JP2866966B2 - 空燃比センサ - Google Patents
空燃比センサInfo
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- JP2866966B2 JP2866966B2 JP1127762A JP12776289A JP2866966B2 JP 2866966 B2 JP2866966 B2 JP 2866966B2 JP 1127762 A JP1127762 A JP 1127762A JP 12776289 A JP12776289 A JP 12776289A JP 2866966 B2 JP2866966 B2 JP 2866966B2
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- Japan
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- air
- fuel ratio
- atmosphere
- heater
- electrode
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- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は内燃機関において空燃比を検出するための
限界電流型の空燃比センサに関する。
限界電流型の空燃比センサに関する。
最も通常の酸素センサはジルコニア等の固体電解質本
体を具備した所謂酸素濃淡電池型のものであって、この
タイプの酸素センサは化学的当量に相対する空燃比より
リッチ側で発生する起電力を検出するものである。した
がって、このタイプの酸素センサにおいては、論理空燃
比よりリッチかリーンかということしか検出できない。
そこで、リッチからリーンにわたる広範囲の空燃比の検
出を可能とした所謂限界電流型の酸素センサが提案され
ている。この限界電流型の酸素センサは、多孔質により
形成される拡散律速層を、固体電解質本体上に形成され
る電極の回りに形成している。電極に電圧を印加したと
きに被検出ガスである排気ガスと基準ガスである大気と
の酸素濃度の差によって固体電解質本体を流れる電流は
拡散律速層を通る酸素イオン拡散速度によって制限さ
れ、そのため電極間の電流特性が飽和する印加電圧が存
在している。そして、この飽和電流値（所謂限界電流）
は大気と排気ガスとの酸素濃度差、即ち空燃比に対して
比例的関係にある。そこで、各空燃比にわたって限界電
流の直線関係を得ることができる一定の起電力が印加さ
れるように電極に加わる電流（ポンプ電流）を制御し、
その電流値より空燃比を知るものが提案されている。例
えば特開昭61−180131号参照。
体を具備した所謂酸素濃淡電池型のものであって、この
タイプの酸素センサは化学的当量に相対する空燃比より
リッチ側で発生する起電力を検出するものである。した
がって、このタイプの酸素センサにおいては、論理空燃
比よりリッチかリーンかということしか検出できない。
そこで、リッチからリーンにわたる広範囲の空燃比の検
出を可能とした所謂限界電流型の酸素センサが提案され
ている。この限界電流型の酸素センサは、多孔質により
形成される拡散律速層を、固体電解質本体上に形成され
る電極の回りに形成している。電極に電圧を印加したと
きに被検出ガスである排気ガスと基準ガスである大気と
の酸素濃度の差によって固体電解質本体を流れる電流は
拡散律速層を通る酸素イオン拡散速度によって制限さ
れ、そのため電極間の電流特性が飽和する印加電圧が存
在している。そして、この飽和電流値（所謂限界電流）
は大気と排気ガスとの酸素濃度差、即ち空燃比に対して
比例的関係にある。そこで、各空燃比にわたって限界電
流の直線関係を得ることができる一定の起電力が印加さ
れるように電極に加わる電流（ポンプ電流）を制御し、
その電流値より空燃比を知るものが提案されている。例
えば特開昭61−180131号参照。
［発明が解決しようとする課題］ ところが、従来の全域型のセンサでは理論空燃比より
相当にリッチ側の空燃比の空燃比の計測が困難であっ
