JP3674292B2

JP3674292B2 - 空燃比検出装置

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Publication number: JP3674292B2
Application number: JP04223498A
Authority: JP
Inventors: 朝道溝口; 雅之高見; 秀一中野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: DE19826686B4; DE19826686A1; US6096187A; JPH1172473A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、限界電流式空燃比センサを用いた空燃比検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来技術として、例えば図１２に示す空燃比センサが開示されている（例えば、特開昭５５−６２３４９号公報）。図１２において、空燃比センサ８０は、ガソリンエンジンの排気管に配設されるものであって、排ガス雰囲気中に晒される拡散抵抗層８１と、周知の酸素イオン伝導性酸化物からなる固体電解質層８２と、固体電解質層８２の両面に固着された電極８３ａ，８３ｂと、大気室８４を形成するための隔壁８５と、隔壁８５内に埋設されたヒータ８６とから構成されている。この場合、電極８３ａは排ガス側電極に相当し、電極８３ｂは大気側電極に相当する。
【０００３】
図１３に上記空燃比センサ８０による空燃比検出の基本原理を示す。基本的には電源８７により電極８３ａ，８３ｂ間に電圧Ｖｐが印加され、その際に流れる電流値を検出することで空燃比が検出される。すなわち、空燃比がリーン時であれば、図１３（ａ）に示すように、空燃比センサ８０は排ガス中から酸素を取り込む。このとき、電極８３ａから電極８３ｂに向けて酸素イオン（Ｏ2-）が流れる。また、空燃比がリッチ時であれば、図１３（ｂ）に示すように、酸素センサ８０は排ガス中からＣＯ等の未燃ガス成分を取り込む。このとき、電極８３ｂから電極８３ａに向けて酸素イオン（Ｏ2-）が流れる。つまり、リーン時とリッチ時とで固体電解質層８２中を流れる酸素イオンの向きが逆になり、限界電流値Ｉｐはリーン時に正の電流値、リッチ時に負の電流値となる。
【０００４】
図１４に、上記構成の空燃比センサ８０のＶ−Ｉ特性（電圧−電流特性）を示す。図１４（ａ）は所定の条件下（リーン）におけるＶ−Ｉ特性である。同図に示すように、印加電圧が低い領域では固体電解質層８２の抵抗特性が検出され、Ｖ−Ｉ特性は比例関係を呈する。また、印加電圧が高い領域では、拡散抵抗層８１により酸素の移動が制限されることで電流値が一定値となる。この一定値となる電流の値が限界電流値に相当する。一般的には、抵抗特性を示す領域が「抵抗支配域」と称され、限界電流値を示す領域が「限界電流域」と称される。
【０００５】
図１４（ｂ），（ｃ）は、空燃比（Ａ／Ｆ）の変化に対応する限界電流値Ｉｐの変化を示す特性図である。図１４（ｂ）によれば、空燃比が変化すると限界電流値Ｉｐが変化し、空燃比がリーン側にシフトするほどＩｐ値が大きくなることが分かる。また、図１４（ｃ）の特性線Ｌ１に示すように、空燃比と限界電流値Ｉｐの関係は１対１の関係となっているため、限界電流値Ｉｐにより空燃比が検出できることが分かる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の空燃比検出装置では、空燃比がリッチ時において以下の問題を生じる。つまり、リッチ時には前記図１３（ｂ）に示す如く酸素を大気室８４から取り込まなければならないが、リッチの度合いが大きいと多量の酸素が必要となる。かかる場合、大気から大気室８４への酸素の供給が追いつかなくなり、大気室８４で酸素が欠乏する。大気室８４が酸欠状態になると、酸素がそれ以上流れなくなるため、限界電流値Ｉｐが正しく検出できなくなる。その結果、図１４（ｃ）中の特性線Ｌ２で示すように、リッチ時において空燃比の検出精度が悪化するという問題が生じる。上記問題が生じる理由としては、一般に大気室８４に大気を取り込むための通路が長いということや、ヒータによる素子の昇温特性を確保するために大気室８４を必要以上に大きくすることができないといった要因が挙げられる。
【０００７】
また、空燃比のリーン時においても、同様の理由により以下の問題を生じる。
すなわち、リーン時には前記図１３（ａ）に示す如く、リッチ時とは逆に酸素を排ガスから大気室８４に送り込むため、リーンの度合が大きいと多量の酸素が大気室８４に流れ込むことになる。かかる場合、大気室８４から外部への酸素の排出が追いつかなくなり、大気室８４で酸素が過剰になる。大気室８４が酸素過剰になると、固体電解質中を通り大気室８４へ移動する酸素量が制限され、限界電流値Ｉｐが正しく検出できなくなる。その結果、図１４（ｃ）中の特性線Ｌ３で示すように、リーン時においても空燃比の検出精度が悪化する。
【０００８】
