JPH0473550B2 - - Google Patents
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- JPH0473550B2 JPH0473550B2 JP59212542A JP21254284A JPH0473550B2 JP H0473550 B2 JPH0473550 B2 JP H0473550B2 JP 59212542 A JP59212542 A JP 59212542A JP 21254284 A JP21254284 A JP 21254284A JP H0473550 B2 JPH0473550 B2 JP H0473550B2
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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- G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor
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Description
【発明の詳細な説明】
(イ) 明の利用分野〕
本発明は、自動車など内燃機関に用いる空熱比
センサに係り、特にリツチ領域からリーン領域ま
での幅広い空燃比を高精度に検出可能な空燃比セ
ンサに関する。
センサに係り、特にリツチ領域からリーン領域ま
での幅広い空燃比を高精度に検出可能な空燃比セ
ンサに関する。
内燃機関はその機関状態に応じて、空気過剰率
λがλ＜１の領域（リツチ領域）、λ＝１（理論空
燃比）、λ＞１の領域（リーン領域）で運転する
ことが望ましい。そこで、単一の空燃比センサで
リツチ領域からリーン領域までの空燃比を幅広く
検出することが要求されている。これに対して、
排ガス中の酸素濃度や一酸化炭素などの未然ガス
温度から各領域の空燃比を個別的に検出する原理
は知られてるものの、単一の空燃比センサを用い
簡単な手法で幅広い領域の空燃比を連続的に検出
することは実現されていない。
λがλ＜１の領域（リツチ領域）、λ＝１（理論空
燃比）、λ＞１の領域（リーン領域）で運転する
ことが望ましい。そこで、単一の空燃比センサで
リツチ領域からリーン領域までの空燃比を幅広く
検出することが要求されている。これに対して、
排ガス中の酸素濃度や一酸化炭素などの未然ガス
温度から各領域の空燃比を個別的に検出する原理
は知られてるものの、単一の空燃比センサを用い
簡単な手法で幅広い領域の空燃比を連続的に検出
することは実現されていない。
ここで、各領域の空燃比を個別に検出するセン
サの基本原理を第５図を用いて説明する。第５図
において、センサは同図ａに示すように電極１、
ジルコニア固体電解質２、電極３、保護膜４及び
電流計５よりなる。この構造は、特開昭53−
66292号公報で知られているように、電極１を陰
極、電極３を陽極として両電極間に約0.5ボルト
の励起電圧Ｅを印加し、λ＜１のリツチ領域を検
出するものである。すなわち、保護膜４はガス拡
散抵抗体として機能し、この保護膜４中を電極３
部へ拡散する一酸化炭素などの未燃ガスと燃焼反
応する酸素ガスは大気雰囲気と接する電極１部か
ら電極３部へとジルコニア固体電解質２中を酸素
イオンの形で移送される。従つて、電流計５で計
測されるポンプ電流IPは、電極１から電極３へ移
送される酸素イオンの量と保護膜４中を電極３部
へ拡散する未然ガスの量に対応する。この第５図
のセンサは前記ポンプ電流IPの値からリツチ領域
の空燃比をアナログ的に検出するものである。
サの基本原理を第５図を用いて説明する。第５図
において、センサは同図ａに示すように電極１、
ジルコニア固体電解質２、電極３、保護膜４及び
電流計５よりなる。この構造は、特開昭53−
66292号公報で知られているように、電極１を陰
極、電極３を陽極として両電極間に約0.5ボルト
の励起電圧Ｅを印加し、λ＜１のリツチ領域を検
出するものである。すなわち、保護膜４はガス拡
散抵抗体として機能し、この保護膜４中を電極３
