JPS6130757A - 排気濃度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、排気濃度センサに関し、特１：、自動車用エ
ンジンの空燃比を広い範囲で測定するためのυＬ気濃度
センサに関する。

〔従来の技術〕

従来、自動乗用エンノンの空燃比制御システムには酸素
センサが用いられており、この酸素センサは、理論空燃
比（Ａ／Ｆ＝　１４．．７　）近傍におけるセンサの発
生電圧変化を利用していて、主として二元触媒を用いた
排ガス浄化システムを月未として実用化されている。

従来より実用化されている酸素センサは、いわゆる濃淡
電池型のもので、これは、酸素イオン透過性固体電解質
からなる一端が閉止した筒体の内外表面に電極層を設け
、筒体内部に大気等の標やガスを有する酸素センナ素子
の外表面に排ガスを接触させ、標準がスとゼトガスとの
酸素濃度差により面記内外＠極間に発生する電位差を起
電力として取り出し、この起電力の急激な変化を測定す
ることによ］）理論空燃比を検知するものて゛ある。

さらに、排ガスの酸素濃度を低い領域から高い領域にわ
たって連続的に検知することのできる、いわゆるリーン
センサが開発されている。

このリーンセンサは、酸素イオン透過性固体電解質から
なる基板両面に電極層をそれぞれ設け、少なくとも一方
の電極層を無機材料で被覆してなるセンサ素子部を排ガ
スと接触するようにして排気管に取り付け、両極に定電
圧を印加すると、排ガス中の酸素濃度に応じて両極間に
限界電流が流れるので、この限界電流の変化を測定する
ことにより自動車エンジンの空燃比を検知する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前者の酸素濃淡電池型酸素センサは、理
論空燃比近傍を精度よく検知することができるが、それ
以外の酸素濃度領域を検知することができなかった。近
年、自動車の低燃費化という社会的要請に応じ、エンジ
ンを改良し特定条件において理論空燃比より酸素過剰側
（燃料のリーン側）で運転するシステムが検討されてい
るが、上記濃淡電池型酸素センサでは、このシステムに
使用することは不適当である。

また、後者のリーンセンサは、理論空燃比以上の、すな
わち酸素過剰側空燃比を検出することができるだけであ
る。

これらの酸素濃淡電池型酸素センサおよびり−ンセンサ
は、いずれも酸素過薄（希薄）側空燃比、すなわち、燃
料のリッチ制空燃比な検出することができない。

本発明は、このような問題点を解決しようとするもので
、酸素過剰側空燃比も正確に検出できるようにした、排
気濃度センサを提供すること゛を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

このため本発明の排気濃度センサは、キャビティ内へ排
ガスを導入する排ガス導入用貫通孔を有するセンサ本体
をそなえるとともに、同センサ本体の壁部を形成して上
記キャビティからの酸素イオンを排出する酸素イオン透
過性固体電解質製排出用ポンプセルと、同排出用ポンプ
セルに付設された上記キャビティ側の電極と排出側電極
との間に所定電圧を供給することによりこれらの電極間
に流れる電流を測定する測定回路とをそなえ、上記キャ
ビティへ所定量の酸素イオンを導入すべく、上記キャビ
ティへ大気側から酸素イオンを導入する酸素イオン透過
性固体電解質製導入用ポンプセルと、同導入用ポンプセ
ルに付設された上記キャビティ側の電極と導入側電極と
の間に定電流を供給する定電流源とが設けられたことを
特徴としている。

〔作用〕

本発明の排気濃度センサは上述のごとく構成されている
ので、導入用ポンプセル１こより、キャビティ内へ所定
量の酸素イオンが導入され、この酸素イオンと排ガス中
の一酸化炭素とが反応して、未反応の酸素が、排出用ポ
ンプセルにより、キャビテイ外へ排出され、この排出さ
れる酸素イオンの量が測定回路においで測定される。

〔実施例〕

以下、図面により本発明の実施例について説明すると、
第１〜５図は本発明の一実施例としての排気濃度センサ
を示すもので、第１図はその全体構成図、第２〜５図は
いずれもその作用を説明するためのグラフである。

第１図に示すように、センサ本体１５のキャビティ４内
に排ガスを導入すべく、センサ本体１５の壁部に排ガス
導入用貫通孔５が穿設されており、所定量の律速された
排気が排気管９からキャビティ４内へ導入されるように
なっている。

