JPH0312255B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の燃料制御のためのセンサー
に好適し、理論空燃比、リーン領域の酸素濃度お
よび温度を検知することができる多機能酸素濃度
検出器に関する。

内燃機関においては機関側に供給される燃料の
混合比、つまり空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比で
あれば排ガス中の有害ガス成分がきわめて少くな
ることは広く知られており、したがつて機関の全
運転中に亘つて理論空燃比で運転すれば排ガス対
策の点では理想的といえる。しかしながら機関の
全運転中に亘つて理論空燃比で運転すると燃料消
費量の増大を招き、燃費対策の面で得策でない。
現実には、機関の加速（高負荷）運転時などでは
Ａ／Ｆを濃い状態にして運転しており、定常（部
分負荷）運筒中などではＡ／Ｆを薄くして運転し
ているものである。

したがつて機関の運転中において、高負荷運転
などのごとくＡ／Ｆを濃くして運転する場合に
Ａ／Ｆを理論空燃比に近づければ排ガス対策の点
で有利になり、また部分負荷運転などのように
Ａ／Ｆを薄くして（リーン混合）運転する場合に
は排ガス中に残存している酸素の濃度に応じて燃
料を少くしてやれば排ガス対策の点でも有利にな
るばかりでなく、燃費の節約を可能にする。

このように機関の運転状況に応じて燃料供給を
制御するため、排ガス中のガス成分を検出し、こ
の検出に応じて燃料噴射装置から噴出される燃料
を増減する手段が考えられている。上記排出ガス
中のガス成分を検出するためのセンサとして理論
空燃比センサと、リーン領域における酸素濃度を
検出する酸素濃度センサ（リーンセンサと称す）
が開発されている。

理論空燃比センサは、排ガス中のガス成分の酸
素濃度に応じた起電力を生じる酸素イオン伝導性
金属酸化物よりなる酸素濃度検出素子を有し、こ
の酸素濃度検出素子が示す起電力を、酸素濃度検
出素子に設けた２つの電極間で取り出すようにし
たものである。そして電極は触媒作用を有する物
質、たとえばPtで構成されており、特に排ガス
に晒される側の電極の触媒作用にもとづき排ガス
中の酸素と一酸化炭素CO等を反応させて酸化せ
しめ、酸素濃度検出素子の排ガスに晒される側の
表面におけるガス成分の酸素濃度に変化を生じさ
せ、酸素濃度検出素子の酸素濃度に対する感応性
を高めて急激な起電力変化を得るようになつてい
る。この急激な起電力変化がほぼ理論空燃比を境
にして行われることから、この部分における起電
力をもとに内燃機関の空燃比を検出して理論空燃
比になるように制御することができるものであ
る。

一方、リーンセンサは、酸素イオン伝導性金属
酸化物よりなる固体電解質素子を備え、この素子
の表裏両面に多孔質の電極を設け、これら両電極
間に通電することによつて排ガス中の酸素をイオ
ンとして一方の電極から他方の電極へ向けて上記
素子中に酸素イオンを拡散させ、このとき印加電
圧を変化させても電極間を流れる電流値が変化し
ない領域、すなわち限界電流が発生することが知
られており、そこで所定電圧印加時の限界電流値
を測定することで排ガス中の酸素濃度を知ること
ができるから、この酸素濃度をもとにしてリーン
領域の最適空燃比を制御することができるもので
ある。

なお、上記リーンセンサにおける限界電流値は
測定ガスの雰囲気温度によつて変化するので、ヒ
ータで加熱して素子の温度をほぼ一定、たとえば
700〜750℃に保つており、この温度制御のために
は温度センサを用いるようになつている。

しかして前述のごとく内燃機関の全運転領域に
亘つて燃料の供給を制御しようとすると、上記理
論空燃比センサ、リーンセンサおよび、このリー
ンセンサのためのヒータならびに温度センサを必
要とすることになるが、従来においてはこれらセ
ンサはそれぞれ単独に構成されており、もしくは
リーンセンサと温度センサとをユニツト化したも
のであつた。したがつて従来において内燃機関の
全運転領域における空燃比を制御しようとすれば
複数の独立したセンサを排気管等に取り付けなけ
ればならず、部品点数、取付工数、その他コスト
高になる要因が多い不具合があつた。

