JPS6034065B2 - 空燃比検出方法 - Google Patents
空燃比検出方法Info
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- JPS6034065B2 JPS6034065B2 JP54164822A JP16482279A JPS6034065B2 JP S6034065 B2 JPS6034065 B2 JP S6034065B2 JP 54164822 A JP54164822 A JP 54164822A JP 16482279 A JP16482279 A JP 16482279A JP S6034065 B2 JPS6034065 B2 JP S6034065B2
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- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、特に理論空燃比(理論状態にある空気と燃
料との比)よりも希薄な空燃比を検出するのに好適な空
燃比検出方法に関する。
料との比)よりも希薄な空燃比を検出するのに好適な空
燃比検出方法に関する。
酸素イオン伝導性団体電解質を使用し、酸素濃淡電池の
原理を応用して酸素濃度の検出をおこなうようにして酸
素センサ素子は既知である。
原理を応用して酸素濃度の検出をおこなうようにして酸
素センサ素子は既知である。
第1図はこの種酸素センサ素子の一例を示す断面説明図
であって、Y203を添加して安定化したZr02固体
電解質粉末を管状に成形焼結した固体電解質管1の内外
表面に、それぞれ基準極電子伝導層2および測定極電子
伝導層3を設け、基準極電子伝導層2を大気Aにさらす
と共に、測定極電子伝導層3を保護層4を介して被検ガ
ス(たとえば、内燃機関の排ガス)Gにさらすようにし
た構造をなしている。このとき、保護層4は上記内燃機
関の高温高速排ガスが直接測定極電子伝導層3に接触す
るのを防止して酸素センサ素子の耐久性を向上させるた
めに設けられている。そこで、酸素濃淡電池の原理によ
り、上記固体電解質管1の両面における酸素分圧の差に
対応して起電力Eを次式{1}に基いて発生する。E辛
1農三 .・・.・・【11 ただし、R:気体定数 T:絶対温度 F:ファラデー定数 P。
であって、Y203を添加して安定化したZr02固体
電解質粉末を管状に成形焼結した固体電解質管1の内外
表面に、それぞれ基準極電子伝導層2および測定極電子
伝導層3を設け、基準極電子伝導層2を大気Aにさらす
と共に、測定極電子伝導層3を保護層4を介して被検ガ
ス(たとえば、内燃機関の排ガス)Gにさらすようにし
た構造をなしている。このとき、保護層4は上記内燃機
関の高温高速排ガスが直接測定極電子伝導層3に接触す
るのを防止して酸素センサ素子の耐久性を向上させるた
めに設けられている。そこで、酸素濃淡電池の原理によ
り、上記固体電解質管1の両面における酸素分圧の差に
対応して起電力Eを次式{1}に基いて発生する。E辛
1農三 .・・.・・【11 ただし、R:気体定数 T:絶対温度 F:ファラデー定数 P。
2:測定極酸素分圧
ところで、排ガス中の酸素濃度は、第2図に示すように
、理論空燃比付近から次第に増大するが、測定極酸素分
圧P。
、理論空燃比付近から次第に増大するが、測定極酸素分
圧P。
2は、第3図に示すように、測定極電子伝導層3を形成
する白金(Pt)の触媒作用のために、理論空燃比より
濃い空燃比(ガソリン内燃機関の場合はA/F<14.
7)ではほぼ位tmとなり、理論空燃比より空燃比が希
薄になると酸素分圧は急峻に増大する。
する白金(Pt)の触媒作用のために、理論空燃比より
濃い空燃比(ガソリン内燃機関の場合はA/F<14.
