JPS63167260A - 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、内燃機関等、各種燃焼機器に供給される燃料
混合気の空燃比を排気中の酸素１１［に基づき検出する
空燃比センサに関する。

［従来の技術］ 従来よりこの種の空燃比センサの一つとして、酸素イオ
ン伝導性の固体電解質両面に一対の多孔質電極が積層さ
れた検出素子を用いたものがある。

即ち例えば特開昭５７−４８６４８号公報、実開昭６０
−１７４５２号公報等に記載の如く、上記検出素子の一
方の多孔質電極面上に直接又は閉鎖空間を介して測定ガ
スの拡散を制限する多孔質のガス拡散制限層を設け、該
ガス拡散制限層側の電極を陰極として各電極間に所定の
電圧を印加し、そのとぎ流れる電流値がら空燃比を検出
するよう構成された、いわゆる限界電流式の空燃比セン
９−、或は、特開昭５９−１７８３５４号公報に記載の
如く、上記のように構成された２個の検出素子を、夫々
、カス拡散制限層により測定ガスの拡散が制限された測
定ガス室に一方の多孔質電橋が接するように配設し、一
方の検出素子を酸素ポンプ素子、他方の検出素子を酸素
濃淡電池素子として動作させ、酸素ポンプ素子に流れる
電流又はｉ素濃淡電池素子両端の電極に生ずる電圧がら
空燃比を検出するよう構成された空燃比センサ等、がそ
れである。

ところで上記検出素子においては、多孔質電極間に所定
電圧を印加したとき流れる電流や多孔質電極間に発生す
る電圧が使用温度に応じて変化するので、上記空燃比セ
ンサを用いて安定した検出信号を得るためには検出素子
を所定温度に保持しなければならないといった問題があ
った。

そこで近年では、この種の空燃比センサにより得られる
検出信号の温度依存性を解消して空燃比センサの使用温
度範囲を拡大するための種々の検討がなされ、例えば特
開昭５９−６７４５４号公報に記載の如く、検出素子の
一方の多孔質電極側に設けられるガス拡散制限層の気孔
径を３ｏｏＡ〜４００人に設定するといったことが考え
られている。

「発明が解決しようとする問題点］ ところがこのように構成された空燃比センサを実際の燃
焼機器（例えば内燃機関）に取付け、動作させると、排
気温度の変化に対しては安定した検出信号を得ることは
できるものの、排気系の圧力が変動するとそれに伴い検
出信号が変化し、安定した検出信号を得ることができな
いといった問題があった。つまり燃焼機器では、その運
転状態に応じて排気温度が変化するだけでなく、排気圧
力も変化するので、上記のように検出信号の温度依存性
を解消するだけでは安定した検出信号を得ることはでき
ないのである。

これは、上記のようにガス拡散制限層に気孔径が３００
Ａ〜４００人のものを使用した場合、測定ガスがガス拡
散制限層を通過する際の分子拡散の割合いが少なくなる
ためである。

即ら、一方の多孔質電極側にガス拡散制限層を設け、そ
の電極を陰極として所定電圧を印加したとぎ検出素子に
流れる電流Ｉは、次式 ％式％（１） （但し、Ｆ：ファラデ一定数、Ｒ：気体定数、Ｓ：ガス
拡散制限層の拡散孔断面積、Ｔ：絶対温度、Ｌ：ガス拡
散制限層の厚さ、Ｐｇ　：測定ガス中の酸素ガス分圧、
Ｄｇ　＝測定ガスの拡散係数）で表すことができ、また
測定ガスの拡散には、次式 ％式％（２ （但し、Ｐａ　：測定ガス雰囲気全圧）に示す拡散係数
□ｍで表される分子拡散と、次式％式％（３） （但し、ｒ：平均気孔径１Ｍ：測定ガスの分子＠）に示
す拡散係数［）ｋで表される細孔拡散（クヌツセン拡散
）とがあり、 測定ガスがガス拡散制限層を分子拡散のみによって通過
する場合に検出素子に流れる電流Ｉは、０．７５ ＩＯ（Ｔ　　　−Ｓ／Ｌ　　　　−（４）（但し、ｐｇ
ｏｃｐａ） 測定ガスがガス拡散制限層を細孔拡散のみによっで通過
する場合に検出素子に流れる電流■は、−〇、５ １ｏｃＴ　　　−ＰＣ＋−３／Ｌ・　（５）となって、
実際に検出素子を流れる電流Ｉは、上記各式（４）、（
５）を合成した次式 Ｉｏｎ（Ｋｌ　−Ｔ０°７５−３／Ｌ＋−〇、５ に２・Ｔ　　　−ＰＪ　−８／Ｌ）・・・（６）（但し
、Ｋ１．に２は係数、　Ｋｌ　＋に２　＝１　）で表わ
すことができるようになるのでおるが、上記のように気
孔径が３ｏｏＸ〜４００人のガス拡散制限層を用いて空
燃比センサを作成すると、上記式（５）で表される細孔
拡散の割合いが大ぎくなって、検出信号が測定ガス雰囲
気全圧（排気系の圧力）Ｐａに比例して変化する測定ガ
ス中の酸素分圧Ｐａに影響されるようになるからである
。

