JPH0641167Y2 - 空燃比検出器 - 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との比、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気ガス中の酸素濃度を検出
して、その検出値にもと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、もって排気ガス中の
有害成分量を低減させることは現在行われている。

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ッチ領域での
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、それに伴なって両電極間に電流が流れ
るが酸素イオン透過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現象を利用し
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リーン領域の空燃比
しか検出できないことからリーンミクスチャセンサとも
呼ばれており、リッチ領域での空燃比の検出はほとんど
不可能である。

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ッチ領域側での運転
が好ましいことから、リッ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本考案者らは例えば第７図に示
す空燃比検出器を提案した。第７図は従来の空燃比検出
器の一例の断面図であり、図中、１及び４は試験管型の
酸素イオン透過性固体電解質素子であり、各々の内外表
面に白金等よりなる電極3a,3b,5a及び5bが形成されてい
る。また、素子１の閉端部にはガス拡散孔２が設けてあ
る。なお、６はシール材、７は発熱体、８は管状ヒー
タ、9,10および11はリード金具、12は絶縁管である。

この空燃比検出器は素子４を酸素ポンプとし、素子４の
内側（大気開放）から素子１と４で囲まれた空間内に酸
素を汲み入れ、ガス拡散孔２より拡散してきた排気ガス
中の未燃焼成分と反応させた後の残留酸素濃度を限界電
流式酸素センサである素子１により検出するものであ
る。

〔考案が解決しようとする問題点〕

この空燃比検出器の出力特性（Ｖ−Ｉ特性）を第８図に
示す。図より明らかなように、リーン側（A/F＝15〜1
7）では予想通りの出力特性が得られたのに対し、リッ
チ側（A/F＝12〜14）ではかなり予想（破線で示す）と
は異なった出力特性が得られた。これは素子１と素子４
で囲まれた空間内が酸素ポンプ（素子４）により常に大
気より酸素を汲み入れられているので常時リーン状態で
あるため、排気ガスがリッチ状態の場合、素子１が濃淡
電池として働き両電極3a及び3b間に起電力が発生するた
めである。従って、リッチ側ではこの起電力の影響でＶ
−Ｉ特性曲線が予想とは異なる形状を示す。

本考案は上記従来技術における問題点を解決するための
ものであり、その目的とするところは空燃比が理論空燃
比よりも低いリッチ側でも限界電流式酸素センサを構成
する素子の内外両面に形成した電極間に起電力が発生す
ることを防ぎ、理想的な出力特性を持つ空燃比検出器を
提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち本考案の空燃比検出器は、内外両面に電極を形
成し該電極を直流電源に接続して酸素ポンプを構成した
筒状、一端を閉端部とした筒状又は板状の酸素イオン透
過性固体電解質よりなる第１の素子と、ガス拡散孔又は
ガス拡散層を設け内外両面に電極を形成し該電極を電圧
源に接続して限界電流式酸素センサを構成した筒状、一
端を閉端部とした筒状又は板状の酸素イオン透過性固体
電解質よりなる第２の素子とを備えてなり、前記第１の
素子の外面と前記第２の素子の内面との間に空間を設け
前記第１の素子を、前記空間に酸素を供給する酸素ポン
プとなし、且つ前記第１の素子の内面側の空間は大気雰
囲気であり、更に該第２の素子の外面に形成した電極が
排気ガスに対して浄化触媒作用を有しない材料よりなる
ことを特徴とする。

第１の素子及び第２の素子の形状は、前記の如く筒状、
一端を閉端部とした筒状又は板状とする。又、第１の素
子及び第２の素子の大きさや第１の素子と第２の素子と
の間に設ける空間の大きさは、空燃比検出器の性能特性
等を考慮して適宜選択する。

本考案の空燃比検出器において、内面とは、素子の形状
が筒状又は一端を閉端部とした筒状である場合には、筒
状素子の内壁面（大気雰囲気側の面）を意味する。又、
素子の形状が板状である場合には、筒状の支持体（例え
ば管状ヒータ）の内周面にその外周面を嵌着させて取り
付けられた板状素子の大気雰囲気側の面を意味する。

又、本考案の空燃比検出器において、外面とは、素子の
形状が筒状又は一端を閉端部とした筒状である場合に
は、筒状素子の外壁面（大気雰囲気側と反対の面）を意
味する。又、素子の形状が板状である場合には、筒状の
支持体（例えば管状ヒータ）の内周面にその外周面を嵌
着させて取り付けられた板状素子の大気雰囲気側と反対
の面を意味する。

