JPS60501872A - 空気−燃料比の拡張した範囲の測定 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 空気−燃料比の拡張した範囲の測定本社＃★本発明はガス大気の構成を決定する ことに関する。

背景技術 自動車用内燃機関の排気ガスにおいて理論空気燃料混合比の決定に高温度酸素検 知器を使用することは周知である。理論混合気は、残存する酸素および炭火水素 の両方の最小量が存在するように、現存する空気の量が現存する炭化水素の量と ９反応するにまさに十分な酸素を含有しているものである。理論点での空気燃料 比（Ａ／　Ｆ＝空気の質量／燃料の質量）はほぼ１４．６である。例えば、機関 が理論値（Ａ／Ｆ＞１４．６）の低運転であったとするガらば、内燃機関のシリ ンダにおいて燃焼される”充てん”における空気は過度となるだろう、シ、そし て排気ガスは実質的な酸素の部分圧力を含むことになるだろう。もし高運転が生 、じてぃたとすれば（Ａ／Ｆ＜１４．６　）　、排気ガスは、反応していない炭 火水素あるいは部分的に反応した炭化水素および非常に低い酸素の部分圧力を含 むであろう。

特に、排気ガスにおける平衡した酸素の部分圧力は、低運転から高運転までそれ が移動するにつれ、非常に大きな値（２０の大きさの状態量のような）で変化し 得る。この大きな変化は、排気ガス酸素検知器でもって理論空気燃料比を検知す る基礎を形成する。このような検知器の電気的出力は、その際理論点で機関運転 を維持する電気的に制御可能なキャブレタまたは燃料噴射システムへフィード・ バックされる。機関の形式によっては、この点での運転は、調節された排気ガス の発射を最少にしかつ機関の性能を最大にする合理的な中間物をしばしば提供す る。

単一の酸素電解濃縮電池（普通、酸化ジルコニウムにより作られている）を用い かつ高温度の自動車環境における理論空気燃料比を決定するために適当である関 連大気（普通空気）の使用全必要とする周知の高温度酸素検知器がある。これら の装置は、酸素部分圧力の自然対数に対する比の出力（Ｅ　ＭＦ）を与える。そ れらは酸素部分圧力に対する低感度にもかかわらず、理論点での酸素部分圧力に おける大きな変化によりそれらの有益な器具にさせることになる。米国特許第３ ．９４８，０８１号；第３．７３８，３４１号：第４，１１２．８９３号；第４ ．２．１０，５０９号；および第４，１０７；０１９号は、この形式の酸素検知 器に関するものである。

Ｈｅ１ｊｎｅの米国特許第３，９０７，６５７号および５ｐａＣｉ１等の米国特 許第３，５１４．３７７号は、固体電解装置を用いた酸素（０２）濃度の測定に 関するものでろる。上昇温度（＞５００℃）では、例えば、炉または自動車にお いて出会うかもしれないような上昇温度での適用のために、これらの装置におけ る活性材料は、酸素イオンの導入のために用いられたセラミックの二酸化ジルコ ニウムである。電解形電池は、この材料から作られ、酸素検知およびポンプ利用 のためには上昇された温度で適している。

Ｈｅ　ｉ　ｊ　ｎｅの装置の運転モードは、酸素部分圧力がサンプリングの基本 において決められる酸素計測モードとして説明される。電解型電池の包囲容積か らのほとんどの酸素を電解的に吸み出す目的のために、電流が時間ｔｐの期間の 間に包囲容積の部分を形成する電解型電池へ供給される。周囲の大気は、漏れに より吸み出すまえの容積内部で達成される。付加的な電解形電池は、容積内部の 減縮された酸素の部分圧力検知器として役立ちかつまた包囲体の一部分を構成し 、酸素が十分に容積からなくされたと７４　（Ｈｅ１ｊｎｅの特許のＦｉｇ　４ をみよ）信号表示を提供する。温度、包囲容積。

吸み出し電流お、よび時間を知ることは、包囲体内部の酸素分子の数を理想ガス の法則から算出することができる。酸素分子の数は順次所望の酸素の部分圧力に 比例している。もし一定したポンプ電流が使用されるならば、注出時間ｔｐは酸 素の部分圧力に比例している。

一定した電流が使用されなければ、その際には吸み出に比例する。

Ｈｅ１ｊｎｅの装置は、酸素の部分圧力に線型的に比例した出力を提供すること ができる。このことは、例えば、酸素の部分圧力の自然対数ｌｎ　（ＰＯ２）に 比例した出力（ＥＭＦ’）を与える検知器として使用される単一の酸素濃縮電池 よシすぐれている。

Ｈｅ１ｊｎｅの装置の潜在する利点は応答時間である。

この測定の手順のために、周囲部を包囲された容積へ接続する漏れは、酸素の注 出中に、酸素の十分な量が容積内へ全然漏れず、分子の計数の誤を引き起す（す なわち、誤ってｔｐを増大する）ように、小さくなければならない。しかしなが ら、もし漏れが小さくなされれば１周囲部が注出のあと容積でもってそれ自身を 回復させるには長時間、ｔｖ、　を取ってしまう。もし大気における酸素の部分 圧力の変化がこの再充填時間に関して急速に生じているならば、装置は反復運転 におけるこれらの変化に従うことができないであろう。

ＪＯｎｅＳに係る米国特許第３，６９８，３８４号の教示するものの場合には、 その目的は供給ガスにおける酸素の部分圧力を測定することである。このことは 、電解形電池の注入電流を測定し、一方では検知器電池の電圧を一定に保持する ことにょ９行われる。しかしながら、供給ガスの流量は一定に維持しなければな らない。

流量が変わる試みをなすべきならば、流量を一定に維この機構は、また基準大気 を採用し、排気流量が概ねＲＰＭと共に変化するであろう自動車の排気において 適用するためには相対的に不適嶋である。