尚検出信号の圧力依存性を解消するには、ガス拡散制限
層の気孔径を大きくして上記式（４）で示１分子拡散の
割合いを大きくすればよいが、単にガス拡散制限層の気
孔径を大きくすると、検出信号の温度依存性が大きくな
るばかりでなく、排気中に含まれるＰｂ、Ｐ、Ｓ等の電
極材料にとって有害なデポジットがガス拡散制限層を透
過してしまうといった問題が生じてくる。

そこで本発明は、上記空燃比センサにより得られる検出
信号の温度依存性及び圧力依存性を共に抑え、空燃比セ
ンサによる空燃比の検出精度を向上すると共に、排気中
のデポジットに対しても影饗されず、耐久性の高い空燃
比センサを提供することを目的としてなされた。

［問題点を解決するための手段］ 即ら、上記目的を達するためになされた本発明の構成は
、 酸素イオン伝導性の固体電解質両面に一対の多孔質電極
を積層してなる検出素子と、 該検出素子の一方の多孔質電極側に直接又は閉鎖空間を
介して間接的に設けられ、該電極側に流入づる測定ガス
の拡散を制限するガス拡散制限層と、 を備えた空燃比センサにおいて、 上記ガス拡散制限層を、気孔率１０％〜３０％、平均気
孔径１μｍ〜３μｍ、厚さ２００μｍ〜１０００μ「ｎ
、の多孔質層により構成してなることを特徴とする空燃
比検出装置を要旨としている。

ここで当該空燃比センサは、検出素子の一方の多孔質電
極側にガス拡散制限層を直接又は閉鎖空間を介して間接
的に設けることによって構成されるものであるが、具体
的には、検出素子の多孔質電極間に所定電圧を印加し、
そのとき流れる電流から測定ガス（即ち、排気）の酸素
濃度を検出する限界電流式の空燃比センサや、２個の検
出素子を閉鎖空間としての測定ガス室を介して対向配設
し、一方の検出素子を酸素ポンプ素子、伯方の検出素子
を酸素濃淡電池素子、として動作させ、酸素ポンプ素子
に流れる電流又は酸素濃淡電池素子に生ずる電圧から測
定ガスの酸素濃度を検出する空燃比センサ等が相当する
。

またこのように２個の検出素子を用いて空燃比を検出す
る空燃比センサでは、単に空燃比のり一ン域だけでなく
、空燃比のリッチ領域からリーン領域にかけて連続的に
変化する検出信号が得られるように、酸素濃淡電池素子
として用いる検出素子の測定ガス室とは反対側の多孔質
電極側に大気が導入される大気導入室が形成された空燃
比センサや、同じくこの電極側に、酸素を漏出するため
の漏出抵抗部を介して外部又は測定ガス室と連通される
内部酸素基準源が形成された空燃比センサ等が考えられ
ているが、この種の空燃比センサについても本発明を適
用することができる。

次に検出素子を構成する酸素イオン伝導性の固体電解質
としては、ジルコニアとイツトリアの固溶体、或はジル
コニアとカルシアとの固溶体等が代表的なものであり、
その他、二酸化セリウム、二酸化ナトリウム、二酸化ハ
フニウムの固溶体、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も使用可能である。

