JPS60501871A - 安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法 - 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】 安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法技術分野 背景技術 高温度がヌ検知器の重要な作用は、炭化水素を燃焼する炉または自動歪の内燃機 関のような機関の排気ガスにおいて空気対燃料の比（Ａ／Ｆ−空気の質量／燃料 の質量）の決定にある。理論的なＡ／［−１−，０２および残りのＨＣの両方の 最小量が存在するように、現存の空気質量が現存の炭化水素（ＨＣ）と反応する のにまさに十分な酸素（０２）を含有するものである。

自動車のガソリン機関に対しては、理論的なＡ　／　Ｆ　７！ｌｌ？＝普通１４ ．６である。もし機関が理論混合比の低し・（Ａ／Ｆ＞　１４．６　）運転をし てし・るとすると、Ａ／Ｆと共に電調に増大し、それにより酸素の量の測定を提 供する排気ガスにおいて酸素が概ね過度に存在することになる。この関係は、高 温度の酸素検知器カー理論混合比でおよびその低いＡ／Ｆを決定する基礎となる 。

高い作用（Ａ／Ｆ＜Ｉ　Ｌ６　）に対してしま、酸素の均等した部分圧力は非常 に小さく、そして排気がスジ主、水素、Ｈ２、および−酸化炭素、ＣＯｌのよう な反応しない炭化水素および部分的に反応した炭化水素の実質的な部分圧力を含 む。熱力学的な均衡状態では、これらの空間の濃度は、減少するＡ／Ｆと共に単 調に増大し、そしてそれにより高いＡ／Ｆの測定を提供する。

高温度の酸素検知器は、Ｙ２Ｏ３（または他の同等材料）で塗布されたセラミッ クの固体電解液である二酸化ジルコニウム、ＺｒＯ２、から作られた電解形電池 を使用したものが周知である。例えば、Ｗｅｓｓ８１等の米国特許第６，９４８ ．０８１号には、理論的なＡ／Ｆでのまたはその近くでの０２を検矧するために 好都合な単一の電解形電池装置を説明している。この装置において、電解液は、 排気がヌ内に挿入されている一方の端部で閉じられた円筒体の形状をしている。

閉じた端部の内側電極に隣接した０□の部分圧力がＰヤ、により与えられるよう に、基準大気（普通空気〕にさらされている。

ＰＦ、ｘは、排気ガスにおける０２０部分圧力であって、外側電極に隣接してい る。この形状における電池において生じたＥＭＦ（＝Ｖ）、Ｎｅ　ｒｎｓ　ｔの 式である次式で与えられる。

Ｖ＝（ＲＴ／４Ｆ）Ｉｎ（Ｐ　／ｐ　）　（ｔｌＲＥＦ　ＥＸ ここでＲは万能ガス定数、Ｔは絶対温度、およびＦはファラデイの定数である。

したがって、電池の出力電圧■はＰユおよびそれゆえ排気ガスのＡ／Ｆの検知器 である。欠点は対数関数のためにＰＥｘに対してその低い感度にある。この欠点 は、Ｐユが理論的な値に近い非常に小さいＡ／Ｆ区域内で２０のオーダの大きさ 以では相殺するものである。このように１Ｖの大体の変動（〜１．０ボルト）は 、自動車への適用においてはこの特定のＡ／Ｆ比を特徴としている。理論的なＡ ／Ｆから離れると、Ａ／Ｆに伴５ｐユの変動はずっと弱く、そして単一の電池装 置においては、Ａ／Ｆの変化に対して感度が低い。

感度を高める一つの方法は、またＺｒＯ２の電解形電池を採用しているｏ２注入 装置を使用することである。

したがって、Ｈｅ１ｊｎｅの米国特許第６，９０７，６５７号：５ｐａｃｉ１等 の同第３，５１４，６７７号；　ＨｅｔｒＩＣｋ等の同第４，２７２，３２９号 には、一方の電池での酸素の注入および他方の電池でのＥＭＦの測定を結合しで 、より高い感度で０２の濃度の測定を行う１個、２個または多数個の電池構造を 説明している。Ｈｅｔｒｉｃｋ等の特許の場合には、その構造は、自動車への適 用における低いＡ／Ｆを測定するために特に適している。