7)ではほぼ位tmとなり、理論空燃比より空燃比が希
薄になると酸素分圧は急峻に増大する。
したがって、式‘1’に示す起電力(E)と空燃比(A
/F)との関係は、第4図に示すよに、燃料過剰側で大
きな起電力を発生する特性を示し、理論空燃比(入=1
)の検出が可能である。そのほか、この種の酸素センサ
素子としては、基板上に基準極電子伝導層、酸素イオン
伝導性固体電解質層および測定極電子伝導層を順次積層
した膜構造型の酸素センサ素子も試みられており、測定
極電子伝導層が直接高温高速の排ガス流にさらされるの
を防止するために同様に測定極電子伝導層の表面または
酸素センサ素子表面の全体に保護層を設けて耐久性の向
上をはかった上で第4図の場合と同様の特性を得て理論
空燃比の検出を可能にしたものである。
/F)との関係は、第4図に示すよに、燃料過剰側で大
きな起電力を発生する特性を示し、理論空燃比(入=1
)の検出が可能である。そのほか、この種の酸素センサ
素子としては、基板上に基準極電子伝導層、酸素イオン
伝導性固体電解質層および測定極電子伝導層を順次積層
した膜構造型の酸素センサ素子も試みられており、測定
極電子伝導層が直接高温高速の排ガス流にさらされるの
を防止するために同様に測定極電子伝導層の表面または
酸素センサ素子表面の全体に保護層を設けて耐久性の向
上をはかった上で第4図の場合と同様の特性を得て理論
空燃比の検出を可能にしたものである。
しかしながら、上述した従来の酸素センサ素子を用いて
空燃比の検出をおこなう場合、測定極電子伝導層に直接
排ガス等の被検ガスを接触させ、測定極電子伝導層の触
媒作用による測定極酸素分圧の理論空燃比を境とした急
激な変化(第3図参照)をもとにして理論空燃比を検出
するようにしているため、理論空燃比以外の検出は不可
能であった。
空燃比の検出をおこなう場合、測定極電子伝導層に直接
排ガス等の被検ガスを接触させ、測定極電子伝導層の触
媒作用による測定極酸素分圧の理論空燃比を境とした急
激な変化(第3図参照)をもとにして理論空燃比を検出
するようにしているため、理論空燃比以外の検出は不可
能であった。
したがって、たとえば理論空燃比における内燃機関の空
燃比制御には適しているものの、希薄燃焼させて燃料消
費効率の向上をはかろうとする場合における内燃機関の
空燃比制御には使用できない欠点を有していた。この発
明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、理論空
燃比よりも希薄な空燃比の検出が可能な空燃比検出方法
を堤供することにあり、これによって、たとえば内燃機
関の空燃比制御において希薄燃焼を可能にして燃料消費
効率を高めうるようにすることにある。
燃比制御には適しているものの、希薄燃焼させて燃料消
費効率の向上をはかろうとする場合における内燃機関の
空燃比制御には使用できない欠点を有していた。この発
明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、理論空
燃比よりも希薄な空燃比の検出が可能な空燃比検出方法
を堤供することにあり、これによって、たとえば内燃機
関の空燃比制御において希薄燃焼を可能にして燃料消費
効率を高めうるようにすることにある。
この発明の空燃比制御方法は、隔膜層、基準極鰭子伝導
層、酸素イオン伝導性固体電解質層および測定極電子伝
導層を横層し、前記隔膜層および酸素イオン伝導性固体
電解質層のうち少なくともいずれか一方がガス透過性で
あり、前記基準極電子伝導層と測定極電子伝導層との間
に直流電源を接続する酸素センサ素子の前記測定極電子
伝導層の表面に、酸素に関するガス拡散係数が6×10
‐9なし・し2xlo−7mole/a肌・secの範
囲であって酸素分子の拡散を制御しうるガス拡散制御層
を設けて被検ガスと接触可能にした酸素センサ素子を用
い、前記直流電源により供給される電流によって前記測
定極電子伝導層から基準極電子伝導層に向けて酸素イオ
ンの移動を強制的に生じさせることにより前記測定極酸
素分圧を被検ガス中の酸素分圧よりも所望値だけ低下さ
せ、前記低下させた測定極酸素分圧と基準極酸素分圧と
の差に対応して発生する起電力を測定することによって
理論空燃比よりも希薄な空燃比の検出を可能にしたこと
を特徴としている。
層、酸素イオン伝導性固体電解質層および測定極電子伝
導層を横層し、前記隔膜層および酸素イオン伝導性固体
電解質層のうち少なくともいずれか一方がガス透過性で
あり、前記基準極電子伝導層と測定極電子伝導層との間
に直流電源を接続する酸素センサ素子の前記測定極電子
伝導層の表面に、酸素に関するガス拡散係数が6×10
‐9なし・し2xlo−7mole/a肌・secの範
囲であって酸素分子の拡散を制御しうるガス拡散制御層
を設けて被検ガスと接触可能にした酸素センサ素子を用
