JPS6183957A - リーン域空燃比検出装置 - 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】 ［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
る空燃比検出素子に関し、特に酸素イオン伝導性固体電
解質を用いた酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子を間
隙を介して対向配置してなる混合気のリーン域における
空燃比を検出し得る空燃比検出素子に関するものである
。

［従来の技術］ 従来より、例えば、内燃機関等の燃焼開型において、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、１１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、板状の酸素イオン導電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センサが提案され、少なくとも混合
気のリーン域において空燃比に応じた信号を検出し得る
ように構成したものが考えられている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、この酸素センサの場合、混合気のリーン域、即
ち排気中に残留酸素が存在する場合のみならず、混合気
のリッチ域、即ち排気中に残留酸素が微けにしか存在し
ない場合でも、排気中のＣＯＮ　ＣＯ２、Ｈｚ　Ｏ等と
反応し、リーン域における信号と同様の信号をリッチ域
における空燃比に応じて検出するという問題点を有する
ことがわかった。

［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、本発明の空燃比検出素子は、 酸素イオン伝導性の固体電解質の表裏面に酸素ガス透過
性でありかつ表面と裏面とでは酸化反応の触媒作用の強
さの異なる電極材料からなる２つの電極を持つ酸素濃淡
電池素子と、 酸素イオン伝導性の固体電解質の両面に酸素ガス透過性
でありかつ表面と裏面とが共に酸素反応の触媒作用の強
さが同じである電極材料からなる２つの電極を持つ酸素
ポンプ素子と、 を間隙を介して、上記酸素濃淡電池素子の酸化反応の触
媒作用の強い電極を間隙側に向けて対向配設することを
特徴とする。

［作用］ 本発明で用いた酸素ｍ淡素子の作用について説明する。

酸素イオン伝導性の固体電解質は適当な温度条件（例え
ば固体電解質がジルコニアの場合４００℃以上）におい
て、固体電解質表面の酸素ガス分圧の高い所から、酸素
ガス分圧の低い所へと固体電Ｗｌ質中を酸素イオンが移
動するものであり、固体電解質に酸素ガス透過性の電極
をつけることにより電極間のＲ素ガス分圧の差を電圧（
起電力）として取り出すことができる。

ここで、上記電極の一方を酸化反応の触媒作用の強いも
のに、他方を触媒作用の弱いものとすると、測定される
排ガス中に未燃焼の炭化水素や一酸化炭素がある状態（
いわゆるリッチ）では、触媒作用の強い電極において、
酸化反応が促進されて、酸素が消費されることにより、
酸素ガス分圧がほとんどＯに近くなるが、他方の触媒作
用の弱い電極においては、酸素ガス分圧が上記排ガスと
ほとんど変らない。このため、触媒作用の弱い電極側か
ら、触媒作用の強い電極側に酸素イオンが移動し、電圧
が出力される。逆に未燃焼の炭化水素や一酸化炭素がな
いか、あるいは少ない状態（いわゆるリーン）には、触
媒作用の強い電極においても酸素はほとんど消費されな
りので、どちらの電極においても酸素ガス分圧は変らな
いので、電圧は出力されない。

次に本発明で用いた酸素ポンプ素子の作用について説明
する。

上述の如く酸素イオン伝導性の固体電解質は、酸素ガス
分圧の差を電圧〈起電力）として取り出すことができる
。又、逆に上記酸素イオン伝導性の固体電解質は、電圧
をかけることにより固体電解質中を酸素イオンが移動す
るものであり、固体電解質に酸素ガス透過性の電極をつ
けることにより、酸素ポンプとして利用することができ
る。即ち、上記電極電位の低い方から高い方へ、酸素イ
オンが移動するために、電極電位の低い側では酸素ガス
分圧が減り、逆に電極電位の高い側では酸素ガス分圧が
増加する。又、上記固体電解質の荷電担１体は酸素イオ
ンであるために、上記電極間に流れる電流量を調節する
ことにより、酸素イオンの移動量を調節することができ
る。

上記酸素濃淡電池素子と上記酸素ポンプ素子とを間隙を
介して、上記酸素濃淡電池素子の酸化反応の触媒作用の
強い電極を間隙側に向けて、対向配設した空燃比検出素
子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、該空燃比検　−出素
子を排ガス中に入れ、酸素ポンプ素子の外側素子と酸素
濃淡電池素宇拌間の間隙部に存在する酸素ガスが酸素ポ
ンプ素子の外側へ汲み出される。

上記の如く間隙部より酸素ガスが汲み出されると、酸素
濃淡電池素子の外側つまり周囲雰囲気と。

間隙部との間に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。

この場合の起電力Ｅは、周囲雰囲気の酸素ガス分圧をＰ
Ｃ１間隙部の酸素ガス分圧をＰａ、気体定数をＲ１絶対
温度を王、ファラデー常数をＦとすると、次のＮ　ｅｒ
ｎｓｔの式で表わされる。

