JPS61234350A - 空燃比センサ - Google Patents

空燃比センサ

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JPS61234350A
JPS61234350A JP60076221A JP7622185A JPS61234350A JP S61234350 A JPS61234350 A JP S61234350A JP 60076221 A JP60076221 A JP 60076221A JP 7622185 A JP7622185 A JP 7622185A JP S61234350 A JPS61234350 A JP S61234350A
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JP
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fuel ratio
electrode
air
cell
ratio sensor
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Sadayasu Ueno
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    • 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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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、ガス中の酸素濃度を検出して、内燃機関など
の燃焼機器の空気と燃料との混合比を計量する空燃比セ
ンサに関する。
〔発明の背景〕
燃焼排ガス中の酸素濃度を検出して空燃比を求める空燃
比センサとして、いわゆる濃淡電池(以下セルと称す)
を利用したものがある。このセルを利用した空燃比セン
サは、酸素イオンを透過させる固体電解質の両面に[E
ffiを設けてセルを構戊し、このセルを被検ガスに接
触させるとともに、両電極間に電圧を印加し、両電極間
に流れる電流が電圧によらず一定となる限界電流値が、
被検ガス中の酸素濃度に依存しているところから、限界
Wl流値金求心て被検ガス中の酸素濃度を検出するもの
である。そして、特開昭57−48648号公報には、
セルの電極に多孔質層を設け、固体電解質内を移動する
酸素イオンを律速する旨を開示している。
ところが、上記限界電流値は温度依存性を有しているた
め、固体電解質を一定の温度に加熱制御して使用する必
要がある。このセル温度を一定に保つ方法として、例え
ば固体電解質の内部抵抗を検出し、ヒーター加熱!源に
フィードバックする方法がある。しかし、この場合には
、セルに温度検出用の専用[極を設けなければならず、
構造が複雑となり、実用的と言えない。また、セルの温
度調節を図る手段として、セル周辺の被検ガスの流速を
低減し、セルから被検ガスへの熱伝達量を抑制する方法
がある。しかし、この場合には、被検ガスの置換速度が
減少し、セルの応答遅れをもたらすため、空燃比センサ
としての精度が低下する欠点がある。
一方、特開昭59−67454号公報には、セルの電極
を多孔質のガス拡散抵抗層をもって覆い、このガス拡散
抵抗層の平均細孔径を300〜400人にすると、ある
温度範囲内において限界!IE流値の温度依存性をなく
すことができる旨を開示している。しかし、この電極を
ガス拡散抵抗層をもって覆う方法は、細孔径の分布と形
状を、例えばプラズマ溶射の材料や条件を管理してばら
つきを所定の範囲内に制御しなければならず、細孔径の
計測手段もないため、事実上セルの歩止まりが小さくコ
スト高となる欠点がある。
〔発明の目的〕
本発明は、出力特性の精度を向上することができるセル
を利用した空燃比センサを提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
本発明は、ガス拡散通路を介して吸着電極を加熱体をも
って覆い、また放出電極を遮熱材をもって覆うことによ
り、セルの外部環境による温度依存性を小さくシ、出力
特性の向上が図れるように構成したものである。
〔発明の実施例〕
本発明に係る空燃比センサの好ましい実施例を、添付図
面に従って詳説する。
第1図は、本発明に係る空燃比センサの一実施例を示す
要部断面図である。
第1図において、セル10は、ジルコニア$17)固体
電解質12の1側に吸着電極14が密着して設けられ、
他側に放出電極16が密着して設けられている。そして
、放出電極16は、多孔質の遮熱板18により覆われて
いる。この遮熱板18は、通常0鵞が滞らずに拡散して
通過でき、マグネシウムスピネル粉をプラズマ溶射して
形成することができる。遮熱板の厚さは100〜600
μm程度が好ましい。
吸着電極14は、拡散通路20を形成している絶縁支持
体22に覆われている。絶縁支持体22は、固体電解質
12に積層され、内部に発熱体24を有している。
放出電極16は、外部直流電源26のプラス側に接続さ
れており、吸着電極14は、参照電圧源2Bのプラス側
に接続されている。また、外部直流電源26のプラス側
は、負帰還制御用増幅器30の入力側負極に接続され、
この負帰還制御用増幅器の入力側正極には、参照電圧源
28のマイナスが接続される。負帰還制御用増幅器30
の出力側は、IP制御用トランジスタ32のペースに接
