JPS60128350A - 空燃比検知方法および装置 - 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】 Ｅ分野］ この発明は、内燃＊Ｗ、ガス燃焼機器などの燃焼装置の
排気ガス中の酸素濃度もしくは空燃比を測定もし・くは
制御する。ための検知装置に関する。

［従来技術］ 従来よりイオン伝導性固体電解質（例えば安定化ジルコ
ニア）に多孔質電極層（例えば白金製多孔質層）を被着
して構成された酸素センサを用い、排気ガスの酸素分圧
と空気の酸素分圧との差によって生じる起電力の変化に
よって理論空燃比付近の燃焼状態を検知することにより
、例えば自動車の機関を理論空燃比で運転するように制
御することは一般に知られている。

−ところで上記酸素センサは空気と燃料との重、量比率
である運転空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比およそ１４．
７である時は大きな変化出力が得られるが、他の運転空
燃比域での変化はほとんどなく、理論空燃比昼外の空燃
比でａｌｌｌｇを、運転する場合には上記酸素センサの
出力を利用することができない。

特開昭５８−１５３１５５号において、板状の酸素イミ
ン導電性固体電解質の先側の両面に電極層を設けた素子
を、２枚間隔をおいて平行状に配して上記先側に間隙部
を設けて該画素子を固定し、一方の素子を酸素ポンプ素
子、他方の素子ｉ周囲雰囲気と前記ｒＩＪＦＪｉ部との
酸素濃度差によって作動する酸素濃淡電池素子とした酸
素１度検知装置が提案されている。かかる酸素濃度検知
装置は応答性はよいが、出力信号に対応する理論空燃比
数１４．７よりひくい燃料過濃域で作動させると燃料希
薄域にお′ける場合と同じ向きの出力を発生する特性を
もっことが判った。すなわち出力に対して２つの空燃比
が対応するようになるため空燃比制御が燃料過濃域、あ
るいは燃料希薄域のいずれであるがはっきりしている場
合等にしか適用できないという問題点があった。

［癲明の目的］ 本発明の第１目的は内−機関等の燃焼装置の運転空燃比
（Ａ／Ｆ）が燃料過濃域から燃料希薄域までの全域ま□
たは一部区域において正しく検知できる空燃比検知＠置
の提供であり、第２の目的は、空燃比のフィードバラ？
制御を行う場合において精痕よくかつ容易なフィニドバ
ック制御ができる利点を有する空燃比検知装置を提供す
ることである。

本発明の空燃比検知装置は、ｌ素イオン伝導性固体電解
質の両側面に多孔性電極を設けた固体電解質ｌ！秦濃淡
糟池素子および１休電解質酸素ポンプ素子を備え、核酸
”素婁淡電池素子とＩＩ−ポンプ素子とを小間−を介し
て対向配設し、前記酸素ポンプ素子の小間隙の側と反対
側に外気と連通ずる空気室を形成し、前記酸素ポンプ素
子に前記空気室から前記小間隙へ酸素を汲み入れるべく
電流を流し、その際の酸素濃淡電池素子の出力により燃
料過濃域か燃料希薄域かを判別し、上記判別結果と前記
酸素濃淡電池素子の起電力または上記酸素ポンプ素子の
ポンプ電流のいずれかにより与えられる出力信号とによ
り空燃比を検知するようにしたことを構成とする。

［発明の効果］ 本発明の空燃比検知装置は、上記構成により次の効果を
奏する。

空燃比（Ａ／Ｆ）を燃料過濃域から燃料希薄域までの全
域もしくは一部区域において正しく検知することができ
、また小さいポンプ電流（電極面における小さい電流密
度）で出力信号をとれるので寿命の大きい検知装置が得
られる。

［実施例１ つぎに本発明を図に示す実施例に基づき説明する。

第１図および第２図は本発明の一実施例を示す。

１は内燃機関の排気管、２は該排気管１内に配設された
空燃比検知装置の検知性部分である。空燃比検知柱部分
２は、厚さが約０．５ｍｌの平板状のイオン伝導性固体
電解質（例えば安定化ジルコニア）　３の両側面にそれ
ぞれ厚膜技術を用いて約２０μの厚さの多孔質白金電極
＠４および５を設けて構成された同体電解質酸素ポンプ
素子６と、該酸素ポンプ素子６と同様の平□板状のイオ
ン伝導性固体電解質１の両側面にそれぞれ前記多孔質白
金電極□層４および５と同様に厚膜技術を用いて多孔質
白金電極層８および９を設けて構成された固体電解質ｌ
素濃淡電池素子１Ｏとを備え、上記酸素ポンプ素子６と
上記酸素−淡電池素子１０とは０．Ｉｍｓ程度の間隔寸
法の小間隙ａを形成して排気管１の内部で対向配置させ
るため、足元部を耐熱性で絶縁性のスペーサ（充填接着
剤でよい）１１を介して互いに固定されている。上記酸
素ポンプ素子６の酸素濃淡電池素子１Ｏの他側の多孔質
白金電極層５は、外気に連通すべ（金属やセラミックな
どの耐熱′性で気密な部材により空気室すを形成するよ
うに室壁１２が設けられ、多孔質白金電極ｌ１５を外気
と導通するよう多孔質白金電極層５の足元部をのぞく周
辺に室！１１２が気密的に固定されている。

