JPS61194344A - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は燃焼機器に供給される混合気の空燃比を検出す
る空燃比センサーに関し、特に酸素イオン伝導性固体電
解質を用いた混合気のリーン（理論空燃比より空気過剰
の状態）域からリッチ（理論空燃比より燃料過剰の状態
）域における空燃比を検出し得る空燃比センサーに関す
るものである。

［従来の技術］ 従来より、例えば、内燃機関等の燃焼機器において、燃
費やエミッションの改善を図るべく、排気中の酸素濃度
を検出し、燃焼容器中で燃焼される混合気を理論空燃比
近傍に制御するといった、いわゆるフィードバック制御
を実行するものがある。そしてこの種の制御装置に用い
られ、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサとして、
例えばイオン伝導性固体電解質に多孔質電極層を被着し
て構成され、排気の酸素分圧と空気の酸素分圧との差に
よって生ずる起電力の変化によって理論空燃比近傍の燃
焼状態を検知する酸素センサ等、一般には混合気の理論
空燃比を境として出力電圧がスイッチング的に変化する
酸素センサが知られている。

ところで近年、混合気の空燃比を単に理論空燃比近傍に
制御するだけでなく、機器の運転状態に応じて目標とす
る空燃比を変化してフィードバック制御を実行すること
により、燃費やエミッションをより改善すると共に機器
の運転性を向上させるといったことが考えられているが
、上記従来の酸素センサにあっては混合気の理論空燃比
を検知し得るだけであることから、混合気を所望の空燃
比に制御することができなかった。

一方近年、上記の如き空燃比のフィードバック制御を実
現すべく、固体電解質の一方の電極面を含んで密閉状態
の空間を形成する室を備え、その室の壁に微小な拡散孔
を設け、これにより被測定ガス中のガス成分を上記室内
に拡散導入するように電極面間に電圧を印加することに
より流れる電流量を測定して被測定ガス中のガス成分濃
度を測定する方法（特開昭５２−７２２８６号、特開昭
５３−６６２９２号）が提案されている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、これらの装置の構成は両電極の内、一方の電
極雰囲気は拡散制限用の小さい孔によってのみ被測定ガ
ス雰囲気と連通ずる密閉状空間雰囲気であるので、被測
定ガス成分の濃度が急変した場合、この拡散部分からの
拡散ガスが密閉室内全域におよんで平衡状態に達するま
で時間がかかり、そのため応答性が低くなるという欠点
があった。また１つもしくは数個のガス拡散制限孔を設
けるものであったため安定した製品が量産的に得られに
くかった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、発明の構成として上記の問題点を解決するた
めに次の様な技術的手段を採用した。

即ち、本発明の空燃比センサーは、 固体電解質板の表裏面にて対向する２対の多孔質電極を
設けるよう構成された空燃比センサーにおいて、 固体電解質板の一方の面に２つの電極を覆う多孔質ガス
拡散層及び該ガス拡散層を覆う該ガス拡散層より気孔率
の低い多孔質ガス拡散制限層を有し、 かつ、固体電解質板の他方の面に設けられた２つの電極
が大気に接触するよう構成されたことを特徴とする。

多孔質電極の一対はその間に挟まれる固体電解質ととも
に酸素ポンプ素子を構成し、又多孔質電極の他の一対は
、その間に挟まれる固体電解質とともに酸素濃淡電池素
子を構成する。

第１図は本発明の一例の構造を示す部分被断斜視図であ
る。

本発明の空燃比センサーは、固体電解質板１の一方の面
に酸素ポンプ素子電極２、酸素濃淡電池素子電極３を設
け、他の面に電極２．３に対向するように電極４．５を
設け、電極２．３を多孔質ガス拡散層６によって覆い、
ざらに多孔質ガス拡散層６よりも気孔率の低い多孔質ガ
ス拡散制限層７によって多孔質ガス拡散層６を覆い、も
う一方の面に電極４．５に大気を導く通路８を形成する
通路形成体９を設けたものである。酸素ポンプ素子電極
２．４はその間に挟まれる固体電解質とともに酸素ポン
プ素子１０を形成し、又酸素濃淡電池素子３．５はその
間に挟まれる固体電解質とともに酸素濃淡電池素子１１
を形成する。

固体電解質板１の材料としては、ジルコニアのイツトリ
アあるいはカルシア等との固溶体が代表的なものであり
、その他二酸化セリウム、二酸化Ｉ・リウム、二酸化ハ
フニウムの各固溶体、ベロアスカイト型酸化物固溶体、
３価金属酸化物固溶体等が使用可能である。

