JPS6150058A - 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若しくは空燃比を測定若しくは制
御するための検知装置に関する。

「従来技術」 従来よυ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り
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、上記酸素センナ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１４．７よ
シ低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
のいずれでちるかはつきり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を
備え、酸素ポンプ素子又は酸素濃淡電池素子の固体電解
質の先側にこれに付着せしめた電気絶縁性の層又は板を
介して金属酸化物半導体を設け、上記金属酸化物によシ
与えられる電気性質の変化と、前記酸素ポンプ素子のポ
ンプ電流又は前記酸素濃淡電池素子の起電力のいずれか
によって与えられる出力信号とにより空燃比を検知する
ようにしたことを構成とする。

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

１つのセンサプローブを用いて空燃比（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実施例に基づき説明する。

第１図〜第４図は本発明の第１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
燃比検知装置分２は、厚さが約α６叫の平板状のイオン
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６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３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、スピネル〆など）の壁部材で
ちシ、８は上記空気室の側壁をなす同様のセラミックか
らなる壁部材でちる。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３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と同様に一
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
。

そしてこの固体電解質酸素濃淡電池素子１８はその片側
面、例えば多孔質白金電極層１２の設けられた側の面に
取付けられた多孔質白金電極層１２の部分を塞がないよ
うに多孔質白金電極層１２の形状に適応した開口でちる
窓部Ｃを有する厚さが約０２５間の平板状で熱伝導性に
優れ電気絶縁性の部材（例えばアルミナやスピネルなど
）よりなる高熱伝導性電気絶縁性素地１５と、高熱伝導
性電気絶縁性素地１５の固体電解質酸素濃淡電池素子１
３の側の面とは反対側の面の窓部Ｃの外周部で、窓部Ｃ
の外周縁部と高熱伝導性電気絶縁性素地１５の外周縁部
とにそれぞれ間隙を有するよう設けられた電熱ヒータ１
８と、電熱ヒータ１８が設けられた高熱伝導性電気絶縁
性素地１５の面で電熱ヒータ１８をを内股し、外部と遮
断するよう設けられた高熱伝導性電気絶縁性素地１５と
同様の多孔質白金電極層１２を開口する窓部ｄを有した
平板状の高熱伝導性電気絶縁性素地１６と、高熱伝導性
電気絶縁性素地１６の電熱ヒータ１８を内設した側の面
とは反対側の面の窓部ｄの上部で厚膜技術を用いて約５
０μはどの厚さに設けられた金属酸化物半導体であるチ
タニアニレメン）１７と、前記酸素ポンプ素子６及び酸
素濃淡電池素子１８に設けられた各電気素子（４，５，
９゜１１　、１２　、１７　、１８　）に対して外部に
導通すべくそれぞれに厚膜技術を用いて設けられた元側
（先側の反対側）へ延びるリード線（４’　、　５’　
。

９’　、　１１’　、　１２’　、　１７’　、　１８
’　）と、上記層状の金属酸化物半導体１７とともに、
上記平板状の高熱伝導性電気絶縁性素地１６上に被着形
成された該金属酸化物半導体用のリード線１７′を絶縁
保獲するために積層して設けた平板状の高熱伝導性電気
絶縁性素地２８とを具える。

