JPH061258B2 - Air-fuel ratio detector - Google Patents

Air-fuel ratio detector

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JPH061258B2
JPH061258B2 JP59000670A JP67084A JPH061258B2 JP H061258 B2 JPH061258 B2 JP H061258B2 JP 59000670 A JP59000670 A JP 59000670A JP 67084 A JP67084 A JP 67084A JP H061258 B2 JPH061258 B2 JP H061258B2
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air
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剛 北原
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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)
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  • Pathology (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) 本発明は空燃比検出装置、詳しくは酸素センサを用いて
空燃比を広範囲に精度よく検出する空燃比検出装置に関
する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an air-fuel ratio detection device, and more particularly to an air-fuel ratio detection device that detects an air-fuel ratio in a wide range with high accuracy using an oxygen sensor.

(従来技術) 近時、エンジン吸入混合気の空燃比を精度よく目標値に
制御するために空燃比と相関関係をもつ排気中の酸素濃
度を検出し、この酸素濃度に応じて燃料供給量をフィー
ドバック制御しており、このような空燃比を広範囲に亘
り検出する装置が開発されている。
(Prior Art) Recently, in order to accurately control the air-fuel ratio of the engine intake air-fuel mixture to a target value, the oxygen concentration in the exhaust gas that has a correlation with the air-fuel ratio is detected, and the fuel supply amount is adjusted according to this oxygen concentration. A device for performing feedback control and detecting such an air-fuel ratio over a wide range has been developed.

従来の空燃比検出装置としては、例えば特開昭57−7
6450号公報に記載されたものがあり、第1図のよう
に示すことができる。第1図において、1は酸素センサ
であり、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る。2は
酸素イオン伝導性の固体電解質であり、固体電解質2の
一面には白金を主成分とする基準電極3が設けられてい
る。また、この固体電解質2を挟んで基準電極3と対向
する位置に、例えば金と白金と合金よりなる酸素電極4
が積層されている。そして、これら固体電解質2、基準
電極3および酸素電極4は多孔質保護層5によって被覆
されている。
A conventional air-fuel ratio detecting device is, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 57-7.
There is one described in Japanese Patent No. 6450, which can be shown as in FIG. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an oxygen sensor, and the oxygen sensor 1 is an application of the principle of a kind of concentration battery that generates an electromotive force according to the oxygen concentration. Reference numeral 2 is an oxygen ion conductive solid electrolyte, and a reference electrode 3 containing platinum as a main component is provided on one surface of the solid electrolyte 2. An oxygen electrode 4 made of, for example, gold, platinum, and an alloy is provided at a position facing the reference electrode 3 with the solid electrolyte 2 interposed therebetween.
Are stacked. The solid electrolyte 2, the reference electrode 3, and the oxygen electrode 4 are covered with the porous protective layer 5.

このような酸素センサ1は、被測定ガス(例えば、排
気)中において基準電極3に流し込み電流Isを供給す
ると、該基準電極3に基準酸素分圧Paを発生させる。
一方、酸素電極4における酸素分圧Pbは被測定ガスの
有する酸差分圧であり、これらの酸素分圧Pa、Pbに
基づいて両電極3、4間に E=RT/4F・ln(Pa/Pb)…… 但し、R:気体定数、T:絶対温度 F:ファラディ定数 なるネルンストの式によって表される起電力Eが発生
し、酸素センサ1の出力Vsとして外部に取り出され
る、そして、この起電力Eは所定の空燃比を境とリーン
(希薄)側からリッチ(過濃)側に切り換わったとき、
プラス側へ大きく急変化し、その切り換わり空燃比は前
記流し込み電流Isの値により変化する。また、この切
り換わり空燃比は流し込み電流Isの値に対応してお
り、該流し込み電流Isの増加に伴って理論空燃比より
リーン側に移行する。したがって、酸素センサ出力Vs
を目標電圧Va(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がこの目標電圧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は現在の空燃比に応じた値となり、その値を検出す
ることにより空燃比を広範囲に連続的に検出することが
できる。
Such an oxygen sensor 1 causes a reference oxygen partial pressure Pa to be generated in the reference electrode 3 when a flowing current Is is supplied to the reference electrode 3 in a gas to be measured (for example, exhaust gas).
On the other hand, the oxygen partial pressure Pb at the oxygen electrode 4 is the acid differential pressure of the gas to be measured, and based on these oxygen partial pressures Pa and Pb, E = RT / 4F · ln (Pa / Pb) ... However, R: gas constant, T: absolute temperature, F: Faraday constant, an electromotive force E represented by the Nernst equation is generated, and is taken out as the output Vs of the oxygen sensor 1 to the outside. When the electric power E is switched from the lean side to the rich side with a predetermined air-fuel ratio as a boundary,
The air-fuel ratio changes sharply to the plus side, and the air-fuel ratio changes depending on the value of the flow-in current Is. Further, this switching air-fuel ratio corresponds to the value of the inflow current Is, and as the inflow current Is increases, it shifts to the lean side from the theoretical air-fuel ratio. Therefore, the oxygen sensor output Vs
Is set as a target voltage Va (substantially an intermediate value between the upper limit and the lower limit of the oxygen sensor output Vs that changes abruptly in the switching air-fuel ratio), and the pouring current Is is supplied so that the oxygen sensor output Vs becomes the target voltage Va. The flow-in current Is has a value according to the current air-fuel ratio, and the air-fuel ratio can be continuously detected in a wide range by detecting the value.

