JPS5819553A - 多機能酸素濃度検出器 - 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】 本発明は内燃機関の燃料制御のためのセンサーに好適し
、理論空燃比、リーン領域の酸素濃度および温度を検知
することができる多機能酸素濃度検出器に関する。

内燃機関Ｋをいては機関側に供給されゐ燃料の混合比、
つまシ空燃比（ム／Ｆ）が理論空燃比であれに排ガス中
の有害ｔ黒成分がきわめて少くなるととは広く知られて
′ｓＰシ、し九がって機関の全運転中に亘りて理論空燃
比で運転すれば排ガス対策の点では理想的といえる。し
かしながら機関の全運転中に亘りて理論空燃比で運転す
ると燃料消費量の増大を招き、燃費対策の藺で得策でな
い、　ｌｔ＊に＃ｉ、機関の加速（高負荷）運転時など
で杜ム／ｒを濃い状態にして運転しており、定常（部分
負荷）運転中などで紘ム／Ｆを薄くして運転しているも
のである。　。

し九がって機関の運転中にｓＰ％Ａで、高負荷這転１＆
のどと〈ム／Ｆを濃くして運転する場合にム／Ｆを理論
空燃比に近づければ排ガス対策の点で有利にな）、また
部分負荷運転などのようにム／Ｆを薄くして（リーン混
合）運転する場合には排ガス中に残存している酸素の濃
度に応じて燃料を少くしてやれば排ガス対策の点でも有
利になるばかりでなく、燃費の節約を可能にする。

このように機関の運転状況に応じて燃料供給を制御する
えめ、排ガス中のガス成分を検出し、仁の検出に応じて
燃料噴射装置から噴出される燃、料を増減すゐ手段が考
えられている。上記排ガス中のガス成分を検゛出するた
めのセンサとして理論空燃比センナと、リーン領域にお
ける酸素１８度を検出する酸素濃度上ｙす（リーンセン
サと称す）が開発されている。

理論空燃比センサは、排ガス中のガス成分の酸素濃度に
応じた起電力を生じる酸素イオン伝導性金属酸化物よ）
なる酸素濃度検出素子を有し、この酸素濃度検出素子が
示す起電力を、酸素鍵９歳検出素子に設は良２つの電極
間で取プ出すようＫし丸ものである。そして電極は触媒
作用を有する物質、九とえばｐｔで構成されてお９、特
に＃ガスに晒される側の電極の触媒作用にもとづき排ガ
ス中の酸素と一酸化炭素ＣＯ等を反応させて酸化せしめ
、酸素ｆａ＆検出素子の排ガスに晒される側の表面にお
けるガス成分の酸素濃度に変化を生じさせ、酸素濃度検
出素子の酸素濃度に対する感応性を高めて急激な起電力
変化を得るようｋなっている。この急激な起電力変化が
はぼ理論空燃比を墳にして行われることから、仁の部分
における起電力をもとに内燃機関の空燃比を検出して理
論空燃比になるように制御することができるものである
。

一方、リーンセンナ状、酸−イオン伝導性金属酸化物よ
りなる固体電解質素子を備え、この素子の表裏両１ｆＫ
多孔質の電極を設け、これら両電極間に通電するととｋ
よって排ガス中の酸素をイオンとして一方の電極から他
方の電極へ向けて上記素子中に酸素イオンを拡散させ、
このどき印加電圧を変化させても電極間を流れる電流値
が変化しない領域、すなわち限界電流が発生することが
知られてか）、そヒで所定電圧印加時の限界電流値を測
定することで排ガス中の酸素ＩＩＩＩＲを知ることがで
きるから、この酸素濃度をもとにしてリーン領域の最適
空燃比を制御することができるものである。

なお、上記リーンセンサにおける限界電流値は測定ガス
の雰囲気温度によって変化するので、ヒータで加熱して
素子の温度をはぼ一定、たとえば７００〜７５０″ＧＫ
保ってシリ、仁の温度制御のためＫは温度センナを用い
るようになっている。

