JP3048256B2 - 空燃比検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関等の各種燃焼
機器において、排気中の酸素濃度に対応した信号を発生
する酸素センサを用いて空燃比を検出する空燃比検出方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より内燃機関等の空燃比を検出する
方法として、通電される電気量に対応した量の酸素を測
定ガス室に給排する酸素ポンプ素子と、測定ガス室の酸
素濃度と基準となる酸素濃度（例えば大気中の酸素濃
度）との比に対応した電圧を発生する酸素濃淡電池素子
と、を備えた空燃比センサを用いる方法が知られてい
る。この方法は酸素濃淡電池素子の発生電圧が所定値と
なるように酸素ポンプ素子への通電電流を調節し、調節
後の電流値に基づいて空燃比を検出するものである。

【０００３】例えばガソリンエンジンの排気管内に設置
されるジルコニアを主体とした固体電解質を用いた酸素
濃淡電池素子には、エンジンが理論空燃比で駆動されて
いるとき所定値の電圧を発生するものがある。この種の
酸素濃淡電池素子を備えた空燃比センサでは、酸素濃淡
電池素子の発生電圧がその所定値となるように酸素ポン
プ素子への通電電流を調節し、このときの通電電流が測
定ガス室へ酸素を供給する負方向であるか、測定ガス室
から酸素を排出する正方向であるかによって空燃比がリ
ッチであるかリーンであるかを、その通電電流の大きさ
によってリッチ若しくはリーンである度合を知ることが
できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところがこのように酸
素ポンプ素子に通電する電流の電流値に基づいて空燃比
を検出する場合、電流値として得られた値に複雑な変換
を施して空燃比を算出する必要があり、装置の構成が複
雑になると共に検出精度の向上に限界があった。

【０００５】そこで酸素ポンプ素子への通電電流を、負
方向と正方向との、予め設定された二種類の電流値が交
番する矩形電流とし、酸素濃淡電池素子の発生電圧が所
定値となるようにその矩形電流のデューティ比を調節
し、そのデューティ比に基づいて空燃比を検出する方法
が考えられる。この場合、矩形電流のデューティ比から
空燃比を算出する処理はワンチップマイクロコンピュー
タを用いてソフトウェアで行うことができ、検出装置の
構成を簡単にすると共に検出精度を向上させることがで
きる。

【０００６】図４は、理論空燃比で駆動されているガソ
リンエンジンの排気管に空燃比センサを設置し、＋２０
０μＡおよび−２００μＡの電流値が、周波数１Ｈｚ，
デューティ比０．５で交番する矩形電流を、酸素ポンプ
素子に通電した場合の、矩形電流の波形および酸素濃淡
電池素子の発生電圧をそれぞれ表している。尚、図にお
いて矩形電流の電流値は正方向を＋として描いている。
また酸素濃淡電池素子はガソリンエンジンが理論空燃比
で駆動されているとき、その排気管内の酸素濃度に対し
て４５０ｍＶの電圧を発生するものである。

【０００７】図に示すように矩形電流が−２００μＡと
なり酸素が測定ガス室へ供給されると、測定ガス室内の
酸素濃度が上昇して基準酸素濃度との差が少なくなるた
め、酸素濃淡電池素子の発生電圧が低下する。続いて矩
形電流が＋２００μＡとなり酸素が測定ガス室から排出
されると、測定ガス室内の酸素濃度が低下して基準酸素
濃度との差が拡大するため、酸素濃淡電池素子の発生電
圧が上昇する。そして再び矩形電流が−２００μＡとな
って酸素濃淡電池素子の発生電圧が低下するといった挙
動が周期的に繰り返され、酸素濃淡電池素子の発生電圧
は理論空燃比近傍における起電力を発生し、数百ｍＶの
幅で振動するようになる。

【０００８】ところがこの場合、以下に述べる理由によ
り酸素濃淡電池素子の発生電圧の変化は下降するときよ
りも上昇するときの方が急峻となる。即ち、炭化水素，
水素，ＣＯ等の未燃ガスは分子量が小さくガス拡散制限
部を介して測定ガス室内に侵入し易い。このため負方向
の電流によって測定ガス室内に供給された酸素は、一部
がこれら未燃ガスとの酸化反応によって消費されるの
で、酸素濃淡電池による発生電圧の降下が鈍化するので
ある。