センサ本体１５には、測定回路をそなえた酸素汲み出し
機構Ｂと、酸素汲み入れ機構Ｃと、キャビティ内濃度検
出槻構りとが設けられている。

酸素汲み出し機構Ｂは、センサ本体１５の壁部を構成す
る酸素イオン透過性固体電解質製排出（汲み出し）用ポ
ンプセル１と、この排出用ポンプセル１のキャビテイ４
側表面および排気管９側表面にそれぞれ付設（蒸着・メ
ッキ）された白金製薄膜多孔質の電極６．６の間に所定
電圧を供給する電源１０と、電極６，６の間に流れる電
流を計測する電流計１１とで構成されている。

酸素汲み入れ機構Ｃは、センサ本体１５の壁部を構成す
る酸素イオン透過性固体電解質製導入（汲み入れ）用ポ
ンプセル２と、この導入用ポンプセル２のキャビテイ４
側表面および大気連通路１２側表面にそれぞれ付設（蒸
着・メ・ンキ）された白金製薄膜多孔質の電極７，７と
、これらの電極間７゜７の間に所定電流１ｃを流す定′
眠流源１３とで構成されている。

また、キャビティ内濃度検出機構りは、センサ本体］５
の壁部を構成する酸素イオン透過性固体電解質製検出用
セル３と、この検出用セル３のキャビテイ４側表面およ
び大気連通路１２側表面にそれぞれ付設（蒸着・メンキ
）された白金製薄膜多孔質の電極８，８と、これらの電
極間８，８の間の電圧を検出する電圧計１４とで構成さ
れてν・る。

すなわち、２つのポンプセル１，２は、それぞれ汲み出
し専用ポンプセルおよび汲み入れ専用ポンプセルの専用
セルとなっていて、汲み出し用ポンプセルコはキャビテ
ィ４の検出用排ガスと排気￥！９の排ガス雰囲気とにそ
れぞれ曝露しており、汲み入れ用ポンプセル２はキャビ
ティ４の検出用排ガスと大気とにそれぞれ曝露している
。

ところで、ポンプセル１，２および検出用セル３は、酸
素イオン透過性固体電解質からなっており、例えば、ノ
ルフェア（ＺｒＯ２）、■」ｆＯ２，Ｔｌｌ０２ＩＯｅ
○２１　Ｂ　ｉ　２０３等（こ、イントリア（Ｙ２Ｏ，
）、Ｃａｂ。

Ｍ　ｇ　ＯｊＹ　＋）　２０３等を固溶させた緻密な焼
結体である。

本発明の実施例としての排気濃度センサは上述のごとく
構成されているので、酸素汲み入れｔ９１構Ｃを作動さ
せる状態、すなわち定電流源１３からの電流を供給する
状態の場合には、本装置はり−ン（０２）センサおよび
ＣＯセンサとして機能して、電圧計１４の示す電圧値Ｖ
ｒｅｆが一定の低電圧値となるように酸素汲み出し機構
Ｂの電極６．６間の電圧値を制御して、このときの電流
値ｒｐを測定して、第２図中の実線に示すように、この
電流値Ｉｔ）から排ガス中の酸素濃度を知ることができ
る。

すなわち、酸素汲み出し機構Ｂにより酸素が汲み出され
ると、キャビティ４と大気連通路１２との間に酸素濃度
の差が生ずる。

この濃度差により、キャビティ内濃度検出機構りの電極
８，８間に起電力が生じるのである。

この場合の起電力Ｅは、周囲雰囲気の酸素分圧をＰｃ、
キャビティ４内の酸素分圧をＰａ、気体定数をＲ１絶対
温度をＴ、７アラデー常数をＦとすると、次のＮｃｒｎ
ｓ１式で表わされ、この式は第５図中の符号１で示す低
電圧値における曲線によってその特性が示される。

Ｅ＝（ＲＴ／４Ｆ）−１ｎ（Ｐｃ／Ｐａ）この起電力Ｅ
は、キャビティ４内に排ガス導入用貫通孔５を通じて律
速されて流入する酸素量と、酸素汲み出し機構Ｂにより
汲み出し用ポンプセル１がら汲み出される酸素量と、酸
素汲み入れ機構Ｃにより汲み入ｉｔ用ポンプセル２から
汲み大ｉｔられる酸素量とが平衡に達した時点で一定と
なるのである。

そして、この起電力Ｅを予め定められた所定値に維持さ
れるように、電源１０の電圧が調整されるのである。

なお、酸素汲み入れ桟構Ｃを作動させない状態、すなわ
ち定電流源１３からの電流を供給しない状態の場合には
、第２図中の破線に示すように、本装置はリーンセンサ
として機能する。

