JP3686272B2

JP3686272B2 - 空燃比センサ及びこれを用いたエンジン燃焼制御システム

Info

Publication number: JP3686272B2
Application number: JP36247598A
Authority: JP
Inventors: 清光鈴木; 昌宏小町谷; 毅藤田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2018-12-21
Also published as: US6451187B1; JP2000180412A; EP1014083A2; EP1014083A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車エンジンの排ガス中の残存酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサ、及び空燃比に加えて排ガス成分の濃度を検出する複合化空燃比センサ、さらにはこれらの空燃比センサを利用したエンジン燃焼制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、酸素イオン伝導性を有するジルコニア固体電解質の酸素ポンプ現象と各種排ガス成分の拡散律速現象を利用して、リッチからリーンの空燃比を検出する空燃比センサが周知である。この種の空燃比センサは、固体電解質を活性化するためにヒータを用いてセンサ素子を加熱（例えば約７００℃）する必要がある。
【０００３】
最近では、電源投入後の短い時間でセンサが動作可能となるようにするため、空燃比検出部を形成するジルコニア固体電解質，白金電極，ガス拡散抵抗層（ガス拡散律速層）等を積層構造にすると共に、この積層体（空燃比検出部）とヒータ部とを一体積層化する技術が提案されている。
【０００４】
例えば、グリーンシート状態のジルコニア固体電解質をヒータを内蔵したセラミックス基板と共に一体焼成して複合化した構造のものがSAE Paper 850379他で知られている。
【０００５】
また、エンジンに供給される空気と燃料の比率を検出する空燃比検出部に併せて、排ガス成分のHCやNOxの濃度を検出する排ガスセンサ部を一体に複合した複合化空燃比センサなども知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
既述したように、この種の空燃比には、積層体の空燃比検出部をヒータと共に一体に積層化、空燃比センサの短時間加熱化（活性化）を目差したものが、前述の論文や特許で既に知られている。しかし、使用環境下での信頼性が不十分で実用化されるには至っていない。即ち、以下の理由で検出部にクラックが発生して使用不可の状態になるからである。クラックの発生原因は大別して次の３つである。
【０００７】
（ａ）空燃比検出部に例えば大気室等の中空室を有するため、ヒータの発熱量を検出部に有効に伝達できない。したがって、ヒータ部と空燃比検出部の間に大きな温度勾配が発生すると共に、ヒータ部は空燃比検出部よりはるかに高い温度へ加熱される。この結果、空燃比センサの検出部の厚さ方向に発生した大きな温度勾配による熱応力で、検出部が割れやすくなる。また、中空室を有する積層体は焼成時にこの部分へ大きな反りが発生するため、積層体自体が割れ易い構造に製造される。
【０００８】
（ｂ）ヒータを内蔵するセラミックス基板（多くの場合、アルミナ基板で構成される）とジルコニア固体電解質の熱膨張係数が異なり、検出部に大きな熱応力が発生し割れ易くなる。
【０００９】
（ｃ）ヒータパターンが検出部の直下のみに集中的に配置されており、空燃比センサの積層体の長手方向に急激な温度勾配が発生する。この結果、積層体の長手方向の空燃比検出部と反対側にあるヒータ端部に大きな熱応力が発生し、この熱応力で積層体等が割れ易くなる。
【００１０】
このように、ヒータで空燃比検出部を直接的に加熱する構造の空燃比センサは、信頼性上の問題点を克服することができず実用化されるには至っていない。それ故、傍熱型のヒータ（ヒータと検出部は分離しており、両者の間に隙間がある構造のヒータ）で検出部を間接的に加熱せざるを得ず、空燃比センサが動作する起動時間（活性化時間）は数十秒と長かった。また、傍熱型のヒータであるため、加熱に要する消費電力も大きくなる。特に、従来型空燃比センサは起動時間が長いため、エンジン始動直後の排ガス規制をクリアするのに大きな障害となっていた。
【００１１】
本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、電源投入後の短い時間（約５秒以下）で動作して始動直後の排ガス規制に適合し、且つ低消費電力でリーンからリッチの空燃比範囲を測定可能にし、しかも、耐熱性，耐久性（クラック抑制機能）に優れた高信頼度な空燃比センサを提供することを目的とする。
【００１２】
さらに、上記空燃比センサに排ガス成分検出（例えばＨＣ検出，ＮＯｘ検出）機能を併せ持つ複合化空燃比を実現させ、特に酸素ポンプ及びガス拡散律速作用を利用して空燃比検出のほかに併せて排ガス成分検出することが可能な極めて実現性の高い信頼性のある複合化空燃比センサを提供することを目的とする。
【００１３】
さらには、エンジン始動直後の排ガス規制を容易にクリアできるエンジンの燃焼制御システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、基本的には次のように構成する。
【００１５】
