JPH0711506B2 - 空燃比センサ - Google Patents
空燃比センサInfo
- Publication number
- JPH0711506B2 JPH0711506B2 JP60076221A JP7622185A JPH0711506B2 JP H0711506 B2 JPH0711506 B2 JP H0711506B2 JP 60076221 A JP60076221 A JP 60076221A JP 7622185 A JP7622185 A JP 7622185A JP H0711506 B2 JPH0711506 B2 JP H0711506B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- adsorption electrode
- oxygen
- fuel ratio
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- 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
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ガス中の酸素濃度を検出して、内燃期間など
の燃焼機器の空気と燃料との混合比を計量する空燃比セ
ンサに関する。
の燃焼機器の空気と燃料との混合比を計量する空燃比セ
ンサに関する。
燃焼排ガス中の酸素濃度を検出して空燃比を求める空燃
比センサとして、いわゆる濃淡電池（以下セルと称す）
を利用したものがある。このセルを利用した空燃比セン
サは、酸素イオンを透過させる固体電解質の両面に電極
を設けてセルを構成し、このセルを被検ガスに接触させ
るとともに、両電極間に電圧を印加し、両電極間に流れ
る電流が電圧によらず一定となる限界電流値が、被検ガ
ス中の酸素濃度に依存しているところから、限界電流値
を求めて被検ガス中の酸素濃度を検出するものである。
そして、特開昭57−48648号公報には、セルの電極に多
孔質層を設け、固体電解質内を移動する酸素イオンを律
速する旨を開示している。
比センサとして、いわゆる濃淡電池（以下セルと称す）
を利用したものがある。このセルを利用した空燃比セン
サは、酸素イオンを透過させる固体電解質の両面に電極
を設けてセルを構成し、このセルを被検ガスに接触させ
るとともに、両電極間に電圧を印加し、両電極間に流れ
る電流が電圧によらず一定となる限界電流値が、被検ガ
ス中の酸素濃度に依存しているところから、限界電流値
を求めて被検ガス中の酸素濃度を検出するものである。
そして、特開昭57−48648号公報には、セルの電極に多
孔質層を設け、固体電解質内を移動する酸素イオンを律
速する旨を開示している。
ところが、上記限界電流値は温度依存性を有しているた
め、固体電解質を一定の温度に加熱制御して使用する必
要がある。このセル温度を一定に保つ方法として、例え
ば固体電解質の内部抵抗を検出し、ヒーター加熱電源に
フイートバツクする方法がある。しかし、この場合に
は、セルに温度検出用の専用電極を設けなければなら
ず、構造が複雑となり、実用的と言えない。また、セル
の温度調節を図る手段として、セル周辺の被検ガスの流
速を低減し、セルから被検ガスへの熱伝達量を抑制する
方法がある。しかし、この場合には、被検ガスの置換速
度が減少し、セルの応答遅れをもたらすため、空燃比セ
ンサとしての精度が低下する欠点がある。
め、固体電解質を一定の温度に加熱制御して使用する必
要がある。このセル温度を一定に保つ方法として、例え
ば固体電解質の内部抵抗を検出し、ヒーター加熱電源に
フイートバツクする方法がある。しかし、この場合に
は、セルに温度検出用の専用電極を設けなければなら
ず、構造が複雑となり、実用的と言えない。また、セル
の温度調節を図る手段として、セル周辺の被検ガスの流
速を低減し、セルから被検ガスへの熱伝達量を抑制する
方法がある。しかし、この場合には、被検ガスの置換速
度が減少し、セルの応答遅れをもたらすため、空燃比セ
ンサとしての精度が低下する欠点がある。
一方、特開昭59−67454号公報には、セルの電極を多孔
質のガス拡散抵抗層をもつて覆い、このガス拡散抵抗層
の平均細孔径を300〜400Åにすると、ある温度範囲内に
おいて限界電流値の温度依存性をなくすことができる旨
を開示している。しかし、この電極をガス拡散抵抗層を
もつて覆う方法は、細孔径の分布と形状を、例えばプラ
ズマ溶射の材料や条件を管理してばらつきを所定の範囲
内に制御しなければならず、細孔径の計測手段もないた
め、事実上セルの歩止まりが小さくコスト高となる欠点
がある。
