JPS59108951A - 酸素ポンプ方式空燃比センサ - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は内燃機関の空燃比制御装置用センサに係シ、特
に、内燃機関の制御目標空燃比を理論空燃比よシも空気
過剰側、即ちリーン側に設定して帰還制御するに好適な
空燃比センサに関する。

〔従来技術〕

空燃比と排ガス組成、空燃比と燃焼効率の関係は、一般
的に第１図に示す如くである。図において空燃比Ａ／Ｆ
の約１４．７　ｋ示す線Ａが理論空燃比である。また、
図中、Ｂは０２濃度特性であり、ＣはＨＣ製置特性、Ｄ
はＣＯ濃度特性、ＥはＮＯ濃度特性をそれぞれ示してい
る。この第１図に示す如く理論空燃比を境に空気過剰側
（リーン側）で燃焼効率は最大となる。この空気過剰側
になっている率、すなわち空気過剰率λよシ燃焼効率の
高い領域を求めればよい。この空気過剰側では空燃比に
対し排ガス中の酸素濃度が比例して変化する。したがっ
て、この酸素濃度よシ空気過剰率λ１〜１．６の範囲の
高い精度で空燃比を検出してやれば良い。

このような酸素ポンプ現象を利用した空燃比センサは、
特開昭５２−７２２８６号、特開昭５２−６９６９０号
、特開昭５３−１１６８９６　号、特開昭５５−１６６
０３８号、特開昭５５−１６６０３９号、％囲昭５５−
６２３４９号、特開昭５６−１３０６４９号等で知られ
ている。しかし、酸素ポンプ現象？利用したこれらの方
法は６００ｃ以下の低温では動作しないこと、温度影響
が極めて大きいこと、応答性が遅いことなどの問題点が
あった。従来技術の特開昭５２−６９６９０号に示され
ている方式を第２図、特開昭５６−１３０６４９　号に
示されている方式を第４図に示す。

第２図はガス拡散孔における酸素の拡散律速を利用した
限界電流式の空燃比センサとして知られており、酸素イ
オン伝導性の固体電解質１、電極２．３及びガス拡散孔
４を有するカバ一部材５がらなシ、固体電解質１とカバ
一部材５間に基準室６を有する。この空燃比センサは電
極２と３間へ励起電源７で定電圧（例えば、Ｅ＝ＩＶ）
を印加したときに、固体電解質１中を流れるポンプ電流
Ｉｐｔ電流計８で計測するものである。この原理の空燃
比センサの特性の一例を第３図に示す。図において、排
ガス温度がＡは６００　ｔ？、　ＢｉＪニア００ＣＸＣ
は８０（Ｉ’、Ｄは９００Ｃのときの特性である。この
第３図に示す特性図から明らかな如く、排ガス温度がＡ
の６００Ｃ以下の低温では動作せず、排ガス温度による
空燃比センサ検出感度の影響が太きい。これは、固体電
解質１の酸素イオン導電率が低温はど小さくなることな
どによめものでちる。この方式は、また、応答性が悪い
という欠点を梅している。とのセンサの応答性は基準室
６の内部容積とガス拡散孔４の横断面積との比で定マシ
、その比が小さいほど応答性は向上する。

このためには、晶準室６の内部容積を小さくするかある
いはガス拡散孔４の横断面積を大きくする必要がある。

基準室６の内部容積を小さくする方法は製法が困難なこ
と、電極２の面に沿う基準室６内の酸素分圧の分布が不
均一になることなどの欠点が生ずる。従って、応答性を
向上させるにはガス拡散孔４の横断面積を大きくするこ
とが最も容易な方法である。しかし、この場合はセンサ
の出力信号であるボングミ流■、が大きくなり、固体電
解質１の酸素イオン導電率の影響で、低温作動性をさら
に悪下させることになる。このように、この方式の空燃
比センサによったのでは他の特性を損なうことなく、応
答性を向上させることは困難である。

