JPH0534316A - 空燃比検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃機関等の燃焼装置の運転空燃比（Ａ／
Ｆ）が燃焼過濃域から燃焼希薄域までの全域または一部
区域において正しく検知でき、精度よくかつ容易なフィ
ードバック制御ができる利点を有する空燃比検知装置の
提供。 【構成】 酸素イオン伝導性固体電解質６、１３の両面
に多孔性電極を設けた固体電解質酸素濃淡電池素子１０
および固体電解質酸素ポンプ素子と、電気絶縁性部材の
表面に金属酸化物半導体を設けた酸素基準素子１７とを
備え、前記酸素濃淡電池素子と前記酸素ポンプ素子とを
小間隙ｇを介して対向配置し、前記金属酸化物半導体に
より与えられる電気性質の変化と、前記酸素濃淡電池素
子の起電力ｅまたは前記酸素ポンプ素子のポンプ電流Ｉ
ｐのいずれかによって与えられる出力信号２８とにより
空燃比を検知するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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
空燃比を測定、もしくは制御するための検知装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】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って生じる
起電力の変化によっ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１４．７である時は
大きな変化出力を得られるが、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。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】特願昭５８−１５３１
５５号において、板状の酸素イオン導電性固体電解質の
先端の両面に電極層を設けた素子を、２枚間隔において
平行状に配して上記先端に間隙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
雰囲気と前記間隙部との酸素濃度差によって作動する酸
素濃淡電池素子とした酸素濃度検知装置を提案してい
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持つことが判った。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
るかはっきりしている場合等にしか適用できないという
問題点があった。

【０００４】この発明の第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
フィードバック制御を行う場合において精度よくかつ容
易なフィードバッ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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この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
酸素ポンプ素子と、電気絶縁性部材の表面に金属酸化物
半導体を設けた酸素基準素子とを備え、前記酸素濃淡電
池素子と前記酸素ポンプ素子とを小間隙を介して対向配
置し、前記金属酸化物半導体により与えられる電気性質
の変化と、前記酸素濃淡電池素子の起電力または前記酸
素ポンプ素子のポンプ電流のいずれかによって与えられ
る出力信号とにより空燃比を検知するようにしたことを
構成とする。

【０００６】

【発明の効果】この発明の空燃比検知装置は、上記構成
によりつぎの効果を奏る。１つのセンサプローブを用い
て空燃比（Ａ／Ｆ）を燃料過濃域から燃料希薄域までの
全域もしくは一部区域において正しく検知することがで
きる。

【０００７】

【実施例】この発明を図に示す一実施例に基づき説明す
る。図１〜図６は、この発明の実施例を示す。１は、燃
焼装置である内燃機関の排気管、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分である。３は、
空燃比検知栓部分２の固体電解質酸素ポンプ素子で、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を設けた、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）６と、イオン伝導性固体電解質６の片側面、例
えば多孔質白金電極層５の設けられた側の面に、多孔質
白金電極層５の部分を塞がないように多孔質白金電極層
５の形状に適応した開口である窓部ａを有する厚さが約
０．２５ｍｍの平板状で、熱伝導性に優れる電気絶縁性
の部材（例えばアルミナやスピネルなど）よりなる高熱
伝導性電気絶縁性素地７と、高熱伝導性電気絶縁性素地
７のイオン伝導性固体電解質６の側の面とは反対側の面
の窓部ａの外周部で、窓部ａの外周縁部と高熱伝導性電
気絶縁性素地７の外周縁部とにそれぞれ間隙を有するよ
う設けられた電熱ヒータ８と、電熱ヒータ８が設けられ
た高熱伝導性電気絶縁性素地７の面で電熱ヒータ８を内
設し、外部と遮断するよう設けられた高熱伝導性電気絶
縁性素地７と同様の多孔質白金電極層５を開口する窓部
ｂを有した平板状の高熱伝導性電気絶縁性素地９とによ
り構成されている。

