JPS60501873A - Wide range air fuel ratio sensor - Google Patents
Wide range air fuel ratio sensorInfo
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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。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】 広範囲空気燃料比センサ 技術分野 本発明はがス雰囲気の組成の決定に関するものである。[Detailed description of the invention] Wide range air fuel ratio sensor Technical field The present invention relates to the determination of the composition of gas atmospheres.
背景技術 自動車の内燃機関の開気ブスの理論量空気燃料混合の決定において高温間酸素セ ンサを用いることは知られている。理論量混合は存在する空気の量が存在する炭 化水量の量と反応するのに丁度十分な酸素を有する混合でもろので、残留する酸 素と炭化水素との両者は最小量である。理論量値の空気燃料比（Ａ／Ｆ＝空気量 ／燃料の量）はぼ、！ １４．６である。例えば、もしもエンジンが理論量（Ａ ／Ｆ＜ １４．６）より薄い運転であったならば、内燃機関の気笛内で燃焼した 装入物は空気過剰であり、廃気がスは実質的な酸素分圧を有するであろう。もし も濃厚運転が生じるならば（Ａ／Ｆ （１４，６）、廃気がスは未反応のまたは 部分的に反応した炭化水素および非常に低い酸素分圧を有するであろう。Background technology The high-temperature oxygen sensor is used in determining the stoichiometric air-fuel mixture in the open air bus of an automobile internal combustion engine. It is known to use sensors. The stoichiometric mixture is the amount of air present in the charcoal The mixture has just enough oxygen to react with the amount of water that remains, so the remaining acid Both elements and hydrocarbons are in minimal amounts. Theoretical air-fuel ratio (A/F = air amount /Amount of fuel) Habo! It is 14.6. For example, if the engine is a theoretical quantity (A /F< 14.6) If the operation was leaner, it would have burned in the whistle of the internal combustion engine. The charge will be air-rich and the waste gas will have a substantial partial pressure of oxygen. if If rich operation occurs (A/F (14, 6), the exhaust gas will be filled with unreacted or It will have partially reacted hydrocarbons and a very low oxygen partial pressure.
特に、廃気がス中の平衡状態酸素分圧は運転が稀薄から濃厚運転まで移動するに したがい大量（大きさ２０の数だけ）に変化できる。この大きな変化は廃気がス 酸素七ンサを有する理論量空気燃料比を検出する基礎を形成する。このよ５なセ ンサの電気出力は次いで理論量点でエンジン運転を維持する電気制御気化器また は燃料噴射装置にフィードバックされる。エンジン型式によって、この点での運 転はしｔ、ｉ Ｌば調整された廃気がス放出を最小てし、エンジン性能を最大に するために合理的な妥協を示す。In particular, the equilibrium oxygen partial pressure in the exhaust gas changes as operation moves from lean to rich operation. Therefore, it can change in large numbers (as many as 20 in size). This big change is caused by Forms the basis for detecting the stoichiometric air-fuel ratio with an oxygen sensor. This is 5 years old The electrical output of the sensor is then connected to an electrically controlled carburetor or is fed back to the fuel injection system. Depending on the engine type, luck in this regard may vary. The controlled exhaust air minimizes gas emissions and maximizes engine performance. Demonstrate a reasonable compromise to do so.
単一酸素電気化学濃縮電池（通常ジルコニウム酸化物から造られた）を利用し、 高温度自動車環境の理論量空気燃料比を決定するために適当な基準大気（通常空 気）の使用を必要とする高温度酸素センサは知られている。これら装置は酸素分 圧の自然対数に比例する出力（起電力）を与える。酸素分圧（（対する装置の低 い感窒に拘らず、理論量点で酸素分圧の大きな変化は装置を有効に実施させる。Utilizing a single oxygen electrochemical concentrator cell (usually made from zirconium oxide), A suitable reference atmosphere (usually air High temperature oxygen sensors are known that require the use of air). These devices contain oxygen Gives an output (electromotive force) proportional to the natural logarithm of pressure. Oxygen partial pressure ((lower than the device) Large changes in oxygen partial pressure at the stoichiometric point allow the device to operate effectively despite severe nitrification.
米国特許第６，９４８，０８１号、第３，７３８，６４１号、第４，１１２，８ ９６号、第４，２１０，５０９号および第４，１０７，０９１号はこの型式の酸 素センサである。U.S. Patent Nos. 6,948,081, 3,738,641, 4,112,8 No. 96, No. 4,210,509 and No. 4,107,091 discuss this type of acid. It is an elementary sensor.
ヘイジンの米国特許第６，９０７．６５７号およびスベエシルその他の第３，５ １４，３７７号は固体電気化学装置を用いた酸素（０２）濃度の測定に関する。U.S. Pat. No. 6,907.657 to Hagin and No. 3,5 to Subecil et al. No. 14,377 relates to the measurement of oxygen (02) concentration using a solid state electrochemical device.
例えば、高温度（〉５００℃）での適用に対し炉または自動車の開気ブスに遭遇 するようにこれら装置内の活性材料は酸素イオンの伝導のために用いられたセラ ミックジルコニウムの二酸化物である。この材料から造られた電気化学電池は高 い温間で酸素を感冊し、汲出し７使用のために適当である。For example, for applications at high temperatures (>500°C) encountered in furnaces or open air tubes of automobiles. The active material in these devices is the ceramic used for the conduction of oxygen ions. It is a mixture of zirconium dioxide. Electrochemical cells made from this material have high Suitable for use in sensitizing and pumping oxygen at warm temperatures.
ヘイジンの装置の運転方法は酸素分圧が抽出見本の基準に決定される酸素計算方 法として記載されて（・ろ。The operating method of Heijin's equipment is an oxygen calculation method in which the oxygen partial pressure is determined based on the extraction sample standard. It is written as a law (・ro.
一定電流はその容積から酸素の大部分を電気化学的に汲出す目的のために、時間 ｔρの間容積の囲いの１部を形成する電気化学電池に加えられろ。８囲の大気は 漏れによって汲出す前に容積内１Ｃ設げら牙１．ろ。容積内の減少した酸素分圧 のセンサとして役ヴち、また囲いの部分を構成する追加の電気化学電池は酸素が 容積（第４図のヘイジンを見よ）から十分にからにされたとへ指示する信号を有 する。温間、囲まれた容積、汲出す電流および時間を知るとき理想のがス法則か ら囲い内の酸素分子の数を計算するよう（Ｃさせろ。酸素分子の数は順次所望の 酸素分圧に比例する。もしも一定の汲出し電流が用いられろならば汲出し時間ｔ ρは酸素分圧に比例する。もしも一定電流が用いられなければ、その時汲出し時 間を越えろ汲出し電流の積分は酸素分圧に比例する。A constant current is applied over time for the purpose of electrochemically pumping most of the oxygen out of the volume. Add to the electrochemical cell forming part of the volume enclosure for tρ. The atmosphere around 8 Before pumping due to leakage, the volume is 1C installed.1. reactor. Reduced partial pressure of oxygen within the volume An additional electrochemical cell, which serves as a sensor for the It has a signal from the volume (see hazing in Figure 4) to indicate that it has been sufficiently emptied. do. When knowing the warm temperature, enclosed volume, pumping current and time, is the ideal S law? Calculate the number of oxygen molecules in the enclosure (C). Proportional to oxygen partial pressure. If a constant pumping current is used, the pumping time t ρ is proportional to the oxygen partial pressure. If a constant current is not used, then when pumping The integral of the pumping current is proportional to the oxygen partial pressure.