第４図に示した方式の空燃比センサは、第２図のセンサ
の欠点である温度影響を補償する方法として知られてい
る。このセンサは両面に電極９と電極１０を有する固体
電解質１１、電極１２と電極１３を有する固体電解質１
４及びガス拡散孔１５を有する部材１６からなる。固体
電解質１１゜１４と部材１６で囲まれた空間１７が基準
室となる。この方式の空燃比センサは固体電解質１１を
酸素ポンプセル、固体電解質１４を酸素センサセルにし
、基準室１７内の酸素濃度全制御して出方信号であるポ
ンプ電流■、値の温度影響を低減したものと言われてい
る。即ち、センサセルの起電力ｅ、が一定値になるよう
にポンプセルの励起電源１８を制御し、このときに固体
電解質１１中を流れるボングミ流Ｉ、を電流計１９にて
計測する手法である。しかし、本方法でも大幅に急変す
る排ガスの温度環境下で、排ガス中の残存酸素濃度を高
精度に検出することは困難である。まだ、低温作動性と
応答性に関しては基準室１７内の酸素分圧を制御してい
る分だけ、第２図の方式よシは改善できるが実使用上は
不十分である。

このように、従来技術の酸素ボンノ方式空燃比センサは
低温作動性、温度影響を受けたシ、応答性が悪いという
欠点を有していた。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、低温で動作し、温度影響が少なく、シ
かも応答性の良好な酸素ポンプ方式空燃比センサを提供
することにある。

〔発明の概要〕

本発明の要旨は次の如くである。すなわち、両面に電極
を有する酸素イオン伝導性固体電解質を積層し、基準室
を両固体電解質間の電極部のみに限定することによシ、
基準室相当部分の内部容積を極小構造にする。両固体電
解質の少なくとも一方をガス透過性のポーラスな部材で
構成し、両固体電解質間の電極部を間接的に、排ガス雰
囲気と接触させる。あるいは、両固体電解質問にガス透
過性のポーラスな部材を設け、この部材を介して排ガス
雰囲気と間接的に接触させる。このように基準室相当部
分の内部容積を極小化できる故、固体電解質中を流れる
ポンプ電流の大きさを抑制しても、早い応答性の空燃比
センサを得ることができる。その結果、低温作動性の向
上にも負献することができる。

一方の固体電解質をセンサセル、他方の固体電解質をポ
ンプセルにして、基準室相当部分である両固体電解質間
の電極部の酸素濃度を制御する。

基準室相当部分の酸素濃度はセンサセルの起電力ｅ、で
検知され、このｅｌが一定１直になるようにポンプセル
への励起電圧Ｅが制御される。基準室相当部分の深さは
従来技術に比べて無視できる故、深さ方向の酸素分圧分
布の影響はなく、基準室相当部の酸素濃度を高精度に制
御できる。その結果、排ガス中の残存酸素濃度を高い精
度で検出できる。

また、上記の方法で基準室相当部分の酸素濃度を制御す
ることによυ、排ガス雰囲気と基準室相当部分間へ、低
温でも十分な酸素分圧差をつけることができる。その結
果、空燃比センサの低温作動性が改善され、低温下でも
酸素濃度の変化に対して十分な感度を有するものを得る
ことができる。

さらに、空燃比センサの出力信号であるポンプ電流Ｉｐ
’ｔポンプセルへの励起電圧Ｅに応じて可変増幅するこ
とにより、酸素イオン伝導性固体電解質の酸素イオン導
電率などに起因する温度影響を大幅に改善できる。この
結果、排ガスの温度が大幅に急変しても、温度影響の極
めて少ない空燃比センサを得ることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第５図には、本発明の一災施例が示されている。

図において、両面に白金などの材料からなる多孔性電極
を形成した第１の固体電解質２０と第２の固体電解質２
１が積層されている。この第１の固体電解質２０及び第
２の固体電解質２１は、イツトリアなどで安定化された
ジルコニアニジなシ、ガス透過性を有するポーラス状の
ものである。本実施例における積層、接着技術はグリー
ンシート状のジルコニアを熱圧着後、高温で焼成したも
のである。固体電解質のポーラス度はグリーンシート状
態時のジルコニアの粒径や熱圧着後の焼成温度を調節す
ることによって任意のものを容易に得ることができる。