第１の素子と第２の素子との間に設ける空間には酸素ポ
ンプ（第１の素子）により大気雰囲気から酸素が汲み入
れられるが、従来は第２の素子の外面に形成した電極が
白金などの排気ガス浄化触媒作用を有する材料よりなる
ものであったため第２の素子が濃淡電池として働き起電
力が発生した。すなわち素子が濃淡電池として働いてそ
の両電極間に起電力が発生するのは両電極に接触する酸
素濃度の比が非常に異なる場合であり、例えば第２の素
子の外面電極側のA/Fが多少リッチ状態となってもこれ
だけでは酸素はまだ10^-1vol.％程度はあるので濃淡電池
としては作用しない。しかし、電極に排気ガス浄化触媒
作用があると排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素等と10
^-1vol.％程度の酸素とが反応して例えば10^-27vol.％程
度まで酸素濃度が低下して濃淡電池として作用してしま
う。

したがって、第２の素子の外面に形成する電極の材料と
しては例えば金（Au），銀（Ag），炭化ケイ素（SiC）
等の導電性はあるが排気ガスに対して浄化触媒作用のな
いものがよい。これらの材料は単独でも組合せても使用
することができる。又、厚さや形状等は特に限定されな
い。

酸素イオン透過性固体電解質は、この種の空燃比検出器
または酸素センサに用いられるものがそのまま使用され
る。すなわち、酸化ジルコニウムに酸化イットリウムな
どを添加したものを用いることができる。

固体電解質の表面に設けられる電極は、白金等により常
法にしたがって通気性薄膜状に形成する。この電極は、
例えば板状又は筒状の固体電解質の両面に表裏両面の電
極で対になるようにして一対設ける。電極が固体電解質
の表裏両面のそれぞれ対応する部位に対応する面積とな
るように設ける。

ガス拡散孔の形成は、形成された固体電解質の板状体又
は筒状体にレーザービーム等によりあけてもよいし、ま
た成形の際糸などの消失性物質を入れておき、固体電解
質の焼成と同時に設ける等、常法にしたがって行ってよ
い。ガス拡散層の形成は、筒状体の開口端又は板状体の
穿孔部にセラミックフィルタを接合するとか、または目
の粗いセラミック多孔体上にプラズマ溶射などによって
多孔質セラミックコーティング層を形成するなどの方法
によって設ける。このガス拡散孔、拡散層はリーンミク
スチャセンサに設けるものと同じ目的で設けられる。

拡散孔は１個または複数個設けてもよい。主拡散孔の周
囲にリーンミクスチャセンサの出力調整のための複数の
出力調整孔を設け、標準出力からのずれに応じてセラミ
ックペースト、セラミック繊維等で塞ぐようにすれば個
々のリーンミクスチャセンサの出力のばらつきをなくす
ことができる。

またガス拡散層には白金、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、ニッケル等の触媒金属の活性を高める成
分を併用して担持してもよい。更に拡散層を多層例えば
２層に分け、排気ガスの流入側には細孔径のより大きな
層を設ければ閉塞が更に起りにくくなってなおよい。

前記第１及び第２の素子を所定温度に加熱するために例
えばヒータを設けてもよい。ヒータの形状は特に限定さ
れないが例えばその内部に素子を包含し得る管状ヒータ
などが使用し易い。管状ヒータは、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ック等の無機質材
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。

〔実施例〕

以下に図面に基づいて本考案を更に詳細に説明する。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図は本考案の空燃比検出器の一実施例の断面図であ
る。一端を閉端部とした酸素イオン透過性固体電解質
（酸化ジルコニウム製）からなる素子１の外表面にAu,A
g,SiC等の排気ガスに対して浄化触媒作用を有しない材
料で外側電極13を形成し、更に素子１の内表面に白金等
により内側電極3bを形成する。同様にして素子４の内外
表面に白金等により外側電極5aおよび内側電極5bを形成
する。この場合白金電極のうち少なくとも3bは触媒活性
電極とするとよい。次いで素子４を素子１内に挿入し、
ガラス等のシール材６により隙間を塞ぐ。このとき素子
１の内側電極3bと素子４の外側電極5aは電気的に接続さ
れる。次いで素子１に電極13で発生した電荷を外部へ取
り出すためのリード金具９を装着し、内部に発熱体７を
有する管状ヒータ８に挿入する。更に電極3bおよび5aで
発生した電荷を外部へ取り出すためのリード金具10、電
極5bで発生した電荷を外部へ取り出すためのリード金具
11、絶縁管12を管状ヒータ８に挿入して素子１および４
を固定する。

リード金具10,11を直流定電流電源（図示せず）に接続
して素子４に一定電流を流すことにより酸素ポンプを構
成し、これにより常に一定の酸素を素子４の内側空間か
ら素子１と素子４との隙間に流し込む。そしてこの酸素
を素子１に設けられた拡散孔２を通して素子１と素子４
との隙間内に拡散してきた被検ガス中の未燃焼成分（ハ
イドロカーボン，一酸化炭素等）と反応された後残留酸
素濃度を、リード金具9,10を直流定電圧電源（図示せ
ず）に接続して素子１に一定電圧を印加することにより
構成した限界電流式酸素センサにより出力電流として検
出する。

