JPS6150057A - 空燃比検知装置 - 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】 「分野」 この発明は、内燃機関、ガス燃焼機器などの燃焼装置の
排気ガス中の酸素濃度もしくは空燃比を測定もしくは制
御するための検知装置に関する。

「従来技術」 従来よりイオン伝導性固体電解質（例えば、安定化ジル
コニア）に多孔質電極層（例えば、白金製多孔質層）を
被着して構成された酸素センサを用い、排気ガスの酸素
分圧と空気の酸素分圧との差によって生じる起電力の変
化によって理論空燃比付近の燃焼状態を検知することに
よシ、例えば、自動車の機関を理論空燃比で運転するよ
うに制御することは一般に知られている。

ところで、上記酸素センサは空気と燃料との重量比率で
ある運転空燃比（Ａ／Ｆ　）が理論空燃比１４７である
時は大きな変化出力が得られるが、他の運転空燃比域で
の変化はほとんどなく理論空燃比以外の空燃比で機関を
運転する場合には上記酸素センサの出力を利用すること
ができない。

特開昭５８−１５８１５５号において、板状の酸素イオ
ン伝導性固体電解質の先側の両面に電極層を設けた素子
を、２枚間隔をおいて平行状に配して上記先側に間隙部
を設けて該画素子を固定し、一方の素子を酸素ポンプ素
子、他方の素子を周囲雰囲気と前記間隙部との酸素濃度
差によって作動する酸素濃淡電池素子とした酸素濃度検
知装置を提案している。かかる酸素濃度検知装置は応答
性はよいが、出力信号に対応する理論空燃比数１４７よ
シひくい燃料過濃域で作動させると燃料希薄域における
場合と同じ向きの出力を発生する特性をもつことが判っ
た。すなわち、出力に対して２つの空燃比が対応するよ
うになるため空燃比制御が燃料過濃域、あるいは燃料希
薄域のいずれであるかはりきシしている場合等にしか適
用できないという問題点があった。

「発明の目的」 本発明の第１目的は内燃機関等の燃焼装置の運転空燃比
（Ａ／Ｆ　）が燃料過濃域から燃料希薄域までの全域又
は一部区域において正しく検知できる空燃比検知装置の
提供であシ、第２の目的は、空燃比のフィードバック制
御を行う場合において精度よく、かつ容易なフィードバ
ック制御ができる利点を有する空燃比検知装置を提供す
ることである。

「発明の構成」 本発明の空燃比検知装置は、酸素イオン伝導性固体電解
質の先側の両面に多孔性電極が設けられるとともに一方
の側に電極が大気にさらされるように大気と連通ずる空
気室が形成された酸素ポンプ素子と、同じく酸素イオン
伝導性固体電解質の先側の両面に多孔性電極が設けられ
るとともに上記酸素ボ／プ素子の他方の側に微小間隙を
介して対向状に配設された酸素濃淡電池素子と、電気絶
縁性基体の表面に金属酸化物半導体が設けられて、上記
各素子に対して並べて配設された理論空燃比検出素子と
からなる。

「発明の効果」 本発明の空燃比検知装置は、上記構成によシ次の効果を
奏する。

１つのセンサプローグを用いて空燃比（Ａ／Ｆ）を燃料
過濃域から燃料希薄域までの全域若しくは一部区域にお
いて正しく検知することができる。

「実施例」 次に本発明を図に示す一実施例に基づき説明する。

第１図〜Ｍ４図は本発明の実施例を示す。

１は燃焼装置である内燃機関の排気管、２は該排気管１
内に配設された空燃比検知装置の検知栓部分である。空
燃比検知栓部分２は、厚さが約α５間の平板状のイオン
伝導性固体電解質（例えば、安定化ジルコニア）８の先
側の両側面にそれぞれ厚膜技術を用いて約２０μの厚さ
の多孔質白金電極層４及び５を設けて構成されるととも
に一方の側、すなわちここでは白金電極層５の側に該白
金電極層５が大気にさらされるように元側（先側と反対
の側）でのみ開口して大気に通じるようにされる気密な
空気室すが形成された固体電解質酸素ポンプ素子６を備
える。７は上記平板状固体電解質８と対向して上記空気
室の広い面積をもつ一方の主壁をなすセラミック（例え
ば、安定化ジルコニアやアルミナ、スピネルなど）の壁
部材であり、８は上記空気室の側壁をなす同様のセラミ
ックからなる壁部材である。９は壁部材７の空気室側面
に設けられて酸素ポンプ素子６の固体電解質８の先側の
部分を加熱するための電熱ヒータを示す。