部へ拡散する一酸化炭素などの未燃ガスと燃焼反
応する酸素ガスは大気雰囲気と接する電極１部か
ら電極３部へとジルコニア固体電解質２中を酸素
イオンの形で移送される。従つて、電流計５で計
測されるポンプ電流IPは、電極１から電極３へ移
送される酸素イオンの量と保護膜４中を電極３部
へ拡散する未然ガスの量に対応する。この第５図
のセンサは前記ポンプ電流IPの値からリツチ領域
の空燃比をアナログ的に検出するものである。
また、第５図ｂに示すように保護膜４を介して
排気雰囲気と接する電極３を基準として、両電極
間の起電力e〓を検出すると、このe〓値は理論空燃
比で約１ボルト、ステツプ状に変化する。従つ
て、e〓値からλ＝１をほぼデイジタル的に検出で
きる。このことは特開昭47−37599号公報などで
知られている。
排気雰囲気と接する電極３を基準として、両電極
間の起電力e〓を検出すると、このe〓値は理論空燃
比で約１ボルト、ステツプ状に変化する。従つ
て、e〓値からλ＝１をほぼデイジタル的に検出で
きる。このことは特開昭47−37599号公報などで
知られている。
なお、第５図ｃに示すように電極３を陰極とし
て両電極間に約0.5ボルトの励起電圧Ｅを印加す
ると、電極３から電極１へ酸素イオンがポンピン
グされ、電流計５でポンプ電流IPが計測される。
このポンプ電流値IPは保護膜４を介して電極３部
へ拡散する酸素の量に対応する。従つて、このIP
値からλ＞１のリーン領域を検出できる。このこ
とは特開昭52−69690号公報で知られている。
て両電極間に約0.5ボルトの励起電圧Ｅを印加す
ると、電極３から電極１へ酸素イオンがポンピン
グされ、電流計５でポンプ電流IPが計測される。
このポンプ電流値IPは保護膜４を介して電極３部
へ拡散する酸素の量に対応する。従つて、このIP
値からλ＞１のリーン領域を検出できる。このこ
とは特開昭52−69690号公報で知られている。
このような従来の空燃比センサの特性は例えば
第６図に示すようなものとなる。第６図におい
て、リーン領域の特性は一点鎖線、リツチ領域の
特性は点線、理論空燃比点の検出特性は実線で示
している。
第６図に示すようなものとなる。第６図におい
て、リーン領域の特性は一点鎖線、リツチ領域の
特性は点線、理論空燃比点の検出特性は実線で示
している。
このように、従来においては各領域を個別に検
出することは公知であるが、幅広い空燃比を一貫
した手法で円滑に検出する方法は未だ明らかにさ
れていない。
出することは公知であるが、幅広い空燃比を一貫
した手法で円滑に検出する方法は未だ明らかにさ
れていない。
なお、第５図ｂに示したセンサは拡散律速に基
づいた原理でないため、同図の保護膜４のガス拡
散抵抗度合は第５図ａ，ｃの場合より小さく設計
される。また、第５図ｂの保護膜４の厚さは他に
比べて、薄く作られる。一方、電極間に一定の電
流を励起して両電極間に発生する端子電圧から空
燃比をアナログ的に検出する技術が特開昭55−
62349号公報などで知られている。しかし、ここ
では、両電極間に励起する電流の向きを変えるこ
とによつてリツチ及びリーン領域の空燃比を検出
できることが示されているものの、どのような方
法で、どの時点で極性を切換えるべきかは示され
ていない。
づいた原理でないため、同図の保護膜４のガス拡
散抵抗度合は第５図ａ，ｃの場合より小さく設計
される。また、第５図ｂの保護膜４の厚さは他に
比べて、薄く作られる。一方、電極間に一定の電
流を励起して両電極間に発生する端子電圧から空
燃比をアナログ的に検出する技術が特開昭55−
62349号公報などで知られている。しかし、ここ
では、両電極間に励起する電流の向きを変えるこ
とによつてリツチ及びリーン領域の空燃比を検出
できることが示されているものの、どのような方
法で、どの時点で極性を切換えるべきかは示され
ていない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、リツチ領域からリーン領域ま
で幅広い空燃比を簡単な方法で円滑に検出できる
空燃比センサを提供することにある。
で幅広い空燃比を簡単な方法で円滑に検出できる
空燃比センサを提供することにある。
