JPH07146272A - 容量性空燃比センサ及び空燃比測定方法 - Google Patents
容量性空燃比センサ及び空燃比測定方法Info
- Publication number
- JPH07146272A JPH07146272A JP6151306A JP15130694A JPH07146272A JP H07146272 A JPH07146272 A JP H07146272A JP 6151306 A JP6151306 A JP 6151306A JP 15130694 A JP15130694 A JP 15130694A JP H07146272 A JPH07146272 A JP H07146272A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel ratio
- air
- gas phase
- capacitive
- oxygen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 101
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 32
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 66
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 66
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 64
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 62
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 31
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 5
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 26
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 12
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 7
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims 4
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims 2
- 239000004480 active ingredient Substances 0.000 claims 1
- 230000002301 combined effect Effects 0.000 claims 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 abstract description 5
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 abstract description 5
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 abstract 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000010291 electrical method Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 206010065929 Cardiovascular insufficiency Diseases 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 229910021525 ceramic electrolyte Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000005421 electrostatic potential Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000008261 resistance mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000001568 sexual effect Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/002—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the work function voltage
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 内燃機関の排気ガスによるガス相中の酸化種
及び還元種の理論空燃比を検知する容量式空燃比センサ
及び空燃比測定方法を提供する。 【構成】 前記ガス相と相互作用し、かつ前記理論空燃
比で値が変化する仕事関数を有する活性面と、前記ガス
相に対して不活性面との組合わせにより空燃比を検知す
るための容量式空燃比センサを形成し、前記仕事関数の
変化に比例した電気信号を前記活性面と前記不活性面と
の間に発生させると共に、この電気信号の２レベルを化
学量論量のリッチ又はリーンのガス相の状態に対応させ
ることにより、この電気信号を介して前記理論空燃比を
検知する。
及び還元種の理論空燃比を検知する容量式空燃比センサ
及び空燃比測定方法を提供する。 【構成】 前記ガス相と相互作用し、かつ前記理論空燃
比で値が変化する仕事関数を有する活性面と、前記ガス
相に対して不活性面との組合わせにより空燃比を検知す
るための容量式空燃比センサを形成し、前記仕事関数の
変化に比例した電気信号を前記活性面と前記不活性面と
の間に発生させると共に、この電気信号の２レベルを化
学量論量のリッチ又はリーンのガス相の状態に対応させ
ることにより、この電気信号を介して前記理論空燃比を
検知する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、自動車の排気ガスに見
出される炭化水素、水素及び一酸化炭素のような種々の
ガス状還元種の濃度に対するガス状酸化種の濃度比、い
わゆる自動車の排気ガスにおける空燃比を測定する容量
性空燃比センサ及び空燃比測定方法に関する。
出される炭化水素、水素及び一酸化炭素のような種々の
ガス状還元種の濃度に対するガス状酸化種の濃度比、い
わゆる自動車の排気ガスにおける空燃比を測定する容量
性空燃比センサ及び空燃比測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関のシリンダに対する入力におけ
る空燃比（燃料の質量に対する空気の質量の比Ａ／Ｆ）
は、理論空燃比近傍に保持することがしばしば望まれ
る。この理論空燃比では、十分な酸素が存在し、注入さ
れる全ての炭化水素と反応するために、いくつかの排気
ガスの放出が最小化される。
る空燃比（燃料の質量に対する空気の質量の比Ａ／Ｆ）
は、理論空燃比近傍に保持することがしばしば望まれ
る。この理論空燃比では、十分な酸素が存在し、注入さ
れる全ての炭化水素と反応するために、いくつかの排気
ガスの放出が最小化される。
【０００３】空燃比の制御を車の寿命が尽きるまで維持
するためには、フィードバック要素として排気ガス空燃
比センサを用いたフィードバック制御方法が広く使用さ
れていた。これらの高い温度の固体装置は、自動車の排
気ガスにおけるガス状酸化種（大抵は酸素）の濃度とガ
ス状還元種（炭化水素、水素及び一酸化炭素の混合物）
の濃度との比の種々の特徴を検出する。定常状態におい
て、これらの特徴はシリンダに対する入力で比較可能な
空燃比の特徴に比例している。
するためには、フィードバック要素として排気ガス空燃
比センサを用いたフィードバック制御方法が広く使用さ
れていた。これらの高い温度の固体装置は、自動車の排
気ガスにおけるガス状酸化種（大抵は酸素）の濃度とガ
ス状還元種（炭化水素、水素及び一酸化炭素の混合物）
の濃度との比の種々の特徴を検出する。定常状態におい
て、これらの特徴はシリンダに対する入力で比較可能な
空燃比の特徴に比例している。
【０００４】理論空燃比センサは、ステップ状の伝達機
能を有し、この機能により周囲ガスが例えば化学量論量
のリッチ及びリーンのときにハイ及びローの出力が得ら