図面の第１図および第２図は、周知の酸素注入検知器を示しており、該検知器に おいて白金電極２を備えたイオン伝導する二酸化ジルコニウム材料１が付加さｔ たセラミック構造４でもって包囲された容積６を画成する電解形電池を形成する 。周囲の大気は、それ自身を漏れ開口５により容積内部で成立させることができ る。蓄電池７は、リード線８および８′により電極に固着されている。電圧計１ ０および電流計９は、ポンプ電池を横切っての電圧降下およびそこを貫流する電 流を決めるべく設けられている。米国特許第３．９０７．６５７号の第５図の構 造に類似しているけｉＬども、作用は異っている。ことではポンプ電圧■を作用 させて、ポンプ電流が飽和するまで包囲された容積６からの酸素を取り除く“。

飽和電流は、酸素の部分圧力または濃縮度に比例している。

これは安定状態の装置でるる。安定状態に達したとき、漏れ開口５を通る酸素流 は、ポンプ電流に比例定数を乗したものに等しい。電流は、白金電極２、陰極と 共同した漏れ開口が制限された（飽和した）量の酸素を単位時間当りの容積へ進 入しかつ電解的に注入されることができる。飽和した電流値が電極２の特性に依 存する程度にまで、装置の校正は、これらの特性がこの薄い層の焼結および摩耗 中に変化するに一つれ変動される。

いくつかの機関に対しては、燃料消費を減少する目的のために、理論的なＡ　、 ／　Ｆ比の低い運転をすることは有段である。酸素の部分圧が低運転区域におい て系統的な状態で変わり、そしてこのことは低いＡ／Ｆを決める基礎を形成する ことができる。しかしながら、適当な低いＡ／Ｆ区域において、酸素の部分圧力 の変化は、酸素部分圧力の自然対数より大きな感度を備えた適当な酸素検知器が 、望ましいＡ／Ｆ範囲における正確な測定のために望ましいように、大きくない （理論混合気近くで生じている変化に比較して）。

理論混合気の低い機関運転のだめの酸素の部分圧力検知器は、Ｒ，Ｅ、　Ｈｅｔ ｒｉｃｋによる米国特許第４，２７２．３３１号および第４．２７２，３ろ０号 およびＲ，Ｅ、　Ｈｅｔｒｉｃｋ等による米国特許第４，２７２，３２９号に教 示されている。検知器（図面の第３図における先行技術として示されている）は 、排気ガス流れにおいて全体的に設置され、かつ２個のイオン伝導する電解形電 池１１および１２．ポンプ電池および検知器電池を含み、これらは部分的にはほ とんど包囲された容積１３の包囲構造を提供する。電池は、セラミックのり１６ によりチューブの端面に取り付けられる。包囲構造における小さな穴１７は、決 められた割合の酸素を含有する排気ガスが容積内へ漏れることを許すもので８る 。リード線１８は、電解形電池１１および１２の各側部に付着された電極１５へ 取シ付けられている。

ＨｅｔｒｉｃｋおよびＨｅｔｒｉｃｋ等の特許は、種々の外側の回路を説明して おシ、該回路は振動モード、遷移モード、および安定状態モードを含むモードに おける運転を許す検知器へ接続することができる。これらのモードの一つに裕い て運転されたとき、この装置は、検知器が酸素の濃度に対して線形のまたはより 大きな感度を与えるので、単一電池の検知器に比較される低い運転において大き な利点とな９うる。さらに、種々のモードは、低い温度感度、そしである場合に は、総体圧力における変化とは無関係であるような有利な特徴を提供する。

これらのモードにおいては、酸素は、ポンプ電池の電流、Ｉｐ、により与えられ る割合で包囲された容積内へまたはそこから外へ電解的に注入または注出きれる 。同時に、酸素は、漏れ穴によって容積内へまたはそこから外へ発散する。酸素 はａねにょジ流れ、そして、注入は、ＥＭＦ（＝Ｖ８）が検知器を横切って生じ るように、大気に対して容積内部の酸素の部分圧力を変更する。大気の酸素の部 分圧力は、順次Ａ　／　Ｆ比に比例していて、エエ）とｖ８との間の関係に依存 している。

さらに、これまでに論じられた理論的なそして低い空気／燃料運転に加えて、理 論混合比の高い機関運転が望まれる場合が存在する。この区域においては、−酸 化戻素および水素のようなＡ　／　Ｆを減少して増大する部分的に反応された炭 化水素（ＨＣ）の量は、Ａ／Ｆの測定に役に立つことができる。酸素注入電池を 用いて、酸素の割合または量を測定することによりＡ　、／　Ｆを決めることが でき、前記酸素が部分的に反応したＨＣと測定可能な反応を引き起すべく分配さ れなければならない。

したがって、米国特許第４，２２４，１１３号および第４，１６９，４４０号は 、貫流する電流およびそこを横切る電位差の測定を伴う酸化ジルコニウム装置に おいて、その装置は低いＡ　／　Ｆ値と高いＡ　／　Ｆ値の両方の測定を提供し 、酸素の電解的な注入を結合する単一電池の構造を説明している。しかしながら 、このような単一の電池装置は、自動車の適用において必要とされるような延長 された使用を伴う校正（惰行）即ち悪化の著しい損失を受けることになる。ポン プ電池を横切っての電位降下は、これらの装置のためＫＡ／Ｆを成しとげる際の 臨界パラメータであって、電池電極の特性により有意義になされる。このことは 、酸素が必要な割合で薄い電極の厚さを貫通されることを確実にすべく多かれ少 なかれ電位差が必要とされる。このような電極の成極現象は共通である。したが って、電位差に対するこの電極の寄与するものは、電極の焼結または別の高温度 の使用のもとての悪化として時間と共に変わる。さらに、電池における電位差に 対する抵抗の寄与は、経費および性能において可能な不利さを引き起すしつかり した温度制御を必要として温度と共に指数的に変わる。ＨｅｔｒｉｃｋおよびＨ ｅｔｒｉｃｋ等の特許により説明されているもののような二個の電池の構造の利 点は、ポンプ電池の電位差が臨界パラメータではなく、それにより電極の悪化の 影響および温度を低下させることである。