）イジンの装＃は酸素分圧に・査線的に比例する出力を有する。これは、例えば 酸素分子−Ｆ、Ｉｎ （ＰＯ２）の自然対数に比例する出力（起電力）を与える センサとして用いられる単一酸素濃縮電池より優れている。) The Isin device has an output linearly proportional to the oxygen partial pressure. This is for example Provides an output (electromotive force) proportional to the natural logarithm of oxygen molecules - F, In (PO2) It is superior to a single oxygen concentrator battery used as a sensor.
ヘイジン装置の可能な欠点は応答時間である。二の測定処理のために、囲まれた 容積に周囲を連結する漏れは小さくなければならないので、酸素の汲出しの間、 酸素の重大な量は容積内に洩れることなく分子（すなわち、誤ってｔｖを増加す るように）の計算に誤りを生じる。しかしながら、洩れが小さくなるならば、汲 出し後容積と共に洩れ自体を再確立するように周囲に対して長い時間、ｔｖをと る。もしも周囲の酸素分圧の変化がこの補充する時間に対して急速に生じるなら ば、装置は繰返し運転のこれら変化に従うようにできないだろう。A possible drawback of the Hagin device is response time. For the second measurement process, the enclosed During the pumping of oxygen, the leakage connecting the volume to the surroundings must be small; A significant amount of oxygen can be absorbed into molecules without leaking into the volume (i.e. without accidentally increasing tv). This will cause an error in the calculation. However, if the leakage becomes smaller, After draining, apply tv to the surroundings for a long time to re-establish the leak itself with the volume. Ru. If changes in the ambient oxygen partial pressure occur rapidly relative to this replenishment time, then If so, the equipment would not be able to follow these changes in repeated operations.
ジョンズの米国特許第３．６９．８，３８４号の教示の場合、目的は供給がス中 の酸素分圧を測定することである。これはセンサ電池の電圧を一定に保持しなが ら電気化学電池汲出し電流を測定することによりなされる。In the case of the teachings of Johns U.S. Pat. No. 3.69.8,384, the objective is to It is to measure the oxygen partial pressure of . This is done while keeping the voltage of the sensor battery constant. This is done by measuring the pumping current of an electrochemical cell.
しかしながら、供給ガスの流れ速度は一定に保たなければならない。もしも流れ 速度が変化するように企画すべきならば、流れ速度を一定に保つように比較的精 巧な流れ制御回路がある。この計画はまた基準大気を用い、負気流れ速度が毎秒 回転数と共に実質的に変化する自動車産気の適用に対しては比較的不適当である 。However, the flow rate of the feed gas must be kept constant. What if the flow If the velocity is to be designed to vary, it should be relatively precise to keep the flow velocity constant. There is a clever flow control circuit. This plan also uses a reference atmosphere, with a negative air flow rate of Relatively unsuitable for automotive applications where air pressure varies substantially with rotational speed .
図面の第１図および第２図は薄いプラチニウム電極２および３を有するイオン伝 達ジルコニウム酸化物材料１が追加のセラミック構造物４が囲まれた容積を限定 する電気化学電池を形成する知られた酸素汲出しセンサを示す。周囲大気は洩れ 開口５によって容積内にそれ自体設けられる。電池７は導線８および８′によっ て電極に取付けられる。電圧計１０および電流計９はポンプ電池を横切る電圧降 下およびそれを通って流れる電流を決定するように設けられる。米国特許第３， ９０７．６５７号の第５図に構造が似ているけれども作動は異なる。ここで汲出 し電流が飽和するまで酸素を囲まれた容積６から除去するように汲出し電圧■を 加える。飽和電流は酸素分圧または濃度に比例する。Figures 1 and 2 of the drawings show an ion conductor with thin platinum electrodes 2 and 3. The zirconium oxide material 1 defines the volume surrounded by the additional ceramic structure 4 1 shows a known oxygen pumping sensor forming an electrochemical cell. The surrounding atmosphere leaks The opening 5 provides itself within the volume. Battery 7 is connected by conductors 8 and 8'. attached to the electrode. Voltmeter 10 and ammeter 9 measure the voltage drop across the pump battery. provided to determine the current flowing under and through it. U.S. Patent No. 3, Although similar in construction to Figure 5 of No. 907.657, the operation is different. pump out here and the pumping voltage ■ to remove oxygen from the enclosed volume 6 until the current saturates. Add. Saturation current is proportional to oxygen partial pressure or concentration.
これは定常状態の装置である。定常状態に達したとき、洩れ開口５を通る酸素の 流れは汲出し電流時間の比例常数に等しい。プラチニウム電極２すなわち陰極と 共同して洩れ孔は酸素の制限された（飽和した）量を入るようにさせるだけであ り、単位時間毎に容積から電気化学的に汲出されるから、電流は飽和する。飽和 電流値は電極２の性質によるほど装置の検量はこれら性質がこの薄い層の焼結す ることおよび摩耗の量変化するよう、に流動を受ける。This is a steady state device. When steady state is reached, the oxygen passing through the leak opening 5 The flow is equal to the proportional constant of the pumping current time. Platinum electrode 2 or cathode In conjunction, the leak holes only allow a limited (saturated) amount of oxygen to enter. is pumped electrochemically from the volume every unit time, so the current saturates. saturation The current value depends on the properties of the electrode 2, and the calibration of the device is based on the fact that these properties are responsible for the sintering of this thin layer. Subjected to flow, so that the amount of wear and tear varies.
あるエンジンに対して燃料消費減少のために理論量Ａ／Ｆ比の稀薄で運転するこ とは有用である。酸素分圧は稀薄範囲内で系統的な様に変化し、これは稀薄Ａ／ Ｆを決定するための基準を形成することができる。しかしながら、適当な稀薄Ａ ／Ｆ範囲の酸素分圧の変化は大きくない（理論量近くに生じる変化に比較して） ので、酸素分圧の自然対数より大きな感度を有する適当な酸素センサは所望のＡ ／Ｆ範囲の正確なＭｌｌ定のために望ましい。For some engines, it is recommended to run them at a leaner stoichiometric A/F ratio to reduce fuel consumption. is useful. The oxygen partial pressure varies in a systematic manner within the dilution range, and this is due to the dilution A/ A criterion for determining F can be formed. However, appropriate dilution A The changes in oxygen partial pressure in the /F range are not large (compared to the changes that occur near the stoichiometric amount) Therefore, a suitable oxygen sensor with a sensitivity greater than the natural logarithm of the oxygen partial pressure will provide the desired A Desirable for accurate Mll determination in the /F range.