れる。化学量論量周辺の狭い空燃比領域では、極限の出
力間で非常に鋭い遷移が発生し、これによって空燃比の
値を検知する。この空燃比領域の出力における、化学量
論量のリッチ又はリーンの変動は、概して極めて小さ
い。これらの空燃比センサは酸化物質から作成され、典
型的には電気化学機構又は抵抗機構を採用している。例
えば、Ｙ2 Ｏ3 によりドープされ、酸素イオンを導くＺ
ｒＯ2 は、固体電解質であり、大抵の電気化学装置にお
いて触媒作用のある活性なＰｔ電極と組合わせて用いら
れるものである。細粒のＰｔ粒子によりドープされた多
孔性Ｔi Ｏ 2 は、抵抗装置に頻繁に用いられている。
能を有し、この機能により周囲ガスが例えば化学量論量
のリッチ及びリーンのときにハイ及びローの出力が得ら
れる。化学量論量周辺の狭い空燃比領域では、極限の出
力間で非常に鋭い遷移が発生し、これによって空燃比の
値を検知する。この空燃比領域の出力における、化学量
論量のリッチ又はリーンの変動は、概して極めて小さ
い。これらの空燃比センサは酸化物質から作成され、典
型的には電気化学機構又は抵抗機構を採用している。例
えば、Ｙ2 Ｏ3 によりドープされ、酸素イオンを導くＺ
ｒＯ2 は、固体電解質であり、大抵の電気化学装置にお
いて触媒作用のある活性なＰｔ電極と組合わせて用いら
れるものである。細粒のＰｔ粒子によりドープされた多
孔性Ｔi Ｏ 2 は、抵抗装置に頻繁に用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】適当な環境では、理論
空燃比のリッチ（燃料過剰）又はリーン（空気過剰）で
作動させることが望ましい。リッチ状態はコールド・ス
タート及び高負荷で要求されることがある。リーン状態
は燃料経済から有利である。種々の環境でフィードバッ
ク制御の利点を得るためには、広いレンジの空燃比セン
サを備えることが望ましい。近線形伝達関数により化学
量論のリッチ及びリーンの両者で広いレンジの空燃比を
測定するために酸素セルを使用して、ＺｒＯ2 から作成
され、酸素ポンピング処理及びｅｍｆ測定処理を組合わ
せた種々の電気化学的な構造が知られている。例えば、
ヘトリック（Ｈｅｔｒｉｃｋ）に対する米国特許第４，
２７２，３２９号において説明されたもの、及びウエノ
ほかによりＳＡＥ論文第８６０４０９号の「広いレンジ
の空燃比センサ（Ｗｉｄｅ−Ｒａｎｇｅ Ａｉｒ−Ｆｕ
ｅｌ Ｒａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ）」において発表さ
れたものを参照すべきである。
空燃比のリッチ（燃料過剰）又はリーン（空気過剰）で
作動させることが望ましい。リッチ状態はコールド・ス
タート及び高負荷で要求されることがある。リーン状態
は燃料経済から有利である。種々の環境でフィードバッ
ク制御の利点を得るためには、広いレンジの空燃比セン
サを備えることが望ましい。近線形伝達関数により化学
量論のリッチ及びリーンの両者で広いレンジの空燃比を
測定するために酸素セルを使用して、ＺｒＯ2 から作成
され、酸素ポンピング処理及びｅｍｆ測定処理を組合わ
せた種々の電気化学的な構造が知られている。例えば、
ヘトリック（Ｈｅｔｒｉｃｋ）に対する米国特許第４，
２７２，３２９号において説明されたもの、及びウエノ
ほかによりＳＡＥ論文第８６０４０９号の「広いレンジ
の空燃比センサ（Ｗｉｄｅ−Ｒａｎｇｅ Ａｉｒ−Ｆｕ
ｅｌ Ｒａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ）」において発表さ
れたものを参照すべきである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、酸素種及び還
元種を含むガス状雰囲気において理論空燃比又は広いレ
ンジの空燃比を検知できる容量性空燃比センサの及び空
燃比測定方法を含む。本発明は、化学量論的な測定のた
めに、容量性空燃比センサの構造、及びこれらの構造の
電気的な動作方法を開示している。前記電気的な動作方
法の目的は、適当な固体表面の仕事関数における変化を
測定することであって、同時に、前記固体表面は、前記
容量性空燃比センサの一部をなす複数の表面のうちの一
表面である。更に、仕事関数を測定する前記表面は、問
題のガス相の酸素種及び還元種を触媒反応させたもので
もある。
元種を含むガス状雰囲気において理論空燃比又は広いレ
ンジの空燃比を検知できる容量性空燃比センサの及び空
燃比測定方法を含む。本発明は、化学量論的な測定のた
めに、容量性空燃比センサの構造、及びこれらの構造の
電気的な動作方法を開示している。前記電気的な動作方
法の目的は、適当な固体表面の仕事関数における変化を
測定することであって、同時に、前記固体表面は、前記
容量性空燃比センサの一部をなす複数の表面のうちの一
表面である。更に、仕事関数を測定する前記表面は、問
題のガス相の酸素種及び還元種を触媒反応させたもので
もある。
【０００７】ガス相の種と相互作用する処理において、
表面は、リーン状態（酸素が還元種に対して過剰な理論
空燃比になっている状態）において、その表面の仕事関
数が吸着処理のために増加するように、酸素を吸着す
る。リッチ状態（還元種が酸素種に対して過剰な理論空
燃比になっている状態）へ遷移する際に、これらの還元
種は吸着した酸素と反応することにより、表面から還元
種を除去し、これに伴って仕事関数を低減させる。
表面は、リーン状態（酸素が還元種に対して過剰な理論
空燃比になっている状態）において、その表面の仕事関
数が吸着処理のために増加するように、酸素を吸着す
る。リッチ状態（還元種が酸素種に対して過剰な理論空
燃比になっている状態）へ遷移する際に、これらの還元
種は吸着した酸素と反応することにより、表面から還元
種を除去し、これに伴って仕事関数を低減させる。
【０００８】適当な表面では、リーン環境における酸素
吸着、及びリッチ環境における酸素反応の当該処理は、
理論空燃比で発生する仕事関数における変化を伴い、リ
ッチ状態からリーン状態へ交播して遷移する際に、急速
にかつ可逆的に発生し、これによってその比を検知す
る。同時に、容量性空燃比センサにおいて対向面即ち電
極は、好ましくは、その仕事関数が空燃比のばらつきに
より変化しない、又は変化がわずかなので、これら活性
面の影響を打ち消し得る対向面のために、容量性装置に
電気的な変化はない。仕事関数における変化は、種々の
容量性方法により測定可能なものであり、フィードバッ
ク制御用に有用な出力を提供する。
吸着、及びリッチ環境における酸素反応の当該処理は、
理論空燃比で発生する仕事関数における変化を伴い、リ
ッチ状態からリーン状態へ交播して遷移する際に、急速
にかつ可逆的に発生し、これによってその比を検知す
る。同時に、容量性空燃比センサにおいて対向面即ち電
極は、好ましくは、その仕事関数が空燃比のばらつきに
より変化しない、又は変化がわずかなので、これら活性
面の影響を打ち消し得る対向面のために、容量性装置に
電気的な変化はない。仕事関数における変化は、種々の
容量性方法により測定可能なものであり、フィードバッ
ク制御用に有用な出力を提供する。
【０００９】広いレンジの空燃比を測定するために、前
述の活性面は、酸素イオンを導く固体電解質を採用した
電気化学的なセルの作用電極（基準電極に対向する）を
形成する。酸素は、セルを介して適当な方向に電流を流
すことにより、電極の表面から又はこれへ電気化学的に
ポンピングすることが可能とされる。このポンピングの
結果、適当な活性面の仕事関数を変更できることが分か
った。酸化雰囲気では、暴露された電極から酸素をポン
ピングすると、仕事関数を低下させ、一方還元ガスに露
出された活性面に酸素をポンピングすると、仕事関数を
増加することができる。
述の活性面は、酸素イオンを導く固体電解質を採用した
電気化学的なセルの作用電極（基準電極に対向する）を
形成する。酸素は、セルを介して適当な方向に電流を流
すことにより、電極の表面から又はこれへ電気化学的に
ポンピングすることが可能とされる。このポンピングの
結果、適当な活性面の仕事関数を変更できることが分か
った。酸化雰囲気では、暴露された電極から酸素をポン
ピングすると、仕事関数を低下させ、一方還元ガスに露
出された活性面に酸素をポンピングすると、仕事関数を
増加することができる。
【００１０】電気的なフィードバック方法は、問題の表
面から又はこれへ酸素を丁度正しい量でポンピングし
て、容量性方法により測定された活性面の仕事関数をそ
のリーン値とリッチ値との間の中間に保持するように用
いられてもよい。これが更に化学量論量のリーン（リッ
チ）であれば、更に多くの酸素を活性面から（又はこれ