本発明の特徴は、袋管状の固体電解質と、前記
固体電解質の内側に形成され、大気雰囲気中に接
する第１の電極と、前記固体電解質の外側に形成
され、保護膜を介して排気雰囲気に接する第２の
電極及び第３の電極と、前記第１の電極と前記第
２の電極との間の起電力から理論空燃比を求め、
その求められた理論空燃比点でステツプ状に変化
する出力信号を出力する第１の演算器と、前記第
１の演算器からの出力信号と設定電圧との差電圧
に応じた励起電圧を前記第１の電極と前記第３の
電極との間に印加する第２の演算器とを備え、前
記第２の演算器は前記励起電圧をリーン領域では
正、リーン領域では負になるように制御するため
の手段であり、前記励起電圧を印加したときに前
記第１の電極と前記第３の電極との間に流れる電
流の極性と大きさとに基づいてリツチ領域からリ
ーン領域までの空燃比を検出することにある。こ
の構成によれば、リツチ領域からリーン領域まで
の幅広い空燃比を円滑に、連続的にしかも高精度
に検出することができる。
固体電解質の内側に形成され、大気雰囲気中に接
する第１の電極と、前記固体電解質の外側に形成
され、保護膜を介して排気雰囲気に接する第２の
電極及び第３の電極と、前記第１の電極と前記第
２の電極との間の起電力から理論空燃比を求め、
その求められた理論空燃比点でステツプ状に変化
する出力信号を出力する第１の演算器と、前記第
１の演算器からの出力信号と設定電圧との差電圧
に応じた励起電圧を前記第１の電極と前記第３の
電極との間に印加する第２の演算器とを備え、前
記第２の演算器は前記励起電圧をリーン領域では
正、リーン領域では負になるように制御するため
の手段であり、前記励起電圧を印加したときに前
記第１の電極と前記第３の電極との間に流れる電
流の極性と大きさとに基づいてリツチ領域からリ
ーン領域までの空燃比を検出することにある。こ
の構成によれば、リツチ領域からリーン領域まで
の幅広い空燃比を円滑に、連続的にしかも高精度
に検出することができる。
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
まず、本発明による空燃比センサの実装状態を
第１図に示す。第１図において、袋管状の検出部
１０は孔１１を有する保護管１２内に配置され、
ネジ１３を有する栓体１４内に固着されている。
そして、排ガスの流動する排気管１５に装着され
る。なお、検出部の各電極は３本のリード線１６
を介して空燃比センサの制御回路と接続される。
第１図に示す。第１図において、袋管状の検出部
１０は孔１１を有する保護管１２内に配置され、
ネジ１３を有する栓体１４内に固着されている。
そして、排ガスの流動する排気管１５に装着され
る。なお、検出部の各電極は３本のリード線１６
を介して空燃比センサの制御回路と接続される。
次に、本発明による空燃比センサの一実施例を
第２図に示す。この実施例の図は、袋管状ジルコ
ニア固体電解質先端の検出部とその駆動回路の構
成を示している。第２図において、袋管状ジルコ
ニア固体電解質２０の先端部に３つの電極を形成
してある。すなわち、内側には大気雰囲気と接す
る第１の電極２１、外側には保護膜２２を介して
排気雰囲気と接する第２の電極２３及び第３の電
極２４を形成してある。これらの電極２１，２
３，２４は白金系の材料から成り、約10μmの厚
さである。また、保護膜２２は多孔質のセラミツ
クス材料からなり、第２の電極２３上の厚さは約
100μm、第３の電極２４上の厚さは約数100μmで
ある。このように、第３の電極２４上の保護膜の
厚さは厚く、ガス拡散抵抗の度合が第２の電極２
３部より第３の電極２４部の方が大きくなつてい
る。これは、第２の電極２３でλ＝１を高応答で
検出し、第３の電極２４でλ＞１を検出するため
である。
第２図に示す。この実施例の図は、袋管状ジルコ
ニア固体電解質先端の検出部とその駆動回路の構
成を示している。第２図において、袋管状ジルコ
ニア固体電解質２０の先端部に３つの電極を形成
してある。すなわち、内側には大気雰囲気と接す
る第１の電極２１、外側には保護膜２２を介して
排気雰囲気と接する第２の電極２３及び第３の電