理論混合比の高いがス状環境においては、酸素注入装置は、またより高い感度で Ａ／Ｆを測定すべく使用することができる。この場合には、大量に存在する反応 しないＨＣあるいは部分的に反応したＨＣとの測定可能な反応を行うのに必要な ０２の供給量を測定する構造を使用しなければならない。０ｂｙａｓｈｉ等の米 国特許第４，２１０，５０９号；　Ｋｉｍｕｒａ等の同第４，２２４，１１３号 ：およびＴａｐｌｉｎ等の同第４．１６９，４４０号は、このような高いＡ　／ 　Ｆの測定を実行しうる単一の電池装置を説明しでいる。これらの測定は、電池 における電圧■と同様に電池を通る酸素ポンプ電流、卯、の同時の測定を必要と している。０２が電池の０２パ貯槽″側から電池の“反応”側へ十分高い割合で 注入されて、理論的な比に近接した電池の１反応”側において０２およびＨＣの 濃度をもたらすとき、その際著しい変動（１ボルトのオーダで）は理論混合気を 通る通過を信号にしたＶ　として生じる。さらに、電流がより低いＡ／Ｆ値のた めのこの条件を達成するのに必要とされる。この方法では、電圧変動を達成する に必要とするＩ、値は高いＡ”／Ｆの測定乞提供する。

しかしながら、このような単一の電池装置は、自動車への適用において必要とさ れるような拡張された使用伴い校正（変化傾向）または悪化という顕著な損失を 受ける。ポンプ電池における電圧は、これらの装置のためにＡ／Ｆ乞確立するこ とにおける臨界パラメータであり、電池の電極の品質により著しく影響されうる 。このことは、０２が必要な割合で厚いまたは薄い電極を通過することケ確実に するのに多少の電圧を必要とすることにより生じる。このような電極の成極現象 は普通のことである。したがって、この電圧への電極の寄与は、電極が高温度で の使用のもとで焼結したり、そうでなければ悪化するにつれ、゛時間と共に変動 する。さらに、電池における電圧への抵抗の寄与は、かりした温度制御を必要と するような廓度に伴い指数的に変動する。

他方では、２個の電池構造でもって、注入電池における電圧降下は、しばしばわ ずかな重要性しかなく、したがって電極の悪化および温度の影響を少なくしてい る。結果として、対応した適当な測定技法２伴う２個の電池構造は、特に高感度 の高いＡ　／　Ｆ測定のために有利である。これらは、本発明が打ち勝ついくつ かの問題である。

発明の開示 本発明の実施例によれば、Ａ／Ｆの高い値を安定状態で決定する方法は、反応し ない炭化水素および部分的に反応する炭化水素の濃度に比例した信号を発生する ことを含む。このような炭化水素は、内燃機関の排気ガス内に生じる。

その方法は、互いに離隔されかつそれらの間に部分的に包囲された容積を形成す る第一および第二の電解形電池を含む構造を利用している。容積は開口を介して 排気ガスと連通している。第一および第二の電解形電池の各々の第一の側部は容 積にさらされでいる。第−の電解形電池の第二の側部は排気ガスにさらされてい る。第二の電解形電池の第二の側部は普通空気である基準大気にさらされている 。

その方法によると、加えられた注入電流は、０２を基準大気から部分的に包囲さ れた容積内へ注入させるようにする。この０２は、順次ＥＭＦを他の電解形電池 において発生させるようにする容積内の反応していないＨＣおよび部分的に反応 したＨＣと反応する。このＥＭＦは、０２が任意の値で固定された引き起こされ るＥ　Ｍ　Ｆを維持するような割合で容積内へ注入されろように、注入電流を制 ？ｉ１１すべく用いられている。この役目を達成すべく必要とされる安定状態の 注入電流の大きさは、排気ガスにおけろ反応していないＨＣおよび部分的に反応 したＨＣの濃度に比例していることが見い出され、そしてこれにより高いＡ　／ ″Ｆ比に逆比例しでいて、したがってその数量の検チロ器を提供する。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明の安定状態の注入方法の実施例による高いＡ　／　Ｆ測定をな す検知器構造の概略断面図；第２図は、第１図に丞された検知器構造のための種 種の高いＡ／Ｆ値でポンプ電池電流■　に対する検知器電圧、■　、を表わす図 表： 第６図は、第１図に示された検知器構造による種々のＡ／Ｆ値に対して参照電圧 で検知器電池の電圧な保持するのに必要とされるボンデ電池電流Ｉｐを表ゎず図 表；および 第４図は、本発明の実施例により使用される外部回路を細論した第１図に示され た検知器構造の概略図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図を参照すると、空気燃料検知器１１０は、Ｚ　ｒ　Ｏ２を塗布されたＹ２ Ｏ３のような酸素の固体イオン伝導体の円板状電解液１１２を含む電解形電池１ １１乞含んでいる。電池１１１は、また取り付げられたり−ド線１１４を備えた ２個の薄い穴あきの接触自余電極１１３を含む。同様に、電解形電池１２１は、 電解液１２２、電極１２３およびリード１２４￥含む。電解形電池１１１は、包 囲された容積Ｖが形成されるように、薄く、全体的に円筒状乞してかつ中空のス ペーナ１２５により電解形電池１２１から分離されている。

