JPS6281559A - 空燃比センサ - 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］ 本発明は内燃機関などの燃焼装置の排気中の酸素濃度を
検知することを通じて適切な燃焼制御を行うための空燃
比センサに関する。

［従来技術］ 燃焼装置殊に自動車エンジンの場合、排気による公害問
題と燃費節減の両面から、最良燃焼状態を常に維持させ
るための自動燃焼制御装置の菖及率が高まっている。こ
の様な装置への制御情報の提供源としで、燃焼排ガス中
の酸素もしくは可燃成分の濃度を測ることを通じて燃料
混合気中の空燃比（または空気過剰率λ）を検知するた
めの様々な空燃比センＶが開発されている。

第２図および第３図に酸素濃淡電池を使用する型式の従
来の空燃比センサの構造を例示した。このセンサは被計
測雰囲気、例えば自動エンジンの排気系内などに設置し
て使用するもので、雰囲気への連通孔（連通開口）を備
えた小閉鎖空隙ａをへだでて細長い板片状の外形を有す
る酸素ポンプＡと酸素濃淡電池Ｂとを対置させた構造を
持つ。

酸素ポンプＡと酸素濃淡電池Ｂとはほぼ同一の構造を備
えており、二酸化ジルコンなどの様に酸素イオン伝導性
をもった固体電解質ここではＹ２０３で部分安定化した
二酸化ジルコンを用い、巾４ｍ−１長さ４０１０１．厚
み０．７１１１１１の板状体１　（または４）の先端部
分の表裏両面に、多孔質白金などからなる電極層２およ
び３（または５および６）が厚膜形成技術によって接合
されている。ここでは２×３ｎ＋ｍ１厚さ約２０μ、ポ
［１シティ約３０％の白金２０重量％の共生地含有の白
金ペーストを電極とした。

８．９　（または１０．１１）はそれぞれ両電極のリー
ド線、１４（または１５）はこれらのリード線の入力ま
たは出力端子である。３０と３１は酸素ポンプＡへの給
電用直流電源と、通電囚調節用可変抵抗器であり、３２
は酸素濃淡電池Ｂの出力計測用電圧計である。なお、図
中の２０はセンサ取付金具、２１〜２４は絶縁材、２７
は端子取付は用外套管であり、２５はポンプおよび電池
部分の保護カバー、２６はこのカバーの外周の複数個所
をツメ状に打ち出したうえ、ツメ状部分を内側に押し込
んで形成させた被計測雰囲気への導通孔である。また７
は板状セ）ミックヒータ、３３はヒータ電源、１６は配
線端子である。

このセンサの作動例を説明すると、図示が省かれている
スイッチをオンさせることによって、可変抵抗器３１に
よって任意のレベルに設定された定電流が定電圧直流電
源３０から酸素ポンプＡの電極２および３に印加される
。それに伴って酸素ポンプＡはそのマイナス電極面２が
接している半閉鎖空隙８量隙０．．１ｍｍ内に存在する
雰囲気中の酸素に電子を与えてイオン化さけて電解質の
板状体層をプラス電極面３に向けて伝導させ、電極面３
に達した酸素イオンから電子を奪って被こ１測雰囲気中
に酸素として放出することによって酸素汲出し作用を営
む。小閉鎖空隙ａ内から酸素が奪われるのに伴ってこの
空隙ａに設けられた連通孔からは被計測雰囲気中の酸素
が拡散流入するので、空隙ａ内には被計測雰囲気の酸素
濃度に対応して定まる一定濃度の酸素が残存する平衝状
態が生じる。

したがって一方の電極面６が上記の小閉鎖空隙ａに接し
、また他方の電極面５が被計測雰囲気または基準酸素分
圧を持つ雰囲気（例えば空気）に接している酸素濃淡電
池Ｂには、この雰囲気中のＶ素濃度に対する空隙ａ内の
酸素濃度の割合いの変動に対応して変化する起電力が発
生するので、この出力を取り出して被計測雰囲気中の酸
素１ａ度を検知し、それに基づいて空燃比を算定するこ
とができる。センサの使用条件ごとの最適電流値はあら
かじめ燃焼装置をテスト運転することによって決定され
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 例えば上記の様な構造を備えた空燃比センサを自動車エ
ンジンに使用すると、酸素ポンプＡの小閉鎖空隙ａに接
する電極２の近傍において固体電解質としての酸化ジル
コンが黒化現象を呈づることがしばしば認められるもの
である。この黒化現象は重度になるど再び消失づること
のない不可逆現象であり、黒化に伴ってＭｉポンプの内
部抵抗が増大し、黒化の度合いが進行すると固体電解質
に微細なりラックが発生して遂にはポンプが破壊されて
しまうことが判った。