すなわち、焼成温度によってポーラス度は管理でき、高
温などその緻智度は向上する。第１の電極２２は固体電
解質中に埋没されておシ、第２の電極２３及び第３の電
極２４は排ガス雰囲気に接触している。基準室相当部分
である第１の電極２２は第１の固体電解質２０及び第２
の固体電解質２１中の極めて微少な多数の孔を介して、
排ガス雰囲気と間接的に接触している。

基準室相当部分である第１の電極２２の内容積は電極の
多孔度によって定まるが、電極の厚さは、数〜数十μｍ
オーダであるので、極めて小さな値になる。したがって
、第１の固体電解質２０及び第２の固体電解質２１のポ
ーラス度を低下させて、排ガス雰囲気中から多数の微少
な孔を介して、第１の電極２２部へ拡散流入する酸素の
量を抑制しても、時定数が数十ｍｓと高応答のものを得
ることができる。

今、第２の電極２３が陽極、第１の電極２２が陽極にな
るように、第１の固体電解質２０へ励起電源２５から１
ボルトの定電正金印加する。すると、第１の電極２２部
へ第１の固体電解質２０及び第２の固体電解質２１中の
微少な孔金介して、排ガス雰囲気から拡散流入する酸素
ガスは陽極２２で酸素イオンに還元される。そして、第
１の固体電解質２０中全移動し、陽極２３部で酸化され
、再び酸素ガスになり排ガス雰囲気中へ放出される。第
１の固体電解質２０中金移動する酸素イオンの量、即ち
ポンプ電流■、は電流計２６で検出される。

第５図の空燃比センサがグリーンシート状の積層体から
なシ、励起電圧Ｅが１ボルトと定電圧励起時に第１の固
体電解質２０中を流れるポンプ電流工、の測定例を第６
図に示す。第６図は基本的には従来技術の第３図のもの
と同原理のものであシ図中、Ａは５５７１Ｚ’、Ｂは６
１４Ｃｘ　Ｃは７０６Ｃ，Ｄは８０１Ｃのときのそれぞ
れの測定結果を示し、図に示すように６００Ｃ以下の温
度では動作しない。ただ、第１の電極２２部へ拡散流入
する酸素の量を抑制することによって、第１の固体電解
質２０中を流れるポンプ電流工、を小さなレベルにでき
るから、固体電解質の酸素イオン導電率の温度依存性な
どに起因する温度影響は排ガスの温度が７００Ｃ〜８０
０Ｃの範囲で小さくなる。

この点、従来技術よシも優れている。

次に、排ガス中の残存酸素濃度がら空燃比を検出する方
法を説明する。

第７図には、起電力ｅ、の定値制御方式によるポンプ電
流■、の計測方法が示されている。この第７図中の符号
が第５図中の符号と同一のものは第５図中のものと同一
のものを示している。

図において、第１の固体電解質２０の両電極即ち第２の
電極２３と第１の電極２２間に作用する励起電圧Ｅに応
じて、第１の電極２２部の酸素は排ガス中に持ちさられ
、低濃度に制御される。

基準室相当部分である第１の電極２２部の酸素濃度は第
２の固体電解質２１の両電極間、即ち第３の電極２４と
第１の電極２２間の起電力ｅ、によって検知される。な
お、この起電力ｅ、は良く知られたＮｅｒｎｓｔＯ式に
よって一義的に定まる値に、？Ｊ’ｒ　１の固体電解質
２０への励起電圧Ｅに応じた分極電圧が加算されたもの
である。このように、第１の固体電解質２０は酸素ポン
プセル（以下、単にポンプセルと称する）、第２の固体
電解質２１は酸素センサセル（以下、単にセンサセルと
称する）としての機能を有する。

