JPS6098349A - エンジン制御用空燃比センサ - 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９、特
にバリアプルλ制御に適合したエンジン制御用空燃比セ
ンサ全提供するにある。

〔発明の背景〕

第１図に内燃機関の空燃比制御装置の概略構成を示す。

空燃比センサ１、エアフローセンサ２、水温センサ３、
クランクンヤ７トセンサ４などのセンサから機関情報を
コントロールユニット５にアイドルスピードコントロー
ルパルプ８、排ガス還流琶制御バルブ９や燃料ポンプ１
０などを制御するシステムの一例を示したものであり、
空燃比センサ１はこのシステムの重要なデバイスになっ
ている。

第２図へ空燃比に対する酸素と一酸化炭素の濃度及び燃
焼効率の関係を示す。従来の内燃機関は加速などのパワ
ーを要する時（この場付はリッチ領域で制御）を除き、
理論空燃比（５ｔｏｉｃｈ　、空燃比Ａ／Ｆ＝、１４．
７、空気過剰率λ−１）で制御烙れていた。これは空燃
比センソ゛として実用に供するものが理論空燃比センサ
（以後、ストイックセ／すと呼ぶことに−ｊる）しかな
かったことや排ガス対策によるためである。燃焼効率は
第２図に示す如く、燃料の希薄側即ち、リーン側で最大
になることが知り７している。ぞれ故、少なくともアイ
ドルや軽負荷・１直域などではエンジンをリーン制御す
ることがｆｆ１．ｆ、Ｌ＜、この領域の空燃比を棺匹・
良く検出できるり−／センサがこの場合のＭ安な御にお
いではストイックセンサとリーンセンサの機能を有する
高機能な複合空燃比センサが必要になる。しかし、この
ようなセンサは実用化されるには至っていない。これは
、簡単な構造で高精度高信頼性のものが未だ笑現されて
いないためである。

リーンセンサとストイックセンサ盆複合化した高機能な
エンジン制御用空燃比センサの概念が既に知られている
。その例を以下に簡単に述べる。

第一の例は％開昭５５−１２５４４８であり、ヒータを
中央にはさんでリーンセンサとストイックセ／す全サン
ドイツ１状に積層したものが知られている。しかし、こ
の案は基準大気の導入路が必要であり、構造が仮雑なこ
とやヒータの熱効率が劣る欠点がめった。１だ、リーン
センサのガス拡散部材は多孔質であり、拡散する酸素量
のばらつきが大きく調整が困難でりり、歩留り低下など
の欠点もあった。

第二の例は特開昭５５−１５４４５０であり、セル励起
電圧の極性ヲ変えることによってリーン及びストイック
点の検出を行う案が公知になっている。

しかし、セル励起電圧の極性を変える必要があり、回路
構成が複雑であった。また、ガス拡散部材は・　多孔質
ジルコニアであり、第一の例と同様な欠点を有していた
。この他、基準極部に空間形状のガス拡散室がなく、電
極−ジルコニア固体電解質−気相界面の面積が減少する
ことから、電極部での活性度が低下し、酸素ポンプ能力
が悪くなり精度や信頼性の面で問題がめった。

〔発明の目的〕

本発明の目的はエンジンの幅広い制御に適合可能な複合
センサ、即ちストイックセンサ機能とリーンセンサ機能
を有するエンジン制御用空燃比センサは簡単な方法で、
旨鞘反、高伯頼性なものを提供することにある。

〔発明の概要〕

ガス拡散室内の１！ｌ！素濃度を酸素ポンプ現象によっ
て制御することにより、基準大気全不要にし、大気導入
路のない４１′４造でストイックセンナ機能全達成した
。これにより、構造が簡単になυ、ヒ−りの熱動も向上
で＠た。酸素ポンプ現象をストイックセンサに積極的に
活用することにより、電極を排ガス雰囲気中にさらして
も、金などの非ブ辿媒性の電極材料を用いることなく、
高信頼性の白金系の材料で基準極の電極を構成できるこ
とになり、センサの信頼性が向上できた。拡散律速を利
用したリーンセンサのカス拡散部材に多孔質部材全使用
せず、１ないし数個の穴や病状のガス拡散口部で酸素の
拡散を律速させた。この結果、基準極部−に拡散流入す
る酸素の量？はぼ定量化でき、ばらつきが少なく、感度
調整時の歩留りも同上した。