黒化現象が起る原因としては、エンジンの設定空燃比を
大ぎな賄に選んだ場合には酸素ポンプの能力を高める必
要があり、ポンプへの供給電力量ずなわち電流を増大さ
せることになるが、このより高い電流レベルに切替えた
時点においてたまたま混合気の理論空燃比の値が１４．
７（λ＝１）に近かったりすると、酸素ポンプの汲み出
し能力に余裕が生じて半閉鎖空隙ａ内の酸素がほとんど
消失する一方で、固体電解質である二酸化ジルコンの化
合酸素をも汲み出してこれを還元させてしまう結果を招
き、この様な還元作用が反復繰返されることによって黒
化が進行するものと解することができる。

また黒化現象発生の２次的原因として、酸素ポンプへの
温度が低すぎる場合に、電極面２での酸素のイオン化反
応の進行に要するエネルギーが大きくなり、たとえ半閉
鎖空隙ａ内への酸素補給が比較的円滑に行われても酸素
ポンプＡの電極部分での内部抵抗（インピーダンス）が
増大して黒化現象が起り易くなることが判った。

本発明は、上記のごとき従来の空燃比センサに生ずる黒
化現象の発生状況を種々の実験に基づいて確定し、これ
を足掛りとして黒化現象を呈することのない空燃比セン
サを０１作することを目的とする。

［ＩＸＯ題点を解決するための手段１ 上記の目的を達成するために本発明の空燃比センサは、
被泪測雰囲気への連通孔もしくは連通開口を備えた小閉
鎖空隙と、１対の多孔質電極の間に酸素イオン伝導性固
体電解質層を挟んだ構成を有し、前記小閉鎖空隙内の酸
素を汲み出す機能の酸素ポンプと、前記酸素ポンプへ電
力を供給する電力供給装置とを含んでなる空燃比センサ
において、酸素ポンプへの印加電圧が設定レベルを超え
た時、該酸素ポンプへの給電を停止または制限するため
の酸素ポンプへの給電制御回路を設ける構成を採用した
。

［作用および発明の効果］ 上記のごとき構成を備えた空燃比センサは、酸素ポンプ
への印加電圧が設定レベルである６〜７■以上になるか
または更に加えて酸素ポンプのインピーダンスが２５０
Ω程度以上に高まると、Ｍ素ポンプへの給電制御回路が
酸素ポンプへの給電を制限または停止させるので、ｗｉ
素ポンプを構成する酸素イオン伝導性固体電解質として
の酸化ジルコンなどが脆損される現象発生を予防する。

印加電圧が設定レベル以下に下がれば給電制御回路が酸
素ポンプへの給電を再開させる。

したがって空燃比センサの固体電解質の脆損に基づいて
、知らないうちにセンサの４測精度が低下したり、損壊
されているという不都合の発生が防止される。

［実施例］ 既述のごとぎ酸素イオン伝導性固体電解質の黒化現象の
確認のために、まず下記の様な予備実験を行った。

すなわち、第２図に示したのと同じ構造を備えた実験用
空燃比センサを様々な空気過剰率λの値を示す燃焼排ガ
ス中に設置し、この様な異なった被計測ガス中に置かれ
た酸素ポンプ八に様々に異なったレベルの電流ＩＩ）を
各１０分間流して、空気過剰率λ対ポンプ電流ｔｐの関
係において如何なる条件のもとて黒化現象が認められる
かを実験した。表１および第４図のグラフにこの実験結
果がまとめられている。

