JPH0518691Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、内燃機関等における空気と燃料の
比、すなわち空燃比を検出するための検出器に関
するものである。

（従来の技術） 自動車等の内燃機関からの排ガス中の酸素濃度
を検出して、その検出値に基づいて内燃機関に送
る空気量および燃料供給量をコントロールし、も
つて排ガス中の有害成分量を低減させることは現
在おこなわれている。

しかして、現在自動車等の内燃機関等で実用化
されている酸素濃度を検出するための空燃比検出
器（酸素センサ）は、酸素濃淡電池の原理を利用
したもの、具体的には両面に電極を設けた酸素イ
オン透過性固体電解質で測定ガス（排ガス）と基
準ガス（酸素濃度が一定のガス、例えば大気エ
ア）を仕切り、両側の酸素分圧差により電極間に
生じる起電力を検知するようにしたものであり、
このものはその特性上理論空燃比（Ａ／Ｆ＝
14.6）の検出は可能であるが、それ以外の領域す
なわち理論空燃比よりも高い値のリーン領域ある
いは逆に低い値のリツチ領域での空燃比の検出は
不可能である。

また、酸素イオン透過性固体電解質セルの両面
に通気性薄膜状電極を設け、この両電極間に電圧
を印加すると、陰極側から陽極側に酸素イオンが
透過し、それに伴つて両電極間に電流が流れるが
陰極への酸素到達量を制限してやると、印加電圧
を増大させてもある値以上は電流が増加しない原
理を利用して酸素濃度を検出する限界電流式酸素
センサが開発され、リーン領域での空燃比を検出
することが検討されている。この限界電流式酸素
センサは、上記のように測定ガス（排ガス）中の
酸素を該測定ガス側の電極（陰極）から他方の電
極（陽極）へ透過させることによつて、空燃比を
測定することから測定ガス中に充分な酸素が存在
しないリツチ領域の排ガスは充分に測定できな
い。

しかしながら、例えば自動車の場合、通常走行
時はより燃料の希薄なリーン領域での運転が好ま
しいが、登坂時などの高出力を必要とする時には
リツチ領域側での運転が好ましいことから、リツ
チ領域からリーン領域までの空燃比を検出できる
検出器が望まれている。

上記問題を解決するために、酸素ポンプの原理
を利用して、基準ガス側から固体電解質を通して
測定ガス側へ一定量の酸素を送入して、もつてリ
ツチ領域の空燃比を測定する方法が提案されてい
る。このような空燃比検出器としては、例えば第
６図に示すように、一端を閉端部となし、該閉端
部にガス拡散孔７またはガス拡散層を設けた筒状
体８に該筒状体内を閉端部側と非閉端部側とに分
割するように平板状の酸素イオン透過性固体電解
質１を設け、該固体電解質１の両面に表裏で一対
となる電極を２対設け、そのうちの一対の電極２
ｂ，３ｂを直流電源に接続して酸素ポンプを構成
し、もう一方の一対の電極２ａ，３ａを電圧源に
接続して限界電流式酸素センサを構成させるか、
第７図に示すように、前記固体電解質１とは別に
筒状体内の閉端部側に第２の酸素イオン透過性固
体電解質９を設け、該第２の固体電解質の両面に
前記２対の電極のうちの一方の対の電極を設けて
限界電流式酸素センサを構成した空燃比検出器が
提案されている。

これらの空燃比検出器においては、酸素ポンプ
によつて常に一定量の酸素が排気ガス等が流入し
てくる空間に送り込まれるため、排気ガス中に未
燃焼成分が残るような燃料の多いリツチ領域にお
いても空燃比を検出することができる。

（考案が解決しようとする問題点） しかしながら、上記に示したリーン領域からリ
ツチ領域にわたる酸素濃度を検出する空燃比検出
器は、現在実用化されているリーンミクスチヤセ
ンサーとは構造的に大きく異なるため、その実用
化にあたつてリーンミクスチヤセンサーについて
得られている技術を活用することができないとい
う問題点がある。