前記酸素ポンプ素子６の多孔質白金電極層４側の面と前
記酸素濃淡電池素子１３の多孔質白金電極層１１側の面
をα】膿程度の間隙寸法の小間隙ａを形成して排気管１
の内部で対向配置させるため、それぞれの素子をその足
元部において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している。スペーサ１４
により互いに固定された酸素ポンプ素子６及び酸素濃淡
電池素子１３の足元部の外辺部にはねじ部１９を有した
支持台２０が、耐熱性で絶縁性である接着部材２１によ
シ取付けられている。排気管１に設けられた空燃比検知
栓部分２の取付用ねじ部２２に前記支持台２０のネジ部
１９をネジ込むことにより空燃比検知栓部分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栓部分２を製造するのに、壁部材
８を例えばスピネル質のセラミックとし、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
タとする白−金質の抵抗体とその電極を所定のパターン
で厚膜技術を用いてプリントした壁部材７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
成した袋管状の酸素ポンプ素子と、同じく両側面に多孔
質白金電極層とそのリード線を厚膜技術を用いてそれぞ
れ所定のパターンでプリントしたジルコニア固体電解質
グリーンシートと、その一方側面で高熱伝導性電気絶縁
性素地である、例えば平板状で窓部を有したスピネル質
の２枚のグリーンシートの間に、電熱ヒータとする白金
質の抵抗体及びそのリード線をはさんだものとを積層圧
着後上記高熱伝導性電気絶縁性素地の表面に、金属酸化
物半導体用のリード線を厚膜技術を用いて所定のパター
ンでプリントし、その後更に上記リード線を絶縁するた
めの例えばスピネル質のグリーンシートを積層圧着した
のち、一体状に焼結されたセラミック積層構造の酸素濃
淡電池素子１８（金属酸化物の厚膜は上記素子を焼結後
、雰囲気焼成して形成する）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によシ接着固定するこ
とは有利である。

２３は、付属する電子制御装置部分の例であシ、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を端子２９と抵抗（Ｒｏ）とを介して
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との差異に比例し九上記演算増
幅器（Ａ）の出力によシトランジスタ（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（Ｖｒ）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。また排気管１
内で酸素濃度に応じて生ずるチタニアエレメント１７の
抵抗値の変化を検知するための出力端子２６を備えてお
シ、排気管１内でチタニアエレメント１７を加熱する電
熱ヒータ１８には、そのリード線１８′を介して加熱用
の電源２６が接続されている。

また、酸素ポンプ素子６に設けた電熱ヒータ９にはその
リード線９′を介して加熱用の電源２７が接続されてい
る。

第５図及び第９図はこの実施例の空燃比検知装置の特性
図である。

第５図には出力端子２６にてチタニアエレメント１７の
抵抗値の変化を示したもので、理論空燃比１４７よシ小
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１４７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（Ｖｒ）
を例えば２０ｍＶ一定にしたもので、起電力ｅを２０ｙ
＋Ｖ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Ｉ
ｐは空燃比の増大に対して減少し、理論空燃比１４．７
．ｕ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。この発
明の装置は第５図及び第６図に示すごとき特性を利用す
るものでちる。

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ちるＰ点
を設定し、抵抗値がＰ点より小さい時（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１７の抵抗値はＰ点より小さく
、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り燃料過濃
域での木目細かな制御又は測定ができる。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１７の抵抗値はＰ点よシ大きく、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り燃料希薄域での木目細かな制御
又は測定ができる。

また上記機関を理論空燃比１４．７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１４．
７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用いて空燃比制御を行なう
。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に取付られた空燃比検知枠部分２によシ現状の空燃
比を検知し、そのフィードバックによシ連続して希望の
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
５８−１５３１５５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、燃料過濃域の酸
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に感応する
ためと思われる。

上記説明では、チタニアエレメント１７の抵抗値を用い
て燃料過濃域と燃料希薄域との判断をしたが、他に第７
図に示すごとく直列抵抗と□組合わせたチタニアエレメ
ント１７を通過した電圧の比率（印加電圧の％）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（Ｉｐ＜０）に流しても酸
素濃淡電池素子１８の出力を一定とするポンプ電流１ｐ
は第８図に示すように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してもよい。

また酸素ポンプ素子６のポンプ電流Ｉｐ（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１８の発
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
示すごと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、空気室すから酸素をとり入れるので、
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濃い空燃比まで測定することができ
る。

本発明の装置は、上記空燃比検知枠部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測定若しく
はフィードバック制御を行わしめるものである。

