JPH0436341B2 - - Google Patents

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JPH0436341B2
JPH0436341B2 JP59038678A JP3867884A JPH0436341B2 JP H0436341 B2 JPH0436341 B2 JP H0436341B2 JP 59038678 A JP59038678 A JP 59038678A JP 3867884 A JP3867884 A JP 3867884A JP H0436341 B2 JPH0436341 B2 JP H0436341B2
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Japan
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air
oxygen
fuel ratio
gas
pump
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Takeshi Kitahara
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Nissan Motor Co Ltd
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Publication of JPH0436341B2 publication Critical patent/JPH0436341B2/ja
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、空気と燃料との混合気の燃焼によ
る排気ガス中の酸素濃度により混合気の空燃比を
検出する空燃比検出装置に関し、特に内燃機関に
おける吸入混合気の空燃比を検出するのに適した
空燃比検出装置に関する。
Detailed Description of the Invention Technical Field The present invention relates to an air-fuel ratio detection device that detects the air-fuel ratio of an air-fuel mixture based on the oxygen concentration in exhaust gas resulting from combustion of an air-fuel mixture, and particularly relates to an air-fuel ratio detection device for detecting an air-fuel ratio of an air-fuel mixture based on oxygen concentration in exhaust gas resulting from combustion of an air-fuel mixture. The present invention relates to an air-fuel ratio detection device suitable for detecting the air-fuel ratio of air.

従来技術 一般に、内燃機関においては、吸入混合気の空
燃比を高精度に目標値に制御するために、空燃比
と相関関係をもつ排気ガス中の酸素濃度を検出す
ることにより混合気の空燃比を検出して、燃料供
給量をフイードバツク制御するようにしている。
BACKGROUND ART In general, in internal combustion engines, in order to control the air-fuel ratio of the intake air-fuel mixture to a target value with high precision, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is detected by detecting the oxygen concentration in exhaust gas, which has a correlation with the air-fuel ratio. is detected to perform feedback control of the fuel supply amount.

従来、このような空燃比検出装置に使用されて
いる酸素センサとして、例えば特開昭57−76450
号公報に記載されているようなものがあり、この
ような酸素センサを第1図を参照して説明する。
Conventionally, as an oxygen sensor used in such an air-fuel ratio detection device, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-76450
There is an oxygen sensor as described in Japanese Patent Publication No. 1, and such an oxygen sensor will be explained with reference to FIG.

この酸素センサ1は、酸素濃度に応じて起電力
を発生する一種の濃淡電池の原理を応用したもの
であり、酸素イオン伝導性の固体電解質2の両面
に、白金を主成分とする基準電極3と、金と白金
の合金からなる酸素電極4とを対向させて形成し
て、その基準電極3を多孔質保護層(コーテイン
グ層)5によつて被覆し、酸素電極4を酸素の流
入,拡散を制限する多孔質保護層(コーテイング
層)6によつて被覆したものである。
This oxygen sensor 1 applies the principle of a kind of concentration battery that generates an electromotive force according to the oxygen concentration, and has a reference electrode 3 mainly composed of platinum on both sides of an oxygen ion conductive solid electrolyte 2. and an oxygen electrode 4 made of an alloy of gold and platinum are formed to face each other, and the reference electrode 3 is covered with a porous protective layer (coating layer) 5, and the oxygen electrode 4 is formed so as to prevent inflow and diffusion of oxygen. It is coated with a porous protective layer (coating layer) 6 that limits the

この酸素センサ1にあつては、被測定ガス、例
えば排気ガス中において、基準電極3に所定の大
きさの流し込み電流Isを供給すると、電流Isの大
きさに応じた量の酸素イオンO2-が電流Isと逆の
方向に固体電解質2を通じて移動するので、基準
電極3に基準酸素分圧Paが発生し、このとき酸
素電極4に被測定ガスの有する酸素分圧による酸
素分圧Pbが発生している。
In this oxygen sensor 1, when a predetermined magnitude of current Is is supplied to the reference electrode 3 in a gas to be measured, for example, exhaust gas, oxygen ions O 2- are produced in an amount corresponding to the magnitude of the current Is. moves through the solid electrolyte 2 in the opposite direction to the current Is, so a reference oxygen partial pressure Pa is generated at the reference electrode 3, and at this time, an oxygen partial pressure Pb is generated at the oxygen electrode 4 due to the oxygen partial pressure of the gas to be measured. are doing.

それによつて、基準電極3と酸素電極4との間
には、酸素分圧Pa,Pbに基づいて、 E=RT/4F・ln(Pa/Pb) …… 但し、R:気体定数,T:絶対温度,F:フア
ラデイ定数 なるネルンストの式によつて表わされる起電力E
が発生し、この起電力Eは被測定ガスの酸素濃度
により変化するので、これを酸素センサ1の出力
Vsとして外部に取出すことができる。
Accordingly, between the reference electrode 3 and the oxygen electrode 4, based on the oxygen partial pressures Pa and Pb, E=RT/4F・ln(Pa/Pb)... However, R: gas constant, T: Absolute temperature, F: Electromotive force E expressed by the Nernst equation, Faraday constant
is generated, and this electromotive force E changes depending on the oxygen concentration of the gas to be measured, so this is the output of the oxygen sensor 1.
It can be taken out to the outside as Vs.

この出力Vsの変化を各流し込み電流値ごとに
示したのが第2図である。なお、この場合、被測
定ガスとして内燃機関の排気ガスを用いており、
その酸素濃度は内燃機関に供給される混合気の空
燃比(当量比λ,但しλ=現空燃比/理論空燃
比)に換算して示してある。
FIG. 2 shows the change in the output Vs for each injected current value. In this case, the exhaust gas of the internal combustion engine is used as the gas to be measured.
The oxygen concentration is shown in terms of the air-fuel ratio (equivalence ratio λ, where λ=current air-fuel ratio/stoichiometric air-fuel ratio) of the air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine.

しかしながら、この酸素センサ1の出力Vsは、
流し込み電流Isを固定した場合、出力Vsの変化
する空燃比の幅が小さいので、広範囲に亘る空燃
比の検出をすることは難しい。
However, the output Vs of this oxygen sensor 1 is
When the inflow current Is is fixed, the air-fuel ratio range in which the output Vs changes is small, so it is difficult to detect air-fuel ratios over a wide range.

そこで、この酸素センサ1の出力Vsを目標電
圧Va(例えば、切り換わり空燃比において急変す
る酸素センサ出力Vsの上限と下限の略中間値)
として設定し、酸素センサ出力Vsがこの目標値
Vaとなるように流し込み電流Isを供給すると、
この流し込み電流Isの値は、第3図に示すように
現在の空燃比に応じて連続的に変化する。
Therefore, the output Vs of this oxygen sensor 1 is set to the target voltage Va (for example, approximately the intermediate value between the upper and lower limits of the oxygen sensor output Vs that changes suddenly at the switching air-fuel ratio).
Set the oxygen sensor output Vs as this target value
When the sink current Is is supplied so that it becomes Va,
The value of this injected current Is continuously changes depending on the current air-fuel ratio, as shown in FIG.