また上記２つの空燃比検出器は排気ガスを導入
する拡散孔または拡散層と酸素濃度センサの陰極
との間に空間が存在するため応答速度が遅くなる
という問題がある。

本考案は上記問題点を解決し、リーン領域から
リツチ領域まで幅広い領域の酸素濃度を検出する
ことができ、しかも従来のリーンミクスチヤセン
サーと構造的に類似しており、そして拡散層が酸
素濃度センサの陰極に密着した空燃比検出器を提
供することを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本考案の空燃比
検出器は酸素イオン透過性固体電解質よりなる一
端を閉止した筒状体の内外面に電極を形成し、そ
の際筒状体の外側に設ける外側電極を２分割して
一方の外側電極と他方の外側電極が交互に隣り合
うように形成し、そして外側電極上に拡散律速層
を形成し、一方の外側電極と内側電極とを直流電
源に接続して内側電極から外側電極へと筒状体内
部の基準ガスの酸素を移動させる酸素ポンプを構
成し、他方の外側電極と内側電極とを電圧源に接
続して限界電流式酸素センサを構成したことを特
徴とする。

素子を形成する酸素イオン透過性固体電解質
は、限界電流式酸素濃度検出器に通常使用される
もの、例えば酸化ジルコニウムに酸化イツトリウ
ムなどを添加したものが使用できる。素子を形成
する筒状体の形状は強度の点から円筒体が好まし
いが、角筒体など他の筒状体であつもよい。

固体電解質の内外表面に設けられる電極は、白
金等によりめつき等の常法に従つて通気性薄膜状
に形成することができる。この際外側電極は所望
の位置で２分割される。分割は外側電極が交互に
隣り合うように、例えば縦方向または横方向のく
し歯状の区分線により行われる。

拡散律速層は、例えばアルミナ等の耐熱性セラ
ミツクスにより構成される。白金、パラジウム、
ロジウム等の排気ガス浄化用の触媒金属を担持す
ればカーボン等による細孔の閉塞を防ぐことがで
きる。所望ならばランタン、セリウム、鉄、ニツ
ケル等の触媒金属の活性を高める成分を併せて担
持してもよい。更に拡散層を多層例えば２層に分
け、排気ガスに直接触れる上層には孔径のより大
きな層を設ければ閉塞が起こりにくくなつてなお
よい。

本考案では固体電解質を筒状体としているが、
酸素ポンプと限界電流式酸素センサは該筒状体の
全体を利用して作成する必要がないため、筒状体
の一部にのみ外側電極または内側電極を形成すれ
ばよい。通常、外側電極を筒状体の一部に形成す
るのが有利である。

形成方法としては、所望により外側電極と固体
電解質との間に絶縁層を設けるとよく、その場合
絶縁層は少なくとも酸素ポンプと酸素センサを形
成する部分は除いて設けられなければならない。
絶縁層には、通常この目的に使用される材料を使
用しうるが、拡散律速層に使用したものと同じ材
料を使用することができる。

素子を形成する筒状体の内部にヒータを設ける
ことにより、リーン領域における排気ガスのよう
な温度の低い排気ガスの空燃比を検出することが
できる。ヒータは、材質的には特に限定されない
が、好ましくは耐熱性セラミツク等の無機質材料
で作られたものが用いられる。発熱体としては、
ニクロム線等の線状発熱体またはプリント回路の
手法を用いて形成した面状発熱体等の通常使用さ
れるものを用いることができる。

（作用） 上記の構成とすることにより本考案の空燃比検
出器は、酸素ポンプにより常に一定量の酸素を酸
素濃度検出素子の内部から外部へ汲み出し、この
酸素と排気ガスからなる測定ガス中の酸素を酸素
濃度センサの外側電極から内側電極へ透過させる
ことにより測定するため、同一空燃比でリーンミ
クスチヤセンサよりも高い出力が得られ、リーン
領域からリツチ領域にわたる空燃比を測定でき
る。また、排気を取り入れる拡散律速層と素子の
陰極が密着しているため、空燃比の変化に対する
応答が良好である。

（実施例） 以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明す
る。なお、本考案は下記実施例に限定されるもの
ではない。

