JPH07119739B2

JPH07119739B2 - 空燃比測定装置における出力補正方法

Info

Publication number: JPH07119739B2
Application number: JP62046998A
Authority: JP
Inventors: 安彦濱田; 恒則吉村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-12-27
Filing date: 1987-03-02
Publication date: 1995-12-20
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: US4824549A; DE3744206A1; DE3744206C2; JPS6420440A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、空燃比測定装置における出力補正方法、特に
自動車用内燃期間の燃焼制御系や各種の工業炉に用いて
好適な排気ガスの空燃比測定装置の出力補正方法に関
し、更に詳しくは、排気ガスを被測定ガスとして、その
空燃比を検知すると共に、出力信号の経年変化、耐久変
化を補正する機能を備えた空燃比測定装置における出力
補正方法に関するものである。

（従来技術とその問題点）従来より、自動車用内燃機関等の排気ガス（燃焼排ガ
ス）中の酸素濃度を検出する酸素センサとして、酸素イ
オン伝導性の固体電解質であるジルコニア磁器を用い
た、酸素濃淡電池の原理を利用して酸素濃度を求めるセ
ンサ等が知られている。そして、内燃機関等において
は、一般に、空気と燃料とから構成される混合気の空燃
比を高精度に目標値に制御するために、前記の如きセン
サを用いて空燃比の相関関係を有する排気ガス中の酸素
濃度を検出することにより、混合気の空燃比を検出し
て、内燃機関に供給される燃料供給量をフィードバック
制御するようにしているのである。

ところで、この種の酸素センサ（酸素濃度検出器）とし
ての空燃比検出装置の一つとして、特開昭59−190652号
公報等に明らかにされているように、外部の被測定ガス
存在空間に連通する内部拡散空間を検出素子内に設け、
また所定の拡散抵抗の下に導かれる被測定ガスによって
形成される該内部拡散空間内の雰囲気中の酸素濃度を検
知する酸素濃度検出手段を設け、更に該酸素濃度検出手
段からの酸素濃度に対応した出力に基づいて、かかる内
部拡散空間内の雰囲気を所定の酸素濃度に維持する酸素
ポンプ手段を設けて、かかる酸素ポンプ手段を流れる電
流により、被測定ガス（排気ガス）の空燃比を測定する
ようにした装置が知られている。

より具体的には、かかる空燃比測定装置は、例えば第２
図に示されるように、検出素子の素子本体２を構成する
固体電解質層と、かかる素子本体２内に形成された、外
部空間に連通する平坦な内部拡散空間４内に露呈せしめ
られた内側ポンプ電極６と、外部空間に実質的に露呈せ
しめられた外側ポンプ、電極８とから構成された、電気
化学的セルである酸素ポンプセルを有し、また素子本体
２の固体電解質層と、平坦な内部拡散空間４内に露呈せ
しめられた測定電極10と、大気に連通せしめられる空気
通路12内に露呈せしめられた基準電極14とから構成され
る、電気化学的セル（酸素濃淡電池）である酸素センサ
セルを含み、更にそれらセルがヒータ16によって所定の
温度に加熱せしめられ得るようにした構造となってお
り、これによって、理論空燃比付近の燃焼排ガス、換言
すれば理論空燃比付近の空燃比を有する混合気の燃焼に
よって生ずる排気ガスのみが測定対象とされるばかりで
なく、理論空燃比（λ＝１またはA/F＝14.6）より大き
なリーン燃焼領域（λ＞１）や、それよりも小さなリッ
チ燃焼領域（λ＜１）の燃焼排ガスをも被測定ガスとし
て、そのような燃焼排ガスを与える混合気の空燃比を検
出することが出来ることとなったのである。

すなわち、この種の空燃比検出装置にあっては、所定の
ガス拡散抵抗の下に、内部拡散空間４内に被測定ガスを
導いて、前記酸素センサセルの測定電極10に接触せしめ
る一方、所定の電極反応によって該測定電極10近傍の雰
囲気の酸素濃度が一定に保たれるように、内部拡散空間
の内側及び外側のポンプ電極６、８からなる一対の電極
間に所定の電流、所謂ポンプ前流（Ip）を流して、公知
の如く酸素ポンプ作用を行なわしめることにより、かか
る被測定ガス中の被測定成分の濃度に対応した、換言す
れば空燃比（λ）の値に対応した電流（Ip）の変化を惹
起せしめ、そしてその変化を検出することによって、空
燃比（λ）値が１よりも遥かに高いリーン燃焼領域、即
ち混合気中の空気が燃料よりも過剰の状態において燃焼
せしめられ、酸素分圧が理論空燃比のときの酸素分圧よ
りも高いリーン雰囲気のガスにおけるλ値を検出した
り、或いはリッチ燃焼領域、即ち混合気中の燃料が空気
よりも過剰の状態において燃焼せしめて得られる、酸素
分圧が理論空燃比における酸素分圧よりも低く、未燃焼
成分が多量に存在する領域の排気ガスの如き、λ値が１
よりも低い被測定ガスの空燃被（λ）を測定したりする
ようになっている。