い、前記直流電源により供給される電流によって前記測
定極電子伝導層から基準極電子伝導層に向けて酸素イオ
ンの移動を強制的に生じさせることにより前記測定極酸
素分圧を被検ガス中の酸素分圧よりも所望値だけ低下さ
せ、前記低下させた測定極酸素分圧と基準極酸素分圧と
の差に対応して発生する起電力を測定することによって
理論空燃比よりも希薄な空燃比の検出を可能にしたこと
を特徴としている。
第5図はこの発明の実施に適用されうる酸素センサ素子
10の縦断面模型的結線図、第6図は第5図の酸素セン
サ素子10の模型的分解斜視図であって、隔膜層11は
アルミナ、ムライト、スピネル等の絶縁性物質からなり
、その内部には第7図に例示する如き形状の発熱体12
を設けていると共に、構造基体としての強度を保持して
いる。
10の縦断面模型的結線図、第6図は第5図の酸素セン
サ素子10の模型的分解斜視図であって、隔膜層11は
アルミナ、ムライト、スピネル等の絶縁性物質からなり
、その内部には第7図に例示する如き形状の発熱体12
を設けていると共に、構造基体としての強度を保持して
いる。
この隔膜層11の表面上には、二つに分けた基準極電子
伝導層13,14を積層し、さらにその上に酸素イオン
伝導性固体電解質層15を積層している。この固体電解
質層15の素材としては、Y203やCaoで安定化し
たZの2その他既知のものを採用することができる。こ
の固体電解質層15の表面には測定極電子伝導層16を
務層し、この測定極電子伝導層16と前記一方の基準極
電子伝導層13との間に電圧測定手段17を接続して起
電力Eの測定を可能にすると共に、測定極電子伝導層1
6と前記他方の基準極電子伝導層14との間に直流電源
18接続している。このとき、基準極電子伝導層13,
14および測定極電子伝導層16には触媒活性の白金を
用いるのが望ましく、そのほか白金と白金族元素との合
金その他の材料を適宜選択して使用するのが良い。また
、上記各電子伝導層13,14,16および固体電解質
層15を積層するに際しては、たとえばそれらの粉末を
ペースト状にしてスクリーンに印刷し、その後焼成する
手段などを用いることができ、その他の手段によること
も可能である。また、発熱体12には加熱用電源19を
接続して酸素センサ素子の温度を制御させうるようにし
ている。さらに、前記測定極電子伝導層16上には、被
検ガスから流入する酸素分子の拡散を制御しうるガス拡
散制御層20を設け、このガス拡散制御層20を被検ガ
スと接触可能している。この場合、ガス拡散制御層20
のガス拡散係数は、後述の実施例においても示すように
、6×10‐9なし、し2×10‐7mole/atm
・secの範囲内とするのがよい。そして、このガス拡
散制御層20の素材としては、たとえばムライト、スピ
ネル、フオルステライト、カルシウムジルコネートなど
を使用することができ、粉末を用いたスクリーン印刷法
や溶射法などによって積層する。このとき、後述するよ
うにガス拡散制御層20の酸素分子に関する拡散係数を
上記溶射条件等によって選定しうるようにする。そこで
、上記酸素センサ素子10を用い、直流電源18の正極
側を他方の基準極電子伝導層14に接続して電流を供給
すると、前記測定極電子伝導層16から基準極電子伝導
層14に向けて強制的に酸素イオンの移動を生ずる。こ
のとき、ガス拡散制御層20の存在によって被検ガスか
らの酸素分子の流入拡散が制御されているため、測定極
酸素分圧は被検ガス中の酸素分圧よりも低下する。他方
、基準極電子伝導層14に向けて酸素イオンが流れるこ
とにより基準極酸素分圧が高められるが、この基準極電
子伝導層14に存在する酸素分子は、隔膜層11が多孔
性の場合に前記隔膜層11内を拡散して、あるいは隅膜
層11がち密で固体電解質層15が多孔性の場合に前記
固体電解質層15内を拡散して、もしくは両方を拡散し
て、前記酸素イオンの流入と前記酸素分子の拡散との均
衡した状態の基準極酸素分圧が維持される。そこで、前
記被検ガス中の酸素分圧よりも低下した測定極酸素分圧
と上記基準極酸素分圧との差に対応して発生する起電力
Eを電圧測定手段17によって測定すれば、前記測定極
酸素分圧が被検ガス中の酸素分圧よりも低下した関係を
維持しつつ被検ガス中の酸素分圧の変化に応じて上記測
定極酸素分圧も変化するために、理論空燃比よりも希薄
な空燃比の検出が可能になる。以下、これをさらに第8
図をもとにして詳細に説明する。第8図はこの発明の空
燃比検出方法の実施に用いられる酸素センサ素子の作用
的断面説明図であって、この場合には、酸素に関する拡
散係数がk,である多孔質隔膜層11、基準極電子伝導
層14、固体電解質層15、測定極電子伝導層16、酸
素に関する拡散係数がk2である拡散層20を順次積層
した状態を示している。そこで、直流電源18を接続し