へ）ポンピングして仕事関数の中間値を達成しなければ
ならない。このようにして、そのリッチ極限値とリーン
極限値との間の中間のある値に仕事関数を保持するため
に必要とする電気化学的なポンピング電流の値及び方向
は、空燃比の尺度となる。
面から又はこれへ酸素を丁度正しい量でポンピングし
て、容量性方法により測定された活性面の仕事関数をそ
のリーン値とリッチ値との間の中間に保持するように用
いられてもよい。これが更に化学量論量のリーン（リッ
チ）であれば、更に多くの酸素を活性面から（又はこれ
へ）ポンピングして仕事関数の中間値を達成しなければ
ならない。このようにして、そのリッチ極限値とリーン
極限値との間の中間のある値に仕事関数を保持するため
に必要とする電気化学的なポンピング電流の値及び方向
は、空燃比の尺度となる。
【００１１】
【実施例】本発明の一実施例によると、空燃比センサ
は、自動車の排気ガスにおける酸化状態から還元状態へ
の遷移を検知するように、隣接するガス相と相互作用を
してその特性を変化させる。この空燃比センサは酸素種
と還元種との化学量論的な比でその出力においてステッ
プ状の変化を有し、便宜的に、理論空燃比センサと呼ば
れともよい。この空燃比センサの動作原理は、その表面
が酸化ガス状態及び還元ガス状態に交互に暴露される適
当な材質（例えば、Ｐｔ）の仕事関数φにおける系統的
かつ可逆的な変化に基づいている。
は、自動車の排気ガスにおける酸化状態から還元状態へ
の遷移を検知するように、隣接するガス相と相互作用を
してその特性を変化させる。この空燃比センサは酸素種
と還元種との化学量論的な比でその出力においてステッ
プ状の変化を有し、便宜的に、理論空燃比センサと呼ば
れともよい。この空燃比センサの動作原理は、その表面
が酸化ガス状態及び還元ガス状態に交互に暴露される適
当な材質（例えば、Ｐｔ）の仕事関数φにおける系統的
かつ可逆的な変化に基づいている。
【００１２】図１Ａの水平線は金属における電子エネル
ギ・レベルを示しており、かつその仕事関数は固体中の
最小密束縛電子（ｌｅａｓｔ ｔｉｇｈｔｌｙ ｂｏｕ
ｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）（下側の水平線により示
す。）を真空レベル（上側の水平線により示す。）まで
除去するために必要とするエネルギである。結晶の表面
は垂直線により表わされている。仕事関数の値は、Ｐｔ
のようないくつかの金属における約５．０ｅＶからアル
カリ金属における３．０ｅＶの程度の値までの範囲が可
能である。非金属物質では、仕事関数を更に大きくする
ことができる。
ギ・レベルを示しており、かつその仕事関数は固体中の
最小密束縛電子（ｌｅａｓｔ ｔｉｇｈｔｌｙ ｂｏｕ
ｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）（下側の水平線により示
す。）を真空レベル（上側の水平線により示す。）まで
除去するために必要とするエネルギである。結晶の表面
は垂直線により表わされている。仕事関数の値は、Ｐｔ
のようないくつかの金属における約５．０ｅＶからアル
カリ金属における３．０ｅＶの程度の値までの範囲が可
能である。非金属物質では、仕事関数を更に大きくする
ことができる。
【００１３】いくつかの金属はガス状の酸素に暴露され
ると、酸素分子が表面に吸着されて仕事関数に影響を与
える。これに関するメカニズムは、吸着された酸素原子
がかなり電気的陰性なものであり、それ自体に金属電子
を引き付けて金属に正の補償電荷を残す。その結果、仕
事関数を増加させるように作用する表面に、電気的な二
重荷電層を形成する。増加値は１ｅＶ程度であり、かな
りの率で変化し得る。これらの表面の酸素原子が炭化水
素又は他の酸化可能種のような他のガス種による反応に
よって除去されれば、仕事関数は以前の小さな値に戻
る。
ると、酸素分子が表面に吸着されて仕事関数に影響を与
える。これに関するメカニズムは、吸着された酸素原子
がかなり電気的陰性なものであり、それ自体に金属電子
を引き付けて金属に正の補償電荷を残す。その結果、仕
事関数を増加させるように作用する表面に、電気的な二
重荷電層を形成する。増加値は１ｅＶ程度であり、かな
りの率で変化し得る。これらの表面の酸素原子が炭化水
素又は他の酸化可能種のような他のガス種による反応に
よって除去されれば、仕事関数は以前の小さな値に戻
る。
【００１４】適当な金属の表面では、還元種及び酸化種
の反応が触媒表面における場合のように急速である。こ
の状況では、仕事関数における変化は、ヒステリシス又
は時間遅延なしに、理論空燃比で急激かつ急速に起こ
る。プラチナは、非常に薄い酸化被覆のみ（多分、単分
子層）が形成され、かつリッチ状態において自動車の排
気ガスに見られるような還元雰囲気で緩慢に上昇させた
温度（＞３００℃）で容易かつ速やかに除去されるの
で、特に適した表面金属である。Ｐｔでは、リッチ状態
からリーン状態へ遷移する際の仕事関数における増加
は、約０．７ｅＶである。
の反応が触媒表面における場合のように急速である。こ
の状況では、仕事関数における変化は、ヒステリシス又
は時間遅延なしに、理論空燃比で急激かつ急速に起こ
る。プラチナは、非常に薄い酸化被覆のみ（多分、単分
子層）が形成され、かつリッチ状態において自動車の排
気ガスに見られるような還元雰囲気で緩慢に上昇させた
温度（＞３００℃）で容易かつ速やかに除去されるの
で、特に適した表面金属である。Ｐｔでは、リッチ状態
からリーン状態へ遷移する際の仕事関数における増加
は、約０．７ｅＶである。
【００１５】本発明の一実施例による理論空燃比のセン
サは、仕事関数における変化を読み出す電気的な方法を
用いる。これを達成可能な容量性センサの構造及び関連
した電気的な方法は多数存在する。これらの装置は、仕
事関数が相互的な容量を有する構造を形成した２物質の
うちいずれかにおいて変化するとき、かつこれらの２物
質が電気的に接続されているときは、物質間に電流が流
れ、その積分値が容量と共に、及び仕事関数における変
化と共に増加するということに基づいている。この総電
流を測定する回路は、従って仕事関数における変化を測
定し、また問題の状況では理論空燃比を測定するもので
ある。
サは、仕事関数における変化を読み出す電気的な方法を
用いる。これを達成可能な容量性センサの構造及び関連
した電気的な方法は多数存在する。これらの装置は、仕
事関数が相互的な容量を有する構造を形成した２物質の
うちいずれかにおいて変化するとき、かつこれらの２物
質が電気的に接続されているときは、物質間に電流が流
れ、その積分値が容量と共に、及び仕事関数における変
化と共に増加するということに基づいている。この総電
流を測定する回路は、従って仕事関数における変化を測
定し、また問題の状況では理論空燃比を測定するもので
ある。
【００１６】電流が流れることの理由は、一つの物質の
電子と他の物質の電子との間で平衡を保持することにあ
る。従って、一つの物質の仕事関数が増加すると、その
全ての電子は、仕事関数が変化しない物質のエネルギ・
レベルよりも低いエネルギ・レベルへ移動する。その物
質が接続されているならば、電子は、低いエネルギ・レ
ベルを求めるので後者から前者へ流れることになる。従
って、電子の連続的な転送が伝達物質を代償にして取り
込み物質の負の静電位を形成するので、ある限られた時
間で２つの物質間に電流が流れる。電位におけるこれら
変化は、電流が最終的に停止するように、各物質におけ
る電子のエネルギ・レベル間で平衡を確立する符号のも
のである。
電子と他の物質の電子との間で平衡を保持することにあ
る。従って、一つの物質の仕事関数が増加すると、その
全ての電子は、仕事関数が変化しない物質のエネルギ・
レベルよりも低いエネルギ・レベルへ移動する。その物
質が接続されているならば、電子は、低いエネルギ・レ
ベルを求めるので後者から前者へ流れることになる。従
って、電子の連続的な転送が伝達物質を代償にして取り
込み物質の負の静電位を形成するので、ある限られた時
間で２つの物質間に電流が流れる。電位におけるこれら
変化は、電流が最終的に停止するように、各物質におけ
る電子のエネルギ・レベル間で平衡を確立する符号のも
のである。
【００１７】空燃比センサの構造の第１の実施例を図２
Ａに示す。図２Ａにおいて、空燃比センサ２０は、排気
ガス中に配置され、かつ容量Ｃ＝εＡ／ｌを有する平行
な平板コンデンサ構造を形成するように、Ａｕ（金）の
ような化学的に不活性な電極から距離ｌだけ離して配置
され、付属のヒータにより加熱された温度（例えば５０