（ａ−１）すなわち、酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜を積層した積層体により空燃比検出部が形成され、且つ、この空燃比検出部とヒータを内蔵したセラミックス基板とが層状に接合されていることを特徴とする。
【００１６】
（ａ−２）また、上記の空燃比検出部のほかに酸化物半導体により構成されたＨＣ検出部，ＮＯｘ検出部の少なくとも一つがヒータ内蔵のセラミックス基板に積層により併設されているものも提案する。
【００１７】
（ａ−３）さらに、酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜を積層させてなる空燃比検出部と、多孔質酸化物，ＮＯｘ検出用電極，緻密質ジルコニア固体電解質を積層させてなるＮＯｘ検出部と、ヒータを内蔵したセラミックス基板と、が一体に接合されて一つの積層構造体として構成されている複合化空燃比センサを提案する。
【００１８】
（ａ−４）さらに、酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜を積層させてなる空燃比検出部と、多孔質酸化物，ＨＣ検出用電極，緻密質ジルコニア固体電解質を積層させてなるＨＣ検出部と、ヒータを内蔵したセラミックス基板と、が一体に接合されて一つの積層構造体として構成されている複合化空燃比センサを提案する。
【００１９】
（ａ−５）また、酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜を積層した積層体により空燃比検出部が形成され、且つ、この空燃比検出部とヒータを内蔵したセラミックス基板とが層状に接合され、前記多孔質ジルコニア固体電解質の一部をくりぬき、このくりぬき部分に絶縁部材で囲まれた緻密質ジルコニア固体電解質とその上面に電極を形成することでＮＯｘ検出部が構成されている複合化空燃比センサを提案する。
【００２０】
上記構成によれば、空燃比検出部に中空室を設けない構造とすることができる。同様に、上記空燃比検出部と併設させたＨＣ検出部やＮＯｘ検出部からも中空室を削除することができる。このようにすることにより、空燃比センサの加熱時間を速め、電源投入後の短い時間で空燃比センサを動作可能とし、また空燃比センサの検出部の厚さ方向に発生する温度勾配が小さくなり、温度勾配による熱応力が低減する。また、中空室がないため、反りのない積層体が得られる。
【００２１】
本発明では、中空室を持たない積層体構造であってもリッチ〜リーンまでの空燃比を精度良く検出することができるが、どのようにして空燃比や排ガス成分（ＨＣやＮＯｘ）の濃度を検出するかは、後述の実施例（特に図５、図１４、図１６、図１８の動作原理図）で詳細に説明する。
【００２２】
（ｂ）また、ヒータを内蔵するセラミックス基板と空燃比検出部の固体電解質（例えば、ジルコニア固体電解質）の間に、両者の材料の中間の熱膨張係数を有するインサート材（熱応力緩衝層）を配置することにより、空燃比センサの積層体部の熱応力を低減する。
【００２３】
特に、空燃比検出部を構成する電極，排ガス拡散律速層，酸素イオン伝導性を有するジルコニア固体電解質の積層体と、ヒータを内蔵するセラミック基板とが熱応力緩衝層を介して一体に接合され、前記熱応力緩衝層は前記ジルコニア固体電解質と前記セラミックス基板との混合材料でその配合割合を異ならせた２層以上の熱応力緩衝層により構成されているものも提案する。
【００２４】
上記構成によれば、熱応力緩衝層の配合比（セラミックス材料、及び固体電解質と同材料の混合材）を、一つの層はセラミックス材料の方を多くし、もう一つの層は固体電解質と同材料の方を多くし、前者の層をセラミックス基板側に接合し、後者の層を空燃比検出部の固体電解質と接合することで、より一層、熱応力緩衝層を空燃比検出部及びセラミックス基板と近づけることができ、クラック防止に有効である。
【００２５】
（ｃ）さらに、前記ヒータのパターンは、前記積層体の長手方向において、空燃比検出部側が緻密で空燃比検出部の反対側端部に向かうにつれて次第に粗になるようなパターンに形成されている空燃比センサを提案する。このようにすれば、空燃比センサの積層体の長手方向に発生する温度勾配も緩やかにすることができ、空燃比検出部と反対側のパッド側に向いたヒータ端部に発生する熱応力も低減することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明に係わる空燃比センサの第１の実施例を示した縦断面図、図２はその平面図である。
【００２８】
本実施例に係る空燃比センサの基本的特徴は、第１には、酸素基準極６，緻密質ジルコニア固体電解質２，陰極７，多孔質ジルコニア固体電解質３，陽極８，多孔質の保護膜４よりなる積層体Ａで空燃比検出部が形成されていること、第２には、この空燃比検出部Ａとヒータ５を内蔵したセラミックス基板１とが層状に接合されて一体化されている点であり、この空燃比センサは従来例に見られた大気室等の中空室を空燃比検出部Ａに一切持たない構造になっている。
【００２９】
本例では、酸素基準極６は、セラミックス基板１と緻密質ジルコニア固体電解質２との間に介在し、陰極７は、緻密質ジルコニア固体電解質２と多孔質ジルコニア固体電解質３との間に介在し、陽極８は、多孔質ジルコニア固体電解質３と保護膜４との間に介在するが、これらの電極は、積層体Ａの長手方向一端に片寄って空燃比検出部Ａを構成するものである。なお、動作原理については後述する。