またこの固体電解質両面に設けられる多孔質電極として
は、酸化反応の触媒作用を有する白金やロジウム等を用
いればよく、その形成方法としては、これらの金属粉末
を主成分としてこれに固体電解質と同じセラミック材料
の粉末を混合してペースト化し、これを固体電解質両面
に厚膜印刷した後、焼結して形成する方法、或はフレー
ム溶射、化学メッキ、蒸着等の薄膜技術を用いて形成す
る方法等が挙げられる。

尚、ガス拡散制限層とは反対側の多孔質電極が、測定ガ
ス、即ち排気に直接接する場合には、この電極面上に、
更に、アルミナ、スピネル、ジルコニア、ムライト等の
多孔質保護層を形成することが好ましい。

次にガス拡散制限層は、該ガス拡散制限層の設けられる
多孔質電極側に流入する測定ガスの拡散を制限するため
のもので、アルミナ、スピネル、フＡルスデライト、ジ
ルコニア等を用いて、上記多孔質電極と同様の方法で形
成することができる。

ところで本発明では、このガス拡散制限層に、気孔率１
０％〜３０％、平均気孔径１μｍ〜３μｍ、厚さ２００
〜１０００μｍのものが用いられる。

これはまず第１に、測定ガスがガス拡散制限層を通過す
るときの分子拡散と細孔拡散との割合いで決定される検
出信号の温度依存性及び圧力依存性が共に所定レベル以
下となって、測定ガスの温度（即ち排気温）や測定ガス
の圧力（即ち排気圧）が変化しても安定した検出信号が
得られるようにするためである。

即ら、測定ガスがガス拡散制限層内で上記式（４）で表
される分子拡散のみによって移動する場合には、検出素
子温度か例えば７００　’Ｃから８ｏｏ’ｃに変化する
と、検出信号は第７図に実線で示す如＜＋７．６％変化
し、また測定ガスの圧力が１．□ａｔｍから１．３ａｔ
ｍに変化しても、第８図に実線で示す如く検出信号は変
化せず、逆に測定ガスがガス拡散制限層内で上記式（５
）で表される細孔拡散のみによって移動する場合には、
検出素子温度が例えば７００’Ｃから８００　’Ｃに変
化すると、第７図に一点鎖線で示す如く検出信号は−４
，８％変化し、また測定ガスの圧力が１．０ａｔｍから
１．３ａｔｍに変化すると、第８図に一点鎖線で示す如
く検出信号は＋３０％変化することから、本発明では、
これら温度及び圧力変化に対して検出信号の変動幅が少
なくとも１０％以内になって、空燃比を安定して検出す
ることができるよう、ガス拡散制限層を上記のように形
成するのである。

尚ガス拡散制限層を上記のように構成すると、ガス拡散
制限層内部で測定ガスが移動する際、分子拡散と細孔拡
散の割合いが略１：Ｏ〜２：１となり、上記温度変化に
対する検出信号の変動幅が第７図に斜線で示す３．５％
〜７．６％内に抑えられ、上記圧力変化に対する検出信
号の変動幅が第８図に斜線で示す０％〜１０％内に抑え
られることとなる。

次にガス拡散制限層を上記のように形成する第２の理由
としては、空燃比センサの耐久性を向上することにある
。

つまり上述のようにガス拡散制限層内での測定ガスの移
動が分子拡散のみによって行われるようにしても上記温
度及び圧力変化に対する検出信号の変動幅を１０％以内
に抑えることができ、測定ガスの移動が分子拡散のみに
よって行われるようにするには気孔径、気孔率を大きく
すればよいが、これらを単に大きくするだけでは、測定
ガスがガス拡散制限層を通過する際に測定ガス中に含ま
れる多孔質電極にとって有害なデポシトが通過すること
から、ガス拡散制限層を上記のように形成することで、
測定ガス中のデポジットがガス拡散制限層を透過して多
孔質電極側に流入するのを防止し、これによる多孔質電
極の劣化を抑えて空燃比センサの耐久性を向上している
のでおる。