したがつて、その酸素センサ1への流し込み電
流Isの値を検出することによつて実際の空燃比を
広範囲に検出することができる。
Therefore, by detecting the value of the current Is flowing into the oxygen sensor 1, the actual air-fuel ratio can be detected over a wide range.

もつとも、このような空燃比検出装置にあつて
は、第3図から分るように、流し込み電流Isの値
が、理論空燃比(λ=1)を最小値としてリーン
側に移行する時のみならず、リツチ側に移行する
時にも増加する。
However, in the case of such an air-fuel ratio detection device, as can be seen from Fig. 3, the value of the injected current Is is limited only when the value of the injected current Is shifts to the lean side with the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) as the minimum value. It also increases when moving to the rich side.

これは、リツチ域では、排気ガス中に酸素が殆
んどないことから、固体電解質中の酸素イオンが
リツチ空燃比に対応した平衡状態にならずに酸素
分子となつて排気中に一方的に拡散流出している
ためで、排気がリツチ側に移行する程酸素イオン
の移動量が多くなり、流し込み電流Isの値が増加
する。
This is because in the rich region, there is almost no oxygen in the exhaust gas, so the oxygen ions in the solid electrolyte do not reach an equilibrium state corresponding to the rich air-fuel ratio, but instead become oxygen molecules and unilaterally enter the exhaust gas. This is due to diffusion and outflow, and the more the exhaust gas moves to the rich side, the more oxygen ions move, and the value of the inflow current Is increases.

したがつて、理論空燃比付近では、同一の流し
込み電流Isの値に対して空燃比が2値存在するこ
とになり、単に流し込み電流Isの値からだけで
は、リツチ域からリーン域までの広範囲に亘る空
燃比(酸素濃度)を検出することができないとい
う問題はある。
Therefore, near the stoichiometric air-fuel ratio, there are two values of air-fuel ratio for the same value of injected current Is, and it is not possible to calculate the air-fuel ratio in a wide range from rich to lean by simply looking at the value of injected current Is. There is a problem that the air-fuel ratio (oxygen concentration) cannot be detected over a wide range.

しかし、例えばリーン域だけに着目してみる
と、この場合には流し込み電流の値と空燃比とが
一義的に対応することになるので、理論空燃比
(λ=1)からリーン域の間を広範囲に検出する
目的には用いるこができる。
However, if we focus only on the lean region, for example, in this case, the value of the injected current and the air-fuel ratio will uniquely correspond, so the range from the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) to the lean region will be It can be used for wide range detection purposes.

ところで、このようにリーン域あるいは更にリ
ツチ域まで含めた広範囲に亘る空燃比にて運転さ
れる自動車用内燃機関にあつては、市街地走行等
特定の運転域では特に排気の浄化率を高める必要
がある。
By the way, for automobile internal combustion engines that are operated at air-fuel ratios over a wide range of air-fuel ratios, including lean ranges or even rich ranges, it is necessary to particularly increase the exhaust purification rate in specific operating ranges such as city driving. be.

そのために、三元触媒を使用して排気を浄化す
る内燃機関においては、三元触媒の浄化効率を高
くするために空燃比を理論空燃比に制御する必要
があり、このような理論空燃比制御による運転時
には、特にλ=1の点を高精度に検出することが
望まれる。
Therefore, in internal combustion engines that use a three-way catalyst to purify exhaust gas, it is necessary to control the air-fuel ratio to the stoichiometric air-fuel ratio in order to increase the purification efficiency of the three-way catalyst. When operating the vehicle, it is especially desirable to detect the point of λ=1 with high accuracy.

ところが、上記の空燃比検出装置にあつては、
流し込み電流の値から広範囲にわたる空燃比(酸
素濃度)を連続的に検出することはできるが、
個々の空燃比の検出精度は、第2図で示したよう
な流し込み電流を固定して出力電圧Vsの変化か
ら空燃比を検出する方法に比べてむしろ低くな
り、例えば測定系のゲインの変動やゼロ点のオフ
セツト等によつて空燃比の検出結果が影響を受
け、誤差を生じる惧れがある。
However, in the case of the above air-fuel ratio detection device,
Although it is possible to continuously detect the air-fuel ratio (oxygen concentration) over a wide range from the value of the injected current,
The detection accuracy of individual air-fuel ratios is rather lower than the method shown in Figure 2, which fixes the injected current and detects the air-fuel ratio from changes in the output voltage Vs. There is a risk that the air-fuel ratio detection result will be affected by the zero point offset, etc., resulting in an error.

したがつて、この空燃比検出装置を三元触媒を
用いた理論空燃比制御にも使用した場合には、λ
=1の点について必要な検出精度が得られない恐
れがある。
Therefore, if this air-fuel ratio detection device is also used for stoichiometric air-fuel ratio control using a three-way catalyst, λ
There is a possibility that the necessary detection accuracy may not be obtained for the point where =1.

また、この空燃比検出装置においては、酸素の
拡散を制限する多孔質層を通過する酸素を流し込
み電流の値として得るため、応答性がやや遅くな
り、その結果、理論空燃比(λ=1)に制御する
場合に三元触媒の浄化率が低下する恐れがある。
In addition, in this air-fuel ratio detection device, oxygen passing through a porous layer that restricts oxygen diffusion is injected to obtain the current value, so the response is somewhat slow, and as a result, the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) There is a risk that the purification rate of the three-way catalyst will decrease if the

目 的 この発明は上記の点に鑑みてなされたものであ
り、広範囲の空燃比を高精度に検出でき、しかも
理論空燃比を他の空燃比よりも高精度に且つ応答
性良く検出できるようにすることを目的とする。
Purpose This invention has been made in view of the above-mentioned points, and it is possible to detect a wide range of air-fuel ratios with high precision, and also to detect the stoichiometric air-fuel ratio with higher precision and better responsiveness than other air-fuel ratios. The purpose is to

構 成 そのため、この発明による空燃比検出装置は、
空気と燃料との混合気の燃焼による排気ガスが、
ガスの拡散を制限する手段を介して導入されるガ
ス導入部と、酸素イオン伝導性の固体電解質を挟
んで対向する前記ガス導入部のガス及び所定酸素
濃度のガスに晒される電極を有し、両電極間酸素
分圧比に応じた電圧を出力する酸素分圧比検出部
と、酸素イオン伝導性の固体電解質を挟んで対向
する電極を有し、両電極間に供給される電流量に
応じて前記ガス導入部の酸素分圧を制御する酸素
分圧制御部とによつて構成した酸素センサを使用
し、この酸素センサの酸素分圧比検出部の出力が
予め定めた目標値と一致するように酸素分圧制御
部に電流を供給して、その酸素分圧制御部の両電
極間の電圧を上記混合気の空燃比を示す検出出力
として取出すようにしたものである。
Configuration Therefore, the air-fuel ratio detection device according to the present invention has the following features:
Exhaust gas from the combustion of a mixture of air and fuel is
A gas introduction section introduced through a means for restricting gas diffusion, and an electrode exposed to the gas of the gas introduction section and the gas at a predetermined oxygen concentration, which face each other with an oxygen ion conductive solid electrolyte in between, It has an oxygen partial pressure ratio detection section that outputs a voltage according to the oxygen partial pressure ratio between both electrodes, and electrodes facing each other with an oxygen ion conductive solid electrolyte in between, and the oxygen partial pressure ratio detecting section outputs a voltage according to the oxygen partial pressure ratio between the two electrodes. An oxygen sensor configured with an oxygen partial pressure control section that controls the oxygen partial pressure of the gas introduction section is used, and the oxygen is adjusted such that the output of the oxygen partial pressure ratio detection section of the oxygen sensor matches a predetermined target value. A current is supplied to the partial pressure control section, and the voltage between both electrodes of the oxygen partial pressure control section is taken out as a detection output indicating the air-fuel ratio of the air-fuel mixture.