【００３０】
上記した積層体Ａのうち空燃比検出部に相当する位置の反対側の端部に複数のパッド９（図２の９ａ，９ｂ，９ｃに相当する）が配設される。パッド９ａ〜９ｃは、酸素基準極６，陰極７，陽極８を空燃比センサ外部の信号処理回路（図中には示していない）へ電気的に接続するために設けたものである（詳細は図３を用いて説明する）。
【００３１】
空燃比検出部を形成した積層体Ａとヒータ内蔵のセラミック基板１とは、その長さをセラミックス基板１の方が若干長くなるようにして、両者間に段差を確保し、この段差面にパッド１０（図２の１０ａ，１０ｂに相当する）を配設する。このパッド１０は、空燃比検出部を一定の温度（７００℃に加熱制御するヒータ温度制御回路（図中には示してはいない）へ電気的に接続するために設けたものである。
【００３２】
すなわち、セラミックス基板１の表面に配置されたパッド１０ａと１０ｂは、図には示していないスルーホールを介してヒータ５と電気的に接続される。同様に、多孔質保護膜４の表面に配置されたパッド９ａ、９ｂ、９ｃは、スルーホールを介してそれぞれ陽極８、酸素基準極６、陰極７と電気的に接続される。
【００３３】
本実施例の空燃比センサの展開図を図３に示す。本図を用いて本実施例における空燃比センサの製造方法を簡単に説明する。
【００３４】
セラミックス基板１は、元々は２枚の基板１ａ，１ｂより成り、アルミナなどの絶縁材料で構成されるグリーンシート状のセラミックス基板１ａの上に、厚さが数十ミクロンの白金材料によりヒータ５のパターンを印刷する。ヒータパターンのＸ点とＹ点は導体５ａで電気的に結線される。なお、この導体５ａはヒータパターンのＺ点とは結線されない。
【００３５】
図３に示すように、ヒータ５のパターンは積層体Ａの長手方向において、空燃比検出部側で緻密に形成されているが、パッド側（空燃比検出部の反対側端部）に向かうにつれて次第に粗になるようなパターンに形成されている。
【００３６】
ヒータ５の上にグリーンシート状のセラミックス基板１ｂを積層する。セラミックス基板１ｂの表面に厚さが数ミクロンの白金系の金属材料からなる酸素基準極６を印刷し、この上にイットリアを含有したグリーンシート状の緻密質ジルコニア固体電解質２を積層する。順次、陰極７の印刷、多孔質ジルコニア固体電解質３の積層、陽極８の印刷、スピネルなどの絶縁材料からなる多孔質保護膜４の積層を行う。
【００３７】
ここで、セラミックス基板１の厚さは約数百ミクロン、緻密質ジルコニア固体電解質２と多孔質ジルコニア固体電解質３の厚さは約百ミクロン、多孔質保護膜４の厚さは約数十ミクロンの値である。
【００３８】
図３に示した積層体は適当な荷重で熱圧着した後、約１５００℃以上の高温で一体に焼成される。白金系の金属材料からなる酸素基準極６、陰極７及び陽極８は、この部分における各種排ガス成分との触媒反応を活性化させるために、表面積が極めて大きくなるように多孔質に焼成される。なお、焼成後に各種部材を緻密質にするかあるいは多孔質にするかは、焼成前のこれらの材料の粒径などによって決定される。酸素基準極６、陰極７及び陽極８はそれぞれリード部６ａ、７ａ、８ａを介してパッド部９ｂ、９ｃ、９ａと結線される。
【００３９】
また、酸素基準極６の一部（長手方向先端）には、極めて細い形状のパターン部６ｂが形成され、この細い形状パターン部６ｂが空燃比検出部を構成する積層体の層間を介して排ガス雰囲気と直接的に接触している。これは後述するように、酸素基準極６部へ酸素ポンプ作用で送り込まれた酸素を、この細いパターン部６ｂを介して少しづつ排ガス雰囲気中へ流出させることにより、この部分における酸素分圧の圧力上昇を抑制して空燃比センサ検出部の破壊を防止するためである。
【００４０】
本実施例の空燃比検出原理を図５に示す。この検出原理を説明する前に空気過剰率λと各種排ガス成分の濃度の関係を図４に用いて説明する。
【００４１】
図４に示すλ＝１は、自動車のエンジンへ供給される空気と燃料の比率が理論空燃比点であることを示している。すなわち、理論空燃比はエンジンに供給される燃料量と、これを燃焼させるのに必要な空気量との比の逆数である。図に示すように、λ＞１のリーン（Ｌｅａｎ）領域ではＯ₂の濃度が増加し、λ＜１のリッチ（Ｒｉｃｈ）領域では燃料の未燃焼ガス成分であるＨ₂やＣＯの濃度が増加する。λが１．０を少し超えたリーン領域で、ＮＯｘの濃度は最大、ＨＣの濃度は最小になる。なお、本図におけるＯ₂、Ｈ₂、ＣＯの濃度は数％のオーダ、ＮＯｘ、ＨＣの濃度は数百ｐｐｍのオーダであり、これらガス成分の縦軸の濃度は単なる目安として示したものである。
【００４２】
図５の検出原理に示すように、酸素基準極６は差動増幅器１１の−側入力端子１４と、陰極７はグランド部と、陽極８はポンプ電流Ｉｐの検出回路１２を介して差動増幅器１１の出力端子部と接続される。
【００４３】
差動増幅器１１の＋側入力端子１３へ所定の起電力ｅ_λの設定値（例えば０．５Ｖ）を与えて、酸素基準極６と陰極７間の電位差をｅ_λに制御する。このとき、陽極８と陰極７の間に流れる酸素イオン（Ｏ~~）に等価なポンプ電流Ｉｐを検出回路１２で計測すれば、この値は空気過剰率λの関数になる。以下に、空燃比検出部Ａを流れる酸素イオンの流れを、リーン，リッチの領域を例にして詳細に述べる（なお、理想空燃比領域λ＝１では、ポンプ電流Ｉｐは流れない）。緻密質ジルコニア固体電解質２中には酸素イオンしか流れないが、無数の極めて小さい孔を有する多孔質ジルコニア固体電解質３は酸素イオンの他にＯ₂等のガス成分を透過させることができる。