そして更に空燃比センサの耐久性を確保しつつ、検出信
号の温度依存性及び圧力依存性を少なくするには、気孔
率を２０±５％、厚さを６００±２００μｍとし、気孔
径を０．１μｍ〜７μｍの範囲内に抑えることが好まし
い。

［作用］ 以上のように構成された本発明の空燃比センサでは、検
出素子に流入される測定ガスの拡散がガス拡散制限層で
制限される。また測定ガスはガス拡散制限層内で主とし
て分子拡散により移動する。

この結果、当該空燃比センサによる検出信号の温度依存
性及び圧力依存性は共に抑制され、空燃比検出の対象と
なる燃焼機器の運転変動に対して安定した検出信号が得
られるようになる。またガス拡散制限層の気孔径が大き
過ぎることもなく、その厚さも適度であるので、応答性
を悪化することなく、ガス拡散制限層側の多孔質電極を
測定ガスから保護することも可能となる。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。

まず第１図及び第２図は本実施例の空燃比センサの構成
を表し、第１図はその部分破断斜視図、第２図は分解斜
視図である。

図に示す如く本実施例の空燃比センサは、固体電解質板
１の両面に夫々多孔質電極２及び３を積層してなる酸素
ポンプ素子４と、固体電解質板５の両面に多孔質電極６
及び７を積層してなる酸素濃淡電池素子８と、これら各
検出素子４及び８の間に積層され、各検出素子４及び８
の対向する多孔質電極３及び６部分で中空部９ａが形成
されたスペーサ９と、酸素濃淡電池素子８の多孔質電極
７側に積層される遮蔽体１０と、から構成されている。

また酸素ポンプ素子４及び遮蔽体１０の外側面には、ス
ペーサ１１及び１２を介して、各外側面との対向面上に
発熱抵抗パターン１３及び１４を有する加熱素子１５及
び１６が設けられ、スペーサ１１及び１２によって形成
される間隙を介して酸素ポンプ素子４及び酸素濃淡電池
素子８を加熱できるようにされている。

ここでスペーサ９は、多孔質電極３と多孔質電極６との
間で測定ガスの拡散が制限された測定ガス至を形成する
ためのもので、その中空部９ａが測定ガス室とされる。

またこのスペーサ９には、その中空部９ａ内に周囲の測
定ガスを導入できるよう、中空部９ａ周囲の４箇所に切
り欠きが形成され、各切り欠き部分には中空部９ａ内部
に導入される測定ガスの拡散を制限するガス拡散制限層
２０が設けられている。

次に遮蔽体１０は酸素濃淡電池素子８の多孔質電極７を
外部の測定ガスから遮断し、この電極を内部酸素基準源
として動作させるためのものである。

つまり上述したように酸素濃淡電池素子８に所定の電流
を流して中空部９ａ内の酸素を多孔質電極７側に汲出し
、その汲出された酸素を一定量外部に漏出するよう構成
すれば、多孔質電極７の酸素ガス分圧が一定となって、
酸素濃淡電池素子８の各電極６．７間に中空部９ａ内の
酸素分圧に応じた電圧が発生することから、遮蔽体１０
を用いて多孔質電極７を外部から遮蔽することで、多孔
質電極７を内部酸素基準源として動作させることかでき
るようにしているのである。

また多孔質電極７を内部酸素基準源として動作させるに
は、多孔質電極７内の酸素を外部に漏出させる必要かあ
るが、このために本実施例では、多孔質電極７と多孔質
電極６とをアルミナ等からなる多孔質絶縁体Ｚ及びスル
ーボール１−１を介して接続し、多孔質電極７側の酸素
を多孔質絶縁体Ｚ及びスルーホールＨを介して中空部９
ａに漏出できるようにされている。

このように構成された本実施例の空燃比センサは、各加
熱素子１５及び１６の発熱抵抗パターン１３及び１４に
、夫々、端子１３ａ及び１３ｂ、端子１４ａ及び１４ｂ
を介して所定の電圧を印加することにより、酸素ポンプ
素子４及び酸素濃淡電池素子８を加熱して活性化させ、
酸素ポンプ素子４の多孔質電極２及び３、酸素濃淡電池
素子８の多孔質電極６及び７を、端子２ａ、３ａ、６ａ
、７ａを介して第３図に示す如き空燃比検出回路３０に
接続し、これを駆動することによって動作される。