実施例 以下、この発明の実施例を添付図面の第4図以
降を参照して説明する。
Embodiments Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. 4 and subsequent figures of the accompanying drawings.

第4図及び第5図は、この発明を実施した空燃
比検出装置を構成する酸素センサの一例を示す縦
断面図及び分解斜視図である。
4 and 5 are a longitudinal sectional view and an exploded perspective view showing an example of an oxygen sensor constituting an air-fuel ratio detection device embodying the present invention.

この酸素センサ11は、アルミナからなる基板
12上に、溝13aを形成した大気導入板13を
積層し、この大気導入板13上に平板状の酸素イ
オン伝導性の第1の固体電解質14を積層して、
これ等の大気導入板13の溝13a及び第1の固
体電解質14によつて、所定酸素濃度のガスであ
る大気が導入される大気導入部15を形成してい
る。
This oxygen sensor 11 has an air introduction plate 13 with grooves 13a formed on a substrate 12 made of alumina, and a flat oxygen ion conductive first solid electrolyte 14 on this air introduction plate 13. do,
These grooves 13a of the air introduction plate 13 and the first solid electrolyte 14 form an air introduction section 15 into which air, which is a gas having a predetermined oxygen concentration, is introduced.

そして、その第1の固体電解質14上に、厚さ
L(L=0.1mm程度)のスペーサ板16を積層し、
このスペーサ板16上に平板状の第2の固体電解
質17を積層して、これ等の第1の固体電解質1
4,スペーサ板16及び第2の固体電解質17に
よつて、排気ガスが導入されるガスの拡散を制限
する手段を兼ねた幅Lの隙間であるガス導入部1
8を形成している。
Then, on the first solid electrolyte 14, a spacer plate 16 with a thickness of L (L=about 0.1 mm) is laminated,
A flat second solid electrolyte 17 is stacked on this spacer plate 16, and these first solid electrolytes 1
4. A gas introduction section 1 which is a gap with a width L that also serves as a means for restricting the diffusion of gas into which exhaust gas is introduced by the spacer plate 16 and the second solid electrolyte 17.
8 is formed.

そして、第1の固体電解質14の両面に、大気
導入部15の所定のガスである大気に晒される電
極であるセンサアノード20及びガス導入部18
の排気ガスに晒される電極であるセンサカソード
21を対向して設け、これ等のセンサアノード2
0とセンサカソード21との間の酸素分圧比、す
なわち大気導入部15とガス導入部18との間の
酸素分圧比に応じた電圧を出力する酸素分圧比検
出部(以下「センサセルSC」と称す)を構成し
ている。
A sensor anode 20, which is an electrode exposed to the atmosphere, which is a predetermined gas in the atmosphere introduction part 15, and a gas introduction part 18 are placed on both sides of the first solid electrolyte 14.
Sensor cathodes 21, which are electrodes exposed to exhaust gas, are provided facing each other, and these sensor anodes 2
0 and the sensor cathode 21, that is, the oxygen partial pressure ratio between the atmosphere introduction part 15 and the gas introduction part 18 (hereinafter referred to as "sensor cell SC"). ).

また、第2の固体電解質17の両面に、ガス導
入部18の排気ガスに晒される電極であるポンプ
カソード22及び排気ガスに直接晒される電極で
あるポンプアノード23を対向して設け、これ等
のポンプカソード22とポンプアノード23の間
に供給される電流量に応じてガス導入部18の酸
素分圧を制御する酸素分圧制御部(以下「ポンプ
セルPC」と称す)を構成している。
Further, on both surfaces of the second solid electrolyte 17, a pump cathode 22, which is an electrode exposed to the exhaust gas from the gas introduction part 18, and a pump anode 23, which is an electrode directly exposed to the exhaust gas, are provided to face each other. It constitutes an oxygen partial pressure control section (hereinafter referred to as "pump cell PC") that controls the oxygen partial pressure of the gas introduction section 18 according to the amount of current supplied between the pump cathode 22 and the pump anode 23.

なお、基板12の大気導入部13側表面には、
第1の固体電解質14及び第2の固体電解質17
の活性を保つために、これ等を加熱するヒータ2
5を印刷形成してある。
In addition, on the surface of the substrate 12 on the side of the atmosphere introduction part 13,
First solid electrolyte 14 and second solid electrolyte 17
Heater 2 heats these in order to maintain their activity.
5 is printed and formed.

また、センサアノード20,センサカソード2
1には夫々リード線26,27を、ポンプカソー
ド22,ポンプアノード23には夫々リード線2
8,29を、ヒータ25にはリード線30,31
を接続してある。
In addition, a sensor anode 20, a sensor cathode 2
Lead wires 26 and 27 are connected to the pump cathode 22 and pump anode 23, respectively.
8, 29, and lead wires 30, 31 to the heater 25.
is connected.

さらに、第1,第2の固体電解質14,17と
しては、例えばZrO2,HrO2,ThO2,Bi2O3等の
酸化物にC2O,MgO,Y2O2,YB2O3等を固溶さ
せた焼結体を用い、各電極20〜24は白金又は
金を主成分とする。
Further, as the first and second solid electrolytes 14 and 17, for example, oxides such as ZrO 2 , HrO 2 , ThO 2 , Bi 2 O 3 , C 2 O, MgO, Y 2 O 2 , YB 2 O 3 etc. Each electrode 20 to 24 has platinum or gold as a main component.

さらにまた、この実施例では、大気導入部15
とガス導入部18との間の隔壁の全体を第1の固
体電解質14で、またガス導入部18と排気ガス
雰囲気との間の隔壁の全体を第2の固体電解質1
7で形成しているが、電極20〜24に対応する
部分のみを固体電解質で形成してもよい。
Furthermore, in this embodiment, the atmosphere introduction section 15
The entire partition between the gas inlet 18 and the gas inlet 18 is covered with the first solid electrolyte 14, and the entire partition between the gas inlet 18 and the exhaust gas atmosphere is covered with the second solid electrolyte 1.
7, however, only the portions corresponding to the electrodes 20 to 24 may be formed of a solid electrolyte.

第6図は、この酸素センサを用いた空燃比検出
回路の一例を示す回路図である。
FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of an air-fuel ratio detection circuit using this oxygen sensor.