続しである。Ip制御用トランジスタ32は、エミッタ
が接地されており、コレクタが抵抗34を介して吸着電
極12に接続しである。
上記の如く構成した実施例の検出素子を被検ガス中にお
くと、被検ガス内の02が矢印aに示す如く、拡散通路
20内を拡散し、吸着電極14に接触する。吸着電極1
4に接触した02は、直ちに吸着電極14に吸着され、
電離して酸素イオン0−となる。この酸素イオン0−は
、吸着電極14と放出電極16との電位差により、矢印
すに示す如く固体電解質中を放出電極16に向って移動
する。そして、放出電極16に達したO−は、放出電極
16に電子を与え、酸素ガス02となり、多孔質セラミ
ックにより構成した遮熱材18中の細孔を通って矢印C
の如く拡散し、被検ガス中に放出される。
吸着電極14と放出電極16との間の電位差、すなわち
セル10の誘起起電力は、負帰還制御用増幅器30を介
して、1!流Ipを負帰還制御することにより、常に参
照電圧E、となるようにしである。この参照電圧E、は
、吸着電極14と放出電極16との間を流れる電流(移
動するイオン量)の限界電流をうろことができる値とな
っている。
また、吸着電極14に到達する02の量は、拡散通路2
0により律速されている。参照電極14においてイオン
化に使用した電荷量、すなわち限界電流量は被検ガス中
のO!濃度に比例し、電流IpとしてIP制御用トラン
ジスタ32に流れる。
そして、抵抗34における電圧降下分は、良く知られる
オームの法則に従い、電流Ipに比例するところから、
抵抗34における電圧降下分を出力信号として検出し、
酸素濃度をうろことができる。
吸着電極14と放出電極16との間に、電圧を1v誘起
させるためには、ネルンストの原理式により、吸着電極
14と放出電極16との電極間における酸素濃度比が2
0桁となる。したがって、被検ガス中の酸素濃度が10
−1のときには、吸着電極14付近における酸素濃度は
IQ−Hである。
上記の如く構成した実施例においては、放出電極16側
が遮熱材18により被覆されており、また、吸着電極1
4側が発熱体24を有する絶縁支持体22により覆われ
ているため、固体電解質12の外部(被検ガス)による
温度の影響をうけることが少なく、発熱体24により一
定の温度に保たれる。このため、限界電流の温度依存性
を排除でき、出力特性の向上が図れ、酸素濃度の検出精
度を向上することができる。
第2図は、放出電極16を多孔質体をもって形成すると
ともに、遮熱材18を緻密に焼結したセラミック板をも
って構成したものである。そして。
放出電極16の一部が、被検ガス中に露出している。こ
のため、0− は、固体電解質12中を矢印すの如く移
動して放出電極16に達し、02になると放出電極16
中の細孔を通って被検ガス中に放出される。
第2因に示した実施例において、02が放出電極16中
に捕獲され、酸素分圧が著しく上昇したとしても、積層
構造が破損されない限り、特性変動などに重大な問題を
生じない。これは、吸着電極14と放出電極16との間
の誘起起電力を1vとした場合、この起電力をうるため
に両電極間における酸素濃度比が20桁に負帰還されて
一右ヲ9.1桁の濃度変化は1/20(51に相当する
ため、特性には大きな影響を与えないことによる。そし
て、この第2図に示した実施例も、第1図に宗した実施
例と同様の効果をうろことができる。
第3図は、本発明に係る空燃比センサの他の実施例を示
したものである。
第3図に示した実施例においては、遮熱材として理論空
燃比点検出用セル(以下ストイクセルと称する)を用い
、このストイクセルを放出電極16上に積層している。
ストイクセルは、放出電極16の表面を覆って設けた例
えばジルコニア等の固体電解質36とこの固体電解質3
6の表面に設けた吸着電極38とからなっている。この
吸着電極38には、定電流@40が接続しである。そし
て、放出電極16は、袋管ジルコニア形02センサの内
側電極に相当し、一部が被検ガス中に露出している。
上記の如く構成した実施例においては、吸着電極38に
接触した被検ガス中の02は、吸着電極38に吸着され
、電離して0−  イオンとなり、矢印eに示す如く固
体電解質36中を放出電極16に向けて移動する。これ
は、定電流源40から電流I p t−流しであるため
、多孔質な放出電極16の付近をほぼ被検ガス中の酸素
濃度に近い値(2〜20%)に維持しようとする作用に
よる。固体電解質36を透過してきた0−は、固体電解
質12を透過してきた〇−とともに、放出電極16にお
いて(hとな抄、放出電極16中の細孔を通って矢印d
に示す如く被検ガス中に放出される。
ストイクセルは、第4図に示すように理論空燃比におい
て出力がステップ状に変化する。そして、ストイクセル
は、理論空燃比点付近における被検ガス温度依存性が過
濃、過薄領域に比べて非常に小さく、理論空燃比を検出
する場合、実用上補正等の対策を必要としない。したが
って、第3図に示した実施例の如くストイクセルを用い
ることにより、ストイクセルによる理論空燃比点の検出
精度が実用的に経時変化、温度依存性等において安定で
あるところから、理論空燃比点におけるエンジンやその
制御部品の特性のばらつき、経時変化をコンピュータの
メモリーにあらかじめ入力しておき、標準値を較正する
ことに利用することができる。
第5図は、第3図に示した実施例の空燃比センナの効果
を確認する実蕪例を示す模式図である。
第5図において検出素子42は、セル10の一側にスト
イクセル44が設けてあり、他側に発熱体24と絶縁支
持体22とからなるヒーター46が設けである。検出素