多孔質電極は、１対の電極２．４が酸素ポンプ素子とし
て、他の１対の電極３．５が酸素濃淡電池素子として作
動するものである。材料としては、白金、金等を用いる
ことができ、これらは、原料粉末を主成分としてペース
ト化し厚膜技術を用いて印刷後、焼結して形成してもよ
く、又フレーム：等射あるいは化学メッキもしくは蒸着
などの薄膜技術を用いて形成してもよい。

これらの電極は例えば第２図及び第３図の平面図に示す
パターンとされる。これらは、−面しか図示されていな
いが信置にも対応するパターンが形成される。

第２図は酸素濃淡電池素子電極２をポンプ素子電極３が
取り囲むようにパターンが形成されている。このように
することによって電池素子電極３近傍の酸素ガス分圧を
ポンプ素子２で制御することが容易となる。

第３図は櫛形の電池素子電極３と同じく櫛形のポンプ素
子電極２とが組み合わされたようにパターン形成されて
いる。このようにすることにより、ポンプ素子２によっ
て電池素子電極近傍の酸素ガス分圧を容易に調節できる
。

多孔質ガス拡散層６は後述の多孔質ガス拡散制限層７を
支持するために設けられたものであり、材料としては、
ＡＱ２０３、ムライト、スピネル等を使用することがで
きる。またガス成分間の平衡反応促進のために、Ｐｔ、
Ｆ？ｈ、Ｐｄ、Ｎａ等の触媒を多孔質ガス拡散層６に添
加することが好ましい。これらは、原料粉末を主成分と
してペース１〜化し、厚膜技術を用いて印刷後、焼結し
て形成することができる。その際、原料粉末の粒度、原
料粉末の耐火度等を調整することによってガス拡散の効
果を調節することができる。本発明に用いられる多孔質
ガス拡散層６の気孔率５％以上が好ましい。この気孔率
が５％未満であると多孔質ガス拡散層６中の測定ガスの
易動性が下がるために空燃比センサーの応答性が低下し
、逆に気孔率が過大になると強度が下がり後述の多孔質
ガス拡散制限層７を支持することができなくなり好まし
くない。多孔質ガス拡散層６の厚みは、気孔率の大きざ
との関係もあるが、通常１０〜５０μｍが好ましい。尚
、ここで言う気孔率とは、いわゆる見掛気孔率である。

多孔質ガス拡散制限層７としては、ＡΩ２２０３、ムラ
イト、スピネル等を使用することができる。

これらは、原料粉末を主成分としてペースト化し、厚膜
技術を用いて印刷後、焼結して形成することができる。

その際、原料粉末の粒度、原料粉末の耐火度等を調整す
ることによってガス拡散の効果を調節することができる
。本発明に用いられる多孔質ガス拡散制限層７の気孔率
は２％以下である。

気孔率が２％より大きいとガスの拡散制限効果が小さす
ぎて広域空燃比センサーとして実用的でなくなり好まし
くない。この多孔質ガス拡散制限層７の厚みは気孔率と
の関係もあるが通常７〜５０μｍが好ましい。

又、多孔質ガス拡散枡候層６を有しない面に公知の方法
によって電極に、大気を導く通路８を設ける。例えば、
後述の本発明の一実施例に示す如くコの字形の審奔巻和
層と板状の支持体を接合して通路形成体とし、それを多
孔質ガス拡散層６を有しない面に接合することにより通
路８としてもよい。

［作用］ 本発明について第１図をもとに説明する。

酸素濃淡電池素子１１と酸素ポンプ素子１０とを１枚の
固体電解質板１に設け、固体電解質板１の一方の面に多
孔質ガス拡散層６及び多孔質ガス拡散制限層７が設Ｃプ
られ、かつ使方の面に設けられた電極４．５に大気が接
触するよう構成された空燃比センサーの作用について説
明する。

先ず、混合気がリーン域である時、該空燃比センサーを
排ガス中にさらし、酸素ポンプ素子１０の大気側の電極
４に正、多孔質ガス拡散層６側の電極２に負の電圧を印
加して電流を流すことにより、酸素ポンプ素子１０の固
体電解質内を酸素イオンが多孔質ガス拡散層６側電極２
より大気側電極４へ移動し、多孔質ガス拡散層６内に存
在する酸素ガスが酸素ポンプ素子１０の大気側へ汲み出
される。上記の如く多孔質ガス拡散層６内より酸素ガス
が汲み出されると、周囲測定ガスと多孔質ガス拡散層６
内ガスとの間に該多孔質ガス拡散制限層７の酸素拡散制
限的作用によって酸素ガス濃度の差を生じ、多孔質ガス
拡散層６内には周囲排ガスよりも酸素ガス濃度が小さい
雰囲気が生じ、この雰囲気と大気との酸素分圧差に応じ
て酸素濃淡電池素子１１に起電力を生ずる。