Ｅ−（ＲＴ／４　Ｆ）−Ｉｎ（Ｐｃ　／Ｐａ　　）上記
起電力Ｅは、上記間隙部の３方向端部から拡散流入する
酸素ガス量と、酸素ポンプ素子により間隙部から外側へ
汲み出される酸素ガス量とが平衡に達した時点で一定と
なる。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、酸素ポンプ素子側に流す電流量（ポンプ電
流）を変化させると、定温においてその電流量は、周囲
雰囲気内の酸素ガスの含有率にほぼ直線的に比例するこ
とになり、電流量に温度補償を加味して演算処理するこ
とにより、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、上記空燃比検出素
子を排ガス中に入れると、前述の酸素濃淡電池素子は両
電極の間に酸素ガス分圧の差がなくても起電力があるの
で、酸素濃淡電池素子の起電力Ｅを一定にするために、
酸素ポンプ素子に流すポンプ電流は非常に少しか、ある
いはポンプ電流の向きは逆となる。この時、起電力Ｅの
値を適当に決めてやれば、リッチ域の出力は０となる。

即ち、上記空燃比検出素子の酸素濃淡電池素子の起電力
Ｅが予め定めた一定値に維持されるようにポンプ素子側
に流すポンプ電流を調節し、そのポンプ電流により空燃
比を求める場合、混合気がリーン側である時にはポンプ
電流は空燃比に対応し、混合気がリッチ側である時には
、ポンプ電流はほとんどＯ又は逆向きとなる。

上記作用を示すために上記酸素ポンプ素子及び酸素濃淡
電池素子を形成している固体電解質は酸素イオン導電体
の性質を有することが必要であり、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ｑ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酸素イオン導電性の固体電解
質と°して使用可能である。

又、上記作用を示す酸化反応の触媒作用の強さの異なる
電極材料の組み合せとしては、触媒作用の強いｐｔと触
媒作用の弱いＡｌ１．以下同様にＰ【とＡ（］　、Ｐｔ
とＰｔ＋Ａｕ（１〜５％＞、ｐｔとＰｔ　＋Ｒｕ　　（
１〜１５％）、Ｐｔ＋Ｒｈ　（１〜１５％）とｐｔ　、
ｐｔと触媒被毒したＰｔ　、　Ｐｔ　。

と半導電性金属酸化物を添、加したｐｔ等がある。

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、焼結して形成してもよく、またフレ
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が、その場合には、電極の上
に重ねてアルミナ、スピネル、ジルコニア、ムライト等
の多孔質保護層を厚膜技術を用いて設けることがより好
ましい。

又、電極の保護層に酸化反応の触媒作用を付与するには
、保護層として用いるアルミナ、スピネル、ジルコニア
、ムライト等にＰｔ　、Ｒ１１等を分散させればよい。

［実施例コ 本発明の一実施例を図面に用いて説明する。

第１図は本発明の空燃比検出素子の一実施例の斜視図、
第２図はその平面図、第３図はその裏面図、第４図はそ
のＩ−Ｉ断面図を示す。ここにおいて、１が本発明の空
燃比検出素子、２が酸素ポンプ素子、３が酸素濃淡電池
素子である。

酸素ポンプ索子２の主体は酸素イオン導電性固体電解質
の長方形の焼結板状体からなる。ポンプ素子２の先側２
ａには、その表裏面の相対する位置でかつ先側の三方の
端縁から少しひかえた位置に耐熱金属層よりなる電極４
．５が正方形状に設けられている。一方の正方形電極４
の元側方向の２つの角の内の１つより耐熱金属層よりな
る引き出し線４ａが、板状体の元側２ｂへ真直ぐに伸び
る帯形状に設けられている。同様に他方の正方形電極５
の元側方向の２つの角の内、電極４と反対側の角より引
き出し線５ａが板状体の元側２ｂへ真直ぐに伸びる帯形
状に設けられている。引き出“。

し線５ａは元側２ｂで板状体の表裏を貫通しているスル
ーホール５ｄを通じて、その反対面の取り出し部５ｂに
電気的に接続されている。引き出し線４ａは元側２ｂで
取り出し部４ｂを形成し、その結果、同一面に２つの電
極４．５の取り出し部４ｂ　、５ｂが配設されることに
なる。