しかしながら、このように一対の電極間に流されるポン
プ電流（Ip）の変化に基づいて、被測定ガスの空燃比、
換言すれば被測定ガスとしての燃焼排ガスを与える混合
気の空燃被を検出する空燃比検出装置にあっては、かか
る空燃比を示す出力である、酸素ポンプセルを流れる電
流をIp、被測定ガス中の酸素分圧をPe、内部拡散空間内
の雰囲気中の酸素分圧をPo、内部拡散空間内に配置され
た電極に至る被測定ガスの拡散経路の拡散抵抗をＲとす
ると、下式： Ip＝Ａ（Pe−Po）/R （但し、Ａは比例定数である。）で示され、Ipは拡散抵
抗:Rによって決まるものであるところから、かかる空燃
比測定装置の使用中において、被測定ガスの拡散経路の
域何学的形状が、例えば排ガス中の微粒子等の付着によ
って変化すると、かかる拡散抵抗:Rが変化することとな
り、これによって空燃比出力であるIpの値が第３図にお
いて実線から破線の如く変化して、正確な空燃比出力が
得られないという問題があった。

（解決手段）ここにおいて、本発明は、上記の如き問題を解決するた
めに為されたものであって、その特徴とするところは、
外部の被測定ガス存在空間に連通せしめられて、被測定
ガスを所定の拡散抵抗の下に導く内部拡散空間を設け、
そしてこの内部拡散空間内の第一の位置における雰囲気
中の酸素濃度を検出して、該酸素濃度に対応した出力を
為す第一の酸素濃度検出手段、及び該第一の酸素濃度検
出手段からの出力信号に基づいて該第一の位置における
雰囲気中の酸素濃度を制御する第一の酸素ポンプ手段
を、それぞれ配置すると共に、前記内部拡散空間内にあ
って、前記第一の位置を通って被測定ガスが導かれる、
該第一の位置よりも被測定ガスの拡散経路が長い第二の
位置における雰囲気中の酸素濃度を検出して、該酸素濃
度に対応した出力を為す第二の酸素濃度検出手段、及び
該第二の酸素濃度検出手段からの出力信号に基づいて該
第二の位置における雰囲気中の酸素濃度を制御する第二
の酸素ポンプ手段をそれぞれ配置せしめてなる空燃比測
定装置の空燃比出力を補正する方法にして、かかる空燃
比測定装置の使用初期における、前記第一の酸素ポンプ
手段のポンプ電流値と前記第二の酸素ポンプ手段のポン
プ電流値との比を求める一方、該空燃比測定装置の経時
劣化後における、該第一の酸素ポンプ手段のポンプ電流
値と該第二の酸素ポンプ手段のポンプ電流値との比を求
め、それらポンプ電流値の比より、該第一或いは第二の
酸素ポンプ手段の補正係数を求めて、経時劣化に対する
補正を行なうことを特徴とする空燃比測定装置における
出力補正方法にある。

なお、かかる本発明手法の適用される空燃比測定装置の
好ましい実施態様によれば、内部拡散空間は細隙な平坦
空間であり、該平坦空間が直接に或いは所定のガス通路
を介して間接的に外部の被測定ガス存在空間に連通せし
められるように構成されることとなる。

そして、この平坦空間は、例えば、円盤状の平面形状を
呈し、その円盤形状の中心部に対して接続された前記ガ
ス通路を介して、外部の被測定ガス存在空間に連通せし
められており、且つガス通路との接続部に近接した平坦
空間の円環状部位が前記第一の位置とされると共に、該
平坦空間の外周部の円環状部位が前記第二の位置とされ
ることとなる。また、この平坦空間は、直線的な形状を
呈しているものであっても良く、その場合において、前
記第一及び第二の位置が、該直接的平坦空間内において
直線的に配列させられることとなるのである。更に、か
かる平坦空間は、渦巻状の平面形状を呈するものであっ
ても良く、その場合において、その渦巻形状の一方の端
部に対して接続された前記ガス通路を介して、外部の被
測定ガス散在空間に連通せしめられており、且つ該ガス
通路に接続される渦巻形状の一方の端部に近接した平坦
空間の部位が前記第一の位置とされると共に、該平坦空
間の行止りとなった他方の端部側部位が前記第二の位置
とされることとなる。

また、本発明に用いられる空燃被測定装置の好ましい態
様のものにおいては、一般に、前記第一及び第二の酸素
濃度検出手段並びに前記第一及び第二の酸素ポンプ手段
が、何れも、固体電解質とそれに接して設けられた一対
の電極とを含む電気化学的セルにて構成されるものであ
り、そして、それらの手段が一体的に一つの素子構造内
に組み込まれることとなる。そして、好適には、かかる
第一の酸素濃度検出手段を構成する一対の電極のうち、
前記第一の位置に配置されない電極と、前記第二の酸素
濃度検出手段を構成する一対の電極のうち、前記第二の
位置に配置されない電極とが、共通である、換言すれば
共通極とされている。更に、第一の酸素ポンプ手段を構
成する前記一対の電極のうち、前記第一の位置に配置さ
れない電極と、前記第二の酸素ポンプ手段を構成する一
対の電極のうち、前記第二の位置に配置されない電極と
が、共通である、換言すれば共通極とされることとな
る。

さらに、本発明の好ましい一つの実施態様によれば、前
記第一及び第二の酸素濃度検出手段をそれぞれ構成する
一対の電極のうち、前記第一及び第二の位置に配置され
ない他方の電極が、それぞれ、基準酸素分圧を与える大
気に接触せしめられるようにされる。

そして、本発明に従う空燃比測定装置の出力補正方法に
あっては、好適には、第一の位置における雰囲気を所定
の酸素濃度に維持すべく、前記第一の酸素ポンプ手段に
流される電流値が、前記第二の位置における雰囲気を該
所定の酸素濃度に維持すべく、前記第二の酸素ポンプ手
段に流される電流値の２倍以上とされることとなるので
ある。これによって、感度が向上され、出力補正を有利
に行ない得るのである。