た。この発明の発明者はこの点について検討の結果その
原因を突き止めこの発明に到達したものである。すなわ
ち、全域型のセンサではリッチ側の空燃比を計測するに
は排気ガス中に過剰に存在する未燃焼のHCおよびCOを完
全に燃焼することができるに充分な空気が大気側より導
入されていることが必要である。ところが、大気室には
センサを活性温度に制御するためのヒータが設けられて
いるため大気の導入用通路はヒータの存在によってその
形成箇所が制限を受ける。そして従来技術では大気の導
入通路の寸法の重要性の認識がなかったため適当な寸法
の孔を形成していたがヒータによって孔の形成箇所に余
裕がないことから勢い孔の寸法は必要より小さくなって
おり、その結果リッチ側の空燃比が計測できない問題点
があったのである。この発明はこの問題点を解決し、リ
ッチ側の空燃比を精度良く検出できるようにすることを
目的とするものである。
相当にリッチ側の空燃比の空燃比の計測が困難であっ
た。この発明の発明者はこの点について検討の結果その
原因を突き止めこの発明に到達したものである。すなわ
ち、全域型のセンサではリッチ側の空燃比を計測するに
は排気ガス中に過剰に存在する未燃焼のHCおよびCOを完
全に燃焼することができるに充分な空気が大気側より導
入されていることが必要である。ところが、大気室には
センサを活性温度に制御するためのヒータが設けられて
いるため大気の導入用通路はヒータの存在によってその
形成箇所が制限を受ける。そして従来技術では大気の導
入通路の寸法の重要性の認識がなかったため適当な寸法
の孔を形成していたがヒータによって孔の形成箇所に余
裕がないことから勢い孔の寸法は必要より小さくなって
おり、その結果リッチ側の空燃比が計測できない問題点
があったのである。この発明はこの問題点を解決し、リ
ッチ側の空燃比を精度良く検出できるようにすることを
目的とするものである。
前記課題を解決するために本発明によれば、試験管状
をなす固体電解質本体の内周面上に大気側電極を配置す
ると共に外周面上に排気側電極を配置し、固体電解質本
体の内部空間からなる大気室を大気に連通して大気側電
極を大気と接触せしめ、排気側電極を拡散律速層を介し
排気と接触せしめ、これら電極間に発生する限界電流を
検出することにより空燃比を検出するようにし、大気室
内に空燃比センサを加熱するためのヒータを配置した空
燃比センサにおいて、固体電解質本体とヒータ間に形成
される間隙内に配置されたホルダによりヒータを保持
し、このホルダ内に大気室と大気とを連通する小孔を形
成し、この小孔の断面積Ｓおよび長さＬが次式を満たす
ように小孔を形成している。
をなす固体電解質本体の内周面上に大気側電極を配置す
ると共に外周面上に排気側電極を配置し、固体電解質本
体の内部空間からなる大気室を大気に連通して大気側電
極を大気と接触せしめ、排気側電極を拡散律速層を介し
排気と接触せしめ、これら電極間に発生する限界電流を
検出することにより空燃比を検出するようにし、大気室
内に空燃比センサを加熱するためのヒータを配置した空
燃比センサにおいて、固体電解質本体とヒータ間に形成
される間隙内に配置されたホルダによりヒータを保持
し、このホルダ内に大気室と大気とを連通する小孔を形
成し、この小孔の断面積Ｓおよび長さＬが次式を満たす
ように小孔を形成している。
S/L＞Il（rich）|/K ここでIl（rich）は検出が要求される最もリッチ側の空
燃比において電極間に発生すべき限界電流を、Ｋは定数
をそれぞれ表している。
燃比において電極間に発生すべき限界電流を、Ｋは定数
をそれぞれ表している。
リッチ領域の空燃比の測定の際に、センサにおいて
は、拡散層より律速されて固体電解質のところに導入さ
れる排気ガス中の過剰の未燃ガス成分の丁度燃焼に要す
る量の空気の存在によって、センサの必要な反応が得ら
れ、その際発生する電流により空燃比を知ることができ
る。そして、前式を充足させることによってこの要求が
満たされ、その空燃比を計測することができる。同時
に、ヒータを保持するホルダが固体電解質本体とヒータ
間の間隙に配置されているのでヒータが確実に保持され
る。