しかしながら、このような従来の空燃比検出装置にあっ
ては、酸素センサ出力Vsが目標電圧Vaとなるように
流し込み電流Isを供給するとともに、この流し込み電
流Isの値を検出することにおり、空燃比を判断する構
成となっていたため、理論空燃比(λ=1)(λは当量
比でCO+1/2O→COとしてλ=1/2O/COと
定義されるもの)よりリーン側(λ>1)のみならず、
リッチ側(λ<1)をも含めた広範囲な空燃比を正確に
検出することができないという問題点があった。
However, in such a conventional air-fuel ratio detection device, the oxygen sensor output Vs is supplied with the inflow current Is so as to become the target voltage Va, and the value of this inflow current Is is detected. Since it is configured to judge the fuel ratio, it is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) (where λ is the equivalent ratio defined as CO + 1 / 2O 2 → CO 2 and λ = 1 / 2O 2 / CO). Not only λ> 1),
There is a problem that it is not possible to accurately detect a wide range of air-fuel ratios including the rich side (λ <1).

すなわち、第2図に示すように流し込み電流Isの値は
酸素センサ1の切り換わり空燃比に対応しており(以
下、これらの関係をIs−A/F特性という)、理論空
燃比において最小となるもののリッチ側に移行するに従
って再び増加する。これは、リッチ域では排気中に酸素
が殆どないことから、固体電解質中の酸素イオン(イオ
ンの移動は、言い換えれば電流である)がリッチ空燃比
に対応した平衡状態とならず酸素分子となって排気中に
一方的に拡散流出しているためで、排気がリッチ側に移
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。したがって、理論空燃比付近では
同一の流し込み電流Is値に対して切り換わり空燃比が
2値存在することとなり、単に流し込み電流Isの値に
基づいて空燃比を判断するのみでは現空燃比を一義的に
決定することができない。換言すれば、流し込み電流I
sの値のみではリッチからリーンまでの広範囲な空燃比
を正確に検出することができない。
That is, as shown in FIG. 2, the value of the inflow current Is corresponds to the switching air-fuel ratio of the oxygen sensor 1 (hereinafter, these relationships are referred to as Is-A / F characteristics), and is the minimum in the theoretical air-fuel ratio. However, it increases again as it moves to the rich side. This is because there is almost no oxygen in the exhaust gas in the rich region, so that oxygen ions in the solid electrolyte (the movement of ions, in other words, current) are not in an equilibrium state corresponding to the rich air-fuel ratio and become oxygen molecules. Therefore, as the exhaust gas moves to the rich side, the amount of movement of oxygen ions increases and the value of the inflow current Is increases. Therefore, in the vicinity of the stoichiometric air-fuel ratio, there are two values of the air-fuel ratio by switching to the same flow-in current Is value, and the present air-fuel ratio is uniquely determined only by determining the air-fuel ratio based on the value of the flow-in current Is. Can't decide on. In other words, the flow current I
A wide range of air-fuel ratio from rich to lean cannot be accurately detected only by the value of s.

(発明の目的) そこで本発明は、センサ部の出力電圧の急変点を所定空
燃比に一致させるようにポンプ部への流し込み電流の方
向及び大きさを調節し、この流し込み電流に基づいて上
記所定空燃比からのずれを定量的に検出できるようにし
て、リッチ域からリーン域までの広範囲な空燃比を一義
的に検出できるようにすることを目的とする。
(Object of the invention) Therefore, the present invention adjusts the direction and magnitude of the current flowing into the pump unit so that the sudden change point of the output voltage of the sensor unit coincides with the predetermined air-fuel ratio, and based on this current, the above-mentioned predetermined value is adjusted. An object of the present invention is to make it possible to detect a deviation from the air-fuel ratio quantitatively and to uniquely detect a wide range of air-fuel ratio from the rich region to the lean region.

(発明の構成) 本発明による空燃比検出装置は、酸素イオン伝導性の固
体電解質を挟んで排気に接する酸素電極と大気に接する
基準電極とを有し、前記酸素電極雰囲気の酸素濃度に応
じた電圧を発生するとともに、該酸素濃度が所定空燃比
に相当するものであるときに該電圧が急変するセンサ部
と、該センサ部に所定間隔を隔てて対向して配設され、
流し込み電流の方向及び大きさに応じて前記酸素電極雰
囲気の酸素濃度を増減調節するポンプ部と、からなる酸
素センサと、前記センサ部で発生した電圧と所定の目標
電圧との差電圧を検出する差検出回路と、該差検出回路
の出力に応答して前記流し込み電流の方向及び大きさを
決定し前記ポンプ部に供給する電流供給回路と、該流し
込み電流の値を検出するとともに、該検出電流の変化に
相関する信号を、前記酸素電極雰囲気の酸素濃度を表す
信号として出力する電流検出回路と、を備えたことを特
徴とする。
(Structure of the Invention) An air-fuel ratio detection device according to the present invention has an oxygen electrode in contact with exhaust gas and a reference electrode in contact with the atmosphere with an oxygen ion conductive solid electrolyte sandwiched between the oxygen electrode and the reference electrode, which is in accordance with the oxygen concentration of the oxygen electrode atmosphere. A sensor unit, which generates a voltage and whose voltage suddenly changes when the oxygen concentration corresponds to a predetermined air-fuel ratio, is arranged facing the sensor unit at a predetermined interval,
An oxygen sensor including a pump unit that adjusts the oxygen concentration of the oxygen electrode atmosphere according to the direction and magnitude of the flowing current, and detects a voltage difference between the voltage generated by the sensor unit and a predetermined target voltage. A difference detection circuit, a current supply circuit that determines the direction and magnitude of the inflow current in response to the output of the difference detection circuit and supplies the current to the pump unit, and detects the value of the inflow current, and the detected current. And a current detection circuit that outputs a signal that correlates to the change in the oxygen electrode atmosphere as a signal that represents the oxygen concentration of the oxygen electrode atmosphere.