なお、本発明にあっては、前記第一及び第二の酸素濃度
検出手段並びに前記第一及び第二の酸素ポンプ手段を構
成する固体電解質としては、それぞれ、酸素イオン伝導
性のジルコニア磁器が有利に用いられることとなる。

また、本発明にあっては、被測定ガスの温度が低い場合
にあっても、有効な測定が可能となるように、前記第一
及び第二の酸素濃度検出手段並びに前記第一及び第二の
酸素ポンプ手段を構成する固体電解質を所定の温度に加
熱するためのヒータ手段を、一体的に設けることが望ま
しい。

そしてまた、本発明にあっては、内部拡散空間の第一の
位置と第二の位置との間の有効なガス拡散抵抗を得るた
めに、それら第一の位置と第二の位置との間の空間内に
若しくは該第二の位置を含む空間内に、有利には、該内
部拡散空間よりも大なるガス拡散抵抗を有する第二の拡
散抵抗手段が設けられ、またそのような第二の拡散抵抗
手段としては適当なセラミックス多孔体が用いられ、そ
してそのような多孔体が内部拡散空間の所定位置に充填
せしめられることとなる。更に、かかる内部拡散空間と
外部の被測定ガス存在空間との連通部には、また、第二
の多孔体が設けられて、かかる第二の多孔体を通じて、
該内部拡散空間内に被測定ガスが導かれるように構成さ
れることとなる。

また、本発明において、内部拡散空間の第一の位置から
第二の位置に至るガス拡散経路を長くする一つの手段と
して、それら第一の位置と第二の位置との間に、該第一
の位置から該第二の位置に導かれる被測定ガスを迂回さ
せる迂回壁を設けることも、採用可能である。

このように、本発明においては、内部拡散空間内にガス
拡散抵抗の大なる多孔体の如き第二の拡散抵抗手段を設
けたり、迂回壁を設けたりすることによって、前記した
第一の酸素ポンプ手段に流される電流値を第二の酸素ポ
ンプ手段に流される電流値の２倍以上とすることが、有
利に達成されるのである。

（作用・効果）そして、本発明では、上述した如き構成を採用すること
によって、内部拡散空間内の第一の位置における雰囲気
中の酸素濃度を所定の濃度に維持するために、第一の酸
素ポンプ手段に流される電流と、かかる内部拡散空間内
の第二の位置における雰囲気中の酸素濃度を該所定の濃
度に維持するために、第二の酸素ポンプ手段に流される
電流との比率により、外部の被測定ガス存在空間から導
き入れられる被測定ガスの拡散経路の拡散抵抗の変化に
基づく空燃比出力の変化の補正が可能となるのである。

以下、その補正の原理について説明するならば、先ず、
酸素濃度検出手段と酸素ポンプ手段を備えて、内部拡散
空間内の雰囲気中の酸素濃度を制御するようにした空燃
比測定装置において、その酸素ポンプ手段に流される電
流:Ipは、かかる内部拡散空間内に導かれる被測定ガス
としての排ガスに対する拡散抵抗をσ_０、該排ガス中の
酸素濃度をPo₂ehx、内部拡散空間内の雰囲気中の酸素濃
度をPo₂v、電荷をｅとすると、下記（１）式の如く表す
ことが出来る。

Ip＝4eσ_０（Po₂ehx−Po₂v） …（１）また、拡散抵抗：σ_０は、酸素の拡散定数をＤ、内部拡
散空間の断面積をＡ、ボルツマン定数をｋ、絶対温度を
Ｔ、そして内部拡散空間の拡散長さをｌとすると、下記
（２）式の如く表すことが出来る。

σ_０＝DA/kTl …（２）ところで、かくの如き空燃比測定装置における測定の基
本原理は、また、電気回路に置き換えることが可能であ
り（但し、Ｔは一定とする）、例えば第４図に示される
ように、抵抗:R_xを流れる電流:Ipは、かかる抵抗:R_xの
前後の電圧をV_x、V₀とすると、下記（３）式の如く表す
ことが出来る。

Ip＝R_x ^-1（V_x−V₀） …（３）ところで、空燃比測定装置にあっては、その内部拡散空
間内の酸素濃度が検出される部位の雰囲気は、一般に、
化学量論比（λ＝１）の空燃比の状態の混合気を燃焼し
て得られる排ガスに相当する状態の中性雰囲気とされ、
従って酸素濃度は０となるところから、Po₂v＝０→V₀＝
０となり、上記（３）式は、下記（４）式の如く表すこ
とが出来ることとなる。

Ip＝V_x/R_x …（４）以上の前提より、空燃比測定装置の使用に基づいて、経
時的に劣化して変化するR_xが検知出来れば、かかる空燃
比測定装置の劣化検出が可能となり、自己較正すること
が出来るのであり、それは原理的には複数の拡散抵抗を
用いたときの出力比より検出が可能である。

