JPS58127158A - 酸素濃度検出素子 - Google Patents

酸素濃度検出素子

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JPS58127158A
JPS58127158A JP57010633A JP1063382A JPS58127158A JP S58127158 A JPS58127158 A JP S58127158A JP 57010633 A JP57010633 A JP 57010633A JP 1063382 A JP1063382 A JP 1063382A JP S58127158 A JPS58127158 A JP S58127158A
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JP
Japan
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fuel ratio
air
electrode layer
solid electrolyte
electromotive force
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JP57010633A
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JPH0221544B2 (ja
Inventor
Megumi Fukushima
福島 恵
Yasuhiro Shidahara
志田原 康博
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Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
Toyo Kogyo Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、エンジンの排ガス中の酸素濃度を測定して空
燃比を検出するための酸素濃度検出素子(いわゆる02
センサ)に関し、特に理論空燃比を含む幅広い空燃比を
検出できるようにしたものである。
−l −^1^ 従来より、このような酸素濃度検出素子(o2センサ)
として、一端が閉鎖され他端が大気に連通されたZrO
,、−Y、、 03等の酸素イオン伝導性の固体電解質
管を有し、該固体電解質管の内外壁面にpt等の触媒性
能を有する導電性物質よりなる内部電極層および外部電
極層を形成して、上記固体電解質管の内側に基準ガスと
して大気を、外側に被測定ガスとして排ガスを流すこと
により、基準ガスと被測定ガスとの酸素濃度分圧差に応
じて内外部電極層間に発生する起電力を測定して、排ガ
ス中の酸素濃度を検出するようにしたものは広く知られ
ている。
しかるに、上記従来の酸素濃度検出素子は、空燃比に対
して起電力が理論空燃比付近で0N−OFF的に変化す
る特性を有する所謂理論空燃比用センサタイプであるた
め、理論空燃比の検出には好適であるが、理論空燃比以
外のリーン側およびリッチ側での空燃比の検出はほとん
ど不可能なものであった。
ところで、エンジンの空燃比をエンジンの運転−2− 状態に応じて最適な位置で制御するという要求(例えば
■燃料効率の最も良い燃焼域でエンジンを作動させるこ
と、■高速時の最適燃焼を得ること、■冷間始動゛時の
最適燃焼を得ること、■最適な加速性能を得ることなど
)、また点火時期や排ガス還流率あるいはトランスミッ
ションギヤ比などパワートレイン系の全てを考暉した総
合制御システム中のセンサとして用いるという要求など
から、理論空燃比を含む幅広い空燃比を検出したい場合
、空燃比に対して起電力が線形変化(リニア変化)する
特性をもつことが必要であり、このようなリニア特性を
もつ所謂リニア空燃比用センサタイプの酸素濃度検出素
子の開発が要望されていた。しかも、このリニア空燃比
用センサタイプのものは即応性に優れ、かつ製造が容易
であることも実用性の而から必要である。
そこで、本出願人は、上記要望を満たすべく、先に、一
端が閉鎖され他端が大気に連通された酸素イオン伝導性
の固体電解質管を有し、該固体電解質管の内外壁面に導
電性物質よりなる内部電極層および外部電極層を形成し
た酸素濃度検出素子の少なくとも上記外部電極を半触媒
性能を持つ電極とするとともに、さらに上記外部電極層
の表面にf’io2. fEn02等の還元性ガスを吸
着する物質よりなる被膜を形成することにより、広範囲
の空燃比制御に利用できる所謂リニア空燃比用センサタ
イプのもの(特願昭56−1’/49’i’2号明細書
および図面参照)を提案している。
しかし、この提案のものでは、リニア特性のために広範
囲の空燃比の検出が可能である反面、特に良好な検出精
度が必要な理論空燃比付近における起電力勾配が上記理
論空燃比用センサタイプのものに較べて小さいため、理
論空燃比付近の検出精度が少し劣るという問題がある。