【０００９】一方デューティ比に基づいて空燃比を検出
する場合、検出結果は矩形電流の一周期毎にしか得られ
ないので、検出の応答性を向上させるためには周波数を
高くする必要がある。ところが、このように酸素濃淡電
池素子の電圧波形が非対称である場合、周波数を所定値
以上に高くすると酸素濃淡電池素子の発生電圧は電圧が
高い方向へ大きくずれてしまうことがあった。

【００１０】図５に、矩形電流の周波数を４０Ｈｚとし
た点を除いてはすべて図４と同様の条件で測定した矩形
電流の波形および酸素濃淡電池素子の発生電圧を例示す
る。この場合、酸素濃淡電池素子の発生電圧は６００ｍ
Ｖ近傍を小刻みに振動する。これは矩形電流の周波数が
あまり高いと正方向の電流によって測定ガス室から排出
されるだけの酸素量を負方向電流によって供給しきれ
ず、測定ガス室内の酸素濃度が排気管内の酸素濃度より
も低くなってしまうためと考えられ、この結果ガソリン
エンジンの空燃比があたかもリッチであるかのような検
出結果が得られるのである。このため、酸素ポンプ素子
の通電電流のデューティ比に基づいて空燃比を検出する
方法では検出の応答性を向上させることが困難であっ
た。

【００１１】そこで本発明は、酸素ポンプ素子および酸
素濃淡電池素子を備えた空燃比センサを用いて空燃比を
検出する方法において、検出精度および応答性を共に向
上させることを目的としてなされた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達するために
なされた本発明は、ガス拡散制限部を介して測定ガス雰
囲気と連通する測定ガス室と、通電される電気量に対応
した量の酸素を該測定ガス室に給排する酸素ポンプ素子
と、該測定ガス室の酸素濃度と基準となる酸素濃度との
比に対応した電圧を発生する酸素濃淡電池素子と、を備
えた空燃比センサを用いて空燃比を検出する空燃比検出
方法において、上記測定ガス室から酸素を排出する正方
向の電流値と、該電流値より大きな絶対値を有しかつ上
記測定ガス室へ酸素を供給する負方向の電流値との、二
種類の電流値が交番する矩形電流を上記酸素ポンプ素子
に通電し、上記酸素濃淡電池素子の発生電圧が所定値と
なるように該矩形電流のデューティ比を調節し、上記矩
形電流の調節後のデューティ比に基づいて空燃比を検出
することを特徴とする空燃比検出方法、を要旨としてい
る。

【００１３】

【作用】このように構成された本発明の空燃比検出方法
では、酸素濃淡電池素子の発生電圧が所定値となるよう
に酸素ポンプ素子に供給する矩形電流のデューティ比を
調節し、そのデューティ比に基づいて空燃比を検出して
いる。矩形電流のデューティ比から空燃比を算出する処
理はワンチップマイクロコンピュータを用いてソフトウ
ェアで行うことができるので、検出装置の構成を簡単に
すると共に検出精度を向上させることができる。

【００１４】また矩形電流を構成する負方向の電流値の
方が、正方向の電流値より絶対値において大きいので、
酸素濃淡電池素子の発生電圧は上昇するときと低下する
ときとの変化速度を略同じすることができる。このため
矩形電流の周波数を高くしたときに酸素濃淡電池素子の
発生電圧が高くなるのを防止することができる。

【００１５】

【実施例】以下本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１は本発明が適用される実施例の空燃比検出装置を表
す概略構成図である。先ず空燃比センサ１は、固体電解
質基板３ａの両側に多孔質電極３ｂ，３ｃを形成した酸
素ポンプ素子３と、同じく固体電解質基板５ａの両側に
多孔質電極５ｂ，５ｃを形成した酸素濃淡電池素子５
と、これらの両素子３，５の間に積層されて測定ガス室
７を形成するスペーサ９とを備えている。そして、この
空燃比センサ１は図示せぬ内燃機関の排気系に取り付け
られる。