すなわち、第５図にモデル的に示されるように、検出素
子本体を構成する固体電解質20と一対の電極22、24とで
第一の酸素ポンプセルを構成し、また固体電解質20と一
対の電極22、26とで第二の酸素ポンプセルを構成する一
方、それら第一及び第二の酸素ポンプセルに対応した、
それぞれの内部拡散空間28の所定の位置における酸素濃
度を検出するために、固体電解質20と一対の電極30、32
とで第一の酸素センサセルを構成し、また固体電解質20
と一対の電極30、34とで第二の酸素センサセルを構成
し、そして内部拡散空間28を第一の酸素ポンプセルと第
一の酸素センサセルに至る被測定ガス（排ガス）の拡散
抵抗をR_x、また第二の酸素ポンプセル及び第二の酸素セ
ンサセルに至る被測定ガスの拡散抵抗をR₀として、被測
定ガス（排ガス）中の酸素濃度をＶ％とし、内部拡散空
間28内の雰囲気中の酸素濃度をV₀％（第一の酸素ポンプ
セル及び第二の酸素ポンプセルの何れかの作動によっ
て、それぞれのポンプセルの位置する内部拡散空間部位
は、何れも所定の酸素濃度:V₀とされている）とする
と、第一の酸素ポンプセルのみを作動せしめた時のポン
プ電流:Ip₁は、下記（５）式の如く表すことが出来る。
但し、V₀＝０とする。

また、第二の酸素ポンプセルのみを作動せしめた時にお
けるポンプ電流Ip₂も下記（６）式の如く表すことが出
来る。但し、ここでもV₀＝０とする。

ところで、かかる空燃比測定装置の使用初期におけるIp
₁とIp₂との比をＡとすると、上記（５）、（６）式よ
り、下記（７）式を導くことが出来る。

次に、かかる空燃比測定装置において、その使用等によ
ってIp値に変化が生じた場合を考える。その際、前提と
して、Ipの変化は拡散抵抗の変化のみに依存するものと
し、また奥の内部拡散空間28部位は目詰まりしないもの
とする。換言すれば、R₀は使用の前後で一定であり、R_x
のみ変化するものとする。

そして、使用後の空燃比測定装置によって測定される排
ガス中の酸素濃度をｖとし、また、それぞれのポンプ電
流をIp₁′、Ip₂′とすると、上記（５）、（６）式と同
様に、下記（８）、（９）式を導くことが出来る。な
お、R_x′は使用後における変化した拡散抵抗値である。

ここにおいて、かかるIp₁′とIp₂′の比をＢとすると、
上記（８）、（９）式より、下記（10）式を導き出すこ
とが出来ることとなる。

従って、第一の酸素ポンプセル、第二の酸素ポンプセル
のそれぞれの補正係数:C、Ｄは、上記（５）〜（10）式
より、下記（11）式及び（12）式の如く書き表わすこと
が出来ることとなり、以てそれぞれの酸素ポンプにおけ
るポンプ電流:Ip₁、Ip₂、Ip₁′、Ip₂′を求めることに
より、それらポンプ電流の比:A、Ｂに基づいて、目的と
する補正係数:C、Ｄを得ることが出来るのである。

この結果、本発明の如く、第一及び第二の酸素濃度検出
手段並びに第一及び第二の酸素ポンプ手段を備えた空燃
比測定装置にあっては、その使用によって、拡散抵抗が
経時的に変化して、空燃比出力が変化した場合におい
て、そのような空燃比出力を使用初期の状態に補正する
ことが極めて容易となるのであり、それ故に、長期間に
亘って正確な空燃比の測定が可能な空燃比測定装置とし
て、有利に使用することが出来ることとなったのであ
る。

（実施例）以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明に従う実施例を、図面に基づいて詳細に説明すること
とする。

先ず、第１図は、本発明手法が適用される空燃比測定装
置の一例における検出素子の検出部分の断面を拡大して
示すものであり、第６図のＩ−Ｉ線における断面に相当
する概略図であって、第６図の如く積層構造において、
一体的に構成されてなるものである。

かかる第１図において、40は、イットリア添加ジルコニ
ア磁器等の酸素イオン伝導性の固体電解質等層の複数の
層が積層されて、一体焼成されることによって、形成さ
れた板状の長手の素子本体である。そして、この素子本
体40内には、拡散抵抗手段として機能する内部拡散空間
となる、所定のガス拡散抵抗を有する細隙な円形の平坦
空間42が板面方向に設けられており、この平坦空間42の
中心部が、ガス導入孔44を通じて、外部の被測定ガス存
在空間46に連通せしめられている一方、大気に連通され
る空気通路48が、素子本体40の板面長手方向に延びるよ
うに設けられている。

また、素子本体40の平坦空間42を挟む両側の部分、即ち
第１図において上下の部分は、固体電解質層50、52とさ
れており、そしてこの固体電解質層50の外側面のガス導
入孔44の周りに、円環状の外側ポンプ電極54が設けられ
ている一方、かかる固体電解質層50の平坦空間42を画成
する側の面には、ガス導入孔44に近接して且つその周り
に、円環状の内側第一ポンプ電極56が設けられ、また平
坦空間42の奥部、即ちその外周部に位置するように、円
環状の内側第二ポンプ電極58が該内側第一ポンプ電極56
に対して同心的に設けられており、以て該固体電解質層
50と外側ポンプ電極54と内側第一ポンプ電極56によっ
て、第一の酸素ポンプセル（電気化学的セル）が構成さ
れ、また固体電解質層50と外側ポンプ電極54と内側第二
ポンプ電極58とによって、第二の酸素ポンプセル（電気
化学的セル）が構成されている。