そしてこの起電力Ｅが予め定めた一定値に維持されるよ
うに、換言すれば、上記多孔質ガス拡散層６内の雰囲気
の酸素分圧が一定に維持されるように、酸素ポンプ素子
１０側に流す電流量（ポンプ電流）を調整すると、その
電流量は、測定ガス中の酸素ガスの含有率にほぼ直線的
に変化するようにすることができ、酸素ガス濃度を求め
ることができる。

次に、混合気がリッチ側である時には、酸素濃淡電池素
子１１は両電極３．５の間に酸素ポンプ素子１０を動か
せて酸素ガス分圧差を惹起させなくても大きい起電力が
発生するので、酸素濃淡電池素子１１の起電力を一定に
するために、酸素ポンプ素子１０に流すポンプ電流の向
きは逆となる。

即ち、酸素濃淡電池素子１１の多孔質ガス拡散層側電極
３において、酸素分圧が排ガス中の未燃焼の炭化水素や
一酸化炭素との平衡関係から極めて小さくなるために多
孔質ガス拡散層６内と大気との酸素ガス分圧の差が大き
くなりすぎてしまい、起電力が所定の値よりも大きくな
ってしまうので、起電力を所定の値に維持するよう、換
言すれば、上記多孔質ガス拡散層６内の雰囲気の酸素分
圧を一定に維持するように、酸素ポンプ素子１０により
多孔質ガス拡散層６内に酸素を送り込むことが必要とな
る。この時、ポンプ電流は、リーン域におけるポンプ電
流と逆向きになり、又、ポンプ電流は排ガス中の未燃焼
成分である炭化水素や一酸化炭素の量に対応する。した
がって、リッチ域においてポンプ電流は空燃比に対応す
る。

即ち、上記空燃比センサーの酸素濃淡電池素子１１の起
電力が予め定めた一定値に維持されるように酸素ポンプ
素子１０側に流すポンプ電流を調節する時、そのポンプ
電流は空燃比に対応する。

この関係の概要を第４図に示す。尚、このポンプ電流と
空燃比の関係は後述する如く、多孔質ガス拡散制限層７
の気孔率によって変化するので、その変化の模様も会わ
せて第４図中に示す。

又、ポンプ電流を一定にした時の起電力がら空燃比を求
めることができる。この関係を第５図に示す。この時、
ポンプ電流の向きを、ガス拡散層内から酸素を汲み出す
時を正とする。

ポンプ電流ＩｐがＯの時、起電力の値が急激に変化する
変化点は、はぼ理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）である
。

又、ポンプ電流Ｉｐが負の時、即ち、ガス拡散層６内に
酸素が供給される時、変化点はリッチ域に移動する。

さらに、ポンプ電流１ｐが正の時は、起電力の変化はポ
ンプ電流ＩｐがＯ又は負の時に比べてなめらかになるが
、変化点は、リーン域に移動する。

そして、この変化点の移動量はポンプ電流Ｉｐと対応し
ている。

前述の起電力を一定とするようにポンプ電流を調節する
場合のポンプ電流と空燃比の関係、及びポンプ電流を一
定とした場合の起電力の変化点と空燃比の関係は、いず
れも多孔質ガス拡散制限層７の吸水率によって変化する
。

即ち、多孔質ガス拡散制限層７の吸水率が大きくなると
酸素濃淡電池素子１１近傍の酸素ガス分圧変化に対する
ポンプ電流の変化は大きくなる。

従ってポンプ電流がＯｍＡ付近、即ち、理論空燃比近傍
の変化をつかみやすくなる。反面空燃比が理論空燃比か
らはなれると多孔質ガス拡散層６内の酸素ガス分圧を維
持するために必要なポンプ電流が大きくなりすぎ、空燃
比センサー自体が破壊される場合もある。

逆に、多孔質ガス拡散制限層７の吸水率が小さくなると
多孔質ガス拡散層６内の酸素ガス分圧の維持は極めて容
易となり、空燃比が理論空燃比よりかなりはなれた場合
、例えば大気中の酸素ガス濃度さえ測定可能となる。

又、多孔質ガス拡散制限層７が測定ガスに接触する面積
が大きいために、又、多孔質ガス拡散層６は気孔率が高
くてガス拡散制限効果はほとんどないために、測定ガス
中の酸素ガス分圧が急変した場合多孔質ガス拡散制限層
６内全域は速やかに平衡状態に達し、この空燃比センサ
ーの応答性は従来のものより極めてよくなる。