しかして前述のごとく内燃機関の全運転領域に亘って燃
料の供給を制御しようとす−ると、上記理論空燃比セン
サ、リーンセンサおよび、とのり一ンセンナの丸めのヒ
ータならびに温度センサを必要とすることになるが、従
来Ｋかいてはこれらセンナはそれぞれ単独に構成されて
おり、もしくはリーンセンサと温度センナとを工＝ｙ）
化したものであった。したがって従来において内燃機関
の全運転領域における空燃比を制御しようとすれば複数
の独立したセンナを排気管等に取り付けなければならず
、部品点数、攻付工数、その他コスト高になる要因が多
い不具合があった。

本発明は仁のような事情−に龜とづきなされた本ので、
その目的とするところは、理論空燃比センサ、リーン領
域における酸素濃度センサおよび温度センサの機能を備
えて全運転域における空燃比制御を単一のユニットで行
えるようＫした多機能酸素濃度検出器を提供しようとす
る。

ものである。

すなわち本発明は、理論空燃比センサにおける酸素濃度
検出素子と、リーンセｙすにおける固体電解質素子およ
び温度センナにおける負の抵抗温度特性を有する素子と
が、互に同質材料によって構成できるととに着目して、
これら素子を単一化するとともに、理論空燃比センサの
電極と温度センサＱ電極がその使用時期が異表る理由に
よ）共用化できることから、上記３つＯ−にンサを単一
〇エニットの中に納めてしまうよ°うにしたことを基本
的技術思想とするものである。

以下本発明の一実施例を図面にもとづき説明する。

図中１は隔壁であシ、一端が開口され他端が閉塞された
カッグ状をなしている。この隔壁１は、検出ガスのガス
成分中の酸素１１［Ｋ応じた起電力を示し、負の抵抗温
度特性を有するとともに、さらに＠体電解質よりなる酸
素イオン伝導性の金属酸化物から構成されている。上記
３つの性質を奏し得る材料つｔ）金属酸化物とし。

′ては、酸化ジルコニウムＺｒＯ２９６〜９０モル−と
酸化イツトリウムＹ２０ｇ　４〜１０モル−とを混合し
、粉砕し、１２５０℃程度で仮焼成したＯち；。

グ状ｏｓで成形後１３５Ｇ−１７５０℃で本焼成した焼
結体に代表される。七〇Ｈの材料として゛拡１ｒ０２−
　Ｙｂ２０３Ｂ　＃　ＺｒＯ２−８（’２０３　＃　Ｚ
ｒＯ２−ＣａｂｓＺｒ０２−ＴｋｌＯＨ＊　ＺｒＯ２−
ＭｇＯ＃　Ｔｈ０２−　ＣａＯａＣａ０２−　Ｍｌｆ）
等であっても実施可能である。

隔壁ｌの中央部外周には環状拡大部１ａを形成してあ）
、かつ開放端内側Ｋａ積状座部１ｂを設けである。

隔壁１における閉塞端よ〉も２〜１０ｍ離れた位置の内
周面に紘す−ン七ンナ用の一方の電極２が設けられてシ
シ、この電極２に対向して隔壁１の外周１１にはり−ｙ
センナ用の他方の電極Ｓが設けられ゛ている。これら電
極Ｘ＊よびＳは薄膜状多孔質からなる電極であシ、たと
えばｐｔを化学メッキ、ペーストスクリーン印刷などの
手段で形成しである。″Ｉｋシ電極ｘ、ｇｏａｉｒ積は
ｌＯ〜Ｚｏｏ−１厚さは０．５〜１．０　ｓ程度である
。

各電極２およびＪは、電極２．３と同材質からなるリー
ド曽ｚａ、１ａＫＩ！続されている。内側の電極２に導
通したり−ｒ線ｚ＆紘隔壁１０内面に沿って環状座部ｚ
ｂｏ上面に導びかれている。外側の電極ＪＫ導通しえリ
ード線３ａは隔壁１の外面に沿りて褒状拡大部１ａの頂
面まで導びかれている。外側のリード線１ｍの外面は、
通気性の＆い高融点な硼硅酸、ガラスなどの保護層４に
よりて被われている。ｔた外側の電極Ｓは多孔質１ｋｔ
ス（酸素分子）拡散抵抗層５、たとえばムｊ２０ＪＩ　
＊ム１２０ＨＭｇｏ　、　ＺｒＯ２がｆツＩｗ溶射によ
って被われている。