【００１６】ここで、固体電解質基板３ａ，５ａはイッ
トリア−ジルコニア固溶体から形成され、多孔質電極３
ｂ，３ｃ，５ｂ，５ｃは、共素地としてのイットリア−
ジルコニア固溶体と残部白金から形成されている。尚、
上記固体電解質基板３ａ，５ａの材料としては、イット
リア−ジルコニア固溶体の他に、カルシア−ジルコニア
固溶体が知られており、更に、二酸化セリウム、二酸化
トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体、ペロブスカイ
ト型固溶体、３価金属酸化物固溶体等が使用できる。

【００１７】また、酸素濃淡電池素子５の外側の多孔質
電極５ｃを覆って、固体電解質からなる遮蔽体１１が貼
り付けられている。一方スペーサ９の素材としては、ア
ルミナ、スピネル、フォルステライト、ステアタイト、
ジルコニア等が用いられる。また、測定ガス室７の内側
には、上記多孔質電極３ｃ，５ｂが露出しており、更
に、スペーサ９の先端には、測定ガス室７と排気管内の
測定ガス雰囲気とを連通させるガス拡散孔１３が設けら
れている。このガス拡散孔１３には、アルミナからなる
多孔質の充填材１５が詰められており、それによって、
測定ガスの測定ガス室７への流入等を律速するガス拡散
制限部１７が形成される。

【００１８】次に酸素ポンプ素子３の多孔質電極３ｂ，
３ｃの間には、リレー１９の接点Ｒ１を介して直流電源
２１が接続されると共に、それと並列にリレー１９の接
点Ｒ２を介して直流電源２３が接続されている。尚、接
点Ｒ１は通常閉じておりリレー１９のソレノイドコイル
Ｌが励磁されると開く所謂ｂ接点であり、一方接点Ｒ２
は通常開いておりソレノイドコイルＬが励磁されると閉
じる所謂ａ接点である。またソレノイドコイルＬには駆
動回路等を備えた電子制御回路ＥＣＵからの信号が入力
され、これによってリレー１９が駆動される。

【００１９】尚、直流電源２３は多孔質電極３ｂから多
孔質電極３ｃに向かって２００μＡの電流を供給し、直
流電源２１は多孔質電極３ｃから多孔質電極３ｂに向か
って３００μＡの電流を供給するものである。一方多孔
質電極５ｂ，５ｃの間には、多孔質電極５ｃから多孔質
電極５ｂに向かって常時２７．５μＡの電流を供給する
直流電源２５が接続され、更に多孔質電極５ｂ，５ｃ間
に発生する電圧は電子制御回路ＥＣＵに入力されてい
る。

【００２０】次にこのように構成された空燃比検出装置
の動作を説明する。先ず直流電源２５が多孔質電極５ｃ
から多孔質電極５ｂに向かって常時２７．５μＡの電流
を供給すると、測定ガス室７内の酸素ガスが多孔質電極
５ｂ表面でイオン化した後固体電解質基板５ａを介して
多孔質電極５ｃ表面へ移動し、そこで再び酸素ガスとな
る。多孔質電極５ｃは遮蔽体１１によって被覆され所定
の漏出抵抗を有するので、多孔質電極５ｃ表面は基準と
なる酸素濃度、例えば大気と同程度、若しくはそれ以上
の酸素濃度に保持される。尚酸素濃淡電池素子に定常電
流を通電して、基準となる酸素濃度を得る方法は、特開
昭６１−２９６２６２号に詳しいのでここでは詳述しな
い。

【００２１】次に電子制御回路ＥＣＵは設定された周波
数でソレノイドコイルＬに矩形パルス状の電流を通電す
る。ソレノイドコイルＬにパルス状の電流が通電される
と接点Ｒ２が閉じ、直流電源２３によって多孔質電極３
ｂから多孔質電極３ｃに向かって２００μＡの電流が供
給される。すると測定ガス室７内の酸素ガスは多孔質電
極３ｃ表面でイオン化した後固体電解質基板３ａを介し
て多孔質電極３ｂ表面へ移動し、再び酸素ガスとして測
定ガス雰囲気に排出される。