すなわち、理論空燃比（ストイキオ；１１￥、７）より
リーン側においては、第２，３図に示すように、電圧計
１４の電圧値Ｖｒｅｆが一定であれば、キャビティ４内
のＯ２濃度が一定となるので、犬のようにして排気中の
Ｏ２濃度が求まる。

（汲み出し０２）＝（汲み入れ０２） ＝（拡散０２）父（排気Ｑ２濃度） また、理論空燃比よりリッチ側においては、汲み込んだ
０２が、排ガス導入用貰通孔（ピンホール）５からキャ
ビティ４内へ流入する排ガス中のＣ○と反応してＣＯ７
になるので、電圧計１４の電圧値Ｖｒｅｆが一定であれ
は、キャビティ４内の○、濃度が一定となるので、次の
ようにして排気中のＣ○濃度が求まる。

（汲み入れ０２）−（汲み出し０２） ＝１／２（拡散Ｃ○）−（排気ＣＯ濃度）したがって、
リーン側およびリッチ側もともに空燃比に１対１に対応
した汲み出し電流Ｉｌｌを求めることができる。

また、定電流源１３の電流値を変化させることによって
、ｔ５４図に示すように、センサ本体１５の測定範囲を
変えることができる。

なお、汲み出し用ポンプセル１の汲み出し先は、大気側
でもよく、可燃ガス濃度を測定する二ともできる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の排気濃度センサによれば
、キャビティ内へ排ガスを導入する七トガス導入用貫通
孔を有するセンサ本体をそなえるとともに、同センサ本
体の壁部を形成して上記キャビティからの酸素イオンを
排出する酸素イオン透過性固体電解質製排出用ポンプセ
ルと、同排出用ポンプセルに付設された上記キャビティ
側の電極と排出側電極との間に所定電圧を供給すること
によりこれらの電極間に流れる電流を測定する測定回路
とをそなえ、上記キャビティへ所定量の酸素イオンを導
入すべく、上記キャビティへ大気側から酸素イオンを導
入する酸素イオン透過性固体電解質製導入用ポンプセル
と、同導入用ポンプセルに付設された上記キャビティ側
の電極と導入側電極との間に定電流を供給する定電流源
とが設けられるという簡素な構造で、酸索過薄側空燃比
、すなわち、燃料のリッチ側空燃比も正確に検出するこ
とができる利点があり、検出可能範囲が酸素過濃側から
酸累過薄側までの幅ひろい空燃比を測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例としての排気濃度センサを示すも
ので、第１図はその全体構成図、第２〜５図はいずれも
その作用を説明するためのグラフである。 １・・酸素イオン透過性固体電解質製ダト出（汲み出し
）用ポンプセル、２・・酸素イオン透過性固体電解質製
導入（汲み入れ）用ポンプセル、３・・酸素イオン透過
性固体電解質製検出用セル、４・・キャビティ、５・・
排ガス導入用貫通孔、６〜８・・電極、９・・排気管、
１０・・電源、１１・・電流計、１２・・大気連通路、
１３・・定電流源、１４・・電圧計、１５・・センサ本
体、Ｂ・・測定回路をそなえた酸素汲み出し機構、Ｃ・
・酸素汲み入れ機構、Ｄ・・キャビティ内濃度検出８！
構。 代理人　弁理士　飯　沼　義　彦 第１図 １乙 第２図 ↑ ボ＋ ン ブ 電 流 第６図 第　４　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　キャビティ内へ排ガスを導入する排ガス導入用貫通孔
   を有するセンサ本体をそなえるとともに、同センサ本体
   の壁部を形成して上記キャビティからの酸素イオンを排
   出する酸素イオン透過性固体電解質製排出用ポンプセル
   と、同排出用ポンプセルに付設された上記キャビティ側
   の電極と排出側電極との間に所定電圧を供給することに
   よりこれらの電極間に流れる電流を測定する測定回路と
   をそなえ、上記キャビティへ所定量の酸素イオンを導入
   すべく、上記キャビティへ大気側から酸素イオンを導入
   する酸素イオン透過性固体電解質製導入用ポンプセルと
   、同導入用ポンプセルに付設された上記キャビティ側の
   電極と導入側電極との間に定電流を供給する定電流源と
   が設けられたことを特徴とする、排気濃度センサ。