子42は、図示しない栓体内に組立てられ、エンジンの
排気管48に先端部が排気管48内に突出して固定され
る。
遮熱材としてのストイクセル44の排気ガス流50に露
出し比表面には、熱電対52が接着されている。また、
ストイクセル44とセル10との境界面に熱電対54が
挿入しである。熱電対52゜54は、それぞれ温度計5
6.58に接続してあになるように、例えば5oocに
加熱制御される。
第6図は、第5図に示した状態においてエンジンの運転
条件を変え、排気ガス流50の流速を変化させたときの
熱電対52.54により検出した温度変化を示したもの
である。第6図から明らかなように、ヒーター46の発
熱抵抗体が定温度(800C’)制御されているときに
は、ストイクセル44とヒーター46との間の温度変化
(熱電対54による検出温度と設定温度との差)は、4
0Cである。また、熱電対52により検出し次ストイク
セル44の表面温度は、ヒーターの設定温度よ抄2フO
Cも低い値を示し、はぼ排ガス流50の温度に等しい。
この熱電対52.54が示す温度の差は、セル10に設
けた遮熱材の効果によるものであり、セル10の温度調
節精度を大幅に向上できた結果である。これにより、空
燃比センサの出力特性を向上することができる。すなわ
ち、セル10の温度依存性の一例を示すと第7図の如く
なる。この第7図から温度による出力変動率ΔI/Iを
求めると、10%/100Cとなる。したがって、遮熱
材を用いて温度変化を40C以内に制御することにより
、ΔI/I =41以内にすることができる。
しかも、実際忙使用する場合には、第5図に示した如く
検出素子42を直接排気ガス流50に露出させることは
なく、ガス流速が115〜1/20に減衰する鋼管内に
収納して使用するため、温度変化率を一層小さくするこ
とができ、出力特性の大幅な向上を図ることができる。
前記実施例においては、検出素子の形状が平板状の場合
について示したが、検出素子の形状は円筒状1円管状等
の積層型空燃比センサとしてもよい。すなわち、本発明
における最も基本的な思想は、被検ガスに露出する部分
を拡散通路20の開口部ごく近傍のみとし、セルから被
検ガスへの熱伝達量を減らし、ガス検出に直接関係しな
いセルとヒーターの部分を被検ガスから遮断するところ
にある。そして、拡散通路22により吸着電極14への
ガスの流入速度と流量を低減するのも、かかる思想によ
るものである。
〔発明の効果〕
以上に説明した如く、本発明によれば、空燃比センサの
出力特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第3図は本発明に係る空燃比センサの実施例の
要部断面図、第4図は理論空燃比点検出センサの動作特
性図、第5図は第3図に示した実施例の効果を確認する
実験の模式図、第6図は第5図に示した実験による効果
を示す図、第7図は酸素濃度と検出出力との温度依存性
を示す特性図である。 10・・・セル、12.36・・・固体電解質、14゜
38・・・吸着電極、16・・・放出電極、18・・・
遮熱材、20・・・拡散通路、24・・・発熱体。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.酸素イオン導電性固体電解質の一側に密着して設け
    た酸素ガスを電離する吸着電極と、前記酸素イオン導電
    性固体電解質の他側に密着して設けた酸素イオンを酸素
    ガスにして放出する放出電極とを有する空燃比センサに
    おいて、前記吸着電極を覆つて設けた加熱体と、この加
    熱体と前記吸着電極との間に形成した被検ガスの拡散通
    路と、前記放出電極を覆つて設けた遮熱材とを備えたこ
    とを特徴とする空燃比センサ。
  2. 2.前記遮熱材は、多孔質のセラミツクであることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項に記載の空燃比センサ。
  3. 3.前記放出電極は多孔質に形成されて一部が前記被検
    ガス中に露出しており、前記遮熱材は緻密に焼結したセ
    ラミツクであることを特徴とする特許請求の範囲第1項
    に記載の空燃比センサ。
  4. 4.前記吸着電極は多孔質に形成されて一部が前記被検
    ガス中に露出しており、前記遮熱材は理論空燃比点を検
    出する積層型セルであることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項に記載の空燃比センサ。
  5. 5.前記拡散通路は、前記吸着電極と前記放出電極との
    間の電流が限界電流領域であるときに、前記被検ガス中
    の酸素ガスの拡散を律速していることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項〜第4項のいずれか一項に記載の空燃
    比センサ。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60129655A (ja) * 1983-12-17 1985-07-10 Ngk Spark Plug Co Ltd 酸素センサ

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60129655A (ja) * 1983-12-17 1985-07-10 Ngk Spark Plug Co Ltd 酸素センサ

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