【０００８】１０は、空燃比検知栓部分２の固体電解質
酸素濃淡電池素子で、両側面に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
１１および１２を設けて構成された前記イオン伝導性固
体電解質６と同様の平板状のイオン伝導性固体電解質１
３と、前記高熱伝導性電気絶縁性素地７と同様にイオン
伝導性固体電解質１３の片側面である多孔質白金電極層
１１の設けられた側の面に取付けられた多孔質白金電極
層１１の部分を開口する窓部ｃを有した高熱伝導性電気
絶縁性素地１４と、前記電熱ヒータ８と同様に高熱伝導
性電気絶縁性素地１４のイオン伝導性固体電解質１３の
側の面とは反対側の面で窓部ｃの外周部に設けられた電
熱ヒータ１５と、電熱ヒータ１５の設けられた高熱伝導
性電気絶縁性素地１４の面で、電熱ヒータ１５を内設
し、外部と遮断するよう設けられた高熱伝導性電気絶縁
性素地１４と同様多孔質白金電極層１１を開口する窓部
ｄを有した平板状の高熱伝導性電気絶縁性素地１６とか
ら構成されている。

【０００９】１７は空燃比検知栓部分２の酸素基準素子
で、ここでは排気ガスの流通を妨げないよう開口部ｆを
有した厚さが約１ｍｍの平板状の電気絶縁性で、熱伝導
性に優れた例えばアルミナなどの高熱伝導性電気絶縁性
板状部材１８と、高熱伝導性電気絶縁性板状部材１８の
片側面の開口部ｆの上部で、厚膜技術を用いて約５０μ
ほどの厚さに設けられた金属酸化物半導体（例えばチタ
ニアエレメント）１９とから構成されている。なお前記
酸素ポンプ素子３、酸素濃淡電池素子１０および酸素基
準素子１７に設けられた各電気素子（４、５、８、１
１、１２、１５、１９）には外部に導通すべく、それぞ
れにリード線２０が厚膜技術により設けてある。

【００１０】前記酸素ポンプ素子３の多孔質白金電極層
４側の面と、前記酸素濃淡電池素子１０の多孔質白金電
極層１２側の面を０．１ｍｍ程度の間隔寸法の小間隙ｇ
を形成して排気管１の内部で対向配置させるため、足元
部を耐熱性で絶縁性のスペーサ（充填接着材でよい）２
１を介して互いに固定されている。また酸素基準素子１
７を排気管１内に配置すべく、たとえば前記酸素濃淡電
池素子１０の小間隙ｇの側の反対側の面に間隙ｈ（大き
くてよい）を有するよう耐熱性のスペーサ２２を配して
固定されている。スペーサ２１、２２によりそれぞれ互
いに固定された酸素ポンプ素子３、酸素濃淡電池素子１
０および酸素基準素子１７の足元部の外辺部には、ねじ
部２３を有した支持台２４が、耐熱性で絶縁性である接
着部材２５により取付けられている。排気管１に設けら
れた空燃比検知栓部分２の取付け用ねじ部２６に、前記
支持台２４のねじ部２３をねじ込むことにより、空燃比
検知栓部分２が排気管１に取付けられている。

【００１１】ここで上記空燃比検知栓部分２を製造する
のに、図６に示すように、平板状のイオン伝導性固体電
解質である、例えばジルコニア固体電解質グリーンシー
トの両側面に、多孔質白金電極層とそれぞれのリード線
を厚膜技術を用いて、それぞれ所定のパターンでプリン
トし、その一方側面で高熱伝導性電気絶縁性素地であ
る、例えば平板状で窓部を有したスピネル質の２枚のグ
リーンシートの間に、電熱ヒータとする白金質の抵抗
体、およびそれぞれのリード線を挟むようにして、積層
圧着後一体焼結することにより得たセラミック積層構造
の酸素ポンプ素子３および酸素濃度電池素子１０と、平
板状で開口部を有した高熱伝導性電気絶縁性部材を、例
えばアルミナ質のセラミックとし、その片側面に例えば
チタニアなどの金属酸化物半導体用のリード線を、厚膜
技術を用いて所定のパターンでプリントし、焼結された
酸素基準素子１７（金属酸化物の厚膜は上記素子を焼結
後、雰囲気焼成して形成する）とを、小間隙ｇを形成す
るシークネスゲージと間隙ｈを形成するシークネスゲー
ジを挟んで重ね合わせにした状態で、その足元部を耐熱
性セラミック質接着剤（スペーサ）２１および２２によ
り接着固定することは有利である。

