JPH0447783B2 - - Google Patents

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JPH0447783B2
JPH0447783B2 JP58237623A JP23762383A JPH0447783B2 JP H0447783 B2 JPH0447783 B2 JP H0447783B2 JP 58237623 A JP58237623 A JP 58237623A JP 23762383 A JP23762383 A JP 23762383A JP H0447783 B2 JPH0447783 B2 JP H0447783B2
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JP
Japan
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oxygen
air
booth
fuel ratio
fuel
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Tetsumasa Yamada
Shintaro Hirate
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Mitsubishi Electric Corp
Nippon Tokushu Togyo KK
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Mitsubishi Electric Corp
Nippon Tokushu Togyo KK
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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Description

【発明の詳細な説明】 〔分野〕 この発明は、内燃機関、ガス燃焼機器などの燃
焼装置の排気ガス中の酸素濃度もしくは空燃比を
制御もしくは測定するための検知装置に関する。
〔従来技術〕
従来よりイオン伝導性固体電解質(例えば安定
化ジルコニア)に多孔質電極層(例えば白金製多
孔質層)を被着して構成された酸素センサを用
い、排気ガスの酸素分圧と空気の酸素分圧との差
によつて生じる起電力の変化によつて理論空燃比
付近の燃焼状態を検知することにより、例えば自
動車の機関を理論空燃比で運転するように制御す
ることは一般に知られている。
ところで上記酸素センサは空気と燃料との重量
比率である運転空燃比(A/F)が理論空燃比およそ
14.7である時は大きな変化出力が得られるが他の
運転空燃比域での変化はほとんどなく、理論空燃
比以外の空燃比で機関を運転する場合には上記酸
素センサの出力を利用することができない。
特開昭58−153155号において、板状の酸素イオ
ン導電性固体電解質の先側の両面に電極層を設け
た素子を、2枚間隔をおいて平行状に配して上記
先側に間〓部を設けて該両素子を固定し、一方の
素子を酸素ポンプ素子、他方の素子を周囲雰囲気
と前記間〓部との酸素濃度差によつて作動する酸
素濃淡電池素子とした酸素濃度検知装置が提案さ
れている。かかる酸素濃度検知装置は応答性はよ
いが、出力信号に対応する理論空燃比数14.7より
低い燃料過濃域で作動させると燃料希薄域におけ
る場合と同じ向きの出力を発生する特性をもつこ
とが判つた。すなわち出力に対して2つの空燃比
が対応するようになるため空燃比制御が燃料過濃
域、あるいは燃料希薄域のいずれであるかはつき
りしている場合等にしか適用できないという問題
点があつた。またこの検知装置では理論空燃比ま
たはその近傍の空燃比の検知もしくは制御が困難
であるという問題も見出された。
〔発明の目的〕
本発明の第1目的は内燃機関等の燃焼装置の運
転空燃比(A/F)が燃料過濃域から燃料希薄域
までの全域または一部区域において正しくかつ応
答性よく検知できる空燃比検知装置の提供であ
り、第2の目的は、空燃比のフイードバツク制御
を行う場合において上記空燃比の範囲で精度よく
かつ容易なフイードバツク制御ができる利点を有
する空燃比検知装置を提供することである。
〔発明の構成〕
本発明の空燃比検知装置は、酸素イオン伝導性
固体電解質の両側面に多孔性電極を設けた固体電
解質酸素濃淡電池素子および固体電解質酸素ポン
プ素子を備え、該酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ
素子とを小間〓を介して対向配設するとともに、
上記小間〓は周囲被測定ガスと連通するように