酸素濃淡電池素子３もポンプ素子２と同様に主体は酸素
イオン導電性固体電解質の長方形の焼結板状体からなる
。酸素濃淡電池素子３の先側３ａには、その表裏面の相
対する中央よりの位置に、裏面に酸化反応の触媒作用の
強い電極材料からなる電極（カソード）６が表面に酸化
反応の触媒作用の弱い電極材料からなる電極（７ノード
）７が各々正方形状に設けられている。カソード６の元
側方向の２つの角の内の１つより耐熱金属層よりなる引
き出し線６ａが、板状体の元側３ｂへ真直ぐに伸びる帯
形状に設けられている。同様にアノード７の元側方向の
２つの角の内、カソード６と反対側の角より引き出し線
７ａが板状体の元側３ｂへ真直ぐに伸びる帯形状に設け
られている。引き出し線６ａは元側１ｂで板状体の表裏
を貫通しているスルーホール６ｄを通じて、その反対面
の取り出し部６ｂに電気的に接続されτいる。引き出し
線７ａは元側３ｂで取り出し部７ｂを形成し、その結果
、同−而に、２つの電極６．７−の取り出し部６ｂ、７
ｂが配設されていることになる。

酸素ポンプ素子２及び酸素濃淡電池素子３の各板状体を
形成している固体電解質は酸素イオン導電体の性質を有
することが必要であり、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′Ｍ素イオン４電性の固体電解質として
使用可能である。

各板状体の表面に形成されるカソード６及びアノード７
以外の電極４．５、引き出し線４ａ、５ａ、５ａ、７ａ
ｉよび取り出し部４ｂ　、　５ｂ　、　６ｂ、７ｂは耐
熱金属層よりなり主にＰｔ　、Ｒｌｊ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉ
ｒ、Ａｕ、Ａ（１等のペーストがプリント印刷焼結また
はフレーム溶射または化学メッキもしくは蒸着などの方
法を用いて被着形成される。又、酸素濃淡電池素子の表
裏面に形成されるカソード６及びアノード７の材質は、
カソード６としてＰｔとアノード７としてＡｌｌ、以下
同様にＰｔと１１　、ＰｔとＰｔ　＋Ａｌｌ　　（１〜
５％）、Ｐ【とＰｔ　＋Ｒｕ　　（１〜１５％）、Ｐｔ
＋Ｒｈ（１〜１５％）とｐｔ　、ｐｔと触媒被毒したＰ
ｔ。

ｐｔと半導電性金属酸化物を添加したｐｔ等の組み合せ
で他の電極と同様の方法で形成される。

これらは素子１枚毎に製作してもよいが、一般に生産性
を考慮して、焼結前の固体電解質の大型の生のセラミッ
クシートに電極用等の金属ペーストを多数同時にプリン
ト印刷し、その後、素子毎に切り抜き焼成する方法を採
用するのが有利である。

次に画素子２．３を間隙部９を有する一体の空燃比検出
素子１に組み立てるには、画素子２．３の各々の元側２
ｂ　、３ｂにて耐熱性無機質接着剤等を用いて平行に一
定間隔に貼り合わせることによりなされる。

この画素子を一定間隔に平行に貼り合わせるには例えば
次のような方法が採られる。まず片方の素子の元側接着
面に耐熱性無機質接着剤例えばセラミック系接着剤を適
量塗布する。次に、厚みの均一なスペーサ、例えば、ゲ
ージあるいは厚さ０、０１〜０．０５ｍｍの紙、ビニー
ル、アルミホイル等を一枚又は複数枚重ね：Ｃ２つの素
子の先側に挟んで押圧し、接着剤を画素子の元側接着面
全面に押し拡げ、はみ出た余分の接着剤を取り除いた後
、加熱処理して接着剤を固める。

上記画素子間の間隔は素子形状及び電極面積に場合、０
．０１〜Ｑ、５ｍｍまで可能であり、酸素ポンプ素子の
ポンプ電極が比較的大電流領域１ｍΔ〜１００ｍＡで使
用する場合はやや広く、比較的低電流領域０．１ｍＡ〜
１０ｍＡで使用する場合はやや狭くとるといったように
必要に応じて変化させることができる。尚、これらの電
流領域に゛より検出できる酸素濃度は０．１％以下から
約１０％程度まで可能である。それ故、本空燃比検出素
子は前記スペーサの厚みを変更するだけで、素子間隔が
所望の広さに製造工程で簡単に設計できる特徴を有する
。

次に本発明の空燃比検出素子１を用いた空燃比測定装置
の一例を説明する。

酸素ａ淡電池素子３の出力電圧を一定に制御すべく酸素
ポンプ素子２に流れるポンプ電流を制御し、混合気の空
燃比に応じた信号を取り出すよう構成された空燃比測定
装置について説明する。