第７図に示す如く、第１の電極２２はアースに、第３の
電極２４は増幅器２７の負入力端子にそれぞれ接続され
ている。この増幅器２７の正入力端子には基準電源２８
によって一定の電圧（０，１〜１．５ｖの間の定電圧、
例えば１ｖ）が印加されている。また、増幅器２７の出
力は抵抗２．９を介してトランジスタ３０のベース部に
接続され、ポンプセルへの励起電圧Ｅｅ制御する。そし
て、センサセル２１の起電力ｅ、が１ｖになるように、
ポンプセルへの励起電圧Ｅがフィードバック制御される
。その結果、第１の電極２２部の酸素濃度は十分に低い
レベルへ制御されるので、低温下でも酸素濃度に感応す
るに十分なレベルのポンプ電流■、全得ることができる
。

第８図には、第７図に示した計測手法によるポンプセル
２０部のポンプ電流Ｉｐ’に電流計２６で測定した結果
が示されている。

図において、Ａは５０２Ｃのとき、Ｂは５５７Ｃのとき
、Ｃは６１４Ｃのとき、Ｄは７０６Ｃのとき、Ｅは８０
１Ｃのときの測定結果をそれぞれ示している。本結果は
、センサセル２１の起電力ｅ、がｌ■一定のときのもの
である。このように、第８図に示す如く、５００Ｃの低
温でも酸素濃度に対して十分な感度１−［しておシ、第
４図に示した従来例や第６図に示した測定結果よシも低
温作動性が著しく良い。

この第８図中に示した温度はポンプセル２０゜センサセ
ル２１自身の温度であシ、排ガスの温度が急変しない場
合は特性図に示した通シの値を示す。

第９図は起電力ｅ、の可変制御方式によるポンプ電流■
、の計測手法を示したものである。抵抗３１と抵抗３２
を図のように接続して、基準電源２８の電圧（本実施例
においては１ボルト）に励起電圧Ｅの分圧電圧を加算し
たものを増幅器２７の正入力端子に印加したものである
。このような構成にすることによシセンサセル２１の起
電力ｅ、は励起電圧Ｅの分圧電圧の分だけ正帰還制御さ
れる。この結果、第７図の場合に比較してポンプセル２
０への励起電圧Ｅは低温はど大きな値になシ、ポンプ電
流■、も増加し温度影響が改善される。この効果が第１
０図に示されている。この図は抵抗３１がＩＭΩ、抵抗
３２が５０にΩの場合の測定結果を示したものでＡは５
０２Ｃのとき、Ｂは５５７Ｃのとき、Ｃは６１４Ｃのと
き、Ｄは７０６Ｃのとき、Ｅは８０１Ｃのときの測定結
果である。図に示すように、５００〜６００ｃの温度で
のポンプ電流■、が増加し、第８図の場合よ＃）＠度影
響の小さいことが分る。なお、抵抗３１と抵抗３２の分
圧比を大きくすると温度影響はさらに改善される。しか
し、分圧比を大きくしすぎると発振しやすく不安定にな
るので、その許容分圧比は約５である。

さらに温度影響を改善する別の実施例について以下に示
す。

第１１図は励起電圧Ｅの温度依存性を示したものである
。この図は第７図に示した手法のときに、ポンプセル２
０へ印加される励起電圧Ｅの温度依存性の実測値をプロ
ットしたもので０２濃度が６％のときのものである。図
に示すように、励起電圧Ｅは低温はど大きな値になる。

第１２図は励起電圧ＥｃＤ酸素濃度依存性を示したもの
である。この図も、第７図に示した手法のときに、排気
ガス温度が６１４ｃ一定の場合でポンプセル２０へ印加
される励起電圧Ｅの酸素濃度依存性の実測値をプロット
したものである。図に示すように、励起電圧Ｅは高酸素
濃度はど若干大きな値になる。

ポンプセル２０へ印加される励起電圧Ｅの温度依存性と
酸素濃度依存性を利用して、空燃比センサの出力である
ポンプ電流１．の温度影響を対策する手法を第１３図に
示す。これは、ポンプセル２０部を流れるポンプ電流■
、を抵抗３３部の電圧降下法で検出し、可変増幅器３４
で電圧増幅し、出力Ｅｏに変換するものである。可変増
幅器３４は一種の非線形増幅器であり、励起電圧Ｅが大
きいほど増幅率が大きくなるように設計される。