酸素ポンプ素子６、酸素濃淡電池素子１０および室壁１
２の足元部の外辺部には、ねじ部１３を有した支持台１
４が耐熱性で絶縁性である接着部材１５により取付けら
れており、排気管１に設けられた空燃比検知柱部分２の
検知栓部取付用ねじ部１θに前記支持台１４のねじ部１
３をねじ込む巳とにより空燃比検知柱部分２が排気管１
に取付られている。

１７は、電子制御装置部分の例であり、上記酸素Ｓｔ淡
電池素子１０の多孔質白金電極１１８．９問に発生する
起電力ｅを抵抗（Ｒ１）を介して演棹増幅゛器（Ａ）の
反転入力端子に印加し、上記演算増幅器（Ａ）の非反転
入力端子に印加されている基準電圧（Ｖ「）と上記起電
力ｅとの差に比例した上ｉａ演演算輻幅１ｌ（Ａ）の出
力によりトランジスタ（Ｔ「）を駆動して上記酸素ポン
プ素子６の多孔質白金電極層４．５問に流すポンプ電流
Ｉｐを制御する機能を備えている。

ｅを一定値である基準電圧（Ｖｒ　）に保つのに必要な
上記ポンプｉＩ流ＩＩ）を供給する作用をする。

また直流機１（Ｂ）から供給される上記ポンプ電流Ｈ）
に対応した出力信号を出力端子１８に得るために抵抗’
（ＲＯ）を備えている。（Ｃ）はコンデンサである。１
９は酸素ポンプ素子６の入出り端子の片端に設けられた
・切換スイッチ手段で、本実施例ではＶｌ　、Ｖ２　、
Ｖ３　、Ｖ４の４ステツプに分割されており、Ｖｌ　、
Ｖ２　、Ｖ３は酸素ポンプ素子６が酸素を空気室すから
小間隙ａに汲み入れるべく、■１は５０ＩΔの定電流１
ｉＥ１　、Ｖ２　Ｇ＄３０　ｍＡの定電流１ｉＥ２およ
びＶ３は１５１１Ａの定電流源Ｅ３にそれぞれ連通され
、ｖ４はポンプ電流１Ｄに対応した出力信号を得るべく
抵抗（Ｒｏ）の一端に接続されていおり、前記起電力ｅ
を検知するための出力端子２Ｏを備えでいる。

は上記第１図および第２ｉ に示した空燃比検知柱部分２の特性図である。

第３図には酸−ボンプ素子６が空気室すより小間＠ａに
１素を汲み入れた時の起電力８を示したもので、上記定
電流源（Ｅ）を変えて上記ポンプ電流ＩＩ）を５０　ｍ
Ａ、　３０議Ａ、１５議Ａにそれぞれ保ち、空燃比（Ａ
／Ｆ）を変えた時の起電力ｅ　（ｅ＜Ｑ）（Ｄ変化を示
したものである。ポンプ電流■ｐを５０　ｍＡ以上に保
った場合１よ、理論空燃比１４．７より十分小さい空燃
比まで（燃料過濃域）一定の起電力ｅを発生させること
ができ、一方理論空燃比１４・７付近下は起電力°が急
激に低減５・理論空燃比１４．７より大きい範囲の空燃
比域（燃料−８薄域）ではほとんど起電力ｅは発生しな
い。ポンプ電流ＩＩ）を３０議Ａに保った場合は、空燃
比１１から１２．の付近で急激に一定量の起電力ｅを発
生し、理論空燃比１４．１付近で再び起電力ｅが急激に
集減し、理論空燃比１４．７より大ぎい範囲９空燃比域
（燃料希薄域）ではほとんど起電力ｅは発生しない。ポ
ンプ電流ｉｐを１５　ｍＡに堡りた場合は、空燃比１３
から１４の付近で急激に一定量の起電力ｅを発生し、理
論空燃比１４．７付近で再び起電力ｅが急激に低減し、
理論空燃比１４．７より大きい範囲の空燃比域（燃料希
薄域）ではほとんど起電力ｅを発生しない。このように
酸素ポ゛ンプ素子６の汲み入れ電流の大きさを変えると
、燃料過濃域において酸素濃淡電池素子１０の起電ｐｊ
ｅが急激に変化する空燃比が移動することが明ら々＼に
なった。この特性を利用して燃料過濃域の任意の空燃比
を設定しフィードバック１１御を行なえる。

第４図は基準電圧（Ｖ、ｒ）ヲ例、ｔｉｔ　１００　ｍ
Ｖ　一定にしたもので、起電力ｅをｉｏｏ　ｍｖにする
と理論空燃比１４．７付近でポンプ電流ＩＩ）は急激に
減少し、理論空燃比１４．１より大きい範囲の空燃比域
（燃料希薄域）では上記ポンプ電流ｉｐは空燃比の増大
に対して漸次増大、する。この実施例は５１１３図およ
び第４図に示す特性を利用するものである。