(作用) 本願発明では、出力電圧と目標電圧とが常に一致するよ
うに流し込み電流が調節される。
(Operation) In the present invention, the pouring current is adjusted so that the output voltage and the target voltage always match.

ここで、出力電圧>目標電圧のときと出力電圧<目標電
圧のときでは、流し込み電流の方向が丁度逆向きにな
る。
Here, when the output voltage> the target voltage and the output voltage <the target voltage, the direction of the flowing current is just opposite.

従って、目標電圧の大きさを、酸素電極雰囲気の酸素濃
度が所定空燃比のときのセンサ部の出力電圧に合わせて
おけば、流し込み電流は、この所定空燃比で最小値とな
り、それよりもリッチ側で一方極性(例えば負極性)の
値、それよりもリーン側で他方極性(例えば正極性)の
値をとる。
Therefore, if the magnitude of the target voltage is adjusted to the output voltage of the sensor section when the oxygen concentration in the oxygen electrode atmosphere is the predetermined air-fuel ratio, the flow-in current becomes the minimum value at this predetermined air-fuel ratio, and it is richer than that. One side has a value of one polarity (for example, negative polarity), and the lean side has a value of the other polarity (for example, positive polarity).

そして、その両極性側の2つの値は、それぞれ所定空燃
比からのずれの程度に応じた大きさを持つことになり、
結局、本願発明では、リッチ域からラーン域までの広範
囲な空燃比を正確に検出できることになる。
Then, the two values on the both polar sides have respective magnitudes corresponding to the degree of deviation from the predetermined air-fuel ratio,
After all, according to the present invention, it is possible to accurately detect a wide range of air-fuel ratios from the rich range to the learn range.

(実施例) 以下、本発明を図面に基づいて説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.

第3〜6図は本発明の第1実施例を示す図である。ま
ず、構成を説明すると、第3図は酸素センサの組立要領
を示す斜視図である。第3図において、11はアルミナ基
板であり、アルミナ基板11の上面(図中上方の端面)に
はヒータ12を挟んで大気導入板13が積層される。大気導
入板13は酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分として
おり、その上面側には大気導入溝13aが形成されてい
る。そして、この大気導入板13の上面側には平板状の第
1固体電解質14、支持体15および第2固体電解質16が略
平行に順次積層される。また、第1固体電解質14の上、
下面には何れも白金を主成分とする酸素電極17および基
準電極18がそれぞれ配設されており(例えば、印刷処理
により上、下面に積層される)、これらの各電極17、18
にはセンサリード線19、20がそれぞれ接続される。一
方、第2固体電解質16の上、下面にはアノード電極21お
よびカソード電極22がそれぞれ配設されており、これら
の各電極21、22にはポンプリード線23、24がそれぞれ接
続される。なお、上記各電極17、18、21、22は、その外
部を多孔質保護層で被覆して耐久性を増すようにしても
よい。上記第1固体電解質14、酸素電極17および基準電
極18はセンサ部25を構成し、第2固体電解質16、アノー
ド電極21およびカソード電極22はポンプ部26を構成して
いる。また、センサ部25、ポンプ部26、大気導入板13、
アルミナ基板11およびヒータ12は全体として酸素センサ
27を構成している。
3 to 6 are views showing the first embodiment of the present invention. First, the structure will be described. FIG. 3 is a perspective view showing an assembling procedure of the oxygen sensor. In FIG. 3, reference numeral 11 denotes an alumina substrate, and an atmosphere introducing plate 13 is laminated on the upper surface (upper end surface in the drawing) of the alumina substrate 11 with a heater 12 interposed therebetween. The air introduction plate 13 contains oxygen ion conductive solid electrolyte as a main component, and an air introduction groove 13a is formed on the upper surface side thereof. Then, a flat plate-shaped first solid electrolyte 14, a support 15, and a second solid electrolyte 16 are sequentially laminated in parallel on the upper surface side of the atmosphere introducing plate 13. Also, on the first solid electrolyte 14,
An oxygen electrode 17 and a reference electrode 18 each containing platinum as a main component are provided on the lower surface (for example, they are laminated on the upper surface and the lower surface by a printing process).
Sensor lead wires 19 and 20 are connected to each. On the other hand, an anode electrode 21 and a cathode electrode 22 are provided on the upper and lower surfaces of the second solid electrolyte 16, respectively, and pump lead wires 23, 24 are connected to these electrodes 21, 22, respectively. The electrodes 17, 18, 21, 22 may be coated with a porous protective layer on the outside to increase the durability. The first solid electrolyte 14, the oxygen electrode 17 and the reference electrode 18 form a sensor section 25, and the second solid electrolyte 16, the anode electrode 21 and the cathode electrode 22 form a pump section 26. Further, the sensor unit 25, the pump unit 26, the atmosphere introduction plate 13,
Alumina substrate 11 and heater 12 as a whole are oxygen sensors
Makes up 27.