【００２２】一方ソレノイドコイルＬに通電されていた
パルス状の電流が立ち下がると、接点Ｒ１が閉じ、直流
電源２１によって多孔質電極３ｃから多孔質電極３ｂに
向かって３００μＡの電流が供給される。すると測定ガ
ス雰囲気の酸素ガスは多孔質電極３ｂ表面でイオン化し
た後固体電解質基板３ａを介して測定ガス室７内へ供給
される。即ち酸素ポンプ素子３は、正方向の２００μＡ
と負方向の３００μＡとの二種類の電流値が、ソレノイ
ドコイルＬに通電される矩形パルスと同一のデューティ
比で交番する矩形電流を通電される。

【００２３】このように酸素ガスが給排されて測定ガス
室７内の酸素濃度が変化すると、それに伴って多孔質電
極５ｂ表面の酸素濃度も変化する。一方酸素濃淡電池素
子５は多孔質電極５ｂ表面と多孔質電極５ｃ表面との酸
素濃度比に対応した電圧を発生し、これによって両電極
５ｂ，５ｃ間の電位差が変化する。電子制御回路ＥＣＵ
は多孔質電極５ｂ，５ｃ間の発生電圧を入力され、この
電圧が所定の値となるようにソレノイドコイルＬに通電
するパルス状電流のデューティ比を調整する。更に電子
制御回路ＥＣＵはそのパルス状電流の調整後のデューテ
ィ比に基づいて内燃機関の空燃比を検出し、検出結果を
図示しない空燃比制御系へ出力する。

【００２４】図２は理論空燃比で駆動されているガソリ
ンエンジンの排気管に空燃比センサ１を設置し、酸素ポ
ンプ素子３に通電される矩形電流を、周波数が１Ｈｚ，
デューティ比０．５としたときの、酸素ポンプ素子３に
供給される矩形電流の波形及び酸素濃淡電池素子５の発
生電圧を表している。尚、図において矩形波電流の電流
値は正方向を＋として描いている。また酸素濃淡電池素
子５はガソリンエンジンが理論空燃比で駆動されている
とき、その排気管内の酸素濃度に対して４５０ｍＶの電
圧を発生するものである。

【００２５】図に示すように矩形電流が−３００μＡと
なり酸素が測定ガス室７へ供給されると、測定ガス室７
内の酸素濃度が上昇して多孔質電極５ｂ表面と多孔質電
極５ｃ表面との酸素濃度の差が少なくなるため、酸素濃
淡電池素子５の発生電圧が低下する。続いて矩形電流が
＋２００μＡとなり酸素が測定ガス室７から排出される
と、測定ガス室７内の酸素濃度が低下して、多孔質電極
５ｂ表面と多孔質電極５ｃ表面との酸素濃度の差が拡大
するため、酸素濃淡電池素子５の発生電圧が上昇する。
そして再び矩形電流が−３００μＡとなって酸素濃淡電
池素子５の発生電圧が低下するといった挙動が周期的に
繰り返され、酸素濃淡電池素子５の発生電圧は４５０ｍ
Ｖを中心に振動するようになる。

【００２６】これは、矩形電流のデューティ比を０．５
とすれば測定ガス室７の酸素濃度の平均値と排気管内の
酸素濃度とが等しくなるためである。また、本実施例で
は正方向電流の絶対値を負方向電流の絶対値の１．５倍
にしているので、酸素濃淡電池素子５の発生電圧は、上
昇するときと低下するときとの変化速度が略同じとなり
略左右対称の曲線を呈する。

【００２７】このため矩形電流の周波数を高くしても、
デューティ比が０．５であれば測定ガス室７内の酸素濃
度の平均値と排気管内の酸素濃度とを一致させることが
できる。図３に、矩形電流の周波数を４０Ｈｚとした点
を除いてはすべて図２と同様の条件で測定した矩形電流
の波形および酸素濃淡電池素子５の発生電圧を示す。こ
の場合、酸素濃淡電池素子５の発生電圧の変化は小刻み
になるが、相変わらず４５０ｍＶを中心に振動する。即
ち測定ガス室７の酸素濃度の平均値と排気管内の酸素濃
度とが一致していることが判る。

【００２８】このように、本実施例では酸素ポンプ素子
３に通電する矩形電流の周波数を高くしても、理論空燃
比で駆動しているガソリンエンジンに対して、矩形電流
のデューティ比０．５と酸素濃淡電池素子５の発生電圧
４５０ｍＶとを対応させることができる。