０℃）に保持されるＰｔの板を備えている。ただし、ε
はプレート間の雰囲気の誘電率であり、ａは前記平板の
面積である。容量を定める幾何学的な形状要素に付随す
る変化に対応して、他の容量性構造を選択することもで
きる。対向する電極としてＡｕを使用すると、これが排
気ガスの雰囲気に暴露されたときに、その仕事関数が大
幅に変化することがないので、好都合である。ガスによ
り導入されたＰｔの仕事関数における変化のために、２
つのプレート間を流れる電流は、電流計Ａにより検出さ
れる。電流ｉの瞬時値は、式１により与えられる。ただ
し、Ｑ＝ＣΔφは与えられたＣ及びΔφに対応する各プ
レートに蓄積された瞬時電荷量であり、ΔφはＰｔとＡ
ｕとの間の仕事関数における差である。
Ａに示す。図２Ａにおいて、空燃比センサ２０は、排気
ガス中に配置され、かつ容量Ｃ＝εＡ／ｌを有する平行
な平板コンデンサ構造を形成するように、Ａｕ（金）の
ような化学的に不活性な電極から距離ｌだけ離して配置
され、付属のヒータにより加熱された温度（例えば５０
０℃）に保持されるＰｔの板を備えている。ただし、ε
はプレート間の雰囲気の誘電率であり、ａは前記平板の
面積である。容量を定める幾何学的な形状要素に付随す
る変化に対応して、他の容量性構造を選択することもで
きる。対向する電極としてＡｕを使用すると、これが排
気ガスの雰囲気に暴露されたときに、その仕事関数が大
幅に変化することがないので、好都合である。ガスによ
り導入されたＰｔの仕事関数における変化のために、２
つのプレート間を流れる電流は、電流計Ａにより検出さ
れる。電流ｉの瞬時値は、式１により与えられる。ただ
し、Ｑ＝ＣΔφは与えられたＣ及びΔφに対応する各プ
レートに蓄積された瞬時電荷量であり、ΔφはＰｔとＡ
ｕとの間の仕事関数における差である。
【００１８】
【数１】
【００１９】平行な平板コンデンサに関する式は、最大
かつ最も容易に測定可能な電流が得られるように、変化
させる適当なパラメータを示す。センサを通過するガス
の流量は変化して異なる値の電流になるので、電流計Ａ
に取り付けたれた積分回路により積分した電流を測定す
るのがより有益であろう。
かつ最も容易に測定可能な電流が得られるように、変化
させる適当なパラメータを示す。センサを通過するガス
の流量は変化して異なる値の電流になるので、電流計Ａ
に取り付けたれた積分回路により積分した電流を測定す
るのがより有益であろう。
【００２０】図２Ｂは、排気ガスが交互にリッチ状態か
らリーン状態へ変化するようなセンサからのステップ状
出力対時間の概略図を示す。コンデンサが変化しない限
り、プレート間で転送される総電荷は、化学量論量によ
る各折線により一定のままとなる。この積分回路の出力
を用いるときは、周知の回路を積分回路に接続して空燃
比のフィードバック制御を行なうことができる。
らリーン状態へ変化するようなセンサからのステップ状
出力対時間の概略図を示す。コンデンサが変化しない限
り、プレート間で転送される総電荷は、化学量論量によ
る各折線により一定のままとなる。この積分回路の出力
を用いるときは、周知の回路を積分回路に接続して空燃
比のフィードバック制御を行なうことができる。
【００２１】仕事関数における変化、及び対応する空燃
比の遷移を測定するための他の機構は、１９６８年、ニ
ューヨーク、アカデミック・プレス（Ａｃａｄｅｍｉｃ
Ｐｒｅｓｓ）発行のアンダーソン（Ｒ．Ｂ．Ａｎｄｅ
ｒｓｏｎ）により編集された「実験的な触媒研究法」
（Ｅｘｐｅｒｉｍａｎｔａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆＣ
ａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）の第３章に詳細
に説明されていている「ケルビン法」（Ｋｅｌｖｉｎ
Ｍｅｔｈｏｄ）を採用することである。その開示は、こ
こでは引用によって関連される。図３Ａに示す方法で
は、Ａｕ又は化学的に不活性な電極が周波数ｆで正弦波
状に振動するようにされている（電極の一方又は両方は
振動に関わることができる。）。平行な平板コンデンサ
の電荷及び容量用に前記と同一の式を用いると、振動の
結果として流れる電流ｉは、
比の遷移を測定するための他の機構は、１９６８年、ニ
ューヨーク、アカデミック・プレス（Ａｃａｄｅｍｉｃ
Ｐｒｅｓｓ）発行のアンダーソン（Ｒ．Ｂ．Ａｎｄｅ
ｒｓｏｎ）により編集された「実験的な触媒研究法」
（Ｅｘｐｅｒｉｍａｎｔａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆＣ
ａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）の第３章に詳細
に説明されていている「ケルビン法」（Ｋｅｌｖｉｎ
Ｍｅｔｈｏｄ）を採用することである。その開示は、こ
こでは引用によって関連される。図３Ａに示す方法で
は、Ａｕ又は化学的に不活性な電極が周波数ｆで正弦波
状に振動するようにされている（電極の一方又は両方は
振動に関わることができる。）。平行な平板コンデンサ
の電荷及び容量用に前記と同一の式を用いると、振動の
結果として流れる電流ｉは、
【００２２】
【数２】 により与えられる。ただし、ｉ0 は２つのプレート間の
離隔距離Δ１における変化によるものである。そのとき
に、その交流信号は復調されてΔφに比例した出力を与
えるようにしてもよい。Δφが変化すると、復調された
信号は、図３Ｂに示すように、良く定義された方法によ
り変化する。この方法は交流動作の利点があるので、狭
帯域検出を用いて雑音を除去することができる。圧電に
よる方法、電気化学的な方法等を含む多数の方法を用い
て振動をさせることもできる。センサ用の所望の応答時
間がγであるときは、周波数ｆで動作させる必要があ
る。ただし、γ＞１／ｆであり、Δφの変化中に多数の
振動サイクルを発生可能にするものである。
離隔距離Δ１における変化によるものである。そのとき
に、その交流信号は復調されてΔφに比例した出力を与
えるようにしてもよい。Δφが変化すると、復調された
信号は、図３Ｂに示すように、良く定義された方法によ
り変化する。この方法は交流動作の利点があるので、狭
帯域検出を用いて雑音を除去することができる。圧電に
よる方法、電気化学的な方法等を含む多数の方法を用い
て振動をさせることもできる。センサ用の所望の応答時
間がγであるときは、周波数ｆで動作させる必要があ
る。ただし、γ＞１／ｆであり、Δφの変化中に多数の
振動サイクルを発生可能にするものである。
【００２３】前述の２つの容量性方法はいずれもＰｔの
いくつかの特殊な特性と組合わせた酸素ポンピング技術
を用いることにより、化学量論量周辺を検知する広いレ
ンジの空燃比を可能にするように変更されてもよい。図
４Ａは、これが、Ｐｔプレート４４を高い温度の固体酸
素濃度セルの外側の作用電極となるように変更した電気
化学セル４０においてどのように達成されるのかを示
す。外側の作用電極は、自動車応用において通常、空気
である基準雰囲気に暴露される基準電極というよりも、
排気ガスに暴露されるものである。これを行なう周知の
技術は、Ｙ2 Ｏ3よりドープされた、酸素イオンを導く
ＺｒＯ2 から作成されたセラミック電解質の使用を含
む。自動車応用に適当な幾何学的な形状は、一端を閉成
すると共に、内面及び外面を多孔質のＰｔ電極により覆
ったシリンダの形状に電解質を成形したものである。こ
のような電極は、ガス相から酸素の取り出すこと、及び
電解質へ酸素の取り込むことを促進させることによって
セルの動作に寄与する。２つの電極間に電位差を与える
と、より負極性の電極に隣接したガス相における酸素
は、電解質を介して対向する電極に隣接したガス相へポ
ンピングするようにされる。即ち、広いレンジの空燃比
を作成するときは、酸素のポンピングがＰｔ電極の仕事
関数を変化させることに注意すべきである。従って、作
用電極に対して酸素をポンピングすると仕事関数を増加
させ、一方作用電極から酸素をポンピングすると仕事関
数を減少させる。これらの総合的な観察は、酸素過剰の
雰囲気が仕事関数に増加をもたらし、一方リッチ即ち酸
素不足の雰囲気が仕事関数に減少をもたらすというガス
相の結果と両立するものである。
いくつかの特殊な特性と組合わせた酸素ポンピング技術
を用いることにより、化学量論量周辺を検知する広いレ
ンジの空燃比を可能にするように変更されてもよい。図
４Ａは、これが、Ｐｔプレート４４を高い温度の固体酸
素濃度セルの外側の作用電極となるように変更した電気
化学セル４０においてどのように達成されるのかを示
す。外側の作用電極は、自動車応用において通常、空気