極２４を形成してある。これらの電極２１，２
３，２４は白金系の材料から成り、約10μmの厚
さである。また、保護膜２２は多孔質のセラミツ
クス材料からなり、第２の電極２３上の厚さは約
100μm、第３の電極２４上の厚さは約数100μmで
ある。このように、第３の電極２４上の保護膜の
厚さは厚く、ガス拡散抵抗の度合が第２の電極２
３部より第３の電極２４部の方が大きくなつてい
る。これは、第２の電極２３でλ＝１を高応答で
検出し、第３の電極２４でλ＞１を検出するため
である。
次に、第１の電極２１と第３の電極２４間には
第１の差動増幅器２５と第２の差動増幅器２６が
接続される。そして、各差動増幅器２５，２６に
は複数の抵抗が接続され、その増幅率を決めてい
る。この実施例の場合、第１の増幅器２５及び第
２の増幅器２６の増幅率はそれぞれ２倍と１倍に
設定してある。第１の増幅器２５は第１の電極２
１と第２の電極２３間の起電力e〓から理論空燃比
すなわちλ＝１を検出し、2e〓なる出力信号を第
２の差動増幅器２６に送る。すると、第２の増幅
器２６は、設定電圧をesとすると、2e〓−esなる出
力電圧を発生する。そこで、ジルコニア固体電解
質２０のポンピング電流IPを検出する電流検出抵
抗２７を介して第２の差動増幅器２６の出力端子
を第３の電極２４と接続する。
第１の差動増幅器２５と第２の差動増幅器２６が
接続される。そして、各差動増幅器２５，２６に
は複数の抵抗が接続され、その増幅率を決めてい
る。この実施例の場合、第１の増幅器２５及び第
２の増幅器２６の増幅率はそれぞれ２倍と１倍に
設定してある。第１の増幅器２５は第１の電極２
１と第２の電極２３間の起電力e〓から理論空燃比
すなわちλ＝１を検出し、2e〓なる出力信号を第
２の差動増幅器２６に送る。すると、第２の増幅
器２６は、設定電圧をesとすると、2e〓−esなる出
力電圧を発生する。そこで、ジルコニア固体電解
質２０のポンピング電流IPを検出する電流検出抵
抗２７を介して第２の差動増幅器２６の出力端子
を第３の電極２４と接続する。
ここで、電流検出抵抗２７の抵抗値をｒ、第３
の電極２４へ励起される電圧をＥとすると Ｅ＝（2e〓−es）−rIP ………(1) となる。IPは数mAオーダであるため、電流検出
抵抗２７の抵抗値ｒを10Ωとすると、電流検出抵
抗２７部における電圧ドロツプrIPは数十mVにな
る。このrIPは数十mVと小さいため、第３の電極
２４へ励起される電圧Ｅは Ｅ2e〓−es ………(2) と考えて良い。
の電極２４へ励起される電圧をＥとすると Ｅ＝（2e〓−es）−rIP ………(1) となる。IPは数mAオーダであるため、電流検出
抵抗２７の抵抗値ｒを10Ωとすると、電流検出抵
抗２７部における電圧ドロツプrIPは数十mVにな
る。このrIPは数十mVと小さいため、第３の電極
２４へ励起される電圧Ｅは Ｅ2e〓−es ………(2) と考えて良い。
第３図に外側電極の概略形状を示す。第３図に
おいて、袋管状ジルコニア固体電解質２０上の一
部に第３の電極２４が形成されており、引出しリ
ード部２８を介して外部回路と接続される。な
お、第２の電極２３についても同様であるが、両
電極は同一のイオン導電体であるジルコニア固体
電解質２０上に形成されるため、両電極の干渉を
さけるうえで互いに離した位置に配置される。
おいて、袋管状ジルコニア固体電解質２０上の一
部に第３の電極２４が形成されており、引出しリ
ード部２８を介して外部回路と接続される。な
お、第２の電極２３についても同様であるが、両
電極は同一のイオン導電体であるジルコニア固体
電解質２０上に形成されるため、両電極の干渉を
さけるうえで互いに離した位置に配置される。
第４図に上記実施例で示した空燃比センサの特
性を示している。この第４図においては空気過剰
率λに対する起電力e〓の特性を実線で示してい
る。図に示すように、第２の電極２３の触媒反応
により、起電力e〓はλ＝１近傍で急激に変化す
る。従つて、第２の差動増幅器２６の出力電圧
（2e〓−es）、すなわち第３の電極２４に印加され
る励起電圧Ｅは破線で示すような特性になる。そ
のため、第３の電極２４と第１の電極２１間に作