空燃比検出回路３０は、第３図に示す如く、酸素濃淡電
池素子８の多孔質電極７に所定の電圧■ｂ（例えばｌ０
Ｖ）を印加し、基準電圧Ｖａ（例えば５Ｖ）が印加され
た他方の多孔質電極６側に流れる電流を制限する抵抗Ｒ
と、酸素濃淡電池素子８の両側の電極に発生して基準電
圧Ｖａによって嵩上げされた電圧を検出する、演算増幅
器ＯＰ１により構成されたバッファ回路３１と、このバ
ッファ回路３１より出力される検出電圧を増幅する、演
咋増幅器ＯＰ２により構成された非反転増幅回路３２と
、この非反転増幅回路３２で増幅された検出電圧を所定
の基準電圧ＶＣと比較し、検出電圧が基準電圧ＶＣより
大きいときに所定の積分定数で以て徐々に低下し、検出
電圧が基準電圧Ｖｃより小さいときに所定の積分定数で
以て徐々に増加する制御電圧を出力する演算増幅器ＯＰ
３を用いて構成された比較・積分回路３３と、上記基準
電圧Ｖａを出力する演算増幅器ＯＰ４により構成された
バッファ回路３４と、バッファ回路３４からの基準電圧
Ｖａを酸素ポンプ索子４の中空部９ａ側の多孔質電極３
に印加し、この電極３と比較・積分回路３３からの制御
電圧が印加されたもう一方の多孔質電極２との間で流れ
る電流を検出するための電流検出用抵抗Ｒｉと、この抵
抗Ｒ１両端に生ずる電圧を空燃比を表す検出信＠Ｖλと
して出力する、演算増幅ＢＯＰ５により構成された出力
回路３５と、から構成されている。

このため空燃比検出回路３０が駆動されると、まず酸素
濃淡電池素子８に所定の電流が流れて中空部９ａ内の酸
素が多孔質電極７側に汲出され、酸素濃淡電池素子８の
多孔質電極６．７間に、多孔質電極７側の酸素分圧と中
空部９ａ内の酸素分圧との比に応じた電圧が発生するよ
うになる。すると空燃比検出回路３０では、この電圧が
基準電圧ＶＣで決定される所定電圧となるよう、即ち中
空部９ａ内の酸素分圧が一定になるよう、酸素ポンプ素
子４に流れる電流（ポンプ電流〉を双方向に制御し、こ
の電流値を検出信号λとして出力する。

即ち中空部９ａ内の酸素分圧が所定値以下であれば酸素
ポンプ素子４に流れる電流を測定ガス中の酸素を中空部
に組込む方向に制御し、逆に中空部９ａ内の酸素分圧が
所定値以上であれば酸素ポンプ素子４に流れる電流を中
空部９ａ内の酸素を周囲の測定ガス中に排出する方向に
制御することで、中空部９ａ内の酸素分圧を一定に保ち
、この時電流ンプ素子４に流れる電流を検出することで
空燃比のリッヂからリーンにかけて連続的に変化する検
出信号■λが得られるようにしているのである。

ところで上記のように構成される空燃比センサでは、測
定ガスの温度や圧力によって検出信号が変動し、また長
時間使用すると測定ガスによって空燃比セン１ノ°が劣
化し、検出特性が変化するといった問題がある。

そこで本発明者等は、先ず本実施例の空燃比センサを、
ガス拡散制限層２０の構成のみを違えて複数個作製し、
上記空燃比検出回路３０を用いて得られる検出信号から
酸素ポンプ素子４に流れるポンプ電流Ｉｐを求め、その
温度依存性、圧力依存性、及び応答性を実験的に求めた
（実験１）。

そしてこの実験１の結果、温度依存性及び圧力依存性が
共に所定レベル以下となった空燃比センサを実際の内燃
機関に装着し、内燃機関の運転状態を種々変更して、空
燃比センサの内燃機関の運転状態依存性を求めた（実験
２）。

また実験１の結果温度依存性及び圧力依存性が共に所定
レベル以下となることが確認された空燃比センサを更に
複数個作成し、有鉛ガソリンを燃料とする内燃機関を用
いた耐久試験等により、空燃比センサの耐デポジット性
を求めた（実験３）。