この出力電流は残留酸素濃度に比例し、残留酸素濃度は
被検ガスの空燃比と直線的対応関係にあるため、出力電
流より被検ガスの空燃比を求めることができる。

第２図は本考案の空燃比検出器の出力特性を示す。従
来、A/Fが12ないし14のリッチ領域では図中破線で示す
出力特性を示したが、本考案の検出器では実線で示す出
力特性となり、リッチ領域からリーン領域まで理想的な
出力特性となったことが判る。

実施例2: 本考案の別の実施例の素子先端部分の断面図を第３図に
示す。素子１′に、ガス拡散孔の代りにセラミックコー
テイング層よりなるガス拡散層14を設けた。この場合、
ガス拡散層の平均細孔径を制御することにより出力の温
度依存性を無くすことができる。なお、セラミックコー
テイング層は必ずしも素子先端部分のみにする必要はな
く図中の電極13上に掛ってもよい。

実施例3: 第４図は本考案の別の実施例の素子の部分断面図であ
る。拡散層部分を２層に分け、被検ガスの流入側には細
孔径の大きなセラミックフィルター15を設け、次に細孔
径の小さなセラミックフィルター16を設けた。これらの
セラミックフィルターには排気ガス浄化用の触媒金属を
担持することもできる。

実施例4: 第５図は本考案の更に別の実施例の素子の拡散孔近傍の
部分断面図である。拡散孔２の周囲に更に出力調整孔17
を設けた。素子の出力の標準出力からのずれ幅に応じて
出力調整孔17を好ましくは拡散孔２に対して対称的にセ
ラミックペースト等で塞ぐことにより素子の性能のばら
つきを押えることができる。

実施例5: 第６図は板状素子を使用した本考案の更に別の例であ
る。図中、18および19は板状素子、20は定電流電源、21
は定電圧電源、22および23はリード線、24は電流測定器
を示し、他の数字は前記実施例と同じ意味を表わす。ま
た、図中の矢印は酸素（O₂）の移動方向を示す。

〔考案の効果〕

上述のように、本考案の空燃比検出器は、限界電流式酸
素センサを構成する素子に形成する電極のうち、排気ガ
スに接触する側の電極を排気ガスに対して浄化触媒作用
を有しない材料を用いて形成したものであるため、従来
のように前記素子が濃淡電池を形成せず、したがってそ
れによる出力特性曲線の、空燃比が理論空燃比よりも小
さい領域（リッチ領域）における予想からのずれが生じ
ないため、リッチ領域からリーン領域にわたって理想的
な出力特性を示すものとなり、信頼性や制御性の向上に
大きな効果を奏する。

【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の断面図、 第２図は本考案の検出器の出力特性の一例を示すグラ
フ、 第３図ないし第５図は本考案の検出器の別の実施例の素
子先端部分の断面図、 第６図は本考案の検出器の更に別の実施例の断面図、 第７図は従来の空燃比検出器の一例の断面図、 第８図は従来の検出器の出力特性の一例を示すグラフで
ある。 図中、 1,1′,1″,1,4,18,19……素子 ２……拡散孔、3a,3b,5a,5b,13……電極 ６……シール材、７……発熱体 ８……管状ヒータ、9,10,11……リード金具 12……絶縁管、14……ガス拡散層 15,16……セラミックフィルター 17……出力調整孔、20……定電流電源 21……定電圧電源、22,23……リード線 24……電流測定器

───────────────────────────────────────────────────── 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 9218−2Ｊ ３２７ Ｅ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】内外両面に電極を形成し該電極を直流電源
   に接続して酸素ポンプを構成した筒状、一端を閉端部と
   した筒状又は板状の酸素イオン透過性固体電解質よりな
   る第１の素子と、ガス拡散孔又はガス拡散層を設け内外
   両面に電極を形成し該電極を電圧源に接続して限界電流
   式酸素センサを構成した筒状、一端を閉端部とした筒状
   又は板状の酸素イオン透過性固体電解質よりなる第２の
   素子とを備えてなり、前記第１の素子の外面と前記第２
   の素子の内面との間に空間を設け前記第１の素子を、前
   記空間に酸素を供給する酸素ポンプとなし、且つ前記第
   １の素子の内面側の空間は大気雰囲気であり、更に該第
   ２の素子の外面に形成した電極が排気ガスに対して浄化
   触媒作用を有しない材料よりなることを特徴とする空燃
   比検出器。