質のガス拡散抵抗層をもつて覆い、このガス拡散抵抗層
の平均細孔径を300〜400Åにすると、ある温度範囲内に
おいて限界電流値の温度依存性をなくすことができる旨
を開示している。しかし、この電極をガス拡散抵抗層を
もつて覆う方法は、細孔径の分布と形状を、例えばプラ
ズマ溶射の材料や条件を管理してばらつきを所定の範囲
内に制御しなければならず、細孔径の計測手段もないた
め、事実上セルの歩止まりが小さくコスト高となる欠点
がある。
本発明の目的は、外部環境による温度依存性を抑制し、
出力特性の向上が図れる空燃比センサを提供することに
ある。
出力特性の向上が図れる空燃比センサを提供することに
ある。
前記目的を達成するために、本発明は、酸素イオンを透
過する第１酸素イオン導電性電解質と、前記第１酸素イ
オン導電性電解質の一端側に密着されて酸素ガスを電離
する第１吸着電極と、前記第１酸素イオン導電性電解質
の他端側に密着されて酸素イオンを酸素ガスにして放出
する放出電極と、前記第１吸着電極を覆い第１吸着電極
を一定の温度に加熱する発熱体と、前記発熱体と前記第
１吸着電極との間に形成されて被検ガスを前記第１吸着
電極まで導く拡散通路と、前記放出電極を覆い理論空燃
比点を検出するストイクセルと、前記放出電極と前記第
１吸着電極間を流れる電流を検出する電流検出器とを備
え、前記ストイクセルは、酸素イオンを透過する第２酸
素イオン導電性電解質と、前記放出電極に第２酸素イオ
ン導電性電解質を介して接合されて被検ガス中の酸素ガ
スを電離する第２吸着電極とから構成され、前記放出電
極は多孔質に形成されてその一部が被検ガス中に露出さ
れ、且つプラス電源に接続され、前記第１吸着電極はマ
イナス電源に接続され、前記第２吸着電極は電流源に接
続されてなる空燃比センサを構成したものである。
過する第１酸素イオン導電性電解質と、前記第１酸素イ
オン導電性電解質の一端側に密着されて酸素ガスを電離
する第１吸着電極と、前記第１酸素イオン導電性電解質
の他端側に密着されて酸素イオンを酸素ガスにして放出
する放出電極と、前記第１吸着電極を覆い第１吸着電極
を一定の温度に加熱する発熱体と、前記発熱体と前記第
１吸着電極との間に形成されて被検ガスを前記第１吸着
電極まで導く拡散通路と、前記放出電極を覆い理論空燃
比点を検出するストイクセルと、前記放出電極と前記第
１吸着電極間を流れる電流を検出する電流検出器とを備
え、前記ストイクセルは、酸素イオンを透過する第２酸
素イオン導電性電解質と、前記放出電極に第２酸素イオ
ン導電性電解質を介して接合されて被検ガス中の酸素ガ
スを電離する第２吸着電極とから構成され、前記放出電
極は多孔質に形成されてその一部が被検ガス中に露出さ
れ、且つプラス電源に接続され、前記第１吸着電極はマ
イナス電源に接続され、前記第２吸着電極は電流源に接
続されてなる空燃比センサを構成したものである。
本発明に係る空燃比センサの好ましい実施例を、添付図
面に従つて詳説する。
面に従つて詳説する。
第１図は、本発明に係る空燃比センサの一実施例を示す
要部断面図である。
要部断面図である。
第１図において、セル10は、ジルコニア等の固体電解質
12の一側に吸着電極14が密着して設けられ、他側に放出
電極16が密着して設けられている。そして、放出電極16
上には、遮熱材としての理論空燃比点検出用セル（以
下、ストイクセルと称する。）が積層されている。この
ストイクセルは、放出電極16の表面を覆うように設けら
れており、例えば、ジルコニア等の固体電解質36とこの
固体電解質36の表面に設けた吸着電極38とから構成され
ている。この吸着電極38には、定電流源40が接続されて
いる。また、放出電極16は、袋管ジルコニア形O2センサ
の内側電極に相当し、一部が被検ガス中に露出してい
る。
12の一側に吸着電極14が密着して設けられ、他側に放出
電極16が密着して設けられている。そして、放出電極16
上には、遮熱材としての理論空燃比点検出用セル（以
下、ストイクセルと称する。）が積層されている。この
ストイクセルは、放出電極16の表面を覆うように設けら
れており、例えば、ジルコニア等の固体電解質36とこの
固体電解質36の表面に設けた吸着電極38とから構成され
ている。この吸着電極38には、定電流源40が接続されて
いる。また、放出電極16は、袋管ジルコニア形O2センサ
の内側電極に相当し、一部が被検ガス中に露出してい
る。
吸着電極14は、拡散通路20を形成している絶縁支持体22
に覆われている。絶縁支持体22は、固体電解質12に積層
され、内部に発熱体24を有している。
に覆われている。絶縁支持体22は、固体電解質12に積層
され、内部に発熱体24を有している。
