JPS6195243A - 空燃比検出素子 - 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俸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１、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１
ｉ１７９１１を実行するものがφる。そしてこの秤の制
御装置に用いられ、排気中の酸素１１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ｎ９Ｔｉ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、機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促案され、少なくとも混合
気のリーン域においで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、混合気のり一ン域、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量にしか存在し
ない場合でも、排気中のＣ０５ＣＯｚ　、Ｈ２Ｏ等と反
応し、リーン域ニ４３　ＧＪ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ので１つの出力値
に対して２つの空燃比が対応してしまうという問題点を
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
さの異なる一対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
である一対の電極を持ち、酸素源として大気中の酸素を
使用する酸素ポンプ素子と、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酸素ポ
ンプ素子側に向けて対向配設することを特徴とする。

酸素濃淡電池素子は、酸素イオン伝導性固体電解質の適
当な温度条件（例えば固体電解質がジルコニアの場合４
００℃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解質中
を酸基イオンが移動し、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性質を利用し
たものである。

ここで、上記酸素濃淡電池素子の電極の一方を酸化反応
の触媒作用の強い電極（カソード）に、他方を触媒作用
の弱い電極（アノード）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、カソードにおいて、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、アノードにおいては、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、７ノー
ド側から、カソード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、カソー
ドにおいても酸素はほとんど消費されないので、どちら
の電極においても酸素ガス分圧は変らないために、電圧
は出力されない。

酸素ポンプ素子は、酸素イオン伝導性固体電解質の、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
する性質を利用するものであり、固体電解質は酸素ガス
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、上配電Ｖｉ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′ｒｉ解質の荷電担体は酸素イオ
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。

又、本発明の空燃比検出素子の酸素ポンプ素子における
酸素′ａ淡電池素子に対向しない電極は、大気にのみ接
触する。そのため、酸素ポンプ素子の酸素供給源として
大気中の酸素が用いられる。

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ｒ１１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、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Ａｌｌ、以下同様にＰｔと、ｌ、ＰｔとＰｔ　＋Ａｕ
　　（１〜２０％）、ＰｔとＰｔ　＋Ｒｕ（１〜２０％
）、Ｐｔ　＋Ｒｈ　＜１〜１５％）とＰｔ、ｐｔと触媒
被毒したＰｔ　、Ｐｔと半Ｓ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（、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ＩＦｉ４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　、Ｒｈ等を分散させればよい
。

［作用コ 本発明の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、酸素ポンプ素子の大気側の電極に正、
間隙側の電極に負の電圧を印加することにより、酸素ポ
ンプ素子と酸素濃淡電池素子との間の間隙部に存在する
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該間隙の酸素拡散制限
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。

上記起電力は、上記間隙部の端縁部から内部へ制限的に
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はとが平衡に達した
時点で一定となる。そしてこ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
比例するようにすることができ、ポンプ電流から酸素ガ
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、前述したように酸素濃淡電池
素子は両電極の間に、酸素ポンプ素子を働かせて酸素ガ
ス分圧の差を惹起させなくても起電力が発生するので、
酸素濃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は非常に少いか、あるいはむ
しろポンプ電流の向きは逆となる。即ち、酸素濃淡電池
素子のカソードにおいて、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、カソー
ド側とアノード側との酸素ガス分圧の差が大き（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間隙部に酸素を送りこむこと
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星に対応する。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、上記空燃比検出素子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。

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。この時、ポンプ電流の向きを、間隙
部から酸素を汲み出す時を正とする。

ポンプ電流がＯ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、ポンプ電流が負の時、即ち、間隙部に酸素が供給さ
れる時、変化点はリッチ域に移動する。

さらに、ポンプ電流が正の時は、起電力の変化はポンプ
電流が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と対応してい
る。

［実施例］ 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説明図、
第２図は断面図を示す。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。