は、拡散層より律速されて固体電解質のところに導入さ
れる排気ガス中の過剰の未燃ガス成分の丁度燃焼に要す
る量の空気の存在によって、センサの必要な反応が得ら
れ、その際発生する電流により空燃比を知ることができ
る。そして、前式を充足させることによってこの要求が
満たされ、その空燃比を計測することができる。同時
に、ヒータを保持するホルダが固体電解質本体とヒータ
間の間隙に配置されているのでヒータが確実に保持され
る。
第２図において、空燃比センサ10は、安定化ジルコニ
ア等の固体電解質より構成される、一端が閉じ他端が開
放した本体12と、本体の内面および外面に形成される電
極14−1,14−２と、本体12の外周に外側電極14−２を包
囲するように配置される拡散律速層を形成する多孔質の
支持体16（例えばセラミックの焼結にて形成することが
できる）と、ヒータ18を本体12に保持するボルダ20とを
具備する。ヒータ18は図示しない通電制御回路に接続さ
れ、所定の活性温度（例えば750℃）に制御される。セ
ンサ10は内燃機関の排気管22に取り付けられる。本体12
の内側の大気室24はホルダ20内に形成される複数の小孔
26（第３図（ａ））により実現される大気導入通路を介
して大気に連通される。第４図は電極14−1,14−２間に
印加される電圧Ｖと電極間を流れる電流Ｉとの関係を示
すもので、各空燃比A/Fにおいて、電圧に関わらず電流
が一定の飽和領域がある。この飽和領域での電極Ilを限
界電流と称し、この限界電流は第５図の実線から分かる
ように空燃比に一対一の対応がある。
ア等の固体電解質より構成される、一端が閉じ他端が開
放した本体12と、本体の内面および外面に形成される電
極14−1,14−２と、本体12の外周に外側電極14−２を包
囲するように配置される拡散律速層を形成する多孔質の
支持体16（例えばセラミックの焼結にて形成することが
できる）と、ヒータ18を本体12に保持するボルダ20とを
具備する。ヒータ18は図示しない通電制御回路に接続さ
れ、所定の活性温度（例えば750℃）に制御される。セ
ンサ10は内燃機関の排気管22に取り付けられる。本体12
の内側の大気室24はホルダ20内に形成される複数の小孔
26（第３図（ａ））により実現される大気導入通路を介
して大気に連通される。第４図は電極14−1,14−２間に
印加される電圧Ｖと電極間を流れる電流Ｉとの関係を示
すもので、各空燃比A/Fにおいて、電圧に関わらず電流
が一定の飽和領域がある。この飽和領域での電極Ilを限
界電流と称し、この限界電流は第５図の実線から分かる
ように空燃比に一対一の対応がある。
空燃比検出回路28は電極14−1,14−２の間に発生され
る限界電流を検出するものであり、オペアンプ30を供
え、その一方の入力30−１は電極14−１に接続され、他
方の入力30−２は抵抗31、電源32を介して、電極14−２
に接続される。オペアンプ30は周知の通り、その入力30
−1,30−２の電位を等しくする比較器として機能し、換
言すれば、センサ10の電極14−1,14−２間に限界電流域
における電圧Ｖを印加するように機能するものである。
オペアンプ30の出力30−３は帰還抵抗36を介して入力30
−１に接続されるが、この帰還抵抗36と限界電流に応じ
た電流を出力側に取り出すものであり、これが空燃比に
応じたセンサ出力信号となる。一方、オペアンプ30の出
力30−３は第２の帰還抵抗38を介してオペアンプ30の第
２の入力30−２に接続され、この第２の帰還抵抗38は電
源32と直列する抵抗31と共に、センサ印加電圧をポンプ
電流に応じて変化させ、各空燃比に応じて限界電流を計
測することができるようにするものである。即ち、セン
サの電圧電流特性における飽和域は第４図に示すように
空燃比に応じて右上がりの特性となっている。これは、
センサの内部抵抗にもとずくものであるが、一定の印加
電圧では全空燃比に亙って限界電流を計測できないこと
を意味する。しかし、帰還抵抗38によって抵抗31に限界
電流に応じた電流を流すことができ、この電流×抵抗31
の抵抗値の分だけオペアンプ30の入力端子30−２の電位