稀薄な理論量で運転するエンジンのための酸素分圧センサはアール、イー、ヘト リックの米国特許第４，２７２．３３１号および第４，２７２，３３０号および アール、イー、ヘトリックその他の米国特許第４，２７２．６２９号で教示され る。センサ（図面の第６図に先行技術として示す）は開気ガス流中に全く配置さ れ、はとんど囲まれた容積１３の囲み構造を一部分備えた２つの酸素イオン伝導 電気化学電池１１および１２、ボンデ電池およびセンサ電池を有する。残りの構 造部分は中空セラミック管１４である。電池は士ラミックにかわ類似物により管 の端面に取付けられる。Oxygen partial pressure sensors for engines operating at lean stoichiometry are Rick U.S. Pat. Nos. 4,272.331 and 4,272,330; As taught in U.S. Pat. No. 4,272.629 by Earl, E., Hetrick et al. Ru. The sensor (shown as prior art in Figure 6 of the drawings) is placed entirely in the open gas stream. The two oxygen ion conductors are partially enclosed by an enclosed volume 13. It has electrochemical cells 11 and 12, a bonde cell and a sensor cell. the rest of the structure The structural part is a hollow ceramic tube 14. The battery is made of a lamic glue-like material. attached to the end face of the
囲み構造内の小孔１７は、決定されるパーセントの酸素を有する開気ガスを容積 内に洩れろようにさせる。Small holes 17 in the surrounding structure allow a volume of open gas with a determined percentage of oxygen. Let it leak inside.
導線１８は電気化学電池１１および１２の各側面に取付けられた電極１５に添付 されろ。Conductive wires 18 are attached to electrodes 15 attached to each side of electrochemical cells 11 and 12. Be it.
ヘトリックおよびヘトリックその他の特許は発振方法は、過渡的方法および定常 状態方法を有する方法の運転を許すようにセンサに結合された種々な外部回路部 品を記載している。これら方法の１つで運転されたとき、この装置は酸素濃度に 対し線形または大きな感度を与えるので、単一電池センサに比較して稀薄運転で 大きな効果がある。さらに種々の方法は低温度感度および、１つの場合には絶対 圧力の変化ンク・ら独立するような他の有効な特徴を提供する。The patents of Hetrick and Hetrick et al. various external circuitry coupled to the sensor to permit operation of the method with the state method; The product is listed. When operated in one of these ways, the device will It provides linear or large sensitivity to the sensor, allowing for lean operation compared to single cell sensors. It has a big effect. Additionally, various methods have low temperature sensitivity and, in one case, absolute It provides other useful features such as being independent of pressure changes.
これらの方法において、酸素はボンデ−電池電流、■、によって与えられた速度 で囲まれた容積内へまたは容積から電気化学的に汲出される。同時に酸素は洩れ 孔によって容積内へまたは容積から拡散する。酸素は洩れによって流動し、汲出 すことは周囲に対して容積内の酸素分圧を変えるので起電力（−ｖ８）はセンサ 電池を横ぎって発達する。順次Ａ／Ｆ比に比例する周囲酸素分圧は工、と■８と の間の関係に、よる。In these methods, oxygen flows at a rate given by the Bonde cell current, pumped electrochemically into or from a volume enclosed by a At the same time, oxygen leaks Diffusion into or out of a volume by pores. Oxygen flows through leaks and is pumped out Since changing the oxygen partial pressure in the volume with respect to the surroundings, the electromotive force (-v8) is Develops across batteries. The ambient oxygen partial pressure, which is sequentially proportional to the A/F ratio, is Depends on the relationship between.
さらに、前に論争した理論量および稀薄空気／燃料運転に加えて、濃厚な理論量 のエンジン運転が望ましい場合がある。この範囲において、−酸化炭素のような 部分的に反応する炭化水素（ＨＣ）の量および減少するＡ／Ｆをもつ増加する水 素はＡ／Ｆの…１］定として役立つことができる。酸素汲出し電池を用いるとき 、部分的忙反応（−たＨＣを有する測定できる反応を生じるように伝えられなけ ればならない酸素量または速度の測定によりＡ／Ｆを決定することができる。Additionally, in addition to the previously discussed stoichiometric and lean air/fuel operation, rich stoichiometric It may be desirable to run the engine at In this range - like carbon oxide Increasing water with partially reacted amount of hydrocarbons (HC) and decreasing A/F The prime can serve as the ...1] constant of A/F. When using oxygen pumping batteries , must be able to produce a measurable response with a partial response (-HC). A/F can be determined by measuring the amount or rate of oxygen required.
このように米国特許第４，２２４，１１６号および第４，１６９，４４０号はＡ ／Ｆ値の稀薄および濃厚の両方の測定な有するようにその装置を通る電流および その装置を横ぎる電位差のｆ測定と共にジルコニウム酸化物の酸素の電気化学的 汲出しを組合せる単一電池構造を記載している。しかしながら、このような単一 電池装置は自動車の使用に要求されるような広い使用と共に検量（浮標）または 悪化の重大な損失を受けろだろう。Thus, U.S. Patent Nos. 4,224,116 and 4,169,440 The current passing through the device and the Electrochemical analysis of oxygen in zirconium oxide along with f measurement of the potential difference across the device. A single cell structure combined with pumping is described. However, such a single Battery equipment can be used in calibration (buoys) or You would suffer serious losses of deterioration.
これら装置のために設立するＡ／Ｆの臨界の媒介変数であるポンプ電池を横ぎる 電位降下は電池電極の量によって重要に影響されろ。これは酸素が必要な速度で 厚くまたは薄い電極を介して通ることを保証するように多少の電位差が要求され るので生じろ。このように、電位差への電極寄与は電極が高温度使用の下で焼結 しまたはさもなげれば悪くなるように時間と共に変化する。更Ｋ、電池を横ぎる 電位差へのオームの寄−与は価格および性能の可能な不利益を生じる緊密な温度 制限を必要とする温度と共に指数的に変化するだろう。ヘトリックおよびヘトリ ックその他の特許によって記載された２つの電池構造の効果はボンデ０−電池の 電位差が限界媒介変数ではないということであり、これによって電極の悪化およ び温度の効果を小さくする。Cross the pump battery, which is a critical parameter of A/F established for these devices. The potential drop will be significantly influenced by the amount of battery electrodes. This is the rate at which oxygen is needed. Some potential difference is required to ensure passage through thick or thin electrodes. Because it happens, it happens. Thus, the electrode contribution to the potential difference is due to the electrode sintering under high temperature use. change over time to become better or worse. Sara K crosses the battery. The ohmic contribution to the potential difference is close to temperature resulting in a possible price and performance penalty. It will vary exponentially with temperature requiring restrictions. Hetrick and Hetli The effects of the two cell structures described by the patents of Bond et al. This means that the potential difference is not the limiting parameter, and this leads to electrode deterioration and and reduce the effects of temperature.
このように、異なろセンサ構造外よび異なる外部回路部品は特に側温されたＡ／ Ｆ範囲のＡ、／Ｆ測測定対して特に有効であるこ゛とが認められる。より広い範 囲に用いられる電流センサはより制限された範囲にわたろ装置と共に連合した所 望の特徴を有しない。多くの場合、Ａ／Ｆ値の濃厚および稀薄の広い範囲にわた りエンジンのＡ／Ｆを指示でき、最も有用な性質を統合する理論量を有する廃気 がス酸素センサを有することが望ましいであろう。In this way, different filter sensor structures and different external circuit components can be used, especially at side-heated A/ It is recognized that this method is particularly effective for A and /F measurements in the F range. wider range The current sensor used in the does not have the desired characteristics. Often over a wide range of rich and dilute A/F values. Exhaust air that has a theoretical amount that can direct the engine's A/F and integrates the most useful properties. It would be desirable to have a gas oxygen sensor.