すなわち！換スイッチ手段１９をＶｌに設定することに
より起電力ｅを検知する出力端子２０では図中ａの特性
を得る。この特性を利用して最大起電力と最小起電力と
の中間に任意の基準点であるＰ点を設定し、電圧がＰ点
より大きい時（燃料過濃域）と電圧がＰ点より小さい時
（燃料希薄域）を感知させるようにする。そこで上記機
関が燃料過濃域で運転された場合、あるいは燃料過濃域
で運転する場合は、上記切換ゑイッヂ手段１９を■１に
設定することにより起電力ｅはＰ点より大きいこと、ま
たは大きくなったことを確認し、この情報を得て切換ス
イッチ手段１９をＶ２や■３に設定す（Ａ／Ｆ）の制御
をする。切換スイッチ手段１９のＶ２　、Ｖ３の定電流
源Ｅ２　、Ｅ３は各種設定できるもので、種々変更する
ことにより燃料過濃域の広い範囲を任意に測定あるいは
制御できる。上記機関が燃料希薄域でムされる一合は、
上記切換スイッチ手段１９を■１に設定することにより
起電力ｅがＰ点より小さくなったことを確認し、この情
報より切換スイッチ１９をＶ４に設定することで第４図
に示したｉき酸素ポンプ警子６のポンプ電流ｔｐに対応
した空燃比出力信号を検知することにより任意の運転空
燃比（Ａ／Ｆ）の測定または任意の空燃比の制御をする
。ま 空燃比（１４，７）で運転される場合は、上記切換スイ
ッチ手段１９をＶｌに設定することにより酸素濃淡電池
素子１０の起電ノ）ｅの急激な変化を生ぜしめこれを利
用して制−することができる。このようにして、上記構
成により燃料過濃域および燃料希薄域の広い範囲におし
）でも上記機関の空燃比の数値を正確に側布することが
可能となるのである。

上記のように燃料希薄域においてポンプ酸素汲み出し電
流１ｐが空燃比に比例して変化することについては例え
ば特開昭５８−１５３１５５号に記載されている。すな
わち小間隙ａ内に導入された排気ガスの酸素分圧を上記
酸素ポンプ素子６の作用により変更することにより、排
気管１内を流れる排気ガスの酸素分圧に対して差異をも
たせ、この酸素分圧の差異に応じて発生する上記酸素ｍ
淡電ｉ素子１０の起電力ｅが一定となるように上記酸素
ポンプ素子、６に供給されるポンプ電流Ｉｔ）を制御す
る時、このポンプ電流１ｆ１は上記排気ガス中の酸素濃
度に比例して変化することが判明したのである。

また酸素ポンプ素子６が空気室すから小間隙ａにある一
定の酸素を汲み入れる時、その酸素量に対応したある空
燃比において酸素ｌ淡電池素子１０の起電力ｅが急激な
変化を□起こすのは次のようにして生じる。すなわち酸
素ポンプ素子６に定電流を流して空気室すから小間隙ａ
に汲み入れる汲み入れ酸素量と小間隙ａの開口部を介し
て排気ガスによって消費もしくは拡散される酸素ｆｆ１
（この酸素量は排気ガスの空燃比によって変わる）との
バランスによって決まる小間隙ａの酸素濃度と、酸素濃
淡電池素子１０を介して排気管１内を流れる排気ガスの
・酸素１１痕との間の差異は、汲み入れ酸素量に対応す
るある狭い範囲の燃料過濃域の空燃比範囲において急激
に生じ、酸素濃淡電池素子１０に急激な起電力ｅ変化を
生じさせる。そして酸素ポンプ素子６が空気室すより小
間隙ａに酸素を汲み入れる量すなわち定電流量を変更す
ると起電力ｅが急激な変化をする空燃比が変化するので
ある。

上記実施例で燃料過濃域の空燃比制御信号とした起電力
ｅは酸素ポンプ素子６のポンプ電流ＩＩ）の向きを空気
室ｂ　ｈｓら小間隙ａに酸素を汲み込む方向（Ｉｐ＜０
）として得たが、逆ｉ小間隙ａ　ｈｓら空気室すに酸素
を汲み出す方向（ｉｐ　＞０）に流すようにして得ても
よく、このようにする時の起電力ｅの変化の様子を第５
図に系す。

また上記実施例で空燃比の燃料希薄域で制御信号として
使用したポンプＩＪＩＥＩＩ）は、小間隙ａがら空気室
すへ酸素を汲み出す方向（Ｉｐ　＞０）′に流したが、
門に空気室すから小間隙ａに酸素を汲み入れる方向（ｉ
ｐ＜Ｏ’）に流すようにしてもよく、この時の酸素ポン
プ素子１０の出力ｅ（ｅ＜０）を一定とするポンプ電＊
Ｉｐ′の特性を第６図に示す。運転空燃比（ＡンＦ）と
ポンプ電流ｉｐとが対応して変化するので、この特性も
利用しｉるのである。