用する電圧は、第４図中で破線と実線で示した電
圧の差電圧になる。この結果、λ＞１のリーン領
域では第３の電極２４に対して第１の電極２１の
電圧値が約0.5ボルトだけ高くなり、保護膜２２
を介して第３の電極２４へ拡散で流入する酸素を
ジルコニア固体電解質２０を介して大気側にポン
ピングする。これにより、電流検出抵抗２７には
正方向のポンプング電流IPが流れ、図中に実線で
示すように空気過剰率λに対して線型の特性が得
られる。
性を示している。この第４図においては空気過剰
率λに対する起電力e〓の特性を実線で示してい
る。図に示すように、第２の電極２３の触媒反応
により、起電力e〓はλ＝１近傍で急激に変化す
る。従つて、第２の差動増幅器２６の出力電圧
（2e〓−es）、すなわち第３の電極２４に印加され
る励起電圧Ｅは破線で示すような特性になる。そ
のため、第３の電極２４と第１の電極２１間に作
用する電圧は、第４図中で破線と実線で示した電
圧の差電圧になる。この結果、λ＞１のリーン領
域では第３の電極２４に対して第１の電極２１の
電圧値が約0.5ボルトだけ高くなり、保護膜２２
を介して第３の電極２４へ拡散で流入する酸素を
ジルコニア固体電解質２０を介して大気側にポン
ピングする。これにより、電流検出抵抗２７には
正方向のポンプング電流IPが流れ、図中に実線で
示すように空気過剰率λに対して線型の特性が得
られる。
逆に、λ＜１のリツチ領域では第１の電極２１
に対して第３の電極２４の電圧値が約0.5ボルト
だけ高くなり、大気雰囲気中よりジルコニア固体
電解質２０を介して第３の電極２４へ酸素をポン
ピングし、保護膜２２を介して第３の電極２４部
へ拡散で流入する未燃ガスを燃焼させる。この結
果、電流検出抵抗２７部で検出されるポンピング
電流IPは負方向となり、図中に実線で示すように
空気過剰率λに対して線型の特性が得られる。
に対して第３の電極２４の電圧値が約0.5ボルト
だけ高くなり、大気雰囲気中よりジルコニア固体
電解質２０を介して第３の電極２４へ酸素をポン
ピングし、保護膜２２を介して第３の電極２４部
へ拡散で流入する未燃ガスを燃焼させる。この結
果、電流検出抵抗２７部で検出されるポンピング
電流IPは負方向となり、図中に実線で示すように
空気過剰率λに対して線型の特性が得られる。
このように、第３の電極２４と第１の電極２１
間に作用する電圧の向きは起電力e〓を利用するこ
とにより、λ＝１で円滑に切り換えられる。そし
て、リツチ領域からリーン領域までの広い範囲の
空燃比を線形に検出することができる。なお、λ
＝１におけるポンプ電流はIP＝０であつた。
間に作用する電圧の向きは起電力e〓を利用するこ
とにより、λ＝１で円滑に切り換えられる。そし
て、リツチ領域からリーン領域までの広い範囲の
空燃比を線形に検出することができる。なお、λ
＝１におけるポンプ電流はIP＝０であつた。
なお、ジルコニア固体電解質２０は、袋管状で
なく内側に大気を導入できるならば板状のもので
もよい。
なく内側に大気を導入できるならば板状のもので
もよい。
また、外側電極の配置は種々考えられるが、起
電力e〓を検出するためのものは必ずしも高温部に
配置する必要はなく、栓体１４側に近い方に配置
してもよい。
電力e〓を検出するためのものは必ずしも高温部に
配置する必要はなく、栓体１４側に近い方に配置
してもよい。
また、第１及び第２の差動増幅器からなるアナ
ログ回路の機能をデイジタル回路で代用するか、
あるいはマイクロコンピユータに置換するもので
もよい。
ログ回路の機能をデイジタル回路で代用するか、
あるいはマイクロコンピユータに置換するもので
もよい。
以上の説明から明らかなように本発明によれ
ば、リツチ領域からリーン領域までの広い範囲の
空燃比を簡単な構成で円滑に、しかも線形に高精
度で応答性を損うことなく検出できるという極め
て優れた効果が得られる。
ば、リツチ領域からリーン領域までの広い範囲の
空燃比を簡単な構成で円滑に、しかも線形に高精
度で応答性を損うことなく検出できるという極め
て優れた効果が得られる。
第１図は本発明による空燃比センサの実装状態
図、第２図は本発明による空燃比センサの一実施