［実施例］ 本発明の一実施例について説明する。前述の第１図は本
実施例の部分破断斜視図を示している。

尚、第６図中における破線は各部の対応を表わす。

本実施例は、イツトリアによって安定化されたジルコニ
アからなる７Ｘ４１ｘＱ、６ｍｍの固体電解質板１の両
面にｐｔからなる前述の第２図の電極パターンを厚膜法
によって設けたものであり、電池素子電極３と同５、ポ
ンプ素子電極２と同４は各々対向し、ざらに電池素子電
極３とポンプ素子電極２を粒径５μｍ以下が５０％以上
で必るＡＱ２０３からなる多孔質ガス拡散層６で３０〜
４０μｍの厚さに覆い、さらに、該多孔質ガス拡散層６
を粒径２．５μ以下が８０％以上である／１２０３から
なる第７図に示すｅ気孔率の多孔質ガス拡散制限層７で
１０〜２０μｍの厚さに覆い、固体電解質板１の多孔質
ガス拡散層６の設けられていない電極４．５に大気を導
入する通路８を設けたものである。

通路８は、安定化ジルコニアの焼結体からなる厚さ’１
．Ｑｍｍ、外形７Ｘ４１ｍｍ、内形４　ｘ　３　ｇ　ｍ
ｍ。

のコの字形である層１００と７Ｘ４１Ｘ０．６ｍｍの支
持体１０１によって形成される通路形成体９により形成
された。

本実施例の空燃比センサーは１枚の固体電解質板１に２
対の対向する電極２．３．４．５を設け、固体電解質板
１の一方の面を多孔質ガス拡散層６及び多孔質ガス拡散
制限層７で覆い、他の面に大気を導くという単純な構造
でリーンからリッチにわたる幅広い空燃比範囲の測定が
できる。第７図はこの実施例センサを用いて電池素子の
起電力Ｅを０．４ボルド一定とするようにポンプ素子の
電流１ｐを自動制御回路によって制御させた場合の空燃
比対ポンプ電流特性を示す。この図から判るように多孔
質ガス拡散制限層７の気孔率を変えることにより、ポン
プ電流と空燃比あるいは、ポンプ電流と電圧の変化点の
関係を容易に変えることができるために、用途に応じた
特性を選ぶことができる。ざらに多孔質ガス拡散層６に
ガス拡散制限効果がほとんどないために、多孔質ガス拡
散層６内の雰囲気は速やかに全域が均一となる。

［発明の効果］ 本発明の空燃比センサーは、１枚の固体電解質板の表裏
面に２対の電極を設け、その固体電解質板の一方の面に
、多孔質ガス拡散層、重ねて多孔質ガス拡散制限層を設
け、他の面に大気を導入するという簡単な構造で、リー
ンからリッチの幅広い範囲の空燃比が測定でき、さらに
多孔質ガス拡散制限層の気孔率の制御が容易であること
から、製品の品質をそろえること、及び環境に合わせた
特性にあわせることが極めて容易に行なうことができる
。

特に、多孔質ガス拡散層内に存在する酸素ガス量はそれ
ほど多くなく、又、多孔質ガス拡散制限層表面全体が測
定ガスに接触しざらに多孔質ガス拡散層にガス拡散制限
効果がほとんどないために多孔質ガス拡散層に雰囲気の
むらができても速やかに全域が均一となるので測定ガス
の濃度が急変した場合の応答性が極めてよく、本発明の
空燃比センサーを空燃比制御に用いることにより、より
正確な空燃比制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例の構成を示す断面斜視図、第２図
及び第３図は本発明の電極パターンの例を示す平面図、
第４図は本発明の動作を示す説明図、第５図は本発明の
動作を示す説明図、第６図は本発明の一実施例を示す説
明図、第７図はその特性を示す図である。 １・・・固体電解質体 ２．４・・・ポンプ素子電極 ３．５・・・酸素濃淡電池素子電極 ６・・・多孔質ガス拡散層 ７・・・多孔質ガス拡散制限層 ８・・・通路 ９・・・通路形成体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　固体電解質板の表裏面にて対向する２対の多孔質電
   極を設けるよう構成された空燃比センサーにおいて、 固体電解質板の一方の面に２つの電極を覆う多孔質ガス
   拡散層及び該ガス拡散層を覆う該ガス拡散層より気孔率
   の低い多孔質ガス拡散制限層を有し、 かつ、固体電解質板の他方の面に設けられた２つの電極
   が大気に接触するよう構成された ことを特徴とする空燃比センサー。 ２　同一面上の２つの電極の一方がＵ字形であり、その
   Ｕ字形湾曲部内に他方の電極が設けられる特許請求の範
   囲第１項記載の空燃比センサー。 ３　多孔質ガス拡散層の見掛け気孔率が５％以上であり
   、多孔質ガス拡散制限層の見掛け気孔率が２％以下であ
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の空燃比センサ
   ー。