JPS6034065B2 - 空燃比検出方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims (1)

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。