し、前記酸素濃淡電池素子の小間〓の側と反対側
に外気と連通する空気室を形成する。
そして、前記酸素ポンプ素子の多孔性電極間に
接続され、被測定ガス中の酸素を前記小間〓に汲
み入れる、あるいは前記小間〓中の酸素を被測定
ガスへ汲み出す電流源を備えるとともに、前記酸
素濃淡電池素子の出力信号を取り出すための出力
端子を備える技術的手段を採用する。
〔発明の効果〕
本発明の空燃比検知装置は、上記構成により次
の効果を奏する。
空燃比(A/F)を燃料過濃域から燃料希薄域まで
の全域もしくは任意の区域において正しくかつ応
答性よく検知することができ、また小さいポンプ
電流(電極面における小さい電流密度)で出力信
号をとれるので寿命の大きい検知装置が得られ
る。
〔実施例〕
つぎに本発明を図に示す実施例に基づき説明す
る。
第1図および第2図は本発明の一実施例を示
す。
1は内燃機関の排気管、2は該排気管1内に配
設された空燃比検知装置の検知栓部である。空燃
比検知栓部2は、厚さが約0.5mmの平板状のイオ
ン伝導性固体電解質(例えば安定化ジルコニア)
3の両側面にそれぞれ厚膜技術を用いて約20μの
厚さの多孔質白金電極層4および5を設けて構成
された固体電解質酸素ポンプ素子6と、該酸素ポ
ンプ素子6と同様の平板状のイオン伝導性固体電
解質7の両側面にそれぞれ前記多孔質白金電極層
4および5と同様に厚膜技術を用いて多孔質白金
電極層8および9を設けて構成された固体電解質
酸素濃淡電池素子10とを備え、上記酸素ポンプ
素子6と上記酸素濃淡電池素子10とは0.1mm程
度もしくはそれ以下の間隔寸法の小間〓aを形成
して排気管1の内部で対向配置させるため足元部
を耐燃性で絶縁性のスペーサ(充填接着剤でよ
い)11を介して互いに固定されている。上記酸
素濃淡電池素子10の酸素ポンプ素子6の側と反
対側の多孔質白金電極層9は、外気に連通すべく
金属やセラミツクなどの耐熱性で気密な部材によ
り空気室bを形成するように室壁12が設けら
れ、多孔質白金電極層9を外気と導通するよう多
孔質白金電極層9の足元部をのぞく周辺に室壁1
2が気密的に固定されている。
酸素ポンプ素子6、酸素濃淡電池素子10およ
び室壁12の足元部の外辺部にはねじ部13を有
した支持台14が、耐熱性で絶縁性である接着部
材15により取付けられており、排気管1に設け
られた空燃比検知栓部2の検知栓部取付用ねじ部
16に前記支持台14のねじ部13をねじ込むこ
とにより空燃比検知栓部2が排気管1に取付られ
ている。
17は、電子制御装置部分の例で、上記酸素ポ
ンプ素子6の多孔質白金電極層4または5の片端
には、酸素ポンプ素子6が酸素を汲み出す方向を
変換する手段である切換スイツチ18が接続さ
れ、切換スイツチ18はV1とV2のステツプに
分割されており、V1は酸素ポンプ素子6が酸素
を排気管1内の排気ガスから小間〓aに汲み入れ
るべく負の値の定電流源E1に、V2は酸素ポン
プ素子6が酸素を小間〓aから排気管1内に汲み
出すべく正の値の定電流源E2にそれぞれ連通さ
れている。また上記酸素濃淡電池素子10の多孔
質白金電極層8,9間は、酸素濃淡電池素子10
の生ずる起電力eを検知するため出力端子19を
備えている。第3図は酸素ポンプ素子6が排気管
1内の排気ガス中より小間〓aに酸素を汲み入れ
るべく上記定電流源E1を一定の負の値に保つた
時の起電力eを示したもので、この場合には理論
空燃比14.7より小さい範囲の空燃比域(燃料過濃
域)で、起電力eが急激に低減する。第4図は酸
素ポンプ素子6が小間〓aから排気管1内に酸素
を汲み出すべく上記定電流源E2を一定の正の値
に保つた時の起電力eを示したもので、この場合
には理論空燃比14.7より大きい範囲の空燃比域
(燃料希薄域)で起電力eが急激に低減する。こ
の実施例は第3図および第4図に示す特性を利用
するものである。
たとえば上記機関を燃料過濃域にて運転を制御
する場合は、上記切換スイツチ18をV1に設定
することにより起電力eを検知する出力端子19
で第3図の特性が得られ、この起電力eが燃料過
濃域で急激に変化することを利用して、空燃比が
およそ11位までの比較的理論空燃比寄りの燃料過
濃域での制御が可能となる。上記機関を燃料希薄
域にて運転を制御する場合は、上記切換スイツチ
18をV2に設定することにより起電力eを検知
する端子19では第4図に示す特性が得られ、起
電力eが燃料希薄域にて急激に変化することを利
用して燃料希薄域での制御が可能となる。
上記実施例では、任意の負の値を有する定電流
源E1と、任意の正の値を有する定電流源E2と
を切換えることにより燃料過濃域と燃料希薄域と
を制御したが、酸素ポンプ素子6が排気管1内の