本発明の打勝ついくつかの問題がある。There are several problems that the present invention overcomes.
発 明 の 開 示 本発明の実施例によって、廃気がスを生じろ内燃機関のＡ／Ｐ゛を指示する信号 を生じ４）たＶ）の、廃気がス酸素Ｎセンサは第１および第２の電気化学電池を 有する。２つの電気化学電池は相互、：、ｃ間隔を置かれ、部分的に囲まれた容 積が電池の間を限定する。容積は開口を介シーて廃気がスと連通する。第１およ び第２の電気化学電池の各の第１の側面は部分的に囲まれた容積に露出する。第 １の電気化学電池の第２の側面は廃気がスて露出する。第２の電気化学電池の第 ２の側面は基準大気に露出する。ある場合には、基準大気は周囲大気であること が望ましい。他の場合には、基準大気は金属、金属酸化物の囲まれた容積である ことが望ましい。Demonstration of invention According to an embodiment of the present invention, a signal instructing the A/P of the internal combustion engine to generate exhaust gas 4) In V), the exhaust gas, oxygen, and N sensors connect the first and second electrochemical cells. have Two electrochemical cells are placed in a spaced apart, partially enclosed volume. product limits the distance between the batteries. The volume communicates with the exhaust air through the opening. 1st and A first side of each of the electrochemical cells and the second electrochemical cell are exposed to the partially enclosed volume. No. The second side of the electrochemical cell of No. 1 is exposed to exhaust gas. The second electrochemical cell The two sides are exposed to the reference atmosphere. In some cases, the reference atmosphere shall be the ambient atmosphere. is desirable. In other cases, the reference atmosphere is an enclosed volume of metals, metal oxides. This is desirable.
本発明の実施例に、よる装置は理論量空気燃料値おり濃厚な、より稀薄なおよび 近い値を有する広い範囲の値にわたり廃気ガスＡ／Ｆを決ポするように異なる測 定技術と共に用いられる。それ故装置は［−自在の」空気燃料感仰特性を有する 。更に、電池構造・は各３つの範囲の特殊な効果のある測定技術の使用を許す。In accordance with embodiments of the present invention, the apparatus is capable of producing stoichiometric air fuel values, richer, leaner and Different measurements are taken to determine the exhaust gas A/F over a wide range of values with close values. used in conjunction with fixed techniques. The device therefore has a [-free] air-fuel sensitivity characteristic. . Additionally, the cell structure allows the use of three ranges of special effect measurement techniques.
図面の簡単な説明 第１図、第２図および第６図は先行技術の電気化学酸素汲出し装置の構造を示す 、第４図は本発明の第１の実施例によるセンサの概要横断面図、第５図は第４図 に示すセンサのためのセンサ電池電圧、ＶＢ対空気燃料比Ａ／Ｆのグラフ図、第 ６図は第４図によるセンサのための種々な濃厚空気燃料値でセンサ電池電圧、■ え対ポンプ電池電流、■、の概要図、第７図は第４図のセンサによる種々な空気 燃料比、Ａ／Ｆのための基準電圧でセンサ電池の電圧を保持するように要求され たボンデ電池電流、工、のグラフ図、第８図は第４図のセンサと同様な、１ＵＩ Ｉ ｆするＡ／Ｆのための本発明の実施例による外部回路部品のセンサ装置の概 要図、第９図は本発明の第２の実施例によるセンサの概要横断面図である。Brief description of the drawing Figures 1, 2 and 6 show the structure of a prior art electrochemical oxygen pumping device. , FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. A graphical illustration of sensor cell voltage, VB versus air-fuel ratio A/F for the sensor shown in Figure 6 shows the sensor cell voltage at various rich air fuel values for the sensor according to Figure 4, ■ Figure 7 is a schematic diagram of the pump battery current versus pump battery current, and Figure 7 shows various air Required to hold sensor cell voltage at reference voltage for fuel ratio, A/F Figure 8 is a graph of the bonded battery current, Outline of a sensor device for an external circuit component according to an embodiment of the present invention for an A/F that operates if The main drawing, FIG. 9, is a schematic cross-sectional view of a sensor according to a second embodiment of the present invention.
発明を実施−むろための最良の形態 第４図より、空気燃料（Ａ／Ｆ ）センサ１１０は酸化ジルコニウム（Ｚｒ０２ ）て処理された酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ３）の９ような酸素の固体イオン導体 の円板状電解物１１２を備えた電気化学電池１１１を何する。電池１１１はまた 導線１１４を戦利けられて備えた２つの薄い多孔性接触反応のプラチニウム電極 １１３を有する。同様に、電気化学電池１２１は電解物１２２、電極１２３およ び導線１２４を有する。電気化学電池１１１は薄い中空スペーサ１２５により電 気化学電池１２１から分離されるので、囲まれた容積は限定される。電池１１１ はその中に小孔または洩れ孔１２６を有するので、周囲大気、廃気がスは容積Ｖ 内にそれ自体を設けることができる。Implementing the invention - the best mode for carrying out the invention From FIG. 4, the air fuel (A/F) sensor 110 is made of zirconium oxide (Zr02 ) Treated solid ionic conductors of oxygen such as yttrium oxide (Y2O3) What is the electrochemical cell 111 equipped with the disk-shaped electrolyte 112? The battery 111 is also Two thin porous catalytic platinum electrodes with conducting wires 114 attached It has 113. Similarly, electrochemical cell 121 includes electrolyte 122, electrodes 123 and and a conducting wire 124. The electrochemical cell 111 is powered by a thin hollow spacer 125. Since it is separated from the gas chemical cell 121, the enclosed volume is limited. battery 111 has a small hole or leak hole 126 in it, so that the surrounding atmosphere, the exhaust gas, has a volume V can be provided within itself.
電気化学電池１２１は一端を閉鎖されたはめ輪状管状外形を有し、それによって 基準容積を限定し、電池１２１の一側面を基準大気に露出する。特に平らな円板 状電解物１２２はそれに取付けられた管状構造１３１を有し、はめ輪状外形を形 成する。その結果、センサの一側面は廃気ガスに露出され、−側面は基準大気に 露出される。交互に電解物自体ははめ輪状外形を有する。同様な様に電池１１２ およびスペーサ１２５は材料の単一部分から造られまたは図示のように２つの分 離した構成部分から造られる。センサ支持構造体１２８は廃気と基準大気との間 にシールを有Ｌ、産気管壁１２７に取付けのために許すほかに構造りの支持と保 護を有する。センサ支持構造体カバー２２８はセンサ１１０に廃気がスの容易な 近接を許す。導線１１４および１２４は外部回路部品に取付けのたＶ）支持構造 体１２８を通る。ヒータ１２９は所望運転温度範囲内にＡ／Ｆセンサ１１０を保 つように設けられろ。Electrochemical cell 121 has a ring-like tubular profile closed at one end, thereby The reference volume is limited and one side of the battery 121 is exposed to the reference atmosphere. especially flat discs The shaped electrolyte 122 has a tubular structure 131 attached thereto and has a ring-like profile. to be accomplished. As a result, one side of the sensor is exposed to the exhaust gas and the -side is exposed to the reference atmosphere. be exposed. Alternately, the electrolyte itself has a ring-shaped profile. Similarly, the battery 112 and spacer 125 may be made from a single piece of material or may be made from two pieces as shown. Constructed from separate component parts. The sensor support structure 128 is located between the exhaust gas and the reference atmosphere. The seal is attached to the duct wall 127 to allow for attachment to the wall, as well as for structural support and protection. have protection. Sensor support structure cover 228 provides easy access to sensor 110 for exhaust air. Allow proximity. Conductors 114 and 124 are attached to external circuit components V) Support structure It passes through the body 128. The heater 129 maintains the A/F sensor 110 within the desired operating temperature range. be set up as such.