第4図は上述したように組立てられた酸素センサ27の断
面図である。第4図において、大気導入板13と第1固体
電解質14は大気導入部28を画成しており、大気導入部28
には矢印AIRで示すように大気が導かれる。一方、第
1、第2固体電解質14、16および支持体15は排気導入部
29を画成しており、この排気導入部29およびポンプ部26
のアノード電極21側には矢印GASで示すように排気が
導かれる。なお、排気導入部29の間隔Lは極めて狭く、
例えば0.1mm程度に設定される。したがって、センサ部2
5はその基準電極18側が大気に接し、酸素電極17側が排
気導入部29の排気に接することとなり、酸素濃淡電池を
形成して排気導入部29における排気の酸素濃度に応じて
起電力Eを発生する。そして、この定電力Eはセンサ部
25の出力Vsとして外部に取り出される。また、ポンプ
部26には後述する電流供給回路から流し込み電流Isが
供給されており、この流し込み電流Isは排気中の酸素
濃度に対応した空燃比(以下、単に現空燃比という)が
リーンであるときにはアノード電極21に、またリッチで
あるときにはカソード電極22にそれぞれ供給される。こ
の場合、現空燃比がリーンであるときには流し込み電流
Isは矢印Iで示すように第2固体電解質16内をアノ
ード電極21からカソード電極22に向けて流れる。このと
き、この流し込み電流Isによりカソード電極22からア
ノード電極21に向けて第2固体電解質16内を酸素イオン
2 --が移動する。すなわち、流し込み電流Isの流れ
る方向と逆方向に酸素イオンが移動する。したがって、
ポンプ部26は流し込み電流Icにより酸素イオンを移動
させることにより(以下、正の酸素ポンプ作用によりと
いう)、排気導入部29の酸素濃度(言い換えれば、セン
サ部25の酸素電極17雰囲気の酸素濃度)を所定値(本実
施例では、後述するように2×10-3%)に維持する。一
方、現空燃比がリッチであるときには流し込み電流Is
は矢印Iで示すようリーンの場合と逆方向に流れる。
したがって、ポンプ部26はアノード電極21からカソード
電極22に向けて酸素イオンを移動させることにより(以
下、逆の酸素ポンプ作用によりという)、リーンの場合
と同様に排気導入部29の酸素濃度を上記所定値に維持す
る。そして、センサ部25は排気導入部29の酸素濃度に対
応した空燃比でその出力電圧Vsを急変させる。なお、
第4図中ではヒータ12が省略されているが、ヒータ12は
第1、第2固体電解質14、16の活性を保つように、これ
らを適温に加熱している。
FIG. 4 is a sectional view of the oxygen sensor 27 assembled as described above. In FIG. 4, the atmosphere introducing plate 13 and the first solid electrolyte 14 define an atmosphere introducing section 28.
Atmosphere is guided to the air as indicated by the arrow AIR. On the other hand, the first and second solid electrolytes 14 and 16 and the support body 15 are exhaust gas introducing portions.
29, and this exhaust introduction part 29 and pump part 26
Exhaust gas is guided to the anode electrode 21 side of the as shown by the arrow GAS. In addition, the interval L of the exhaust introduction portion 29 is extremely narrow,
For example, it is set to about 0.1 mm. Therefore, the sensor unit 2
In reference numeral 5, the reference electrode 18 side is in contact with the atmosphere, and the oxygen electrode 17 side is in contact with the exhaust gas of the exhaust gas introducing portion 29, forming an oxygen concentration cell and generating an electromotive force E according to the oxygen concentration of the exhaust gas in the exhaust gas introducing portion 29. To do. The constant power E is the sensor unit
It is taken out as the output Vs of 25. A pouring current Is is supplied to the pump section 26 from a current supply circuit described later, and the pouring current Is has a lean air-fuel ratio (hereinafter, simply referred to as the current air-fuel ratio) corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas. Sometimes it is supplied to the anode electrode 21, and when it is rich, it is supplied to the cathode electrode 22. In this case, when the current air-fuel ratio is lean, the flow-in current Is flows in the second solid electrolyte 16 from the anode electrode 21 to the cathode electrode 22 as shown by the arrow I L. At this time, the flowing current Is causes oxygen ions O 2 to move from the cathode electrode 22 toward the anode electrode 21 in the second solid electrolyte 16. That is, oxygen ions move in the direction opposite to the direction in which the pouring current Is flows. Therefore,
The pump unit 26 moves oxygen ions by the flow current Ic (hereinafter, referred to as a positive oxygen pump action), so that the oxygen concentration of the exhaust gas introducing unit 29 (in other words, the oxygen concentration of the oxygen electrode 17 atmosphere of the sensor unit 25). Is maintained at a predetermined value (2 × 10 −3 % in this embodiment as described later). On the other hand, when the current air-fuel ratio is rich, the flow-in current Is
Flows in the opposite direction to the lean case as shown by the arrow I R.
Therefore, the pump unit 26 moves the oxygen ions from the anode electrode 21 toward the cathode electrode 22 (hereinafter, referred to as a reverse oxygen pumping action), so that the oxygen concentration in the exhaust gas introducing unit 29 is adjusted to the above-described value as in the lean case. Maintain a predetermined value. Then, the sensor unit 25 suddenly changes the output voltage Vs with an air-fuel ratio corresponding to the oxygen concentration of the exhaust gas introducing unit 29. In addition,
Although the heater 12 is omitted in FIG. 4, the heater 12 heats the first and second solid electrolytes 14 and 16 to an appropriate temperature so as to keep them active.