さらに、かかる平坦空間42内に設けられた、酸素ポンプ
セルの内側第一及び第二ポンプ電極56、58にそれぞれ対
向するように、換言すればそれぞれのポンプ電極56、58
の設けられた平坦空間42部位に位置して、そこにおける
雰囲気中の酸素濃度を検出するために、固体電解質層52
の平坦空間42を画成する面上には、同心的に円環状の第
一測定電極60及び第二測定電極62が設けられている一
方、固体電解質層52の空気通路48に露呈される面には基
準電極64が設けられており、これによって固体電解質層
52と第一測定電極60と基準電極64とで第一の酸素センサ
セル（電気化学的セル；酸素濃淡電池）が、また固体電
解質層52と第二測定電極62と基準電極64とで第二の酸素
センサセル（電気化学的セル；酸素濃淡電池）が、それ
ぞれ構成されているのである。

そして、かかる第一の酸素センサセルによる平坦空間42
の入口部位（第一の位置）における酸素濃度の検出に基
づく第一の酸素ポンプセルのポンプ作動による空燃比の
測定と、第二の酸素センサセルによる平坦空間42の奥部
（第二の位置）における雰囲気中の酸素濃度の検出に基
づく第二の酸素ポンプセルのポンプ作動による空燃比の
測定は、スイッチ66によって切り換えられることとな
る。なお、図において、68は電位差計であり、それぞれ
の酸素センサセルによって検出される酸素濃淡電池の原
理に基づく起電力を検出するようになっており、そして
その起電力に基づいて、それぞれの酸素ポンプセルに流
される電流値が制御せしめられるようになっているので
ある。また、70は電流計であり、これによって、それぞ
れの酸素ポンプセルに流れる電流:Ip₁、Ip₂が検出され
るようになっている。

また、素子本体40の外側ポンプ電極54が設けられた側と
は反対側の部分には、所定の電気絶縁性セラミックス層
72が一体的に設けられて、このセラミックス層72内にヒ
ータエレメント74が埋設されており、外部電源からの給
電によって該ヒータエレメント74が発熱せしめられるこ
とにより、それぞれの酸素ポンプセル、酸素センサセル
が所定の有効な作動温度にまで加熱せしめられ得るよう
になっている。

なお、かくの如き空燃比検出素子の構造において、素子
本体40を構成する固体電解質層50、52としては、好適に
採用される前述の如き酸素イオン伝導性のジルコニア磁
器の他、酸素イオン伝導体であるSrCeO₃、Bi₂O₃−希土
類酸化系固溶体等の材料を用いて形成されたものであっ
ても、何等差支えなく、更に、そのような固体電解質層
50、52の表面に設けられる電極54、56、58、60、62、64
は、好適には、それぞれ、白金、パラジウム、ロジウ
ム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムの如き白金族
金属と、ジルコニア、イットリア、アルミナ等のセラミ
ックス等からなる混合層にて構成された多孔質なもので
ある。そして、そのような電極混合層の形成には、白金
族金属粉末中に上記セラミックスの微粉末を混入せしめ
て、その焼成を行なう等の手法が、好適に採用されるこ
ととなる。

従って、このような構造の空燃比測定装置において、目
的とする被測定ガス（排ガス）の空燃比の測定には、ス
イッチ66による選択によって、第一の酸素ポンプセルと
第一の酸素センサセルの組合せか、或いは第二の酸素ポ
ンプセルと第二の酸素センサセルの組合せによって、目
的とするポンプ電流値（Ip）が検出され、以て目的とす
る被測定ガスの空燃比が求められることとなる。そし
て、かかる空燃比測定装置の使用に伴って、平坦空間42
の入口部が目詰まりする等によって、その幾何学的形状
が変化して、拡散抵抗が変わった場合にあっては、前記
したように、第一の酸素ポンプセルと第二の酸素ポンプ
セルのそれぞれのポンプ電流値:Ip₁′、Ip₂′をスイッ
チ66の切換えによって求め、そして、そのような空燃比
測定装置の初期のポンプ電流:Ip₁、Ip₂から、第一の酸
素ポンプセル及び第二の酸素ポンプセルの補正係数
（Ｃ、Ｄ）をそれぞれ求めて、補正するようにすれば、
再び、空燃比測定装置の出力を初期の状態に戻すことが
可能となり、これによって正確な空燃比を求めることが
出来るのである。

ところで、第１図に示される如き構造の空燃比検出素子
は、具体的には、第６図に示される如き積層構造におい
て、実現されることとなる。

すなわち、第６図において、固体電解質層50の両側の面
に相対向して、外側ポンプ電極54、内側第一及び第二ポ
ンプ電極56、58が設けられ、且つ内側第一ポンプ電極56
と内側第二ポンプ電極58とは同心的に配置されて、二つ
の酸素ポンプセルが構成されている一方、前記内側第一
及び第二ポンプ電極56、58に対向する固体電解質層52a
の面には、第一及び第二測定電極60、62が設けられ、ま
たその反対側の面には、基準電極64が設けられて、二つ
の酸素センサセルが構成されている。そして、固体電解
質層52aの基準電極64が設けられた側の面には、更に切
欠部を有する固体電解質層52b、板状の固体電解質層52c
が積層され、以て基準電極64が露呈せしめられる大気連
通の空気通路48が形成されている。

また、二つの酸素ポンプセルと二つの酸素センサセルと
の間には、即ち固体電解質層50と固体電解質52aとの間
には、一般に、電気絶縁性のセラミックスからなるスペ
ーサ部材76が介装せしめられ、このスペーサ部材76の厚
さに対応した空間が、それら固体電解質層50、52aの間
に形成され、以て所定の拡散抵抗を有する内部拡散空間
42が形成されるようになっている。なお、この内部拡散
空間42には、二つの酸素ポンプセルのそれぞれの内側の
ポンプ電極56、58、及び二つの酸素センサセルのそれぞ
れの測定電極60、62が、それぞれ露呈せしめられるよう
になっている。