隔壁ＩＫおける閉塞端に近い内周面には上記電極２とは
異なる位置に、理論空燃比センナ、兼温変センナ用の一
方の電極６が設けられているとともＫ、この電極＃に対
向して隔壁１の外周ＷＫ祉同じく理論空燃比センサ兼温
度センナ用の他方の電極１が設けられている。上記３儒
の電極６および外側電極１紘触媒作用のある物質、たと
えばｐｔを化学メッキ、ペーストスクリーン印刷等によ
って形成されてシシ、電極面積は１０−１００ｍ、厚さ
０．１〜ｉ、ｏμ程度に構成されている。　　− 上記各電極−９ｒはリード線ｇａ、ｒａＫ接続されてシ
シ、これら−リード線１ａ、ｒａ社ｐｔなどによって形
成されている。内側の電極ｇ。

リード′線６１状隔壁１の内面に沿りて褒状座部１ｂの
上面に導びかれてｓＰ、６、外側の電極１のリード＠　
Ｆ　ａは隔壁１の外面に沿りて環状拡大部１ａの頂面ま
で導びかれて−る。外側のリード線ＦＩＬＯ外りは硼硅
酸ガラス等の高融点！’）スなどの緻密な保護層９によ
〉被われている。

また外側の電極１は多孔質な保護ＩＩＩ　ｅＫよりて被
われている。ｌ＊保■膜１０は前記ガス拡散抵抗層５と
別体に構成してもよいが、ガス拡散抵抗層５は後述する
ｔス拡散機能を効果的に発揮するために、その厚み、気
孔率、平均細孔径などのガス拡散のための条件が高精度
に規定される。このため、保護層１０＞よびガス拡散抵
抗層５は、隔壁４ｄ・外周ＷＫ全全体して１００μの厚
みをなすようＫｆツズマ溶射させたのち、ガス拡散抵抗
層５のみをさらＫ１００〜Ｔｏｏμの厚み増加を図るべ
くｌツオ！溶射して形成し、これら拡散抵抗層５と保護
層ｘｏｆｄ一体に構成されている。

１１は棒状をなし九セツ電ツクヒータであ）。

例えばアルはす磁器中。ｋニクロムＩＩＩなどのコイル
状もしくはクシ！ＩＡターン形状０ヒータＩＩＩハを内
蔵しである。＃竜ツォックヒータｘｚｌｉｃｌａ上下方
向に貫通し走通孔ＩＪを形成してあ）、隔壁１の内部紘
この通孔１２を介して大気に導通されている。なお１１
＊、Ｉｌｂはと一タ線１１ｍＫ接続され九す−戸線を示
す、セラきツクヒータ１１は隔壁１の内面に嵌挿されて
シシ、隔壁１の開放端内周面に対して無機接着剤１４を
介して固定されている。この場合、隔壁ｌと無機接着剤
Ｊ４と０ｊｌｅＫは、Ｐｉ金属リード線１５＆シよび１
＃ａが介在されそシ）、一方の金属リード１１１１６＆
紘その下端ｔ−壌状状座部にに導びかれているり一ン竜
ン？ｊｌＯリーＰｌｓ２ａと電気的に接続されていると
ともに上端は外部において図示しない！イクｏ：ｙンｆ
ｓ−−タに接続されている。また他方の金属リード線・
１６鼻はそＯ下端を同じく濃状塵部１ｂに導びかれてい
る理論空燃比センナ兼温度センナ用のリード線Ｃａと電
気的に＠統されているとともに、上端状上記マイクＩ２
冨ｙ　ｋ’　＆−タ＃Ｃ接続されで−る。