このように、異った検知器構造および異った外側回路が特に制限されたＡ　／　 Ｆ区域においてＡ　／　Ｆ　Ｉｊｉｌｌ定のために特に有利であることが認めら れる。幅広い範囲に対して適用する周知の検知器は、さらに制限された範囲に及 ぶ装置と関連した所望の特徴を有していない。

どんな場合にも、理論混合比を含み、高くかつ低いｐ、　／　Ｆ値の拡張された 範囲にわたる機関のＡ　／　Ｆを指示し、制限された範囲に対して望まれる異っ た検知器の最も有段な特性を組み入れた排気ガスの酸素検知器を有することが望 ましい。これらは、本発明が打ち勝つ問題のい′くつかである。

発明の開示 本発明の実施例によると、排気ガスを発生する内燃機関のＡ／Ｆの指示信号を発 生する方法は、二個の電解形電池間の概ね包囲された容積を有する排気ガスの酸 素検知器の選択された部分を使用することを含む。

第一の電解形電池が排気ガスにさらに、そして第二の電解形電池が一方の側にお いて基準大気へかつ他方の側において排気ガスにさらされている。その方法は、 理論混合比の高いＡ　／　Ｆ比、その低いＡ／Ｆ比、あるいは排気ガスの酸素検 知器の選択された部分を使用す、る理論混合比において決めることにより拡張さ れたＡ　／　Ｆ比の範囲においてＡ　／　Ｆ比を測定することができる。Ａ　／ 　Ｆ比を測定することは、酸素ポンプとして第二の電解形電池、電圧発生器とし て第一の電解形電池、および酸素源として基準大気を使用することにより理論混 合比の高いＡ　／　Ｆ比を決めることを含む。加えて、その方法は、酸素ポンプ としての一方の電解形、電池、電圧発生器としての他方の電解形電池、および酸 素の注入としてのボン、ゾに隣接した包囲部を使用することにより理論混合比の 低いＡ　／　Ｆ比を決めて。

Ａ　／　Ｆ比を測定する。結局、Ａ／Ｆ比を決めるこの方法は、一方の側におい て排気ガスにさらされかつ他方の側で電圧発生器としての基準大気にさらされた 第二の電解形電池を使用することにより理論混合比でのＡ／Ｆ比を決めることを 含む。

結果として、本発明の実施例による方法は、理論空気燃料値よシ高い値、それよ り低い値、およびそれに近い値を含む値の幅広い範囲にわたって排気ガスのＡ　 ／　Ｆを決めるのに、異ったＩＩＩ定技法でもって使用される。これにより、そ の方法は“万能の”空気燃料検知特性２有している。さらに、その方法は、特に ６つの範囲の各々において有利である測定技法の使用ビ可能にしている。

図面の簡単な説明 第１図、第２図および第３図は先行技術である電解形酸素注入装置の構造２示す ； 第４図は本発明の第一の実施例による検知器の概略断面図： 第５図は第４図に示された検知器のために、空気燃料比、Ａ／Ｆ、に対する検知 器電池の電圧、■８、のグラフ図；第６図は第４図に従った検知器のための種々 の高い空気燃料値において、ポンプ電池の電流、丁２、え対、　ｊる検知器電池 の電圧、−の概略図；第７図は第４図の検知器による種々の高い空気燃料比、Ａ ／Ｆ、のための基準電圧において検知器電池の電圧を保持するのに必要とされる ポンプ電池の電流、■、のグラフ図；第８図は、第４図の概略断面図に類イリし ている検知器装置、の概略線図、そして高いあるいは低いＡ／Ｆ比を測定する本 発明の実施例による外部の回路図：第９図は本発明の第二の実施例による検知器 の概略断面図：および 概略断面図、そして理論混合比に近いＡ　／　Ｆルビ測定する本発明による外部 の回路図である。

２ 発明を実施するための最良の形態 第４図を参照すると、空気燃料（Ａ／Ｆ　）検知器１１０は、酸化イツｌ−ＩＪ ウムの濃液処理された酸化シリコニウムのような酸素の固体イオン伝導体の円板 状電解液１１２を含む電解形電池１１１を含む。電池１１１は、また固着された リード線１１４を具備した２個の薄い穴のある接触電極１１３乞含む。同様に、 電解形電池１２１は、包囲容積■が形成されるように、薄い中空のスペーサ１２ ５により電解形電池１２１から分離されている。電池１１１は、周囲の大気、排 気ガスが容積Ｖ１１１における小さな穴即ち禰れ穴１２６を有している。

電解形電池１２１は、一方の端部において閉じられたはめ輪状の管状形状７有し 、それにより基準容積を形成しかつ基準大気へ電池１２１の一方の側乞さらして いる。特に、平坦な円板形状Ｚした電解液１２２は、それに固着された管状構造 １３１を有し、はめ輪状の形状乞形成している。結果として、検知器の一方の側 が排気ガスにさらされ、そして−万の側が基準大気へさらされている。それとは 別に、電解液はそれ自身はめ輪状の形状暑有していてもよい。類似した方法にお いて、電池１１２およびスペーサ１２５は、単一片の材料から作られ、あるいは 図示のように２個の分離した構成要素から組み立てられている。検知器支持構造 １２８は、排気パイプ壁１２７への固着が可能であると同様に、排気と基準大気 との間および構造支持部と保護部との間の７−ルを提供する。検知器支持構造の カバー２２８における開口１３０は、検知器１１０に対して排気ガスの容易な接 近を許す。リード線１１４および１２４は、外部の回路への取付けのために支持 構造１２８を貫通される。ヒータ１２９は、所望の操作温度範囲の内部でＡ、　 ／　Ｆ検知器１１０を保持すべく提供される。