リーンセンサ、ストイックセ／す共、基４他は空間形状
のカス拡散室部Ｋｌ）や、基準極の面積を有効に活用で
き、電極−固体電解質一気相界面の活性度を相対的に向
上できた。この結果、高精度で高信頼性のエンジン制御
用空燃比センサを提供することができた。

また、ヒータに対してストイックセル及びり−ンセルが
上、下対称構造にサンドイッチ状に積層することにより
、前述の大気導入路不要な構造でもある故、検出部の渦
紋分布を小さくでき、セル自体の温度制＠精度が向上し
ｌと。この結果、排ガスの大幅な温度変化に則して、温
度影響の極めて少ない複合空燃比センサを提供できるよ
うＫなった。

′また、リーンセル、ストイックセル共、ｉ時、独立に
励起することりこより、セル励起電圧の極性’ｋ　Ｋえ
ることなく、リーン領域及びストイック点の検出全可能
にした。この紹呆、極性変換用のスイッチ系が不要にな
り、空燃比センサ用七ジュール回路部の構成が１７１１
単になった。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例全第３図に示す。ジルコニア固体電解
質１１の中央にアルミナなどの杷は部材１２で囲まれた
ヒータ１３がめり、その上部にリーンセル１４、下ｇに
ストイックセル１５がサンドイッチ状に積層されでいる
。リーンセル１４は保証膜１６、電極１７．１８、ガス
拡散孔１９、ガス拡散室２０及び１ｉ！１体ｒＩＩｆＪ
９イ質１１よす構成芒れる。また、ストイックセル１５
は保睦膜２１、電極２２．２３、ガス拡散孔２４、ガス
拡散室２５及び固体電解質１１より構成でれる。

ストイックセル１５部でλ＝１、リーンセル１４部でλ
＝１〜１．５　全検出し、エンジンの幅広い制御に対応
ができる。後述するように、ストイックセル１５は基準
大気の導入路が不要である。

また、非触媒性の金電極などを用いることなく、電極２
２．２３は全て耐久性の良好な白金系の材料で構成され
る。従って、センサ構造が簡単になると共に、耐久性の
良好なものが得られる。また、大気導入路がないため、
ヒータ１３でリーンセル１４とストイックセル１５を直
接的に加熱できるので、ヒータ１３の熱効率を向上でき
る。このとき、両セルはヒータ１３に対して上、下対称
構造になっておシ、検出部の温度分布に優れ、両セル部
全精度良く定温度に加熱制御できる。この結果、温度影
響の少ない高精度なエンジン制御用空燃比センサ全提供
できる。

本発明によるエンジン制御用空燃比センサの動作原理を
第４図に示す。なお、第３図以降に示されている同一要
素に対しては、第３図と同一番号を記してめる。まず、
リーンセル１４部の動作原理について説明する。セ／す
全体は排カス雰囲気中にさらされており、ガス拡散孔１
９よりガス拡散室２０内へ酸素分圧走によって拡散流入
する酸素の量全検出するものである。今、電極１８を陰
極、電極１７を陽極に接続すると、ガス拡散室２０内へ
拡散律速によって拡散流入した酸素ガスは陰極１８部で
酸素イオンに還元される。この酸素イオンはジルコニア
固体電解質１１内を陽極１７部に移動し、この陽物部で
酸化されてゼ）び酸素カスになり、排カス中へ放出され
る。リーンセル１４に電圧Ｅを励起し、ジルコニア固体
電解質１１中金流れる酸素イオンの量は電流計２６で咲
出される。電流計２６で低山される電流＋ｉ［Ｉ　ｐは
限界電流値と呼ばれ、次式に示す如く排ガス中の酸素分
圧（濃度）ＰＯ２に比例する。