以下これら各実験及びその結果について説明する。

（実験１〉 この実験を行うに当たっては、まず酸化ジルコニウムに
酸化イツトリウムを５．５モル％添加混合して仮焼反応
させた後粉砕し、有機バインダと有機溶剤とにより混合
して泥漿とし、キャスティングにより厚さ０．４ＩＩＪ
ＪＲ程度の生シートを造り、これに白金電極を印刷する
といった手順で、酸素ポンプ素子４及び酸素濃淡電池素
子８の各検出素子層を作成した。また各検出素子層の間
に積層されるスペーサ９にはジルコニアを用い、その切
り欠き部分に、粒度分布０．１〜５μｍ、平均粒径１．
５μｍのアルミナ粉末からなり、フランクス分として５
ｉＯｚがＯ〜８．５重量％添加されたペーストを印刷す
ることによってガス拡散制限層２０を形成した。そして
この検出素子層の積層体に更にジルコニアからなる遮蔽
体１０を積層した俊焼成し、表１に示す如き形状で、表
２に示す如くガス拡散制限層の構成の異なる７個の空燃
比センサＳ１〜Ｓ７を作成した。

また加熱素子１５及び１６は、アルミナを主成分とする
生シートを作成し、その復発熱抵抗パターンを印刷して
焼成した後、上記焼成された検出素子の積層体の両側面
に、耐熱セメントを介して積層することにより設けた。

尚、耐熱セメントはスペーサ１１及び１２を構成するも
ので、本実施例ではその厚みを１００μｍとした 尚、上記多孔質電極２は測定ガスにそのまま接すること
からその表面にはアルミナからなる多孔Ｉ？４層を設け
た。

また表２に示ずガス拡散制限層の厚さとは、測定ガスの
拡散方向の深さ、即ち測定ガスがガス拡散制限層を通過
する際の通路長を表し、第２図に示すＷのことである。

そして本実施例ではこのガス拡散制限層の幅、即ち第２
図に示す切り欠き部分の幅Ｘを１ｒｎｒｎとした。

実験１−■ このように作成された複数の空燃比センサＳ１〜Ｓ７を
、夫々、窒素ガスと酸素ガスとを一定の割合いて混合し
てなる一定圧の雰囲気中に配設し、加熱素子１５及び１
６への印加電圧を変更することで検出素子部の温度を変
更して、各空燃比センサの温度依存性を測定した。その
結果検出素子部の温度が１００’Ｃ変化すると、ポンプ
電流ＩＦ）は表２に■で示す如く変化し、ガス拡散制限
層２０の気孔率及び気孔径が小さい程空燃比センサの温
度依存性を抑えることができるのがわかった。これは、
ガス拡散制限層２０の気孔率及び気孔径が小さい程、測
定ガスがガス拡散制限層２０を通過するときの細孔拡散
の割合いが大きくなるためである。

実験１−■ 加熱索子１５及び１６への印加電圧及び周囲雰囲気の窒
素ガスと酸素ガスとの割合いを一定とし、周囲雰囲気の
圧力を変化させて、各空燃比センサの圧力依存性を測定
した。その結果周囲雰囲気の圧力がＱ、３ａｔｍ変化す
ると、ポンプ電流Ｉｔ）は表２に■で示す如く変化し、
気孔率及び気孔径が大きい程空燃比センサの圧力依存性
を抑えることができるのがわかった。これは、上記温度
依存性とは逆に、ガス拡散制限層２０の気孔率及び気孔
径が大きい程、測定ガスがガス拡散制限層２０を通過す
るときの分子拡散の割合いが大きくなるためである。

実験１−■ 上記各空燃比センサを実際の内燃は関に取付け、内燃機
関を１５０Ｏｒ、ｐ、ｍ、で回転させながら空燃比を１
２から１８に変更したときの検出信号の応答性を測定し
た。その結果、内燃機関の空燃比が１２から１８に変化
すると、検出信号が１０％〜９０％変化するまでの時間
は表２に■で示す如くなり、気孔径及び気孔率が小さい
程応答性が恕いことがわかった。これは、気孔率及び気
孔径が小さい程ガス拡散制限層２０内での測定ガスの拡
散速度が低いためである。