第９図を参照すると１本発明による他の実施例は、金属−酸化金属の混合体を具 備した第４図の電池１２１の一方の側における基準空気を取り換える。第９図の 空気燃料検知器１４０は、リード線１４４に取り付けられた電解液１４２および 電極１４３を具備した電解形電池１４１を有している。検知器１４０は、またリ ード線１４８に接続された電極１４７へ連結された電解液１４６を具備した第二 の電解形電池１４５を有する。スペーサ１４９は電・池１４１を電池１４５７１ ・ら分離している。全体的にカップ形状をした保持構造１５１は、電解形電池１ ４５の一方の側に隣接した金属と金属酸化物との混合体を保持している。空気燃 料検知器１４０は、排気ガスの流れの内部に完全に位置決めされ、かつ排気パイ プ壁１５４に取り付けられている支持構造１５３に取り付けられている。空気燃 料検知器１４０の使用は、検知器１４０のためのシールが排気大気と外側の大気 との間で全熱必要とされず、そして全体装置が排気ガス内部に収納されうるので 、製作の簡単化および付随する経費減少のために提供する。

第４図の装置の作用を参照すると、空気燃料検知器１１０は、二つの異った測定 技法で使用され、理論空気燃料値より高い値、それより低−値およびそれに近い 値を含む幅広い値に恒っての排気ガスの空気燃料比を決定する。これにより、装 置は、゛万能”の検知特性を有することが考慮されている。第一に、安定状態の 酸素注入モードが高くてかつ低い空気燃料比値の拡張された範囲のために使用さ れる。第二に、前に説明した単一の電解形電池の技法が理論混合比の近くで使用 される。第４図の装置の構造は、各技法の機能的利点が応用の特別な空気燃料比 の区域において実現されつるように、多数の測定技法の使用を許している。理論 混合比に近いＡ　／　Ｆを測定する単一の電解形電池の使用は１周知でろりかつ ＷｅＳＳｅｌ等の米国特許第５，９４８，０８１号において教示されている。２ 個の電池構造を使用する低いＡ／Ｆ検知のための注入技法の使用は、Ｈｅｔｒｉ ｃｋ等の米国特許第４．２７２，３２９号およびＨｅｔｒｉｃｋの米国第４，２ ７２，３３０号と第４，２７２，３３１号により教示される。これらの特許の開 示には、これにより参照が組み入れられている。

高いＡ　／　Ｆ検知のための２個の電池の注入技法の使用は、さらにＨｅｔｒｉ Ｃｋ等による”高い空気／燃料比の安定状態での決定方法”という名称で同日に 共同出願で出願されたものにおいて論じられている。

第４図の空気燃料検知器１１０が、約１４．６から約１７までの範囲における空 気燃料比のように、理論値運転でおよび低い運転近くでの内燃機関の運転と関連 して使用されるとき、電池１１１へのリード線１１４は切り離さｎ、そして空気 燃料検知器１１０は、理論空気燃料比の検知に関連して以前に説明された単一の 電解形電池の検知器として作用する。排気ガスの平衡した酸素の部分圧力Ｉ　Ｐ ＥＸ、は容積■の内部の電池１２１の接触電極１２３で達成される。０．２大気 圧に等しい空気参照圧力における酸素の部分圧力、Ｐゆ２、と共同して、ＥＭＦ 、ＶＢ、は次のＮｅｒｎｓｔＯ式により与えられる電池１２１において生じられ る。

ｖ８＝（ＲＴ／ｚｔＦ）ａｎ（ｐ、、、／ｐ、）　（１）ここで、Ｒはガス定数 ％Ｔは絶対温度およびＦはファラデ定数。”ＥＸおよび対応した空気燃料比は減 少するので、電池ＥＭＦは第５図（Ｌ？Ｃ示されるように増大する。

排気ガスの酸素の強力な変化および、それに対応して、この区域における電池の ＥＭＦは、これを空気燃料比の作用の理論孔区域および低い区域近くでの相対的 に簡単でかつ所望の技法によって々す。しかしながら、より大きなまたはより小 さな空気燃料値においては、空気燃料に伴う電池のＥＭＦの変化は所望の有効な 検知器の作用のためにはめまりに小さくなる。

約１５．５より大きな低い空気燃料比のための作用の有利なモードは、米国特許 第４，２７２．３２９号。

第４，２７２，３３０号および第４，２７２，３３１号により説明された安定状 態、振動または遷移作用モードである。これらのモードにおいて、酸素はポンプ 電池、例えば電池１２１により包囲された容、ａＶ内へ注入またはそこから注出 されるが、一方他の”検知器”の電池、例えば電池１１１において引き起こされ るＥＭＦにおける変化がモニタされる。漏れ穴１２６を通しての酸素の注入およ び酸素の放出の結合された影響から・／内部の酸素の圧力における変化により、 系統的な関係は、低い区域において高感度で酸素検知する基“礎を提供する“検 知器”の電池ＥＭＦとボンデ電池の電流Ｉｐとの間に起きている。

特に、作用の安定状態のモーげにおいて、外部の回路は、ポンプ電池１２１を通 過する電流丁ｐを生じさせ、　Ｖｓと称している一定した検知器電池ＥＭＦが達 成されるように、■から非常に十分な酸素を回収する。

酸素の割合が増大するにつれ、必要なポンプ電流を生じさせ、これにより酸素の 割合および対応したｌ〜／Ｆの測定を提供している。特に、次の式を見い出して いる。

Ｉｐ−σＰＥＸ　（１−ｅ　−Ｖｓ／ｖｏ）　！２＋ここで、　Ｖｏ−ＲＴ　７ ４　Ｆおよびσは、酸素がＶ内へ漏れ穴を通して放出することができる割合を形 成する比例定数である。例えば、σば、酸素の放出係数および１　／ 漏れ穴の面積に比例している。このように、常に非常に十分にＩｐを通して、　 Ｖｓを一定に保持することにより、ＩｐのＰＦ、ＸωＡ／Ｆはそれによｐ高感度 のＡ／Ｆ検知を可能にする。自動車の応用のためには、またこの技法が弱い温度 と絶対圧力の感度を有することが有利である。