この空燃比検出回路において、差動アンプ33
は、酸素センサ11のセンサセルSCのセンサカ
ソード21に対するセンサアノード20の電位
Vsと、電源34からの目標電圧(目標値)Vaと
の差(Va−Vs)を検出して、その差電圧ΔVを
出力する。
In this air-fuel ratio detection circuit, the differential amplifier 33
is the potential of the sensor anode 20 with respect to the sensor cathode 21 of the sensor cell SC of the oxygen sensor 11
The difference (Va - Vs) between Vs and the target voltage (target value) Va from the power supply 34 is detected, and the difference voltage ΔV is output.

ポンプ電流供給回路35は、電流供給手段であ
り、差動アンプ33からの差電圧ΔVを積分する
負係数積分回路36及びこの負係数積分回路36
からの積分出力Vbを電流に変換するV−I変換
回路37からなり、差動アンプ33からの差電圧
ΔVに応じた大きさ及び方向のポンプ電流Ipを酸
素センサ11のポンプセルPCのポンプアノード
23に供給して、差動アンプ33からの差電圧
ΔVがΔV=0(Vs=Va)になるように制御する。
The pump current supply circuit 35 is a current supply means, and includes a negative coefficient integration circuit 36 that integrates the differential voltage ΔV from the differential amplifier 33, and this negative coefficient integration circuit 36.
The pump anode 23 of the pump cell PC of the oxygen sensor 11 converts the integral output Vb from the differential amplifier 33 into a current, and converts the pump current Ip in the magnitude and direction according to the differential voltage ΔV from the differential amplifier 33 to the pump anode 23 of the pump cell PC of the oxygen sensor 11. and controls the differential voltage ΔV from the differential amplifier 33 to be ΔV=0 (Vs=Va).

その負係数積分回路36は、抵抗38,コンデ
ンサ39及びオペアンプ40からなり、差動アン
プ33からの差電圧ΔVを入力して、この差電圧
ΔVを積分した積分出力Vb(Vb=−K∫ΔVdt,
K;正の定数)を出力する。
The negative coefficient integration circuit 36 consists of a resistor 38, a capacitor 39, and an operational amplifier 40, and inputs the differential voltage ΔV from the differential amplifier 33, and integrates this differential voltage ΔV to output an integral output Vb (Vb=-K∫ΔVdt ,
K: positive constant) is output.

また、V−I変換回路37は、オペアンプ4
1,抵抗41及び差動アンプ43からなり、負係
数積分回路36からの積分出力Vbと、ポンプア
ノード23に供給するポンプ電流Ipに応じた抵抗
41の両端電圧を検出する差動アンプ43の出力
とに応じて、オペアンプ41から積分出力Vbに
応じたポンプ電流Ipを供給する。
Further, the V-I conversion circuit 37 includes an operational amplifier 4
1. The output of the differential amplifier 43, which is composed of a resistor 41 and a differential amplifier 43, and detects the voltage across the resistor 41 according to the integral output Vb from the negative coefficient integration circuit 36 and the pump current Ip supplied to the pump anode 23. Accordingly, the operational amplifier 41 supplies a pump current Ip corresponding to the integral output Vb.

そして、酸素センサ11のポンプカソード22
に対するポンプアノード23の電位Vpを、バツ
フアアンプ44を介して空燃比(酸素濃度)検出
出力Vpとして出力している。
And the pump cathode 22 of the oxygen sensor 11
The potential Vp of the pump anode 23 relative to the pump anode 23 is outputted as an air-fuel ratio (oxygen concentration) detection output Vp via a buffer amplifier 44.

つまり、この空燃比検出回路においては、ポン
プカソード22を接地するためのリード線28
と、ポンプアノード23をバツフアアンプ44に
接続するためのリード線29及びバツフアアンプ
44及びその出力を取出すための信号線とによつ
て、酸素センサ11の酸素分圧制御部であるポン
プセンサPCのポンプカソード22とポンプアノ
ード23との間の電圧を混合気の空燃比を示す検
出出力としてを取出す手段を構成している。
That is, in this air-fuel ratio detection circuit, the lead wire 28 for grounding the pump cathode 22
The pump cathode of the pump sensor PC, which is the oxygen partial pressure control section of the oxygen sensor 11, is connected by the lead wire 29 for connecting the pump anode 23 to the buffer amplifier 44 and the signal line for taking out the buffer amplifier 44 and its output. 22 and the pump anode 23 as a detection output indicating the air-fuel ratio of the air-fuel mixture.

なお、バツフアアンプ44は省略することがで
き、この場合には酸素センサ11のポンプカソー
ド22及びポンプアノード23に接続する信号線
がこの電圧を取出す手段を構成する。
Note that the buffer amplifier 44 can be omitted, and in this case, the signal line connected to the pump cathode 22 and pump anode 23 of the oxygen sensor 11 constitutes means for extracting this voltage.

次に、このように構成したこの実施例の作用に
ついて説明する。
Next, the operation of this embodiment configured as described above will be explained.

まず、空燃比検出回路のポンプ電流供給回路3
5は、ガス導入部18の酸素濃度(酸素分圧)が
所定の酸素濃度になるように、すなわちセンサセ
ルSCのセンサアノード20とセンサカソード2
1との間の電位Vsが目標電圧Vaと一致するよう
に、ポンプセルPCのポンプアノード23にポン
プ電流Ipを供給している。
First, pump current supply circuit 3 of the air-fuel ratio detection circuit
5 is connected to the sensor anode 20 and sensor cathode 2 of the sensor cell SC so that the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the gas introduction part 18 becomes a predetermined oxygen concentration.
A pump current Ip is supplied to the pump anode 23 of the pump cell PC so that the potential Vs between the voltage and the target voltage Va matches the target voltage Va.

つまり、ガス導入部18の酸素濃度が所定酸素
濃度よりも低いときには、第4図に示すように、
ポンプセルPCのポンプカソード22からポンプ
アノード23に向つて(矢示IR方向に)流れる
ポンプ電流Ipを供給して、ポンプアノード23か
らポンプカソード22に酸素イオンを移動させ、
ガス導入部18の酸素濃度を所定酸素濃度に制御
する。
In other words, when the oxygen concentration in the gas introduction section 18 is lower than the predetermined oxygen concentration, as shown in FIG.
Supplying a pump current Ip flowing from the pump cathode 22 of the pump cell PC toward the pump anode 23 (in the direction of arrow IR) to move oxygen ions from the pump anode 23 to the pump cathode 22,
The oxygen concentration in the gas introduction section 18 is controlled to a predetermined oxygen concentration.

また、ガス導入部18の酸素濃度が所定酸素濃
度よりも高いときには、第4図に示すように、ポ
ンプセルPCのポンプアノード23からポンプカ
ソード22に向つて(矢示IL方向に)流れるポ
ンプ電流Ipを供給して、ポンプカソード22から
ポンプアノード23に酸素イオンを移動させ、ガ
ス導入部18の酸素濃度を所定酸素濃度に制御す
る。
Further, when the oxygen concentration in the gas introduction part 18 is higher than the predetermined oxygen concentration, as shown in FIG. 4, the pump current Ip flows from the pump anode 23 of the pump cell PC toward the pump cathode 22 (in the direction of the arrow IL). is supplied to move oxygen ions from the pump cathode 22 to the pump anode 23 to control the oxygen concentration in the gas introduction section 18 to a predetermined oxygen concentration.