そして上記各実験結果から、温度依存性及び圧力依存性
が１０％以内となる空燃比センサは、気孔率が１０％〜
３０％の範囲内にあり、気孔径が０．１μｍ〜７．０μ
ｍで平均気孔径が１．０μｍ〜３．０μｍの範囲内にあ
る、Ｓ２〜Ｓ６の空燃比センサであり、ガス拡散制限層
２ｏの気孔率及び平均気孔径がこの範囲内になるよう構
成すればよいことがわかる。また温度依存性及び圧力依
存性を更に８％以内に抑えるには、これら空燃比センサ
の内、気孔率が１５％〜２５％内にあるＳ３〜Ｓ５の空
燃比センサであり、より安定した検出信号を得るには、
ガス拡散制限層２ｏの気孔率がこの範囲内になるよう構
成すればよいことがわかる。

（実験２） 上記実験１の結果、温度依存性及び圧力依存性が共に良
好であった、気孔率２５．８％、平均気孔径２．３μｍ
、厚さ５００〜８００μｍの空燃比セン９Ｓ５を、排気
量が２０００ｃｃで６気筒のガソリンエンジンの排気系
に取付け、表３に示ず運転領域Ａ〜ト１での検出信号を
測定した。その結果、アイドル時及び各運転領域Ａ−Ｈ
での排気温Ｔｇ、検出素子温Ｔｓ、排気圧ＰＥ、排気圧
の変化量（排気の脈動）ΔＰＥは第４図に示す如くなり
、ポンプ電流は第５図に示す如くなった。

表−３ （但し、Ｐｂ：吸気圧ｍｍＨｇ、　Ｓ　：　スロット）
Ｉ、を開度）第４図に示す如く、空燃比センサの取付け
られる実際の燃焼機器（当該実験では内燃機関）に於い
ては、その運転状態に応じて排気温や排気圧が変動する
だけでなく、排気圧が常時脈動することとなるのである
が、上記空燃比センサＳ５を用いれば、総合的空燃比に
対する検出信号の変動幅は、空燃比に換算して］０％以
内に抑えることかできることがわかった。

即ち第５図に示す如く、空燃比が１８．１６．１４．１
２となる運転領域でのポンプ電流Ｉｔ）の変動幅は、空
燃比に換算して＋０．２、＋０．１５、＋０．０５、＋
０．１２、となり、これらを総合的に判断すると、上記
空燃比センサＳ５によって得られる検出信号の出力変動
は１０％以内に収まることとなり、この実験２によって
、上記空燃比センサ−８５を用いれば実際の内燃機関の
運転変動に対しても空燃比を安定して検出できることが
確認されたのである。

尚、上記実験１で温度依存性及び圧力依存性が共に良好
であると確認された他の空燃比センサＳ２、Ｓ３、Ｓ４
及びＳ６、に対しても夫々同様の測定を行った結果、内
燃機関の運転変動に対する検出信号の変動幅は空燃比に
換算して１０％に収まることが確認された。

く実験３） ｔＪ）実ｘ１行うに当たっては、上記実験１で温度依存
性及び圧力依存性が共に良好であると判断された、気孔
率が１０％〜３０％の範囲内にあり、平均気孔径が１．
０μｍ〜３．０μｍにあるガス拡散制限層を備え、しか
もその厚みが２００μｍ〜１０００μｍの（ＩＩ！］ち
、本発明の）空燃比センサを複数個準備し、排気量が１
６００ｃｃで４気筒のガソリンエンジンを用いた。

実験３−■ 上記準備した空燃比センサのうちの４個を上記エンジン
の排気系に取付け、このエンジンを、燃料二右鉛ガソリ
ン（鉛含有量１．５Ｑ／Ｇａ　ｌ　）、空燃比：約１２
、回転数：５ｏｏｏｒ、ｐ、ｍ、の一定条件下で１０９
時間運転することによって、空燃比センサの耐久試験を
行った。その結果第６図に示す如く耐久試験後のポンプ
電流Ｉｐの変動幅は、空燃比に換算すると、空燃比１２
において、最大−０，１５、平均−０，０７５、空燃比
１８において、最大＋０．１３、平均＋０．００５とな
つた。

