源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に対応し、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、他方の一組の多孔質白金電極層６，
７は空気室ｂより小間隙ａに酸素を汲み入れる定
バイアス電流源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にされている。

前記酸素濃淡電池素子１２の多孔質白金電極層
１０，１１は、多孔質白金電極層１０，１１間に
発生する起電ｅを検知するため出力素端子２２を
備えている。

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８の一方の一組の多孔質白金電極層
４，５に定電流切換スイツチ２１をV1に設定し
て定電流源Ｅ１を接続すると、酸素ポンプ素子８
の他方の一組の多孔質白金電極層６，７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８の一方の一組の多孔質白金電極層
４，５が小間隙ａより空気室ｂへ酸素を汲み出す
能力の方が小さいために酸素濃淡電池素子１２の
多孔質白金電極層１０，１１の間に空気室ｃと小
間隙ａとの間の酸素分圧差により発生する起電力
ｅを検知するための出力端子２２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２１をV2に設定し、酸素ポンプ素子８の多孔
質白金電極層４，５と定電流源Ｅ２とを接続する
と、酸素ポンプ素子８の他方の一組の多孔質白金
電極層６，７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８の一方の一組の
多孔質白金電極層４，５が小間隙ａより空気室ｂ
へ酸素を汲み出す能力とがほぼ釣り合うため、出
力端子２２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２１をV3に設定し、
酸素ポンプ素子８の一方一組の多孔質白金電極層
４，５と定電流源Ｅ３とを接続すると、酸素ポン
プ素子８の他方の一組の多孔質白金電極層６，７
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８の一方の一組の多孔質白金
電極層４，５が小間隙ａより空気室ｂへ酸素を汲
み出す能力の方が大きいため出力端子２２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の急激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２１をV1に設定することで第４図の特
性を出力端子２２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２１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近
傍、空燃比ハ′の近傍の値で前記機関の制御が可
能となる。

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２１を
切換えることにより上記機関の空燃比の制御また
は測定を行つたが、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。

平面状のイオン伝導性固体電解質３Ａの両側面
にそれぞれ対となる２組の多孔質白金電極層４
Ａ，５Ａおよび６Ａ，７Ａを設けて構成された固
体電解質酸素濃淡電池素子８Ａと、平面状のイオ
ン伝導性固体電解質９Ａの両側面に対となる１組
の多孔質白金電極層１０Ａ，１１Ａを設けて構成
された固体電解質酸素ポンプ素子１２Ａとを備
え、前記酸素濃淡電池素子８Ａと前記酸素ポンプ
素子１２Ａとは小間隙ａを形成して排気管１の内
部でスペーサ１３Ａを介して固定され、前記酸素
濃淡電池素子８Ａの小間隙ａの他側の多孔質白金
電極層４Ａおよび６Ａは、外気に連通すべく耐熱
性で気密な部材により空気室ｂを形成するように
室壁１４Ａが設けられ、前記酸素ポンプ素子１２
Ａの小間隙ａの他側の多孔質白金電力層１１Ａ
は、外気に導通すべく耐熱性で気密な部材により
空気室ｃを形成するように室壁１５Ａが設けられ
ている。

電子制御装置部分２０Ａは酸素濃淡電池素子８
Ａの多孔質白金電極層４Ａ，５Ａ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１２Ａの多孔質白金電極層１０Ａ，１１Ａ間に
流れるポンプ電流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。また上記電源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２３Ａ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８Ａの他方の一組の多孔質白金電極層６Ａ，
７Ａ間には、空気室ｂより小間隙ａ内に酸素を一
定量汲み込むべく定バイアス電流源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酸素
濃淡電池素子８Ａの一方の一組の多孔質白金電極
層４Ａ，５Ａ間に発生する起電力ｅを一定（ｅ＞
０）に保つようにした酸素ポンプ素子１２Ａの多
孔質白金電極層１０Ａ，１１Ａ間に発生するポン
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
１２Ａのポンプ電流Ipに対応した空燃比出力信号
を出力端子２３Ａ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て上記機関の空燃比
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、第
１酸素素子と第２酸素素子とを小間隙を介して対
向配設するのに両素子の足元部にのみスペーサー
を設けて両素子を互いに固定し、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ーを素子の
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、上記スペーサーと両素子と
によつて形成した小さい孔によつて上記小間隙と
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第２酸素素子に設けた２組
の電極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、素子の一方の側の面上の電極
（例えば５と７）のみを切り離して設け他方の面
上の電極（４と６）を共通電極となして設けるこ
ともできる。また第１酸素素子の一組の多孔質白
金電極層および第２酸素素子の一組の多孔質白金
電極層と他の一組の他孔質白金電極層の酸素の汲
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分は上記構造に限定
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知装置の諸
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
酸素ポンプ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、酸素ポンプ素子の他方の汲
み出し定電流の値を切換えたときの酸素ポンプ素
子の多孔質白金電極層の起電力ｅの空燃比に対す
る変化の様子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
電池素子の一組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一組の
多孔質白金電極層の起電力ｅ（ｅ＞０）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、８，１２Ａ……固体電解
質酸素ポンプ素子、８Ａ，１２……固体電解質酸
素濃淡電池素子、ａ……小間隙、ｂ，ｃ……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対を
   なす１組の多孔性電極を設けた固体電解質第１酸
   素素子と、酸素イオン伝導性固体電解質の両側面
   にそれぞれ対をなす２組の多孔性電極を設けた固
   体電解質第２酸素素子とを備え、前記第１酸素素
   子と第２酸素素子とを小間〓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、前記第１酸素素子と第２酸素素子と
   の上記小間〓の側との反対側にそれぞれ外気と連
   通する空気室を形成し、 前記第１酸素素子の多孔性電極、あるいは前記
   第２酸素素子の２組の多孔性電極のどちらか１組
   の多孔性電極間に接続され、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、 残る２組の多孔性電極の内のどちらか１組の多
   孔性電極間に接続され、前記小間〓の酸素を前記
   空気室へ汲み出す量を変化させる変動電流源と、 残る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対を
   なす１組の多孔性電極を設けた固体電解質第１酸
   素素子と、酸素イオン伝導性固体電解質の両側面
   にそれぞれ対をなす２組の多孔性電極を設けた固
   体電解質第２酸素素子とを備え、前記第１酸素素
   子と第２酸素素子とを小間〓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、前記第１酸素素子と第２酸素素子と
   の上記小間〓の側との反対側にそれぞれ外気と連
   通する空気室を形成し、 前記第１酸素素子の多孔性電極、あるいは前記
   第２酸素素子の２組の多孔性電極のどちらか１組
   の多孔性電極間に接続され、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、 残る２組の多孔性電極の内のどちらか１組の多
   孔性電極間に接続され、さらに残る１組の多孔性
   電極間の起電力を所定値に保つ変動電流源と、 この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。