を九、隔壁１の拡大製状部１１の頂面に導びかれ九リー
ンセンナ用のリード線ｊａｌｌ、隔壁１０上部外面に沿
りて配置されたｐｔ金属リすド＠１５ｂｆＣ電気的ＫＩ
Ｉ続され？ｌｌ、コノり−Ｐ＠Ｉｌｂ％ｉイクロコン♂
轟−夕に接１ｍ−ｇれている５そしてまた上記隔壁１の
拡大製状部１ａの頂面に導びかれた理論空燃比センナ兼
温度センナ用のり−Ｐ＠Ｆａは、隔壁１の上部外面に沿
つて配置され九他のＰｉ金金属−ｐＨｚ６ｂと電気的に
接続されており、仁のり−ｒ線１σｂも！イクロ；ｙＣ
＆−タに接続されている。

ｘｏＢ金属ｍ＊状＾ウジングであ〕、このハウジング２
００内周１１Ｋａ積状座部２ｏａが形成されている。こ
の潅状Ｊ１１部１０ａｌｔは、隔壁Ｊｏｌｌ状拡大部Ｊ
禽の下面が、リングΔクキング２１を介して載置されて
いる。上記隔壁１の環状拡大部゛１１の上方と＾クリン
グ２Ｇとの間には圧縮成形しぇリングタルク２２、アス
ベストリンダ２Ｓが配置されている。ハウジング２０の
上端縁はかしめ固定されてｓ？）、よって隔壁１は＾ウ
ジｙｒｘｏに一体的に組み込まれている。なお２４はか
しめリングを示す。

ハウジング２０には取付７ランジ２５を溶接などの手段
により敗り付けてあり、この取付７ランジ２５には取付
孔１１ｍを設けである。取付７ツンジ２５は図示しない
内燃機関の排気管と？ルト止めされ、よって隔壁ｌの閉
塞端側は排ガス中に晒されるように′＆うている。

ハウジングｊｔ０１ｃは隔壁１の外周方を被う保護カッ
童−１８が取り付けられており、との保饅力Ａ−ｊｉＫ
、は複数個の排ガス導入孔Ｊ　’ｒ・・・を開設しであ
る。

上記のととく構成された実施例の作用について説明する
。

ハウジング２０を内燃機関の排気管に取着すると、保護
カフｆ−ｚ＃ａ排気ｒＩＩＬＫ晒されるので、導入孔２
７・・・を通じて排ｆ１が力ｄ−２６内に導びかれる。

しかして排ガスは周知のごと＜　＊　Ｏｘ　、Ｃｏ　＊
ＩＣ瞭’ｏｔｘ成分から構成されてｓ？、６、この各成
分の濃度は燃焼鍵Ｏ！２！燃比によって変化する。

そして酸嵩換度検出素子としての隔壁１はＺＦ０２−　
ｙ、ｏ、よ）なっているので、排ガス中のｆス成分の酸
素ｍ１ｌｌ：と、基準と々る大気側の酸素濃度との差に
応じ走間電力を示す、隔壁１０排ガスに晒される側のＩ
ＩＷＫ付着畜せえ電極１は、触媒物質よ）なるｐｉで構
成しである丸めその触媒作用によ）、隔壁１ｏｔｌｐガ
スに晒される側の表面で紘ガス成分中の酸素９２がＣｏ
、ＨＣ等の酸化に供せられる。このため、理論空燃比よ
りも濃いム／Ｐにおいては隔壁１の排ガスに晒される側
の表面におけるガス成分中の酸素員度状薄く１にシ、ま
九逆Ｋｌｌ論空燃比よ〕も薄いム／ｒでは隔壁１の＃ｔ
スに晒される側の表面におけるＩス成分−中の酸素濃度
線環くなる。隔壁１０内側に設けた対向電極＃杜、隔壁
１の内部空間が七−夕１１に形成した通孔１２を通じて
大気に開放されている丸め大気中の酸素に晒されている
。したがりて隔壁１においては内部空間側に大気０酸素
濃度と、外部０１１ｆス中Ｏ酸素談度との差に応じた起
電力を生じる。この起電力は理論空燃比をＩＩＫ急激に
変化する性質を１９でいる。このため理論空燃比に対応
する起電力を設定電圧とし、検出しようとする空燃比に
対応する起電力と比較すれば理論空燃比よ１１々の濃薄
具合を知ることができる。隔壁ＩＫ発生する起電力状電
極Ｃと１とによって堆シ出し、リード線１ａ、ｒａｓｐ
よび１ｇｍ、１６ｋを介してマイクロコンビ為−タに導
び〈、！イタロコンＣ＆−タにおいて線予め理論空燃比
に対応した起電力を設定してあ）、誼コンぜａ−タによ
りて設定起電力と、電極ｇ、Ｆｌ’Ｃよりて検出した起
電力とを比較する。検出層電力が設定起電力より大を炒
れば、ｖＬ在の空燃比が理論空燃比よ・−シ淡いと判断
できるとと％に、逆の場合には検出している空燃比が理
論空燃比よ）％薄いと判断でき、したがうてと０４１断
信号にもとづき燃料噴射装置に燃料の滅もしく紘増Ｏ指
令を与えて、ム／Ｆを理論空燃比に近づ妙るように制−
１する仁とができ予こと帆なる６周知のごとく、排ｔｘ
ｏｚス成分のＣｏ　、　ＨＣ、Ｎｏｗの３者の最も少な
い運転状態は理論空燃比付近であるから、排ガス中のこ
れら有害成分を減少させることができるもＯである。

