JPH0311662B2 - - Google Patents

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JPH0311662B2
JPH0311662B2 JP58111951A JP11195183A JPH0311662B2 JP H0311662 B2 JPH0311662 B2 JP H0311662B2 JP 58111951 A JP58111951 A JP 58111951A JP 11195183 A JP11195183 A JP 11195183A JP H0311662 B2 JPH0311662 B2 JP H0311662B2
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JP
Japan
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oxygen
gap
detection cell
output
cavity
Prior art date
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JP58111951A
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English (en)
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JPS604850A (ja
Inventor
Tetsumasa Yamada
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP58111951A priority Critical patent/JPS604850A/ja
Publication of JPS604850A publication Critical patent/JPS604850A/ja
Publication of JPH0311662B2 publication Critical patent/JPH0311662B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
(技術分野) 一般にガス雰囲気、とくに自動車排気ガス中の
酸素濃度を測定するために、酸素イオン導電性固
体電解質を利用した、固体電気化学装置が種々に
開発され、内燃機関の空燃比制御に実用されつつ
あるが、そのうち特開昭58−153155号公報に記載
されたような酸素センサ、即ち、酸素濃度検出
と、酸素汲み出しもしくは汲み入れとにそれぞれ
供する一対の板状固体電解質を間隙を介して各電
極の内外両面に形成した電極の内側にて互いに向
い合わせに固定した酸素センサに関して、かかる
酸素センサが内燃機関の負荷特性、すなわち高速
走行のような高回転運転と例えばアイドリン中に
おけるが如き低回転運転との間における負荷のち
がいの如きに依存して該装置の出力が影響される
ことについての解決につき、以下この明細書に述
べる技術内容は、負荷変動の影響の甚しい内燃機
関などの燃料制御にとくに好適な酸素センサに関
連している。 (従来技術) 内燃機関は稼動回転域が例えば、アイドリング
時のごとき毎分数百回転から、高速走行域におけ
る毎分数千回転に至るように広範にわたり、かよ
うな回転数と負荷とに従う機関出力に応じて、排
気ガス流速が、甚しく変動し、その結果外界のガ
ス流量の影響をうけ易いこの種の酸素センサにと
つて空燃比A/Fの制御に用いるためのその電流
出力が、上記の排気ガス流速の変化すなわち機関
出力の変化に、かなり影響される不利があつた。
この点について従来技術の概要を述べると次のと
おりである。 さて第1図a,b,cに、酸素濃度検出用セル
(以下単に検出セルと呼ぶ)1と、酸素汲出しセ
ル(同様にポンプセルと略す)2とを、それらの
両面に形成した電極Pのうち内側同志をギヤツプ
ないしは空洞部を隔ててスペーサ3により対向さ
せる型式の酸素センサの要部構成と、この酸素セ
ンサを燃焼ガス雰囲気中に配置したとき、検出セ
ル1に発生する起電力Vの電圧部計による読み
が、例えば通常20mVとなるべき、ポンプセル2
の電源5の電流の可変抵抗6による、酸素汲出し
電流の制御の下に該電流出力Ipの、機関出力の影
響と、同様な設定における電流出力Ipの、一定ガ
ス流量下のガス温度の影響とを示した。 本来この種の酸素センサによるこの種の測定方
法では、検出セルとポンプセルとを別個にかつ互
いに離隔させて設けてあるので、センサの電流出
力の温度依存性が補償される構成となつていて、
第1図bの温度依存性を調べた実験結果が示すよ
うに温度そのものの依存性は極めて小さいのであ
るが、第1図cにて、機関の高速回転による車両
の高速走行、従つて高い機関出力下に高温高速の
燃焼ガス流速条件でのIp特性をα曲線で示し、こ
れに対しアイドリングのような機関の低速回転で
の低い機関出力の下に、比較的低温低速の燃焼ガ
ス流速条件におけるIp特性をβ曲線で対比したよ
うに、検出セル1と、ポンプセル2との間のギヤ
ツプへの本来好まない雰囲気燃焼ガスの流入の量
が機関出力に依存して変動する排ガスの流動の変