表　　１ λ：空気過剰率、Ｉ　ｐ：ＦＩｉ素ポンプＡに流れる電
流、Ｖｐ：酸素ポンプＡへの印圧電圧、ＶＳ：Ｕ素濃淡
電池Ｂの起電力 上記の表おにびグラフから明確に読み取れることは、排
ガスのλの値が０．９〜１，４（空燃比では１３．０〜
２０．５　）の範囲において、酸素ポンプＡへの印加電
圧が６．０ｖ以下であれば確実に黒化現象の発生は起ら
ず、Ｖｐの値が６．５Ｖ以上になるとほぼ確実に黒化現
象が現れるという事実である。第４図に破線（ロ）で示
された境界の下側は黒化現象非発生領域、上側は発生領
域に属すると解づることができる。実験条件は燃焼排ガ
スの温度を４００℃、その流量を１０００／ｍｉｎに設
定し、ヒータ７には直流１０Ｖを流して酸素ポンプＡの
温度を６５０℃に保った。

また上記のテスト条件下で酸素濃淡電池Ｂに４０ｍＶの
一定電圧を生じざぜるに要する酸素ポンプＡへの印加電
圧の値を求めた結果が参考までに第４図のグラフ（ハ）
および（ニ）に示されている。

グラフ（ハ）はヒータ印加電圧を直流１０Ｖにまたグラ
フ（ニ）は１２．５Ｖに設定した場合のデータである。

つぎに排ガス中の空気過剰率λと黒化現象が始まる最低
の酸素ポンプ印加電圧との関連性について考察すると、
空燃比がリッチであって、排ガス中にはと／υど酸素が
存在しない状態下にあっても下式（１）〜（３）の反応
が行われる。

Ｃ−１−１／２０２　’４　ＣＯ・・・・・・・・・・
・・・・・（１）１」２＋１／２０２　ｇＨ２０・・・
・・・・・・（２）Ｃｏ＋１／２０２　’４ＣＣｈ　・
・・・・・・・・（３）これらの反応の平衝定数Ｋ（１
）〜Ｋ（３）は、Ｋ（１）＝ＰＣＯ／ＰＯ２〜 Ｋ（２）　＝Ｐｌ−１２０／Ｐｔ−ｈ　　・ＰＯ２へＫ
（３）＝ＰＣＯ２／ＰＣＯ−ＰＯ４−（Ｐは各ガスの分
圧） これらの各平衝定数は、温度、圧力が・一定であれば酸
素ポンプへの電極表面付近の温度における平衝状態に保
たれることになるが、酸素ポンプへの働きによって陰電
極２では下記の電極反応は右辺側に進行し、 ０２　＋　４ｅ−ｇ　２０−− 酸素の汲み出しが行われる。それに伴ってＰＯ２が減少
するので、平衝定数を維持するために左辺側への解離反
応が開始し、電極近傍におけるリッチガスの分布がやや
偏ってくることになるが、小閉鎖空隙ａの連通孔からは
排ガスが流入してくるので、結局反応系の各ガス成分の
ガス分圧は変化せずに０２ガスが補給されつづけること
になる。

実験結果として、空気過剰率λ−０，９の排ガスは酸素
ポンプ印加電圧Ｖｐを６Ｖに設定しても黒化現象は生じ
なかった。反応式（１）〜（３）からしてλ＝１の条件
下で酸素の汲み出し予が最も少なくなり、したがって酸
素ポンプＡの作動効率が低下するために、Ｖｐの値が増
大して容易に黒化現象が起りやすくなると解される。つ
まり空気過剰率λを様々に変えた時、λ＝１の時には他
のλの値の時に較べてより低いＶｐ下で黒化現象が起る
ということである。したがってλ＝１の条件下での実測
テストによって、黒化現象を起させないための酸素ポン
プＡへの印加電圧上限値を求めれば、本発明目的を達成
するための基本的な手掛りがｊｑられたことになる。

既に指摘した様に酸素イオン伝導性固体電解質、例えば
酸化ジルコンの黒化現象は、酸素ポンプＡの内部抵抗（
インピーダンス）があるレベル以上に高まることによっ
ても起ることがわかったので、黒化現象発生の予知情報
としてこのインピーダンスの値Ｒｐを検知することも本
発明目的を達成するための一手段となる。