また、空燃比検知栓部分は酸素ポンプ素子６の場合と同
様の平板状のイオン伝導性固体電解質１０の先側の両側
面にそれぞれ前記多孔質白金電極層４及び５と同様に厚
膜技術を用いて多孔質白金電極層１１及び１２を設けて
構成された固体電解質酸素濃淡電池素子１８を備える。

上記酸素ポンプ素子６と上記酸素ａ淡電池素子１３とは
α１ｗｎ程度の間隔寸法の小間隙ａを形成して排気管１
の内部で対向配置させるため元側部を耐熱性で絶縁性の
スペーサ（充填接着剤でよい）１４を介して互いに固定
されている。

また、空燃比検知枠部分２はセラミックなどの気密な電
気絶縁性部材よシなる平板状の、基体１５の先側の片側
面に厚膜技術を用いて約５０μはどの厚さの金属酸化物
半導体であるチタニアエレメント１６を設け、基体は積
層一体化構造を採ることによって内部にチタニアエレメ
ント１６を高温で保つため、該エレメントに近接して電
熱ヒータ１７を設けて構成された理論空燃比検出素子１
８を備える。上記酸素ポンプ素子６と酸素濃淡電池素子
１８との、小間隙ａを形成した結合体と、上記理論窓燃
費検出素子１８とは接近して、あるいは適当な間隙をお
いて並ぶようにそれらの元側部の外辺部でねじ部１９を
有した支持台２０に、耐熱性で絶縁性である接着部材２
１によシ取付けられている。なお、ここでは上記理論空
燃比検出素子１８の基体１５の先側には窓１５ａが予め
形成されてあシ、その窓を通じて被測定ガスが容易に酸
素濃淡電池素子の電極層１２に接触できる。そして排気
管１に設けられた空燃比検知枠部分２の取付用ねじ部２
２に前記支持台２０のねじ部１９をねじ込むことにより
空燃比検知枠部分２が排気管１に取付けられている。

ここで上記空燃比検知枠部分２のうちの、酸素ポンプ素
子６と酸素濃淡電池素子１３との結合体を製造するのに
、空気室の側壁８を例えばスピネル質の七ラミックとし
そのコの字形状のグリーンシートをはさんで、白金質の
電極とそのリード線とを厚膜技術を用いてプリントした
酸素ポンプ素子６用のジルコニア固体電解質グリーンシ
ートと、ヒータ９とする白金質の抵抗体とそのリード線
を所定のパターンで厚膜技術を用いてプリントした空気
室の土壁用の例えばスピネル質のグリーンシートとを積
層し熱圧着したのち焼成した袋管状の部材と、白金質の
電極とそのリード線とを厚膜技術を用いてプリントした
酸素濃淡電池素子１０用のジルコニア固体電解質グリー
ンシートを焼成した板状の酸素濃淡電池素子１０とを、
シークネスゲージをはさんで重ね合わせにした状態でそ
の足元部をスペーサ（耐熱性セラミック質接着剤）１４
にょシ接着固定することは有利である。また、理論窓燃
費検出素子１８を製造するのに、例えばアルミナからな
る第１のグリーンシート上にヒータ１７とする白金質の
抵抗体とそのリード線を所定のパターンで厚膜技術を用
いてプリントしたのち、第２のグリーンシートを上記リ
ード線の接続端部が露出されるようにして重ね、上記重
ねた第２のグリーンシート上に、例えばチタニアの金属
酸化物用の白金質の電極とそのリード線とを所定のパタ
ーンで厚膜技術を用いてプリントしたのち、上記電極部
とリード線の接続端部とが露出されるようにして第８の
グリーンシートを重ね合わせ、全体を熱圧着したのち焼
成して基体１５を作シ、上・記焼成した基板の露出した
電極間に金属酸化物の厚膜を雰囲気焼成して形成するの
が有利である。