【００４４】
リーン領域（λ＞１）のとき、Ｏ₂は多孔質保護膜４と多孔質ジルコニア固体電解質３の微小孔を介し、酸素分圧の濃度差に比例した拡散律速原理にしたがって陰極７部へ拡散で流入する（その意味で、多孔質保護膜４と多孔質ジルコニア固体電解質３は排ガス拡散律速層を構成する）。陰極７部へ流入したＯ₂ガスを、白金系の材料からなる陰極７の触媒作用で酸素イオンに変換する。
【００４５】
この酸素イオンのうち、所定の微小な量を酸素基準極６側へ送り、その他の大半は陽極８側へ送られる。陰極７から陽極８へ向かう酸素イオンの量は排ガス雰囲気中のＯ₂濃度に比例するため、検出回路１２で計測されるポンプ電流Ｉｐからλ＞１の空気過剰率λを検出することができる。一方、陰極７から酸素基準極６へ向かった酸素イオンは酸素基準極６でＯ₂に変換され、この部分の酸素分圧を所定の値に保持する。酸素基準極６はエンジンの運転状態によらず、即ち空気過剰率λの値によらず、常に所定の酸素分圧以上に保持されるので、この電極は酸素基準極と呼ばれるゆえんである。多孔質の酸素基準極６の一部は細いパターン形状６ｂを通して排ガス雰囲気と接触しているため、この６ｂを通してＯ₂が少しづつ排ガス中へ流出する。そして、酸素基準極６の酸素分圧の上昇を抑制して空燃比センサ検出部の破壊を防止する。
【００４６】
リッチ領域（λ＜１）では排ガス雰囲気中にはＯ₂は極めて少なく、未燃焼ガス成分であるＨ₂やＣＯの濃度が増加する。そして、陰極７部の酸素分圧が極端に減少し、酸素基準極６と陰極７部の電位差（即ち、起電力）は１Ｖ近くまで増加しようとする。これを防止するために、酸素基準極６の起電力を差動増幅器１１で所定の値ｅ_λに制御している。
【００４７】
それ故、リッチ領域での酸素イオンや未燃焼ガスの流れは以下のようになる。多孔質保護膜４と多孔質ジルコニア固体電解質３の微小孔を介し、Ｈ₂やＣＯなどの未燃焼ガスがその濃度差に比例した拡散律速原理にしたがって陰極７部へ拡散で流入する。これらの未燃焼ガスと反応するＯ₂が酸素ポンプ現象により、陽極８から陰極７へ酸素イオンの形で多孔質ジルコニア固体電解質３中を通して送られる。すなわち、リッチ領域では排ガス雰囲気中にＯ２が存在しないため、排ガス中に多量に存在する水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を白金系金属材料からなる陽極８の触媒作用でＨ₂とＯ₂に分解する。
【００４８】
分解されたＯ₂は陽極８でさらに酸素イオンに変換され、前述したように陽極８から陰極７へ酸素イオンの形で多孔質ジルコニア固体電解質３中を通して送られる。
【００４９】
そして、陽極８から陰極７へ送られた酸素イオンは、陰極７で再びＯ₂に変換される。このＯ₂の極めて微小な量はリーン領域と同様に、酸素ポンプ現象を用いて酸素基準極６へ送られ、この部分の酸素分圧を所定値に保持する。残りの大半のＯ₂は、多孔質保護膜４と多孔質ジルコニア固体電解質３の微小孔を介して陰極７へ拡散で流入したＨ₂やＣＯなどの未燃焼ガスと反応する。そして、Ｈ₂を水蒸気、ＣＯをＣＯ₂に変換する。陽極８から陰極７へ送られるＯ₂の量は、陰極７へ拡散律速現象で流入した未燃焼ガス成分を燃焼させる量に等しい値である。それ故、陽極８から陰極７へ向かう酸素イオン（リーン領域とは逆向きの流れ）の量、即ちポンプ電流Ｉｐを検出回路１２で計測することにより、リッチ領域の空気過剰率λを正確に検出することができる。
【００５０】
リーン領域（λ＞１）でのポンプ電流Ｉｐを正と定義すれば、リッチ領域（λ＜１）の値は負になる。また、理論空燃比（λ＝１）ではゼロになる。
【００５１】
本実施例によれば、空燃比検出部とヒータを全て中空室を排除した積層構造とすることで、空燃比センサを電源投入後の短い時間（約５秒以下）で動作させることができ、しかも、空燃比センサの検出部の厚さ方向に発生する温度勾配が小さくなり、温度勾配による熱応力を低減することができる。また、中空室がないため、反りのない積層体が得られる。
【００５２】
さらに、空燃比センサの長手方向の温度勾配を緩やかにするヒータパターンによって、センサ長手方向の熱応力も低減する。
【００５３】
上記ヒータパターンの説明図を図９に示す。ヒータパターンの領域をそれぞれ、空燃比検出部の直下部分では領域１８、その他の部分では領域１９と定義することにする。ヒータ５の発熱量として、ケースＡとケースＢの場合を考えてみる。点線で示すケースＡは、主に領域１８でのみ発熱するようにヒータパターンを設計した場合である。この場合は、空燃比センサの長手方向に極めて大きな温度勾配が生じ、この温度勾配による熱応力で図中のＳ点付近にクラックが発生しやすかった。実線で示すケースＢは領域１９でもヒータを発熱させ、その発熱量がパッド側に向かうにつれて次第に緩やかに減少するようにヒータパターンを設計した場合である（図３に示したヒータ５のパターンが本図のケースＢに相当する）。こうすることにより、空燃比センサの長手方向の温度勾配が緩やかになり、センサの積層構造体に生じる熱応力を非常に小さな値にすることができる。
【００５４】
結果として、クラックの発生しない高信頼度な複合化空燃比センサが得られた。
【００５５】
図６は本発明に係る空燃比センサの第２の実施例を示す縦断面図である。なお、図中、第１実施例と同一符号は同一或いは共通する要素である（以後の図面も同様である）。図７は第２実施例に係る空燃比センサの平面図である。
【００５６】