本発明は上記緒特性を単独、もしくは複数利用して、そ
れぞれライ−ドパツク制御するよう切換スイッチ手段１
９により随時頻繁にモードを切換えながら、全運転範囲
で運転空燃比の測定またはフィードバック制御を行なう
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空燃比検知１１ｉ１の一実施例を、示
す構成図、第２図は第１図の■−■線に沿う断面図、第
７３図は酸素ポンプ素子の汲み入れポンプ電流Ｉｐ　（
ＩＩ）＜０）を一定にしたときの酸素濃淡電池素子の起
電力ｅの空燃比に対する変化を示す特性図、第４図はＳ
素ＩＩ淡電池素子の起電力ｅ（ｅ　＞Ｏ）を一定とする
酸素ポンプ素子の汲み出しポンプ電流１ｐの空燃比に対
する変化を示す特性図、第５図は酸素ポンプ素子の汲み
出し電流（ＩＩ）＞Ｏ）を一定とする酸素濃淡雪ａｌＡ
子の起電力ｅの空燃比に対する変化の様子を示す図、第
６図は酸素濃淡電池素子の起電力６（ｅ＜Ｏ）を一定と
する酸素ポンプ素子の汲み入れポンプ電流［１の空燃比
に対する変化を示す特性図である。 図中　１・・・排気管　６・・・固体電解質酸素ポンプ
素子　１０・・・固体電解質酸素濃淡電池素子　１９・
・・切換スイッチ手段　ａ・・・小間！！　ｂ・・・空
気室代理人　石黒健二 第２図 第３図 １刀５工しくＡ／トノ 手続補正歯 １．事件の表示　昭和５８年特許願第２３７６２１号２
、発明の名称　空燃比検知方法および装置　、３、補正
をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　名古屋市瑞穂区高辻町１４番１８号氏　名　日
本特殊Ｗ４業株式会社 （４５４）代表者　小　川　修　次（他１名）４、代理
人〒４６５電話０５２−７７３−２４４９６、補正によ
り増加する発明の数　１ ７、補正の対象　明Ｓ＋書全文および図面８、補正の内
容 明細書 １、発明の名称 空燃比検知方法および装置 ２、特許請求の範囲 １）酸素イオン＠導性固体電解質の両側面に多孔性−極
を設けた固体電解質酸素濃淡電池素子および固体電解質
ｍ素ポンプ素子を備え、該酸素濃淡電池素子と酸素ポン
プ素子とを小間隙を介して対向配設し、前＆１ｌｌｌ素
ポンプ素子の小間隙の側と反対側に外気と連通ずる空気
室を形成し、前記酸素ポンプ素子に電流を流して上記小
間隙から空気室へおよびまたはその逆の方向へ酸素を移
送することによって前記酸素濃淡電池素子に出力電圧を
発生さぜ、前記ｍ素ポンプ電流と前記酸素濃淡電池素子
の出力電圧とから排気の空燃比を検知する空蝉比検知・
方法において、 前記酸素ポンプ素子に前記前気室から前記小間隙へ酸素
を移送する方向に充分大きい電流を流ずことにより前記
酸素濃淡電池に理論空燃比点で急峻な出力電圧変化を生
ぜじめ、前記出力電圧により空燃比が燃料過濃側にある
か稀薄側にあるかを判別し、しかして燃料過濃域から稀
薄域にかけての排気の空燃比を検知することを特徴とす
る空燃比検知方法。 ２）前記酸素ポンプ素子に前記空気室から前記小間隙へ
酸素を移送する方向に充分大きい電流を流すことにより
前記酸素濃淡電池素子に理論空燃比点で急峻な出力変化
を生ぜしめ、該出力電圧の変化により理論空燃比を検知
し制御するようにする特許請求の範囲第１項記載の空燃
比検知方法。 ３）酸素イオン伝導性固体電解質の両側面に多孔性電極
を設けた固体電解質酸素濃淡電池素子および固体電解質
ＩｌＩｌ水素プ素子を備え、該酸素濃淡電池素子と酸素
ポンプ素子とを小間隙を介して対向配設し、前記酸素ポ
ンプ素子に空燃比測定用電流源もしくは電流調整器を接
続して電流を流し前記微小間隙から空気室側へおよびま
たはその逆の方向へ酸素を移送することによって前記酸
素、ＩＩ淡電池素子に出力電圧を発生させ前記酸素ポン
プ電流と前記酸素濃淡電池素子の出力電圧とから排気の
空燃比を検知するようにする空燃比検知装置において、 前記空気室から前記微小間隙側へ酸素を移送する方向に
充分大きい定電流を前記酸素ポンプ素子に流しうる大電
流用定電流源もしくは定電流調整器と、前記酸素ポンプ
素子の前記空燃比測定用電流源もしくは電流調整器に対
する接続を前記大電流用定電流源もしくは定電流調整器
に切換えるための切換手段とを設け、前記切換手段によ
り前記酸素ポンプ素子に前記大電流用定電流源もしくは
定電流調整器を接続したとき、前記酸素濃淡電池素子に
理論空燃比点で急峻な出力電圧変化を生ぜしめ、該出力
電圧の変化により空燃比が理論空燃比に対し燃料過濃側