ここで、Ｆはファラデ一定数、Ｄは酸素の拡散定数、Ｒ
は気体定数、Ｔは絶対温度、Ｓはガス拡散孔１９の横断
面積、ｔＦｉガス拡散孔１９の長さである。

ガス拡散孔１９の穴径はドリルやレーザなどによって精
度良く加工できるので、ガス拡散部材に多孔負性のもの
を用いたものに比べて、はるかにその感度がばらつきの
少ないものになり、センサ製造時の歩留りが向上１−る
。

次に、ストイックセル１５部の動作原理について説明す
る。図に示すように、電極２２部を陰極、′電極２３部
を陽極側になるように接続し、定電流源２７よりストイ
ックセル１５部へ定電流Ｉｐ”ｉｆ励起する。この結果
、酸素ポンプ作用により排ガスｄ囲気中の酸素ガスジル
コニア固体電解質１１中を酸素イオンの形で移動し、ガ
ス拡散室２５内の酸素濃度全高一度に制御する。今、ス
トイックセル１５側のガス拡散孔２４はリーンセル１４
側のガス拡散孔１９　ＶＣ比べて、少なくともその横断
面積Ｓは１／１０以丁に構成されている。この結果、リ
ッチ領域に２いてもガス拡散孔２４を介して、エンジン
排ガス中からガス拡散室２５内へ拡散流入する一酸化炭
素ガスの量は少ない値に抑制恣れる。それ故、定電流源
２７で励起す、７）電流値を小さい値（例えば、１ｍＡ
以下）にして、酸素ポンプ作用によってガス拡散室２５
内へ送り込む酸素の量を少なくしても、ガス拡散室２５
内の酸素濃度を高濃既に制御できる。即ち、リッチ領域
のとさ、ガス拡散室２５内で次式に示す反応が進んでも
、ガス拡散室２５内にはこの反応に寄与しない余分の１
４ｉ２素ノＪスが多量に存在するためである。

２’ＣＯ＋０２→２　ＣＯ２・・・・・・（２）この結
果、ストイックセル１５部の出力電圧ｅｏは理論空燃比
（λ−１）で、階段状に変化する。この出力電圧ｃｏは で示され、右辺第２項のＩｐ”は小さいのでオーム損過
電圧ｒ１ｐ＊は無視できる。それ改、出力電圧ｅｏは実
質的に右辺第一項によって定する。λ≦１で電極２２と
ジルコニア固体電解質１１の界面部における酸素分圧Ｐ
、は電極２２の触媒作用により、Ｐ工→０になる。これ
に対して、電極２３とジルコニア固体電解質１１の界面
部における酸素分圧Ｐ■はリッチ領域においても高濃度
に保たれているので、ストイックセルの出力′電圧ｅｏ
はλ＝１で階段状に変化する。

リーンセル１４、ストイックセル１５共、陰極部は空間
形状のガス拡散室内にあり、陰極部の面積を減少するこ
となく有効に活用できるので、陰極部が多孔質部材など
で密閉構造にするものよりみかけの活性度が向上し、電
極のわずかな劣化に対しては特性の変化しないエンジン
制御用量燃比センサを提供することかできる。

第５図に本発明によるエンジン制御用空燃比セ／すの全
体栴成を示−Ｐｃ、検昶部２８と回路部２９よりなり、
両者は導線で接続される。回路部２９は電圧ＶＢのバッ
テリー電源へ接続され、リーンセルの出力電流Ｉｐｋ取
り出す端子３３、ストイックセルの出力電圧ｅｏ　’ｆ
ｒ取り出す端子３４を介して、エンジン制御用のマイク
ロコンピュータ（図中には示していない）と接続でれる
。回路部２９内の３０はリーンセル１４の定電圧励起部
、３１はヒータ１３の定温度制御部、３２はストイック
セル１５の定電流励起部である。定電圧励起部３０はス
トイックセル１５の出力電圧ｅ。でコントロールされて
おり、λ≦１のとき励起電圧Ｅをλ〉１のときのノ・イ
レベルからローレベルに変換し、リッチ領域におけるリ
ーンセルの酸素不足による′１に子伝導の影響を防止し
、リーンセンサの精度と耐久性の向上を行っている。編
５図に示すように、セル励起電圧１らの極性を変えるこ
となく、リーン領域及びストイック点の空燃比を検出で
きるので、極性変換に必要なスイツナ系などは不要であ
り、回路部２９の４’ｌ）ｊ成が簡単になる。