て基準極電子伝導層14から測定極電子伝導層16に向
けて直流電流1を流し込むと、第8図にすように、固体
電解質層15内で測定極電子伝導層16から基準極電子
伝導層14向けて酸素分子がイオンの形でQ(mol/
sec)だけ送り込まれ、Q=1/岬の関係で示される
。また、被検ガス中の酸素分圧をPとすると、測定極電
子伝導層16における酸素分圧P2は、Q=k2(P−
P2) …・・・‘21なる関係式から
、P2=P−Q/k2 ・・・・・・
‘3}で表わされる。
伝導層13,14を積層し、さらにその上に酸素イオン
伝導性固体電解質層15を積層している。この固体電解
質層15の素材としては、Y203やCaoで安定化し
たZの2その他既知のものを採用することができる。こ
の固体電解質層15の表面には測定極電子伝導層16を
務層し、この測定極電子伝導層16と前記一方の基準極
電子伝導層13との間に電圧測定手段17を接続して起
電力Eの測定を可能にすると共に、測定極電子伝導層1
6と前記他方の基準極電子伝導層14との間に直流電源
18接続している。このとき、基準極電子伝導層13,
14および測定極電子伝導層16には触媒活性の白金を
用いるのが望ましく、そのほか白金と白金族元素との合
金その他の材料を適宜選択して使用するのが良い。また
、上記各電子伝導層13,14,16および固体電解質
層15を積層するに際しては、たとえばそれらの粉末を
ペースト状にしてスクリーンに印刷し、その後焼成する
手段などを用いることができ、その他の手段によること
も可能である。また、発熱体12には加熱用電源19を
接続して酸素センサ素子の温度を制御させうるようにし
ている。さらに、前記測定極電子伝導層16上には、被
検ガスから流入する酸素分子の拡散を制御しうるガス拡
散制御層20を設け、このガス拡散制御層20を被検ガ
スと接触可能している。この場合、ガス拡散制御層20
のガス拡散係数は、後述の実施例においても示すように
、6×10‐9なし、し2×10‐7mole/atm
・secの範囲内とするのがよい。そして、このガス拡
散制御層20の素材としては、たとえばムライト、スピ
ネル、フオルステライト、カルシウムジルコネートなど
を使用することができ、粉末を用いたスクリーン印刷法
や溶射法などによって積層する。このとき、後述するよ
うにガス拡散制御層20の酸素分子に関する拡散係数を
上記溶射条件等によって選定しうるようにする。そこで
、上記酸素センサ素子10を用い、直流電源18の正極
側を他方の基準極電子伝導層14に接続して電流を供給
すると、前記測定極電子伝導層16から基準極電子伝導
層14に向けて強制的に酸素イオンの移動を生ずる。こ
のとき、ガス拡散制御層20の存在によって被検ガスか
らの酸素分子の流入拡散が制御されているため、測定極
酸素分圧は被検ガス中の酸素分圧よりも低下する。他方
、基準極電子伝導層14に向けて酸素イオンが流れるこ
とにより基準極酸素分圧が高められるが、この基準極電
子伝導層14に存在する酸素分子は、隔膜層11が多孔
性の場合に前記隔膜層11内を拡散して、あるいは隅膜
層11がち密で固体電解質層15が多孔性の場合に前記
固体電解質層15内を拡散して、もしくは両方を拡散し
て、前記酸素イオンの流入と前記酸素分子の拡散との均
衡した状態の基準極酸素分圧が維持される。そこで、前
記被検ガス中の酸素分圧よりも低下した測定極酸素分圧
と上記基準極酸素分圧との差に対応して発生する起電力
Eを電圧測定手段17によって測定すれば、前記測定極
酸素分圧が被検ガス中の酸素分圧よりも低下した関係を
維持しつつ被検ガス中の酸素分圧の変化に応じて上記測
定極酸素分圧も変化するために、理論空燃比よりも希薄
な空燃比の検出が可能になる。以下、これをさらに第8
図をもとにして詳細に説明する。第8図はこの発明の空
燃比検出方法の実施に用いられる酸素センサ素子の作用
的断面説明図であって、この場合には、酸素に関する拡
散係数がk,である多孔質隔膜層11、基準極電子伝導
層14、固体電解質層15、測定極電子伝導層16、酸
素に関する拡散係数がk2である拡散層20を順次積層
した状態を示している。そこで、直流電源18を接続し
て基準極電子伝導層14から測定極電子伝導層16に向
けて直流電流1を流し込むと、第8図にすように、固体
電解質層15内で測定極電子伝導層16から基準極電子
伝導層14向けて酸素分子がイオンの形でQ(mol/
sec)だけ送り込まれ、Q=1/岬の関係で示される
。また、被検ガス中の酸素分圧をPとすると、測定極電
子伝導層16における酸素分圧P2は、Q=k2(P−
P2) …・・・‘21なる関係式から
、P2=P−Q/k2 ・・・・・・
‘3}で表わされる。
ところで、被検ガスたとえばガソリン内燃機関の排ガス
中の酸素分圧Pと空燃比(A/F)との関係は、第9図
に示す如く、理論空燃比(約14.7)付近から次第に
酸素分圧Pが高くなる。また、前記Q=1/小の関係か
ら、上記式(3’‘ま、P2=P−1/(4F・k2)
……【4)という関係で表わされ、電流1お
よび拡散係数k2を適当な値に選定することによって、
測定極酸素分圧P2と空燃比(A/F)との関係をたと
えば第10図に示すように空燃比(A/F)=16付近
まで測定極酸素分圧P2がほぼ0となるようにすること
ができる。
中の酸素分圧Pと空燃比(A/F)との関係は、第9図
に示す如く、理論空燃比(約14.7)付近から次第に
酸素分圧Pが高くなる。また、前記Q=1/小の関係か
ら、上記式(3’‘ま、P2=P−1/(4F・k2)
……【4)という関係で表わされ、電流1お
よび拡散係数k2を適当な値に選定することによって、
測定極酸素分圧P2と空燃比(A/F)との関係をたと
えば第10図に示すように空燃比(A/F)=16付近
まで測定極酸素分圧P2がほぼ0となるようにすること
ができる。
換言すれば、測定極酸素分圧P2を排ガス中の酸素分圧
Pよりも低下させることができる。他方、基準極電子伝
導層14における基準極酸素分圧P,は、Q=k,(P
,一P) ……【5’なる関係式からP
,=Q/k,十P …・・・(6}で
表わされる。
Pよりも低下させることができる。他方、基準極電子伝
導層14における基準極酸素分圧P,は、Q=k,(P
,一P) ……【5’なる関係式からP
,=Q/k,十P …・・・(6}で
表わされる。
そこで、隔膜層11の拡散係数k,を小さくすればP,
》》Pであり、上記式■はP,=Q/k,
……{7}となる。また、もう一方の基準極電
子伝導層13の基準極酸素分圧P.′はほぼ酸素分圧P
,に等しいので、前記式{7雌P,′=Q/k.
・・・・・・(8}となる。
》》Pであり、上記式■はP,=Q/k,
……{7}となる。また、もう一方の基準極電
子伝導層13の基準極酸素分圧P.′はほぼ酸素分圧P
,に等しいので、前記式{7雌P,′=Q/k.
・・・・・・(8}となる。
以上の関係より、第8図に示す酸素センサ素子の起電力
Eは、前記式‘1}と同様に、E=−帯1帯/
.・…側 で表わされ、 E:−帯nP扇Q声K2 .・…側 あるいは E=−帯ln午糸貴転学 側(・・) で表わされる。
Eは、前記式‘1}と同様に、E=−帯1帯/
.・…側 で表わされ、 E:−帯nP扇Q声K2 .・…側 あるいは E=−帯ln午糸貴転学 側(・・) で表わされる。
そこで、前記{4}式をもとに述べたように、電流1お
よび拡散係数k2を適当な値に選定することによって第
10図に示す如く空燃比(A/F)=16付近まで測定
極酸素分圧P2がほぼ0になるようにし、一方、前記式
‘8)に示すP,′=Q/k,の関係においてP,′が
10‐latm程度となるように拡散係数k,を調整し
ておけば、前記式‘9}の関係から酸素センサ素子の起
電力Eと空燃比(A/F)との関係は、第11図に示す
如く空燃比(A/F)=16を境いに急激に変化する特
性を示し、したがって、理論空燃比(A/F=14.7
)よりも希薄な空燃比(A/F=16)の検出が可能に
なる。
よび拡散係数k2を適当な値に選定することによって第
10図に示す如く空燃比(A/F)=16付近まで測定
極酸素分圧P2がほぼ0になるようにし、一方、前記式
‘8)に示すP,′=Q/k,の関係においてP,′が
10‐latm程度となるように拡散係数k,を調整し
ておけば、前記式‘9}の関係から酸素センサ素子の起
電力Eと空燃比(A/F)との関係は、第11図に示す
如く空燃比(A/F)=16を境いに急激に変化する特
性を示し、したがって、理論空燃比(A/F=14.7
)よりも希薄な空燃比(A/F=16)の検出が可能に
なる。
なお、前記式より明らかな如く、電流1を増加すれば、
起電力Eが急激に変化する空燃比(A/F)はより希薄
側にずれ、ガス拡散制御層20の拡散係数k2を小さく
した場合にも同様に起電力Eが急激に変化する空燃比(
A/F)はより希薄側にずれる。
起電力Eが急激に変化する空燃比(A/F)はより希薄
側にずれ、ガス拡散制御層20の拡散係数k2を小さく
した場合にも同様に起電力Eが急激に変化する空燃比(
A/F)はより希薄側にずれる。
なお、第5図に示す酸素センサ素子10では、二つに分
けた基準極電子伝導層13,14を設け、一方を電圧測
定手段17に接続し、他方を直流電源18に接続してい
る。
けた基準極電子伝導層13,14を設け、一方を電圧測
定手段17に接続し、他方を直流電源18に接続してい
る。
これは、直流電源18の影響が電圧測定手段17の出力
電圧に影響を及ぼさないようにするためである。すなわ
ち、固体電解質層15の内部抵抗は温度が低下した場合
に増大するために、直流電源18を接続して電流を流す
ことによって両電子伝導層14,16間における電圧が
増大し、基準極電子伝導層13,14が共通の場合には
起電力に上記電圧が加算されて出力電圧が増大して正常
な起電力を測定しがた〈なるためである。また、発熱体
12を設けて酸素センサ素子10の温度を一定(約60
0qo)に保つのは、上記直流電源18からの電流1を
流しやすくするため、ならびに隔膜層11の拡散係数k
.およびガス拡散制御層20の拡散係数k2を一定に保
つためである。
電圧に影響を及ぼさないようにするためである。すなわ
ち、固体電解質層15の内部抵抗は温度が低下した場合
に増大するために、直流電源18を接続して電流を流す
ことによって両電子伝導層14,16間における電圧が
増大し、基準極電子伝導層13,14が共通の場合には
起電力に上記電圧が加算されて出力電圧が増大して正常
な起電力を測定しがた〈なるためである。また、発熱体
12を設けて酸素センサ素子10の温度を一定(約60
0qo)に保つのは、上記直流電源18からの電流1を
流しやすくするため、ならびに隔膜層11の拡散係数k
.およびガス拡散制御層20の拡散係数k2を一定に保
つためである。
次に、この発明の実施の一例を示す。表1は酸素センサ
素子10の仕様を示すものである。表1また、表2は温
度60000における酸素に関する拡散係数を示すもの
であり、電流1=500山Aとしたときの起電力Eが急
激に変化する空燃比(A/F)もあわせて示した。
素子10の仕様を示すものである。表1また、表2は温
度60000における酸素に関する拡散係数を示すもの
であり、電流1=500山Aとしたときの起電力Eが急
激に変化する空燃比(A/F)もあわせて示した。
なお、電子伝導層13,14,16の拡散係数k3は、
電子伝導層内における酸素分圧を均一なものとするため
に、ガス拡散制御層20の拡散係数に比べて箸るしく大
きい値であることが必要である。表2 表2に示すように、電流1=500仏A、隔膜層1 1
の拡散係数k.=6×10−9mole/atm・se
c、ガス拡散制御層20の拡散係数k2=6×lo‐8
moleノ′at′m・secとしたときに空燃比(A
/F)=16で起電力Eが急激に変化する特性を示すが
、さらに電流1=750仏Aおよび1000仏Aと変化
した場合には、第12図に示すように、起電力Eが急激
に変化する空燃比(A/F)も変化する。
電子伝導層内における酸素分圧を均一なものとするため
に、ガス拡散制御層20の拡散係数に比べて箸るしく大
きい値であることが必要である。表2 表2に示すように、電流1=500仏A、隔膜層1 1
の拡散係数k.=6×10−9mole/atm・se
c、ガス拡散制御層20の拡散係数k2=6×lo‐8
moleノ′at′m・secとしたときに空燃比(A
/F)=16で起電力Eが急激に変化する特性を示すが
、さらに電流1=750仏Aおよび1000仏Aと変化
した場合には、第12図に示すように、起電力Eが急激
に変化する空燃比(A/F)も変化する。
したがって、単一の酸素センサ素子10を便用した内燃
機関の空燃比制御において、内燃機関の出力をあまり低
下させたくないとき(例えば登板時)には上記電流を相
対的に小さくし、出力をあまり必要としない場合(例え
ば定速走行時)に希薄燃焼させて燃料消費効率を高めた
いときには上記電流を相対的に大きくするというような
制御をおこなえば好都合である。なお、従来の酸素セン
サ素子において、測定極電子伝導層の表面に保護層を設
ける場合もあるが、このとき、理論空燃比において起電
力Eが急激に変化する酸素センサ素子を前記表1に示す
寸法で製造した場合には、保護層の拡散係数をk=1×
10‐6mole/atm・sec程度よりも大きくす
る必要があった。
機関の空燃比制御において、内燃機関の出力をあまり低
下させたくないとき(例えば登板時)には上記電流を相
対的に小さくし、出力をあまり必要としない場合(例え
ば定速走行時)に希薄燃焼させて燃料消費効率を高めた
いときには上記電流を相対的に大きくするというような
制御をおこなえば好都合である。なお、従来の酸素セン
サ素子において、測定極電子伝導層の表面に保護層を設
ける場合もあるが、このとき、理論空燃比において起電
力Eが急激に変化する酸素センサ素子を前記表1に示す
寸法で製造した場合には、保護層の拡散係数をk=1×
10‐6mole/atm・sec程度よりも大きくす
る必要があった。
すなわち、保護層を設けるのはあくまで酸素センサ素子
本体を保護するためであり、保護層において酸素分圧の
勾配を生ずると理論空燃比の検出ができなくなるので、
保護層の拡散係数の値を上述の如くある程度以上に大き
くしておく必要がある。一方、この発明による酸素セン
サ素子10では、表1で示す寸法で製造した場合に、ガ
ス拡散制御層20の拡散係数k2=2×10‐7mol
e/atm・sec程度以下の比較的小さな値とし、ガ