である基準雰囲気に暴露される基準電極というよりも、
排気ガスに暴露されるものである。これを行なう周知の
技術は、Ｙ2 Ｏ3よりドープされた、酸素イオンを導く
ＺｒＯ2 から作成されたセラミック電解質の使用を含
む。自動車応用に適当な幾何学的な形状は、一端を閉成
すると共に、内面及び外面を多孔質のＰｔ電極により覆
ったシリンダの形状に電解質を成形したものである。こ
のような電極は、ガス相から酸素の取り出すこと、及び
電解質へ酸素の取り込むことを促進させることによって
セルの動作に寄与する。２つの電極間に電位差を与える
と、より負極性の電極に隣接したガス相における酸素
は、電解質を介して対向する電極に隣接したガス相へポ
ンピングするようにされる。即ち、広いレンジの空燃比
を作成するときは、酸素のポンピングがＰｔ電極の仕事
関数を変化させることに注意すべきである。従って、作
用電極に対して酸素をポンピングすると仕事関数を増加
させ、一方作用電極から酸素をポンピングすると仕事関
数を減少させる。これらの総合的な観察は、酸素過剰の
雰囲気が仕事関数に増加をもたらし、一方リッチ即ち酸
素不足の雰囲気が仕事関数に減少をもたらすというガス
相の結果と両立するものである。
【００２４】図５に示す結果は、ガス相が交互に化学量
論のリッチ及びリッチであるときに、酸素のポンピング
による仕事関数の変化を示している。周囲のガスがリー
ンのときは、排気ガスに暴露された電極に対する酸素の
ポンピング（−４ｍＡのポンピング電流に対応する）
は、Ｐｔの仕事関数を増加させる。しかし、同一の値の
電流により表面から酸素をポンピングすると、仕事関数
に０．６ｅＶ程度の還元を発生させる。この変化は、排
気ガスをリーン状態からリッチ状態へ変化さすることに
より発生する変化に近いものである。従って、リーンの
ガス相にも拘わらず、正しい符号と量による酸素のポン
ピングは、仕事関数をリッチ又は少なくとも中間的な空
燃比状態に対応した値へ変更することができる。
論のリッチ及びリッチであるときに、酸素のポンピング
による仕事関数の変化を示している。周囲のガスがリー
ンのときは、排気ガスに暴露された電極に対する酸素の
ポンピング（−４ｍＡのポンピング電流に対応する）
は、Ｐｔの仕事関数を増加させる。しかし、同一の値の
電流により表面から酸素をポンピングすると、仕事関数
に０．６ｅＶ程度の還元を発生させる。この変化は、排
気ガスをリーン状態からリッチ状態へ変化さすることに
より発生する変化に近いものである。従って、リーンの
ガス相にも拘わらず、正しい符号と量による酸素のポン
ピングは、仕事関数をリッチ又は少なくとも中間的な空
燃比状態に対応した値へ変更することができる。
【００２５】更に図５に示されているのは、低い仕事関
数に対応するポンプ電流なし（ＩP＝０）に対してガス
相がリッチである場合である。そのときに、表面からポ
ンピングする酸素（４ｍＡのポンプ電流に対応する）
は、仕事関数を少しばかり更に還元させるのに寄与し、
一方表面に酸素をポンピングすると仕事関数を０．７ｅ
Ｖ程度だけ増加させるのに寄与する。また、この変化は
リッチ状態からリッチ状態への変化により発生するもの
と同程度である。従って、酸素のポンピングは、仕事関
数をリーン状態に対応する値に変更するのに十分な範囲
で能力がある。従って、仕事関数に対する酸素のポンピ
ング効果を用いて「ヌル法」による広いレンジの空燃比
を検知する負帰還装置を構成することができる。このよ
うな方法では、ポンピング電流はガス相の効果を無効に
する量が適用され、仕事関数を一定値に保持して所要の
ポンプ電流の値が空燃比に比例するものにする。
数に対応するポンプ電流なし（ＩP＝０）に対してガス
相がリッチである場合である。そのときに、表面からポ
ンピングする酸素（４ｍＡのポンプ電流に対応する）
は、仕事関数を少しばかり更に還元させるのに寄与し、
一方表面に酸素をポンピングすると仕事関数を０．７ｅ
Ｖ程度だけ増加させるのに寄与する。また、この変化は
リッチ状態からリッチ状態への変化により発生するもの
と同程度である。従って、酸素のポンピングは、仕事関
数をリーン状態に対応する値に変更するのに十分な範囲
で能力がある。従って、仕事関数に対する酸素のポンピ
ング効果を用いて「ヌル法」による広いレンジの空燃比
を検知する負帰還装置を構成することができる。このよ
うな方法では、ポンピング電流はガス相の効果を無効に
する量が適用され、仕事関数を一定値に保持して所要の
ポンプ電流の値が空燃比に比例するものにする。
【００２６】図４Ａに示すケルビン法の解決手段の例を
挙げると、この装置はリッチ状態及びリーン状態に対応
する復調器の出力における直流電圧を判断することによ
り、校正される。そのときは、これらの電圧間の中間に
位置し、基準電圧Ｖr に対応する基準値を選択する。そ
のときは、周知の方法の負帰還フィードバック回路が用
いられ、この回路では基準電圧及び復調器の出力がフィ
ードバック・インピーダンス４２を介して増幅器４１に
負帰還するように入力される。そこで、増幅器４１の出
力は電気化学セル４０のうちの一つに印加されてこのセ
ルを介して酸素をポンピングさせる。酸素は、ポンピン
グによる前述の仕事関数に対する変更がガス相の組成に
おける変化のために発生する変更をオフセットさせるよ
うな方向及び値により、ポンピングされるので、実際に
おいて、仕事関数は基準電圧ＶRに対応した中間値に保
持される。
挙げると、この装置はリッチ状態及びリーン状態に対応
する復調器の出力における直流電圧を判断することによ
り、校正される。そのときは、これらの電圧間の中間に
位置し、基準電圧Ｖr に対応する基準値を選択する。そ
のときは、周知の方法の負帰還フィードバック回路が用
いられ、この回路では基準電圧及び復調器の出力がフィ
ードバック・インピーダンス４２を介して増幅器４１に
負帰還するように入力される。そこで、増幅器４１の出
力は電気化学セル４０のうちの一つに印加されてこのセ
ルを介して酸素をポンピングさせる。酸素は、ポンピン
グによる前述の仕事関数に対する変更がガス相の組成に
おける変化のために発生する変更をオフセットさせるよ
うな方向及び値により、ポンピングされるので、実際に
おいて、仕事関数は基準電圧ＶRに対応した中間値に保
持される。
【００２７】従って、リーン状態では仕事関数を減少さ
せるために活性面から基準電極へ酸素をポンピングする
ことが必要であり、一方リッチ状態では反対符号のポン
ピング電流を使用する必要がある。更に、リッチ状態又
はリーン状態における化学量論からは、中間の仕事関数
値を確立するために、更に多くのポンピング電流を必要
とすることになる。図４Ｂはポンピング電流及び空燃比
に関連して予測される線形伝達関数の例を示す。このよ
うな機構では、化学量論でポンプ電流を必要とすること
はないであろう。
せるために活性面から基準電極へ酸素をポンピングする
ことが必要であり、一方リッチ状態では反対符号のポン
ピング電流を使用する必要がある。更に、リッチ状態又
はリーン状態における化学量論からは、中間の仕事関数
値を確立するために、更に多くのポンピング電流を必要
とすることになる。図４Ｂはポンピング電流及び空燃比
に関連して予測される線形伝達関数の例を示す。このよ
うな機構では、化学量論でポンプ電流を必要とすること
はないであろう。
【００２８】本発明が関連する種々の技術分野に習熟す
る者には、疑いなく種々の変更及び変形が考えられる。
例えば、セラミックの電気化学セルはシリンダ状である
必要はなく、平らな形状も可能である。これらの変形、
及び最高水準の技術を本開示が高めたという示唆に本質
的に基づいた他の全ての変形は、本発明の範囲内である
と間違いなく考えられる。
る者には、疑いなく種々の変更及び変形が考えられる。
例えば、セラミックの電気化学セルはシリンダ状である
必要はなく、平らな形状も可能である。これらの変形、
及び最高水準の技術を本開示が高めたという示唆に本質
的に基づいた他の全ての変形は、本発明の範囲内である
と間違いなく考えられる。
【図１】Ａは酸素を吸着することなく、センサの活面の
仕事関数φを示す概要的なエネルギ・レベル図。この仕
事関数は最小密束縛電子を除去するために必要とするエ
ネルギであり、そのエネルギ・レベルは上側に表わされ
ている真空レベルに対する、下側の水平線により表わさ
れている。ＢはＰｔ及び他の多くの金属に発生する表面
に酸素を吸着するために、新しい値φ′＞φに対する活
性面の仕事関数における増加を示す概要的なエネルギ・
レベル図。強力な陰電気の酸素原子が金属電子を引き付
けて金属面の丁度内側に正の荷電領域を残す。この金属
面にまたがる二重の荷電層はφを増加させる。