にあるか稀薄側にあるかを判別し、しかして燃料過濃域
から稀薄域にかけて排気の空燃比を検知することを特徴
とする空燃比検知装置。 ４）前記空燃比測定用電流源もしくは電流調整器は、前
記酸素ポンプ素子の出力電圧を入力しこれを所定値に保
つよう前記酸素ポンプ電流を自動調整する機能暫有すや
変動電流源もしくは変動電流調節器であり、そのポンプ
電流に対応した空燃比信号をうるようにした特許請求の
範囲第３項記載の空燃比検知装置。　。 ５）前記大電流用定電流源もしくは定電流調整器からの
定電流がおよ一’Ｐ５．Ｏｍ　Ａである特許請求の範囲
第３項記載の空燃比検知装置。 ６）前記微小間隙の間隙寸法がおよそ０．１〜０．０５
＋ｕｎである特許請求の範囲第３項記載の空燃比検知装
置。 ３、発明の詳細な説明 ［分野］ この発明は、内燃機関、ガス燃−焼機器などの燃焼装置
の排気ガス中の酸素濃度もしくは空燃比を測定もしくは
制御するための検知装置に関する。 ［従来技術」 従来よりイオン伝導性固体電解質（例えば安定化ジルコ
ニア）に多孔質電極層（例えば白金製多孔質層）を被着
して構成された酸素センサを用い、排気ガスの酸素分圧
と空気の酸素分圧との差によって生じる起！力の変化に
よって理論空燃比付近の燃焼状態を検知することにより
、例えば自動車のＩｌ閏を理論空燃比で運転するように
制御することは一般に知られている。 ところで前記ｍ素センサは空気と燃料との重量比率であ
る運転空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比およそ１４．７で
ある時は大きな変化出力が得られるが、他の運転空燃比
域での変化はほとんどなく、理論空燃比以外の空燃比で
機関を運転する場合には前記酸素センサの出力を利用す
ることができない。“特開昭５８−１５３１５５号にお
いて、板状の酸素イオン導電性固体電解質の先、側の両
面に電極層を設けた素子を、２枚間隔をおいて平行状に
配して前記先側に間隙部を設けて該画素子を固定し、一
方の素子を酸素ポンプ素子、他方の素子を周囲雰囲気と
前記間隙部との酸素濃痘差によって作動する酸素濃淡電
池素子とした応答性のよい酸素１度検知装置が提案され
ている。かかる酸素濃度検知装置は出力信号に対応する
理論空燃比数１４．１よりひくい燃料過濃域で作動させ
ると燃料希薄域における場合と同じ向きの出力を発１す
る特性をもつことが判った。すなわち出力に対して２つ
の空燃比が対応するようになるため空燃比制御が燃料過
濃域、あるいは燃料希薄域のいずれであるかはつきりし
ている場合等にしか適用できないという問題点が“見出
された。また、理論空燃比点またはその近傍の空燃比で
の測定もしくは制御が困難であるという問題も見出され
た。 ［発明の目的］ 本発明の第１目的は内燃機関等の燃焼装置の運転空燃比
（Ａ／Ｆ）が理論空燃比点を含む燃料過濃域から燃料希
薄域までの全域または一部区域において正しくかつ応答
性よく検知できる空燃比検知装置の提供であり、第２の
目的は従ってまた、前記空燃比の範囲で空燃比のフィー
ドバック制御を行う場合においてもｍｒｔＬよくかつ容
易なフィードバック制御ができる利点を有づる空燃比検
知装置を提供することである− ［発明の構成］　ｒ 本発明の空燃比検知方法および装置の第１の発明は、酸
素イオン伝導性固体電解質の両側面に多孔性電極を設け
た固体電解質酸素濃淡電池素子および固体！解質酸素４
ゝンプ素子を備え・該酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素
子とを小間隙を介して対向配設し、前記酸素ポンプ素子
の小間隙の側と反対側に外気と連通ずる空気室を形成し
、前記酸素ポンプ素子に電流を流して前記小間隙から空
気室へおよびまたはその逆の方向へ酸素を移送すること
によって前記酸素ＩＩ淡電池素子に出力電圧を発生させ
、□前記酸素ポンプ電流と前記酸素濃淡電池素子の出力
電圧とから排気の空燃比を検知する空燃比検知方法にお
いて、前記酸素ポンプ素子に前記空気室から前記小間隙
へ酸素を移送する方向に充分大きい電流を流すこｉによ
り前記酸素−淡電池に理論空燃比点で急峻□な出力電圧
変化を生ぜじめ、前記出力電圧により空燃比が燃料過Ｉ
Ｉ（＋１１にあるか稀薄側にあるｂ＼を判別し、しかし
て燃料過濃域から稀薄域にかけての排気の空燃比を検知
することを構成とし、第２の発明は、酸素イオン伝導性
固体電解質の両側面にｉ孔性型−を設けた固体電解質酸
素濃淡電池素子および固体電解質酸素ポンプ素子を備え
