JPS6110762A - 空燃比測定装置 - Google Patents

空燃比測定装置

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Publication number
JPS6110762A
JPS6110762A JP59132246A JP13224684A JPS6110762A JP S6110762 A JPS6110762 A JP S6110762A JP 59132246 A JP59132246 A JP 59132246A JP 13224684 A JP13224684 A JP 13224684A JP S6110762 A JPS6110762 A JP S6110762A
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JP
Japan
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voltage
air
current
fuel ratio
oxygen
Prior art date
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Pending
Application number
JP59132246A
Other languages
English (en)
Inventor
Masaaki Uchida
正明 内田
Shinji Kimura
木村 信司
Masao Ishitani
誠男 石谷
Masayuki Toda
正之 任田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6110762A publication Critical patent/JPS6110762A/ja
Pending legal-status Critical Current

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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
    • G01N27/4065Circuit arrangements specially adapted therefor

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

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】 (産業上の利用分野) この発明は、被測定ガス中の酸素濃度を検出して空気と
燃料との比すなわち空燃比を測定するのに利用される空
燃比測定装置に関するものであ(従来技術) 従来、この種の空燃比測定装置としては、例えば特開昭
56−89051号公報によって開示された第1図に示
すようなものがある。すなわち、第1図は酸素センサ素
子を模型的断面で示した空燃比測定装置を示す図であり
、この酸素センサ素子1は、多孔性基板2上に、第■電
極3.酸素イオン伝導性固体電解質4.第■電Fi5.
拡散層6を順次積層し、基板2内に電熱体7を設けた構
造を有するものである。そして、前記第I電極3と第■
電極5との間には定電流源8と電圧測定手段2とを並列
に接続すると共に、電熱体7には電熱体制御回路10を
接続した構成をなすものである。
このような構成の空燃比測定装置において、電熱体制御
回路10により電熱体7に電源を供給して酸素センソ素
子1を適温(例えば750°C〕に保持した状態とし、
定電流源8を作動させることによって、第I電極3から
酸素イオン伝導性固体電解質4を通して第■電極5に向
けて所定の電流i (A)を供給すると、第■電極5か
ら酸素イオン伝導性固体電解質4を通して第I電極3に
向けてQ = i / 4 F (mole/5ec)
の酸素イオンの移動が引きおこされる。ここで、Fはフ
ァラデ一定数(96500c/mole)である。
これをさらに第2図をもとにして説明すれば、拡散層6
の拡散定数をk [mole/atme sec ]、
基板2の拡散定数をに’  [aole/atme s
ec ]、被測定ガスの酸素分圧をP [atm ] 
、第1電極3における酸素分圧をFA [atm ] 
、第■電極5における酸素分圧をPs [atm ] 
としたときに、前記Q = i / 4 Fの酸素イオ
ンの移動により、第工電極3における酸素分圧FAは、
Q=に’  (FA−P)なる関係から、F A = 
P + i /4Fk’ となり、第■電極5における
酸素分圧は、Q=k (P−FB)なる関係から、FB
=P−i/4Fkとなる。
したがって、第工電極3と第■電極5との電位差E (
V)は、酸素濃淡電池にお、ける弐E (V)RT  
  PB −一□文n□なる関係式から、内部抵抗を4F    
