JPS6361945A

JPS6361945A - 空燃比センサ

Info

Publication number: JPS6361945A
Application number: JP61205805A
Authority: JP
Inventors: Fumio Isamigawa; 文雄勇川; Shinji Kimura; 木村　信司; Masayuki Toda; 正之任田; Satoshi Ichikawa; 聡市川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-09-03
Filing date: 1986-09-03
Publication date: 1988-03-18
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: JPH0650301B2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、酸素イオン伝導性１体電解質を用いた酸素
センサセルと酸素ポンプセルとを組み合わせた空燃比セ
ンサに関し、例えば内燃機関や燃焼装釘の空燃比検出に
利用される空燃比センサに関するものである。

（従来の技術）従来のこの種の空燃比センサとしては１例えば第７図に
示すようなものがある。

この空燃比センサ１００は、酸素イオン伝導性固体電解
質基板１０１の両面に第１電極１０２と第２電極１０３
とを設けて酸素センサセル１０４を形成し、前記固体電
解質基板１０１の前記第１電極１０２側には垂直断面が
凹形状をなす第１ガス囲繞体１０５を設け、この第１ガ
ス囲繞体１０５と前記固体電解質基板１０１との間に形
成された空間１０６に、例えば大気などの基拠ガスを導
入して基準極となるようにし、また、前記固体電解質基
板１０１の第２電極１０３側には、第２ガス囲繞体とな
りうるキャップ状をなす酸素イオン伝導性固体電解質１
０７を設け、前記固体電解質基板１０１と第２ガス囲繞
体である固体電解買１０７との間でガス拡散制御空間１
０８を形成し、このガス拡散制御空間１０８と被測定雰
囲気とを連通させる小孔状ガス拡散口１０２を前記固体
電解質１０７に設けると共に、前記ガス拡散口１０２の
まわりでかつ前記固体電解Ｕ１０７の両面に壕状の第３
電極１１０と第４電極１１１とを設けて酸素ポンプセル
１１２を形成させた構成を有するものである（例えば、
類似のものとして特開昭６１−３０７５８号公報）。

第８図は、第７図に示す空燃比センサ１００の結線を示
す図であって、酸素センサセル１０４側の第１電極１０
２と第２ＴＬ極１０３の間にはリード線１０２ａ　、１
０３ａを介して電位差計１１３を接続するとともに、酸
素ポンプセル１１２側の第３電極１１０と第４電極１１
１の間にはリード線１１０ａ、１１１ａを介してポンプ
電源１１４を接続した回路構成を有するものである。

ここで、ポンプ電源１１４からポンプ電流を流さない場
合には、ガス拡散制御空間１０８に流入した被測定ガス
中の８′Ｓ素濃度に応じて前記Ｍ素センサセル１０４の
第１電極１０２と第２電極１０３との間の電位が変化し
て第９図の曲線Ａに示すような当量比（空気過剰率）入
＝１付近で急激に電位差すなわち酸素センサセル起電力
が変化する特性が電位差計１１３により測定される。

一方、ポンプ電源１１４よりポンプ電流を図示ｉ１方向
に流した場合には、固体電解質１０７内で第３電極１１
０かも第４電極１１１の向きに酸素イオンが流れて第３
電極１１０の近傍で酸素が消費される。このとき、ガス
拡散制御空間１０８および／またはガス拡散口１０２の
内部におけるガスの移動が律速段階となる場合には、被
測定ガスが酸素過剰（以下、「リーン」とする）の状態
でも酸素センサセル１０４側の第２電極１０３付近の酸
素濃度が特にガス拡散口１０２から遠い部分で希薄とな
り、このため第９図の曲線Ｂに示すような起電力変化特
性となって、リーン側での空燃比制御が可能な空燃比セ
ンサ１００となる。また、反対にポンプ電源１１４より
ポンプ電流をｉ２の向きに流した場合には、固体電解質
１０７内で第４電［１１１から第３電極１１０の向きに
酸素イオンが流れて第３１極１１０の近傍に酸素が供給
され、被測定ガスが酸素不足（以下・「リッチ」とする
）の状態でも酸素センサセルＩＱ４側の第２’１ｉ１０
３付近の酸素濃度が特にガス拡散口１０９かも遠い部分
で過濃となり、このため第９図の曲線Ｃに示す起電力変
化特性となって、リッチ側での空燃比制御が可能な空燃
比センサ１００となる。