＆か、仁の場合と一声１１ｆＪ、噌ンｔｏ最低作動温度
たとえば４００℃以上を保つように発熱される。

・以上Ｏ作用伏履論空燃比七ンナとして０機能であ）１
通常内燃機関Ｏ加速（高負荷）時などのどとく比較的ム
／ｒが濃い運転状部において用いられる。内燃機関が定
常（部分負荷）運転などＯ゛ようにム／ｒを薄くして運
転する場合には履論空働比七ンナに代りてリーンセンサ
を用いる。

すなわち、リード線１ｓａを電１ｌｌＯ＠極に、リード
線Ｊｉｂを電源〇−極に接続するとともに、に−タ１１
０リード線ＪＪａ、３１％に通電して七９ζツクと一声
１１を発熱させる。リーＰ９１１ｓ、Ｊｌｈ間に電圧を
印加すると。

電流Ｐ（極Ｓから２へ流れる。ことで隔壁ｌは酸素イオ
ン伝導性の固体電解質であるため、排ガス中の酸素は拡
散抵抗層５を経て電極ｊＫ至）、この電極１ｆｌｃて電
子の供給を受けて酸素イオンとなる。この酸素イオン紘
隔壁１の内部を拡散していき、電極２にで電子を放出し
て酸素分子に戻る。したがりて電極１から２へ電流が流
れるものである。

なる電極２の酸素分子はと一声１１゛の通孔１２を経て
大気中に放出される。

しかして上記反応にかいて、拡散抵抗層５の厚さを一定
以上の厚さ、たとえば前述の２００〜８００ａとし、電
極ＳＯｘ積を２０−と小さくして電圧を徐々に上げてい
くと、拡散抵抗層５の影響で電圧を変化させても電流が
変化しない領域、すなわち限界電流が発生する。この限
界電流値！１は、 九だし ？・・・７アツテ一定数　Ｒ・・・気体定数ＤＯ２・・
・酸素の拡散率　！・・・絶対温度８・・・電ｌｌ１ｉ
Ｎ積 ｊ・・・拡散抵抗層の有効拡散距離 ｐｏ２・・・酸素分圧 で表わされ、この限界電流値！ｌは排ガス中の酸素濃度
（分圧）ｋ応じて変化するため、一定電圧を印加しこの
限界電流を測定することＫよシ、排ガス中Ｏ酸素分圧を
測定することができる。

し九がうて電＠ｓ、Ｊ間で検出し大限界電流を！イタｐ
コンＣ＆−タに導びき、仁の限界電流を検知して電流値
が大きい場合に祉排ｔス中の酸素分圧が大きいから空燃
比が薄−ことが判択ｔえ逆の場合−紘空燃比が濃いこと
が判る。ヒのえめリーン領域における空燃比を制御して
燃費を節約しかつ排ガス中の有害成分を減少させるなど
の制御が可能になる。