、該−系濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とを小間隙を介
して対向配設し、前記酸素ポンプ素子に空燃比測定用電
流源もしくは電流調整器を接続して電流を流し前記微小
間隙から空気室側へおよびまたはその逆の方向へ酸素を
移送することによって前記酸素濃淡電池素子に出力電圧
を発生させ前記酸素ポンプ電流と前記酸素濃淡電池素子
の出力電圧とから排気の空燃比を検知するようにする空
燃比検知装置において、前記空気室から前記微小間隙側
へ酸素を移送する方向に充分入門い定電流を前記酸素ポ
ンプ素子に流しうる大電流用定電流源もしくは定電流調
整器と、前記酸素ポンプ素子の前記空燃比測定用電流源
もしくは電流調整器に対する接続を前記大電流用定電流
源もしくは定電流調整器に切換えるための切換手段とを
設嘉Ｊ１前記切換手段により前記酸素ポンプ素子に前記
大電流用定電流源もしくは定電流調整器を接続したとき
、前記１１素濃淡電池素子に理論空燃比点で急峻な出力
電圧変化を生ぜしめ、該出力電圧の変化により空燃比が
理論空燃比に対し燃料過濃側にあるか稀薄側にあ□るか
を判別し、しかして燃料過濃域から稀薄域にかけて排気
の空燃比を検知することを構成とする。 ［発明の効果〕 本発明の空燃比検知装置は、上記構成により茨の効果を
秦する。 空燃比（Ａ／Ｆ）を理論空燃比を含む燃料過濃域から燃
料希薄域までの全域もしくは一部区域において正しくか
つ応答性よく検知するごとができ、諌だ小さいポンプ電
流（電極面における小さし１゛電流密度）で出力信号を
とれるので寿命の大きい検知装置が得られる。 ［実施例］ つぎに本発明を図に示す実施例に基づき説明する。 第１図および第２図は本発明の一実施例を示す。 １は内燃機関の排気管、２は該排気管１内に配設された
空燃比検知−置の検知柱部分である。空燃比検知枠部分
２は、厚さが約０．５ｍｓの平板状の酸素イオン伝導性
固体電解質（例えば安定化シルコニｉ）　３の両側面に
それぞれ厚膜技術を用いて約２０μの厚さの多孔質白金
電極＠４および５を設けて構成された固体電解質酸素ポ
ンプ素子６と、該酸素ポンプ素子６と同様の平板状のイ
オン伝心性固体電解質７の両側面にそれぞれ前記多孔質
白金電極層４および５と同様に厚膜技術を用いて多孔質
白金電極１１Ｂおよび９を設けて構成された固体電解質
酸素濃淡電池素子１０とを備え、上記酸素ポンプ素子６
と上記酸素ｌＩ淡電池素子１Ｏとは０．１ｕｉｊ！　痕
の間隔寸法の小間隙ａを形成して排気管１の内部で対向
配置させるため、足元部を耐熱性で絶縁性のスペーサー
（充填接着剤でよい）１１を介して互いに固定されてい
る。上記酸素ポンプ素子６の酸素濃淡電池素子１０の他
側の多孔質白金電極層５は、外気に連通すべく金属やセ
ラミックなどの耐熱性で気密な部材により空気室すを形
成するように室壁１２が設けられ、多孔質白金電極層５
を外気と導通ずるよう多孔質白金電極＠５の足元部をぞ
く周辺に室壁１２が気密的に固定されている。 酸素ポンプ素子６、酸素濃淡電池素子１Ｏおよび室壁１
２の足元部の外辺部には、ねじ部１３を有した支持台１
４が耐熱性で絶縁性である接着部材１５により取付けら
れており、排気管１に設けられた空−比検知栓部分２の
検知柱部取付用ねじ部１６に前記支持台１４のねじ部１
３をねじ込むことにより空燃比１検知栓部分２が一気管
１に取付られている。 １１は、電子制御装置部分の例であり、上記酸素濃淡電
池素子１０の多孔質白金電極層８．９問に発生する起電
力−を抵抗（Ｒ１）を介して演算増幅器（Ａ）の反転入
力端子に印加し、上記演算増幅器（Ａ）の非反転入力端
子に印加されている基準電圧（Ｖ「）と上記起電力ｅと
の差に比例した上記演算増幅器（Ａ）の出力によりトラ
ンジスタ（Ｔｒ　）を駆動して上記酸素ポンプ素子６の
多孔質白金電極層４．５問に流すポンプ電流１ｐを制御
する機能を備えている。・すなわら、上記起電力ｅを一
定値である基準電圧（Ｖｒ　）に保つのに必要な上記ポ
ンプ電流ｉｐを供給する作用をする。 また直流電ｍ　（Ｂ）から供給される上記ポンプ電流■
０に対応した出力信号を出力端子１８に得るために抵抗
（Ｒｏ）を備えている。（Ｃ）はコンデンサである。１
９は酸素ポンプ素子６の入出力端子の片端に設けられた
切換スイッチ手段で、本実施例では■１、Ｖ２、ｖ３、
■４の４スデｙ７に、分割されており、ｖｌ、ｖ２、ｖ
３は酸素ポンプ素子６が酸素を空気室すから小ｒｔＪ隙