例を示す図、第３図は本発明による空燃比センサ
における外側電極の形状を示す図、第４図は本発
明における空燃比センサの特性を示す図、第５図
は各領域の空燃比を個別に検出する公知の空燃比
センサの基本原理を示す図、第６図は従来の空燃
比センサの特性を示す図である。 ２０…袋管状のジルコニア固体電解質、２１…
第１の電極、２２…保護膜、２３…第２の電極、
２４…第３の電極、２５…第１の差動増幅器、２
６…第２の差動増幅器。
図、第２図は本発明による空燃比センサの一実施
例を示す図、第３図は本発明による空燃比センサ
における外側電極の形状を示す図、第４図は本発
明における空燃比センサの特性を示す図、第５図
は各領域の空燃比を個別に検出する公知の空燃比
センサの基本原理を示す図、第６図は従来の空燃
比センサの特性を示す図である。 ２０…袋管状のジルコニア固体電解質、２１…
第１の電極、２２…保護膜、２３…第２の電極、
２４…第３の電極、２５…第１の差動増幅器、２
６…第２の差動増幅器。
Claims (1)
- １ 袋管状の固体電解質と、前記固体電解質の内
側に形成され、大気雰囲気中に接する第１の電極
と、前記固体電解質の外側に形成され、保護膜を
介して排気雰囲気に接する第２の電極及び第３の
電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間
の起電力から理論空燃比を求め、その求められた
理論空燃比点でステツプ状に変化する出力信号を
出力する第１の演算器と、前記第１の演算器から
の出力信号と設定電圧との差電圧に応じた励起電
圧を前記第１の電極と前記第３の電極との間に印
加する第２の演算器とを備え、前記第２の演算器
は前記励起電圧をリーン領域では正、リーン領域
では負になるように制御するための手段であり、
前記励起電圧を印加したときに前記第１の電極と
前記第３の電極との間に流れる電流の極性の大き
さとに基づいてリツチ領域からリーン領域までの
空燃比を検出することを特徴とする空燃比セン
サ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59212542A JPS6191559A (ja) | 1984-10-12 | 1984-10-12 | 空燃比センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59212542A JPS6191559A (ja) | 1984-10-12 | 1984-10-12 | 空燃比センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6191559A JPS6191559A (ja) | 1986-05-09 |
| JPH0473550B2 true JPH0473550B2 (ja) | 1992-11-24 |
Family
ID=16624400
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59212542A Granted JPS6191559A (ja) | 1984-10-12 | 1984-10-12 | 空燃比センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6191559A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8763351B2 (en) * | 2007-07-05 | 2014-07-01 | Greene, Tweed Technologies, Inc. | Method of packaging for thin fragile parts |
-
1984
- 1984-10-12 JP JP59212542A patent/JPS6191559A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6191559A (ja) | 1986-05-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |