酸素センサが理論空燃比ちかくで敏感な理由は？

質問

車の排ガスを調べる酸素センサが
理論空燃比ちかくで敏感なのはなぜですか？
酸素濃度としてはリッチでもリーンでもそんなに違わないのでは？

物理の分野に聞くべきかとも思いますが，まずは自動車のほうでお願いします．

・・・詳細・・・
車の排ガスは燃料が多すぎたり，空気が多すぎたりすると
汚い排ガスを出してしまうため，常に酸素センサで
モニタリングして理論空燃比近くになるようにしていると習いました．

その際に使用しているO2センサが，
ジルコニア（酸化ジルコニウム ZrO2）に
安定化剤としてイットリア（Y2O3）などを加えてつくり，
白金電極をつけたものとあります．

このセンサを，酸素の多い空気と，酸素の少ない空気ではさむと，
起電力が発生するのは理解しました．
しかし，この起電力は
酸素濃度に対してリニアに反応するようです．
（参考ページは横軸がlogですが少なくともある程度連続的です）
http://www.m-system.co.jp/mstoday/plan/mame/1993-1995/9407/index.html

ところが，車の排ガスを測る酸素センサは
理論空燃比（燃料と空気の比）を境に，ステップ応答的な反応を示します．
http://www.ngkntk.co.jp/product/sensors/exhaust/ozas-s1.html
いくら理論空燃比とはいえ，酸素濃度がゼロになるわけではありませんよね？
すると，理論空燃比近傍のリッチとリーン（燃料が多い場合と空気が多い場合）
では，ほとんど酸素濃度に違いは出ないのではと思います．

ゆえに，酸素センサがステップ応答的な反応を示す理由がわかりません．
なぜだかわかる方がいらっしゃったら教えてください．
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以下，私が考えてみた仮説．

理論空燃比よりも燃料が多い場合，
ガソリンが燃え残って，HCやCOが出来るそうです．
（これは本当）
http://www.shasej.org/gakkaishi/0008/0008-koza-04.html
HCやCOって，「強い還元剤＝酸素を奪う」でしたよね？
これがO2センサ内を移動してきたOマイナスを
奪うのでセンサに起電力が生まれるようになるのでは？
正しいかどうか分からないので，これに対する批評をいただけると
ありがたいです．
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回答No.4

dra_star

もう既に解決済みかも知れませんが、
酸素濃度をLOGでなくリニアスケールにして、グラフを書き直すとリーン側は、O2センサの特性と同じような形になります。

回答No.3

goo-par1732

専門家が回答されるのを待っていましたが、なさそうですね。
30数年前、O２センサによる空燃比フイードバック制御を国産車に採用した頃に、
専門家から聞いた話です。

理論空燃比で出力が急峻に変化するのは、O２センサの内外面にコーティングされた白金の触媒作用によるものです。
すでに＃１の方のご回答にあるとおりです。

＞いくら理論空燃比とはいえ，酸素濃度がゼロになるわけではありませんよね？

そうですね。
ごく少量の酸素が排気ガス中には含まれています。
O２センサは、各気筒から排出される排気ガスが合流し並行流になった位置に取付けられています。
ここで重要なことは、全体の酸素量ではなく、O２センサ近傍（保護カバー内）に限る酸素量です。
つまり、触媒の処理能力をうまく設計すれば（私は化学的なことはよく分かりませんが）センサ近傍の酸素濃度は、混合気が理論混合比よりリッチ（排気ガス中の酸素量が少ない）になったとき、酸素量を限り無くゼロにすることができます。
つまり、センサ内外面の酸素濃度の差をきわめて大きくできますが、専門書で調べますと、その差は20桁になるそうです。

山海堂『自動車エレクトロニクス』
http://www.sankaido.co.jp/sankaidodb/frameall.php?ihcircode=1&histsw=5&hensuu=0

なお、出力がハイ（理論混合比より混合気が濃い）からロー（混合気が薄い）へ反転する時間は、0.1秒以下です。
その逆に反転する時間も同じです。
エンジン制御ユニットは、ハイとローの中間値（例えば０．５V）をハイ・ローの判定値としていますから、この程度の反転時間はエンジン制御上、なんら支障ありません。

回答No.2

MICKEY_TOM

常に一定の早さで動いているならば理論空燃費が適用されるでしょう。しかし、そんな事はほぼ無いので理論を基本にややリッチにされています。酸素が多いと燃焼温度が上がりＮＯｘが増えたり、下手をするとブロックが溶けたりするので、気化熱からの意味でもリッチ冷却しています。理論と実際の使用状況の差が反映されていると思います。

回答No.1

posh156

こんばんは
基本的に、ご質問でのご理解の通りで正しいでしょう。

＞酸素濃度に対してリニアに反応するようです
はい、O2センサー(ジルコニア素子)自体はリニアに反応します。

＞理論空燃比よりも燃料が多い場合，ガソリンが燃え残って，HCやCOが出来る
はい、その通りＣＯが発生します。　
このＣＯと酸素=Ｏ２の反応を促進する為の触媒として、Ｏ２センサーの外面(排気ガス側）には白金をコーティングをして有ります。　この触媒によりＣＯは酸素と反応し易くなり、理論空燃比を超えると酸素は急激に減少します。

＞酸素センサがステップ応答的な反応を示す理由がわかりません
Ｏ２センサーがステップ応答的に反応しているのでもなく、ＣＯの還元作用でもなく、白金触媒によりＣＯが酸素と反応し、酸素自体がステップ的に急激に減少しています。