仕事関数φを示す概要的なエネルギ・レベル図。この仕
事関数は最小密束縛電子を除去するために必要とするエ
ネルギであり、そのエネルギ・レベルは上側に表わされ
ている真空レベルに対する、下側の水平線により表わさ
れている。ＢはＰｔ及び他の多くの金属に発生する表面
に酸素を吸着するために、新しい値φ′＞φに対する活
性面の仕事関数における増加を示す概要的なエネルギ・
レベル図。強力な陰電気の酸素原子が金属電子を引き付
けて金属面の丁度内側に正の荷電領域を残す。この金属
面にまたがる二重の荷電層はφを増加させる。
【図２】Ａは温度を５００℃の範囲まで上昇させ、かつ
排気ガスに暴露されるヒータ上に位置するＰｔの薄い矩
形シートが、化学的に不活性な薄い矩形の金層から距離
ｌに配置されて、平行な平板コンデンサの２枚のプレー
トを形成した容量性空燃比センサの構造の一実施例によ
る斜視図。これらのプレートは電流計及び付属の電流積
分回路に接続されている。Ｂは排気ガスがリーン状態か
らリッチ状態の空燃比に交互に切り換えられたのときに
発生する積分回路の矩形波出力の概略図。その切り換え
位置は理論空燃比で発生し、その空燃比でＰｔに発生す
る吸着酸素の除去する又は蓄積する結果となる。
排気ガスに暴露されるヒータ上に位置するＰｔの薄い矩
形シートが、化学的に不活性な薄い矩形の金層から距離
ｌに配置されて、平行な平板コンデンサの２枚のプレー
トを形成した容量性空燃比センサの構造の一実施例によ
る斜視図。これらのプレートは電流計及び付属の電流積
分回路に接続されている。Ｂは排気ガスがリーン状態か
らリッチ状態の空燃比に交互に切り換えられたのときに
発生する積分回路の矩形波出力の概略図。その切り換え
位置は理論空燃比で発生し、その空燃比でＰｔに発生す
る吸着酸素の除去する又は蓄積する結果となる。
【図３】ＡはＰｔ及び化学的に不活性な（例えば金の）
表面が互いに距離ｌで周波数ｆにより振動するようにさ
れる容量性空燃比センサの構造の第２の実施例による斜
視図。物質間の仕事関数における相違のために、この振
動は周波数ｆで交流電流を流すようにさせる。この交流
電流はフィードバック制御に都合のよいように復調する
ことが可能とされる。Ｂは空燃比がリッチ状態からリー
ン状態に変化するときに理論空燃比でステップ状形性で
可逆的に変化する復調電流の概略図。
表面が互いに距離ｌで周波数ｆにより振動するようにさ
れる容量性空燃比センサの構造の第２の実施例による斜
視図。物質間の仕事関数における相違のために、この振
動は周波数ｆで交流電流を流すようにさせる。この交流
電流はフィードバック制御に都合のよいように復調する
ことが可能とされる。Ｂは空燃比がリッチ状態からリー
ン状態に変化するときに理論空燃比でステップ状形性で
可逆的に変化する復調電流の概略図。
【図４】Ａは一端で内側Ｐｔ電極と外側Ｐｔ電極により
閉じられたシリンダ状をなす酸素イオンを導く固体の電
気化学セルが振動する金の表面の近傍に配置された広い
レンジの空燃比センサの概略図。外側の活性なＰｔの表
面は排気ガスに暴露され、一方その内側の表面は空気基
準雰囲気に暴露される。２つの容量面間に配置された電
流計の復調出力は、リーン極限値とリッチ極限値との間
の中間の（かつ電圧ＶR により表わされた）固定値で仕
事関数を保持するように設計された負帰還面の１入力を
形成する。この回路の出力は電気化学セルにおいて酸素
をポンピングさせる出力電流ＩP である。Ｂは排気ガス
において変化する空燃比の状態に無関係な固定値にＰｔ
の仕事関数を保持する、従って広いレンジの値にわたっ
て空燃比の測定を形成するために丁度適当なセルの出力
電流ＩP の概略図。
閉じられたシリンダ状をなす酸素イオンを導く固体の電
気化学セルが振動する金の表面の近傍に配置された広い
レンジの空燃比センサの概略図。外側の活性なＰｔの表
面は排気ガスに暴露され、一方その内側の表面は空気基
準雰囲気に暴露される。２つの容量面間に配置された電
流計の復調出力は、リーン極限値とリッチ極限値との間
の中間の（かつ電圧ＶR により表わされた）固定値で仕
事関数を保持するように設計された負帰還面の１入力を
形成する。この回路の出力は電気化学セルにおいて酸素
をポンピングさせる出力電流ＩP である。Ｂは排気ガス
において変化する空燃比の状態に無関係な固定値にＰｔ
の仕事関数を保持する、従って広いレンジの値にわたっ
て空燃比の測定を形成するために丁度適当なセルの出力
電流ＩP の概略図。
【図５】酸素及びプロパンの混合により設定されたリー
ン状態及びリッチ状態において電気化学的な酸素のポン
ピングによるＰｔ電極の仕事関数におけるばらつきのグ
ラフ表示図。
ン状態及びリッチ状態において電気化学的な酸素のポン
ピングによるＰｔ電極の仕事関数におけるばらつきのグ
ラフ表示図。
２０ 空燃比センサ Ａ 電流計
Claims (16)
- 【請求項１】 周囲のガス相における酸化種と還元種と
の理論空燃比を電気的に検知する容量性空燃比センサに
おいて、 前記ガス相と相互に作用する活性面を有する物質と、 仕事関数における変化に比例する電気信号を供給するこ
とにより理論空燃比を検知する容量性装置と含む容量性
空燃比センサ。 - 【請求項２】 前記活性面は前記酸化種及び還元種の反
応に対して触媒作用面の特性を有し、その吸着の結果と
して活性面の物質の仕事関数を増加させるように酸素を
吸着し得ると共に、前記還元種が前記吸着した酸素と反
応して該酸素を除去することにより、前記ガス相におけ
る前記還元種が化学量論量にあるとき又は化学量論量の
リッチであるときは、前記仕事関数を低下させることを
特徴とする請求項１記載の容量性空燃比センサ。 - 【請求項３】 前記活性面の物質はプラチナと、プラチ
ナ・セラミックの合成物とを含む群から選択されること
を特徴とする請求項２記載の容量性空燃比センサ。 - 【請求項４】 更に、前記活性面に隣接して位置し、前
記活性面の温度を所望の触媒作用面の特性が存在する値
に上昇させるヒータを備えていることを特徴とする請求
項２記載の容量性空燃比センサ。 - 【請求項５】 前記容量性装置は前記活性面の近傍に配
置された化学的に不活性な表面を含むことを特徴とする
請求項１記載の容量性空燃比センサ。 - 【請求項６】 前記化学的に不活性な表面は金から作成
されることを特徴とする請求項５記載の容量性空燃比セ
ンサ。 - 【請求項７】 前記理論空燃比近傍の広いレンジの空燃
比を検知するために、前記活性面は、酸素ガスを酸素を
含む基準ガスに暴露される基準電極に対して同時的に作
用電極へ又はから電気化学的にポンピング可能な固体の
電気化学セルの作用電極であることを特徴とする請求項
１記載の容量性空燃比センサ。 - 【請求項８】 前記作用電極は、同時に、前記活性面へ
又はからの酸素のポンピングがほぼそれぞれの化学量論
濃度で前記ガス相における活性種を変化させることによ
り発生する変化に比較し得る量又は過剰な量によって前
記活性面の仕事関数をそれぞれ増減させるものであるこ
とを特徴とする請求項７記載の容量性空燃比センサ。 - 【請求項９】 前記作用電極はプラチナと、プラチナ・
セラミックの合成物とを含む群から選択されたことを特
徴とする請求項７記載の容量性空燃比センサ。 - 【請求項１０】 前記容量性装置は相対して振動される
プレートであることを特徴とする請求項１記載の容量性
空燃比センサ。 - 【請求項１１】 更に前記容量性装置における電流を決
定する電流検出手段を備えていることを特徴とする請求
項１記載の容量性空燃比センサ。 - 【請求項１２】 更に前記プレート間に結合された電流
検出手段を含むことを特徴とする請求項１記載の容量性
空燃比センサ。 - 【請求項１３】 周囲ガス相における酸化種及び還元種
の理論空燃比を検知する空燃比測定方法において、 前記ガス相と相互作用し、かつ前記理論空燃比で値を変
化させる仕事関数を有した活性面を備えるステップと、 前記活性面との組合わせにより容量性装置を形成し、前
記容量性装置が仕事関数の変化に比例した電気信号を発
生する不活性面を備えるステップと、 前記活性面と前記不活性面との間に電流計を接続し、前
記ガス相の化学的に活性な成分の濃度がほぼ前記理論空
燃比により変化するときに、これらの間を流れる電流を
検知するステップと、 積分回路を前記電流計に接続して前記積分回路からの出
力の異なる２レベルが化学量論のリッチ又はリーンのガ
ス相状態と、これら２レベル間に中間の点とに対応する
ように、２つの面間で転送される総荷電量に比例した出
力信号を供給して、前記ガス相における前記化学量論の
状態に対応させて前記ガス相を検知するステップとを含
むことを特徴とする周囲ガス相における酸化種及び還元