これらの図に示すように、空燃比検出部１５を構成する積層体Ａはセラミックス基板１の長手方向の一端（先端部）上に形成したもので、この積層体Ａを設けた位置と反対側のセラミックス基板１上にはパッド９（９ａ〜９ｃ）及び１０（１０ａ，１０ｂ）が配設されている。空燃比検出部１５の基本的構成は、第１実施例と同様である。
【００５７】
本実施例は、ヒータを内蔵した厚さが少なくとも５００ミクロン以上のグリーンシート状のセラミックス基板１の表面の一部分に、空燃比検出部１５（積層体Ａ）を印刷で形成したものである。すなわち、厚手のセラミックス基板１の上に順次、酸素基準極６、緻密質ジルコニア固体電解質２、陰極７、多孔質ジルコニア固体電解質３、陽極８及び多孔質の保護膜４を全て印刷によって積層したものである。ここで、緻密質ジルコニア固体電解質２、多孔質ジルコニア固体電解質３、及び多孔質の保護膜４の厚さは数十ミクロン〜百ミクロンと薄い膜厚である。
【００５８】
本実施例によれば、第１実施例と同様の効果を奏するほかに、ヒータ５のパターンを空燃比検出部直下に集中させても、積層体Ａが短いため、熱応力を小さくすることができる。併せて、ヒータパターン形成及び配置の簡略を図り得る。
【００５９】
また、積層体Ａを印刷によって形成するため、空燃比検出部（積層体）をグリーンシートに比べて薄く形成することができ、そのため、ヒータからの加熱伝達時間をグリーンシート方式よりも一層速くしてセンサ起動時間（活性化時間）の短縮化を図ることができる。
【００６０】
さらに、印刷方式はグリーンシートを焼結する方式に比べて設備コストを低減でき、空燃比センサの製作コストの低減も図り得る。
【００６１】
図８に本発明の第３実施例に係る空燃比センサの縦断面図を示す。
【００６２】
本実施例では、図１に示した空燃比センサの構造と以下の点が異なる。即ち、ヒータ５を内蔵したアルミナ材料からなるセラミックス基板１と空燃比検出部となる積層体Ａ（緻密質ジルコニア固体電解質２、多孔質ジルコニア固体電解質３及び多孔質の保護膜４の積層体）との間に、アルミナとジルコニア固体電解質との中間の熱膨張係数を有するインサート材（熱応力緩衝層）１６，１７を配置したものである。インサート材は必ずしも２層である必要はない。
【００６３】
本実施例の場合、インサート材１７はセラミックス基板１側、インサート材１６は緻密質ジルコニア固体電解質２側とその熱膨張係数が近い材料である。これらのインサート材の熱膨張係数はアルミナとジルコニアの分量比で決定される。すなわち、インサート材１７はよりアルミナの分量が多く、インサート材１６はよりジルコニアの分量が多い材料で構成される。
【００６４】
本実施例によれば、第１実施例と同様の効果を奏するほかに、次のような作用，効果を奏する。
【００６５】
すなわち、ヒータ５を内蔵するセラミックス基板１とジルコニア固体電解質２の間に、両者の材料の中間の熱膨張係数を有するインサート材を配置することにより、しかも、そのインサート材を複数に分けてアルミナとジルコニアの分量比を複数段階に設定することで、空燃比センサの検出部積層体部の熱応力をより一層効果的に低減することができる。結果として、検出部にクラックの発生しない高信頼の空燃比センサを提供することができる。
【００６６】
図１０に本発明の第４実施例に係る空燃比センサの縦断面図を示す。本実施例は、図１に示した空燃比センサの構造とは以下の点が異なる。
【００６７】
すなわち、ヒータ５を内蔵したセラミックス基板１の一方の面に多孔質保護膜２１でカバーされた酸化物半導体２０を形成し、この酸化物半導体２０を外部に設けた信号処理回路へ結線するパッド２２を多孔質保護膜２１の表面に設けた点である。
【００６８】
酸化物半導体２０は排ガス雰囲気中のＨＣやＮＯｘの濃度を検出するためのもので、ＨＣやＮＯｘの濃度に応じてその電気抵抗値が変化する。空燃比センサ検出部と共に、ＨＣやＮＯｘなどの排ガス検出部にも中空室を持たない構造である。こうすることにより、複合化空燃比センサの検出部の厚さ方向に発生する温度勾配が小さくなり、温度勾配による熱応力が低減する。また、中空室がないため、反りのない積層体が得られる。結果として、空燃比センサ検出部と共にＨＣやＮＯｘなどの排ガス検出部を集積化した、クラックの発生しない高信頼度な複合化空燃比センサが得られる。このような本発明による複合化空燃比センサによって、自動車エンジンの始動直後の厳しい排ガス規制を容易にクリアできる燃焼制御システムの構築が可能になる。
【００６９】
図１１に本発明に係る第５実施例の空燃比センサの縦断面図を示す。
【００７０】
本実施例は、図１０に示した実施例とは以下の点が異なる。
【００７１】
排ガス検出部となる酸化物半導体２０は、ヒータ５の直下部分を避けるようにしてセラミックス基板１の一面の比較的低温（４００〜５００℃）の部分に配置した例である。ＨＣやＮＯｘの濃度を検出する酸化物半導体の最適な動作温度は、その材料に応じて異なる。前図は、酸化物半導体の最適な動作温度が空燃比センサ検出部と同じく高温（約７００℃）の場合である。これに対して本図は、最適な動作温度が低温（４００〜５００℃）の場合の実装構造である。
【００７２】
図１２に本発明に係る第６実施例の空燃比センサの縦断面図を示す。
【００７３】
本実施例と図１０，１１の実施例との異なる点は、空燃比検出部となる積層体Ａを形成した側と反対側のセラミックス基板１の一面に、ＨＣの濃度を検出するための酸化物半導体２３と、ＮＯｘの濃度を検出するための酸化物半導体２４の両方を集積化して、複合化空燃比センサを構成した点である。
【００７４】