この場合、目標電圧Vaは、センサアノード2
0に発生する電位位Vsに対応する値であればど
のような値でもよいが、電位Vsを精度よく目標
値に保つためには、好ましくはガス導入部18の
酸素濃度の変化に対して電位Vsの変化の傾きが
最も大きくなるところ、つまり酸素濃度の変化に
対して電位Vsが急変する電圧値の上限と下限の
中間値に設定するのがよい。
In this case, the target voltage Va is the sensor anode 2
Any value may be used as long as it corresponds to the potential Vs that occurs at zero, but in order to accurately maintain the potential Vs at the target value, it is preferable to adjust the potential to a change in the oxygen concentration in the gas introduction section 18. It is preferable to set it at a point where the slope of the change in Vs is the largest, that is, at a value midway between the upper and lower limits of the voltage value at which the potential Vs suddenly changes in response to a change in oxygen concentration.

そこで、目標電圧Vaを例えばVa=500mVに設
定したとすると、ポンプ電流供給回路35は、セ
ンサアノード20とセンサカソード21との間の
電位Vsが、Vs=500mVになるようにポンプアノ
ード電極23にポンプ電流Ipを供給する。
Therefore, if the target voltage Va is set to Va = 500 mV, for example, the pump current supply circuit 35 applies the voltage to the pump anode electrode 23 so that the potential Vs between the sensor anode 20 and the sensor cathode 21 becomes Vs = 500 mV. Supply pump current Ip.

したがつて、大気導入部15の酸素分圧をPC,
ガス導入部18の酸素分圧をPBとすると、酸素
分圧比PB/PCは、温度を1000Kとしたとき、前
述したネルンストの式(式)より、 PB/PC=10-10となり、PC≒0.206atmである
ので、PB≒0.206×10-10atmとなる。
Therefore, the oxygen partial pressure in the atmosphere introduction part 15 is PC,
If the oxygen partial pressure in the gas introduction part 18 is PB, then the oxygen partial pressure ratio PB/PC is, when the temperature is 1000K, from the Nernst equation (formula) mentioned above, PB/PC=10 -10 , and PC≒0.206. Since it is atm, PB≒0.206×10 -10 atm.

ここで、被測定ガス、例えば排気ガス中の酸素
分圧をPAとすると、ガスの拡散を制限する手段
を兼ねた隙間であるガス導入部18に入つてくる
O2の量Qは、拡散係数をDとすると、 Q=D(PA−PB) であり、PB≒0であるので、 Q≒D・PA となる。
Here, if PA is the partial pressure of oxygen in the gas to be measured, for example, exhaust gas, the gas enters the gas introduction section 18, which is a gap that also serves as a means to restrict gas diffusion.
The amount Q of O 2 is Q=D(PA-PB), where D is the diffusion coefficient, and since PB≈0, Q≈D·PA.

このO2の量Qと同等の量のO2を、ポンプ電流
Ipによつて第2の固体電解質17を移動させて、
ガス導入部18の酸素濃度を所定酸素濃度に維持
するので、 Ip∝Q Ip∝K1・PA …… となる。但し、K1は定数である。
An amount of O 2 equivalent to this amount Q of O 2 is pumped at
Moving the second solid electrolyte 17 by Ip,
Since the oxygen concentration in the gas introduction section 18 is maintained at a predetermined oxygen concentration, Ip∝Q Ip∝K 1 ·PA . . . However, K 1 is a constant.

つまり、ポンプ電流Ipの値は、被測定ガス中の
酸素分圧に比例したものとなる。
In other words, the value of the pump current Ip is proportional to the oxygen partial pressure in the gas to be measured.

なお、この場合、空燃比(A/F)のリーン
(λ>1)側では、ガス導入部18から排気ガス
中に酸素分子をポンピングすることになるので、
上の式はそのまま妥当する。
In this case, on the lean (λ>1) side of the air-fuel ratio (A/F), oxygen molecules are pumped into the exhaust gas from the gas introduction part 18, so
The above formula is valid as is.

これに対して、空燃比のリツチ(λ<1)側で
は、排気ガス中の酸素分子の量が極めて少なく、
その酸素分圧PAは、約10-2 0〜10-25(平衡酸素分
圧)になる。
On the other hand, when the air-fuel ratio is rich (λ<1), the amount of oxygen molecules in the exhaust gas is extremely small.
The oxygen partial pressure PA is about 10 -2 0 to 10 -25 (equilibrium oxygen partial pressure).

このとき排気ガス中には二酸化炭素分子CO2
多く存在している。
At this time, there are many carbon dioxide molecules CO 2 in the exhaust gas.

そして、この排気ガス中の酸素分圧が10-20
10-25のところを、ガス導入部18の酸素分圧を
0.206×10-10に維持するために、排気ガス雰囲気
からのガス導入部18に、すなわちポンプアノー
ド23からポンプカソード22に酸素分子を移動
させる方向のポンプ電流Ipを供給している。
And the oxygen partial pressure in this exhaust gas is 10 -20 ~
At 10 -25 , set the oxygen partial pressure in the gas introduction part 18.
In order to maintain the oxygen concentration at 0.206×10 -10 , a pump current Ip is supplied to the gas introduction section 18 from the exhaust gas atmosphere, that is, in a direction to move oxygen molecules from the pump anode 23 to the pump cathode 22.

したがつて、特にポンプアノード23の表面に
おいては、 CO2+2e-→CO+C2- の反応が生じ、そのO2-が第2の固体電解質17
内を移動してガス導入部18に移入する。
Therefore, especially on the surface of the pump anode 23, a reaction of CO 2 + 2e - → CO + C 2- occurs, and the O 2- is transferred to the second solid electrolyte 17.
The gas is moved inside and transferred to the gas introduction section 18.

それによつて、特にポンプカソード22の表面
では、 2CO+O2→2CO2 の反応が生じ、ポンピングによつて移動させた
O2が消費される。
As a result, a reaction of 2CO + O 2 → 2CO 2 occurs, especially on the surface of the pump cathode 22, and the
O2 is consumed.

つまり、リツチ側では、上記の反応により消費
されるO2の量をポンプ電流によつて計つている
ことになる。
In other words, on the rich side, the amount of O 2 consumed by the above reaction is measured by the pump current.

そして、上記の反応は、ガス導入部18内に拡
散してくるCOの量に比例する。すなわち、ガス
導入部18内では、上記の反応によつてCOも消
費され、CO分圧は略ゼロになつてくるので、ガ
ス導入部18に入つてくるCOの量Qcoは、排気
ガス中のCO分圧をPco,拡散係数をD′とすると、 Qco=D′(Pco−0) =D′・Pco となる。
The above reaction is proportional to the amount of CO that diffuses into the gas introduction section 18. That is, in the gas introduction section 18, CO is also consumed by the above reaction, and the CO partial pressure becomes approximately zero, so the amount of CO entering the gas introduction section 18, Qco, is equal to the amount of CO in the exhaust gas. If the CO partial pressure is Pco and the diffusion coefficient is D', then Qco=D'(Pco-0) = D'・Pco.