ところで、固体電解質層52cの外側には、電気絶縁性の
セラミックス層72a、72bに挟まれた状態において、ヒー
タエレメント74が配設され、また二つの酸素ポンプセル
の共通電極となる外側ポンプ電極54上には、多孔質のセ
ラミックスからなる保護層78が設けられており、更にか
かる多孔層保護層78、外側ポンプ電極54、固体電解質層
50を貫通して、平坦空間42の中心部に至るガス導入孔44
が形成されている。

なお、かくの如き積層構造の空燃比検出素子は、それを
構成する各層、即ちポンプセル層（50、54、56、58、7
8）、平坦空間形成層（76）、センサセル層（52a、52
b、52c、60、62、64）、ヒータ層（72a、74、72b）を順
次積層せしめて、一体的な積層構造体と為し、そしてそ
れを焼成することにより、一体的な構造として形成され
ることとなる。

また、第７図に示される本発明に用いられる空燃比検出
素子の他の例にあっては、素子内に形成される平坦空間
が渦巻状の平面形状を呈しているところに、上例のもの
とは異なる大きな特徴を有している。

すなわち、この第７図に示される例にあっては、その渦
巻形状の平坦空間42の中心部にガス導入孔44が接続せし
められて、外部の被測定ガス存在空間（46）に連通せし
められるようになっており、そしてそのガス導入孔44の
接続部に近接した平坦空間42の部位が第一の位置とされ
て、そこに内側第一ポンプ電極56が露呈する状態におい
て固体電解質層50上に設けられており、また内側第二ポ
ンプ電極58は、かかる渦巻形状の平坦空間42の外側端部
（第二の位置）において露呈せしめられるように、固体
電解質層50に設けられているのである。また、酸素セン
サセル側の第一の測定電極60は、内側第一ポンプ電極56
が露呈せしめられる渦巻形状の平坦空間42の中心部近く
に露呈する状態で設けられ、同様に、第二測定電極62
が、内側第二ポンプ電極58に対向する状態において、渦
巻形状の平坦空間42の外側端部位において露呈する状態
で、固体電解質層52a上に設けられているのである。な
お、その他の部分は上例のものと同様であるので、同一
の番号を付して説明を省略することとする。

このような渦巻形状の平坦空間42を有する空燃比検出素
子においては、かかる平坦空間42の渦巻形状の経路に沿
って、ガス導入孔44から導き入れられた被測定ガス（排
ガス）が所定の拡散抵抗の下に拡散せしめられ、以て内
側第一ポンプ電極56及び第一測定電極60に接触せしめら
れた後、奥部となる外側端に配置された内側第二ポンプ
電極58及び第二測定電極62に接触せしめられることとな
るのである。

なお、本発明にあっては、空燃比検出素子の内部に設け
られる内部拡散空間としての平坦空間42の形状として、
上例の他にも、例えば直線的形状を呈し、第一及び第二
の位置が該直線的平坦空間内において、直線的に配列さ
れる構造のもの等、各種の形態を採用することが出来、
外部の被測定ガス存在空間から導入された被測定ガス
が、第一の位置を通り、所定の拡散抵抗の下に、第二の
位置に拡散せしめられ得るような構造であれば、何れも
採用可能である。

また、そのような内部拡散空間の第一の位置と第二の位
置との間における所望の拡散抵抗を得るためには、ガス
拡散通路の断面積の小さくしたり、ガス拡散通路の通路
長をくしたりする構成が適宜に採用されることとなる。

例えば、かかる第一の位置と第二の位置との間における
所望の拡散抵抗を与え、有利には第一の酸素ポンプ手段
に流される電流値が第二の酸素ポンプ手段に流される電
流値の２倍以上とすることの容易な素子構造としては、
第８図乃至第13図に示される如きものを挙げることが出
来る。

すなわち、第８図においては、内側第一ポンプ電極56や
第一測定電極60が位置する第一の位置と、内側第二ポン
プ電極58や第二測定電極62の位置する第二の位置との間
の平坦空間42部分に、多孔札なアルミナ等からなる、第
二の拡散抵抗手段としての多孔体80が円環状の平面形態
において充填、配置せしめられており、この多孔体80の
有する、平坦空間42よりも大なるガス拡散抵抗特性によ
って、第一の位置から第二の位置に導かれる被測定ガス
が大きく拡散律速されるようになっているのである。

また、第９図に示される例にあっては、平坦空間42の第
二の位置を含む（第一の位置には達しない領域におい
て）空間内に、上記と同様な多孔体80が充填せしめられ
ており、第一の位置から導かれた被測定ガスが、かかる
多孔体80にて拡散律速された後、第二の位置に位置する
内側第二のポンプ電極58や第二測定電極62に晒されるよ
うになっているのである。

なお、これらの実施例において、ガス導入孔44は、前例
とは異なり、素子40厚さ方向（積層方向）に貫通する孔
として設けられており、また平坦空間42内の雰囲気に晒
される内側ポンプ電極56、58や測定電極60、62上には、
それぞれ、それら電極を保護するための多孔質なセラミ
ックスからなる電極保護層82、84が設けられており、ま
た共通の外側ポンプ電極54上に設けられた電極保護層78
の上にも、多孔質なセラミックスからなる第二の電極保
護層86が更に設けられている。また、ヒータエレメント
74にあっても、アルミナ等からなる第二の絶縁層88内に
埋設された構造において電気絶縁性セラミックス層72内
に配置され、二重の電気絶縁が為されるようになってい
る。