 PA Z(Ω)としたときに、 となる。ここで、Rはガス定数(8、3joul/de
g * mole)である。
ところで、燃焼排ガス等の被測定ガスの酸素分圧Pは、
空気と燃料との比すなわち空燃比によって第3図に示す
ように変化するが、前記定電流源。
8より供給される電流Iおよび拡散定数kを適当な値に
設定することによって、第■電極5の酸素分圧PBを前
記酸素分圧Pよりも低くし、例えば第4図に示すように
空燃比A/F=16で零になるようにすることができる
。それゆえ、この時の第I電極3と第■電極5との電位
差Eは、第5図に示すように、空燃比A/F>16で酸
素分子の電解電圧から、空燃比A/F<16で二酸化炭
素分子の電解電圧に急激な変化を示し、この電位差Eを
電圧測定手段2で検出することで、理論空燃比よりも希
薄な空燃比の検出が可能となる。
、しかしながら、このような従来の空燃比測定装置にあ
っては、所定の希薄空燃比で第■電極5における酸素分
圧PBがほぼ零となるように一定電流工を供給するよう
にしていたため、所定の空燃比(図示例ではA/F= 
16)よりも濃いか薄いかの判別が可能であるにとどま
り、空燃比の変化を空気過剰側および燃料過剰側の両方
において連続的に検出することが困難であるという問題
点があった。
(発明の目的) この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、空燃比の変化を空気過剰側および燃料過剰側
の両方において精度良く検出することができる空燃比測
定装置を提供することを目的としている。
(発明の構成) この発明による空燃比測定装置は、酸素イオン伝導性固
体電解質と一対の電極とで酸素濃淡電池を構成し、前記
一対の電極のそれぞれが気体分子の拡散を制御しうる拡
散制御層に覆われた酸素センサ素子と、前記一対の電極
間電圧を測定する電圧測定手段と、前記電極間電圧が所
定値となるような電流を供給する電流源と、前記電流値
を測定する電流測定手段と、を備えたことを特徴として
いる。
この発明が適用される酸素センサ素子を構成する電極、
#素イオン伝導性固体電解買、気体の拡散制御層等の材
質や形成方法等は特に限定されず、従来より採用ないし
は試みられている材質および形成方法等の中から適宜選
択して使用することが望ましい。また、電極についても
必ずしも二電極構成のものに限定されない。
第6図はこの発明の一実施態様を示す図であって、図に
示す酸素センサ素子11は、ガス拡散制御層としての基
板12の上に、第I電極13と、酸素イオン伝導性固体
電解質14と、第■電極15と、気体拡散制御層16と
を順次積層し、基板12の内部に電熱体17を埋設した
構造を有するものである。また、前記酸素センサ素子1
1の第I電極13と第■電極15との間には電圧測定手
段18が接続しであるとともに、前記電圧測定手段18
からの信号を受けて前記第I電極13と第■電極15と
の間における電極間電圧が所定値となるような電流を供
給する電流源1夕と、前記電流値を測定する電流測定手
段20とを直列に接続した状態で前記第I電極13と第
■電極15との間にvc続しである。また、前記電熱体
17には、電熱体制御回路21が接続しである。
このような構成の空燃比測定装置では、電圧測定手段1
8が第I電極13と第■電極15との間の電極間電圧E
を測定し、この電極間電圧Eを電流源12に信号伝達す
ることにより電流源12は前記電極間電圧Eが一定値と
なるように、供給する電流値を調整し、この電流値を電
流測定手段20が測定する。
(実施例) 第7図はこの発明の実施例を示した図であり、第6図に
示す電圧測定手段18と電流源19とを兼ねる演算増幅
器22と、電流測定手段20に相当する抵抗(r[Ω]
)23と、所定電圧(e [V] )を供給する電圧源
24とから構成 〕しである、そして、電極間電圧Eを
所定電圧eに保つために必要な電流iを供給し、Vou
t =e’+riなる出力電圧を出力する。
第8図は第7図に示す回路構成によって得られる空燃比
(A/F)とVoutとの関゛係の一例を示す図である
第8図において、リーン領域(A/F>約14 、8)
では、先に述べたように電極間電圧Eは、 となるが、これが所定電圧eに保たれるので、となり、
排ガス等の酸素分圧Pが高くなれば、電極間電圧Eを所
定電圧eに保つために必要な電流iは大きくなる。
他方、リッチ領域(A/F<約14 、8)においては
、第■電極15における酸素分圧FBはほぼ零であり、
多孔性基板12を通して第I電極13に侵入する一酸化
炭素の量をM [mole/see]とすると、この−
酸化炭素と、電流1により第工電極13に送りこまれる
酸素(酸素量Q = i / 4F)、!−が、2 C
O+ 02 = 2 CO2なる化学反応を起すので、 RT   PB E=−□又n −十Z i 4F   PA で表わされる電極間電圧Eは、M>−Qなる時、すなわ