ａに汲み入れるべく、■１は５０−Ａの定電流源Ｅ１　
、Ｖ２は３０ｍ　Ａの定電流源Ｅ２およびｖ３は１５　
ｍＡの定電流源Ｅ３にそれぞれ連通され、Ｖ４はポンプ
電流Ｉｐに対応した出力信号を得るべく抵抗（Ｒｏ）の
一端に接続されていおり、前記起電力ｅを検知するため
の出力端子２０を備えている。 第３図および第４図は上記第１図および第２図に示した
空燃比検知枠部分２の特性図である。 第３図にはｉｆｆ素ポンプ素子６が空気室すより小間隙
ａに酸素を汲み入れた時の起電力ｅを示したもので、上
記定電流源（Ｅ）を変えて上記ポンプ電流ＩＩ）を５０
　ｍＡ、　３０　ｍＡ、　１５　Ｍにそれぞれ保ち、空
燃比（Ａ／Ｆ）を変えた時の起電力ｅ　（ｅ＜Ｏ）の変
−化を示したものである。ポンプ電流ｉｐを５０　ｍＡ
以上に保った場合は、理論空燃比１４．　ｉより十分小
さい空燃比まで（燃料過濃域）一定の起電ノＪｅを発生
させることができ（第３図ａ）、一方理論空燃比１４．
γ付近では起電力ｅが急激に低減し、理論空燃比１４．
７より大きい範囲の空燃比域（燃料希薄域）ではほとん
ど起電力ｅは発生しない。ポンプ電流ＩＩ）を３０　ｍ
Ａに保った場合は、空燃比１１から１２の付近で急激に
一定量の起電力ｅを発生し、理論空燃比１４．７付近で
再び起電力ｅが急激に低減し、理論空燃比１４．１より
大きい範囲の空燃比域（燃料希薄域）ではほとんど起電
力ｅは発生しない。ポンプ電流Ｉｔ）を１５１１Ａに保
った場合は、空燃比詔から１４の付近で急激に一定量の
起電力ｅを発生し、理論空燃比１４．７付近で再び起電
力ｅが急激に低減し、理論空燃比１４．７より大きい範
囲の空燃比域（燃料希薄域）ではほとんど起電力ｅを発
生しない。このように酸素ポンプ素子６の汲み入れ電流
の大きさを変えると、燃料過濃域において酸素濃淡電池
素子１０の起電力ｅが急激に変化する空燃比が移動する
ことが明らかになった。 この特性を利用して燃料過濃域の任意の空燃比を設定し
フィードバック制御を行なえる。 第４図は基準電ｆｆ（Ｖｒ）８例エバ１００１１Ｖ　一
定にしたもので、起電力ｅを１００　ＢＩＶにすると理
論空燃比１４．１付近でポンプ電流１ｐは急激に減少し
、理論空燃比１４．１より大きい範囲の空燃比域（燃料
＠薄酸）では上記ポンプ電流１ｐは空燃比の増大に対し
て漸次増大する。この実施例は第３図および第４図に示
す特性を利用するものである。 すなわち切換スイッチ手段１９をＶｌに設定することに
より起電力ｅを検知する出力端子２０では図中ａの特性
を得る。この特性を利用して最大起電力と最小起電力と
の中間に任意の基準点であるＰ点を設定し、電圧がＰ点
より大きい時（燃料過渡域）と電圧がＰ点より小さい時
（燃料希薄域）を感知させるようにする。そこで上記機
関が燃料過濃域で運転された場合、あるいは燃料過濃域
で運転する場合は、上記切換スイッチ手段１９をｖｌに
設定することにより起電力ｅはＰ点より大きいこと、ま
たは大きくなったことを確認し、この情報を得て切換ス
イッチ手段１９をｖ２やｖ３に設定することで過濃混合
比側の上記機関の運転空燃比（Ａ／Ｆ）の制御をする。 切換スイッチ手段１９のＶ２　、Ｖ３の定電流源Ｅ２　
、Ｅ３は各種設定できるもので、種々変更することによ
り燃料過濃域の広い範囲を任意に測定あるいは制御でき
る。上記機関が燃料希薄域で運転される場合は、上記切
換スイッチ手段１９を■１に設定することにより起電力
ｅがＰ点より小さくなったことを確認し、この情報より
切換スイッチ１９を■４に設定することで第４図に示し
た如き酸素ポンプ素子６のボーシブ電流ｉｐに対応した
空燃比出力信号を検知することにより任意の運転空燃比
（Ａ／Ｆ）の測定または任意の空燃比の制御をする。ま
た上記機関を理論空燃比（１４，７）で運転される場合
は、上記切換スイッチ手段１９をｖｌに設定することに
よりＩＩ素濃淡電池素子１０の起電力ｅの急激な変化を
生ぜしめこれを利用して制御することができる。このよ
うにして、上記構成により燃料過濃域および燃料希薄域
の広い範囲においても上記機関の空燃比の数値を正確に
測定することが可能となるのである。 上記のように燃料希薄域においてポンプｉｌＩ素汲み出
し電流Ｉｐが空燃比に比例して変化することについては
例えば特開！ｌＢ５８−１５３１５５号に記載されてい
る。すなわち小間隙ａ内に導入された排気ガスの酸素分
圧を上記ｉ！Ｉ素ポンプ素子６０作用により変更するこ
とにより、排気管１内を流れる排気ガスの酸素分圧に対
して差異をもたせ、この酸素分圧の差異に応じて発生ず