【００１２】２７は、付属する電子制御装置部分の例で
あり、上記酸素濃淡電池素子１０の多孔質白金電極層１
１、１２間に発生する起電力ｅを抵抗（Ｒ１）を介して
演算増幅器（Ａ）の反転入力端子に印加し、上記演算増
幅器（Ａ）の非反転入力端子に印加されている基準電圧
（Ｖｒ）と上記起電力ｅとの差異に比例した上記演算増
幅器（Ａ）の出力により、トランジスタ（Ｔｒ）を駆動
して上記酸素ポンプ素子３の多孔質白金電極層４、５間
に流すポンプ電流Ｉｐを制御する機能を備えている。す
なわち、上記起電力ｅを一定値の基準電圧（Ｖｒ）に保
つのに必要な上記ポンプ電流Ｉｐを供給する作用をす
る。直流電流（Ｂ）から供給される上記ポンプ電流Ｉｐ
に対応した出力信号を出力端子２８に得るために抵抗
（Ｒ０）を備えている。（Ｃ）はコンデンサである。ま
た酸素基準素子１７が排気管１内で酸素濃度の差に応じ
て生ずる金属酸化物半導体１９の抵抗値の変化を検知す
るための出力端子２９を備えており、排気管１内で金属
酸化物半導体１９と多孔質白金電極層４、５および１
１、１２を加熱する電熱ヒータ８、１５には、それぞれ
加熱用の電源３０および３１が導通されている。

【００１３】図７および図８は、上記図１〜図６に示し
た空燃比検知装置の特性図である。図７は出力端子２９
にて金属酸化物半導体１９の抵抗値の変化を示したもの
で、理論空燃比１４．７より小さい範囲の空燃比域（燃
料過濃域）では小さな抵抗値を示し、そして理論空燃比
１４．７付近で急激に増大し、理論空燃比１４．７より
大きい範囲の空燃比域（燃料希薄域）では、大きい抵抗
値を示す。

【００１４】図８は、基準電圧（Ｖｒ）を例えば２０ｍ
Ｖ一定にしたもので、起電力ｅを２０ｍＶにすべく理論
空燃比１４．５より小さい範囲の空燃比域（燃料過濃
域）で上記汲み出し方向のポンプ電流Ｉｐは空燃比の増
大に対して減少し、理論空燃比１４．７より大きい範囲
の空燃比域（燃料希薄域）では上記ポンプ電流Ｉｐは空
燃比の増大に対して増大する。この実施例は、図７及び
図８に示すごとき特性を利用するものである。

【００１５】抵抗値の変化を検知する出力端子２９につ
いては、最大抵抗値と最小抵抗値との中間に任意の基準
点であるＰ点を設定し、抵抗値がＰ点より小さい時（燃
料過濃域）とＰ点より大きい時（燃料希薄域）を感知さ
せるようにする。そこで上記機関が燃料過濃域で運転さ
れた場合は、上記金属酸化物半導体１９の抵抗値はＰ点
より小さく、この情報とこの時の酸素ポンプ素子３のポ
ンプ電流Ｉｐに対応した出力信号を検知することによ
り、燃料過濃域でのきめ細かな制御または測定ができ
る。また上記機関が燃料希薄域で運転された場合は、上
記金属酸化物半導体１９の抵抗値はＰ点より大きく、こ
の情報とこの時の酸素ポンプ素子３のポンプ電流Ｉｐに
対応した出力信号を検知することにより、燃料希薄域で
のきめ細かな制御または測定ができる。また上記機関を
理論空燃比１４．７にて制御する場合は、抵抗値を検知
する出力端子２９では理論空燃比１４．７付近で抵抗値
が急激に低減する特性を利用し、直接フィードバック制
御信号として空燃比制御を行う。

【００１６】上記構成により燃料過濃域および燃料希薄
域の広い範囲においても、上記機関の空燃比の数値を正
確に測定することが可能な空燃比検知装置を得ることが
できるのである。このことを利用すれば、希望の空燃比
を設定すれば排気管１に取付けられた空燃比検知栓部分
２により現状の空燃比を検知し、そのフィードバックに
より連続して希望の空燃比を制御することができる。

【００１７】上記のように燃料希薄域においてポンプ電
流Ｉｐが空燃比に比例して変化することについては例え
ば前記特開昭５８−１５３１５５号に記載されている。
すなわち小間隙ｇ内に導入された排気ガスの酸素分圧
を、上記酸素ポンプ素子３の作用により変更することに
より、排気管１内を流れる排気ガスの酸素分圧と差異を
持たせ、この酸素分圧の差異に応じて発生する上記酸素
濃淡電池素子１０の起電力ｅが一定となるように、上記
酸素ポンプ素子３に供給される汲み出しポンプ電流Ｉｐ
を制御する時、このポンプ電流Ｉｐは上記排気ガス中の
酸素濃度に比較して変化することが判明したのである。
なお燃料過濃域の酸素汲み出しモードにおいて上記のよ
うな動作をする理由は、ＣＯガスに感応するためと思わ
れる。

