JPS61221644A - 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ｆｆ１ｌ）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４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
る空燃比を炭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被測定ガス雰
囲気と連通ずる密閉状空間を形成するものであるが、い
わゆる拡散限界電流方式であるため拡散制限手段の製作
が困難であった。

Ｅ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、 他面が大気に接する酸素濃淡電池素子と、酸素ポンプ素
子とを間隙を介して対向配設し、該間隙により測定ガス
との間でガス拡散制限手段を介して連通せしめたガス拡
散室を形成した空燃比センサーにおいて、酸素濃淡電池
素子と酸素ポンプ素子との間隙寸法を０．２１−以下０
．０１１１以上としたことを特徴とする。

酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子は、例えばＹ２０
！−ＺｒＯｚ固溶体のような固体電解質板の表裏面に１
対の多孔質電極を設けることにより形成される。

固体電解質板の材料としては、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、二酸化トリウム、二酸化ハフニ
ウムの各固溶体、ペロブ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。

多孔質電極の材料としては、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
フレーム溶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。

さらに、１枚の固体電解質板に酸素濃淡電池素子と酸素
ポンプ素子との画素子を設け、他の１枚の固体電解質に
酸素ポンプ素子を設けるようにしてよく、このようにす
ることによって酸素ポンプ素子の後述する拡散室内の酸
素ガスの排出、吸入能力が向上し、酸素濃淡電池素子電
極近傍の酸素ガス分圧制御がより容易となる。しかしい
づれにしても拡散室の一方の大面の大部分がポンプ素子
の電極とされるべきである。なお、ポンプ素子の電極の
面積は少なくとも５ｍｌ′以上は通常必要とする。

又、少なくとも酸素ｌＩ淡電池素子の拡散室に接しない
面には、公知の方法によって大気を導びく通路を設ける
。例えば、固体電解質の拡散室に接しない面に、コの字
形の応力緩和層と板状の支持体とからなる通路形成体を
接合することにより通路としてもよい。

ガス拡散ｆｉ１１限手段としては、拡散室と測定ガス雰
囲気とを結ぶ孔を用いることができる。この孔は、１つ
、あるいは２つ以上設けられ、又内部に多孔質材を充填
して拡散抵抗を増すようにしてもよい。

拡散室は、酸素濃淡電池素子の設けられた固体電解質板
と、酸素ポンプ素子の設けられた固体電解質板との間に
、拡散室の一部である空所を有するスペーサーを挟んで
接合することにより形成される。特に焼成前にこの拡散
室内に、拡散室とほぼ等しい直径を持つスプレードライ
ヤー等により製造された造粒粒子を一層に配設しておく
と焼成時にこの拡散室が変型することを防ぐので好まし
い。

この拡散室の厚さすなわち画素子の電極表面間の距離は
、０．０１〜０．２１１が好ましく、特に０．０５〜０
．１ｍｌであると好ましい。この厚さが０．０１ｍｍよ
り小さいと、拡散室自体による酸素ガスの拡散制限の効
果が大きすぎて空燃比センサーの応答性がかえって悪化
し、又、製造時に変型しやすくなり、電気絶縁の保持も
困難となるし品質のそろった製品をつくりにくいといっ
た問題がある。又、逆にこの厚さが０．２１１より大き
ければ、拡散室内の、特に両電極の間の成分ガスの分圧
差が大きくなり、ポンプ電流が必要以上に大きくなり応
答性も悪くなる。センサーの測定動作時の酸素濃淡電池
素子の出力電圧はほぼ５００ｍＶ前後に設定するのが好
ましいが、その場合になおこの分圧差が問題となったの
である。

［作用］ 本発明の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
排ガス中に入れ、酸素ポンプ素子の大気側の電機に正、
拡−瞥伊◆央寺側の電極に負の電圧を印加することによ
り、酸素ポンプ素子の固体電解質内を酸素イオンが拡散
室反対側へ移動し、拡散室内の酸素ガスが汲み出される
。

上記の如く拡散室内より酸素ガスが汲み出されると、酸
素濃淡電池素子の大気側と拡散室内との間に桑拡散制限
部の酸素拡散制限的作用によって酸素ガス濃度の差を生
ずる。この濃度差により、酸素濃淡電池素子に起電力を
生ずるのである。そして例えばこの起電力Ｅが予め定め
た一定値に維持されるように、酸素ポンプ素子側に流す
電流量（ポンプ電１％Ｅ）を変化調整させると、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
比例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、上記空燃比センサ
ーを排ガス中に入れると、酸素濃淡電池素子は両電極の
間に酸素ポンプ素子を鋤か往で酸素ガス分圧差を惹起さ
せなくても起電力が発生するので、酸素ｍ淡電池素子の
起電力を一定にするために、酸素ポンプ素子に流すポン
プ電流の向き′　　は逆となる。即ち、酸素濃淡電池素
子の拡散室側電極部において、酸素が排ガス中の未燃焼
の炭化水素や一酸化炭素によって消費されるために拡散
室側と大気側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
である。そのため、起電力を所定の値に維持するよう、
酸素ポンプ素子により拡散室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
の未燃焼の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
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。この関係の模様を第３図に示す。

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４図に例示する。この
時、ポンプ電流の向きを、拡散室内から酸素を汲み出す
時を正とする。

ポンプ電流１ｐが０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＊ｔｐが負の時、即ち、拡散室内に酸素が
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Ｉｔ）が正の時は、起電力の変化は
ポンプ電流１ｐが０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１ｐと対応し
ている。