とζろでこのようなリーンセンサにおいては、（１）式
から判る通シ、絶対温度Ｔを一定、りｔル７００〜７５
０″ＣＫ保つ必要がある。ζＯ温度社と一声ｌｌｌＩＣ
より５て制御するが、この制御のために社温度を検知す
る必要がある。仁の温度センサとして、前述し九理論空
燃比七ンサに用り走電極６，１を使用する。つｔ〉リー
ンセンサとして機能しているときには理論空燃比セノｔ
ａ使用する必要がないので、電極ｇ、ｙを温度センナと
して利用するものである。

隔壁２は負性抵抗温度特性を％りているので、この隔壁
１の抵抗値を電極６と１とによって取）出す、つま）電
極ｇ、ｒ間に一定電圧を印加すれば、隔壁１は温度変化
に応じて抵抗値が変化するので電極ｔｓ、ｒ間ＫＲれる
電流値が変化する。この電流値は温度上昇に比例するか
ら、電流値を検出すれば温度が判る。よりてリード１１
Ｊ＃ａ、Ｊｉｋを介して検出され走電流値をコンビ為−
タによ）判断し、温度が７００〜７５０℃以下であれば
と一声ＪＪＫ通電させて発熱を促し、オえ温度がＴＯＯ
で’１８０℃を越えているとと−タ１１への通電を停止
させることができる。

ま九ヒータ１１′ｏ抵抗変化による温度検知で温度制御
してもよいが、この場合は隔壁１のすｊスタ特性は用い
ない。したがってヒータ１１は加熱および温度検知の機
能を果す。

このようなことから雰囲気温度を高精度に規制し、９−
’７センサにおける限界電流値の測定を高検１１に行わ
しめる仁とができるものである。

なお、リーセンサ側の外側電極３は、その外面を拡散抵
抗層５によって′被われているので冷熱サイクルの繰）
返しＫよりて隔壁１から剥離される慣れがなく、排ガス
中の鉛やリンおよびオイル等による劣化もない。

以上詳述した通夛本発明は、検出ガス成分中の酸素濃度
に応じた起電力を示すとともに負の抵抗温度特性を有す
る酸素イオン伝導性金属酸化物の囲体電解質材料よシな
るコーツデ状の隔壁を、理論空燃比センナの素子、リー
ンセンサの素子および温度センサ０１−１スタとして共
用し、しかも理論空燃比センナ用の電極をリーンセンナ
使用中における温度検知用電極として共用し九ものであ
る。したがってこのものは上記理論空燃瑯センサ、リー
ンセンサ、温一度↑ンサをユニット化できてム／Ｆが１
４．５〜２５までの空従来のごとく複数個のセンナを別
個に使用する必要がなくなるから、部品点数、取付、取
シ扱い上の簡素化が可能にな−、コスト／ｌンを実現て
きるなど優れた効果を発揮する。　−１゜

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例、を示し、−１図は断面図、第
２図は隔壁の側面図１、竿３図は第２図中曹−■線に沿
、う断面図である。 １・・・−壁、Ｘ、Ｓ−・・リーンセンサ用電極、５度
センナ用電極、１０・・・保躾層、１１．・・・ヒータ
、１２・・・通孔。 出履人代理人　弁理土鈴性　武　彦

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 検出ガスのガス成分中の酸素濃度に応じ九起電力を示す
   とともに負の抵抗温度特性を有する酸素イオン伝導性金
   属酸化物の固体電解質材料よりなるコツプ状の隔壁と、
   ゛皺隔壁の内周間と外周面に互に対向して設けられ多孔
   質な金属よａする薄膜状のり一ンセンナ用の電極と、こ
   れら電極のうちの隔壁外周面に位置された一方の電極を
   被うガス拡散抵抗層と、上記一対の１７　Ｈｙ−をンサ
   用電極とは異なる位置における上記隔壁の内周面および
   外周面に設けられて外周面側に導電性触媒物質を保有さ
   せ、理論空燃比の検出機能と温度を検出する機能を兼用
   し九多孔質な薄膜状の一対の電極と、上記導電性触媒物
   質を保有する電極の外周面を被う多孔質電極保護層と、
   上記コッゾ状Ｏ隔壁内部に配置されたヒータとを真備し
   、リーン領域の酸素濃度、理論空燃比シよび温度検出機
   能を有することを特徴とする多機能酸素濃度検出器。