ス拡散制御層201こおいて酸素分圧の勾配を生じさせ
るようにして希薄空燃比の検出を可能としている。
本体を保護するためであり、保護層において酸素分圧の
勾配を生ずると理論空燃比の検出ができなくなるので、
保護層の拡散係数の値を上述の如くある程度以上に大き
くしておく必要がある。一方、この発明による酸素セン
サ素子10では、表1で示す寸法で製造した場合に、ガ
ス拡散制御層20の拡散係数k2=2×10‐7mol
e/atm・sec程度以下の比較的小さな値とし、ガ
ス拡散制御層201こおいて酸素分圧の勾配を生じさせ
るようにして希薄空燃比の検出を可能としている。
しかしながら、拡散係数k2が小さければ良いとうこと
でもなく、6×10‐9mole/atm・sec程度
よりも小さくなると応答性に悪影響を及ぼすようになる
。したがって、表1に示す寸法のものにおいては、ガス
拡散制御層20の拡散係数k2がおよそ6×10‐9な
し、し2×10‐7mole/atm・secの範囲と
なるようにするのがよいといえる。以上のように、この
発明によれば、測定極電子伝導層の表面に、酸素に関す
る拡散係数が所定の範囲内にあって酸素分子の拡散を制
御しうるガス拡散制御層を設けて被検ガスと接触可能に
した酸素センサ素子を用い、直流電源により供給される
電流によって測定極電子伝導層から基準極電子伝導層に
向けて酸素イオンの移動を生じさせることにより前記測
定極酸素分圧を被検ガス中の酸素分圧よりも低下させ、
前記低下させた測定極酸素分圧と基準極酸素分圧との差
に対応して発生する起電力を測定するようにしたから、
理論空燃比よりも希薄な空燃比の検出が可能であり、た
とえば内燃機関等において希薄燃焼を可能にして燃料消
費効率を高めることができるなどの非常にすぐれた効果
をもたらす。
でもなく、6×10‐9mole/atm・sec程度
よりも小さくなると応答性に悪影響を及ぼすようになる
。したがって、表1に示す寸法のものにおいては、ガス
拡散制御層20の拡散係数k2がおよそ6×10‐9な
し、し2×10‐7mole/atm・secの範囲と
なるようにするのがよいといえる。以上のように、この
発明によれば、測定極電子伝導層の表面に、酸素に関す
る拡散係数が所定の範囲内にあって酸素分子の拡散を制
御しうるガス拡散制御層を設けて被検ガスと接触可能に
した酸素センサ素子を用い、直流電源により供給される
電流によって測定極電子伝導層から基準極電子伝導層に
向けて酸素イオンの移動を生じさせることにより前記測
定極酸素分圧を被検ガス中の酸素分圧よりも低下させ、
前記低下させた測定極酸素分圧と基準極酸素分圧との差
に対応して発生する起電力を測定するようにしたから、
理論空燃比よりも希薄な空燃比の検出が可能であり、た
とえば内燃機関等において希薄燃焼を可能にして燃料消
費効率を高めることができるなどの非常にすぐれた効果
をもたらす。
第1図は従来の空燃比検出に使用される酸素センサ素子
の断面説明図、第2図は空燃比と排ガス中の酸素濃度と
の関係を示すグラフ、第3図は空燃比と第1図の酸素セ
ンサ素子の測定極酸素分圧との関係を示すグラフ、第4
図は空燃比と第1図の酸素センサ素子の起電力との関係
を示すグラフ、第5図および第6図はこの発明の一実施
例における空燃比検出に使用される酸素センサ素子のそ
れぞれ縦断面模型的結線図および分解斜視図、第7図は
第5図の酸素センサ素子の発熱体部分の説明図、第8図
は第5図の酸素センサ素子の作用を示す拡大断面説明図
、第9図は空燃比と被f余ガス中の酸素分圧との関係を
示すグラフ、第10図は空燃比と第5図の酸素センサ素
子の測定極酸素分圧との関係を示すグラフ、第11図は
空燃比と第5図の酸素センサ素子の起電力との関係を示
すグラフ、第12図は電流を変化させた場合の空燃比と
酸素センサ素子の起電力との関係を示すグラフである。 10・・・…酸素センサ素子、11・・・・・・隅膜層
、13,14・・・・・・基準極電子伝導層、15・…
・・酸素イオン伝導性固体電解質層16・・・・・・測
定極電子伝導層、17・・・・・・電圧測定手段、18
・・・・・・直流電源、20・・・・・・ガス拡散制御
層。第1図 第2図 第3図 第4図 第5図 第6図 第7図 第8図 第9図 第10図 第11図 第12図
の断面説明図、第2図は空燃比と排ガス中の酸素濃度と
の関係を示すグラフ、第3図は空燃比と第1図の酸素セ
ンサ素子の測定極酸素分圧との関係を示すグラフ、第4
図は空燃比と第1図の酸素センサ素子の起電力との関係
を示すグラフ、第5図および第6図はこの発明の一実施
例における空燃比検出に使用される酸素センサ素子のそ
れぞれ縦断面模型的結線図および分解斜視図、第7図は
第5図の酸素センサ素子の発熱体部分の説明図、第8図
は第5図の酸素センサ素子の作用を示す拡大断面説明図
、第9図は空燃比と被f余ガス中の酸素分圧との関係を