放出電極16は、外部直流電源26のプラス側に接続されて
おり、吸着電極14は、参照電圧源28のプラス側に接続さ
れている。参照電圧源28のマイナスは負帰還制御用増幅
器30の入力側正極に接続されている。負帰還制御用増幅
器30の出力側は、IP制御用トランジスタ32のベースに接
続してある。IP制御用トランジスタ32は、エミッタが接
地されており、コレクタが抵抗34を介して吸着電極14に
接続してある。
おり、吸着電極14は、参照電圧源28のプラス側に接続さ
れている。参照電圧源28のマイナスは負帰還制御用増幅
器30の入力側正極に接続されている。負帰還制御用増幅
器30の出力側は、IP制御用トランジスタ32のベースに接
続してある。IP制御用トランジスタ32は、エミッタが接
地されており、コレクタが抵抗34を介して吸着電極14に
接続してある。
上記の如く構成した実施例の検出素子を被検ガス中にお
くと、被検ガス内のO2が矢印ａに示す如く、拡散通路20
内を拡散し、吸着電極14に接触する。吸着電極14に接触
したO2は、直ちに吸着電極14に吸着され、電離して酸素
イオンO--となる。この酸素イオンO--は、吸着電極14と
放出電極16との電位差により、矢印ｂに示す如く固体電
解質12中を放出電極16に向つて移動する。そして、放出
電極16に達したO--は、放出電極16に電子を与え、酸素
ガスO2となる。一方、吸着電極38に接触した被検ガス中
のO2は、吸着電極38に吸着され、電離してO--イオンと
なり、矢印ｅに示す如く固体電解質36中を放出電極16に
向けて移動する。これは、定電流源40から電流IPを流し
てあるため、多孔質な放出電極16の付近をほぼ被検ガス
中の酸素濃度に近い値（２〜20％）に維持しようとする
作用による。固体電解質36を透過してきたO--は、固体
電解質12を透過してきたO--とともに、放出電極16にお
いてO2となり、放出電極16中の細孔を通つて矢印ｄに示
す如く被検ガス中に放出される。
くと、被検ガス内のO2が矢印ａに示す如く、拡散通路20
内を拡散し、吸着電極14に接触する。吸着電極14に接触
したO2は、直ちに吸着電極14に吸着され、電離して酸素
イオンO--となる。この酸素イオンO--は、吸着電極14と
放出電極16との電位差により、矢印ｂに示す如く固体電
解質12中を放出電極16に向つて移動する。そして、放出
電極16に達したO--は、放出電極16に電子を与え、酸素
ガスO2となる。一方、吸着電極38に接触した被検ガス中
のO2は、吸着電極38に吸着され、電離してO--イオンと
なり、矢印ｅに示す如く固体電解質36中を放出電極16に
向けて移動する。これは、定電流源40から電流IPを流し
てあるため、多孔質な放出電極16の付近をほぼ被検ガス
中の酸素濃度に近い値（２〜20％）に維持しようとする
作用による。固体電解質36を透過してきたO--は、固体
電解質12を透過してきたO--とともに、放出電極16にお
いてO2となり、放出電極16中の細孔を通つて矢印ｄに示
す如く被検ガス中に放出される。
ストイクセルは、第２図に示すように理論空燃比におい
て出力がステツプ状に変化する。そして、ストイクセル
は、理論空燃比点付近における被検ガス温度依存性が過
濃，過薄領域に比べて非常に小さく、理論空燃比を検出
する場合、実用上補正等の対策を必要としない。したが
つて、第１図に示した実施例の如くストイクセルを用い
ることにより、ストイクセルによる理論空燃比点の検出
精度が実用的に経時変化、温度依存性等において安定で
あるところから、理論空燃比点におけるエンジンやその
制御部品の特性のばらつき、経時変化をコンピユータの
メモリーにあらかじめ入力しておき、標準値を較正する
ことに利用することができる。
て出力がステツプ状に変化する。そして、ストイクセル
は、理論空燃比点付近における被検ガス温度依存性が過
濃，過薄領域に比べて非常に小さく、理論空燃比を検出
する場合、実用上補正等の対策を必要としない。したが
つて、第１図に示した実施例の如くストイクセルを用い
ることにより、ストイクセルによる理論空燃比点の検出
精度が実用的に経時変化、温度依存性等において安定で
あるところから、理論空燃比点におけるエンジンやその
制御部品の特性のばらつき、経時変化をコンピユータの
メモリーにあらかじめ入力しておき、標準値を較正する
ことに利用することができる。
第３図は、第１図に示した実施例の空燃比センサの効果
を確認する実験例を示す模式図である。第３図において
検出素子42は、セル10の一側にストイクセル44が設けて
あり、他側に発熱体24と絶縁支持体22とからなるヒータ
ー46が設けてある。検出素子42は、図示しない栓体内に