したがつて、リツチ側でガス導入部18内の酸
素分圧を0.206×10-10に維持するのに必要なO2
量、すなわちポンプ電流によつて排気ガス雰囲気
からポンピングするO2の量は、排気ガス中のCO
の濃度に比例した値となる。
Therefore, the amount of O 2 required to maintain the oxygen partial pressure in the gas inlet 18 at 0.206×10 -10 on the rich side, that is, the amount of O 2 pumped from the exhaust gas atmosphere by the pump current. is CO in exhaust gas
The value is proportional to the concentration of

リツチ側では、このCO(あるいはCO+HC)の
濃度が空燃比と良い相関関係にあるので、ポンプ
電流Ipはリツチ側でも空燃比に対して連続的に変
化する。
On the rich side, the concentration of CO (or CO + HC) has a good correlation with the air-fuel ratio, so the pump current Ip changes continuously with the air-fuel ratio even on the rich side.

ここで、第2の固体電解質17,ポンプカソー
ド22及びポンプアノード23からなるポンプセ
ルPCについて考えてみると、このポンプセルPC
の等価回路は、第7図に示すように、自己起電力
Epと内部抵抗Rpとに分けることができる。
Now, considering the pump cell PC consisting of the second solid electrolyte 17, pump cathode 22, and pump anode 23, this pump cell PC
As shown in Figure 7, the equivalent circuit of is self-electromotive force
It can be divided into Ep and internal resistance Rp.

したがつて、ポンプセルCのポンプカソード2
2に対するポンプアノード23の電位(空燃比検
出出力)Vpは、 Vp=Ep+Ip・Rp …… となる。
Therefore, pump cathode 2 of pump cell C
The potential (air-fuel ratio detection output) Vp of the pump anode 23 with respect to 2 is as follows: Vp=Ep+Ip·Rp...

ところで、この自己起電力Epは、前述したよ
うに排気ガス中の酸素分圧をPA,ガス導入部1
8の酸素分圧をPBとすると、前述したヌルンス
トの式より、 Ep=RT/4F・ln(PA/PB) … で表わされる。
By the way, as mentioned above, this self-electromotive force Ep is calculated by changing the partial pressure of oxygen in the exhaust gas to PA, the gas introduction part 1
If the oxygen partial pressure in 8 is PB, it is expressed as Ep=RT/4F・ln(PA/PB)... from the Nurnst equation mentioned above.

そして、目標電圧Vaを500mVに設定したとき
には、前述したように、ガス導入部18の酸素分
圧PBは、約10-10に維持されている。(PB=
10-10)。
When the target voltage Va is set to 500 mV, the oxygen partial pressure PB of the gas introduction section 18 is maintained at approximately 10 -10 as described above. (PB=
10-10 ).

一方、排気ガス中の酸素分圧(平衡酸素分圧)
PAは、理論空燃比(λ=1)を境にして、リツ
チ側では約10-20atmにリーン側では約10-2atmに
なる。
On the other hand, oxygen partial pressure in exhaust gas (equilibrium oxygen partial pressure)
PA is approximately 10 -20 atm on the rich side and approximately 10 -2 atm on the lean side, with the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) as the boundary.

それによつて、自己起電力Epは、前述した
式から分るように、空燃比(当量比λ)に対して
第8図に示すように変化する。
As a result, the self-electromotive force Ep changes with respect to the air-fuel ratio (equivalent ratio λ) as shown in FIG. 8, as can be seen from the above-mentioned equation.

一方、温度が一定であれば、内部抵抗Rpはリ
ツチ側,リーン側のいずれも略一定であり、ポン
プ電流Ipは前述したようにリツチ側からリーン側
までの空燃比に比例した値となるので、前述した
式におけるIp・Rpは、空燃比(当量比λ)に
対して第9図に示すように変化する。
On the other hand, if the temperature is constant, the internal resistance Rp is approximately constant on both the rich side and the lean side, and the pump current Ip is a value proportional to the air-fuel ratio from the rich side to the lean side, as described above. , Ip and Rp in the above-mentioned equation change as shown in FIG. 9 with respect to the air-fuel ratio (equivalence ratio λ).

したがつて、ポンプセルPCのポンプカソード
22とポンプアノード23との間の電位である空
燃比検出出力Vpは、前述した式より、自己起
電力Epとポンプ電流Ipによる内部抵抗Rpの電圧
降下分(Ip・Rp)とを加えたものであるので、
空燃比(当量比λ)に対して第10図に示すよう
に変化する。
Therefore, the air-fuel ratio detection output Vp, which is the potential between the pump cathode 22 and the pump anode 23 of the pump cell PC, is determined by the voltage drop of the internal resistance Rp due to the self-electromotive force Ep and the pump current Ip ( Ip・Rp), so
It changes as shown in FIG. 10 with respect to the air-fuel ratio (equivalence ratio λ).

このように、空燃比検出出力であるポンプセル
PCの両電極間電位Vpは、理論空燃比(λ=1)
でオン・オフ的に急変し、他の空燃比では連続的
に変化する。
In this way, the air-fuel ratio detection output from the pump cell
The potential Vp between both electrodes of PC is the stoichiometric air-fuel ratio (λ=1)
It changes suddenly on and off at , and changes continuously at other air-fuel ratios.

つまり、空燃比検出出力Vpは、理論空燃比
(λ=1)付近では自己起電力Epによつて支配さ
れ、他の空燃比ではポンプ電流Ipによつて支配さ
れる。
That is, the air-fuel ratio detection output Vp is dominated by the self-electromotive force Ep near the stoichiometric air-fuel ratio (λ=1), and is dominated by the pump current Ip at other air-fuel ratios.

そのため、理論空燃比(λ=1)付近での応答
性は、自己起電力Epの応答性によつて決まり、
この自己起電力Epは、前述した式から分るよ
うに排気ガス中の酸素分圧PAによつて決まるの
で、排気ガス中の空燃比の変化に対して極めて速
く追従する。
Therefore, the response around the stoichiometric air-fuel ratio (λ=1) is determined by the response of the self-electromotive force Ep,
As can be seen from the above equation, this self-electromotive force Ep is determined by the oxygen partial pressure PA in the exhaust gas, so it follows extremely quickly changes in the air-fuel ratio in the exhaust gas.

したがつて、空燃比検出出力Vpの理論空燃比
(λ=1)付近における応答性は極めて速い。
Therefore, the responsiveness of the air-fuel ratio detection output Vp near the stoichiometric air-fuel ratio (λ=1) is extremely fast.

このように、この空燃比検出装置にあつては、
リツチ域からリーン域まで広範囲に亘る空燃比を
検出でき、しかも理論空燃比(λ=1)を他の空
燃比よりも高精度に且つ応答性良く検出できる。
In this way, in this air-fuel ratio detection device,
Air-fuel ratios can be detected over a wide range from rich to lean regions, and the stoichiometric air-fuel ratio (λ=1) can be detected with higher precision and better responsiveness than other air-fuel ratios.

それによつて、この空燃比検出装置を三元触媒
と組合せて使用することによつて、排気ガスの浄
化率が高くなる。
Therefore, by using this air-fuel ratio detection device in combination with a three-way catalyst, the purification rate of exhaust gas can be increased.