第９図より、本発明による他の実施例は第４図の電池１２１の一側面の空気基準 を金属、金属酸化物混合物と置換える。第９図の空気燃料センサ１４０は電解物 １４２を有する電気化学電池１４２と導線１４４に取付げられた電極１４３とを 有する。センサ１４０はまた導線１４８に連結された電極１４７に結合された電 解物１４６を有する第２の電気化学電池１４５を有する。スペーサ１４９は電池 １４１を電池１４５から分離する。電Ｍ１４１内の孔１５０はセンサ１４０の囲 まれた容積内に産気雰囲気から通路を設ける。はぼカップ状の保持構造体１５１ は電気化学電池１４５の一側面に近接して金属金属酸化物混合体１５２を呆持す る。空気燃料センサ１４０は廃気ガス流れ内に完全に位置し、産気管壁１５４に 取付けられた支持構造体１５３に取付けられる。空気燃料センサ１４０の使用は センサ１４０のためのシールを廃気と外部大気との間に必要としないので製造の 単純と付随物の低下した価格を与え、全装置は廃気ガス内に入れられる。From FIG. 9, it can be seen that another embodiment according to the present invention has an air standard on one side of the battery 121 in FIG. is replaced with a metal or metal oxide mixture. The air fuel sensor 140 in FIG. 142 and an electrode 143 attached to a conducting wire 144. have Sensor 140 also has a voltage coupled to electrode 147 coupled to conductor 148. A second electrochemical cell 145 having a solution 146 is included. Spacer 149 is a battery 141 is separated from the battery 145. The hole 150 in the electric wire M141 surrounds the sensor 140. Provide a passageway from the working air atmosphere into the enclosed volume. Cup-shaped holding structure 151 holds the metal-metal oxide mixture 152 in close proximity to one side of the electrochemical cell 145. Ru. The air-fuel sensor 140 is located entirely within the exhaust gas stream and is connected to the production pipe wall 154. attached to an attached support structure 153; Use of air fuel sensor 140 No seal for sensor 140 is required between the exhaust air and the outside atmosphere, making manufacturing easier. The entire device is submerged in waste gas, giving simplicity and reduced cost of accessories.
第４図の装置の運転を参照するとき、空気燃料センサ１１０は理論量の空気燃料 値より濃厚な、より稀薄なおよび近い値を有する広い範囲の値にわたり廃気ガス 空気燃料比を決定するように２つの異なる測定技術と共に用いられる。それ故、 装置は「自在の」感知特徴を有するように考えられる。第１に、定常状態酸素− 汲出し方法は濃厚および稀薄空気燃料比値の広い範囲に対し用いられる。第２に 、前記した単一電気化学電池技術は理論量近くで用いられる。第４図の装置の構 造は多数の測定技術の使用を許すので各技術の機能上の効果は使用の特別な空気 燃料比範囲内で実現される。理論量に近いＡ／Ｆを測定するための単一電気化学 電池の使用は良く知られ、ウエツセルその他の米国特許第３．９４８，０８１号 に教えられ、２つの電池構造を用いる稀薄Ａ／Ｆ ＆感知するための汲出し技術 の使用はヘトＩＪツクその他の米国特許第４，２７２，３２９号およびヘトリッ クの米国′特許第４，２７２，３ろ０号および第４．２７２，３３１号によって 薮示される。濃厚Ａ／Ｆを感知するための２つの電池汲出し技術の使用はへ） ＩＪラックの他による発明の名称「濃厚空気／燃料比を決定する定常状態方法」 の同日に提出された未定の出願においてさらに論争されている。Referring to the operation of the apparatus of FIG. 4, the air fuel sensor 110 has a stoichiometric Exhaust gas over a wide range of values with richer, leaner and closer values It is used with two different measurement techniques to determine the air-fuel ratio. Therefore, The device is considered to have "free" sensing characteristics. First, steady state oxygen - The pumping method can be used for a wide range of rich and lean air-fuel ratio values. secondly , the single electrochemical cell technology described above is used at near stoichiometric capacity. Structure of the device shown in Figure 4 Because the structure allows the use of multiple measurement techniques, the functional effect of each technique is unique in its use. This is achieved within a range of fuel ratios. Single electrochemistry for measuring near-stoichiometric A/F The use of batteries is well known and is described in U.S. Pat. No. 3,948,081 to Wetzell et al. Lean A/F & sensing pumping technology using two battery structures taught by The use of No. 4,272,300 and 4,272,331 The bush is shown. The use of two battery pumping techniques to sense dense A/F is) Title of invention by IJ Lack et al.: "Steady State Method for Determining Rich Air/Fuel Ratio" It is further discussed in a pending application filed on the same day.
第４図の空気燃料センサー１０が約１４，６から約１７の範囲の空気燃料比のよ うな理論量のおよび稀薄運転近くで内燃機関運転と関連して用いられたとき、導 線１１４は電池１１１から外され、空気燃料センサー１０は理論量の空気燃料比 を感知することと関連して前記した単一電気化学電池センサとして；牛用する。The air-fuel sensor 10 of FIG. When used in conjunction with internal combustion engine operation near stoichiometric and lean operation, Line 114 is disconnected from battery 111 and air-fuel sensor 10 detects the stoichiometric air-fuel ratio. As a single electrochemical cell sensor as described above in connection with sensing; for use in cattle;
廃気ガス、ＰＥｘ、のための平衡状態酸素分圧は容積Ｖ内の電池１２１の接触反 応電極１２３で確立される。The equilibrium oxygen partial pressure for the exhaust gas, PEx, is the contact reaction of the cell 121 in the volume V. is established at the response electrode 123.
空気基準、Ｐヨ、の酸素分圧と共同して０．２気圧ｔ【等しくなり、起電力、■ ８は電池１２１を横切って生じ、ネルンストの式により与えられる。Together with the oxygen partial pressure of the air standard, P yo, becomes equal to 0.2 atm t, and the electromotive force, ■ 8 occurs across the cell 121 and is given by the Nernst equation.