このインピーダンスは酸素ポンプへの印圧電圧Ｖｐとポ
ンプ′を流れる電流Ｉｐから求めることができる。また
第２図に示されたセンサの様に、酸素ポンプと酸素濃淡
電池と、酸素の汲み出し用小閉鎖空隙との組み合わぜか
らなる空燃比センサであれば、酸素濃淡電池の出力電圧
ＶＳに基づいて、ポンプ印加電圧■ｐからネルンスト式
による起電力弁ｋ　Ｖ　ｓ（ｋは定数）を差し引いた値
を酸素ポンプ電流１ｐで除算することによってもＲｐを
求めることができる。すなわち、 ｎ 固体電解質に黒化現象を起さばないための上限Ｒｐ値は
、最も内部抵抗も高くなるλ＝１の排ガス環境において
のｈ１測ＶｐおよびＩｐ値から計算して電極面積１ｍｍ
２当り、１５００Ω（電極面積６ｍ１ｌ１２では１５０
０Ω／６　＝　２５０Ω）に設定すれば安全であると判
断された。

第５図に第６図に示した別の装置、すなわち第２図の酸
素ポンプＡのみからなる装置を用いて、被計測雰囲気を
大気、λ＝０．９の排ガス、およびλ＝１．０の排ガス
の３通りに変えて、それぞれ酸素ポンプＡへの印加電圧
とその時に流れるボン１電流との関係を計測した・結果
をグラフ化して示した。グラフ（ホ）でデータを示した
大気中テス１−ではヒータ７への印加電圧を１２．５Ｖ
に設定した。

グラフに添ってブロワ１−シたム印のマークとＸ印のマ
ークとは、それぞれヒータ７に１０分間通電した直後に
おける黒化現象の起る条件および黒化現象の進行に伴う
固体電解質１のクラックが起る条件（これらの現象が起
った時の酸素ポンプＡへの印加電圧Ｖｐとポンプを流れ
る電流Ｉｐの値）とをそれぞれ示している。このテスト
状態ではポンプ電流Ｉｐは最も流れやすく、充分にポン
プを加熱してもポンプ印加電圧が６Ｖ以上に高まると黒
化現象が起り、７Ｖ以上ではクラックが発生し始める。

グラフ（へ）で結果を示したテストでは、ポンプ電流が
最も流れ難いλ−１，０の条件型でヒータの加熱度を低
め、（ヒータ印加電圧は１０Ｖ〉通電１０分間とした。

このテストではポンプの印加電圧が６■を越えると黒化
現象が認められる様になる。この時のＲ１）の計算値は
２５４Ω（電極面積６ｍｍ２　）となった。またグラフ
（ト）で結果を示したテストでは排ガスλ＝　０．８８
（Ａ／Ｆ　＝１３＞の条件下でヒーターの加熱度を低め
（ヒータ印加電圧１０Ｖ）通電時間を１０分とした。こ
のテストでは少なくとも６ｖ以下では黒化現象は認めら
れなかった。これらの実験結果から結論付けられること
は、第５図の符号Ａ領域で示された酸素ポンプの作動条
件下では黒化現象が発生し、さらに符号Ｂで示された作
動条件下ではクラックが生じるということである。

上記の様な固体電解質の黒化現象に対する考察と、それ
に基づくいくつかの予備実験の結果を踏まえて、本願発
明目的を達成させることのできる空燃比センサとして、
第１図に示すごとき一実施例装置を試作した。この実施
例センサが第２図に描かれている従来の空燃比センサ等
と異なる点は酸素ポンプＡへの給電回路のみであるので
、この第１図には空燃比センサの酸素ポンプＡの部分図
とこのポンプへの給電回路および給電制御回路だけが示
されている。

酸素ポンプＡは、酸素イオン伝導性固体電解質の一種で
ある二酸化ジルコンの細長い板状体１の上端部近辺の表
裏両面に多孔室白金膜としての電極２と３を厚膜成形技
術によって接合させた公知の構造を備えている。８と９
は両電極のリード線、１５はこのリード線の取付端子で
センサの入出力端子でもある。４０は酸素ポンプの作動
用の直流電源、４１は酸素ポンプＡへの供給電力母の調
節用可変抵抗器、４２は酸素ポンプＡの給電制御回路、
４３は電流計、４４は電圧計である。図中には回路４２
と電力苫１ＡおよびＶは別個に描かれているが、実際は
一つの回路ユニットとして構成されている。