ところで、燃焼排ガスの空気過剰率を実際に測定する場
合には、例えば第１０図の等価回路に示すように、電位
差計１１３とポンプ電源１１４とを関連させ、酸素セン
サセル１０４の起電力Ｖｓを所定（ｆｉＶａに保つよう
にポンプ電ＩＲ，ｉｐを流す制御を行うようにしている
。そして、この制御によって、被測定ガスの空気過剰率
λの変化に対して男１１図に示すポンプ電流ｉｐ値の変
化が得られる。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、このような従来の空燃比センサ１００に
あっては、前記酸素センサセル１０４の起電力Ｖｓを所
定値Ｖａに保つようにしたポンプ電流ｉｐを流す制御を
行った場合に、被測定ガスがリーンのときには、第１２
図（ａ）に仮！！線Ｌｌで示すように、酸素センサセル
１０４側の第２電極１０３のうちガス拡散口１０２の投
影１０りａから離れた部分Ａ、において基準極に対し高
ポテンシャルであり、他の部分Ａ２は低ポテンシヤルの
状態で保持されるため、前記ガス拡散制御空間１０８の
多くを酸素希薄な状態に保つ必要性があり、余分な電力
を酸素ポンプセル１１２に負荷させる必要があった。ま
た１反対に、被測定ガスがリッチのときには、第１２図
（ｂ）に仮想線Ｌ２で示すように、前記酸素センサセル
１０４側の第２電極１０３のうちガス拡散口１０２の投
影１０２ａに近い部分Ａ３において基準極に対し高ポテ
ンシャルであり、他の部分Ａ４は低ポテンシヤルの状態
で保持されるため、前記ガス拡散制御空間１０８の多く
を酸素過剰な状態に保つ必要性があり、余分な電力を酸
素ポンプセル１１２に負荷させる必要があった。その結
果、酸素ポンプセル１１２の特性劣化につながりやすい
という問題点があった。

また、被測定ガスがリッチからリーンへ、あるいはリー
ンかもリッチへ過渡的に変化した場合に、リッチ側にお
ける前記拡散制御空間１０８内部の過剰な酸素の入れ換
えや、リーン側における前記拡散制御空間１０８内部の
酸素が希薄な部分への酸素の補充に、多大のポンプ電流
量を必要とするため、その結果としてポンプ電流値ｔｐ
の過渡応答特性曲線には第１３図に示すようなオーバー
シュートが見られるという問題点があった。

（発明の目的）この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、リッチおよびリーン雰囲気において酸素ポン
プセルに負荷する電力量を低減して酸素ポンプセルの負
担を軽減し、酸素ポンプセルの特性劣化を防止するとと
もに、リッチ→リーン間およびリーン→リッチ間におけ
る過渡応答時のオーバーシュートを解消することが可能
である高性能な空燃比センサを提供することを目的とし
ている。

［発明のｕｉ成］（問題点を解決するための手段）この発明は、酸素イオン伝導性固体電解質と第１ＴＬ極
および第２ＴＬ極で構成される酸素センサセルの前記第
１電極をＸ半極にすると共に前記第２電極を測定極とし
て当該第２電極をガス囲繞体で囲み、前記ガス囲繞体の
少なくとも一部に酸素イオン伝導性固体電解質と第３電
極および第４電極で構成される酸素ポンプセルを設け、
前記ガス囲繞体で囲まれる空間と被測定雰囲気とを連通
ずる少なくとも１つのガス拡散口を設けた空燃比センサ
において、前記ガス拡散口の開口方向における投影部分
から外れたところに前記第２電極を設けた構成としたこ
とを特徴としている。

この発明による空燃比センサを構成する酸素イオン伝導
性固体電解質および各電極の材質は、従来のこの種の空
燃比センサにおいて採用されもしくは検討されているも
のの中から適宜選んで使用することが可能である。

（実施例）以下、この発明による空燃比センサの実施例を図面に基
づいて説明する。

第１図ないし第５図はこの発明の一実施例を示す図であ
る。

ｒｆＳ１図（ａ）、（ｂ）に示す空燃比センサ１は、板
状をなす酸素イオン伝導性固体電解質２の両面に第１電
極３と第２電極４とを設けて酸素センサセル５を形成し
、前記固体電解質２の前記第１１！極３側には凹形状を
なす第１ガス囲繞体６を設け、この第１ガス囲繞体６と
前記固体電解質２との間に形成された空間７に例えば大
気などの基準ガスを導入して基準極となるようにし、前
記第２電極４の中央部分には円形の開口４ａを設けると
共に前記ｔｊＳｌ電８ｉ３および第２電極４の間の起電
力を取り出すことができるようにしである。