Ｖ ＝ （ＲＴ ／ ４Ｆ ） Ｉｎ （ＰＲＥＦ ／ ＰＥＸ ）’ （］） Ｒはガス定数、Ｔは絶対温間およびＦはファラディ常数である。Ｐユと対応する 空気燃料比とが減するので電池の起電力は第５図に示すように増加する。廃気が ス酸素および、従って、この範囲内の電池の起電力の強い変化は理論量のおよび 稀薄範囲に近い空気燃料比運転のためにこれは比較的簡単な望ましい技術にする 。しかしながら、より大きいまたはより小さい空気燃料値は空気燃料と共に電池 の起電力の変化が望ましい有効なセンサ運転に対して非常虻小さくなる。V = (RT / 4F) In (PREF / PEX)' (]) R is the gas constant, T is the absolute warm temperature and F is the Faraday constant. Corresponds to P Yu As the air-fuel ratio decreases, the electromotive force of the cell increases as shown in FIG. Waste air The strong variation in the electromotive force of the cell within this range is due to the stoichiometric and For air-fuel ratio operation near the lean range this makes this a relatively simple and desirable technique. . However, larger or smaller air-fuel values The change in electromotive force becomes very small for the desired effective sensor operation.
約１５．５より大きな稀薄空気燃料比に対する有効な運転方法は米国特許第４， ２７２，３２９号、第４．２７２，３３０号および第４，２７２，３３１号によ って記載された定常状態、変動のまたは過渡的運転方法である。これら方法にお いて、酸素は例えば電池１２１のようにポンプ電池により囲まれた容積内に汲出 されまたは容積から汲出され、例えば電池１１１のように他の「センサ」電池に 導入された起電力の変化する間監視する。洩れ孔１２６を介して酸素汲出しおよ び酸素拡散の組合わされた効果からｖ内の酸素圧力の変化により、系統的な関係 がボンデ電池電流■２と稀薄範囲における高感えをもって酸素を感九するための 基礎を有する「センサ」電池起電力との間に生［る。An effective method of operation for lean air-fuel ratios greater than about 15.5 is described in U.S. Pat. 272,329, 4.272,330 and 4,272,331. Steady state, fluctuating or transient operating methods are described. These methods and oxygen is pumped into a volume surrounded by a pump battery, such as battery 121. or pumped out of the volume and into other "sensor" batteries, such as battery 111. Monitor the changes in the introduced electromotive force. Oxygen is pumped out through leak hole 126 and The changes in oxygen pressure in v from the combined effects of oxygen diffusion and oxygen diffusion yield a systematic relationship. For sensing oxygen with high sensitivity in the dilute range and Bonde battery current ■2, A "sensor" with a basic battery is generated between the electromotive force and the electromotive force.
特に、定常状態運転方法において、外部回路部品はＶから丁度十分な酸素を引上 げるように電流工、がボンデ電池１２１を通るようにさせるので、Ｖ８ と名づ けられた一定のセンサ電池起電力が確立される。酸素のパーセントが増加するの で要求された汲出し電流を増し、これによって酸素パーセントおよび対応Ａ／Ｆ の測定を有する。特に、次がわかる。In particular, in steady-state operating methods, external circuit components must pull just enough oxygen from V. The electric current is passed through the bonded battery 121 so that it will move, so it is named V8. A constant sensor cell emf is established. The percentage of oxygen increases increases the pumping current required by the oxygen percentage and the corresponding A/F has a measurement of In particular, you will understand the following:
ＩＰ＝ａ ＰＥＸ （１ｅ −ｖ８／ｖ０） ＝・＋２１Ｖｏ ＝ ＲＫ／４Ｆ およびσは酸素が洩れ孔を通りＶ内に拡散できる割合を限定する比例常数である 。例えば、σは酸素拡散係数および洩れ孔の面積に比例する。このように、丁度 十分な工、を常に通すことによってＶｓ を一定に保ち、ＩＰ〜ＰＦ、Ｘ〜Ａ／ Ｆはこれによって高感度Ａ／Ｆを感知することを準備する。自動車の使用のため にこの技術は不十分な温度および絶対圧力感変を有する効堝がある。IP=a PEX (1e-v8/v0) =・+21Vo=RK/4F and σ is a proportionality constant that limits the rate at which oxygen can diffuse into V through the leak hole. . For example, σ is proportional to the oxygen diffusion coefficient and the area of the leak hole. In this way, exactly Keep Vs constant by always passing through sufficient power, IP~PF, X~A/ F thereby prepares to sense the high-sensitivity A/F. for automotive use However, this technique has insufficient temperature and absolute pressure sensitivity.
引用された特許は廃気ガス中に完全に沈められたセンサおよびポンプ電池両方に 対する装置運転を記載している。センサ１１０はたとえボンデ電気化学電池１２ １の外部電極が第４図に示すように高い酸素濃度と共に基準大気に露出されたと しても類似した運転方法を有する。理由は基準大気の効果がポンプ電池１２１を 横ぎって全電位差に小さな増加を加えろことである。しかしながら、ポンプ電池 を通り、電池を横切る電位降下のない電流工、のみが装置運転のために重要であ る。従って、これら特許に記載された全ての稀薄運転方法は電気化学電池１２１ がボンデ電池として用いられ、電気化学電池１１１がセンサ電池として用いられ る現行構造と共に達成される。理論量（Ａ／Ｆ＜ １４．７ ）より濃厚な空気 燃料比を有する運転中、部分的に反応したＨＣのａ変は空気燃料比の減少と共に 増加しこれにより空気燃料比の測定を与える。The cited patent covers both a sensor and a pump battery completely submerged in waste gas. The equipment operation for each is described. The sensor 110 may be a bonded electrochemical cell 12. When the external electrode of No. 1 is exposed to the reference atmosphere with high oxygen concentration as shown in Figure 4, However, they have similar operating methods. The reason is that the effect of the standard atmosphere causes the pump battery 121 to Add a small increase to the total potential difference across. However, the pump battery Only currents with no potential drop across the battery are critical for equipment operation. Ru. Therefore, all of the dilute operation methods described in these patents apply to electrochemical cells 121 is used as a Bonde battery, and the electrochemical cell 111 is used as a sensor battery. This is achieved in conjunction with the current structure. Air denser than the theoretical amount (A/F < 14.7) During operation with a fuel-to-fuel ratio, the partially reacted HC a-transformation increases as the air-fuel ratio decreases. increases thereby giving a measurement of the air-fuel ratio.
稀薄な運転のために用いられた運転に対する同様な方法において、空気燃料セン サ１１［＋のもつ濃厚空気燃科比を決定する方法は丁、によって与えられた割合 で基準大気から酸素をｖ内に汲出すようにさせることを有する。同時にＶ内の酸 素分圧は洩れ孔１２６を通る酸素拡散および洩れ孔１２６を通り容積Ｖ内に継続 して拡散する部分的に反応した炭化水素を何する内部接触反応の電極１２３およ び１１３の化学反応（でよって減少する。In a similar approach to operation used for lean operation, the air fuel sensor The method for determining the rich air fuel ratio of S11[+ is the ratio given by It has to cause oxygen to be pumped into v from the reference atmosphere at. At the same time, the acid in V The elementary partial pressure continues through the leakage hole 126 through oxygen diffusion and into the volume V through the leakage hole 126. The internal catalytic reaction electrode 123 and the partially reacted hydrocarbons that diffuse through the reaction and 113 chemical reactions.