動に由来して、上記電流出力Ipで代表すべきA/
Fの値に誤差を含む(矢印γ参照)のを、避け得
なかつたのである。 (発明の目的) 上記した出力電流Ipの、いわば燃焼ガス流速依
存性を、有効に排除すること、換言すれば、とく
に内燃機関のように稼動回転数域が広範にわた
り、負荷の如何で排ガスの、とくに流速の変動が
著しいような、燃焼ガス雰囲気中で、安定な電流
出力を適確に得ることができる酸素センサを提案
し、もつてより適切な空燃比A/F制御を実現す
ることが、この発明の目的である。 (発明の構成) 上記の目的はこの発明に従い、次の事項を骨子
とする仕組みにて有利に成就される。 酸素濃度検出と酸素汲出しとにそれぞれ供する
一対の板状固体電解質を、燃焼ガス雰囲気と連通
するギヤツプないしは空洞部を隔だて各板状固体
電解質の内、外両面に形成した電極の内側にて互
いに向い合わせに固定するとともに、酸素濃度検
出を司る板状固体電解質すなわち検出セルの外面
電極の近傍に熱電対の熱接点を配置し、検出セル
出力と熱電対出力の和を所定値となるように作動
させることを特徴とする酸素センサ。 この酸素センサは、各電極のうち少くともギヤ
ツプないし空洞部に面する電極が酸素の拡散抵抗
性を呈する、多孔質耐熱金属を含んだ多孔質層よ
りなるか、または多孔質耐火材料による多孔質被
覆をそなえることが実施態様として推奨される。 この酸素センサは、一対の板状固体電解質を、
燃焼ガス雰囲気と連通するギヤツプないしは空洞
部を隔てて、各板状固体電解質の内、外両面に形
成した電極の内側同志を向い合わせに対設して、
片方を酸素濃度検出セル、他方は酸素汲出し用セ
ルにそれぞれ用い、該検出用セルの起電力を、そ
の外側電極の外面近傍に配置した熱電対の起電力
との和を一定ならしめる酸素汲出し用セルの電流
制御を加えてその電流値により、上記検出用セル
出力特性の、負荷変動には依存しない、燃焼ガス
中酸素濃度の測定を行うように使用するわけであ
る。 ところで燃焼ガス温度は、すでに触れたように
機関回転数と負荷との積すなわち機関出力に応じ
て変化する。いまこの機関出力が熱焼排ガス温度
に及ぼす影響は、第2図のようにほぼリニアな関
係にある。 一方再び第1図aに示した酸素センサにつき雰
囲気温度を一定に保ちつつ、検出セル1の起電力
Vを20mVから、例えば50mVに至る間に増すポ
ンプセル2の酸素汲出し電流の調節下に、該起電
力Vをパラメータとする空燃比A/Fの該電流出
力Ipに及ぼす影響は、第3図の関係になる。 これらの関係に着目して、検出セル1の外面電
極Pに熱接点が接近ないしは部分的に接触するよ
うにたとえばクロメル−アルメル型熱電対(以下
CAと略す)を配置して検出セル1と直列に接続
し、CAの起電力Eと検出セル1の起電力Vとの
合計電圧が或る一定の例えば50mVになるよう
に、ポンプセル2の波出し電流Ipを調節すると、
次の関係が導かれるわけである。 すなわち、燃焼ガスが比較的低温のときCA起
電力Eは低く、逆に高温時には、CA起電力が高
くなり、従つて上に仮定した合計電圧50mVから
の差に相当する検出セル1の起電力の値は、燃焼
ガスが低温の際に高く一方、高温時には低くなる
ことから、該検出セル1の起電力Vにつき、CA
起電力との和が例えば50mVになるポンプセル2
の酸素汲出し電流Ipの電流出力をもつて、空燃比
A/F制御に従来不可避であつた、燃焼排ガス流
速の影響を、補償し得るわけである。 第4図にこの発明に従う酸素センサの外観を、
また第5図a,bにてその断面を、同図cの検出
セル1の要部とともに1実施例につき図解した。 図中1は検出セル、2はポンプセル、3はスペ
ーサとしての接着剤層、4は電圧計、5は電源、
また6は可変抵抗で、第1図aに示したところと
ほぼ同様であるほか、7はCAの熱接点、8は同
じく冷接点、9は熱電対線であり、CAはすでに
述べたように検出セル1と直列に、すなわち検出
セル1の+側にCAの−側をつないで、検出セル
1の−側とCAの+側とで、リード線10を介し
電圧計4に接続する。 なお11はポンプセル2のリード線で電源5お
よび可変抵抗器6に接続し、また12はポンプセ
ル2の背面に沿わせて配置したヒータで、リード
線13を介し予熱用電源5′につなぐ。 上記各要素は筒状のセンサ本体14の内部に耐
熱性充てん固着剤15により保持し、センサ本体
14にかぶせた保護管16の透孔17により連通
する燃焼ガス雰囲気と接触可能とする。 センサ本体14には継筒18,19を連結して
各リード線10〜13を、それらの接続端子とと
もに充てん固着剤20により保持し、継筒19の
端部にかしめ止めした閉止部材21から各リード
線を外部に引き出す。なお22は取付けねじであ
る。 検出セル1、ポンプセル2はともに例えば安定
化ジルコニア磁器のような、酸素イオン導電性固
体電解質の板状体の両面に、酸素の拡散抵抗性を
もつ多孔質金属を含む多孔質からなる電極または
酸素の拡散抵抗性をもつ多孔質耐火材料による被
覆をそなえる電極をそなえ、それらの内側同志が
互いにギヤツプを隔ててスペーサ3により合体す
るほか、検出セル1の外面中央にこの例では0.32
mmφのアルメル−クロメル線よりなるCAの熱接
点7を位置させ耐熱接着剤などにより固定する。 CAの熱起電力Eは、検出セル1の起電力Vと