電池１１１は、周囲環境、排気ガス、がそれ自身ケ容積ｖ内で確立することがで きるように、それにおいて小さな穴即ち漏れ穴１２６を有している。

電解形電池１２１は、電解体１２２が一方の端部でにより基準容積を形成しかつ 電池１２１の一方の側部な基準大気へさらされるように、このような形態になさ れ、またはそれに取り付けられた構造を有している。

結果として、検知器の一方側は排気ガスにさらされ、そして一方の側は基準大気 にさらされでいる。検知器支持構造１２８は、概略的に示されているが、構造的 な支持および保護を提供することに加えて、排気管壁１２７への検知器取付けを 許すことと同様な排気と基準大気との間のンールな提供する。検知器支持構造の カバー２２８における開口１３０は、検知器１１０へ排気ガスの容易な接近を可 能にしでいる。リード線１１４および１２４は、外部回路への取り付けのために 支持構造１２８を貫通しでいる。ヒータ１２９は、所望の操作湛度範囲内にＡ／ Ｆ検知器１１０を維持すべく提供されている。

第１図の検知器構造１ま、本発明の安定状態の実施例により高いＡ／Ｆ゛比を決 定すべく使用されろ。その方法は、基準大気からりで与えられた割合で電池１２ １（ポンプ電池）によりＶ内に０２を注入されるようにさせる。同時に、■内の 酸素の部分圧力は、漏れ穴１２６を通る酸素の拡散および内部の接触電極１２３ および１１３において部分的に反応したＨＣと化学的な反応により減少される。

ポンプ電池電流１１っが増大するにつれ、容積・Ｉ内の安定状態の酸素の酸素の 部分圧力は、電解形電池１１１（検知器電池）においてＥ　Ｍ　Ｆが引き起こさ れるようにさせることを増大させろ。このＥＭＦ、Ｖ３と称されるその大きさは 、再び式（１）により与えられ、この式におけるＰヨつは、注入された酸素と部 分的に反応したＨＣの反応からの結果である容積ｖ内のほぼ均衡した酸素の部分 圧力を表示しているＰ、、７により置き換えられる。この場合にはＰＶ＞Ｐヶで もつで、Ｖ、、＝　（ＲＴ／　４Ｆ）］−ｎ（ｐｙ／ｐ、）　ｆ２＋第２図は、 異った高い空気燃料比値でのポンプ０電流、し、に対して引き起されたＥＭＦ　 、Ｖ、　、の図表を示す。

そのＥＭＦは、小さなポンプ０電流対には低く、かつ１ｐと共に増大する。より 低い空気・燃料比のために、それまでに増大した酸素量は、容積Ｖ内に注入され 、ＨＣと著しい反応を達成する必要がある。特に、電解形電池１１１におけるＥ ＭＦを任意の基隼値Ｖ　（ＲＥ　Ｆ　）に達せさせろ必要がある丁１．の値（外 部回路で維持される）は、第”ろ図に指示されろような空気燃料比を減少する（ すなわちより高く〕とともに、系統的に増大する。このような校正曲線（土、高 い空気燃料比を測定する基礎を提供する。Ｖ（Ｒ１・；Ｆ）の選択は、王として 応答時間を含む多数の設計考慮事項により影響される。また、必要とされる工、 が電池容積および漏れ穴寸法び）増加関数で夛）ることは注目すべきて゛ある。

第１図の構造でこの方法を実行する好都合な回路は第４図に示されている。第４ 図において１ｉ、支持構造が明快には示されていない。抵抗”ｌ、Ｒ２およびギ ヤパンタＣは、増幅器Ａが常に十分なポンプ電流Ｉ、を発生し、ｖ　（ＲＥＦ　 ）に等しい一定値で電池１１１におけるＥＭＦを維持するように、増幅器Ａのゲ インおよび周波数応答を制御する。抵抗Ｒ３は、■、が電圧計ＶでもってＲ３に おける電圧を測定することにより決定されるように、ポンプ電池回路に含まれて いる。第６図の校正曲線を使用して、空気燃料比がこのように決定される。周昶 の電気回路を用いて、この電流は、所望の空気燃料比のために必要とされる卯の 値に対し比較されろ。電流がもしあまりに高いかあるいは低くければ、吸入燃料 はそれぞれに増大されるかまたは減少され、それによりフィードバック制御を達 成する。また、Ｒ３における電圧降下と関連して、修正回路１４１に対する入力 を形成し、もし必要なら温度補正された値に卯を調節する温度検昶器１４０が示 されている。第１回および第４図の構造は、さらにこれとともに同一日付で出願 され、６拡張された範囲の空気燃料比の検昶器”という名称の本出願人の共同出 願に論じられている。