ちM>i/8Fなる時は、第I電極13における酸素分
圧FAは低いので低くなり、M←Qなる時、すなわちM
< i / 8 Fなる時は第工電極13における酸素
分圧FAは高くなるので高くなる。そして、排ガス中の
一酸化炭素分圧が高くなれば、Mは大となり、空燃比が
より燃料過剰になるほど第3図に示すように、排ガス中
の一酸化炭素分圧が高くなるので、電極間電圧Eを所定
電圧eに保つための電流iは大となり、したがってVo
utが大となる。
ここで、第8図において、リーン領域とリッチ領域とで
電流iの大きさすなわちVoutの大きさが大きく異な
るのは、拡散層16の拡散定数kを基板12の拡散定数
に′よりも大きく設定しであるためであり、このように
拡散定数に、に’を設定すれば、リーンとリッチの両状
態でVoutが同じ値となることはなくなる。このよう
にして、第8図に示す関係が得られると、出力Vout
を検出することによって、空燃比の全範囲を測定するこ
とができる。
(発明の効果) 以上説明したきたように、この発明にょる空燃比測定装
置は、酸素イオン伝導性固体電解質と一対の電極とで酸
素濃淡電池を構成し、前記一対の電極のそれぞれが気体
分子の拡散を制御しうる拡散制御層に覆われた酸素セン
サ素子と、前記一対の電極間電圧を測定する電圧測定手
段と、前記電極間電圧が所定値となるような電流を供給
する電流源と、前記電流値を測定する電流測定手段と、
を備えた構成を有するものであるから、燃料過剰の1)
ツチ領域から空気過剰のリーン領域までの前空燃比領域
にわたって空燃比を連続的に測定することができるとい
う非常に優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の空燃比測定装置の構成を示す説明図、第
2図は第1図の空燃比測定装置を構成する酸素センサ素
子の内部における酸素および酸素イオンの移動のようす
を示す説明図、第3図は被測定ガスの酸素分圧を空燃比
との関係で示す説明図、第4図は酸素の拡散を抑制した
ときの第■電極における酸素分圧な空燃比との関係で示
す説明図、第5図は第4図に示す酸素拡散制御したとき
の酸素センサ素子の出力特性を示す説明図、第6図はこ
の発明の一実施態様による空燃比測定装置の構成を示す
説明図、第7図はこの発明の一実施例による空燃比測定
装置の回路構成を示す説明図、第8図は第7図の回路に
よる空燃比変化に基づく出力変化を示す説明図である。 11・・・酸素センサ素子、 12・・・基板(拡散制御層)、 13・・・第I電極、 14・・・酸素イオン伝導性固体電解質、15・・・第
■電極、 16・・・拡散制御層、 17・・・電熱体、 18・・・電圧測定手段、 12・・・電流源、 20・・・電流測定手段、 22・・・演算増幅器(電圧測定手段十電流源)、23
・・・抵抗(電流測定手段)。 特許出願人  日産自動車株式会社 代理人弁理士 小  塩   豊 第1図 第3図 空燃rtJ(A/F) 第4図 7憩尤(A/F) 第5図 堂ポ、°尤(A/F)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 酸素イオン伝導性固体電解質と一対の電極とで
    酸素濃淡電池を構成し、前記一対の電極のそれぞれが気
    体分子の拡散を制御しうる拡散制御層に覆われた酸素セ
    ンサ素子と、前記一対の電極間電圧を測定する電圧測定
    手段と、該電圧測定手段の出力を受けて前記電極間電圧
    が所定値となるような電流を前記電極に供給する電流源
    と、前記電流値を測定する電流測定手段と、を備えたこ
    とを特徴とする空燃比測定装置。
  2. (2) 一対の電極を覆う拡散制御層の気体分子の拡散
    定数がそれぞれ異なることを特徴とする特許請求の範囲
    第(1)項記載の空燃比測定装置。
JP59132246A 1984-06-26 1984-06-26 空燃比測定装置 Pending JPS6110762A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7122103B2 (en) 2002-03-29 2006-10-17 Hitachi Ltd. Air/fuel ratio detection apparatus
US7258771B2 (en) 2001-09-17 2007-08-21 Hitachi, Ltd. Air/fuel ratio detection apparatus

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7258771B2 (en) 2001-09-17 2007-08-21 Hitachi, Ltd. Air/fuel ratio detection apparatus
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