肚用された特許には、完全に排気ガス内に浸された検知器およびポンプ電池の両 方のための装置の作用が説明されている。検知器１１０は、たとえポンプの電解 形電池１２１の外側の電極１２３が第４図に示すような高酸素濃度の基準大気へ さらされていたとしても。

類似したモードの作用を有する。その理由は、基準大気の影響がポンプ電池１２ １を横切る総電位差にわずかな増加量を加えることによるものでるる。しかしな がら、ポンプ電池を通る電流、Ｉｐ、たけてかつ電池における電位降下がないこ とは装置の作用のためには重要でるる。したがって、これらの特許に説明された 全ての低い作用モードは、電解形電池１２１が使用されていて、ポンプ電池およ び電解形電池１１１が検知器電池として使用されるようにした提示された構造で 達成される。

低いＡ　／　Ｆ比を検知する電気的な作用は、外部回路に結線された装置を示す 第８図を参照してさらに論じられうる。回路は単純なサーボのフィードバック性 質のものであり、それにおいては増幅器Ａがポンプ電池″°　特表昭ｃｏ−５ｕ ｘａ７２（７）の作用により酸素を電解的に包囲された容積から注出されるよう にする出力電圧および電流を生じる。周知の抵抗Ｒ３は、ポンプ電流工、の大き さがＲ３における電圧を測定することにより決定されうるようにポンプ電池に直 列になっている。初期の遷移期間の後では、注出により取り出される酸素分子の 数が漏れ穴により容積内へ拡散する酸素分子の流れ（ＩＬ）に等しくされるとい う安定状態に達する。酸素は、いかにガス空間、担体ガス、が周囲の大気の残り を包含していても。

そこを通って拡散している。この一様性は式（３１で表わされる。

ＩＬ（０２分子数／秒）＝（Ｉｐ／４ｅ）（０２分子数／秒）（３）ここでｅは 電気的な充填量であり、そして４ｅは増幅器における工、を酸素分子数７秒の等 価数に変換する。

安定状態ＰＶにおいて、包囲された容積全体で一定であると仮定される酸素の部 分圧力は、取９巻く大気における酸素の部分圧力、”ＥＸ％　より低い値を採用 している。この部分圧力差の結果として、　Ｖｓと称している電動力は、式（４ ）で示されるように熟知されているＮｅｒｎｓｔの式により与えられる大きさで 検知器電池において作り出される。

Ｖ８”　ＣＲＴ／４Ｆ　）　、ｌｎ　（”Ｅｘ／Ｐｖ　）　（４）ここで、Ｒ， ＴおよびＦは前に定義されている。

検知器としての装置の使用を許す本質的な特徴は。

■、が式（５）で示されるようにＰｖに関した結果である。

■。＝σ（ＰＥＸ−Ｐｖ−）　（５） ここで、σは漏れコンダクタンスを特徴とする定義である。この関係は、σの大 きさと同様に、測定されるガスを用いて、ＰＦ、Ｘを設定中における工、を変え ることにより、そして式（４）によってそれのＰＶを計算することができるｖ８ を測定することにより実験室において達成免れる。定数σは％Ｔ１漏れ穴の面積 および相体ガス（例えばＮ２またはＣ０２）の化学的性質と共に増大すること、 およびガスの拡散機構により容積内に酸素が漏れていることを示している状態に おける総体圧力Ｐに逆比例していることが見出されている。ことで、Ｐｖのため の式（４）を解きかつ式（３）の結果を代入するならば１次式（６）を見出すこ とができる。

ＩＰ”ＰＥＸσ（１ｅｘｐ　（−４ＦＶＳ／ＲＴ）　）　（６ｉ包含きれたガス が、関係した上昇温度ですぐれた近似値を得る理想ガスの法則に従うならば、そ の際ＰニーａＰであり、これにおいてはａが酸素である周囲の大気における分別 分子数である。したがって、β−１００％）４ａであれば、その際βは周囲にお ける酸素の割合である。さらに、σ■（１／Ｐ）であるので次式（７）の結果を 有する。

■　■βｆ（■Ｓ％　Ｔ　）　（７ｒ ことで、ｆ（Ｖ８．Ｔ）は、もし■８およびＴ　カ一定を保持するならば、■、 が周囲における酸素の割合に線型的に比例するように、■８とＴの関数である。

ヒー０ り１２９または他の適当な装置が使用されて、Ｔを一定値で維持しているが、一 方第８図における回路の残調節”することによシ■８を一定値で維持する。この ことは、　Ｖｓを増幅器Ａに作用させることによりなされ、該増幅器Ａは適当な 抵抗Ｒ１＊　Ｒ２およびＲ４と結合されて、そしてキャパシタＣが■８と調節可 能な基準電圧■６との間の差に比例する出力を生じさせる。極性は、出力電流（ 工Ｐ）の変化がＶｓと■えとの間の差を減少するべく作用するように、選択され る。キャパシタＣは、非常に急激な酸素割合の変化の影響を弱めかつ弱められて いないサーボフィードバック回路においては普通である振動を阻止すべく適当に 選択される。

他の回路は、同一の制御機能を実行すべく工夫することができる。

使用において、Ｉｐとβとの間の比例定数は、測定されるガスを使用することで 決められる。この定数でもって、Ｒ３における電圧はＩｐを特定しかつこれによ り酸素の割合を特定するのに役立っている。比例定数は担体ガスの性質と共にい くらか変る。したがって、担体ガスの構成における大きな変化は正確な測定にお いて考慮されねばならない。

このモードの酸素測定の有利な状況というのは、検出されたパラメータ、■２． の低い温度が依存関係にあることである。このことは１式（６）におけるσがＴ の増大する関数であり、一方ではσの右手側の係数がＴの減少する関数であるこ とで、生じている。与えられた応用のためには、はぼ１００’Ｃの温度範囲にわ たっては温度の依存関係のほとんどの解除が■８の賢明な選択により成しとげら れる。この特徴は、受入れ可能な範囲内で温度定数を維持すべく装置との関連で 必要である任意のヒータ組立体の性能の必要性を減じている。