が変化する。従って、破線のような電圧を電極14−1,14
−２の間に印加することができ、各空燃比で限界電流を
計測可能となる。
る限界電流を検出するものであり、オペアンプ30を供
え、その一方の入力30−１は電極14−１に接続され、他
方の入力30−２は抵抗31、電源32を介して、電極14−２
に接続される。オペアンプ30は周知の通り、その入力30
−1,30−２の電位を等しくする比較器として機能し、換
言すれば、センサ10の電極14−1,14−２間に限界電流域
における電圧Ｖを印加するように機能するものである。
オペアンプ30の出力30−３は帰還抵抗36を介して入力30
−１に接続されるが、この帰還抵抗36と限界電流に応じ
た電流を出力側に取り出すものであり、これが空燃比に
応じたセンサ出力信号となる。一方、オペアンプ30の出
力30−３は第２の帰還抵抗38を介してオペアンプ30の第
２の入力30−２に接続され、この第２の帰還抵抗38は電
源32と直列する抵抗31と共に、センサ印加電圧をポンプ
電流に応じて変化させ、各空燃比に応じて限界電流を計
測することができるようにするものである。即ち、セン
サの電圧電流特性における飽和域は第４図に示すように
空燃比に応じて右上がりの特性となっている。これは、
センサの内部抵抗にもとずくものであるが、一定の印加
電圧では全空燃比に亙って限界電流を計測できないこと
を意味する。しかし、帰還抵抗38によって抵抗31に限界
電流に応じた電流を流すことができ、この電流×抵抗31
の抵抗値の分だけオペアンプ30の入力端子30−２の電位
が変化する。従って、破線のような電圧を電極14−1,14
−２の間に印加することができ、各空燃比で限界電流を
計測可能となる。
第１図は全域型のセンサの原理を説明するモデルであ
り、固体電解質本体12を挟んで電極14−1,14−２が位置
し、電極14−１は大気導入通路としての小孔26を介して
大気と連通し、電極14−２は拡散律速層16が形成する拡
散孔16aを介して排気と連通している。熱的平衡状態と
な仮定において、リッチ状態（即ち、排気ガス中に未燃
ガス（CO,H2,HCガス）が過剰に存在している状態）での
空燃比の計測を可能とするには、拡散孔16aを介して拡
散律速により導入される未燃ガスの量と最低限バランス
する量の空気が、小孔26を介して電極14−１に導入され
なければならない。この際、大気側の電極14−１が陽極
となり、排気側の電極14−２が陰極となるが、陰極より
陽極に運ばれる酸素イオンが固体電解質12のところで未
燃ガスと丁度燃焼される。そして、固体電解質を流れる
電流（限界電流）Ilは、周知のように、 によって現される。ここに、DO2は酸素分子の拡散係
数、Ｓは小孔26の断面積、Ｌは小孔26の長さ、Thは小孔
部の温度、Paは大気中の酸素の分圧である。上式は と書ける。ここに、 である。要求を検出されるとき下限の空燃比における限
界電極Ilrichとすれば、 |Ilrich|＞Il （４） を満たすことが必要であり、従って、この限界電流を計
測可能であるためには が成立するように小孔26の断面積長さ比S/Lを設定する
必要がある。具体的な数値として、 Th＝500℃（ヒータによってセンサ温度を750℃に制御
した場合に想定される小孔の付近の温度） DO2＝1.168（cm2×s-1（Th＝500℃における拡散係数
の値）） Ｒ＝82.05（cm3×atm-1×deg-1×mol-1） Ｆ＝96500（Ａ×ｓ×mol-1） Pa＝0.21（atm） とすると、 Ｋ＝1.49（Ａ×cm2） であり、もし計測するべき空燃比A/F＝10.0とすると、
そのときの電流値は−30mAとして、 が成立することが必要である。
り、固体電解質本体12を挟んで電極14−1,14−２が位置
し、電極14−１は大気導入通路としての小孔26を介して
大気と連通し、電極14−２は拡散律速層16が形成する拡
散孔16aを介して排気と連通している。熱的平衡状態と
な仮定において、リッチ状態（即ち、排気ガス中に未燃
ガス（CO,H2,HCガス）が過剰に存在している状態）での
空燃比の計測を可能とするには、拡散孔16aを介して拡