【００２９】このため、例えば酸素濃淡電池素子５の発
生電圧を４５０ｍＶとするために酸素ポンプ素子３に通
電する矩形電流のデューティ比を０．５より小さくしな
ければならない場合、即ち測定ガス室７に酸素を供給す
る負方向の電流を正方向の電流より長く通電しなければ
ならない場合は、ガソリンエンジンの空燃比がリッチで
あり、逆に、酸素濃淡電池素子５の発生電圧を４５０ｍ
Ｖとするために酸素ポンプ素子３に通電する矩形電流の
デューティ比を０．５より大きくしなければならない場
合、即ち測定ガス室７から酸素を排出する正方向の電流
を負方向の電流より長く通電しなければならない場合
は、ガソリンエンジンの空燃比がリーンであると判断す
ることができる。また、このような空燃比の検出は矩形
電流の周波数が高くても同様に行なうことができる。

【００３０】また更に、矩形電流のデューティ比から空
燃比を算出する処理はワンチップマイクロコンピュータ
を用いてソフトウェアで行うことができ、検出装置の構
成を簡単にすると共に検出精度を向上させることができ
る。このように本実施例の空燃比検出装置では、内燃機
関の空燃比を酸素ポンプ素子３に通電する矩形電流のデ
ューティ比に基づいて検出することにより、検出装置の
構成を簡単にすると共に検出精度を向上させることがで
き、更にその矩形電流の周波数を高くすることにより応
答性を向上させることができる。

【００３１】尚、本実施例では酸素ポンプ素子３に通電
する矩形電流を＋２００μＡと−３００μＡとの二種類
の電流値で構成しているが、この電流値は空燃比センサ
の特性や検出しようとする空燃比に応じて適切な値に設
定することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の空燃比検出
方法では、酸素ポンプ素子に通電する矩形電流のデュー
ティ比に基づいて空燃比を検出しているので、検出装置
の構成を簡単にすると共に検出精度を向上させることが
できる。

【００３３】また、酸素ポンプ素子に通電する矩形電流
の周波数を高くしても酸素濃淡電池素子の発生電圧が高
くならないので、矩形波の周波数を高くして検出の応答
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の空燃比検出装置を表す概略構成図であ
る。

【図２】実施例の酸素ポンプ素子に供給される低周波数
の矩形電流の波形および酸素濃淡電池素子の発生電圧を
表す説明図である。

【図３】実施例の酸素ポンプ素子に供給される高周波数
の矩形電流の波形および酸素濃淡電池素子の発生電圧を
表す説明図である。

【図４】従来例の酸素ポンプ素子に供給される低周波数
の矩形電流の波形および酸素濃淡電池素子の発生電圧を
表す説明図である。

【図５】従来例の酸素ポンプ素子に供給される高周波数
の矩形電流の波形および酸素濃淡電池素子の発生電圧を
表す説明図である。

【符号の説明】

１…空燃比センサ ３…酸素ポンプ素子 ５…
酸素濃淡電池素子 ７…測定ガス室 １７…ガス拡散制限部 １９
…リレー ２１，２３，２５…直流電源

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス拡散制限部を介して測定ガス雰囲気
   と連通する測定ガス室と、通電される電気量に対応した
   量の酸素を該測定ガス室に給排する酸素ポンプ素子と、
   該測定ガス室の酸素濃度と基準となる酸素濃度との比に
   対応した電圧を発生する酸素濃淡電池素子と、を備えた
   空燃比センサを用いて空燃比を検出する空燃比検出方法
   において、上記測定ガス室から酸素を排出する正方向の
   電流値と、該電流値より大きな絶対値を有しかつ上記測
   定ガス室へ酸素を供給する負方向の電流値との、二種類
   の電流値が交番する矩形電流を上記酸素ポンプ素子に通
   電し、上記酸素濃淡電池素子の発生電圧が所定値となる
   ように該矩形電流のデューティ比を調節し、上記矩形電
   流の調節後のデューティ比に基づいて空燃比を検出する
   ことを特徴とする空燃比検出方法。