本発明はこのような事情にもとづきなされたも
ので、その目的とするところは、理論空燃比セン
サ、リーン領域における酸素濃度センサおよび温
度センサの機能を備えて全運転域における空燃比
制御を単一のユニツトで行えるようにした多機能
酸素濃度検出器を提供しようとするものである。

すなわち本発明は、理論空燃比センサにおける
酸素濃度検出素子と、リーンセンサにおける固体
電解質素子および温度センサにおける負の抵抗温
度特性を有する素子とが、互に同質材料によつて
構成できることに着目して、これら素子を単一化
するとともに、理論空燃比センサの電極と温度セ
ンサの電極がその使用時期が異なる理由により共
用化できることから、上記３つのセンサを単一の
ユニツトの中に納めてしまうようにしたことを基
本的技術思想とするものである。

以下本発明の一実施例を図面にもとづき説明す
る。

図中１は隔壁であり、一端が開口され他端が閉
塞されたカツプ状をなしている。この隔壁１は、
検出ガスのガス成分中の酸素濃度に応じた起電力
を示し、負の抵抗温度特性を有するとともに、さ
らに固体電解質よりなる酸素イオン伝導性の金属
酸化物から構成されている。上記３つの性質を奏
し得る材料つまり金属酸化物としては、酸化ジル
コニウムZrO₂96〜90モル％と酸化イツトリウム
Y₂O₃4〜10モル％とを混合し、粉砕し、1250℃程
度で仮焼成したのちコツプ状の型で成形後1350〜
1750℃で本焼成した焼結果に代表される。その他
の材料としてはZrO₂−Yb₂O₃，ZrO₂−SC₂O₃，
ZrO₂−CaO，ZrO₂−Th₂O₃，ZrO₂−MgO，
ThO₂−CaO，CeO₂−MgO等であつても実施可
能である。

隔壁１の中央部外周には環状拡大部１ａを形成
してあり、かつ開放端内側には環状座部１ｂを設
けてある。

隔壁１における閉塞端よりも２〜10mm離れた位
置の内周面にはリーンセンサ用の一方の電極２が
設けられており、この電極２に対向して隔壁１の
外周面にはリーンセンサ用の他方の電極３が設け
られている。これら電極２および３は薄膜状多孔
質からなる電極であり、たとえばPtを化学メツ
キ、ペーストスクリーン印刷などの手段で形成し
てある。なお電極２，３の面積は10〜100mm²、厚
さは0.5〜1.0μ程度である。各電極２および３は、
電極２，３と同材質からなるリード線２ａ，３ａ
に接続されている。内側の電極２に導通したリー
ド線２ａは隔壁１の内面に沿つて環状座部１ｂの
上面に導びかれている。外側の電極３に導通した
リード線３ａは隔壁１の外面に沿つて環状拡大部
１ａの頂面まで導びかれている。外側のリード線
３ａの外面は、通気性のない高融点な硼硅酸ガラ
スなどの保護層４によつて被われている。また外
側の電極３は多孔質なガス（酸素分子）拡散抵抗
層５、たとえばAl₂O₃，Al₂O₃・MgO，ZrO₂がプ
ラズマ溶射によつて被われている。

隔壁１における閉塞端に近い内周面には上記電
極２とは異なる位置に、理論空燃比センサ兼温度
センサ用の一方の電極６が設けられているととも
に、この電極６に対向して隔壁１の外周面には同
じく理論空燃比センサ兼温度センサ用の他方の電
極７が設けられている。上記内側の電極６および
外側電極７は触媒作用のある物質、たとえばPt
を化学メツキ、ペーストスクリーン印刷等によつ
て形成されており、電極面積は10〜100mm²、厚さ
0.1〜1.0μ程度に構成されている。

上記各電極６，７はリード線６ａ，７ａに接続
されており、これらリード線６ａ，７ａはPtな
どによつて形成されている。内側の電極６のリー
ド線６ａは隔壁１の内面に沿つて環状座部１ｂの
上面に導びかれており、外側の電極７のリード線
７ａは隔壁１の外面に沿つて環状拡大部１ａの頂
面まで導びかれている。外側のリード線７ａの外
面は硼硅酸ガラス等の高融点ガラスなどの緻密な
保護層９により被われている。また外側の電極７
は多孔質な保護膜１０によつて被われている。該
保護膜１０は前記ガス拡散抵抗層５と別体に構成
してもよいが、ガス拡散抵抗層５は後述するガス
拡散機能を効果的に発揮するために、その厚み、
気孔率、平均細孔径などのガス拡散のための条件
が高精度に規定される。このため、保護層１０お
よびガス拡散抵抗層５は、隔壁１の外周面に全体
として100μの厚みをなすようにプラズマ溶射さ
せたのち、ガス拡散抵抗層５のみをさらに100〜
700μの厚み増加を図るべくプラズマ溶射して形
成し、これら拡散抵抗層５と保護層１０は一体に
構成されている。