本発明目的を達成するための給電制御回路４２の回路構
成は様々に設計変更することができるが、基本的には次
の様な構成を採用すればよい。

その第１はあらかじめ実験的に求められている、固体電
解質に黒化現象を起させる最低の酸素ポンプへの印加電
圧と、電圧計で実測される印加電圧との比較回路を設け
て、実測電圧がこの最低電圧を上廻った時には酸素ポン
プＡへの給電を停止さける回路構成である。この電圧チ
ェックは常時行う様にしてもよいし、所定の時期に限っ
て計測比較が行われる様にしてもよい。

第２は黒化現象の起る最低ポンプ印加電圧Ｖｐｃをポン
プ電流１ｐの函数として与えるＶｐｃ設定回路と、この
回路によって設定されたＶＤＣと実測によるＶＤＣ値と
の比較回路を組み込む構成である。

そして第３には、所要の時期例えばエンジン始動直後に
おける酸素ポンプのインピーダンスＲｐ値を、実測によ
るＶｐとＩｐから算定するＲｐＨｆ検出回路と、あらか
じめ実験的に求められている黒化現象が発生する最低Ｒ
ｐ値を、検出回路による算定値と比較するＲｐ値比較回
路を設ける構成である。Ｒ１）値の算定方法は既述のご
とくである。

なお、この発明の実施できる空燃比センサの構造は、第
２図に示したものに限られず、酸素濃淡電池の閉鎖状空
隙の側と反対側の４７極が大気にさらされるようにされ
ている広域空燃比センサであってもＪ：り、更にまた酸
素濃淡電池を用いず閉鎖状空隙に望む酸素ポンプのみか
らなりポンプ電流と印加電圧との関係がら空燃比を求め
るようにしたものにも適用しろる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による空燃比センサに組み込まれた酸素
ポンプの主要部の模式的側断面図と、この酸素ポンプへ
の給電回路およびポンプへの給電制御回路図である。 第２図は従来の空燃比センサの側断面図とこのセンサの
入出力回路図、第３図は第２図の（イ）（イ）断面図で
ある。 第４図と第５図は第２図に示された空燃比センサを用い
て本発明センサを開発するために行った予備実験のデー
タグラフであって、第４図ｔま被計測排ガスの空気過剰
率λと酸素ポンプの印加電圧と黒化現象発生との相関性
を示しており、第５図は第６図に示した装置を用いた同
様の関係を示す図、第６図は第２図に示したのと同じ構
造を持った実験用空燃比センサの酸素ポンプ部分模式的
構成図である。 図中　Ａ・・・酸素ポンプ　Ｂ・・・Ｍ索濶淡電池　ａ
・・・小閉鎖空隙　１・・・酸素イオン伝導性固体電解
質２、３・・・電極　　８、９・・・リード線　１５・
・・リード線端子　４０・・・酸素ポンプ作動電源　４
２・・・給電制御回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被計測雰囲気への連通孔もしくは連通開口を備えた
   小閉鎖空隙と、 １対の多孔質電極の間に酸素イオン伝導性固体電解質層
   を挟んだ構成を有し、前記小閉鎖空隙内の酸素を汲み出
   す機能の酸素ポンプと、 前記酸素ポンプへ電力を供給する電力供給装置とを含ん
   でなる空燃比センサにおいて、 酸素ポンプへの印加電圧が設定レベルを超えた時、該酸
   素ポンプへの給電を停止または制限するための酸素ポン
   プへの給電制御回路を設けたことを特徴とする空燃比セ
   ンサ。 ２）前記酸素ポンプへの印加電圧の設定レベルが、およ
   そ６〜７Ｖであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の空燃比センサ。 ３）前記酸素ポンプの内部抵抗を検知する内部抵抗検知
   回路を更に備え、酸素ポンプへの印加電圧値による供給
   電力制限に加え、上記内部抵抗検知回路の出力によって
   も供給電力を制限することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の空燃比センサ。 ４）酸素ポンプの内部抵抗が電極面積１ｍｍ＾２当り約
   １５００Ωであることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項記載の空燃比センサ。