２８は、付属する電子制御装置部分の例であり、上記酸
素濃淡電池素子１８の多孔質白金電極層１１．１２間に
発生する起電力ｅを抵抗（Ｒｏ）を介して演算増幅器（
Ａ）の反転入力端子に印加し、上記演算増幅器（Ａ）の
非反転入力端子に印加されている基準電圧（Ｖｒ）と上
記起電力ｅとの差異に比例した上記演算増幅器（Ａ）の
出力によりトランジスタ（Ｔｒ）を駆動して上記酸素ポ
ンプ素子６の多孔質白金電極層４．５間に流すポンプ電
流Ｉｐを制御する機能を備えている。すなわち、上記起
電力ｅを一定値の基準電圧（Ｖ　ｒ　）に保つのに必要
な上記ポンプ電流Ｉｐを供給する作用をする。直流電源
（−Ｂ）から供給される上記ポンプ電流Ｉｐに対応した
出力信号を出力端子２４に得るために抵抗（Ｒ１）を備
えている。（Ｃ）はコンデンサである。また、理論空燃
比検出素子１８が排気管１内で酸素濃度の差に応じて生
ずるチタニアエレメント１６の抵抗値の変化を検知する
ための出力端子２５を備えておシ、排気管１内でチタニ
アエレメント１６を加熱する電熱ヒータ１７には、加熱
用の電源２６が導通されている。また、酸素ポンプ素子
６に設けた電熱ヒータ９には加熱用の電源２７が接続さ
れている。

第５図及び第６図は上記第１図〜第４図に示した空燃比
検知装置の特性図でちる。

第５図には出力端子２６にてチタニアエレメント１６の
抵抗値の変化を示したもので、理論空燃比１４７より′
小さい範囲の空燃比域（燃料過濃域）では小さな抵抗値
を示し、そして理論空燃比１４７付近で急激に増大し、
理論空燃比１４．７よシ大きい範囲の空燃比域（燃料希
薄域）では、大きな抵抗値を示す。第６図は基準電圧（
Ｖ　ｒ　）を例えば２０ｍ、■一定にしたもので、起電
力ｅを２０ｍＶにするべく理論空燃比１４７よシ小さい
範囲の空燃比域（燃料過濃域）で上記汲み出し方向のポ
ンプ電流１ｐは空燃比の増大に対して減少し、理論空燃
比１４７よシ大きい範囲の空燃比域（燃料希薄域）では
上記ポンプ電流Ｉｐは空燃比の増大に対して増大する。

この実施例は第５図及び第６図に示すごとき特性を利用
するものである。

抵抗値の変化を検知する出力端子２５については、最大
抵抗値と最小抵抗値との中間に任意の基準点であるＰ点
を設定し、抵抗値がＰ点よシ小さい時（燃料過濃域）と
Ｐ点よシ大きい時（燃料希薄域）を感知させるようにす
る。そこで上記機関が燃料過濃域で運転された場合は、
上記チタニアエレメント１６の抵抗値はＰ点よシ小さく
、この情報と、この時の酸素ポンプ素子６のポンプ電流
Ｉｐに対応した出力信号を検知することによシ燃料過濃
域での木目細かな制御または測定ができる。また、上記
機関が燃料希薄域で運転された場合は、上記チタニアエ
レメント１６の抵抗値はＰ点よシ犬きく、この情報と、
この時の酸素ポンプ素子６のポンプ電流Ｉｐに対応した
出力信号を検知することによシ燃料希薄域での木目細か
な制御または測定ができる。また、上記機関を理論空燃
比１４７にて制御する場合は、抵抗値を検知する出力端
子２５では理論空燃比１４７付近で抵抗値が急激に低減
する特性を利用し、直接フィードバック制御信号として
空燃比制御を行う。上記構成によシ燃料過濃域及び燃料
希薄域の広い範囲においても上記機関の空燃比の数値を
正確に測定することが可能な空燃比検知装置を得ること
ができるのである。このことを利用すれば希望の空燃比
を設定すれば排気管１に取付けられた空燃比検知装置分
２により現状の空燃比を検知し、そのフィードバックに
より連続して希望の空燃比を制御することができる。

上記のように燃料希薄域においてポンプ電流Ｉｐが空燃
比に比例して変化することについては例えば前記特開昭
５８−１５８１５５号に記載されている。すなわち、小
間隙ａ内に導入された排気ガスの酸素分圧を上記酸素ポ
ンプ素子６の作用によシ変更することにより排気管１内
を流れる排気ガスの酸素分圧と差異をもたせ、この酸素
分圧の差異に応じて発生する上記酸素濃淡電池素子１３
の起電力ｅが一定となるように上記酸素ポンプ素子６に
供給される汲み出しポンプ電流Ｉｐを制御する時、この
ポンプ電流Ｉｐは上記排気ガス中の酸素濃度に比例して
変化することが判明したのである。なお、燃焼過濃域の
酸素汲み出しモードにおいて上記のような動作をする理
由はＣｏ　、　ＣＯ２等の化学反応に起因する酸素量に
感応するためと思われる。