酸素ポンプ素子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
２ａ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が方形状に設りられている。一方の方形電極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ＫＡ　４　ａ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ａ淡電池素子３の先側３ａには、その表裏面の相
対する位置に、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（アノード）７が各々
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ている。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、同一面に、
２つの電極６．７の取り出し部６ｂ、７ｂ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Ｆｉ索イオン導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、６ａ、７ａ
および取り出し部４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂは耐熱金属層
よりなり主にｐｔ　、Ｒ（１、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉ、ｒ、Ａ
ｕ、Ａ９等のペース・１〜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、ここ
ではカソード６としてＰｔとアノード７としてｐｔ＋Ａ
ＩＪ、以下同様にｐｔと、’ｌ　、Ｐｔとｐｔ　＋Ａｕ
、ＰｔとＰｔ　＋Ｒｕ　、Ｐｔ　＋ＲｈとＰｔ　ＸＰｔ
と触媒被毒したＰｔ　、Ｐｔと半導電性金ＩＦ１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及び空気導入部１０を有す
る一体の空燃比検出素子１に組み立てるには、まず画素
子２．３の各々の元側２ｂ　、　３ｂにて耐熱性無機質
接着剤等を用いてセラミック製のスペーサ１１を介する
ことにより平行に一定間隔に貼り合わせ、次に、酸素ポ
ンプ素子２に、セ１　　　ラミック製である酸素ポンプ
素子２の大気側型、極に大気を導くために酸素ポンプ素
子２の３方向の周端部と接するよう設けられたコの字型
の空気導入部形成体ＡＩ２と、空気導入部形成体Ａ１２
と一体となって空気導入部を形成する酸素ポンプ素子２
と同じ大きさの板状である空気導入部形成体Ｂ１３を重
ねて耐熱性無機質接着剤等を用いて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、ヒニー
ル、アルミホイル等を一枚又は複数枚重ねて２つの素子
の先側に挾んで押圧し、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もよるが
酸素濃淡電池素子の出力を適当に選択することにより、
例えば、１００第１１の正方形状電極の場合、０．０１
〜０．５第１ＩＩｌまで可能であり、Ｍｌ・“素ポンプ
素子のポンプ電流が比較的大電流領域１ｍＡ〜１００ｍ
Ａで使用する場合はやや広く、比較的低電流領域０．１
１ＩＩＡ〜ｌ０ＩＩＩＡ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。

ここでは間隙寸法は０゜１　ｍｍとされた。それ故、本
空燃比検出素子は前記スペーナ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前単に設計できる
特徴を有する。

本実施例の空燃比検出素子１は、例えば、酸素濃淡電池
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
空燃比信号を取り出すよう構成された空燃比測定装置に
用いることができる。

第３図は上記の空燃比測定装置に用いた場合のポンプ電
流から求められた空燃比信号と、空燃比の関係を示して
いる。適当な回路構成とすることにより、第３図の如く
、リーンからリッチまでの広い空燃比範囲において空燃
比の測定が可能となる。

又、ポンプ電流がＯである時、空燃比が理論空燃比点よ
りリッチ側では被測定ガス中の酸素′ａ度が１本めで低
く可燃性ガスが急増するため、酸素濃淡電池素子３では
、その起電力が理論空燃比点よりリッチ側で階段状に変
化し、その現象を利用して理論空燃比点を検出する手段
として使用することができる。そして、一定に流すポン
プ電流を変化させることにより、この階段状に変化する
点を移動させることができ、これは、ポンプ電流によっ
て、フィードバック制御の中心となる空燃比を理論空燃
比点から、ずらすことができることを意味する。

第４図はポンプ電流ｉｐによって空燃比（Ａ／Ｆ）と起
電力Ｅとの関係がどのように変化するかを示す図である
。ただし、ポンプ電流の向きは、酸素を間隙部から汲み
出す方向を正としている。

このような、空燃比検出素子１の使い方をすると、従来
の酸素センサーの出力が理論空燃比点で急激に変化する
ことを利用している空燃比制御装置においても、はとん
ど構成を変えることなく、より細かなυノ御が行なえる
ことになる。

ざらに、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。

［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ｉさの異なる一対の電極をもつ酸素濃淡
電池素子を酸素源として大気中の酸素を使用する酸素ポ
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、空燃比出力信号がら空燃比が一義
的に決まる。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、酸素ポンプ素子のポンプ電流を一定として、酸素濃
淡電池素子の起電力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には、ポンプ電流によ
って定められた任意の空燃比を境とした明確な空燃比信
号を出力できる。

さらに、本発明の空燃比検出素子は製造が容易で品質管
理がし易い。

【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説明図、第
２図はその断面図、第３図はポンプ電流から得られる空
燃比信号と空燃比との関係図、第４図はポンプ電流によ
る起電力と空燃比との変化を示す図である。 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） ９・・・間隙部 １０・・・空気導入部

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
   の強さの異なる一対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
   である一対の電極を持ち、酸素源として大気中の酸素を
   使用する酸素ポンプ素子と、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酸素ポ
   ンプ素子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。