ボンデ電池電流工、が増加すると、容積Ｖ内の平衡状態酸素分圧は電気化学電池 １１１を横ぎって起電力を導入されて増加する１、Ｖゆと名づげられたこの起電 力の大きさはＰＲＥｉ、Ｆが汲出された酸素の反応および部分的に反応した炭化 水素に起因する容積Ｖ内の平衡状態酸素分圧に近いことな示すＰｖにより置換さ れた式１によって再度与えられろ。この場合ＰＶ＞ＰＥｘてちろから起電力の記 号は稀薄空気熱イコト比測定の間汲出し作用によって導入され反対になる。As Bonde battery current, increases, the equilibrium partial pressure of oxygen in the volume V increases as the electrochemical cell This electromotive force, named 1, V Yu, increases when an electromotive force is introduced across 111. The magnitude of the force is PREi, the reaction of F pumped oxygen and partially reacted carbonization. It is close to the equilibrium oxygen partial pressure in the volume V due to hydrogen being replaced by Pv. Given again by Equation 1. In this case, record the electromotive force from PV>PEx. The number is introduced by the pumping action and reversed during lean air heat ratio measurements.
第６図は異なる゛濃厚空気燃料比値で導入された起電力、■６対汲出し電流、Ｉ Ｐの図面を示す。起電力は小さな汲出し電流に対して低く、■、と共に増加する １゜より低い空気燃料比に対しては酸素の絶えず増加する縫が炭化水素の敵と共 に重要な反応を行なうように容積Ｖ内に汲出されなげればならない。特に、任意 の基準値ＶＡ（ＲＥＦ）（外部回路部品に維持された）に達するために電気化学 電池１１１に起電力を生じるように要求された■２の値は第７図に示すように空 気燃料比を減じること（すなわちより（濃厚に）で系統的に増加するだろう。こ のような検量線は濃厚辛気燃料比を測定する基礎を与える。ＶＡ（ＲＥＦ ）の 選択、（主多数の設計へ考慮により影響されるだろうが、しかし単純のために稀 薄感知運転のたＶ）の定常状態方法（τ用いられた基準に等しく選ぶ二とがでへ るが、記号が反対である。坏の大きさは電池の容積と洩れ孔の大きさの増加関数 である。Figure 6 shows the electromotive force introduced at different rich air-fuel ratio values, ■6 vs. pumping current, I A drawing of P is shown. The electromotive force is low for small pumping currents and increases with ■. For air-fuel ratios lower than 1°, the ever-increasing threads of oxygen combine with the hydrocarbon enemy. must be pumped into the volume V in order to carry out the critical reaction. In particular, any electrochemical to reach the reference value VA(REF) (maintained in external circuit components). The value of ■2 required to generate an electromotive force in the battery 111 is empty as shown in Figure 7. This will increase systematically by reducing the air-fuel ratio (i.e. becoming richer). A calibration curve such as provides the basis for determining the rich dry fuel ratio. VA (REF) The choice (will be primarily influenced by numerous design considerations, but is rare for simplicity's sake) For thin-sensing operation V) Steady-state method (τ) is chosen equal to the criterion used. However, the symbol is opposite. The size of the hole is an increasing function of the battery volume and the leakage hole size. It is.
Ａ／Ｆのγ１１定およびエンジンＡ／ｐのフィードバック制御は稀薄運転のため に用いられた類似の方法で達成される。第８図に略図で示された同様′な回路は 両電池に取付けられる。第８図において、支持構造体は明瞭にするために示して いない。抵抗器Ｒ１，Ｒ２および蓄電器Ｃは増幅器Ａの利得および周波数応答を 制御するので、ＡはＶＡ（ＲＥＦ”）に等しい一宇値で電池１１１を横切って起 電力を維持するように十分な汲出し電流ＴＰ を常に生じる。抵抗器Ｒ３ｆまボ ンフ０電池回路内に含まれるので王、は電圧ｇ−１−ｖと共に１（３な横ぎって 電圧をソ４す定することによって決定される。第６図の検量線を用いるとき空気 燃料比は決改されるだろうｏ、標準の電子回路部品を用いろときこの電流（ま所 望空気燃料比のために要求された■２の値と比較される。もしも電流があまりに 高いかまたは低いなら・、イ、吸入燃料はそれぞれ増加または減少し、これによ ってフィードバック制御をなしとげることができる。また温度センサ１４０が示 され、）（３を横ぎる電圧降下と共同して修正回路部品１４１に入力を形成し、 必要ならば温度補償１１ｆまで■２を調整するよってする。A/F γ11 constant and engine A/P feedback control are for lean operation. This is achieved using a similar method used in A similar circuit shown schematically in Figure 8 is Attached to both batteries. In Figure 8, the support structure is shown for clarity. not present. Resistors R1, R2 and capacitor C control the gain and frequency response of amplifier A. control, so that A occurs across battery 111 with a value equal to VA(REF”). Sufficient pumping current TP is always generated to maintain power. Resistor R3f Since the voltage is included in the battery circuit, the voltage is 1 (crossing 3) with the voltage g-1-v. It is determined by setting the voltage to 4. When using the calibration curve in Figure 6, air Fuel ratios will be drastically changed, and standard electronic components will be used. It is compared with the value of 2 required for the desired air-fuel ratio. If the current is too If it is high or low, the intake fuel will increase or decrease, respectively, and this will cause This allows feedback control to be achieved. Also, the temperature sensor 140 indicates )(3) to form an input to the modified circuit component 141; If necessary, adjust (2) up to the temperature compensation 11f.
要約すると、理論量の濃厚または稀薄な運転は濃厚または稀薄条件のための適当 な所定のｖＡ（ＲＥＦ ）が達成されるまで囲まれた容積内にまたは容積から酸 素を汲出すことによって達成される。機上の電算機におけろように電子的に利用 できる濃厚および稀薄検量順については汲出し電流の測定および所望値（主比較 され、フィードバックまたは間違い信号がフィードバック制御をなしとげる電気 制御気化器または燃料噴射系統に送られる。In summary, stoichiometric rich or lean operation is suitable for rich or lean conditions. acid into or from the enclosed volume until a predetermined vA(REF) is achieved. It is achieved by drawing out the basics. Used electronically, such as on an on-board computer Measurement of pumping current and desired value (main comparison) for possible rich and lean calibration order Electrical Sent to control carburetor or fuel injection system.
炭化水素−水素反応の高い発熱性質のため、非常に小さな量の汲出された酸素は 理論量て一才た゛はその附望でｖＡの広い変化を生じる。従って、この範囲の最 イ適当な技術は大気の酸素分圧て基準電極と共に近接−る慣例の単一電気化学電 池を利用する。−７−イードバック制御ンま知られた値で、し、る所望辛気燃４ ・ｌ比に討応する電圧をもって電池の出力を比較することにより達成され、市： 算機の記憶装置に電子的に利用させることもてきる。Due to the highly exothermic nature of the hydrocarbon-hydrogen reaction, very small amounts of pumped oxygen The theoretical quantity, which is only one year old, causes wide variations in vA at will. Therefore, the highest end of this range A suitable technique is to use a conventional single electrochemical electrode near the atmospheric oxygen partial pressure with a reference electrode. Use the pond. -7-Ead back control with a known value, and desired dryness 4 ・Achieved by comparing the output of the battery with the voltage corresponding to the l ratio, the city: It can also be used electronically in a computer's storage device.