１１は棒状をなしたセラミツクヒータであり、
例えばアルミナ磁器中にニクロム線などのコイル
状もしくはクシ型パターン形状のヒータ線１１ａ
を内蔵してある。該セラミツクヒータ１１には上
下方向に貫通した通孔１２を形成してあり、隔壁
１の内部はこの通孔１２を介して大気に導通され
ている。なお１３ａ，１３ｂはヒータ線１１ａに
接続されたリード線を示す。セラミツクヒータ１
１は隔壁１の内面に嵌挿されており、隔壁１の開
放端内周面に対して無機接着剤１４を介して固定
されている。この場合、隔壁１と無機接着剤１４
との間には、Pt金属リード線１５ａおよび１６
ａが介在されており、一方の金属リード線１５ａ
はその下端を環状座部１ｂに導びかれているリー
ンセンサ用のリード線２ａと電気的に接続されて
いるとともに上端は外部において図示しない制御
回路としてのマイクロコンピユータに接続されて
いる。また他方の金属リード線１６ａはその下端
を同じく環状座部１ｂに導びかれている理論空燃
比センサ兼温度センサ用のリード線６ａと電気的
に接続されているとともに、上端は上記マイクロ
コンピユータに接続されている。

また、隔壁１の拡大環状部１ａの頂面に導びか
れたリーンセンサ用のリード線３ａは、隔壁１の
上部外面に沿つて配置されたPt金属リード線１
５ｂに電気的に接続されており、このリード線１
５ｂもマイクロコンピユータに接続されている。
そしてまた上記隔壁１の拡大環状部１ａの頂面に
導びかれた理論空燃比センサ兼温度センサ用のリ
ード線７ａは、隔壁１の上部外面に沿つて配置さ
れた他のPt金属リード線１６ｂと働気的に接続
されており、このリード線１６ｂもマイクロコン
ピユータに接続されている。

２０は金属製筒状ハウジングであり、このハウ
ジング２０の内周面には環状座部２０ａが形成さ
れている。この環状座部２０ａには、隔壁１の環
状拡大部１ａの下面が、リングパツキング２１を
介して載置されている。上記隔壁１の環状拡大部
１ａの上方とハウジング２０との間には圧縮成形
したリングタルク２２、アスベストリング２３が
配置されている。ハウジング２０の上端縁はかし
め固定されており、よつて隔壁１はハウジング２
０に一体的に組み込まれている。なお２４はかし
めリングを示す。

ハウジング２０には取付フランジ２５を溶接な
どの手段により取り付けてあり、この取付フラン
ジ２５には取付孔２５ａを設けてある。取付フラ
ンジ２５は図示しない内燃機関の排気管とボルト
止めされ、よつて隔壁１の閉塞端側は排ガス中に
晒されるようになつている。