又、拡散室内の酸素ガス分圧は低いほど空燃比センサー
の応答性がよいことが知られているが、更に拡散室が偏
平な室であるために、拡散室内の成分ガス分圧の分布が
均一になり、性能が改善される。

［実施例］ 第１図の部分破断斜視図、第２図の説明図によって本発
明の第１実施例について説明する。

本実施例は、拡散室１を挟んで１つの酸素濃淡電池素子
２と１つの酸素ポンプ素子３とが対向するよう構成され
ている。

酸素濃淡電池素子２は、７ｘ４５ｘ０．６ｍｓのＹ２Ｏ
３−Ｚｒ０２固溶体からなる固体電解質板４の両面にＹ
２Ｏ５−Ｚｒ０ｚ固溶体を５重量％含む白金からなる電
極５．６を厚膜技術で設け、固体電解質４の拡散室１に
接しない面に、Ａ１２０３とＺｒＯ２との混合焼結体で
ある厚さ１．Ｏ１１外形７　ｘ　４５　ａｍ１内形５Ｘ
４３ｍｍのコの字形の応力緩和層７及びＡ立２０８から
なる７×４５×０．８ｍｌの支持体８によって形成され
る通路形成体９を設けることによってなる。大気は通路
形成体９によって形成される通路１０によって酸素！淡
電池素子２の電極５に導入される。又、支持体８の通路
１０側には発熱体１１が設けられる。

酸素ポンプ素子３は、酸素濃淡電池素子２と同様に固体
電解質板１２、電極１３．１４、応力緩和層１５及び支
持体１６からなる通路形成体１７からなる。大気は通路
形成体１７によって形成される通路１８によって酸素ポ
ンプ素子３の電極１３に導入される。又、支持体１６に
は発熱体１９が設けられる。

拡散室１はＡ立２０９とＺｒ０ｚとの混合焼結体である
厚さ０．１１ｍ、外形７Ｘ４５１１１ｊ内形３Ｘ９１ｍ
のほぼコの字形で三方に断面０．１ＸＯ。

２の設けられた固体電解質板４と酸素ポンプ素子３の設
けられた固体電解質板１２とによって挟み、接合するこ
とによって形成される。拡散制限部としての孔の中に多
孔質材を充填して更に拡散抵抗を増すようにすることも
できる。

本実施例の空燃比センサーは拡散室１が偏平な室であり
かつ拡散室１の容積に比べてポンプ電極面積が大きいの
で速やかに拡最制限が行えかつ画素子の電極間成分ガス
分圧差を小さくすることができ、応答性がよくかつポン
プ電流が小さくてすむ。

又、通路形成体９．１７に応力緩和層７．１５としてＡ
Ｊ）ｚｏｓとＺｒ０ｚとの混合焼結体を用いているため
に、使用時における空燃比センサーの反りや、熱膨張率
の差による破損を防ぐことができる。特に拡散室１を中
心にほぼ面対称に構成されているために使用時の反りは
ほぼ完全に打ち消される。

さらに発熱体１１．１９を有するために温度補償を容易
に行なうことができる。

第３図及び第４図は本実施例の使用における特性を示す
図である。前述の通り、第３図は酸素濃淡電池素子２の
出力電圧が一定となるようにした時のポンプ電流と空燃
比との関係を示し、第４図は一定のポンプ電流を流した
時の酸素ｍ淡電池素子２の出力電圧と空燃比との関係を
示している。

［発明の効果］ 本発明は拡散室が偏平な形であるために、拡散室の容積
に比べて酸素ポンプ素子の電極を大きくすることができ
る。そのために、拡散室内の雰囲気のガス分圧が変化し
た場合速やかに調節することができかつ均一化すること
ができ、応答性と効率のよい空燃比センサーが得られる
。

又、通路形成体に応力緩和層を用いることによって空燃
比センサーの使用時の反り、熱膨張による破損をふせぐ
ことができる。

さらに一枚の固体電解質板に酸素濃淡電池素子と酸素ポ
ンプ素子とを設けようとすると固体電解質の使用量が減
少し省資源に寄与する。

又、第２の酸素ポンプ素子を設けることにより測定範囲
が広がるとともに、応答性が向上する。

さらに拡散制限導入部内に拡散制限導入部の厚さの粒子
を設けることによって本空燃比センサーの製造等、特に
焼成時における拡散制限導入部の変形を防ぐことができ
、良品の製品を大量に製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の部分破断斜視図、第２図
はその展開説明図、第３図及び第４図はその使用時にお
ける特性図である。 １・・・拡散室 ２・・・酸素濃淡電池素子 ３・・・酸素ポンプ素子 １０．１８・・・通路 ３０・・・拡散制限部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　他面が大気に接する酸素濃淡電池素子と、酸素ポン
   プ素子とを間隙を介して対向配設し、該間隙により測定
   ガスとの間でガス拡散制限手段を介して連通せしめたガ
   ス拡散室を形成した空燃比センサーにおいて、酸素濃淡
   電池素子と酸素ポンプ素子との間隙寸法を０．２ｍｍ以
   下０．０１ｍｍ以上としたことを特徴とする空燃比セン
   サー。 ２　ガス拡散制限手段が孔である、特許請求の範囲第１
   項記載の空燃比センサー。 ３　孔がガス拡散室からセンサーの先側に延びた孔であ
   る、特許請求の範囲第２項記載の空燃比センサー。 ４　ガス拡散制限手段が多孔質材である、特許請求の範
   囲第１項記載の空燃比センサー。