散律速により導入される未燃ガスの量と最低限バランス
する量の空気が、小孔26を介して電極14−１に導入され
なければならない。この際、大気側の電極14−１が陽極
となり、排気側の電極14−２が陰極となるが、陰極より
陽極に運ばれる酸素イオンが固体電解質12のところで未
燃ガスと丁度燃焼される。そして、固体電解質を流れる
電流（限界電流）Ilは、周知のように、 によって現される。ここに、DO2は酸素分子の拡散係
数、Ｓは小孔26の断面積、Ｌは小孔26の長さ、Thは小孔
部の温度、Paは大気中の酸素の分圧である。上式は と書ける。ここに、 である。要求を検出されるとき下限の空燃比における限
界電極Ilrichとすれば、 |Ilrich|＞Il （４） を満たすことが必要であり、従って、この限界電流を計
測可能であるためには が成立するように小孔26の断面積長さ比S/Lを設定する
必要がある。具体的な数値として、 Th＝500℃（ヒータによってセンサ温度を750℃に制御
した場合に想定される小孔の付近の温度） DO2＝1.168（cm2×s-1（Th＝500℃における拡散係数
の値）） Ｒ＝82.05（cm3×atm-1×deg-1×mol-1） Ｆ＝96500（Ａ×ｓ×mol-1） Pa＝0.21（atm） とすると、 Ｋ＝1.49（Ａ×cm2） であり、もし計測するべき空燃比A/F＝10.0とすると、
そのときの電流値は−30mAとして、 が成立することが必要である。
第３図（ａ）、（ｂ）はホルダ20に設けられる大気導
入通路の構造を説明するのであり、前に説明のように複
数（４個）の孔26でもよいし（第３図（ａ））、若しく
はスリット26′（第３図（ｂ））として構成することが
できる。前式を充足するようにその断面積Ｓ、長さＬが
決定される。ここに、断面積とは４個の孔のトータルの
断面積の意味であることはいうまでもない。
入通路の構造を説明するのであり、前に説明のように複
数（４個）の孔26でもよいし（第３図（ａ））、若しく
はスリット26′（第３図（ｂ））として構成することが
できる。前式を充足するようにその断面積Ｓ、長さＬが
決定される。ここに、断面積とは４個の孔のトータルの
断面積の意味であることはいうまでもない。
ヒータ18をホルダ20によって支持する構造をとった場
合に、小孔26やスリット26′をホルダ20に穿設すること
になるが、従来は前記のような断面積と長さとについて
の配慮がなかったため、単に小孔を形成するだけであっ
た。そのため、ヒータの存在により余り大きな孔を開け
ることができず、上記式を充足しないことがあった。こ
の場合、リッチ側の計測限界がある。例えば、小孔26の
径が空燃比12.0の計測用の空気流を得るに足りなかった
とすると、12.0以下の空燃比では、センサ出力は第４図
の一点鎖線で示すように、同じ計測値しか得られず、計
測が不能となることがあった。
合に、小孔26やスリット26′をホルダ20に穿設すること
になるが、従来は前記のような断面積と長さとについて
の配慮がなかったため、単に小孔を形成するだけであっ
た。そのため、ヒータの存在により余り大きな孔を開け
ることができず、上記式を充足しないことがあった。こ
の場合、リッチ側の計測限界がある。例えば、小孔26の
径が空燃比12.0の計測用の空気流を得るに足りなかった
とすると、12.0以下の空燃比では、センサ出力は第４図
の一点鎖線で示すように、同じ計測値しか得られず、計
測が不能となることがあった。
〔効果〕 この発明によれば、小孔の断面積Ｓ、長さＬをとした
とき、 となるように選定することで、検出を要求されるリッチ
側の下限の空燃比まで精度高く検出することが可能とな
る。同時に、ヒータを保持するホルダが固体電解質本体
とヒータ間の間隙に配置されているのでヒータを確実に
保持することができる。
とき、 となるように選定することで、検出を要求されるリッチ
側の下限の空燃比まで精度高く検出することが可能とな
る。同時に、ヒータを保持するホルダが固体電解質本体
とヒータ間の間隙に配置されているのでヒータを確実に
保持することができる。
第１図はリッチ領域での酸素センサのモデル的な構成
図。 第２図はこの発明の酸素センサの実施例の構成を示す