図１０〜図１２に示した複合化空燃比センサのＨＣやＮＯｘなどの排ガス検出部は、これらの排ガス成分による酸化物半導体の抵抗値変化を利用した実施例である。
【００７５】
次に本発明の第７実施例を図１３を用いて説明する。
【００７６】
本実施例は、ジルコニア固体電解質の酸素ポンプ現象と多孔質部材中のＨＣやＮＯｘなどの拡散律速現象を利用してＨＣやＮＯｘ等の排ガス成分を検出しようとするものであり、このような排ガス検出部を、前述した各実施例における空燃比センサ検出部と共に集積化（積層化）した複合化空燃比センサである。
【００７７】
本実施例は、図１に示した空燃比センサの構造とは以下の点が異なる。
【００７８】
すなわち、ヒータ５を内蔵したセラミックス基板１と空燃比検出部を構成する積層体Ａ（緻密質ジルコニア固体電解質２、多孔質ジルコニア固体電解質３、多孔質の保護膜４の積層体）との間に、緻密質ジルコニア固体電解質２５、ＮＯｘ検出用電極２７及び多孔質酸化物２６よりなるＮＯｘ検出部を配置した点である。
【００７９】
図１３に示した複合化空燃比センサのＮＯｘ検出部の検出原理を図１４に示す。本図にはＮＯｘ検出部の検出原理と共に、空燃比検出部の検出原理も示している。後者の空燃比検出部の検出原理は図５で説明したので、ここでは前者のＮＯｘ検出部の検出原理についてのみ述べることにする。
【００８０】
電極２７と多孔質酸化物２６の材料を適当に選択することによって、種々の排ガス成分の濃度を高感度、且つ選択的に検出することができる。
【００８１】
例えば、電極２７に白金系の金属材料、酸化物２６に多孔質のＣｄＣｒ₂Ｏ₄を選べば、排ガス雰囲気中のＮＯの濃度を選択的に検出できることが分かった。多孔質酸化物２６に流入する排ガス中からＮＯが多孔質酸化物２６を通してＮＯｘ検出用電極２７の表面へ拡散で流入する。ＮＯｘ検出用電極２７と空燃比検出部の酸素基準極６の間に電圧（約０．１Ｖ）を印加すると、酸素ポンプ現象で酸素イオンが酸素基準極６からＮＯｘ検出用電極２７に向けて緻密質ジルコニア固体電解質２５中を移動する。
【００８２】
そして、ＮＯｘ検出用電極２７で酸素イオンはＯ２に変換され、拡散で流入したＮＯと反応する。ＮＯはＮＯ₂に置換されて排ガス中へ流出する。このとき、緻密質ジルコニア固体電解質２５中を移動する酸素イオンに対応したポンプ電流Ｉｐを外部に設けた検出回路で計測すれば、このポンプ電流ＩｐはＮＯの濃度に比例する。この構造のセンサも中空室がないため、クラックの発生しない高信頼度な複合化空燃比センサが得られる。なお、電極２７と多孔質酸化物２６の材料を適当に選択することによって、ＮＯｘではなくＨＣの濃度を選択的に検出できることも分かった。
【００８３】
図１５に本発明に係る複合化空燃比センサの実施例（第８実施例）の縦断面図を示す。
【００８４】
本実施例は、構造が異なるものの、図１３に示した複合化空燃比センサと同原理のセンサである。
【００８５】
ヒータ５を内蔵したセラミックス基板１のもう一方の面（空燃比検出部の積層体Ａを設けた側と反対側の面）にＮＯｘ検出部を実装した点が異なる。
【００８６】
すなわち、ヒータ５を内蔵したセラミックス基板１の一面に酸素基準極６，緻密質ジルコニア固体電解質２，陰極７，多孔質固体電解質３，陽極８，多孔質の保護膜４を積層させてなる空燃比検出部が形成され、該セラミックス基板１の他面に酸素基準極２８，緻密質ジルコニア固体電解質２５，ＮＯｘ検出用電極２７，多孔質酸化物２６を積層させてなるＮＯｘ検出部が形成され、空燃比検出部の酸素基準極６とＮＯｘ検出部の酸素基準極２８とがセラミックス基板１に設けたスルーホール２９を介して酸素ガスを導通可能に通じている。セラミックス基板１を貫通するように設けた小さいスルーホール２９を介して空燃比センサ検出部の酸素基準極６部のＯ₂をＮＯｘ検出部の電極２８部へ拡散できるようにしている。
【００８７】
この結果、電極２８も酸素基準極の機能を持つことができる。なお、多孔質酸化物２６の上に設けたパッド３０を介して、ＮＯｘ検出部は外部に設けた検出回路と電気的に結線される。
【００８８】
図１５に示した複合化空燃比センサのＮＯｘ検出部の検出原理を、空燃比検出部の検出原理と共に図１６に示した。ＮＯｘ検出部の検出原理は図１４に示したものと同じであるので、ここでの説明は省略する。
【００８９】
図１７に本発明に係る複合化空燃比センサの実施例（第９実施例）の縦断面図を示す。
【００９０】
本実施例は、図１に示した空燃比センサの空燃比検出部（積層体Ａ）の中にＮＯｘ検出部を配置したものである。すなわち、多孔質ジルコニア固体電解質３の一部をくりぬき、この部分に緻密質の絶縁部材３２で囲まれた緻密質ジルコニア固体電解質３１を配置し、緻密質ジルコニア固体電解質３１の上面に白金系の金属材料からなる電極３３を成膜している。
【００９１】
図１７に示した複合化空燃比センサのＮＯｘ検出部の検出原理を図１８に示す。図にはＮＯｘ検出部の検出原理と共に、空燃比検出部の検出原理も示している。後者の空燃比検出部の検出原理は図５で説明したので、ここでは前者のＮＯｘ検出部の検出原理についてのみ述べることにする。
【００９２】