また、第10図に示される素子構造においては、多孔質な
第二の電極保護層86がガス導入孔44内に入り込み、かか
るガス導入孔44が充填された形態となっているが、この
ような構造によれば、かかるガス導入孔44内に充填され
た電極保護層86、換言すれば多孔体がフィルター的役割
を果たし、目詰まり物質がトラップされて、それによる
平坦空間42内への悪影響を回避し得ると共に、第一の位
置へのガス拡散状態と第二の位置へのガス拡散状態が、
何れも多孔体拡散とギャップ拡散の複合された拡散状態
で一致するところから、理論的には理想的な拡散状態と
することが出来るのである。

さらに、第11図乃至第13図に示される素子構造は、上記
第８図乃至第10図の如き素子構造とは異なり、平坦空間
42が第12図に示される如く矩形形状とされており、その
矩形の四隅部分がそれぞれ第二の位置とされて、内側第
二ポンプ電極58と第二測定電極62とが相対向して設けら
れている。そして、平坦空間42の中心側に位置する第一
の位置にそれぞれ設けられた円環状の内側第一ポンプ電
極56と第一測定電極60の径方向外側に、所定のセラミッ
クス材料からなる円環状の間仕切り90が設けられ、そし
てこの間仕切り90に約90゜の位相差を以て切欠き部92が
設けられていることにより、かかる間仕切り90が、第一
の位置から第二の位置に導かれる被測定ガスを迂回させ
る迂回壁を構成するようになっている。

すなわち、かかる第11図乃至第13図に示された素子構造
においては、ガス導入孔44を通じて導かれた被測定ガス
は、矩形の平坦空間42の中心側に位置する第一の位置に
おいて内側第一ポンプ電極56及び第一測定電極60に晒さ
れ、そして、かかる被測定ガスは、迂回壁としての間仕
切り90の切欠き部92を通じて、平坦空間42の四隅部の第
二の位置に廻り込み、そこで内側第二ポンプ電極58や第
二測定電極62と接触するようになるのであり、これによ
って第一の位置と第二の位置との間のガス拡散経路が有
利に長く為され得るのである。

その他、前述した実施例では、ガス導入孔44は、大きな
孔径のものとされ、実質的にその拡散抵抗を無視し得る
ものとされているが、本発明にあっては、公知の如く、
かかるガス導入孔44をピンホール構造のものとして、そ
こに所望の拡散抵抗が惹起せしめられるようなものとし
ても、何等差支えないのである。