第４図はこの空燃比測定装置の回路図を表わし、端子ａ
、ｂ、ｃ、ｄを夫々酸素濃淡電池素子３のアノード７、
カソード６、酸素ポンプ素子２の電極４．５に接続する
。そして酸素濃淡電池素子３から出力された、排気中の
酸素濃度あるいは排気中のＣ０１ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等に応
シタ電圧Ｖｓが抵抗Ｒ１を介して検知され、演算増幅器
（以下、オペアンプという）ＯＰｌを中心に構成された
増幅部４１により電圧Ｓを増幅して所定倍ｎ　（例えば
５倍）に増幅された電圧ｎＶｓを１ｑる。次にこの電圧
ｎｖｓはオペアンプＯＰ２を中心に構成された積分回路
４２に入力され、ツェナーダイオードＤ１により決定さ
れた電圧を、可変抵抗ＶＲ１を用いて分圧することによ
って１ｑられる所定の電圧Ｖｏを墨準として第５図に示
す如く積分され、次のトランジスタ丁Ｒ１，ＴＲ２から
なるポンプ電流制す１１回路４３におけるトランジスタ
ＴＲ１のベース電圧、即らポンプ電流制化 て取り出される。面図に示す十Ｂはバッテリ電圧を表わ
している。

このようにしてｌＳ２素ポンプ素子２に流れるポンプ電
流が制御されると酸素濃淡電池素子３と酸素ポンプ索子
２との間隙に存在する酸素の温度が制御され、酸素濃淡
電池素子３の出力電圧が一定に制御されることとなる。

従って酸素ポンプ素子２のポンプ電流を抵抗Ｒ２を介し
て空燃比信号Ｖ１として取り出すことにより、排気中の
酸素濃度やＣｏＸＣＯ２，１−１２０等の濃度に応じた
信号を検知することができ、第６図に示す如く、混合気
のリーン域において混合気の空燃比に応じた空燃比信号
ｖ１が検知できるようになる。特に、酸素濃淡電池素子
単体のリッチ域における出力より低い一定の電圧を酸素
濃淡電池素子が出力するようにポンプ電流を調節するよ
うにすると、リッチ域においてポンプ電流は完全にＯと
なり、リッチ域及びリーン域における空燃比が一義的に
決まる。尚第６図に置いてλ＝１は理論空燃比を表わし
ている。

さらに、本発明の空燃比検出素子近傍に該素子の加熱を
する加熱素子を設けると、空燃比測定時に温度補償が可
能となりより精密、正確な測定が可能となる。

し発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明の空燃比検出素子は、酸化反
応の触媒作用の強さの異なる２つの電極をもつ酸素濃淡
電池素子と酸素ポンプ素子とを組み合せたものである。

本空燃比検出素子は、酸素濃淡電池素子の起電力を一定
とするよう酸素ポンプ素子のポンプ電流を制御し該ポン
プ電流がら空燃比信号を得るよう構成された空燃比測定
装置に使用した場合、空燃比信号から空燃比が一義的に
決まる。即ち、リッチ域では空燃比信号を出力せず、リ
ーン域にのみ空燃比信号を出力する。このためリーン域
とリッチ域を判別するための他のセンサや回路は不必要
となり、空燃比検出装置の構成を非常に単純にすること
ができる。又、その構造が簡単なところから、本発明の
空燃比検出素子は製造が容易で品質管理がし易く、設計
変更特に間隙部の広さの変更が容易であることにより、
画素子の入力あるいは出力電力を自由に調節でき、各種
部所に適用が容易であるという長所も有するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明空燃比検出素子の一実施例の斜視図、第
２図はその平面図、第３図はその裏面図、第４図はその
Ｉ−Ｉ断面図、第５図は本発明の空燃比検出素子を用い
た空燃比測定装置の一例の回す 路図、第５図は積分回路４２より出力され、ポンプ電流
を制御する制御電圧Ｖ、を表わす電圧波形図、第０図は
空燃比検出回路にて検出される空燃比信号ｖ１を表わす
線図である。 １・・・空燃比検出素子 ２・・・酸素ポンプ素子 ３・・・酸素濃淡電池素子　　　４．５・・・電極６・
・・電極（カソード） ７・・・電極（アノード）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　酸素イオン伝導性の固体電解質の表裏面に酸素ガス
   透過性でありかつ表面と裏面とでは酸化反応の触媒作用
   の強さの異なる電極材料からなる２つの電極を持つ酸素
   濃淡電池素子と、 酸素イオン伝導性の固体電解質の両面に酸素ガス透過性
   でありかつ表面と裏面とが共に酸素反応の触媒作用の強
   さが同じである電極材料からなる２つの電極を持つ酸素
   ポンプ素子と、 を間隙を介して、上記酸素濃淡電池素子の酸化反応の触
   媒作用の強い電極を間隙側に向けて対向配設することを
   特徴とする空燃比検出素子。 ２　酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子の電極が、導
   電層と保護層との２層からなる特許請求の範囲第１項記
   載の空燃比検出素子。 ３　酸素濃淡電池素子における電極の保護層にのみ酸化
   反応の触媒作用の強弱がある特許請求の範囲第２項記載
   の空燃比検出素子。