多孔質ジルコニア固体電解質３の内部を拡散して陰極７へ流入したＮＯｘは、次に陰極７の多孔質部分を拡散して緻密質ジルコニア固体電解質３１の下部へ到達する。差動増幅器３４の−側入力端子３７と電極３３を結線し、＋側入力端子３６へ所定の起電力ｅ_NOxを与える。そして、電極３３と陰極７の間の電位差がｅ_NOxになるように、差動増幅器３４でＮＯｘ検出部を電気的に制御する。このとき、陰極７の部分へ拡散で流入したＮＯｘは分解され、Ｏ₂ガスを発生する。このＯ₂は陰極７で酸素イオンに変換され、陰極７から電極３３に向かって緻密質ジルコニア固体電解質３１中を通過する。この酸素イオンの量に対応したポンプ電流Ｉｐ２を検出回路３５で計測すれば、この値はＮＯｘの濃度に比例した値になる。本ＮＯｘ検出部には中空室がないため、空燃比センサ検出部と共にＮＯｘ検出部を集積化した高信頼度な複合化空燃比センサを得ることができる。
【００９３】
上記各実施例に係る空燃比センサの概略実装方法を図１９に示す。
【００９４】
空燃比センサ４５の検出部を構成する積層体３８は、接合部材４３を用いて検出部とパッド部の中間位置でハウジング３９へ気密に固定される。空燃比センサ４５の積層体３８は複数のリード線４０を介して、外部の信号処理回路他と結線される。複合化空燃比センサ４５を排気管４４に取り付けると、排ガスの流れはハウジング３９の先端に設けたルーバ４２の小さい孔４１を経て、複合化空燃比センサ４５の積層体３８の検出部に到達するようになっている。
【００９５】
本発明による複合化空燃比センサを用いたエンジン制御システムの概略構成を図２０に示す。燃焼室４７内へ供給された空気と燃料の混合ガスは、ピストン４８が上昇した圧縮行程時に点火プラグ４６で着火される。燃焼後の排ガスは排気管４４を経て複合化空燃比センサ４５部へ到達する。複合化空燃比センサ４５によって、エンジンに供給された空気と燃料の比率である空燃比やＮＯｘ、ＨＣなどの排ガス成分の濃度が検出され、その出力信号がエンジン制御用のマイコン４９へ送られる。マイコン４９は複合化空燃比センサ４５と各種センサからの入力信号Ｓａを処理して、エンジンへ燃料を供給するインジェクタをはじめとする各種アクチュエータを駆動するための出力信号Ｓｂを出力する。
【００９６】
本発明による空燃比センサは起動時間が特に短いため、エンジン始動直後の排ガス規制を容易にクリアできるエンジンの燃焼制御システムを提供することができる。
【００９７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、空燃比検出部，排ガス成分検出部等の加熱速度を速めることで、電源投入後の短い時間（約５秒）で動作して始動直後の排ガス規制に適合し、且つ低消費電力で、しかも、熱クラックや反りの発生防止を図り得るように中空室を排除した積層構造で、リーン〜リッチの範囲の空燃比検出を可能にした高信頼性の空燃比センサ、及びＮＯｘ，ＨＣ等の排ガス成分も検出可能にした実現性の容易な複合化空燃比センサを提供することができる。
【００９８】
さらに、エンジン始動直後の排ガス規制を容易にクリアできるエンジンの燃焼制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる空燃比センサの第１実施例を示した縦断面図。
【図２】第１実施例に係る空燃比センサの平面図。
【図３】第１実施例に係る空燃比センサの展開図。
【図４】空気過剰率λと各種排ガス成分の濃度の関係を示した説明図。
【図５】本発明の空燃比センサの検出原理を示した説明図。
【図６】本発明に係る空燃比センサの第２実施例を示した縦断面図。
【図７】第２実施例に係る空燃比センサの平面図。
【図８】本発明に係る空燃比センサの第３実施例を示した縦断面図。
【図９】上記各実施例に適用するヒータパターンの説明図。
【図１０】本発明に係る空燃比センサの第４実施例を示した縦断面図。
【図１１】本発明に係る空燃比センサの第５実施例を示した縦断面図。
【図１２】本発明に係る空燃比センサの第６実施例を示した縦断面図。
【図１３】本発明に係る空燃比センサの第７実施例を示した縦断面図。
【図１４】図１３に示したＮＯｘ検出部の検出原理を示した図。
【図１５】本発明に係る空燃比センサの第８実施例を示した縦断面図。
【図１６】図１５に示しのＮＯｘ検出部の検出原理を示した図。
【図１７】本発明に係る空燃比センサの第９実施例を示した縦断面図。
【図１８】図１７に示したＮＯｘ検出部の検出原理を示した図。
【図１９】上記した各実施例の空燃比センサの概略実装方法を示した図。
【図２０】上記した各実施例の空燃比センサを用いたエンジン制御システムの概略構成図。
【符号の説明】
１…セラミックス基板、１ａ，１ｂ…セラミックス基板、２…緻密質ジルコニア固体電解質、３…多孔質ジルコニア固体電解質、４…多孔質保護膜、５…ヒータ、６…酸素基準極、７…陰極、８…陽極、９，９ａ，９ｂ，９ｃ…パッド、１０，１０ａ，１０ｂ…パッド、１５…空燃比検出部、１６，１７…インサート材（熱応力緩衝層）、２０…酸化物半導体、２３…ＨＣ検出用酸化物半導体、２４…ＮＯｘ検出用酸化物半導体、２５…緻密質ジルコニア固体電解質、２６…多孔質酸化物、２７…ＮＯｘ検出用電極、２８…酸素基準極、３１…緻密質ジルコニア固体電解質、３２…緻密質の絶縁部材。

Claims

酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜を積層した積層体により空燃比検出部が形成され、且つ、この空燃比検出部とヒータを内蔵したセラミックス基板とが層状に接合されていることを特徴とする空燃比センサ。
前記酸素基準極，陰極及び陽極は、白金系の材料よりなる多孔質の電極材料で構成され、前記ヒータは白金系の材料でアルミナよりなるセラミックス基板の中に内蔵されている請求項１記載の空燃比センサ。