第11図は、この発明に使用する酸素センサの
の例を示す縦断面図である。
FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing an example of an oxygen sensor used in the present invention.

この酸素センサ51は、第1の固体電解質14
と第2の固体電解質17との間に貫通孔52aを
穿設したスペーサ板52を挟んで積層して、ガス
導入部18を形成すると共に、このガス導入部1
8に、第2の固体電解質17とボンプカソード2
2及びポンプアノード23とに穿設したガスの拡
散を制限する手段である小孔53を介して、排気
ガスを導入するようにしたものである。なお、そ
の他の構成は、前記実施例と同様である。
This oxygen sensor 51 includes a first solid electrolyte 14
and the second solid electrolyte 17 with a spacer plate 52 having a through hole 52 a interposed therebetween to form a gas introduction section 18 and to form a gas introduction section 1 .
8, the second solid electrolyte 17 and the bomb cathode 2
The exhaust gas is introduced through a small hole 53, which is a means for restricting the diffusion of gas, provided in the pump anode 2 and the pump anode 23. Note that the other configurations are the same as those in the previous embodiment.

この酸素センサ51を使用した場合でも、前記
実施例と同様な空燃比検出回路を使用することに
よつて、第10図に示したような空燃比検出出力
Vpを得ることができる。
Even when this oxygen sensor 51 is used, by using an air-fuel ratio detection circuit similar to that of the previous embodiment, an air-fuel ratio detection output as shown in FIG.
You can get VP.

第12図及び第13図は、この発明に使用する
酸素センサの更に他の実施例を示す横断面図及び
分解斜視図である。
FIGS. 12 and 13 are a cross-sectional view and an exploded perspective view showing still another embodiment of the oxygen sensor used in the present invention.

この酸素センサ61は、大気導入板13上に酸
素イオン伝導性の固体電解質62を積層して、所
定のガスである大気が導入される大気導入部15
を形成し、その固体電解質62上に四角形の貫通
孔63aを穿設したスペーサ板63を、このスペ
ーサ板63上に隔壁板64を夫々積層して、ガス
導入部18を形成し、このガス導入部18に、隔
壁板64に穿設したガスの拡散を制限する手段で
ある小孔65を介して被測定ガスを導入する。
This oxygen sensor 61 is constructed by stacking an oxygen ion conductive solid electrolyte 62 on an atmosphere introduction plate 13, and an atmosphere introduction part 15 into which the atmosphere, which is a predetermined gas, is introduced.
A spacer plate 63 having a rectangular through hole 63a is formed on the solid electrolyte 62, and a partition plate 64 is laminated on this spacer plate 63 to form the gas introduction part 18. The gas to be measured is introduced into the section 18 through a small hole 65 formed in the partition plate 64 and serving as a means for restricting the diffusion of the gas.

そして、固体電解質62の両面に、大気導入部
15の大気に晒される共通電極66と、ガス導入
部18の被測定ガスに晒されるセンサ電極67及
びポンプ電極68を設け、固体電解質62と共通
電極66及びセンサ電極67とによつて酸素分圧
比検出部(センサセルSC)を構成し、固体電解
質62と共通電極66及びポンプ電極68とによ
つて酸素分圧制御部(ポンプセルPC)を構成し
ている。
A common electrode 66 exposed to the atmosphere in the atmosphere introduction part 15 and a sensor electrode 67 and a pump electrode 68 exposed to the gas to be measured in the gas introduction part 18 are provided on both sides of the solid electrolyte 62. 66 and the sensor electrode 67 constitute an oxygen partial pressure ratio detection section (sensor cell SC), and the solid electrolyte 62, the common electrode 66, and the pump electrode 68 constitute an oxygen partial pressure control section (pump cell PC). There is.

なお、これ等の共通電極66,センサ電極6
7,ポンプ電極68には、夫々リード線70,7
1,72を接続してある。
Note that these common electrodes 66 and sensor electrodes 6
7. The pump electrode 68 has lead wires 70 and 7, respectively.
1 and 72 are connected.

この酸素センサ61を使用した場合でも、例え
ば前記実施例の空燃比検出回路を使用することに
よつて、第10図に示したような検出出力Vpを
得られる。
Even when this oxygen sensor 61 is used, a detection output Vp as shown in FIG. 10 can be obtained, for example, by using the air-fuel ratio detection circuit of the embodiment described above.

なお、この酸素センサ61において、共通電極
66とセンサ電極67及びポンプ電極68とを反
対に設けてもよく、また共通電極66をセンサ電
極67とポンプ電極68とに各々対向する2個の
電極に分割してもよい。
In this oxygen sensor 61, the common electrode 66, the sensor electrode 67, and the pump electrode 68 may be provided oppositely, or the common electrode 66 may be provided as two electrodes facing the sensor electrode 67 and the pump electrode 68, respectively. May be divided.

この酸素センサ61は、第4図及び第5図に示
した酸素センサ11よりも耐久性が向上する。
This oxygen sensor 61 has improved durability compared to the oxygen sensor 11 shown in FIGS. 4 and 5.

すなわち、前述した酸素センサ11にあつて
は、空燃比がリツチ側のときに酸素濃度が低い排
気ガス中からガス導入部18に酸素イオンを移動
するため、第2の固体電解質17自体の酸素分子
が僅ながら分解してガス導入部18に移入される
現象が起こり、リツチ側での使用状態が極めて長
期間に亘るときには第1の固体電解質17が劣化
する恐れがある。
That is, in the oxygen sensor 11 described above, in order to move oxygen ions from the exhaust gas with a low oxygen concentration to the gas introduction part 18 when the air-fuel ratio is on the rich side, oxygen molecules in the second solid electrolyte 17 itself A phenomenon occurs in which the solid electrolyte 17 is slightly decomposed and transferred to the gas introduction part 18, and if the rich side is used for an extremely long period of time, there is a risk that the first solid electrolyte 17 will deteriorate.

これに対して、この実施例の酸素センサ61に
あつては、大気導入部15の酸素分子をガス導入
部18に移入するので、リツチ側において固体電
解質62自体の酸素分子が分解するようなことが
ないので、耐久性が著しく向上する。
On the other hand, in the case of the oxygen sensor 61 of this embodiment, since the oxygen molecules from the atmosphere introduction section 15 are transferred to the gas introduction section 18, there is no possibility that the oxygen molecules of the solid electrolyte 62 itself will be decomposed on the rich side. Since there are no scratches, durability is significantly improved.

なお、上記実施例においては、所定酸素濃度の
ガスとして大気を使用する酸素センサにいて述べ
たが、これに限るものではなく、例えばキヤブレ
ーシヨンガスとして予め酸素濃度を所定値に調整
したものを用いてもよい。
In the above embodiments, an oxygen sensor that uses the atmosphere as a gas with a predetermined oxygen concentration is described, but this is not limiting. May be used.