また、前記第１ガス囲繞体６の内部には、絶縁材８によ
って周囲から電気的に絶縁された発熱体９が設けである
。

また、前記固体電解質２の第２電極４側には、第２ガス
囲繞体となりうるキャップ状をなす酸素イオン伝導性固
体電解質１１を設け、前記固体電解質２と第２ガス囲繞
体である固体電解質１１との間でガス拡散制御空間１２
を形成し、前記固体電解質１１の中央部分には、前記ガ
ス拡散制御空間１２と被測定雰囲気とを連通させるガス
拡散口１３を設けている。この場合、ガス拡散口１３と
前記第２Ｔｔ、８ｉ４に形成した円形の開口４ａとの位
置関係は、当該ガス拡散口１３の開口方向における投影
部分１３ａ（第１図（ｂ）参照）が前記第２ＴＬ８ｉ４
の開口４ａのほぼ中心に位欝するように同心状に配置さ
せるとともに、前記開口４ａを前記ガス拡散口１３より
も大きなものとして、前記ガス拡散口１３の開口方向に
おける投影部分１３ａから外れたところに前記第２電極
４を設けるようにしている。さらに、前記ガス拡散口１
３のまわりでかつ前記固体電解質１１の両面に環状の第
３’ｉ極１４と第４電極１５とを設けて酸素ポンプセル
１６を形成させた構成を有するものである。

第２図はこの発明による空燃比センサ１においてその＃
素ポンプ電流を求めることにより空燃比を検出する方式
とした場合の空燃比制御回路の一例を示す図である。

図において、２１は差動増幅器であり、この差動増幅器
２１の一方（プラス側）は基準電圧Ｖｃに保持されてお
り、また、酸素センサセル５の起電力Ｖｓを取り出して
これが前記に動増幅器２１の他方（マイナス側）に入力
されるようにし、前記起電力Ｖｓが前記基準電圧Ｖｃと
等しい値となるように前記差動増幅器２１は酸素ポンプ
セル１６にポンプ電流ｉｐを供給する。

この発明による空燃比センサ１において、前記ポンプ電
流ｉｐは、被測定ガスの空気過剰率λの変化に対して第
３図の実線に示す特性を示し、同じくガス囲繞体の形状
を持つ第７図に示した従来の空燃比センサ１００に比べ
て、入の全域における電流値の絶対値の低減がはかられ
、これにより酸素ポンプセル１６の負担が低減し、出力
特性の経時変化を小さくおさえることが可能となった。

第４図はこの発明による空燃比センサ１の出力特性を示
し、被測定ガスがリッチからリーンへ。

あるいはリーンからリッチへと過渡的に変化した場合の
応答波形を示す、この発明による空燃比センサ１では、
第２電極４の形状を変え、ガス拡散口１３の開口方向に
おける投影部分１３ａの内側には前記第２電８ｉ４を置
かないようにしたことにより、第５図に示すごとく、リ
ーンまたはリッチ雰囲気中において第２電極４が基準極
に対し高ポテンシャルとなって保持される部分Ａ、また
は低ポテンシヤルとなって保持される部分Ａ６がガス拡
散口１３の直下からはずれるため、ガス拡散制御空間１
２の内部において酸素濃度の過剰またはｆ＆薄な部分が
少なくなり、その結果として被測定雰囲気のリッチ、リ
ーン間の変化時におけるガス拡散制御空間１２のガスの
入れ換えが微小のポンプｉｔ！流量により行われるよう
になるため、第４図に示したようにオーバーシュートが
出現しなくなり、良好な過渡応答特性が得られることに
なった。

第６図はこの発明の他の実施例による空燃比センサを示
している。

すなわち、第６図（ａ）（ｂ）に示す空燃比センサ１は
、ガス拡散の律速かガス拡散口１３におけるよりもガス
拡散制御空間１２において優先的に行われるようなガス
囲繞体（酸素イオン伝導性固定電解質１１）の構成とし
たものであり、例えば、ガス拡散口１３の開口径を０．
６ｍｍ、ガス拡散制御空間１２の第６図（ｂ）における
上下方向の空間幅を２０ｐｍとしている。そして、酸素
センサ七ル５における第２ＴＬ極４の形状を図に示すよ
うに小幅のものとし、またその位置をガス拡散口１３の
開口方向における投影部分１３ａから距離をおいた場所
に設けることにより、ガス拡散の律速は主にガス拡散口
１３の直下から第２電極４へ至る部分の間において行わ
れる。

このような構造の空燃比センサ１とすることにより、ガ
ス拡散制御空間１２の体積はさらに減少し、このため、
被測定雰囲気のリッチ、リーン間の変化時において入れ
換えられるガス量がより一層少なくなり、これによって
オーバーシュートが解消するとともに、ポンプ電流ｉｐ
の過渡応答が従来品に比べてかなり、例えば約５倍以上
速−くなるというすぐれた結果が得られるようになった
。