本発明は斯かる点に鑑み、一つの酸素濃度検出素子に上
記理論空燃比用センサ特性とリニア空燃比用センサ特性
とを併有させて、必要に応じて両特性を使い分けること
により、両特性の互いの欠点を補い合って、理論空燃比
を含む広範囲の空燃比の検出を精度良く行い得るように
することを目的とするものである。
そのため、本発明の構成は、一端が閉鎖され他端が大気
に連通された酸素イオン伝導性の固体電解質管を有′し
、該固体電解質管の内壁面に導電性物質よりなる内部電
極層を形成し、上記固体電解質管の外壁面に、導電性物
質よ産υかつ触媒性能を持つ理論空燃比用外部電極層と
、表面にTie、、。
5n02等の還元性ガスを吸着する物質より々る被膜が
被覆された導電性物質よりなりかつ半触媒性能を持つリ
ニア空燃比用外部電極層とをそれぞれ形成することによ
り、各外部電極層と内部電極層との組合せによって理論
空燃比用センサ特性およびリニア空燃比用センサ特性を
併せ持つようにしたものである。
ここで、本発明において、リニア空燃比用外部電極層と
内部電極層との組合せにより空燃比に対して起電力がほ
ぼリニアになる特性を示す理由について考察にするに、
排ガス中には02. NOx、 Co。
HC・H2が含有しており、この中のCo、HC,H,
、の未燃焼成分いわゆる濃元性ガスの作用によるものと
考えられる。すなわち、上記リニア空燃比用外部電極層
の表面にはTlO2等の還元性ガスを吸着しゃすい酸化
物よシなる被膜が形成されているので、排ガス中に晒す
と上記被:摸が多量のCo、 HC,I(2を吸着する
ため、被膜と外部電極層との界面における02績度は実
際よりも低く々る。そして、該外部電極層上において触
媒作用(酸化作用)にょD O2は上記吸着ガス(主に
CO)と反応し、0□濃度はさらに低下する。これによ
り、空燃比のり一ン側域においても02が不足した状態
としてとらえられるため、起電力は高くなり、この起電
力は還元性ガスの吸着量および02濃度の関係がら空燃
比が大きくなるに従って低くなる特性を示す。また、空
燃比のリッチ側域においては、元来の0□量が非常に少
ないため、Co、 HC,H2の影響がほとんどなく、
起電力の変化となって現われにくいものと考えんれる。
よって、第2図に示すような略リニアな起電力特性にな
るのである。
また、上記リニア空燃比用外部電極層は半触媒性能を持
つ電極を用いる必要がある。ここでぃう゛′半触媒性質
”とは、起電力の高低差が十分あり変化が急激なものを
フル触媒性質といい、空燃比に対して起電力の変化がほ
とんどないものを触媒性質のないものというのに対し、
変化時の起電力勾配がフル触媒性質のものよりも緩いも
のオヨヒ/マタハ起電力高低差が比較的小さいものをい
う。
例えば、変化時の起電力勾配では60〜80°程度が好
ましく、また起電力高低差についてはフル触媒性質のも
のが900mVであればその4〜4程度が好ましい。但
し、上記勾配および高低差は使用する材料や使用エンジ
ンの要求性能、排ガス組成等により異なるものである。
そして、このような半触媒性能を持つ外部電極を用いる
理由について述べると、第2図に示すようにリニア空燃
比用センサ特性は理論空燃比用センサ特性に対してリー
ン側の02濃度を実際よりも低く検出するものである。
したがって、リッチ側の起電力が比較的低くリッチ側か
らり一ン側への起電力変化が緩慢な特性を示すものであ
ると、リーン側の起電力を引き上げてリッチ側の起電力
と連続したほぼ直線的な線形を出すことができるのであ
る。しかし、フル触媒性能を持つ電極により完全な垂下
特性の起電力を生じるものであると、リーン側の起電力
をリッチ側の起電力高さまで引き上げるには排ガス中の
HC,Co、 H2の吸着量を極端に多くしなければ々
らず、排ガス中のHC,Co。
鴇の量、被膜の膜厚、応答性を考えると実際的でないも
のである。また、非触媒性能を持つ電極では本発明の目
的を達成できないことは容易に推測できる。
なお、このような半触媒性能を持つ電極はAg。
Auなどの材質を選定することによシ容易に形成するこ
とができるが、従来一般に触媒性能が高いといわれてい
るptであっても、粒子径や膜厚を調整することによっ
て容易に半触媒性能を持たすことができる。
一方、上記理論空燃比用外部電極層に用いる触媒性能を
持つ電極としては、理論空燃比付近で垂下特性の起電力
を発生して理論空燃比付近の検出精度を上げることがで
きる点で、pt等の高触媒性能を持つものが好ましい。
また、上記還元性ガスを吸着する物質は、還元性ガス雰
囲気中にセットした場合の導電率の変化(増大)により
その性状を有するか否かを知ることができ、上記のT 
y−02,S n O2の他に■205を用いることが
できる。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する0 第1図は本発明に係る酸素濃度検出素子Aを示し、1は
一端が閉鎖され他端が大気に連通されたZrO2−8モ