その結東、単一の装置、センサ１１０（主汲出し運転方法を用いる稀薄および濃 厚条件の広範囲および単一電気化学電池を用いる理論量の近くにわたる両方の空 気燃料比に高い感度を有寸ろ。Its connection, single device, sensor 110 (lean and concentrated using main pumping operating method) Both voids over a wide range of thick conditions and close to stoichiometric with a single electrochemical cell High sensitivity to air-fuel ratio.
交互に、■から酸素を除去し、開気に戻」−ボンッ０として電池１１１を用い、 稀薄運転の「センサ１として電池１２１を用いろことは有効である。これは運転 結果に小さな変更の人に′ついて可能である。例として定常状態においてそれが わかる。Alternately, remove oxygen from ■ and return to open air.'' - Using battery 111 as Bon 0, It is effective to use the battery 121 as sensor 1 for lean operation. It is possible for some people to make small changes to the results. For example, in steady state it is Recognize.
このように、任意の値、斥は常に固ポされた（Ｐヤ、。In this way, any value, 斥, is always fixed (Pya,.
は一定であると仮ポされる）Ｖｌ、を保りよ５ Ｋｒ を調節することによって 、式（２）においてわがろ値から一定量により相殺されるけれども、なお王壕ケ に比例する。(temporarily assumed to be constant) Vl, by adjusting 5 Kr. , although it is offset by a certain amount from the Wagaro value in Equation (2), it is still is proportional to.
■８ の明敏な選択はなお高い感Ｉ史をもつ便利な稀薄運転を許すだろう。Shrewd selection of ■8 will still allow convenient lean driving with high sensitivity.
ボンデおよびセンサ電池のこの逆転の効果は次の理論ダ運転のセンサ電池として 斗た用いられる電池１２１における電流の流れを取り除くこと（ａなるだろう。The effect of this reversal of bonding and sensor cells is as follows: Eliminating the current flow in the battery 121 used will result in a.
もしも電流の流れが酸素イ剖ン導体内で非常に大きいならば電解物または電極の 悪化が生［ニイ）こと：よ知られている。これは順次開放回路栄斗の下ζ゛光展 るように偽のまたはにすの起電力か生じるので次の運転はセンサ電池として妥協 するなろう１．シかシナがら、この場合センサ電池電極は洗気中に沈められない 事実が絶対廃気圧力に対しである小さな感１ｇ−’ｌ何−・Ｉるす気燃料比検量 線を生じる。If the current flow is very large in the oxygen ionic conductor, the electrolyte or electrode It is well known that deterioration is life. This is a sequential open circuit Eito ζ゛ light exhibition Since a false or false emf is generated, the next operation is compromised as a sensor battery. Let's do it 1. Unfortunately, in this case the sensor battery electrode cannot be submerged in the air wash. The fact is that the absolute exhaust pressure is relative to the small feeling of 1 g-'l what--I gas fuel ratio calibrated amount produce a line.
第９図に示す実施１夕ｌＩ において、孟気基準は金属−金属酸化物混合物１５ ２（例えばニックル／ニッケル酸化物、銅／銅酸化物）を有する交代の基準に置 換えられる。２つの電池構造は金属−金属酸化物理”合物が維持構造体１５１に よって基準電極１４７を電池１４５に近接して維持することを除き第４図に示す ものと同様である。この実施例〉ま電池１４５および１４１がそれぞれセンサお よびボンデ電池として作用する稀薄および理論量運転に対して適当である。典型 的な金属−金属酸化物基準電極で有効酸素分圧、ＰＭ／Ｍｏ（ＲＥＦ）、は稀薄 条件下でＰヶよりほとんど小さいので、実質的な起電力（例えば２００〜５００ ｍＶ）は工、＝０でセンサ電池１４５を横ぎって現われる。酸素はポンプ電池１ ４１によって容積ｖ９から汲出されるので、この起電力は減少するだろう。基準 値としてこの減少した範囲の適当な起電力を運ぶとき、米国侍許第゛４．２７２ ，３２９号に用いられた類似の分析は基準電圧を一定に保つように要求された汲 出し電流が産気ガス中の酸素のパーセントに比例し、これによって前に論争した 場合のように稀薄空気燃料比センサとして役立つことを示す。理論量に近い運転 のためにポンプ電池１４１は分離され、センサ電池１４５の開放回路起電力は監 視される。他の単一電池センサについては、理論量のために産気がスの通路は狭 い範囲内の空気燃料比を決定するのに適当である電池起電力の大きな変化を伴な う。濃厚な空気燃料比検出のための汲出し方法は十分な酸素が利用できることを 要求する。In Example 1 shown in FIG. 2 (e.g. nickle/nickel oxide, copper/copper oxide) Can be replaced. The two battery structures have a metal-metal oxide physical compound in the sustaining structure 151. 4 except that the reference electrode 147 is kept close to the battery 145. It is similar to that. In this embodiment, batteries 145 and 141 are connected to the sensor and It is suitable for dilute and stoichiometric operation and acts as a Bonde cell. typical The effective oxygen partial pressure, PM/Mo(REF), is dilute at a standard metal-metal oxide reference electrode. Since it is almost smaller than P under the conditions, the substantial electromotive force (e.g. 200-500 mV) appears across the sensor battery 145 at =0. Oxygen is pump battery 1 41 from the volume v9, this emf will decrease. standard When carrying a suitable emf of this reduced range as a value, U.S. Chamberlain No. 4.272 , 329, a similar analysis was used in The output current is proportional to the percentage of oxygen in the gas, which was previously discussed. Indicates that it can serve as a lean air-fuel ratio sensor as in the case. Operation close to theoretical quantity Therefore, the pump battery 141 is separated and the open circuit emf of the sensor battery 145 is monitored. be seen. For other single cell sensors, the output air path is narrow due to the stoichiometric amount. with large changes in cell emf, which is suitable for determining air-fuel ratios within a range of cormorant. The pumping method for rich air-fuel ratio detection ensures that sufficient oxygen is available. request.
種々な変更および変化が本発明の属する多様な技術における熟練した人により疑 いなく生じるだろう。例えば電気化学電池の形状はここに開示された形状からへ 変えることができる。この開示が技術を進歩させた技術に基本的に頼るこれらお よび全ての他の変化は本発明の範囲内であると適宜考えられる。Various modifications and variations may occur to those skilled in the art to which this invention pertains. It will happen without you. For example, the shape of an electrochemical cell can vary from the shape disclosed herein. It can be changed. These disclosures essentially rely on technology to advance the technology. and all other variations are appropriately considered to be within the scope of the invention.
ニ＝■ミ≧；・二 ７゜ 国際調査報告 ｌｎｎ＋ｎａ１１ａｎａｌＡａｏｌｌｅｍｏ″Ｎａ？二：−コ、、、、、０１、 〕。ni=■mi≧;・two 7゜ international search report lnn+na11analAaollemo''Na?2:-ko,,,,,01, ].
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