［発明の効果］以上説明してきたように、この発明によれば、酸素イオ
ン伝導性固体電解質と第１電極および第２電極で構成さ
れる酸素センサセルの前記第１ＴＬ極を基準極にすると
共に、前記第２電極を測定極として当該第２電極をガス
囲繞体で囲み、前記ガス囲繞体の少なくとも一部に酸素
イオン伝導性固体電解質と第３電極および第４電極で構
成される酸素ポンプセルを設け、前記ガス囲繞体で囲ま
れる空間と被測定雰囲気とを連通ずる少なくとも１つの
ガス拡散口を設けた空燃比センサにおいて、前記ガス拡
散口の開口方向における投影部分から外れたところに前
記第２電極を設けた構成としたから、リッチおよびリー
ン雰囲気において酸素ポンプに加えられる負荷の低減が
可能であって当該酸素ポンプセルの負担を軽くし、酸素
ポンプセルの特性劣化をおさえることができるとともに
、リッチ−リーン、リーン−リッチ間における過渡応答
時のオーバーシュートを解消することができ、さらには
応答速度も向上できるようになるという非常にすぐれた
効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）はこの発明の一実旅例による空燃比
センサの各々縦断面模型的説明図および第１図（ａ）の
上部側のガス囲繞体を除いた平面模型的説明図、第２図
は第１図の空燃比センサを用いた空燃比制御回路の一例
を示す回路説明図、第３図は本発明例および従来例の空
燃比センサにおける空気過剰率の変化によるポンプ電流
の変化を示すグラフ、第４図は第１図に示す空燃比セン
サにおける過渡期の応答特性を示すグラフ、第５図（＆
）はり一ン雰囲気および第５図（ｂ）はリッチ雰囲気に
おけるそれぞれ第１図に示す空燃比センサの基準極に対
するポテンシャルの高低域を示す各々平面模型的説明図
、第６図（ａ）（ｂ）はこの発明の他の実施例による空
燃比センサの各々縦断面模型的説明図および第６図（ａ
）の上部側のガス囲繞体を除いた平面模型的説明図、第
７図（ａ）（ｂ）は従来例による空燃比センサの各々縦
断面模型的説明図および第７図（ａ）の上部側のガス囲
繞体を除いた平面模型的説明図、第８図は第７図の空燃
比センサの結線の一例を示す説明図、第９図は第７図の
空燃比センサの空気過剰率による起電力変化を示すグラ
フ。第１Ｏ図は第７図の空燃比センサで被測定雰囲気中の空
気過剰率を測定する場合の等価回路図、第１１図は第１
Ｏ図の等価回路による空気過剰率とポンプ電流との関係
を示すグラフ、第１２図（ａ）はリーン雰囲気および第
１２図（ｂ）はリッチ雰囲気におけるそれぞれ第７図に
示す空燃比センサの基準極に対するポテンシャルの高低
域を示す各々平面模型的説明図、第１３図は第７図に示
す空燃比センサにおける過渡期の応答特性を示すグラフ
である。１・・・空燃比センサ、２・・・酸素イオン伝導性固体
電解質、３・・・第１電極、４・・・第２電極、４ａ・
・・第２電極４の開口、５・・・酸素センサセル、７・
・・基準極側の空間、１１・・・酸素イオン伝導性固体
電解質（ガス囲繞体）、１２・・・ガス拡散制御空間、
１３・・・ガス拡散口、１３ａ・・・ガス拡散口１３の
開口方向における投影部分、１４・・・第３電極、１５
・・・第２＠極、１６・・・酸素ポンプセル。特許出願人　　　日産自動車株式会社代理人弁理士　　小　　塩　　　豊第１図（ＣＩ）第１図（ｂ）第３図第４図時藺ｔニーへ−コゝ＋　　　　　　ＯＮ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸素イオン伝導性固体電解質と第１電極および第
２電極で構成される酸素センサセルの前記第１電極を基
準極にすると共に、前記第２電極を測定極として当該第
２電極をガス囲繞体で囲み、前記ガス囲繞体の少なくと
も一部に酸素イオン伝導性固体電解質と第３電極および
第４電極で構成される酸素ポンプセルを設け、前記ガス
囲繞体で囲まれる空間と被測定雰囲気とを連通する少な
くとも１つのガス拡散口を設けた空燃比センサにおいて
、前記ガス拡散口の開口方向における投影部分から外れ
たところに前記第２電極を設けたことを特徴とする空燃
比センサ。