第１０図〜第１２図は本発明の第２の実施例を示し、第
１の実施例を示す第１図〜第４図における符号（番号）
と同一の符号をつけて示した部分は、同一機能部分を示
すので説明は省略する。この第２実施例は、金属酸化物
半導体装置するのに、これを酸素濃淡電池素子１３に対
してその先側に設けるようにした第１実施例の場合と異
なシ、酸素ポンプ素子６の空気室を形成する板状壁部材
８を固体電解質板８の先側から更に延長せしめて設け、
その延長された部分８′の表面上に、空燃比が理論空燃
比より小さいか大きいかを検知するための金属酸化物半
導体厚膜を被着形成した場合を示す。この実施例では上
記金属酸化物半導体を、特に上記壁部材８の延長した部
分８′の壁部材７側の表面に設けてそのリード、１１７
’の要部を該壁部材７によって絶縁保護するようにして
いる。この第２の実施例における酸素ポンプ素子を製造
するのに、第１実施例において述べたようにグリーンシ
ートの積層圧着後一体焼結化する方法によるのが有利で
ある。

なお、本発明装置において前記した第１実施例における
酸素濃淡電池素子１８に設げる平板状の高熱伝導性電気
絶縁性の素地１６及び同様の素地２８を、原料セラミッ
クスのペースト塗布−焼結化層におきかえ出、更に第１
実施例における酸素濃淡電池素子１８の板状固体電解質
１０の先側端部を酸素ポンプ素子６の板状固体電解質３
の先側、端面に対して突出するように延長し、その延長
部の表面上に素地１５を被着させるようにするとともに
、上記素子１５を原料セラミックスのペースト塗布−焼
結化層におきかえるなどセラミックのシートを層におき
かえるか、又はその逆のおきかえは適宜なされてよい。

本発明の空燃比検知装置は、空燃比Ａ／Ｆが１１以下か
ら２５以上までの広い範囲で、正しくかつ容易に測定で
き、またこれを内燃機関の空燃比制御のためのフィード
バック制御信号に用いるならぽ、精度よくかつ容易なフ
ィードバック制御ができ、またそのさい排気管等に装着
するセンサプローブ部分は、小型かつコンパクトとなる
と同時にスタート時において各検知機能部分の温度上昇
が速く、活性化するまでの時間が短くてすむという作用
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空燃比検知装置の第１の実施例を示す
構成図、第２図は第１図のＩ−Ｉ線に沿う断面矢視図、
第８図は第２図の■−ＴＩＮ。 に沿う断面矢視図、第４図は第２図の■−■線に沿う断
面矢視図、第５図は空燃比と金属酸化物半導体の抵抗値
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。第１０図は本
発明の空燃比検知装置の第２の実施例を示す構成図、第
１１図は第１０図の■−■線に沿う断面矢視図、第１２
図は第１１図の■−ｖ線に沿う断面矢視図でおる。 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、１７・・・金
属酸化物半導体、ａ・・・小間隙、ｂ・・・空気室 呵４図　　　　　　　第３図 第　５　図 空燃比　（Ａ／ヒフ 第６　図 第　７　図 （０Ｉ。 空燃比（Ａ／Ｆ） 第　８　図 （ｍＡ）ｔ １４゛７空燃比（Ａ／Ｆ） 第９　図 １４．７ 空燃比（Ａ　／　Ｆ　） 第１２　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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を備え、上記酸素ポンプ素子
   又は酸素濃淡電池素子の固体電解質の先側にこれに付着
   せしめた電気絶縁性の層若しくは板を介して金属酸化物
   半導体を設け、上記金属酸化物により与えられる電気性
   質の変化と、前記酸素ポンプ素子のポンプ電流又は前記
   酸素濃淡電池素子の起電力のいずれかによって与えられ
   る出力信号とにより空燃比を検知するようにした空燃比
   検知装置。 ２）金属酸化物半導体を高温に保つべく電熱ヒータを金
   属酸化物半導体の近傍の電気絶縁性部材表面若しくは内
   部に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。