種の理論空燃比を検知する空燃比測定方法。 - 【請求項１４】 更に、 前記活性面に隣接した電気化学セルを備えて酸素をポン
ピングするステップと、 前記活性面へ又はから酸素のポンピングを行なわせるよ
うに負帰還回路の出力を前記電気化学セルに供給するス
テップと、 前記容量性装置からのステップ状出力をフィードバック
増幅器の負入力に印加し、一方ステップ状出力の中間値
に対応する固定電圧を正入力に印加するステップと、 前記ガス相における活性成分の組成における変動にかか
わることなく、前記フィードバック回路の出力電流が十
分な酸素を前記活性面にポンピングさせるように前記フ
ィードバック回路のフィードバック・インピーダンスを
調整し、前記仕事関数における酸素のポンピング及びガ
ス相の相互作用の効果の組合わせ結果として、前記活性
面の仕事関数がそのリッチ極限値とリーン極限値との間
の中間値に保持されるステップであって、かつ前記化学
量論状態における容量性回路の出力が前記フィードバッ
ク増幅器の正入力に印加する電圧に近いステップと、 前記フィードバック回路により電気化学セルに供給さ
れ、前記空燃比に比例している電流を判断して前記空燃
比を検知するステップとを含むことを特徴とする請求項
１３記載の周囲ガス相における酸化種及び還元種の理論
空燃比を検知する空燃比測定方法。 - 【請求項１５】 周囲ガス相における酸化種及び還元種
の理論空燃比を検知する空燃比測定方法において、 前記ガス相と相互作用し、かつ前記理論空燃比で値を変
化させる仕事関数を有した活性面を備えるステップと、 前記活性面との組合わせにより容量性装置を形成し、前
記容量性装置が仕事関数の変化に比例した電気信号を発
生する不活性面を備えるステップと、 互いに前記活性面及び前記不活性面を振動させてそれら
の相互容量を変化させるステップと、 前記活性面と前記不活性面との間の交流電流検知装置を
接続し、前記振動により前記活性面と前記不活性面との
間を流れる前記交流電流、及び前記周囲ガス相線分の濃
度の変化により流れる前記交流電流の値の変化を測定す
るステップと、 前記ガス相における化学量論状態に対応した異なる２つ
の出力レベル間の中間値により、化学量論のリッチ又は
リーンのガス相状態にそれぞれ対応した異なる２つの出
力レベルを発生する電流計の出力に復調回路を接続して
前記化学量論状態を検知するステップとを含むことを特
徴とする周囲ガス相における酸化種及び還元種の理論空
燃比を検知する空燃比測定方法。 - 【請求項１６】 更に、 酸素をポンピングさせるために前記活性面に隣接した電
気化学セルを備えるステップと、 前記活性面へ又はから酸素のポンピングをするように負
帰還回路の出力を前記電気化学セルに供給するステップ
と、 前記容量性装置からのステップ状出力をフィードバック
増幅器の負入力に印加し、一方ステップ状出力の中間値
に対応する固定電圧をその正入力に印加するステップ
と、 前記ガス相における活性成分の組成における変動にかか
わることなく、前記フィードバック回路の出力電流が十
分な酸素を前記活性面にポンピングさせるように前記フ
ィードバック回路のフィードバック・インピーダンスを
調整して、酸素のポンピングと前記仕事関数におけるガ
ス相の相互作用との効果の組合わせ結果として、前記活
性面の仕事関数がそのリッチ極限値とリーン極限値との
間の中間値に保持されるステップであって、かつ前記化
学量論状態における容量性回路の出力が前記フィードバ
ック増幅器の正入力に印加される電圧に近いステップ
と、 前記フィードバック回路により電気化学セルに供給さ
れ、前記空燃比に比例した電流を判断して、前記空燃比
を検知するステップと含むことを特徴とする請求項１５
記載の周囲ガス相における酸化種及び還元種の理論空燃
比を検知する空燃比測定方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US084498 | 1993-07-01 | ||
| US08/084,498 US5389224A (en) | 1993-07-01 | 1993-07-01 | Capacitive A/F sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07146272A true JPH07146272A (ja) | 1995-06-06 |
Family
ID=22185340
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6151306A Pending JPH07146272A (ja) | 1993-07-01 | 1994-07-01 | 容量性空燃比センサ及び空燃比測定方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5389224A (ja) |
| JP (1) | JPH07146272A (ja) |
| DE (1) | DE4422653C2 (ja) |
| GB (1) | GB2280034B (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011526361A (ja) * | 2008-07-02 | 2011-10-06 | マイクロナス ゲーエムベーハー | ガスセンサ |
| CN111044573A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-21 | 浙江大华技术股份有限公司 | 气体传感器的故障检测电路及方法 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19515524C2 (de) * | 1995-04-27 | 1999-09-09 | Private Uni Witten Herdecke Gm | Verfahren und Vorrichtung zum fortlaufenden Nachweis wenigstens einer Substanz in einem gasförmigen oder flüssigen Gemisch mittels einer Sensorelektrode |
| DE19644569C2 (de) * | 1996-10-27 | 1998-10-29 | Heraeus Electro Nite Int | Kapazitive Lambda-Sonde |
| JP3920551B2 (ja) * | 2000-09-29 | 2007-05-30 | 株式会社山武 | 接合方法 |
| US20120145265A1 (en) * | 2010-12-09 | 2012-06-14 | Mark Stephenson | System for Conditioning Fluids Using Fermi Energy |
| DE102014200481A1 (de) * | 2014-01-14 | 2015-07-16 | Robert Bosch Gmbh | Breitbandlambdasonde und Herstellungsverfahren für eine Breitbandlambdasonde |
| WO2018237348A1 (en) * | 2017-06-22 | 2018-12-27 | ProbiusDx | NANOSCALE SCALE ELECTROCHEMICAL INTERFACE FOR DETECTION OF ANALYTES |
| JP2019168289A (ja) * | 2018-03-22 | 2019-10-03 | 株式会社東芝 | ガスセンシング方法、ガスセンサ、及びガスセンシングシステム |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4272392A (en) * | 1979-11-02 | 1981-06-09 | The Dow Chemical Company | Hydrated Mg(NO3)2 /MgCl2 reversible phase change compositions |
| US4272329A (en) * | 1980-03-03 | 1981-06-09 | Ford Motor Company | Steady state mode oxygen sensor and method |
| US5106480A (en) * | 1980-09-05 | 1992-04-21 | Thomson-Csf | Device of the solid-electrolyte electrochemical cell type |