る上記酸素濃淡電池素子１０の起電力ｅが一定となるよ
うに上記酸素ポンプ素子６に供給されるポンプ電流■ｐ
を制御する時、このポンプ電流Ｉｇ）は上記排気ガス中
の酸素ＩｒＩＬに比例して変化することが判明したので
ある。 また酸素ポンプ素子６が空気室すから小間＠ａにある一
定の酸素を汲み入れる時、その酸素量に対応したある空
燃比において酸素濃淡電池素子１０の起電ノ）ｅが急激
な変化を起こすのは次のようにして生じる。すなわち酸
素ポンプ素子６に定電流を流して空気室すから小間隙ａ
に汲み入れる汲み入れ酸素量と小間隙ａの開口部を介し
て排気ガスによって消費もしくは拡散される！ｌ！素聞
くこの酸素量は排気ガスの空燃比によって変わる）との
バランスによって決まる小ｗＲ隙ａの酸素濃度と、排気
管１内を流れる排気ガスの酸素ｍ度との間の差異（比率
）は、汲み入れ酸素量に対応するある狭い範囲の燃料過
濃域の空燃比範囲において急激に生じ、酸素濃淡電池素
子１０に急激な起電力Ｃ変化を生じさせる。そして酸素
ポンプ素子６が空気室すより小間隙ａに酸素を汲み入れ
る聞すなわち定電流量を変更すると起電力ｅが急激な変
化をする空燃比が変化するのである。 上記実施例で燃料過濃域の空燃比制御信号とした起電力
ｅは酸素ポンプ素子６のポンプ電流Ｉｐの向きを空気室
すから小間隙ａｋ：酸素を汲み込む方向（Ｉｐ　＜Ｏ）
として得たが、逆に小間隙ａがら空気室すに酸素を汲み
出す方向（Ｉｐ＞０）に流すようにして得てもよく、こ
のようにする時の起電ノ）ｅの変化の様子を第５図に示
す。 また上記実施例で空燃比の燃料希薄域で制御信号として
使用したポンプ電流■［は、小間隙ａｈ）ら空気室すへ
酸素を汲み出す方向（Ｉｐ＞０）に流したが、逆に空気
室すから小間ｌＩ！ｉｉａにｉ１２素を汲み入れる方向
（Ｉｐ　＜０）に流すようにしてもよく、この時のＩ！
素濃淡電池素子１０の出力ｅ（ｅ＜０）を一定とするポ
ンプ電流Ｉｔ）の特性を第６図に示す。運転空燃比（Ａ
／Ｆ）とポンプ電流１ｐとが対応して変化するので、こ
の特性も利用し得るのである。 本発明は上記路特性を単独、もしくは複数利用して、そ
れぞれフィードバック制御するよう切換スイッチ手段１
９を必要なときに短ＩＩ問だけ、ｉＩ！素ポンプ素子に
酸素と空気室すから小間隙ａへ汲み入れる方向に大′ｉ
Ｒ流を流すべく切換えて、ｍ素濃淡電池素子に理論空燃
比点で急激な変化を生じる出力を発生させ、これを利用
して空燃比がリヅチ側かリーン側かを判断しながら、全
運転範囲で運転空燃比の測定またはフィードバック制御
を行なうものである。 ４、図面の簡単な説明 第１図は本発明の空燃比検知装置の一実施例を示す構成
図、“第２図は第１図のＩ−Ｉ線に沿う断面図、第３図
は酸素ポンプ素子の汲み入れポンプ電ＰＥＩＩＩ　（ｔ
ｐ　＜Ｏ）を一定にしたときの酸素濃淡電池素子の起電
力ｅの空燃比に対する変化を示す特性図、第４図は酸素
濃淡電池素子の起電ノ）ｅ（ｅ　＞０）を一定とするｍ
素ポンプ素子の汲み出しポンプ電流Ｉｌｌの空燃比に対
する変化を示す特性図、第５図は酸素ポンプ素子の汲み
出し電流（Ｉｐ　＞Ｏ）を一定とする酸素濃淡電池素子
の起電力ｅの空燃比に対する変化の様子を示す図、第６
図は酸素濃淡電池素子の起電力ｅ（ｅ＜Ｏ）を−一定と
する酸素ポンプ素子の汲み入れポンプ電流Ｉｐの空燃比
に対する変化を示す特性図である。 図中　１・・・排気管　６・・・固体電解質ｉ１県ポン
プ索子　１Ｏ・・・固体電解質ａ素濃淡電池素子　１９
・・・切換スイッチ手段　ａ・・・小間隙　ｂ・・・空
気室２第１図 第３図 ！魚比（Ａ／Ｆ） 第４図 空度毘（Ａ／Ｆ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）酸素イオン伝導性固体電解質の両側面に多孔性電極
   を設けた固体電解質酸素濃淡電池素子および固体電解質
   酸素ポンプ素子を備え、該酸素濃、淡電池素子と酸素ポ
   ンプ章子とを小間隙を介して□　対向配設し、前記ＩＩ
   ｓポンプ素子の小間隙の側と反対側に外気と連通ずる空
   気室を形成し、前記酸素ポンプ素子に前記空気室から前
   記小間・隙へ酸素を汲み入れるべく電流を流し、その際
   の酸素濃淡電池素子の出力により燃料過濃域か燃料−希
   薄域かを判別いその判別結果と前記酸素濃淡電池素子の
   起電力または上記酸素ポンプ素子のポンプ電流のいずれ
   かにより与えられる出力信号とにより空燃比を検知する
   ようにした空燃比検知装置。