第5図は上記酸素センサ27を使用した空燃比検出装置の
回路図である。第5図において、酸素センサ27のポンプ
部26には電流供給回路30から流し込み電流Isが供給さ
れており、この流し込み電流Isの値は電流値検出回路
31により検出されている。電流値検出回路31はオペアン
プOP1、OP2、抵抗R1、R2、R3、R4、R5
およびコンデンサC1により構成されており、流し込み
電流Isの値を抵抗R1の両端間の電圧降下として検出
し電圧信号Viを出力している。この電圧信号Viは流
し込み電流Isが図中矢印I方向に供給されるとき正
の値、矢印I方向に供給されるとき負の値となる。電
流供給回路30はオペアンプOP3、トランジスタQ1、
Q2、ダイオードD1、D2および抵抗R6により構成
されており、差検出回路32の出力ΔVの値に応じて流し
込み電流Isの大きさおよびその向きを制御している。
すなわち、差検出回路32はオペアンプOP4、OP5、
抵抗R7、R8、R9、R10、R11により構成されてお
り、センサ部25の出力電圧Vsから目標電圧Vaを減算
して差値ΔV(ΔV=K(Vs−Va)、但しKは定
数)を電流供給回路30に出力している。この目標電圧V
aは、排気導入部29の酸素濃度が所定値に維持されてい
るときのセンサ部出力Vsの急変する電圧値の上限と下
限の中間値であり、電源電圧15Vを抵抗R7、R8で分
圧し、例えば0.2Vという値に設定される。そして、セ
ンサ部出力Vsは排気導入部29の酸素濃度に対応し、目
標電圧Vaは上記所定値に対応しているから、差値ΔV
は排気導入部29における現酸素濃度の所定値からのずれ
の大きさを表わしている。したがって、前記電流供給回
路30は差値ΔVが零となるように、すなわちセンサ部出
力Vsが目標電圧Vaと一致するようにトランジスタQ
1、Q2およびダイオードD1、D2によるコンプリメ
ンタリ位相反転回路により流し込み電流Isの大きさお
よび向きを制御する。上記電流供給回路30、電流値検出
回路31および差検出回路32は空燃比検出手段33を構成し
ており、本実施例ではこの空燃比検出手段33がセンサ部
25の出力電圧Vsが所定値(目標電圧Va)となるよう
にポンプ部26に流し込み電流Isを供給するとともに、
この流し込み電流Isの値を検出して空燃比を検出して
いる。
FIG. 5 is a circuit diagram of an air-fuel ratio detecting device using the oxygen sensor 27. In FIG. 5, the pumping portion 26 of the oxygen sensor 27 is supplied with the inflow current Is from the current supply circuit 30, and the value of this inflow current Is is the current value detection circuit.
Detected by 31. The current value detection circuit 31 includes operational amplifiers OP1 and OP2 and resistors R1, R2, R3, R4 and R5.
And a capacitor C1, which detects the value of the inflow current Is as a voltage drop across the resistor R1 and outputs a voltage signal Vi. The voltage signal Vi has a positive value when the flow-in current Is is supplied in the direction of the arrow I L in the drawing, and has a negative value when supplied in the direction of the arrow I R. The current supply circuit 30 includes an operational amplifier OP3, a transistor Q1,
It is composed of Q2, diodes D1 and D2, and a resistor R6, and controls the magnitude and direction of the inflow current Is according to the value of the output ΔV of the difference detection circuit 32.
That is, the difference detection circuit 32 includes operational amplifiers OP4, OP5,
It is composed of resistors R7, R8, R9, R10 and R11, and subtracts the target voltage Va from the output voltage Vs of the sensor unit 25 to obtain a difference value ΔV (ΔV = K (Vs−Va), where K is a constant). It is outputting to the current supply circuit 30. This target voltage V
a is an intermediate value between the upper limit and the lower limit of the abruptly changing voltage value of the sensor unit output Vs when the oxygen concentration of the exhaust gas introducing unit 29 is maintained at a predetermined value. The power source voltage 15V is divided by the resistors R7 and R8. , A value of 0.2 V, for example. The sensor unit output Vs corresponds to the oxygen concentration of the exhaust gas introducing unit 29, and the target voltage Va corresponds to the above-mentioned predetermined value. Therefore, the difference value ΔV
Represents the magnitude of the deviation of the current oxygen concentration in the exhaust gas introducing portion 29 from the predetermined value. Therefore, the current supply circuit 30 uses the transistor Q so that the difference value ΔV becomes zero, that is, the sensor output Vs matches the target voltage Va.
The complementary phase inversion circuit composed of 1, Q2 and the diodes D1, D2 controls the magnitude and direction of the inflow current Is. The current supply circuit 30, the current value detection circuit 31, and the difference detection circuit 32 constitute an air-fuel ratio detection means 33, and in the present embodiment, this air-fuel ratio detection means 33 is a sensor section.
While supplying the pouring current Is to the pump unit 26 so that the output voltage Vs of 25 becomes a predetermined value (target voltage Va),
The air-fuel ratio is detected by detecting the value of this pouring current Is.

次に、作用を説明する。Next, the operation will be described.

一般に、Is−A/F特性で示したように酸素センサの
切り換り空燃比は流し込み電流に対応しており、λ=1
の点で最小となるもののリッチ側に移行するに従って再
び増加する。したがって、このような特性を利用して空
燃比を検出する酸素センサでは、リッチ域からリーン域
に亘る広範囲な空燃比を正確に判断できない。
Generally, as shown by the Is-A / F characteristic, the switching air-fuel ratio of the oxygen sensor corresponds to the flow current, and λ = 1.
Although it becomes the minimum in point, it increases again as it shifts to the rich side. Therefore, the oxygen sensor that detects the air-fuel ratio using such characteristics cannot accurately determine the wide-range air-fuel ratio from the rich region to the lean region.