の合計電圧E+Vでもつて、第3図につきすでに
触れた、検出セル1の電圧をパラメータとする
A/F−Ipの関係を利用して第1図bで説明した
誤差の補正に役立つわけである。 すなわちCAはその熱電対線9の長さlの選択
によつて、たとえば熱接点温度が800℃のとき、
冷接点温度400℃、また前者が300℃のとき後者は
100℃と云つた温度勾配をもち、従つて熱接点7
と冷接点8との各温度で発生する起電力の差に当
るCAの起電力Eが熱電対線9の長さlによつて
決定され、結局、CAにより補正をすべき第1図
bの誤差γに応じて、それが大きいときlを長
く、また小さいとき短くすることにより、必要な
補正が全うされるわけである。 上に述べた酸素センサを、CAの配置のない点
でのみ異なる在来センサとともに、種々な条件の
燃焼排ガス雰囲気中にて次のように動作させて、
第6図に示すIp−A/F特性が得られた。 はじめに空燃比A/Fを15に設定し、その後
A/Fが20になるまで排ガスに順次空気を混入
し、このときA/Fは、λスキヤンガス分析器に
より計測した。 排ガス温度およびA/Fに応じる排ガス流量
は、次表のとおりである。
【表】 なおヒータ12に対し14Vを印加して、測定温
度環境を揃えた。 第6図において、在来センサは高い機関出力に
対応する高温大流量の際におけるα曲線と、低い
機関出力に相当する比較的低温小流量時のβ曲線
との誤差が著しいのに反し、この発明による酸素
センサによると上記とほぼ対応する関係において
較差の僅少なα′,β′両曲線のように、排気ガス流
速の影響からほぼ脱却し得ることが明らかであ
る。 下表は従来のものとの比較のまとめを示す。
【表】 更にCAの起電力を冷接点位置の変更により調
整することにより特性誤差△A/Fは縮少出来
る。 次に第7図a,bには別の実施例を示し、この
例ではすでに述べたガス流量の影響の補償と同時
に、フイードバツク制御回路23により、検出セ
ル1のリード線10′を介した出力が常に一定と
なるようにIpが制御され、このIpに応じた出力を
端子24より、このセンサの酸素濃度指示出力と
して取出すことができる。図中25は補償用回路
部分、26,27そして28は増巾器、29は加
算器である。 (発明の効果) この発明によれば、熱電対の起電力と検出セン
サの起電力との代数和を利用することにより、空
燃比A/Fとポンプセルの酸素汲出し電流との関
係に著しく影響する排ガス流量で代表される機関
出力依存性を有利に離脱して、適切な空燃比制御
を極めて簡便な手段にて、有効に実現することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図a,b,cは酸素センサの要部骨組図と
その特性線図、第2図は機関出力と排ガス温度と
の関係線図、第3図は酸素汲出し電流と空燃比と
の検出セル起電力をパラメータとする関係グラフ
であり、第4図はこの発明による酸素センサの外
観図、第5図a,bはその断面図、第5図cはそ
の要部側面図、第6図は性能比較グラフ、第7図
a,bは他の実施例を示す断面図である。 1……酸素濃度検出用板状固体電解質(検出セ
ル)、2……酸素汲出し用板状固体電解質(ポン
プセル)、3……スペーサ、7……CA熱接点、8
……CA冷接点、10,11……リード線。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 酸素濃度検出と酸素汲出しとにそれぞれ供す
    る一対の板状固体電解質を、燃焼ガス雰囲気と連
    通するギヤツプないしは空洞部を隔だて各板状固
    体電解質の内、外両面に形成した電極の内側にて
    互いに向い合わせに固定するとともに、酸素濃度
    検出を司る板状固体電解質すなわち検出セルの外
    面電極の近傍に熱電対の熱接点を配置し、検出セ
    ル出力と熱電対出力の和を所定値となるように作
    動させることを特徴とする酸素センサ。 2 電極のうち、少くともギヤツプないし空洞部
    に面する電極が、酸素の拡散抵抗性をもつ多孔質
    耐熱金属を含んだ多孔質層よりなる特許請求の範
    囲1記載のセンサ。 3 電極のうち、少くともギヤツプないし空洞部
    に面する電極が、酸素の拡散抵抗性をもつ多孔質
    耐火材料による多孔質層被覆をそなえる特許請求
    の範囲1記載のセンサ。
JP58111951A 1983-06-23 1983-06-23 酸素センサ Granted JPS604850A (ja)

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JPH0789109B2 (ja) * 1985-09-30 1995-09-27 本田技研工業株式会社 酸素濃度検出装置
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JPS56130609A (en) * 1980-03-19 1981-10-13 Hitachi Ltd Measuring device with function to convert absolute value

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