本発明によるエンジン制御（１用空燃比センサの特性の
一例會第６図に示す。図に示すように、ストイックセル
１５部の出力電圧ｅ。はλ＝１で階段状に変化し、理論
空燃比金高積度に検出できる。

リーンセル１４部の出力電θ１ｎＩｐはλ＝１〜１．５
でリニアに変化し、λ≧１のり一ン領域を連続的に検出
することが可能にナシ、燃費の向上全目的としたエンジ
ンの幅広い制御に対応が可能になる。

なお、λ＝１の点においてＩＰが不連続的に変化してい
るのはリーンセル１４部の酸素不足による電子伝導の影
響防止対策として、この点において励起電圧Ｅ？−イレ
ベル（例えばＥ＝ＩＶ）からローレベル（例えばＥ＝０
．５Ｖ）に変化きせたためである。

次に、エンジン制御用空燃比センサについて述べる。リ
ーンセンサは制御上、約数士ｍｓ以下の応答性が要求さ
れる。リーンセンサの時定数τは概略、次の式で示きれ
る。即ち、 ここで　Ｖ、はガス拡散室２０の同容積を示す。

時定ατを小さくするにはガス拡散孔１９の横断面積Ｓ
を犬さくすることやカス拡散室２０の内容積■、を小さ
くすることによって達成すること力；ｆ＊るへ１−か１
７、ガス拡散石１９の横断面積Ｓを極端に大きくするこ
とは（１）式で分るように１゜が太となる。■、が犬、
即ちガス拡散孔１９がらガス拡散室２０内へ拡散流入す
る酸素ガスの量全多くすることによって応答性の改善を
計る方法は電極部における化学反応の活性度に限界があ
るので得策ではない。従って、リーンセルの応答性を向
上させるにはガス拡散室２ｏの内容積ｖｒを小さくする
ことが最も有効な方法である。そのためには、ガス拡散
室２ｏの深きｈｆｒ：浅くするのが良い。しかし、極端
にＩＩヶ浅くすると、酸素カスは主にガス拡散室２０部
で律速されることになる。

それ故、応答性の向−ヒを計るにはカス拡散室２゜の深
さ１１を小さくして内６を積■２を小ぢくし、酸素ガス
の拡散が王としてガス拡散孔１９都で律速されるように
、ガス拡散室２ｏ上へガス拡散孔１９を複数個分散させ
るのが良い。第３図に示したエンジン制御用空燃比セン
サの平面図を第７図に示す。第８図はガス拡散室２ｏ上
へ複数個のガス拡散孔１９奮はぼ等間隔に設けた場合で
ある。

第８図に示した手法に上って、応答性の改善を計ったリ
ーンセンサの応答性の実測例を第９図に示す。第９図は
ガス拡散室２ｏの深さｈが６μｍ１ガス拡散孔１９をほ
ぼ等間隔に５個配置した場合の実測例であり、τ−２０
ｍ５のものが得られた。

本発明によるエンジン１ｂｕ御用壁燃比センサの他の来
施例を第１０図に示す。これは、ストイックセル１５部
のガス拡散孔２４を溝状に形成したものでるる。本発明
によるエンジン制御用空燃比センサはジルコニアのグリ
ーン７−トにヒータ１３、絶縁層１２や各電極ケ印刷後
、績Ｊ曽、熱圧着して、１５００Ｃ以上の温度で本焼成
したものである。ガス拡散室２０と２５はその部分にカ
ー−トンなどの有機バインダを印刷によって形成し、本
焼成時の昇温過程において有機バインダｆ：焼却除却す
ることによって１斤られる。この手法？ガス拡散孔２４
へ適用したのが第１０図である。有機バインダの印刷に
よって、ガス拡散孔２４の横断面積を小さくすることが
可能でりる。溝状のガス拡散孔２４は深でか故μｍ、そ
の幅が数ゴμｍのものが形成でき、その横断面積は非常
に小さいものになる。