実施例１： 第１図は本考案の一実施例の断面図である。本
実施例の空燃比検出器は、一端を閉じた筒状の酸
素イオン透過性固体電解質素子１の内表面に内側
電極２を形成し、外表面に側壁の閉端部から約３
分の１の位置の側壁の周に沿つたリング状の部分
を除いて絶縁層４を形成し、該絶縁層４を含む筒
状体の外表面に外側電極３を形成し、さらにその
外側電極３の表面に拡散律速層５を形成し、素子
の内部に上記内側電極２との間に一定の空間が存
在するように管状のヒータ６を挿入してなる。外
側電極３は、上記のリング状の部分で閉端部側と
開放端部側に第２図に示すようなパターンで２分
割され、その閉端部側を酸素濃度センサの陰極３
ａとし、開放端部側を酸素ポンプの陽極３ｂとし
ている。一方、内側電極２は区分せず、酸素濃度
センサの陽極と酸素ポンプの陰極を兼ねている。
内側電極２から取り出したリード線と開放端部側
の外側電極３ｂから取り出したリード線とを直流
定電流電源（図示せず）に接続し、内部から外部
へ酸素を汲み出す酸素ポンプを構成する。また内
側電極２から取り出したリード線と閉端部側の外
側電極３ａからとりだしたリード線とを直流定電
圧電源（図示せず）に接続し、限界電流式酸素濃
度検出素子を構成することにより空燃比検出器１
０を構成する。該検出器１０は内部を大気雰囲気
とし外部を測定ガスにさらした状態で使用され
る。なお、酸素濃度センサの陰極３ａと酸素ポン
プの陽極３ｂの位置は逆にしてもよい。すなわ
ち、筒状体の閉端部側に酸素ポンプの陽極を、開
放端部側に酸素濃度センサの陰極を形成すること
もできる。

実施例２： 外側電極３を第３図に示したパターンで２つに
区分すること以外は実施例１と同じ構成の空燃比
検出器１０を製造する。

実施例３：性能比較試験 本考案の空燃比検出器及び従来のリーンミクス
チヤセンサーをそれぞれ自動車の排気系に接続し
て空燃比と出力電流との関係を調べた。結果を第
４図にしめす。

本試験により、本考案の空燃比検出器がリーン
領域からリツチ領域にわたる広い範囲で測定可能
であることが確認される。

実施例４：性能比較試験 本考案の空燃比検出器及び従来技術に示したリ
ーン領域からリツチ領域にわたる範囲で測定する
ための空燃比検出器をそれぞれ自動車の排気系に
接続して、空燃比をＡ／Ｆ＝20からＡ／Ｆ＝12へ
急激に下げたときの出力電流の経時変化を調べ
た。結果を第５図に示す。図から明らかなよう
に、本考案の空燃比検出器の酸素濃度の変化に対
するセンサの応答は上記の従来の空燃比検出器に
比べて著しく良好である。例えば図中に示した90
％応答時間は、従来の空燃比検出器では約1.5秒
であるのに対し、本考案の空燃比検出器では約
0.5秒であり、約1/3になつている。

（考案の効果） 本考案の空燃比検出器は、現在実用化されてい
るリーンミクスチヤセンサーの外側電極が２つに
区分され、酸素濃度センサと酸素ポンプを形成し
た構造をなしており、該酸素ポンプにより酸素の
一定量を素子の内側から外側へ汲み出しながら測
定するため、リーン領域からリツチ領域にわたる
広い範囲の空燃比を測定することができ、しかも
従来のリーンミクスチヤセンサーの外側電極及び
リード線の引き出し部のみを改良した構造をとつ
ているため、リーンミクスチヤセンサーにおいて
知られている技術をそのまま生かすことができ
る。また、拡散律速層と酸素濃度センサの陰極が
密接しているため、従来のリーンミクスチヤセン
サーと同様に良好な応答性を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の空燃比検出器の一実施例を示
す断面図、第２図は第１図の空燃比検出器の外側
電極の区分線の一例を示す拡大表面図、第３図は
第１図の空燃比検出器の外側電極の区分線の他の
一例を示す拡大表面図、第４図は実施例３の性能
比較試験の結果を示すグラフ、第５図は実施例４
の性能比較試験の結果を示すグラフ、第６図及び
第７図は従来例の空燃比検出器を示す断面図であ
る。 １，９……固体電解質、２，２ａ，２ｂ……内
側電極、３，３ａ，３ｂ……外側電極、４……絶
縁層、５……拡散律速層、６……ヒーター、７…
…ガス拡散孔、８……筒状体。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 酸素イオン透過性固体電解質よりなる一端を閉
   止した筒状体の内外面に電極を形成し、その際筒
   状体の外側に設ける外側電極を２分割して一方の
   外側電極と他方の外側電極が交互に隣り合うよう
   に形成し、そして外側電極上に拡散律速層を形成
   し、一方の外側電極と内側電極とを直流電源に接
   続して内側電極から外側電極へと筒状体内部の基
   準ガスの酸素を移動させる酸素ポンプを構成し、
   他方の外側電極と内側電極とを電圧源に接続して
   限界電流式酸素センサを構成したことを特徴とす
   る空燃比検出器。