正確度を容易にするには、周囲の大気の温度における変化の影響を考慮すること が有利である。このことは２つの方法でなされる。第一に、第８図を参照すると 、ヒータ１２９は、酸素割合の測定の予め決められた正確度が十分狭い温度範囲 のために適当な単一の測定定数で維持されるその狭い値の範囲内に、検知器およ びその隣接したガス周囲の温度を維持すべく使用されている。与えられた応用で 必要としているように、”ヒータ”は、さらに精巧な電気的な加熱システムを含 むことが必要であり、該システムにおいて、熱電対のよう々、装置に近接した温 度検知器が入力として電気的温度調節器へ提供し、その出力は調節器において提 示されたある一定した基準値に等しい温度検知器出力（または同等な温度）を維 持するに十分な可変塵にヒータを作動させる。それとは別に、温度検知器１７０ が使用されて、温度修正回路１７１の一つの入力を形成し、その他の人力が工、 の測定を行う。その回路の目的は、温度の変化から生じた装置の測定常数の変化 のために工Ｐを修正することである。その回路出力は。

電圧のよう寿、好都合な電気的な分量であり、その大きさは温度に無関係な酸素 割合に比例１．ている。応用に左右されるので、修正回路は小・′さな計算機の 設備を包含する必要がある。

理論混合比の高い空気燃料比（Ａ／Ｆ＜１４．７）での作用中には、部分的に反 応１〜たＴ（Ｃの濃度は空気燃料比の減少を伴って増大し、それにより空気燃料 比の量を提供する。低い作用のだめに使用される状態・て類似した状態では、空 気燃料検知器１１０で高い空気燃料比を決める方法は、ＩＰにより与えられる割 合で基準大気からＶ内へ酸素が注入されることを含んでいる。

同時に、・、・内の酸素の部分圧力は、漏れ穴１２６を通る酸素の拡散、および 漏れ穴１２６を通る容積！内へ連続的に拡散する部分的彦反応をしたＨＣ９伴う 内部の接触電極１２３で化学的な反応によって減少される。

ポンプ電池の電流斥が増大するにつれ、容積Ｖ内の釣り合った酸素の部分圧力は 、ＥＭＦを電解形電池１１１において引き起こされるようにすることを増加する 。ｖＡと呼んでいるとのＥＭＦの大きさは、再び式（１）によって与えられ、式 （１）においてＰゆ、はＰＶによって置き換えられ、このＰＶは注入された酸素 および部分的に反応したＨＣの反応から生じた容積・Ｉ内のほとんど釣り合った 酸素の部分圧力を表わしている。この場合にはＰＶ＞Ｐヶであるので、　ＥＭＦ の符号は、低い空気燃料比の測定中に注入作用により引き起されるのものの反対 の符号となろう。

第６図は、異った高い空気燃料比値でのポンプ電流、■　に対する引き起こされ たＥＭＦ　、　Ｖえ、の図に記しＰま たものを示している。ＥＭＦは、不さなポンプ電流に対しては低くかつ■２と共 に増大する。低い空気燃料比のためには、これまでに増大した酸素量は、容積・ ！内に注入されられて、　ＨＣとの顕著な反応を達成しなければならない。特に 、電解形電池１１１におけるＥＭＦを任意の参照値ｖＡ（ＲＥＦ　）に達させる に必要な工、の値（外部回路で維持される）は、系統的に第７図に指示されるよ うな空気燃料比を減少するにつれ（すなわち、より高く）増大することになる。

このような校正曲線は、高い空気燃料比を測定する基本を提供する。

ｙＡ（ＲＥＦ　）の選択は、多数の設計上の考慮によって影響さ７’Ｌるか、し かし簡゛単化するために、符号が反対であるだけで、低い検知作用のだめの安定 状態モードで使用される基準電圧に等しく選択することができた。

■２の大きさは、電池容積および漏れ穴寸法の増大する関数となろう。

Ａ／Ｆの測定および機関のＡ／Ｆのその後のフィードバック制御は、低い作用の ために採用されたものに類似した状態で達成することができた。第８図の回路は 、符号の適当な変化および種々の装置のパラメータによジ必要とされるようなＶ Ａの大きさで適用できる。

抵抗Ｒ３において測定される電圧は、第６図の校正曲線と共同してＡ　／　Ｆ　 ｉ決定する工、の測定量全提供する。低いＡ　／　Ｆの測定として、標準の電気 的技法が使用されて、現実のＡ／Ｆのフィード７バンク制御、温度修正等を達成 することができる。

概要的には、理論混合比の高いまたは低い作用は。

高いまたは低い条件のために適当な予め決められたＶＡ（ＲＥＦ　）が達成され るまで、包囲された容積内へまたはそこから外へ酸素を注入した！］またけ注出 すことにより達成される。車載計算機におけるように電気的に有効な高くかつ低 い校正曲線でもって、ポンプ電流の測定値および所望値が比較され、そしてフィ ードバックまたは誤差信号か電気的に制御されるキャブレタ捷たは燃料噴射系統 へ送られ、フィードバック制御を達成する。

ＨＣ−酸素反応の高い発熱を伴う性質によって、非常に少量の注入された酸素は 、理論混合比でまたはその近くで■アにおける幅広い変動を引き起すことになる 。したがって、この区域における最も適当な技法は、大気の酸素の部分圧力で基 準電極でもって従来の単一の電解形電池への接近に役立っている。フィードバッ ク制御は、周知の値でアリかつ計算機のメモリーにおいて電気的に有効になされ うる所望の空気燃料比に相当する電圧と電池の出力を比較することにより成しと げられる。

結果として、単一ユニットの、検知器１１０は、注入モードの作用を用いる低い かつ高い状態の拡張された範囲にわたっておよび単一の電解形電池を用いた理論 混合比に近い両方における空気燃料比に対し高い感度を提供する。

それとは別に、酸素をＶから取り除きかつ排気へ酸素を戻すポンプとしての電池 １１１、および低い作用における”検知器”としての電池１２１を使用すること が有利である。このことは１作用結果に対しわずかな変更′だけて可能である。