図。 第３図はヒータホルダの正面図。 第４図は各空燃比におけるセンサ印加電圧とポンプ電流
の関係を示すグラフ。 第５図は空燃比と限界電流との関係を示すグラフ。 10……空燃比センサ、12……固体電解質本体、 14−1,14−２……電極、16……支持体、 18……ヒータ、20……ホルダ、26……小孔、 26′……スリット、28……限界電流計測回路、 30……オぺアンプ、 Ｓ……大気導入通路の断面積、Ｌ……同長さ
図。 第２図はこの発明の酸素センサの実施例の構成を示す
図。 第３図はヒータホルダの正面図。 第４図は各空燃比におけるセンサ印加電圧とポンプ電流
の関係を示すグラフ。 第５図は空燃比と限界電流との関係を示すグラフ。 10……空燃比センサ、12……固体電解質本体、 14−1,14−２……電極、16……支持体、 18……ヒータ、20……ホルダ、26……小孔、 26′……スリット、28……限界電流計測回路、 30……オぺアンプ、 Ｓ……大気導入通路の断面積、Ｌ……同長さ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−32162（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−35360（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 27/41
Claims (1)
- 【請求項１】試験管状をなす固体電解質本体の内周面上
に大気側電極を配置すると共に外周面上に排気側電極を
配置し、固体電解質本体の内部空間からなる大気室を大
気に連通して大気側電極を大気と接触せしめ、排気側電
極を拡散律速層を介し排気と接触せしめ、これら電極間
に発生する限界電流を検出することにより空燃比を検出
するようにし、大気室内に空燃比センサを加熱するため
のヒータを配置した空燃比センサにおいて、固体電解質
本体とヒータ間に形成される間隙内に配置されたホルダ
によりヒータを保持し、該ホルダ内に大気室と大気とを
連通する小孔を形成し、該小孔の断面積Ｓおよび長さＬ
が次式を満たすように小孔を形成した空燃比センサ。 S/L＞|Il（rich）|/K ここでIl（rich）は検出が要求される最もリッチ側の空
燃比において電極間に発生すべき限界電流を、Ｋは定数
をそれぞれ表している。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1127762A JP2866966B2 (ja) | 1989-05-23 | 1989-05-23 | 空燃比センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1127762A JP2866966B2 (ja) | 1989-05-23 | 1989-05-23 | 空燃比センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02307052A JPH02307052A (ja) | 1990-12-20 |
| JP2866966B2 true JP2866966B2 (ja) | 1999-03-08 |
Family
ID=14968064
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1127762A Expired - Lifetime JP2866966B2 (ja) | 1989-05-23 | 1989-05-23 | 空燃比センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2866966B2 (ja) |
-
1989
- 1989-05-23 JP JP1127762A patent/JP2866966B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02307052A (ja) | 1990-12-20 |
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