ハウジング２０には隔壁１の外周方を被う保護
カバー２６が取り付けられており、この保護カバ
ー２６には複数個の排ガス導入孔２７…を開設し
てある。

上記のごとく構成された実施例の作用について
説明する。

ハウジング２０を内燃機関の排気管に取着する
と、保護カバー２６は排気流に晒されるので、導
入孔２７…を通じて排ガスがカバー２６内に導び
かれる。

しかして排ガスは周知のごとく、O₂，CO，
HC等のガス成分から構成されており、この各成
分の濃度は燃焼前の空燃比によつて変化する。そ
して酸素濃度検出素子としての隔壁１はZrO₂−
Y₂O₃よりなつているので、排ガス中のガス成分
の酸素濃度と、基準となる大気側の酸素濃度との
差に応じた起電力を示す。隔壁１の排ガスに晒さ
れる側の表面に付着させた電極７は、触媒物質よ
りなるPtで構成してあるためその触媒作用によ
り、隔壁１の排ガスに晒される側の表面ではガス
成分中の酸素O₂がCO，HC等の酸化に供せられ
る。このため、理論空燃比よりも濃いＡ／Ｆにお
いては隔壁１の排ガスに晒される側の表面におけ
るガス成分中の酸素濃度は薄くなり、また逆に理
論空燃比よりも薄いＡ／Ｆでは隔壁１の排ガスに
晒される側の表面におけるガス成分中の酸素濃度
は濃くなる。隔壁１の内側に設けた対向電極６
は、隔壁１の内部空間がヒータ１１に形成した通
孔１２を通じて大気に開放されているため大気中
の酸素に晒されている。したがつて隔壁１におい
ては内部空間側に大気の酸素濃度と、外部の排ガ
ス中の酸素濃度との差に応じた起電力を生じる。
この起電力は理論空燃比を境に急激に変化する性
質をもつている。このため理論空燃比に対応する
起電力を設定電圧とし、検出しようとする空燃比
に対応する起電力と比較すれば理論空燃比よりも
Ａ／Ｆの濃薄具合を知ることができる。隔壁１に
発生する起電力は電極６と７とによつて取り出
し、リード線６ａ，７ａおよび１６ａ，１６ｂを
介してマイクロコンピユータに導びく。マイクロ
コンピユータにおいては予め理論空燃比に対応し
た起電力を設定してあり、該コンピユータによつ
て設定起電力と、電極６，７によつて検出した起
電力とを比較する。検出起電力が設定起電力より
大きければ、現在の空燃比が理論空燃比より濃い
と判断できるとともに、逆の場合には検出してい
る空燃比が理論空燃比よりも薄いと判断でき、し
たがつてこの判断信号にもとづき燃料噴射装置に
燃料の減もしくは増の指令を与えて、Ａ／Ｆを理
論空燃比に近づけるように制御することができる
ことになる。周知のごとく、排ガスのガス成分の
CO，HC，NOxの３者の最も少ない運算状態は
理論空燃比付近であるから、排ガス中のこれら有
害成分を減少させることができるものである。

なお、この場合ヒータ１１はセンサの最低作動
温度たとえば400℃以上を保つように発熱される。

以上の作用は理論空燃比センサとしての機能で
あり、通常内燃機関の加速（高負荷）時などのご
とく比較的Ａ／Ｆが濃い運転状態において用いら
れる。内燃機関が定常（部分負荷）運転などのよ
うにＡ／Ｆを薄くして運転する場合には理論空燃
比センサに代つてリーンセンサを用いる。

すなわち、リード線１５ａの電源の陽極に、リ
ード線１５ｂを電源の陰極に接続するとともに、
ヒータ１１のリード線１３ａ，１３ｂに通電して
セラミツクヒータ１１を発熱させる。リード線１
５ａ，１５ｂ間に電圧を印加すると、電流が電極
３から２へ流れる。ここで隔壁１は酸素イオン伝
導性の固体電解質であるため、排ガス中の酸素は
拡散抵抗層５を経て電極３に至り、この電極３に
て電子の供給を受けて酸素イオンとなる。この酸
素イオンは隔壁１の内部を拡散していき、電極２
にて電子を放出して酸素分子に戻る。したがつて
電極３から２へ電流が流れるものである。

さらに、電極２から放出される酸素分子はヒー
タ１１の通孔１２を経て大気中に放出される。

しかして上記反応において、拡散抵抗層５の厚
さを一定以上の厚さ、たとえば前述の200〜800μ
とし、電極３の面積を20mm²と小さくして電圧を
徐々に上げていくと、拡散抵抗層５の影響で電圧
を変化させても電流が変化しない領域、すなわち
限界電流が発生する。この限界電流値Ilは、 Il４・Ｆ・DO₂／Ｒ・Ｔ・Ｓ／ｌPO₂ ……(1) ただし Ｆ…フアラデー定数 Ｒ…気体定数 DO₂…酸素の拡散率 Ｔ…絶対温度 Ｓ…電極面積 ｌ…拡散抵抗層の有効拡散距離 PO₂…酸素分圧 で表わされ、この限界電流値Ilは排ガス中の酸素
濃度（分圧）に応じて変化するため、一定電圧を
印加しこの限界電流を測定することにより、排ガ
ス中の酸素分圧を測定することができる。したが
つて電極２，３間で検出した限界電流をマイクロ
コンピユータに導びき、この限界電流を検知して
電流値が大きい場合には排ガス中の酸素分圧が大
きいから空燃比が薄いことが判り、また逆の場合
には空燃比が濃いことが判る。このためリーン領
域における空燃比を制御して燃費を節約しかつ排
ガス中の有害成分を減少させるなどの制御が可能
になる。