本発明が関係する種々の技術の熟練者には、種々の変更および変化が確実に生じ られよう。例えば、電解形電池の形状は、ここで開示したものから変化してもよ い。これらおよび全ての変化は、基本的にはこの開示のものが技術を進歩させた 技法に依存していて、本発明の請求の範囲内で適当に考慮されるものである。

７Σ匡≧；、上。

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Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　反応していない炭化水素および部分的に反応した炭化水素を含有する周囲 環境における理論的値の高い燃料に対する空気比の測定をなす方法であって：第 一の電解形電池と第二の電解形電池を離隔された位置で支持しかつそれらの間に 容積を形成することにより周囲環境への接近を抑制して包囲された容積乞確立す る段階； 容積と周囲との間の開口を通して周囲環境から容積への連通を提供する段階： 基塩の酸素部分圧力を確立する段階： 前記第一の電解形電池の第一の側部を容積にさらす段階：および 前記第゛二の電解形電池の第一の側部な容積へそして第二の側部な基塩の酸素部 分圧力へさらす段階；を含む安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法。 ２、請求の範囲第１項に記載の方法は、さらに：前記第一の電解形電池の第二の 側部な周囲へさらす段階：および 酸素が基塩大気から包囲された容積内へ注入されるように、そして容積内の反応 していない炭化水素および部分的に反応した炭化水素との酸素の化学的反応によ り、酸素の部分圧力の差が前記第一の電解形電池で確立され、それにより前記第 一の電解形電池においてＥＭＦ′を発生させるように、前記第二の電解形電池に ポンプ電流を通過させる段階； を包含する安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法。 ６、請求の範囲第２項に記載の方法においで、電流を通過する前記段階は： 前記第一の電解形電池において引き起こされるＥＭＦが一定の基準電圧値で維持 されるように、前記第二の電解形電池にちょうど十分なポンプ電流を提供する段 階 を含む安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法。 ４　請求の範囲第３項に記載の方法は、さらに：周囲における反応していない炭 化水素および部分的に反応した炭化水素の濃度に比例していて、かつまた高いＡ ＺＦ比に逆比例したポンプ電流の大きさを測定すること 乞包含する安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法。 ５　、請求の範囲第４項に記載の方法は、さらに：単一の校正定数が維持される 温度の範囲に対して適当であるように、包囲された容積および隣接した区域の温 度を維持する段階 ケ包含する安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法。 ６、請求の範囲第５項に記載の方法は、さらに：電解形電池の区域における温度 を測定し、かつ温度における酸素注入電流の依存のためにＡ／Ｆ比の測定を修正 する段階、 を包含する安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法。 Ｚ　反応してない炭化水素および部分的に反応した炭化水素を含有する周囲環境 における理論的な値の高い燃料に対する空気（Ａ／Ｆ）の比の測定をなす方法で あって： 離隔された位置において第一の電解形電池および第二の電解形電池を支持しかつ それらの間に容積を形成し、前記第一および第二の電解形電池が対向した電極を 有することにより、周囲環境への接近を抑制した包囲された容積を確立する段階 ； 容積と周囲との間の開口を通して周囲環境から容積への連通な提供する段階： 容積に対し前記第一の電解形電池の第一の側部および前記第二の電解形電池の第 一の側部なさらす段階；前記第二の電解形電池の第二の側部に隣接して基儒の酸 素部分圧力を確立する段階： 前記第二の電解形電池の第二の側部な周囲環境へさらす段階； 酸素が基准大気から包囲された容積内へ注入されるように、そして容積内の反応 していない炭化水素および部分的に反応した炭化水素と酸素の化学反応により、 酸素の部分圧力における差が前記第一の電解形電池において確立され、それによ り前記第一の電解形電池の対向した電極の間でＥＭＦを発生させるように、ポン プ電流を前記第二の電解形電池に通過させる段階；前記第一の電解形電池におい て引き起こされるＥＭＦが一定の基憩電圧値で維持されるように、前記電解形電 池へのポンプ電流量を提供する段階；前記第一の電解形電池に接続された外部の 回路においで基漁電圧値を確立しかつ維持する段階；ポンプ電流の大きさを測定 する段階：およびポンプ電流の大きさから高いＡ／Ｆ比を決定する段階； を含む安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法。 ８　請求の範囲第７項に記載の方法は、さらに：温度の所定の範囲内で包囲され た容積の温度を維持する段階； 高いＡ／Ｆ比を決定する際に使用されるべく維持される温度の関数として校正定 数を選択する段階；電解形電池の区域における温度乞測定する段階；および 注入電流の大きさの温度におけろ依存のためにＡ／Ｆ比の決定を修正する段階； を包含する安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法。 ９　請求の範囲第７項に記載の方法において、基漁の酸素部分圧力を確立する段 階が前記第二の電解形電池の第二の側部乞大気へさらすこと を含む安定状態で高い空気／燃料比を決定する方法。