上記実施例では理論空燃比検出素子１８のチタニアエレ
メント１６の抵抗値を用いて燃料過濃域と燃料希薄域と
の判断基準としたが、他に第７図に示す如く直列抵抗と
組合わせたチタニアエレメント１６を通過した電圧の比
率（印加電圧のチ）の変化の特性を利用しても良い。

酸素ポンプ素子６のポンプ電流Ｉｐの向きは小間隙ａか
ら酸素を汲み出す方向（Ｉｐ＞Ｏ）に流したが逆に空気
室すから酸素を押し込む方向（工ｐ＜ｏ）に流しても酸
素濃淡電池素子１３の出力を一定とするポンプ電流Ｉｐ
は第８図に示すように空燃比に対応して第８図に示す如
く変化するので、そのようにしたときの特性を利用して
もよい。

また、酸素ポンプ素子６のポンプ電流■ｐ（小間隙ａか
らの酸素の汲み出しの場合と押し込みの場合との両方を
含む）を一定に制御したときの酸素濃淡電池素子１８０
発生起電力ｅも空燃比に対応して変化するのでそのよう
にしたときの特性を利用することもできる。

特に酸素押し込みポンプ電流Ｉｐを一定としこの値を種
々の値に切換えるとき酸素濃淡電池素子１０の起電力ｅ
　（ｅ＜０　）の空燃比に対する変化特性は第９図に示
す如くなることが明らかとなったが、このように燃料過
濃域で急峻な出力変化を生じ、かつこの急峻な変化を示
す空燃比の値が酸素押し込みポンプ電流Ｉｐの設定値に
よって変化することを利用して、燃料過濃域における精
度のよいフィードバック制御を行うこともできる。また
そのさいに、空気室すがら酸素をと９入れるので、小間
隙ａへ充分な量の酸素を供給することができ、したがっ
て非常に燃料が溌い空燃比まで測定することができる。

本発明は上記空燃比検知装置２よシ得られる緒特性など
を単独、若しくは複数利用してそれぞれフィードバック
制御するように必要に応じて必要に応じ随時頻繁にモー
ドを切換えながら全運転範囲で連続的に空燃比のフィー
ドバック制御を行わしめるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空燃比検知装置の一実施例を示す構成
図、第２図は第１図のＩ−Ｉ線に沿う断面図、第３図は
第２図のＴｌ−１［線に沿う断面図、第４図は第２図の
■−■線に沿う断面図、第５図は空燃比と抵抗値との変
化を示す特性図、第６図は酸素濃淡電池素子の起電力ｅ
を一定とする酸素ポンプ素子の汲み出しポンプ電流Ｉｐ
の空燃比に対する変化を示す特性図、第７図は空燃比と
印加電圧のチとの変化を示す特性図、第８図は酸素濃淡
電池素子の起電力ｅを一定とする酸素ポンプ素子の押し
込みポンプ電流Ｉｐの空燃比に対する変化を示す特性図
、第９図は酸素ポンプ素子の押し込みポンプ電流Ｉｐを
一定にしたときの酸素濃淡電池素子の起電力ｅの空燃比
に対する変化を示す特性図である。 １・・・排気管、６・・・固体電解質酸素ポンプ素子、
１８・・・固体電解質酸素濃淡電池素子、１８・・・理
論空燃比検出素子、ａ・・・小間隙、ｂ・・・空気室 ＠３図　　　　　　　　　　第４図 ゛１５　ス ＊６　図 第　７　図 １４，７ 空燃比（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の先側の両面に多孔
   性電極が設けられるとともに、一方の側に電極が大気に
   さらされるように大気と連通する空気室が形成された酸
   素ポンプ素子と同じく酸素イオン伝導性固体電解質の先
   側の両面に多孔性電極が設けられるとともに上記酸素ポ
   ンプ素子の他方の側に微小間隙を介して対向状に配設さ
   れた酸素濃淡電池素子と、電気絶縁性基体の表面に金属
   酸化物半導体が設けられて、上記各素子に対して並べて
   配設された理論空燃比検出用素子とからなる空燃比検知
   装置。
2. （２）前記理論空燃費検出素子に、金属酸化物半導体を
   高温に保つべく電熱ヒータを設けたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の空燃比検知装置。