組立てられ、エンジンの排気管48に先端部が排気管48内
に突出して固定される。
を確認する実験例を示す模式図である。第３図において
検出素子42は、セル10の一側にストイクセル44が設けて
あり、他側に発熱体24と絶縁支持体22とからなるヒータ
ー46が設けてある。検出素子42は、図示しない栓体内に
組立てられ、エンジンの排気管48に先端部が排気管48内
に突出して固定される。
遮熱材としてのストイクセル44の排気ガス流50に露出し
た表面には、熱電対52が接着されている。また、ストイ
クセル44とセル10との境界面に熱電対54が挿入してあ
る。熱電対52,54は、それぞれ温度計56,58に接続してあ
る。また、前記したヒーター46には加熱電源60が接続し
てあり、自らの発熱抵抗体の抵抗値が所定値になるよう
に、例えば800℃に加熱制御される。
た表面には、熱電対52が接着されている。また、ストイ
クセル44とセル10との境界面に熱電対54が挿入してあ
る。熱電対52,54は、それぞれ温度計56,58に接続してあ
る。また、前記したヒーター46には加熱電源60が接続し
てあり、自らの発熱抵抗体の抵抗値が所定値になるよう
に、例えば800℃に加熱制御される。
第４図は、第３図に示した状態においてエンジンの運転
条件を変え、排気ガス流50の流速を変化させたときの熱
電対52,54により検出した温度変化を示したものであ
る。第４図から明らかなように、ヒーター46の発熱抵抗
体が定温度（800℃）制御されているときには、ストイ
クセル44とヒーター46との間の温度変化（熱電対54によ
る検出温度と設定温度との差）は、40℃である。また、
熱電対52により検出したストイクセル44の表面温度は、
ヒーターの設定温度より270℃も低い値を示し、ほぼ排
ガス流50の温度に等しい。
条件を変え、排気ガス流50の流速を変化させたときの熱
電対52,54により検出した温度変化を示したものであ
る。第４図から明らかなように、ヒーター46の発熱抵抗
体が定温度（800℃）制御されているときには、ストイ
クセル44とヒーター46との間の温度変化（熱電対54によ
る検出温度と設定温度との差）は、40℃である。また、
熱電対52により検出したストイクセル44の表面温度は、
ヒーターの設定温度より270℃も低い値を示し、ほぼ排
ガス流50の温度に等しい。
この熱電対52,54が示す温度の差は、セル10に設けた遮
熱材の効果によるものであり、セル10の温度調節精度を
大幅に向上できた結果である。これにより、空燃比セン
サの出力特性を向上することができる。すなわち、セル
10の温度依存性の一例を示すと第５図の如くなる。この
第５図から温度による出力変動率ΔI/Iを求めると、10
％/100℃となる。したがつて、遮熱材を用いて温度変化
を40℃以内に制御することにより、ΔI/I＝４％以内に
することができる。しかも、実際に使用する場合には、
第３図に示した如く検出素子42を直接排気ガス流50に露
出させることはなく、ガス流速が1/5〜1/20に減衰する
鋼管内に収納して使用するため、温度変化率を一層小さ
くすることができ、出力特性の大幅な向上を図ることが
できる。
熱材の効果によるものであり、セル10の温度調節精度を
大幅に向上できた結果である。これにより、空燃比セン
サの出力特性を向上することができる。すなわち、セル
10の温度依存性の一例を示すと第５図の如くなる。この
第５図から温度による出力変動率ΔI/Iを求めると、10
％/100℃となる。したがつて、遮熱材を用いて温度変化
を40℃以内に制御することにより、ΔI/I＝４％以内に
することができる。しかも、実際に使用する場合には、
第３図に示した如く検出素子42を直接排気ガス流50に露
出させることはなく、ガス流速が1/5〜1/20に減衰する
鋼管内に収納して使用するため、温度変化率を一層小さ
くすることができ、出力特性の大幅な向上を図ることが
できる。
前記実施例においては、検出素子の形状が平板状の場合
について示したが、検出素子の形状は円筒状，円管状等
の積層形空燃比センサとしてもよい。すなわち、本発明
における最も基本的な思想は、被検ガスに露出する部分
を拡散通路20の開口部ごく近傍のみとし、セルから被検
ガスへの熱伝達量を減らし、ガス検出に直接関係しない
セルとヒーターの部分を被検ガスから遮断するところに
ある。そして、拡散通路22により吸着電極14へのガスの
流入速度と流量を低減するのも、かかる思想によるもの
である。
について示したが、検出素子の形状は円筒状，円管状等
の積層形空燃比センサとしてもよい。すなわち、本発明
における最も基本的な思想は、被検ガスに露出する部分
を拡散通路20の開口部ごく近傍のみとし、セルから被検