第１３図に示した可変増幅器３４による温度補償効果の
実測例を第１４図に示す。図に示すように、５００〜８
００Ｃの温度範囲で温腿影響（よ極めて小さく、排ガス
中の残存酸素濃度を高い精度で検出することができる。

本発明による空燃比センサ構造の他の実施例を第１５図
、第１６図及び第１７図に示す。

第１５図は第２の固体電解質２１即ちセンサセルをガス
不透過性の緻密質の固体電解質で構成した場合を示す。

これは、緻密質のセンサセル２１上ヘスバッタ手法など
によってポンプセル２０を製作し、ポンプセル２０のみ
をポーラス状のものにしたものである。第１６図はポン
プセル即チ第１の固体電解質２０１ｒ：緻密質の固体電
解質で構成したものである。このように、ポンプセルあ
るいはセンサセルの一方を緻密質の固体電解質で構成し
ても、他方のポーラス状の固体電解質を介して、排ガス
雰囲気から基準室相当部分の第１の電極２２部への酸素
ガスの拡散が確保できるので、前述の如き本発明の効果
が得られる。

第１７図はポンプセル２０とセンサセル２１０両方を緻
密質の固体電解質で構成し、その中間にポーラス状のガ
ス透過性セラミック部栃３５を設けたものである。この
部材３５の厚さが薄ければ、第８図、第１０図、第１４
図に示しだものの特性に近い効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、低温で動作し、
温度影響が少なく、シかも応答性を良好にすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は空燃比と排ガス組成の関係図、第２図及び第４
図は従来技術の空燃比センサの構造図、第３図は従来技
術の空燃比センサの特性図、第５図は本発明による空燃
比センサの構造図、第６図は定電圧励起時の特性図、第
７図は起電力定１直制御手法の説明図、第８図はその効
果の実測図、第９図は起電力可変制御手法の説明図、第
１０図はその効果の実測図、第１１図は励起電圧の温度
依存性を示した図、第１２図は励起電圧の酸素濃度依存
性を示した図、第１３図は可変増幅器による補償の説明
図、第１４図はその効果の実測図、第１５〜１７図は本
発明による空燃比センサ構造の他の実施例を示す図であ
る。 ２０・・・第１の固体電解質（ポンプセル）、２１・・
・第２の固体電解質（センサセル）、２２・・・第１の
電極、２３・・・第２の電極、２４・・・第３の電極、
３４・・・可変増幅器、３５・・・ガス透過性セラミッ
ク部材。 茅　！　目 史舞謹創牽へ 空塔°え　′ｌ／Ｆ 第２　口 茅３　目 酸素濃度　Ｃす ＄４　固 ＄　５　目 茅乙　固 ０２律【度　（ゾ・ジ 芽７　目 ２”　茅８図 ０２直渡（勾 茅ｑ　固 θ２虜度＜’／＝） 第１１　　目 セト刀“ス量廣（°Ｃ） メ１２　口 ６ＺＪ度（Ａ９ ＄／３　目 ε ＄／４目 ０２　濃度 第７５２ 茅ｌ乙囚 茅１７国

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、両面に電極の形成された第１の固体電解質と一方の
   面に電極の形成された第２の固体電解質とが積層され、
   前記第１の固体電解質を酸素ポンプとして用いることに
   よシ、両固体電解質間の電極部の酸素濃度を制御するも
   のにおいて、上記第２の固体電解質の起電力が一定値に
   なるように上記第１の固体電解質への励起電圧を制御す
   る制御手段を設けると共に、前記制御手段動作時の上記
   第１の固体電解質中音流れるポンプ電流を測定する測定
   手段を設け、該測定手段によって測定されるポンプ電流
   よシ排ガス中の残存酸素濃度全検出することを特徴とす
   る酸素ポンプ方式空燃比センサ。 ２、特許請求の範囲第１項記載の発明において、上記第
   １の固体電解質と上記第２の固体電解質のうち少なくと
   も一方の固体電解質がポーラス状であることを特徴とす
   る酸素ポンプ方式空燃比センサ。