示すグラフ、第10図は空燃比と第5図の酸素センサ素
子の測定極酸素分圧との関係を示すグラフ、第11図は
空燃比と第5図の酸素センサ素子の起電力との関係を示
すグラフ、第12図は電流を変化させた場合の空燃比と
酸素センサ素子の起電力との関係を示すグラフである。 10・・・…酸素センサ素子、11・・・・・・隅膜層
、13,14・・・・・・基準極電子伝導層、15・…
・・酸素イオン伝導性固体電解質層16・・・・・・測
定極電子伝導層、17・・・・・・電圧測定手段、18
・・・・・・直流電源、20・・・・・・ガス拡散制御
層。第1図 第2図 第3図 第4図 第5図 第6図 第7図 第8図 第9図 第10図 第11図 第12図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 隔膜層、基準極電子伝導層、酸素イオン伝導性固体
電解質層および測定極電子伝導層を積層し、前記隔膜層
および酸素イオン伝導性固体電解質層のうち少なくとも
いずれか一方がガス透過性であり、前記基準極電子伝導
層と測定電子伝導層との間に直流電源を接続する酸素セ
ンサ素子の前記測定極電子伝導層の表面に、酸素に関す
る拡散係数が6×10^−^9ないし2×10^−^7
mole/atm・secの範囲であつて酸素分子の拡
散を制御しうるガス拡散制御層を設けて被検ガスと接触
可能にした酸素センサ素子を用い、前記直流電源により
供給される電流によて前記測定電子伝導層から基準極電
子伝導層に向けて酸素イオンの移動を生じさせることに
より前記測定極酸素分圧を前記被検ガス中の酸素分圧よ
りも低下させ、前記低下させた測定極酸素分圧と基準極
酸素分圧との差に対応して発生する起電力を測定するこ
とによつて理論空燃比よりも希薄な空燃比の検出を可能
にしたことを特徴とする空燃比検出方法。 2 基準極電子伝導層を二つお電子伝導層から形成し、
一方の基準極電子伝導層と測定極電子伝導層との間に起
電力の測定手段を接続すると共に、他方の基準極電子伝
導層と測定極電子伝導層との間に直流電源を接続した特
許請求の範囲第1項記載の空燃比検出方法。 3 隔膜層に多孔性物質を用いて酸素分子の拡散を可能
にした特許請求の範囲第1項または第2項記載の空燃比
検出方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP54164822A JPS6034065B2 (ja) | 1979-12-20 | 1979-12-20 | 空燃比検出方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP54164822A JPS6034065B2 (ja) | 1979-12-20 | 1979-12-20 | 空燃比検出方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS5689051A JPS5689051A (en) | 1981-07-20 |
JPS6034065B2 true JPS6034065B2 (ja) | 1985-08-06 |
Family
ID=15800569
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP54164822A Expired JPS6034065B2 (ja) | 1979-12-20 | 1979-12-20 | 空燃比検出方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6034065B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5934442A (ja) * | 1982-08-23 | 1984-02-24 | Hitachi Ltd | 空燃比フイ−ドバツク制御装置 |
JPS61129445A (ja) * | 1984-11-26 | 1986-06-17 | Nissan Motor Co Ltd | 空燃比制御装置 |
JP5867357B2 (ja) * | 2012-02-03 | 2016-02-24 | 株式会社デンソー | 内燃機関の排出ガス浄化装置 |
JP5904172B2 (ja) * | 2013-08-09 | 2016-04-13 | 株式会社デンソー | ガスセンサ制御装置 |
-
1979
- 1979-12-20 JP JP54164822A patent/JPS6034065B2/ja not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS5689051A (en) | 1981-07-20 |
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