排気ガス中より小間〓aに酸素を汲み込む方向へ
大きな値の定電流を流すことにより起電力eを検
知する出力端子19では燃料過濃域の低い数値の
区域で起電力eが急激に低減する特性が得られ、
酸素ポンプ素子6が排気管1内の排気ガス中より
小間〓aに酸素を汲み込む方向へ小さな値の定電
流を流すことにより起電力eを検知する出力端子
19では燃料過濃域の高い数値の区域で起電力e
が急激に低減する。このことを利用し、排気管1
内の排気ガス中より小間〓aに酸素を汲み込む方
向へ定電流の大きさを連続または不連続的に値を
変更することにより空燃比がおよそ11以上の全域
あるいは任意の区域での制御あるいは測定するこ
とが可能となる。酸素ポンプ素子6が小間〓aか
ら排気管1内に酸素を汲み出す方向へ小さな値の
定電流を流すことにより起電力eを検知する出力
端子19では燃料希薄域の低い数値の区域で起電
力eが急激に低減する特性が得られ、酸素ポンプ
素子6が小間〓aから排気管1内に酸素を汲み出
す方向へ大きな値の定電流を流すことにより起電
力eを検知する出力端子19では燃料希薄域の高
い数値の区域で起電力eが急激に低減する特性が
得られる。このことを利用し、小間〓aから排気
管1内に酸素を汲み出す方向へ定電流の大きさを
連続または不連続的に値を変更することにより燃
料希薄域の全域あるいは一部の任意区域での制御
あるいは測定することが可能となる。また上記機
関を理論空燃比14.7にて制御する場合は負の値の
定電流あるいは正の値の定電流の値をゼロに近い
値とするか、切換スイツチ18に酸素ポンプ素子
6に電流を導通しないOFFステツプを設ること
により起電力eを検知する出力端子19で理論空
燃比14.7で起電力eが急激に低減する特性を利用
する。以上上記特性を利用することにより本発明
は燃料過濃域から燃料希薄域の運転空燃比におい
て精度よくかつ応答性のよい制御あるいは測定が
可能となる。
また上記実施例では、酸素ポンプ素子6の酸素
の汲み出しと汲み入れとを定電流の流れの向きを
変更することにより切換えたが、定電流の流れの
向きを変更せず酸素ポンプ素子6の両側面の多孔
性電極(多孔質白金電極4.5)の出力端子を切換
えることにより酸素ポンプ素子6の酸素の汲み出
しと汲み入れとを切換えても良い。また、燃料希
薄側では上記のモードで必ずしも行なう必要はな
く、例えば酸素ポンプ素子に小間〓から酸素を汲
み出す方向に電流を流して電池素子に出力を発生
せしめ、該出力を一定にするように上記ポンプ電
流を調節したときの該ポンプ電流で空燃比を検知
するようにしても良い。
本発明は上記諸特性を単独、もしくは複数利用
して、それぞれフイードバツク制御するよう切換
スイツチ18により随時頻繁にモードを切換えな
がら運転空燃比の測定またはフイードバツク制御
を行なうものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の空燃比検知装置の一実施例を
示す構成図、第2図は第1図の−線に沿う断
面図、第3図は酸素ポンプ素子の汲み込む電流
(負の値)を一定にしたときの酸素濃淡電池素子
の起電力eの空燃比に対する変化を示す特性図、
第4図は酸素ポンプ素子の汲み出し電流(正の
値)を一定とする酸素濃淡電池素子の起電力eの
空燃比に対する変化の様子を示す図、第5図は酸
素ポンプ素子への通電を非通電とした時の空燃比
に対する変化を示す特性図である。 図中、1…排気管、6…固体電解質酸素ポンプ
素子、10…固体電解質酸素濃淡電池素子、a…
小間〓、b…空気室。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 酸素イオン伝導性固体電解質の両側面に多孔
    性電極を設けた固体電解質酸素濃淡電池素子およ
    び固体電解質酸素ポンプ素子を備え、該酸素濃淡
    電池素子と酸素ポンプ素子とを小間〓を介して対
    向配設するとともに、上記小間〓は周囲被測定ガ
    スと連通するようにし、前記酸素濃淡電池素子の
    小間〓の側と反対側に外気と連通する空気室を形
    成し、 前記酸素ポンプ素子の多孔性電極間に接続さ
    れ、被測定ガス中の酸素を前記小間〓に汲み入れ
    る、あるいは前記小間〓中の酸素を被測定ガスへ
    汲み出す電流源を備えるとともに、 前記酸素濃淡電池素子の出力信号を取り出すた
    めの出力端子を備えた空燃比検知装置。
JP58237623A 1983-12-15 1983-12-15 空燃比検知装置 Granted JPS60128352A (ja)

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