【００１８】上記実施例ではヒータを酸素ポンプ素子と
酸素濃淡電池素子とにそれぞれ一体状に設けた場合を示
したが、ヒータを、上記各素子と並べて配設する酸素基
準素子の高熱伝導性電気絶縁性部材からなる基板を、開
口を有しない平板状に作ってこれに埋設し、酸素基準素
子の金属酸化物と前記素子に相隣る素子の電極部分とが
加熱されるようにしてもよく、またさらには、被測定ガ
スの温度が常に充分に高くて、特に加熱しなくても各素
子が活性化されるような場合には、ヒータを設けなくて
よいことはもちろんである。

【００１９】上記実施例では、金属酸化物半導体１９の
抵抗値を用いて燃料過濃域と燃料希薄域との判断基準と
したが、他に図９に示す如く直列抵抗と組合わせた金属
酸化物半導体１９を通過した電圧の比率（印加電圧の
％）の変化の特性を利用しても良い。

【００２０】酸素ポンプ素子３のポンプ電流Ｉｐの向き
は小間隙ｇから酸素を汲み出す方向（Ｉｐ＞０）に流し
たが、逆に排気管１内の排気ガス中から酸素を汲み込む
方向（Ｉｐ＜０）に流しても酸素濃淡電池素子１０の主
力を一定とするポンプ電流Ｉｐは図１０に示すごとく空
燃比に対応して変化するので、この特性を利用しても良
い。

【００２１】また酸素ポンプ素子３のポンプ電流Ｉｐ
（小間隙ｇからの酸素の汲み出しの場合と汲み込みの場
合との両方を含む）を一定に制御したときの酸素濃淡電
池素子１０の発生起電力ｅも空燃比に対応して変化する
ので、この特性を利用することもできる。

【００２２】この発明は、上記空燃比検知栓部分２より
得られる諸特性などを単独、もしくは複数利用してそれ
ぞれフィードバック制御するように必要に応じ随時頻繁
にモードを切替えながら、全運転範囲で連続的に空燃比
のフィードバック制御を行わしめるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の空燃比検知装置の実施例を示す構成
図である。

【図２】図１のイ−イ線に沿う断面図である。

【図３】図２のロ−ロ線に沿う断面図である。

【図４】図２のハ−ハ線に沿う断面図である。

【図５】図２のニ−ニ線に沿う断面図である。

【図６】酸素ポンプ素子および酸素濃淡電池素子の分解
図である。

【図７】空燃比と金属酸化物半導体の抵抗値との変化を
示す特性図である。

【図８】酸素濃淡電池素子の起電力ｅを一定とする酸素
ポンプ素子の汲み出しポンプ電流Ｉｐの空燃比に対する
変化を示す特性図である。

【図９】空燃比と印加電圧の％との変化を示す特性図で
ある。

【図１０】酸素濃淡電池素子の起電力ｅを一定とする酸
素ポンプ素子の押し込みポンプ電流Ｉｐの空燃比に対す
る変化を示す特性図である。

【符号の説明】

１ 排気管 ３ 固体電解質酸素ポンプ素子 ６ 、１３ イオン伝導性固体電解質 １０ 固体電解質酸素濃淡電池素子 １７ 酸素基準素子 ２８ 出力信号 ａ、ｂ、ｃ、ｄ 窓部 ｅ 起電力 ｇ 小間隙 Ｉｐ ポンプ電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 6923−2Ｊ ３２７ Ｐ 6923−2Ｊ 27/58 Ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 酸素イオン伝導性固体電解質の両面に多
   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と、電気絶縁性部材の表面に金
   属酸化物半導体を設けた酸素基準素子とを備え、前記酸
   素濃淡電池素子と前記酸素ポンプ素子とを小間隙を介し
   て対向配置し、 前記金属酸化物半導体により与えられる電気性質の変化
   と、前記酸素濃淡電池素子の起電力または前記酸素ポン
   プ素子のポンプ電流のいずれかによって与えられる出力
   信号とにより空燃比を検知するようにした空燃比検知装
   置。