| US4381224A (en) * | 1981-04-27 | 1983-04-26 | Ford Motor Company | Step function lean burn oxygen sensor |
| US4729824A (en) * | 1982-05-11 | 1988-03-08 | Giner, Inc. | Gas sensor and method of using same |
| DE3225554A1 (de) * | 1982-07-08 | 1984-01-12 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart | Messeinrichtung fuer fluidstrahlen |
| JPS6126850A (ja) * | 1984-07-17 | 1986-02-06 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 酸素センサ |
| DE3438546A1 (de) * | 1984-10-20 | 1986-04-24 | Kernforschungsanlage Jülich GmbH, 5170 Jülich | Verfahren zum nachweis eines stoffes oder zum nachweis zumindest einer komponente eines stoffgemisches sowie schwingkondensator zur durchfuehrung des verfahrens |
| JPS61195338A (ja) * | 1985-02-25 | 1986-08-29 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 空燃比センサ− |
| US4841934A (en) * | 1987-02-20 | 1989-06-27 | Ford Motor Company | Oxygen pumping device for control of the air fuel ratio |
| US4900405A (en) * | 1987-07-15 | 1990-02-13 | Sri International | Surface type microelectronic gas and vapor sensor |
| US5032248A (en) * | 1988-06-10 | 1991-07-16 | Hitachi, Ltd. | Gas sensor for measuring air-fuel ratio and method of manufacturing the gas sensor |
| US5310474A (en) * | 1992-07-13 | 1994-05-10 | Ford Motor Company | Workfunction based A/F sensor |
| US5275712A (en) * | 1992-07-14 | 1994-01-04 | Ford Motor Company | Wide range workfunction based A/F sensor |
-
1993
- 1993-07-01 US US08/084,498 patent/US5389224A/en not_active Expired - Fee Related
-
1994
- 1994-06-21 GB GB9412449A patent/GB2280034B/en not_active Expired - Fee Related
- 1994-06-28 DE DE4422653A patent/DE4422653C2/de not_active Expired - Fee Related
- 1994-07-01 JP JP6151306A patent/JPH07146272A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011526361A (ja) * | 2008-07-02 | 2011-10-06 | マイクロナス ゲーエムベーハー | ガスセンサ |
| US8390037B2 (en) | 2008-07-02 | 2013-03-05 | Micronas Gmbh | Gas sensor |
| CN111044573A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-21 | 浙江大华技术股份有限公司 | 气体传感器的故障检测电路及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4422653A1 (de) | 1995-01-19 |
| DE4422653C2 (de) | 1997-12-18 |
| US5389224A (en) | 1995-02-14 |
| GB2280034B (en) | 1996-11-20 |
| GB2280034A (en) | 1995-01-18 |
| GB9412449D0 (en) | 1994-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3544437B2 (ja) | ガスセンサ | |
| US4927517A (en) | NOx sensor having catalyst for decomposing NOx | |
| US6551497B1 (en) | Measuring NOx concentration | |
| JP3701114B2 (ja) | ＮＯｘ分解電極の酸化防止方法 | |
| US6638416B2 (en) | Hydrogen sensing process | |
| GB2050625A (en) | Device for detection of oxygen concentration in combustion gas | |
| JP2788511B2 (ja) | 酸素濃度検出器の処理方法 | |
| CN1221490A (zh) | 测定混合气体中可氧化组份浓度的传感器 | |
| JP2000171436A (ja) | ＮＯｘ分解電極及びＮＯｘ濃度測定装置 | |
| JPH07146272A (ja) | 容量性空燃比センサ及び空燃比測定方法 | |
| US4844788A (en) | Wide-range air/fuel ratio sensor and detector using the same | |
| JP4219414B2 (ja) | 混合気中の被酸化性成分の測定方法 | |
| EP0791825B1 (en) | Sensing device for measuring nitrogen oxides | |
| Reinhardt et al. | Sensing small molecules with amperometric sensors | |
| EP0583071B1 (en) | Wide range workfunction based A/F sensor | |
| JP2940164B2 (ja) | 内燃エンジンの空燃比センサ | |
| Gibson et al. | Novel sensors for monitoring high oxygen concentrations | |
| US20020189942A1 (en) | Gas concentration measuring device | |
| EP0579483B1 (en) | Workfunction Based A/F Sensor | |
| JP2000193639A (ja) | アンモニア検出センサ及びそれを用いたアンモニア検出方法 | |
| Hetrick et al. | Capacitive air-fuel ratio sensor | |
| Colvin et al. | A proportional air-fuel ratio zirconia oxygen sensor | |
| Logothetis | Air‐To‐Fuel Sensors Based on Oxygen Pumping | |
| JP3712541B2 (ja) | 空燃比センサの制御装置及び空燃比測定方法 | |
| JPS60231159A (ja) | 酸素濃度測定装置 |