この■の実験から、排気中のデポジットにより空燃比セ
ンサの劣化が問題となる有鉛ガソリンを用いた内燃機関
においても、上記空燃比センサを用いれば、検出信号の
変動は少なくなり（上記■による検出信号の変動幅は平
均３％程度に抑えられる）、良好な耐久性が得られるこ
とがわかった。

これは、ガス拡散制限層の気孔率及び気孔径を上記のよ
うに設定したことでガス拡散制限層内でのデポジットの
目詰りが少なくなり、またガス拡散制限層の厚さを上記
のように設定することで、排気が中空部９ａ側の電極層
を直撃するのを防止できるからである。

実験３−■ 実験１で温度依存性又は圧力依存性が悪いと判断された
空燃比センサＳｌ　、３７を夫々上記実験３−■で用い
たエンジンの排気系に取り付け、上記と同様の運転条件
下で１００時間の耐久試験を行った。その結果、空燃比
センサＳ１のポンプ電流１ｐの変動幅は、空燃比にＦＡ
算すると、第６図に一点鎖線で示す如く、空燃比１２に
おいて一〇。

７５、空燃比１８において＋１．０となり、空燃比セン
サＳ１のポンプ電流Ｉｐの変動幅は、空燃比に換算する
と、第６図に二点鎖線で示す如く、空燃比１２において
−０，４２，空燃比１８において−０，６となって、共
に良好な耐久性が得られないことがわかった。これは空
燃比センサＳ１ではガス拡散制限層の気孔率、気孔径が
小さく、気孔が目詰まりし、逆に空燃比センサＳ７では
、ガス拡散制限層の気孔率、気孔径が大きく、排気中の
鉛成分が測定ガス室内に透過し、電極が鉛におかされて
しまうからである。

実験３−■ 上記準備した空燃比センサのうちの２個のセンサのガス
拡散制限層に、平均粒径１μｍのアルミナ粉末を約０　
、５　Ｋｌ　／　ＣＩ！ｔの圧力で押付け、気孔を穴埋
めし、検出信号の変化を測定した。その結果一方の検出
信号は変化せず、他方の検出信号は１゜５％変動した。

また更に他の空燃比センサを同様に実験したが、その出
力信号の変化率は２％以内に収まることが確認された。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の空燃比センサによれば、
検出信号の温度依存性及び圧力依存性を共に低レベルに
抑えることができ、しかもその耐久性を向上することが
できる。このため内燃機関等、空燃比センサの取付けら
れる各種燃焼機器の運転状態が変動しても常時安定した
検出信号を得ることができるようになり、空燃比の検出
精度を長時間保証することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の空燃比センサを表す一部破断斜視図、
第２図は同じ〈実施例の空燃比センサの分解斜視図、第
３図はこの空燃比を動作させて空燃比を検出するための
空燃比検出回路を表す電気回路図、第４図は実験２を実
行した際の内燃機関の運転状態及び空燃比センサの温度
変化を表す線図、第５図はその実験結果を表す線図、第
６図は実験３の実験結果を表す線図、第７図は分子拡散
及び細孔拡散を表す式により理論的に求められる検出素
子の温度変化に対する空燃比検出信号の変化を表す線図
、第８図は分子拡散及び細孔拡散を表す式により理論的
に求められる測定ガスの圧力変化に対する空燃比検出信
号の変化を表す線図、である。 １．５・・・固体電解質 ２．３．６．７・・・多孔質電極 ９・・・スペーサ １０・・・遮蔽体 ２０・・・ガス拡散制限間

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 酸素イオン伝導性の固体電解質両面に一対の多孔質電極
   を積層してなる検出素子と、 該検出素子の一方の多孔質電極側に直接又は閉鎖空間を
   介して間接的に設けられ、該電極側に流入する測定ガス
   の拡散を制限するガス拡散制限層と、 を備えた空燃比センサにおいて、 上記ガス拡散制限層を、気孔率１０％〜３０％、平均気
   孔径１μｍ〜３μｍ、厚さ２００μｍ〜１０００μｍ、
   の多孔質層により構成してなることを特徴とする空燃比
   検出装置。