前記酸素基準極の一部が残りの部分よりも極めて細い形状のパターンに形成され、この細い形状パターンが前記空燃比検出部を構成する積層体の層間を介して排ガス雰囲気と直接的に接触している請求項１又は２記載の空燃比センサ。
前記空燃比検出部を構成する積層体のうち前記酸素基準極，陰極及び陽極は前記緻密質ジルコニア固体電解質，多孔質ジルコニア固体電解質，保護膜の長さよりも短くして積層体の長手方向の一端に片寄って配設されることで、空燃比検出部が積層構造体の長手方向の一端に位置し、前記ヒータのパターンは、前記積層体の長手方向において、空燃比検出部側が緻密で空燃比検出部の反対側端部に向かうにつれて次第に粗になるようなパターンに形成されている請求項１ないし３のいずれか１項記載の空燃比センサ。
ヒータを内蔵するセラミックス基板の表面に酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜が印刷により積層されて、この積層体により空燃比検出部が形成されていることを特徴とする空燃比センサ。
前記空燃比検出部を構成する積層体は、前記ヒータを内蔵するセラミックス基板の先端部に設けられている請求項１ないし５のいずれか１項記載の空燃比センサ。
前記空燃比検出部の前記緻密質ジルコニア固体電解質と前記ヒータを内蔵するセラミックス基板との間に、該緻密質ジルコニア固体電解質とセラミックス基板との中間の熱膨張係数を有する１層以上の熱応力緩衝層が介在している請求項１ないし６のいずれか１項記載の空燃比センサ。
前記セラミックス基板がアルミナであり、前記熱応力緩衝層がジルコニアとアルミナとの混合材料で構成されている請求項７記載の空燃比センサ。
前記空燃比検出部を構成する前記積層体と、前記ヒータを内蔵する前記セラミックス基板とが熱応力緩衝層を介して一体に接合され、前記熱応力緩衝層は前記積層体の構成要素である前記緻密質ジルコニア固体電解質と前記セラミックス基板との混合材料でその配合割合を異ならせた２層以上の熱応力緩衝層により構成されている請求項１記載の空燃比センサ。
前記セラミックス基板の表面の一部には、酸化物半導体により構成されたＨＣ検出部，ＮＯｘ検出部の少なくとも一つが併設されている請求項１ないし９のいずれか１項記載の空燃比センサ。
前記酸化物半導体よりなるＨＣ検出部やＮＯｘ検出部は、前記セラミックス基板の表面のうち空燃比検出部を配置した側と反対側の面に形成してなる請求項１０記載の空燃比センサ。
前記セラミックス基板に内蔵されるヒータのパターンは、該セラミックス基板の長手方向の一端側が高温，中央が中温，他端側が低温となる温度分布が生じるよう設定され、前記ＨＣ検出部やＮＯｘ検出部は、前記セラミックス基板の長手方向の中央部に配置されている請求項１０又は１１記載の空燃比センサ。
酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜を積層させてなる空燃比検出部と、多孔質酸化物，ＮＯｘ検出用電極，緻密質ジルコニア固体電解質を積層させてなるＮＯｘ検出部と、ヒータを内蔵したセラミックス基板と、が一体に接合されて一つの積層構造体として構成されていることを特徴とする複合化空燃比センサ。
酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜を積層させてなる空燃比検出部と、多孔質酸化物，ＨＣ検出用電極，緻密質ジルコニア固体電解質を積層させてなるＨＣ検出部と、ヒータを内蔵したセラミックス基板と、が一体に接合されて一つの積層構造体として構成されていることを特徴とする複合化空燃比センサ。
ヒータを内蔵したセラミックス基板の一面に酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜を積層させてなる空燃比検出部が形成され、該セラミックス基板の他面に酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，ＮＯｘ検出用電極，多孔質酸化物を積層させてなるＮＯｘ検出部が形成され、前記空燃比検出部の酸素基準極と前記ＮＯｘ検出部の酸素基準極とが前記セラミックス基板に設けたスルーホールを介して通じていることを特徴とする複合化空燃比センサ。
ヒータを内蔵したセラミックス基板の一面に酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜を積層させてなる空燃比検出部が形成され、該セラミックス基板の他面に酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，ＨＣ検出用電極，多孔質酸化物を積層させてなるＨＣ検出部が形成され、前記空燃比検出部の酸素基準極と前記ＨＣ検出部の酸素基準極とが前記セラミックス基板に設けたスルーホールを介して通じていることを特徴とする複合化空燃比センサ。
酸素基準極，緻密質ジルコニア固体電解質，陰極，多孔質ジルコニア固体電解質，陽極，多孔質の保護膜を積層した積層体により空燃比検出部が形成され、且つ、この空燃比検出部とヒータを内蔵したセラミックス基板とが層状に接合され、前記多孔質ジルコニア固体電解質の一部をくりぬき、このくりぬき部分に絶縁部材で囲まれた緻密質ジルコニア固体電解質とその上面に電極を形成することでＮＯｘ検出部が構成されていることを特徴とする複合化空燃比センサ。
請求項１〜１７のいずれか１項記載の空燃比センサ又は複合化空燃比センサの検出信号をエンジン制御に必要な他の各種センサの検出信号と共に入力して、空燃比制御や排ガス規制に必要な燃焼制御を行なうことを特徴とするエンジン燃焼制御システム。