/lz % Y、、03. ZrO3−15モル%Ca
O等の酸素イオン伝導性の固体電解質管であって、該固
体電解質管1の内壁面にはPt、 Au、 Ag等の導
電性物質よりなる内部電極層2が形成され、一方、上記
固体電解質管1の外壁面には、高触媒性Pt等の導電性
物質よりなりかつ触媒性能を持つ理論空燃比用外部電極
層6と、半触媒性Pt、 Au、 Ag等の導電性物質
よりなりかつ半触媒性能を持つリニア空燃比用外部電極
層4とがそれぞれ互いに不導通状態に形成され、該リニ
ア空燃比用外部電極層4の−9− 表面には、TlO2+ 5n02等の還元性ガスを吸着
する物質よりなる被膜5が被覆形成されており、上記固
体電解質管1の内側に基準ガスとして大気を、外側に被
測定ガスとして排ガスを流すことにより、基準ガスと被
測定ガスとの酸素濃度差に比例して理論空燃比用外部電
極層6と内部電極層2との間およびリニア空燃比用外部
電極層4と内部電極層2との間にそれぞれ発生する起電
力V、、  V2を測定して空燃比を検出するように構
成されたものである。
そして、上記酸素濃度検出素子Aは、第2図に示すよう
に、理論空燃比用外部電極層6と内部電極層2との組合
せによって理論空燃比付近でON−OFF的に変化する
起電力v1特性いわゆる理論空燃比用センサ特性が得ら
れ、またリニア空燃比用外部電極層4と内部電極層2と
の組合せによって空燃比に対して起電力■2がほぼリニ
アになる特性いわゆるリニア空燃比用センサ特性が得ら
れる。
したがって、上記両特性を必要に応じて使い分けて、理
論空燃比付近では理論空燃比用センサ特−10− 性を利用し、理論空燃比よりリーン側およびリッチ側の
空燃比に対してはリニア空燃比用センサ特性を利用する
ことによシ、理論空燃比を含む幅広い範囲の空燃比を即
応性良くかつ精度良く検出することができる。
また、一つの酸素濃度検出素子Aに上記両特性を併有す
るので、各々の特性を持つ2つの酸素濃度検出素子を使
用する場合に較べて、同じ位置での空燃比状態を検出す
ることができ、空燃比検出をより正確に行うことができ
る。
尚、上記実施例では、理論空燃比用外部電極層乙の外表
面およびリニア空燃比用外部電極層4の被膜5の外表面
に保護層を設けなかったが、それぞれに保護層を設けて
もよく上記性能を損うことはない。
以上説明したように、本発明によれば、理論空燃比用セ
ンサ特性およびリニア空燃比用センサ特性を共に即応性
良く発揮して、理論空燃比を含む幅広い空燃比を精度良
く検出することができるとともに、簡単かつ容易に製造
でき安価に提供することができるので、エンジンの空燃
比を運転条件に応じて最適位置で制御して例えば加速補
正や加速応答性の改善を図る場合や自動車を総合的に制
御するシステム等におけるセンサとして広範囲に利用で
き、実用上著効を有するものである。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の実施例を示し、第1図は本発明に係る酸
素濃度検出素子の縦断面図、第2図は本発明の空燃比に
対する起電力特性を示すグラフである。 1・・固体電解質管、2・・内部電極層、6・・理論空
燃比用外部電極層、4・・リニア空燃比用外部電極層、
5・・被膜。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)一端が閉鎖され他端が大気に連通された酸素イオ
    ン伝導性の固体電解質管を有し、該固体電解質管の内壁
    面に導電性物質よりなる内部電極層を形成し、上記固体
    電解質管の外壁面に、導電性物質よりなりかつ触媒性能
    を持つ理論空燃比用外部電極層と、表面にTiO2,S
    nO2等の還元性ガスを吸着する物質よりなる被膜が被
    覆された導電性物質よりなりかつ半触媒性能を持つリニ
    ア空燃比用外部電極層とをそれぞれ形成したことを特徴
    とする酸素濃度検出素子。
JP57010633A 1982-01-25 1982-01-25 酸素濃度検出素子 Granted JPS58127158A (ja)

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JPH0221544B2 JPH0221544B2 (ja) 1990-05-15

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018179856A (ja) * 2017-04-18 2018-11-15 株式会社デンソー ガスセンサ

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JPS5172492A (ja) * 1974-12-20 1976-06-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd
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