ところでこのようなリーンセンサにおいては、
(1)式から判る通り、絶対温度Ｔを一定、つまり
700〜750℃に保つ必要がある。この温度はヒータ
１１によつて制御するが、この制御のためには温
度を検知する必要がある。この温度センサとし
て、前述した理論空燃比センサに用いた電極６，
７を使用する。つまりリーンセンサとして機能し
ているときには理論空燃比センサは使用する必要
がないので、電極６，７を温度センサとして利用
するものである。

隔壁１は負性抵抗温度特性をもつているので、
この隔壁１の抵抗値を電極６と７とによつて取り
出す。つまり電極６，７間に一定電圧を印加すれ
ば、隔壁１は温度変化に応じて抵抗値が変化する
ので電極６，７間に流れる電流値が変化する。こ
の電流値は温度上昇に比例するから、電流値を検
出すれば温度が判る。よつてリード線１６ａ，１
６ｂを介して検出された電流値をコンピユータに
より判断し、温度が700〜750℃以下であればヒー
タ１１に通電させて発熱を促し、また温度が700
〜750℃を越えているとヒータ１１への通電を停
止させることができる。

このようなことから雰囲気温度を高精度に規制
し、リーンセンサにおける限界電流値の測定を高
精度に行わしめることができるものである。

なお、リーンセンサ側の外側電極３は、その外
面を拡散抵抗層５によつて被われているので冷熱
サイクルの繰り返しによつて隔壁１から剥離され
る惧れがなく、排ガス中の鉛やリンおよびオイル
等による劣化もない。

以上詳述した通り本発明は、検出ガス成分中の
酸素濃度に応じた起電力を生じる酸素イオン伝導
性金属酸化物の固体電解質材料よりなるコツプ状
の隔壁を、理論空燃比センサの素子、リーンセン
サの素子および温度センサのサーミスタとして共
用し、しかも理論空燃比センサ用の電極をリーン
センサ使用中における温度検知用電極として共用
したものである。したがつてこのものは上記理論
空燃比センサ、リーンセンサ、温度センサをユニ
ツト化できてＡ／Ｆが14.5〜25までの空燃比の制
御を行うことが可能になる。このため、従来のご
とく複数個のセンサを別個に使用する必要がなく
なるから、部品点数、取付、取り扱い上の簡素化
が可能になり、コストダウンを実現できるなど優
れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は断面
図、第２図は隔壁の側面図、第３図は第２図中
−線に沿う断面図である。 １…隔壁、２，３…リーンセンサ用電極、５…
ガス拡散抵抗層、６，７…理論空燃比兼用温度セ
ンサ用電極、１０…保護層、１１…ヒータ、１２
…通孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 検出ガスのガス成分中に含まれる酸素濃度に
   応じた起電力を発生する酸素イオン伝導性金属酸
   化物よりなる固体電解質材料により形成されたコ
   ツプ状の隔壁と、 このコツプ状の隔壁内部に設置されたヒータ
   と、 上記隔壁の内周面および外周面に互いに対向し
   て設けられ、多孔質金属よりなり、電圧が印加さ
   れることにより限界電流値を測定する薄膜状のリ
   ーンセンサ用の電極と これら電極のうち隔壁外周面に位置された一方
   の電極の外周面を被うガス拡散抵抗層と、 上記リーンセンサ用電極とは異なる位置におけ
   る前記隔壁の内周面および外周面に互いに対向し
   て設けられ、導電性触媒物質からなり、前記リー
   ンセンサ用の電極によつて限界電流値を測定しな
   い場合には理論空燃比を測定し、前記リーンセン
   サ用の電極によつて限界電流値を測定する場合に
   は前記隔壁間に一定電圧を印加して温度に依存す
   る信号を出力させることにより前記ヒータの温度
   を検出する一対の電極と、 上記導電性触媒物質からなる電極のうち上記隔
   壁の外周面に設けられた電極の外周面を被う多孔
   質電極保護層とを備え、 リーン領域の酸素濃度、理論空燃比および温度
   検出の各機能を有することを特徴とする多機能酸
   素濃度検出器。