JPH02307052A - 空燃比センサ - Google Patents

空燃比センサ

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JPH02307052A
JPH02307052A JP1127762A JP12776289A JPH02307052A JP H02307052 A JPH02307052 A JP H02307052A JP 1127762 A JP1127762 A JP 1127762A JP 12776289 A JP12776289 A JP 12776289A JP H02307052 A JPH02307052 A JP H02307052A
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air
fuel ratio
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Yoshiki Nakajo
中條 芳樹
Shinko Shibata
柴田 真弘
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
NipponDenso Co Ltd
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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〕 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。
〔従来の技術〕
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僅に相当する空燃比よりリ
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理論空燃比よ
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L、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L、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。
〔課題を解決するための手段〕
この発明によれば、固体電解質本体の両面に電極を形成
L、一方の電極は拡散律速層を介して被検出ガスの側に
位置L、他方の電極は大気側に位置され、電極間に発生
される限界電流を計測することにより空燃比を検出する
空燃比センサにおいて、大気空間を大気に接続する大気
導入通路を設け、該通路の断面積S、長さをL、計測を
要求される最もリッチ側の空燃比における電極間に発生
すべき電流をII(rich)、定数をKとしたとき小
孔の断面積の長さに対する比S/Lが K が成立するように選定されていることを特徴とする酸素
センサが提供される。
〔作用〕
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逢焼に要する量
の空気の存在によ、って、センサで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。
〔実施例〕
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
持するホルダ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7
50゜C)に制御される。センサ12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■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流Itを限界
電流と称L、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3
0を供え、その一方の入力30−1は電極14−j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、その人力30−1.30−2の電位を等し
くする比較器として機能L、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■
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〜l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ついる。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L、帰還抵抗38によって抵抗30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14−1.1
4−2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1.4.−1 。
14−2が位置L、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L、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。熱的平衡状態との仮定において、リッチ状態
(即ち、排気ガス中に未燃ガス(CO2H,、I(C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16λ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)IIは、周知のように、 によって現される。ここに、Dotは酸素分子の拡散係
数、Sは小孔16の断面積、Lは小孔16の長さ、T、
は小孔部の温度、Paは大気中の酸素の分圧である。上
式は 11= −K x −(21 と書ける。ここに、 xTh である。要求を検出されるとき下限の空燃比における限
界電流をILIckとすれば、 l 11.+cb l >It           
  (4)を満たすことが必要であり、従って、その限
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部6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、T、・500’
 C、cヒータによってセンサ温度を750°Cに制御
した場合に想定される小孔の付近の温度) 002 :1.168(cm”xs −’ (Th =
500’ Cにおける拡散係数の値)) R□82.05(em’Xatm −’×deg −’
X m01−’)F  =96500(Axs X m
ol−’)Pa  =0.21(arm) とすると、 K =1.49(AXcm”) 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一30mAとして、−>2.
OXIO”(cm)           (61が成
立することが必要である。
第3図+a)、tb+はホルダ20に設けられる大気導
人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でもよいしく第3図(a))、若し
くはスリット261 (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
さしが決定される。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261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2
6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、 L     K 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。
【図面の簡単な説明】
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、1
8・・・ヒータ、20・・・ホルダ、26・・・小孔、
261・・・スリット、28・・・限界電流計測回路、
30・・・オペアンプ、 S・・・大気導入通路の断面積、L・・・同長さ実用新
案登録出願人 トヨタ自動車株式会社 日本電装株式会社 実用新案登録出願代理人

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】  固体電解質本体の両面に電極を形成し、一方の電極は
    拡散律速層を介して被検出ガスの側に位置し、他方の電
    極は大気側に位置され、電極間に発生される限界電流を
    計測することにより空燃比を検出する空燃比センサにお
    いて、大気の導入用の通路を具備し、該通路の断面積S
    、長さをL、計測を要求される最もリッチ側の空燃比に
    おける電極間に発生すべき電流をI1(rich)、定
    数をKとしたときに小孔の断面積の長さに対する比S/
    Lが  S/L>|I1(rich)|/K が成立するように選定されていることを特徴とする酸素
    センサ。
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