前述したように、ストイックセル１５都のカス拡散孔２
４の横断面積はリーンセル１４部のガス拡散孔１９の横
断面績より、はるかに小さいのが啜ましく、どの程度小
さいものが得られたかの実測例を第１１図に示す。第１
１図は両セル部のＶ−Ｉ特性を示したものであり、その
飽和電流値（限界電流値）の比からガス拡散孔の横断面
積の比全推定することができる。両セル部のガス拡散孔
の長さｔは同じにしたので、第１１図からストイックセ
ル１５部のガス拡散孔２４の横断面積Ｓ　ｋ　’）−メ
セル１４部のカス拡散孔１９のそれの約１／１５０にで
きることが分った。

第１２図に、本発明１１Ｃよる他の実施例を第１１図に
示す。検出ｊＩｌ１％の断面図を（ｂ）＜、ｘ−ｘ視図
を（ａ）に示す。これｔ」５、リーンセル１４部のガス
拡散孔１９、ガス拡ｊｊｋ室２０共、有機バインダ焼却
法によって、溝状に形成した場合を示している。ガス拡
散孔１９、ガス拡散室２０共その深さを数〜数十μｍに
できること、ガス拡散孔１９奮ガス拡散室２０の側面の
全面に配置できることにより、ガス拡散室２０の内容積
Ｖｒを増加させずに、まｆｃ、ｗ素の拡散祉を抑制して
センサの応答性を上げることができる。

〔発明の効果〕

本発明によって、λ−１とλ＝１〜１．５の空燃比を高
精度に検出できる測定範囲の広い複合機能を有するエン
ジン制御用空燃比センサ全提供することができる。また
、検出部と回路部の構成を簡単にでき、特性のばらつき
の少ないセンナを得ることができる。また、電極部の耐
久性や活性度の良好な空燃比センサを提供することがで
きる。また、ヒータの熱効率が良好な空燃比センサオ得
ることができろっまブヒ、検出部の温Ｉｆ分布が一様で
あり、扇匿影響の少ない空燃比センサを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の空燃比制御装置の概略構成図、第２
図は苧燃比と排ガス濃度、燃焼効率の関係を示した図、
第３図は本発明によるエンジン制御用空燃比センサの栂
造図、第４図は本発明によるエンジン制御用空燃比セン
サの動作原理、第５図は本発明によ４）エンジン制御用
空燃比センサの全体構成図、第６し１は本発明によるエ
ンジン制御用空燃比センサの！Ｆ′ｆ性例、第７図及び
第８図は本発明によるエンジン’＋ｌ１ｌｌ　１１１川
空燃比センザの平面図、第９図は本発明によるエンジン
制御用空燃比センサの応答実測例、第１０図は本発明に
よるエンジン制御用空燃比センツーの他の実施例ツ塑歳
明によるエンジン制御用空燃比センサ各セル部のＶ−Ｉ
特性実測例、第１２し１は本発明によるエンジン制御用
空燃比センサの池の実施例を示したものである。 ２０．２５・・・ガスＪＩＡ故室、１４・・・リーンセ
ル、第　／　ロ 第　２　目 空矢貞刺牢′（入少 空塔°比（Ａ／Ｆ） 第　３　口 ４　図 茅　５　区゛ ’ｐ　ｅ。 茅　ど　図 Ｖ矢Ａ″ｔ）電入 第　７　図 第８図 第　７　固 θ　５θ　１６θ　／ｆθ ｆｒ　同　（側り 第　ＩＩ　目 論起電圧Ｅ＜Ｖジ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、空間形状のガス拡散室を有するリーンセルとストイ
   ックセルの中間にヒータを実装したイ責層体よりなり、
   上記リーンセルは定電圧励起法、ストイックセルは定電
   流励起法で駆動され、かつ各セルの電極は全て白金系の
   触媒性電極であることを特徴とするエンジン制御用空燃
   比センサ。