ガスへの熱伝達量を減らし、ガス検出に直接関係しない
セルとヒーターの部分を被検ガスから遮断するところに
ある。そして、拡散通路22により吸着電極14へのガスの
流入速度と流量を低減するのも、かかる思想によるもの
である。
以上に説明した如く、本発明によれば、外部環境による
温度依存性を抑制するようにしため、出力特性の向上に
寄与することができる。
温度依存性を抑制するようにしため、出力特性の向上に
寄与することができる。
第１図は本発明に係る空燃比センサの一実施例を示す要
部断面図、第２図は理論空燃比点検出センサの動作特性
図、第３図は第１図に示した実施例の効果を確認する実
験の模式図、第４図は第３図に示した実験による効果を
示す図、第５図は酸素濃度と検出出力との温度依存性を
示す特性図である。 10……セル、12,36……固体電解質、14,38……吸着電
極、16……放出電極、18……遮熱材、20……拡散通路、
24……発熱体。
部断面図、第２図は理論空燃比点検出センサの動作特性
図、第３図は第１図に示した実施例の効果を確認する実
験の模式図、第４図は第３図に示した実験による効果を
示す図、第５図は酸素濃度と検出出力との温度依存性を
示す特性図である。 10……セル、12,36……固体電解質、14,38……吸着電
極、16……放出電極、18……遮熱材、20……拡散通路、
24……発熱体。
Claims (1)
- 【請求項１】酸素イオンを透過する第１酸素イオン導電
性電解質と、前記第１酸素イオン導電性電解質の一端側
に密着されて酸素ガスを電離する第１吸着電極と、前記
第１酸素イオン導電性電解質の他端側に密着されて酸素
イオンを酸素ガスにして放出する放出電極と、前記第１
吸着電極を覆い第１吸着電極を一定の温度に加熱する発
熱体と、前記発熱体と前記第１吸着電極との間に形成さ
れて被検ガスを前記第１吸着電極まで導く拡散通路と、
前記放出電極を覆い理論空燃比点を検出するストイクセ
ルと、前記放出電極と前記第１吸着電極間を流れる電流
を検出する電流検出器とを備え、前記ストイクセルは、
酸素イオンを透過する第２酸素イオン導電性電解質と、
前記放出電極に第２酸素イオン導電性電解質を介して接
合されて被検ガス中の酸素ガスを電離する第２吸着電極
とから構成され、前記放出電極は多孔質に形成されてそ
の一部が被検ガス中に露出され、且つプラス電源に接続
され、前記第１吸着電極はマイナス電源に接続され、前
記第２吸着電極は電流源に接続されてなる空燃比セン
サ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60076221A JPH0711506B2 (ja) | 1985-04-10 | 1985-04-10 | 空燃比センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60076221A JPH0711506B2 (ja) | 1985-04-10 | 1985-04-10 | 空燃比センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61234350A JPS61234350A (ja) | 1986-10-18 |
| JPH0711506B2 true JPH0711506B2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=13599123
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60076221A Expired - Lifetime JPH0711506B2 (ja) | 1985-04-10 | 1985-04-10 | 空燃比センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0711506B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60129655A (ja) * | 1983-12-17 | 1985-07-10 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 酸素センサ |
-
1985
- 1985-04-10 JP JP60076221A patent/JPH0711506B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61234350A (ja) | 1986-10-18 |
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