そこで本実施例では、酸素センサ27をセンサ部25と、ポ
ンプ部26に分割して構成し、センサ部25の出力電圧Vs
を常に理論空燃比(λ=1)で急変させるような流し込
み電流Isをポンプ部26に供給することにより、この流
し込み電流Isの値およびその向きをリッチ域からリー
ン域に亘る広範囲な空燃比に一義的に対応させて、空燃
比判断を正確なものとしている。
Therefore, in this embodiment, the oxygen sensor 27 is divided into a sensor section 25 and a pump section 26, and the output voltage Vs of the sensor section 25 is Vs.
Is supplied to the pump section 26 so that the value of the flow rate is always suddenly changed at the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1), the value and direction of the flow-in current Is can be varied over a wide range from the rich region to the lean region. The air-fuel ratio judgment is made accurate by making a unique correspondence.

すなわち、センサ部25はその酸素電極17側が排気導入部
29の排気に接し、基準電極18側が大気に接しており、排
気導入部29の酸素濃度に対応した空燃比で出力電圧Vs
を急変させる。この場合、例えばポンプ部26にI方向
の流し込み電流Isを供給すると、この流し込み電流I
sにより正の酸素ポンプ作用が行われ、排気導入部29の
酸素分子がアノード電極21側に移動し放出される。ま
た、このとき排気導入部29の間隙Lは小さく設定されて
いる(L≒0.1mm)ため、上述のように酸素分子を他へ
放出させると、該排気導入部29の酸素濃度が減少する。
一方、このとき排気導入部29には排気中から酸素分子が
流入しており、このような酸素分子の放出量と流入量が
平衡した時点で排気導入部29の酸素濃度が決定される。
That is, in the sensor section 25, the oxygen electrode 17 side is the exhaust introduction section.
29 is in contact with the exhaust gas and the reference electrode 18 side is in contact with the atmosphere.
Change suddenly. In this case, to supply the I L direction of pouring current Is for example the pump unit 26, this flow current I
A positive oxygen pumping action is performed by s, and oxygen molecules in the exhaust gas introducing portion 29 move to the anode electrode 21 side and are released. Further, at this time, the gap L of the exhaust gas introducing portion 29 is set to be small (L≈0.1 mm). Therefore, when oxygen molecules are released to the other as described above, the oxygen concentration of the exhaust gas introducing portion 29 decreases.
On the other hand, at this time, oxygen molecules are flowing from the exhaust gas into the exhaust gas introducing unit 29, and the oxygen concentration in the exhaust gas introducing unit 29 is determined at the time when the amount of release and the amount of inflowing oxygen molecules are balanced.

本実施例では、このような特性に着目し、センサ部25の
酸素電極17雰囲気を常に理論空燃比に対応した酸素濃度
に維持するように酸素分子の移動量を制御し、この移動
量に基づいて空燃比判断を行っている、なお、実際上理
論空燃比では酸素濃度が0.2%であり、排気導入部29の
酸素濃度を0.2%そのものに維持してもよいが、本実施
例のばあい、酸素電極17の主成分である白金の触媒作用
により該酸素電極17表面では理論空燃比で排気温度=10
00゜Kであるとき酸素濃度が約2×10-3%となる(前記
ネルンストの式より導かれる)。したがって、この値
(2×10-3%)をセンサ部出力Vsが常に急変する所定
酸素濃度(所定値)として決定し、これに対応する目標
電圧Vaを0.2Vに設定している。したがって、排気中
の酸素濃度が0.2〜20%であるリーン域では、排気導入
部29の酸素濃度を2×10-3%に維持するような流し込み
電流Isがポンプ部26に供給される。すなわち、現空燃
比がリーン域にあるときには、Vs<V0となり、差値
検出回路32の出力ΔV(ΔV=K(Vs−Va))がΔ
V<Oとなることから、電流供給回路30によりI方向
の流し込み電流Isがポンプ部26に供給される。これに
より、正の酸素ポンプ作用が行われて排気導入部29の酸
素分子がアノード電極21側に放出され、該排気導入部29
の酸素濃度が減少して所定値となる。このときの流し込
み電流Isの値は酸素分子の移動量に比例した大きさと
なり、排気中の酸素濃度に対応した値となる。
In this embodiment, paying attention to such characteristics, the movement amount of oxygen molecules is controlled so that the oxygen electrode 17 atmosphere of the sensor unit 25 is always maintained at the oxygen concentration corresponding to the theoretical air-fuel ratio, and based on this movement amount, The oxygen concentration is 0.2% in the theoretical air-fuel ratio, and the oxygen concentration in the exhaust gas introducing portion 29 may be maintained at 0.2% itself, but in the case of the present embodiment, , Due to the catalytic action of platinum, which is the main component of the oxygen electrode 17, on the surface of the oxygen electrode 17, the exhaust gas temperature = 10 at the theoretical air-fuel ratio.
When the temperature is 00 ° K, the oxygen concentration is about 2 × 10 -3 % (derived from the Nernst equation). Therefore, this value (2 × 10 −3 %) is determined as the predetermined oxygen concentration (predetermined value) at which the sensor unit output Vs constantly changes suddenly, and the target voltage Va corresponding to this is set to 0.2V. Therefore, in the lean region where the oxygen concentration in the exhaust gas is 0.2 to 20%, the flow-in current Is for supplying the oxygen concentration of the exhaust gas introduction portion 29 to 2 × 10 −3 % is supplied to the pump portion 26. That is, when the current air-fuel ratio is in the lean range, Vs <V0, and the output ΔV (ΔV = K (Vs−Va)) of the difference value detection circuit 32 is Δ.
Since the V <O, the pouring current Is I L direction is supplied to the pump unit 26 by the current supply circuit 30. As a result, a positive oxygen pumping action is performed and oxygen molecules in the exhaust gas introducing portion 29 are released to the anode electrode 21 side.
Oxygen concentration decreases to a predetermined value. The value of the inflow current Is at this time is proportional to the amount of movement of oxygen molecules, and is a value corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas.