例として、安定状態モードでは次の式が見い出すことができる。

ニーσ（Ｐ　−Ｐ　ｅ−（ｖ／ｖ））　、（８）ＰＥＸＲＥＦ　Ｓ。

したがって、、ｙ８ｆ常に任意の値で固定する（　ＰＲＥＦが一定である表板定 される）ことを維持すべくＩＰ’ｅ調節することにより、■、は、式（２）で見 い出される値から一定量だけ埋め合されているけれどもＰユにさらに比例する。

■８の賢明な選択は、さらに高い感度で好都合な低い作用を許す。

このポンプおよび検知器電池の逆転の利点は、また次の理論混合比の作用におけ る検知器電池として使用される電池１２１において電流を除去することである。

電解液または電極の悪化が起きることは知られている。

このことは、順次、検知器電池とし、ての次の作用が妥協されるように、回路を 開いた状態のもとで間違ったまたは見せかけの囮Ｆｔ−発生させることになる。

しかしながら、この場合には、検知器電池の電極が排気に侵入していないことは 、絶対排気圧力に対しある小さい感度を有する空気燃料比の校布曲線における結 果となる。

第９図に示される実施例においては、基準空気は、金属−酸化金属の混合体１５ ２（例えば、Ｎｉ７’ＮｉＯ２。

Ｃｕ／ＣｕＯ２）　ｋ有する別の参照体により置き換えられる。

２個の電池構造は、金属−醇化金属の混合体が電池１４５の基準電極１４７に隣 接して保持構造体１５１により保持されることを除いて、第４図に示されるもの と類似している。この実施例は、低い作用および理論混合比での作用のために適 当であり、これにおいては電池１４５および１４１が検知器およびポンプ電池と してそれぞれ作用する。典型的な金属−酸化金属の基準電極における有効な酸素 部分圧力、　Ｐｌ、／Ｍｏ（ＲＥＦ　）、は、低い作用状態でのＰＥｘよジずっ と低いので、大体のＥＭＦ　（例えば２００−５００　ｍＶ　）は検知器電池１ ４５においてはＩＰ＝０で表われる。酸素はポンプ電池１４１によシ容槓ｖ９か ら注出されるにしたがい。

゛このＥＭＦが減少される。基準値としてこの減少された範囲において適当なＥ ＭＦ　ｆ選択することは、米国特許第４．２７２，３２９号において使用される ものに類似した解析は、基準電圧を一定に保持するに必要とするポンプ電流が排 気ガスにおける酸素の割合に比例していて、それによシ前に論じられた場合にお けるような低い空気燃料比の検知器として稜立っことを示している。

理論混合比に近い作用のためには、ポンプ電池１４１が切９離され、そして検知 器電池１４５の開いた回路のＦＭＦが監視される。他の単一電池検知器のための ように、理論混合気を介した排気ガスの通過は、狭い範囲における空気燃料比を 決めるに十分な電池の°ＥＭＦにおいて大きな変動が伴う。高い空気燃料比の検 出のための注出モードは、十分な酸素が利用できることを必要とする。

第１０図を参照すると、理論混合気に近いＡ／Ｆの検知は、電池１１：１のリー ド線１１４金切り離し、一方では電池１２２のリード線１２４を１６１で図形的 に示された適当な電圧測定回路および信号発生回路へ取り付けることにより達成 される。第５図は、理論混合比に近いＡ　／　Ｆ値に対し電池１２２により発生 されかつ１６１の回路により測定する必要がある囮Ｆ（ＦｖＢ）ｆ：示している 。付加された電気回路は。

１６１において合体され、Ａ／Ｆのフィードバック制御のために燃料噴射または 気化系統を作動させる入力のＥＭＦ信号を発生させることができる。高い混合比 、第８図および第１０図のそれぞれにおいて別の実施例として示されているけれ ども、望むなら、全ての回路は単一の検知器１１０へ接続することができること が評価されるべきである。このような接続が々されれば。

適当な回路を選択的に接続しかつ切り離すスイッチを用いることが望ましい。

種々の変更および変化は１本・負可が属する種々の技術における熟練者にはむろ ん見出云れよう。例えば、本発明の方法を実施する特別な電気的な構成要素はこ こに開示されたものから変ったものでもよい。これらのそして全ての他の変化は 、この開示により技術を進歩させた技法に基本的に依存していて１本発明の請求 の範囲内で適宜考慮されることである。