以上、本発明手法が適用される装置の幾つかの具体例に
ついて、詳細に説明してきたが、本発明が、このような
例の具体例にのみ限定して解釈されるものでは決してな
く、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の
知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた
形態において実施され得るものであり、本発明が、その
ような実施形態のものをも含むものであることは、言う
までもないところである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明手法が適用される空燃比検出装置の検
出素子の一実施例を示す要部断面説明図であり、第２図
は従来装置の一例を示す第１図に対応する図であり、第
３図はポンプ電流（Ip）の変化の状態を示すグラフであ
り、第４図は空燃比検出装置における検出方式を電気回
路に置き換えた図であり、第５図は本発明の原理を示す
断面説明図であり、第６図及び第７図は、それぞれ、本
発明に用いられる空燃比検出素子の一実施例を示す分解
斜視図である。第８図乃至第11図は、それぞれ、本発明
に用いられる空燃比検出素子の他の異なる実施例を示す
第１図に対応する断面図であり、第12図は第11図におけ
るXII−XII視説明図であり、第13図は第12図におけるXI
II−XIII断面説明図である。 40:素子本体、42:平坦空間 44:ガス導入孔 46:被測定ガス存在空間 48:空気通路 50、52:固体電解質層 54:外側ポンプ電極 56:内側第一ポンプ電極 58:内側第二ポンプ電極 60:第一測定電極、62:第二測定電極 64:基準電極、66:スイッチ 74:ヒータエレメント 76:スペーサ部材、80:多孔体 86:第二電極保護層、90:間仕切り 92:切欠き部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部の被測定ガス存在空間に連通せしめら
れて、被測定ガスを所定の拡散抵抗の下に導く内部拡散
空間を設け、そしてこの内部拡散空間内の第一の位置に
おける雰囲気中の酸素濃度を検出して、該酸素濃度に対
応した出力を為す第一の酸素濃度検出手段、及び該第一
の酸素濃度検出手段からの出力信号に基づいて該第一の
位置における雰囲気中の酸素濃度を制御する第一の酸素
ポンプ手段をそれぞれ配置すると共に、前記内部拡散空
間内にあって、前記第一の位置を通って被測定ガスが導
かれる、該第一の位置よりも被測定ガスの拡散経路が長
い第二の位置における雰囲気中の酸素濃度を検出して、
該酸素濃度に対応した出力を為す第二の酸素濃度検出手
段、及び該第二の酸素濃度検出手段からの出力信号に基
づいて該第二の位置における雰囲気中の酸素濃度を制御
する第二の酸素ポンプ手段をそれぞれ配置せしめてなる
空燃比測定装置の空燃比出力を補正する方法にして、かかる空燃比測定装置の使用初期における、前記第一の
酸素ポンプ手段のポンプ電流値と前記第二の酸素ポンプ
手段のポンプ電流値との比を求める一方、該空燃比測定
装置の経時劣化後における、該第一の酸素ポンプ手段の
ポンプ電流値と該第二の酸素ポンプ手段のポンプ電流値
との比を求め、それらポンプ電流値の比より、該第一或
いは第二の酸素ポンプ手段の補正係数を求めて、経時劣
化に対する補正を行なうことを特徴とする空燃比測定装
置における出力補正方法。
【請求項２】前記内部拡散空間が細隙な平坦空間であ
り、該平坦空間が直接に或いはガス通路を介して間接的
に外部被測定ガス存在空間に連通せしめられている特許
請求の範囲第１項記載の空燃比測定装置における出力補
正方法。
【請求項３】前記平坦空間が円盤状の平面形状を呈し、
その円盤形状の中心部に対して接続された前記ガス通路
を介して外部被測定ガス存在空間に連通せしめられてお
り、且つ該ガス通路との接続部に近接した平坦空間の円
環状部位が前記第一の位置とされると共に、該平坦空間
の外周部の円環状部位が前記第二の位置とされている特
許請求の範囲第２項記載の空燃比測定装置における出力
補正方法。
【請求項４】前記平坦空間が直線的形状を呈し、前記第
一及び第二の位置が該直線的平坦空間内において直線的
に配列させられている特許請求の範囲第２項記載の空燃
比測定装置における出力補正方法。
【請求項５】前記平坦空間が渦巻状の平面形状を呈し、
その渦巻形状の一方の端部に対して接続された前記ガス
通路を介して外部被測定ガス存在空間に連通せしめられ
ており、且つ該ガス通路に接続される渦巻形状の一方の
端部に近接した平坦空間部位が前記第一の位置とされる
と共に、該平坦空間の行止りとなった他方の端部側部位
が前記第二の位置とされている特許請求の範囲第２項記
載の空燃比測定装置における出力補正方法。
【請求項６】前記第一及び第二の酸素濃度検出手段並び
に前記第一及び第二の酸素ポンプ手段が、何れも、固体
電解質とそれに接して設けられた一対の電極とを含む電
気化学的セルにて構成される特許請求の範囲第１項乃至
第５項の何れかに記載の空燃比測定装置における出力補
正方法。
【請求項７】前記第一の位置における雰囲気を所定の酸
素濃度に維持すべく前記第一の酸素ポンプ手段に流され
る電流値が、前記第二の位置における雰囲気を該所定の
酸素濃度に維持すべく前記第二の酸素ポンプ手段に流さ
れる電流値の２倍以上である特許請求の範囲第６項記載
の空燃比測定装置における出力補正方法。
【請求項８】前記第一の酸素濃度検出手段を構成する一
対の電極のうち、前記第一の位置に配置されない電極
と、前記第二の酸素濃度検出手段を構成する一対の電極
のうち、前記第二の位置に配置されない電極とが、共通
である特許請求の範囲第６項または第７項の何れかに記
載の空燃比測定装置における出力補正方法。
【請求項９】前記第一の酸素ポンプ手段を構成する一対
の電極のうち、前記第一の位置に配置されない電極と、
前記第二の酸素ポンプ手段を構成する一対の電極のう
ち、前記第二の位置に配置されない電極とが、共通であ
る特許請求の範囲第６項乃至第８項の何れかに記載の空
燃比測定装置における出力補正方法。
【請求項１０】前記第一及び第二の酸素濃度検出手段を
それぞれ構成する一対の電極のうち、前記第一及び第二
の位置に配置されない他方の電極が、それぞれ、基準酸
素分圧を与える大気に接触せしめられる特許請求の範囲
第６項乃至第９項の何れかに記載の空燃比測定装置にお
ける出力補正方法。
【請求項１１】前記第一及び第二の酸素濃度検出手段並
びに前記第一及び第二の酸素ポンプ手段を構成する固体
電解質が、それぞれ、酸素イオン伝導性のジルコニア磁
器である特許請求の範囲第６項乃至第10項の何れかに記
載の空燃比測定装置における出力補正方法。
【請求項１２】前記第一及び第二の酸素濃度検出手段並
びに前記第一及び第二の酸素ポンプ手段を構成する固体
電解質を所定の温度に加熱するためのヒータ手段を一体
的に備えてなる特許請求の範囲第１項乃至第11項の何れ
かに記載の空燃比測定装置における出力補正方法。
【請求項１３】前記内部拡散空間の前記第一の位置と前
記第二の位置との間に若しくは該第二の位置を含む空間
内に、該内部拡散空間よりも大なるガス拡散抵抗を有す
る第二の拡散抵抗手段が設けられている特許請求の範囲
第１項乃至第12項の何れかに記載の空燃比測定装置にお
ける出力補正方法。
【請求項１４】前記第二の拡散抵抗手段が、前記内部拡
散空間の前記第一の位置と前記第二の位置との間に若し
くは該第二の位置を含む空間内に充填された多孔体であ
る特許請求の範囲第13項記載の空燃比測定装置における
出力補正方法。
【請求項１５】前記内部拡散空間と前記外部の被測定ガ
ス存在空間との連通部に第二の多孔体が設けられて、該
第二の多孔体を通じて、該内部拡散空間内に被測定ガス
が導かれる特許請求の範囲第14項記載の空燃比測定装置
における出力補正方法。
【請求項１６】前記内部拡散空間の前記第一の位置と前
記第二の位置との間に、該第一の位置から該第二の位置
に導かれる被測定ガスを迂回させる迂回壁を設けて、該
第一の位置から該第二の位置に至るガス拡散経路を長く
した特許請求の範囲第１項乃至第12項の何れかに記載の
空燃比測定装置における出力補正方法。