さらに、酸素センサとしては、上記実施例のよ
うにガスの拡散を制限する手段を隙間や小孔とし
て形成したものでなく、他にも多孔質体などを用
いることができ、例えば上記実施例におけるガス
導入部に多孔質体を充填したものであつてもよ
い。
Furthermore, as an oxygen sensor, instead of forming the means for restricting gas diffusion as gaps or small holes as in the above embodiment, other porous bodies etc. can be used. For example, as in the above embodiment, The gas introduction section may be filled with a porous material.

さらにまた、この発明による空燃比検出装置
は、車両用,定置プラント用,産業用,あるいは
船舶用等の各種内燃機関の空燃比の検出、あるい
は溶鉱炉等における燃焼ガスの空燃比検出等にも
使用できる。
Furthermore, the air-fuel ratio detection device according to the present invention can also be used to detect the air-fuel ratio of various internal combustion engines for vehicles, fixed plants, industries, ships, etc., or to detect the air-fuel ratio of combustion gas in blast furnaces, etc. can.

効 果 以上説明したように、この発明による空燃比検
出装置は、酸素センサの排気ガスが拡散を制限さ
れて導入されるガス導入部の酸素分圧を制御する
ために、固体電解質に電流を供給するための電極
間の電圧を取出し、この電圧を空燃比検出出力と
するので、広範囲に亘つて空燃比を検出でき、し
かも理論空燃比付近を他の空燃比よりも高精度に
且つ応答性良く検出することができるので、三元
触媒と組合せた場合の排気浄化率が向上する。
Effects As explained above, the air-fuel ratio detection device according to the present invention supplies current to the solid electrolyte in order to control the oxygen partial pressure of the gas introduction part where the exhaust gas of the oxygen sensor is introduced with diffusion restricted. Since the voltage between the electrodes is extracted and this voltage is used as the air-fuel ratio detection output, the air-fuel ratio can be detected over a wide range, and moreover, it can detect the air-fuel ratio near the stoichiometric air-fuel ratio with higher precision and better response than other air-fuel ratios. Since it can be detected, the exhaust purification rate is improved when combined with a three-way catalyst.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、従来の酸素センサの一例を示す模式的
断面図、第2図は、同じくそのセンサ出力と空燃
比との関係を示す線図、第3図は、同じくその流
し込み電流と空燃比との関係を示す線図、第4図
及び第5図は、この発明の実施例における酸素セ
ンサの一例を示す縦断面図及び分解斜視図、第6
図は、同じく空燃比検出回路の一例を示す回路
図、第7図は、その酸素センサのポンプセルの等
価回路を示す回路図、第8図は、同じくポンプセ
ルの自己起電力と空燃比との関係を示す線図、第
9図は、同じくポンプセルの内部抵抗による電圧
と空燃比との関係を示す線図、第10図は、同じ
くポンプセルの電極間電圧(空燃比検出出力)と
空燃比との関係を示す線図、第11図は、この発
明に使用する酸素センサの他の例を示す縦断面
図、第12図及び第13図は、この発明に使用す
る酸素センサの更に他の例を示す横断面図及び分
解斜視図である。 11,51,61…酸素センサ、14…第1の
固体電解質、15…大気導入部、17…第2の固
体電解質、18…ガス導入部、20…センサアノ
ード、21…センサカソード、22…ポンプカソ
ード、23…ポンプアノード、SC…センサセル
(酸素分圧比検出部)、PC…ポンプセル(酸素分
圧制御部)、33…差動アンプ、34…電源、3
5…ポンプ電流供給回路、43…バツフアアン
プ、53,65…小孔、62…固体電解質、66
…共通電極、67…センサ電極、68…ポンプ電
極。
Fig. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional oxygen sensor, Fig. 2 is a diagram showing the relationship between the sensor output and the air-fuel ratio, and Fig. 3 is a diagram showing the relationship between the sensor output and the air-fuel ratio. 4 and 5 are a longitudinal sectional view and an exploded perspective view showing an example of an oxygen sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG.
Figure 7 is a circuit diagram showing an example of the air-fuel ratio detection circuit, Figure 7 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the pump cell of the oxygen sensor, and Figure 8 is the relationship between the self-electromotive force of the pump cell and the air-fuel ratio. Figure 9 is a diagram showing the relationship between the voltage due to the internal resistance of the pump cell and the air-fuel ratio, and Figure 10 is a diagram showing the relationship between the voltage between the electrodes of the pump cell (air-fuel ratio detection output) and the air-fuel ratio. A diagram showing the relationship, FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing another example of the oxygen sensor used in the present invention, and FIGS. 12 and 13 are diagrams showing still other examples of the oxygen sensor used in the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view and an exploded perspective view. DESCRIPTION OF SYMBOLS 11, 51, 61...Oxygen sensor, 14...First solid electrolyte, 15...Air introduction part, 17...Second solid electrolyte, 18...Gas introduction part, 20...Sensor anode, 21...Sensor cathode, 22...Pump Cathode, 23...Pump anode, SC...Sensor cell (oxygen partial pressure ratio detection section), PC...Pump cell (oxygen partial pressure control section), 33...Differential amplifier, 34...Power supply, 3
5...Pump current supply circuit, 43...Buffer amplifier, 53, 65...Small hole, 62...Solid electrolyte, 66
...Common electrode, 67...Sensor electrode, 68...Pump electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 空気と燃料との混合気の燃焼による排気ガス
が、ガスの拡散を制限する手段を介して導入され
るガス導入部と、酸素イオン伝導性の固体電解質
を挟んで対向する前記ガス導入部のガス及び所定
酸素濃度のガスに晒される電極を有し、両電極間
の酸素分圧比に応じた電圧を出力する酸素分圧比
検出部と、酸素イオン伝導性の固体電解質を挟ん
で対向する電極を有し、両電極間に供給される電
流量に応じて前記ガス導入部の酸素分圧を制御す
る酸素分圧制御部とからなる酸素センサと、 該酸素センサの酸素分圧比検出部の出力電圧が
予め設定した目標値と一致するように前記酸素分
圧制御部に電流を供給する電流供給手段と、 前記酸素センサの酸素分圧制御部の両電極間の
電圧を前記混合気の空燃比を示す検出出力として
取出す手段とを設けたことを特徴とする空燃比検
出装置。
[Scope of Claims] 1. A gas introduction part into which exhaust gas from combustion of a mixture of air and fuel is introduced via a means for restricting gas diffusion, and a gas introduction part that faces across an oxygen ion conductive solid electrolyte. an oxygen partial pressure ratio detection section that has an electrode exposed to the gas of the gas introduction section and a gas of a predetermined oxygen concentration, and outputs a voltage according to the oxygen partial pressure ratio between the two electrodes; and an oxygen ion conductive solid electrolyte. an oxygen sensor comprising electrodes facing each other and an oxygen partial pressure control section that controls the oxygen partial pressure of the gas introduction section according to the amount of current supplied between the two electrodes; current supply means for supplying current to the oxygen partial pressure control section so that the output voltage of the pressure ratio detection section matches a preset target value; 1. An air-fuel ratio detection device comprising: means for extracting a detection output indicating an air-fuel ratio of an air-fuel mixture.
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JP4396573B2 (en) * 2005-05-10 2010-01-13 セイコーエプソン株式会社 Roll paper transport device and printing device

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