一方、排気中の酸素濃度が0.1〜0.2%となるリッチ域で
は、白金の触媒作用により酸素電極17表面での酸素濃度
が略10-20%程度に低下する。これを2×10-3%に維持
してセンサ部出力Vsを理論空燃比で急変させるために
は、排気導入部29に他から酸素分子を移動(流入)させ
る必要がある。このため、リッチ域ではリーン域と逆方
向の流し込み電流Isが供給される。すなわち、現空燃
比がリッチ域にあるときには、Vs>VaとなりΔV>
0となることから、電流供給回路30によりI方向の流
し込み電流Isがポンプ部26に供給される。これによ
り、逆の酸素ポンプ作用が行われてアノード電極21側か
ら排気導入部29に酸素分子が流入して、該排気導入部29
の酸素濃度が増加して所定値となる。このときの流し込
み電流Isの値も酸素分子の移動量に比例した大きさと
なり、排気中の酸素濃度に対応した値となる。
On the other hand, in the rich region where the oxygen concentration in the exhaust gas is 0.1 to 0.2%, the oxygen concentration on the surface of the oxygen electrode 17 decreases to about 10 -20 % due to the catalytic action of platinum. In order to maintain this at 2 × 10 −3 % and cause the sensor unit output Vs to suddenly change at the stoichiometric air-fuel ratio, it is necessary to move (inflow) oxygen molecules to the exhaust introduction unit 29 from the other. Therefore, in the rich region, the pouring current Is in the opposite direction to the lean region is supplied. That is, when the current air-fuel ratio is in the rich region, Vs> Va and ΔV>
0 from becoming, the pouring current Is I R direction is supplied to the pump unit 26 by the current supply circuit 30. As a result, the reverse oxygen pumping action is performed, oxygen molecules flow from the anode electrode 21 side into the exhaust gas introducing portion 29, and the exhaust gas introducing portion 29 is discharged.
The oxygen concentration of increases to a predetermined value. The value of the inflow current Is at this time also has a magnitude proportional to the amount of movement of oxygen molecules, and has a value corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas.

このように、排気導入部29の酸素濃度を常に所定値に維
持するように流し込み電流Isが供給されている。した
がって、この流し込み電流Isの値を検出している電流
値検出回路31の出力Viは第6図にVi−A/F特性と
して示すように現空燃比に一義的に対応したものとな
る。その結果、空燃比判断を正確なものとして、リッチ
域からリーン域に亘る広範囲な空燃比を正確に検出する
ことができる。また、本装置を用いてエンジンの空燃比
制御を行えば、リッチ域をも含めた広範囲な空燃比に精
度よく制御することが可能である。
In this way, the pouring current Is is supplied so that the oxygen concentration in the exhaust gas introducing portion 29 is always maintained at a predetermined value. Therefore, the output Vi of the current value detection circuit 31 that detects the value of the flow-in current Is is uniquely corresponding to the current air-fuel ratio as shown by the Vi-A / F characteristic in FIG. As a result, it is possible to accurately determine the air-fuel ratio and accurately detect a wide range of air-fuel ratio from the rich region to the lean region. Further, if the air-fuel ratio control of the engine is performed using this device, it is possible to accurately control the air-fuel ratio in a wide range including the rich region.

第7、8図は本発明の第2実施例を示す図である。本実
施例では空燃比検出手段の構成が第1実施例と異なり、
ポンプ部26に所定の流し込み電流Isを供給するととも
にセンサ部25の出力電圧Vsを検出して空燃比を検出し
ている。
7 and 8 are views showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the structure of the air-fuel ratio detecting means is different from that of the first embodiment,
The air-fuel ratio is detected by supplying a predetermined flow current Is to the pump unit 26 and detecting the output voltage Vs of the sensor unit 25.

すなわち、第7図において、41は空燃比検出手段であ
り、空燃比検出手段41は電流供給回路42およびバッファ
アンプ43により構成されている。電流供給回路42は所定
の流し込み電流Is(向きは第1実施例と同様)をポン
プ部26に供給しており、この流し込み電流Isの値に対
応して排気導入部29の酸素濃度が決定される。したがっ
て、センサ部25の出力電圧Vsは流し込み電流Isの値
に対応した切り換り空燃比で急変することとなり、この
出力電圧Vsの急変点を検出すれば空燃比を判断するこ
とができる。そして、出力電圧Vsの急変点は第7図に
Vs−A/F特性として示すように流し込み電流Isの
値およびその向きを変化させることにより、リッチ域か
らリーン域までの広範囲な空燃比に一義的に対応したも
のとなる。その結果、リッチ域をも含めた広範囲な空燃
比を正確に検出することができる。
That is, in FIG. 7, 41 is an air-fuel ratio detecting means, and the air-fuel ratio detecting means 41 is composed of a current supply circuit 42 and a buffer amplifier 43. The current supply circuit 42 supplies a predetermined flow-in current Is (direction is the same as in the first embodiment) to the pump unit 26, and the oxygen concentration in the exhaust gas introduction unit 29 is determined in accordance with the value of the flow-in current Is. It Therefore, the output voltage Vs of the sensor unit 25 suddenly changes at the switching air-fuel ratio corresponding to the value of the inflow current Is, and the air-fuel ratio can be determined by detecting the sudden change point of the output voltage Vs. The sudden change point of the output voltage Vs is unique to a wide range of air-fuel ratios from the rich region to the lean region by changing the value of the flow current Is and the direction thereof as shown by Vs-A / F characteristics in FIG. It will correspond to each other. As a result, it is possible to accurately detect a wide range of air-fuel ratios including the rich region.