−コ＝＝＝≧ｐ、−４，−。

≦＝Ｉ巨≧；・ミ・ ７に 国際調査報告

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．２個の電解形電池の間の概ね包囲された容積、排気ガスにさらされた第一の 電解形電池および基準大気へさらされた一方の側部と排気ガスにさらされた第二 の側部を具備した第二の電解形電池を有する排気ガスの酸素検知器の選択された 部分を使用する方法であって、拡張された空気／燃料比の範囲内で空気／燃料比 を測定する前記方法は： 酸素ポンプとしての基準大ネに隣接した第二の電解形電池、電圧発生器としての 第一の電解形電池および酸素の源としての参照大気を使用することにより理論混 合比の高い空気／燃料比を決定する段階；酸素ポンプとしての一個の電解形電池 、酸素の吸込み点として作動する包囲された容積の酸素ポンプの反対側における 包囲部、および電圧発生器としての他の電解形電池を用いることにより理論混合 比の低い空気燃料比を決定する段階；および 排気、ガスにさらされた一方の表面および電圧発生器として基準大気にさらされ た第二の表面鷺具備した第二の電解形電池を用いることにより理論混合比におけ る空気／燃料比を決定する段階； を含む空気燃料比の拡張された範囲を測定する方法。 ２、請求の範囲第１項に記載された方法において。 理論混合比の高い空気／燃料比を決定する段階は：酸素が包囲された容積内へ基 準大気から注入されるようにＷ積内の反応されない炭化水素および部分的に反応 した炭化水素と酸素の化学反応により、酸素の部分圧力における差が第一の電解 形電池で達成され。 それにより　ＥＭＦを第一の電解歴′電池の対向する電極の間で発生されるよう にするように、第二の電解形電池においてポンプ電流を通す段階； 第一の電解形電池において引き起こされるＥＭＦが一定の基準電圧値で維持され るように、第二の電解形電池へポンプ電流量を提供する段階： 第一の電解形電池へ接続された外部回路において基準電圧値を確立しかつ維持す る段階； ポンプ電流の大きさを測定する段階；およびポンプ電流の大きさから高いＡ／Ｆ 比を測定する段軸； を含む、空気燃料比の拡張された範囲を測定する方法。 ３、請求の範囲第１項に記載された方法において。 理論混合比の低い空気／燃料比を決める段階は：酸素が基準大気内へ包囲された 容積から注入されるように、そして酸素のより低い部分圧力が包囲された容積に おいて達成され、それによりＥＭＦ　’ｚ第一の電解形電池の対向した電極の間 で発生されるようにするように、第二の電解形電池にポンプ電流を通過させる段 階； 第一の電解形電池において引き起こされるＥＭＦが−定の基準電圧値で維持され るように、第二の電解形電池へポンプ電流量を提供する段階； 第一の電解形電池へ接続された外部回路における基準電圧値を確立しかつ維持す る段階； ポンプ電流の大きさを測定する段階；およびポンプ電流の大きさから低いＡ／Ｆ 比を決定する段階；を含む 空気燃料比の拡張された範囲を測定する方法。 ４、請求の範囲第１項に記載の方法において、理論混合比の低い空気／燃料比を 決定する段Ｉｖは：酸素が包囲された容積から排気ガス内へ注出されるように、 そして酸素のより低い部分圧力が包囲された容積において達成され、それにより 第二の電解形電池の対向した電極の間でＥＭＦを発生さ扛るようにするように、 第一の電解形電池にポツプ電流を通過きせる段階； 第二の電解形電池において引き起こされるＫＭＦが一定の基準電圧値で維持され るように、第一の電解形電池へポンプ・電流量を提供する段階； 第二の電解形電池へ接続された外部の回路において基準電圧値を確立しかつ維持 する段階；ポンプ電流の大きさを測定する段階：およびポンプ電流の大きさから 低いＡ　／　Ｆ比を決定する段階； を含む。 空気燃料比の拡張された範囲を測定する方法。 ５、請求の範囲第１項に記載の方法において、理論混合比での空気／燃料比を決 定する段階は：理論的々空気／燃料比の発生を決定すべく第二の電解形電池の開 放回路のＥＭＦを測定する段階、を除外する空気燃料比の拡張された範囲を測定 する方法。 ６、請求の範囲第６項に記載の方法は、さらに二基率大気として周囲の大気を確 立する段階、全包含する空気燃料比の拡張された範囲を測定する方法。 ７、請求の範囲第３項に記載の方法は、さらに二基率大気として金属−酸化金属 の材料ｔ−確立する段階。 を包含する空気燃料比の拡張された範囲を測定する方法。 ８、請求の範囲第２項に記載の方法は、さらに：単一の校正定数が維持される温 度範囲のために適当である。ｒ、うに、包囲された容積および隣接した区域の温 度を維持する段階、 を包含する空気燃料比の拡張された範囲を測定する方法。 ９、請求の範囲第６項に記載の方法は、さらに：検知器電池の区域における温度 を測定しかつ温度におけるその依存性のためにＡ　／　Ｆの測定を修正する段階 、 を包含する空気燃料比の拡張された範囲を測定する方法。 和、２個の電解形電池の間の概ね包囲された容積。 排気ガスにさらされた第一の電解形電池、および一方の側部が基準大気へさらさ れかつ第二の側部が排気ガスにさらされた第二の電解形電池を有する排気ガスの 酸素検知器の選択された部分全使用する方法であって。 拡張された空気／燃料比の範囲内の空気／燃料比を測定する前記方法は二 酸素が参照大気から包囲された容積内へ注入ａｎるように、そして容積内の反応 していない炭化水素および部分的に反応した炭火水素と酸素の化学反応により、 酸素の部分圧力における差が第一の電解形電池で確立され、そ扛により第一の電 解形電池の対向した電極の間でＥＭＦ　’ｉｚ発生させるように、第二の電解形 電池にポツプ電流を通過させること； 第一の電解形電池において引き起こ畜れるＥＭＦが一定の基準電圧値で維持され るように、第二の電解形電池へポンプ電流量を提供すること； 第一の電解形電池に接続された外部の回路において基準電圧値を確立しかつ維持 するとと；ポンプ電流の大きさを測定すること；およびポンプ電流の大きさから 高いＡ　／　Ｆ比を決定すること； によジ理論混合比の高い空気／燃料比を決定する段階： 酸素が包囲された容積から排気ガス内へ注出されるように、そして酸素のより圓 い部分圧力が包囲された容積において確立され、それにより第二の電解形電池の 対向する電極間でＥＭＦを発生させるように、第一の電解形電池にポンプ電流を 通過させること；第二の電解形電池において引き起こされるＥＭＦが一定の基準 電圧値で維持されるように、第一の電解形電池へポンプ電流量を提供すること； 第二の電解形電池へ接続された外部の回路において基準電圧値を確立しかつ維持 するとと；ポンプ電流の大きさを測定すること； ポツプ電流の大きさから低いＡ、　、、ｙ′Ｆ比を決定するとと；および排気ガ スにさらされた一方の表面および電圧発生器としての基準大気へ烙らされた第二 の表面を具備した第二の電解形電池を使用しかつ理論的な空気／燃料比の発生を 決定すべく第二の電解形電池の開放回路のＥＭＦを測定することにより理論混合 比でのＡ／Ｆ比を決定すること； によジ理論混合比の低いＡ　／　Ｆ比全決定する段階；を含む空気燃料比の拡張 された範囲を測定する方法。