なお、本実施例ではセンサ部出力Vsの急変点を検出し
て空燃比判断を行っているため、現空燃比が切り換り空
燃比よりリッチであるかリーンであるかを判断する、い
わゆる2値判断には好都合であるが、空燃比を連続的に
判断する場合若干不便である。しかしながら、例えば1
つあるいは複数の所定空燃比に制御するとき使用される
検出装置としては、センサ部出力VsがON/OFF的
となるため制御性が良いという利点がある。
In this embodiment, since the air-fuel ratio is judged by detecting the sudden change point of the sensor output Vs, it is judged whether the current air-fuel ratio is richer or leaner than the air-fuel ratio, that is, so-called 2 Although it is convenient for the value judgment, it is a little inconvenient when judging the air-fuel ratio continuously. However, for example, 1
As a detection device used when controlling to one or a plurality of predetermined air-fuel ratios, there is an advantage that the controllability is good because the sensor unit output Vs becomes ON / OFF.

(効果) 本発明によれば、流し込み電流の値あるいはセンサ部の
急変点出力をリッチ域からリーン域までの広範囲な空燃
比に一義的に対応させることができ、空燃比判断を正確
なものとして、リッチ域からラーン域に亘る広範囲な空
燃比を正確に検出することができる。
(Effect) According to the present invention, the flow current value or the sudden change point output of the sensor unit can be uniquely associated with a wide range of air-fuel ratios from the rich region to the lean region, and the air-fuel ratio determination can be made accurate. A wide range of air-fuel ratios from the rich range to the learn range can be accurately detected.

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

第1、2図は従来の空燃比検出装置を示す図であり、第
1図はその酸素センサの断面図、第2図はそのIs−A
/F特性を示す図、第3〜6図は本発明の第1実施例を
示す図であり、第3図はその酸素センサの組立要領を示
す斜視図、第4図はその酸素センサの断面図、第5図は
その回路構成図、第6図はそのVi−A/F特性を示す
図、第7、第8図は本発明の第2実施例を示す図であ
り、第7図はその回路構成図、第8図はそのVs−A/
F特性を示す図である。 25……センサ部、 26……ポンプ部、 30……電流供給回路、 31……電流検出回路、 32……差値検出回路。
1 and 2 are views showing a conventional air-fuel ratio detecting device, FIG. 1 is a sectional view of the oxygen sensor, and FIG. 2 is its Is-A.
/ F characteristics, FIGS. 3 to 6 are views showing a first embodiment of the present invention, FIG. 3 is a perspective view showing an assembly procedure of the oxygen sensor, and FIG. 4 is a cross section of the oxygen sensor. 5 and 5 are circuit configuration diagrams thereof, FIG. 6 is a diagram showing the Vi-A / F characteristic thereof, FIGS. 7 and 8 are diagrams showing a second embodiment of the present invention, and FIG. The circuit configuration diagram, FIG. 8 shows the Vs-A /
It is a figure which shows F characteristic. 25 …… Sensor section, 26 …… Pump section, 30 …… Current supply circuit, 31 …… Current detection circuit, 32 …… Difference value detection circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】酸素イオン伝導性の固体電解質を挟んで排
気に接する酸素電極と大気に接する基準電極とを有し、
前記酸素電極雰囲気の酸素濃度に応じた電圧を発生する
とともに、該酸素濃度が所定空燃比に相当するものであ
るときに該電圧が急変するセンサ部と、該センサ部に所
定間隔を隔てて対向して配設され、流し込み電流の方向
及び大きさに応じて前記酸素電極雰囲気の酸素濃度を増
減調節するポンプ部と、からなる酸素センサと、 前記センサ部で発生した電圧と所定の目標電圧との差電
圧を検出する差検出回路と、 該差検出回路の出力に応答して前記流し込み電流の方向
及び大きさを決定し前記ポンプ部に供給する電流供給回
路と、 該流し込み電流の値を検出するとともに、該検出電流の
変化に相関する信号を、前記酸素電極雰囲気の酸素濃度
を表す信号として出力する電流検出回路と、を備えたこ
とを特徴とする空燃比検出装置。
1. An oxygen electrode, which is in contact with exhaust gas, and a reference electrode, which is in contact with the atmosphere, sandwiching an oxygen ion conductive solid electrolyte,
A sensor unit that generates a voltage according to the oxygen concentration of the oxygen electrode atmosphere and that suddenly changes the voltage when the oxygen concentration corresponds to a predetermined air-fuel ratio, and faces the sensor unit at a predetermined interval. An oxygen sensor comprising: a pump unit that adjusts the oxygen concentration of the oxygen electrode atmosphere according to the direction and magnitude of the flow current, and a voltage generated by the sensor unit and a predetermined target voltage. Difference detection circuit for detecting the difference voltage of the current detection circuit, a current supply circuit for determining the direction and magnitude of the flow-in current and supplying it to the pump unit in response to the output of the difference detection circuit, and detecting the value of the flow-in current. In addition, the air-fuel ratio detection device is provided with a current detection circuit that outputs a signal correlating to a change in the detected current as a signal representing the oxygen concentration of the oxygen electrode atmosphere.
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