一方、特公平４−７３１０１号公報では、上記した酸欠による問題に対処すべく、大気室中（同公報の基準ガス雰囲気内に相当する）に酸素を供給する給電手段を設けている。しかし、この公報では、給電手段への制御量（印加電圧）に関する記載がなく、その具体例として一定電圧を印加している。そのため、空燃比や素子温が変化して、固体電解質層へ流れる酸素量が変化したときに、大気室内の酸素量が一定に維持できなくなる。すると、限界電流値も正確に検出できなくなり、空燃比の検出精度が悪化する。
【０００９】
また、特開昭６１−１３４６５６号公報では、大気室（同公報の空隙に相当する）に通じる気密空間を設け、大気室中の酸素濃度の変動を吸収しようとしている。しかし、前述の通り大気室の大きさには限界があるために気密室から大気室への酸素の供給が不十分になることや、大気室と気密空間との酸素量の合計値を制御する手段がないことから、空燃比や素子温が大きく変化した際には、空燃比の検出精度が悪化する。また上記公報では、温度変化に応じて大気室への酸素供給量が調整できるように正の温度特性を持ったヒータ電圧の分圧値を酸素供給手段に印加しているが、該印加される値はヒータ抵抗と素子抵抗との両方の温度特性に依存する。そのため、素子抵抗の温度特性のみに依存する酸素量を一定に制御することができない。
【００１０】
よって、上記公報の従来技術（特公平４−７３１０１号公報，特開昭６１−１３４６５６号公報）では、いずれにおいても大気室の酸素濃度を適正に保つことができず、空燃比や素子温変化時に空燃比の検出精度が悪化するという問題を招く。
【００１１】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、如何なる空燃比域においても空燃比を精度良く検出することができる空燃比検出装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明において、限界電流式空燃比センサは、第１の固体電解質層とそれに接する拡散抵抗層とを有し、前記第１の固体電解質層の被測定ガス側に形成された電極と基準ガス側に形成された電極との間に電圧を印加することにより、被測定ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じた限界電流値を出力する空燃比検出部と、第２の固体電解質層とその両面に形成された一対の電極とを有し、前記空燃比検出部の基準ガス側の電極近くに酸素を供給、又は同電極近くの酸素を外部に排出するための酸素供給排出部と、隔壁によって区画形成されるとともに、その内部に空燃比検出部の基準ガス側の電極と酸素供給排出部の一方の電極とを配設した大気室とを備える。そして、電流検出手段は、前記第１の固体電解質層に流れる限界電流の値を検出する。また、制御手段は、前記検出された限界電流値を取り込み、その限界電流値に基づいて前記酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する。
【００１３】
要するに、上記限界電流式空燃比センサにおいて、空燃比がストイキ（理論空燃比）からリーン側或いはリッチ側に変化すると第１の固体電解質層内を所定方向に酸素イオンが流れ、その酸素イオンの流れが限界電流として検出される。詳細には、被測定ガスの空燃比がリーンであれば、第１の固体電解質層において被測定ガス側から基準ガス側に向けて酸素イオンが流れ、被測定ガスの空燃比がリッチであれば、逆に第１の固体電解質層において基準ガス側から被測定ガス側に向けて酸素イオンが流れる。
【００１４】
このとき、第１の固体電解質層の基準ガス側では、空燃比リッチ時に酸素が消費されるため、リッチの度合が大きいと供給すべき酸素が欠乏して出力特性が悪化するおそれが生じる（前記図１４（ｃ）のＬ２参照）。これに対し、上記構成によれば、検出した限界電流値に基づいて酸素供給排出部での酸素供給量が制御されるため、例えば空燃比リッチ時であればそのリッチの度合に応じた酸素量が基準ガス側の電極近傍に供給される。これにより、基準ガス側の電極近傍における酸素濃度の変動が抑制され、基準ガス側の電極近傍に過不足無く酸素を供給することができるようになる。つまり、酸欠による空燃比の検出精度の悪化が解消される。
【００１５】
また逆に、リーンの度合が大きいと、第１の固体電解質層の基準ガス側に大量の酸素が持ち込まれる。従って、同基準ガス側で酸素過剰となって出力特性が悪化するおそれが生じる（前記図１４（ｃ）のＬ３参照）。これに対し、上記構成によれば、検出した限界電流値に基づいて酸素供給排出部での酸素排出量が制御されるため、例えば空燃比リーン時であればそのリーンの度合に応じた酸素量が基準ガス側の電極近傍から排出される。これにより、基準ガス側の電極近傍における酸素濃度の変動が抑制され、基準ガス側の電極近傍での酸素過剰の状態が回避できる。つまり、酸素過剰による空燃比の検出精度の悪化が解消される。
【００１６】
その結果、請求項１の発明によれば、如何なる空燃比域においても空燃比が精度良く検出できる。またこのとき、基準ガスを導入するための大気室を必要以上に大きくして素子（固体電解質層）の昇温特性を損なうといった不都合を招くこともない。
【００１７】
また上記構成では、請求項２に記載したように、前記第１の固体電解質層内を移動する酸素量と、前記第２の固体電解質層内を移動する酸素量とが等くなるよう、酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御することが望ましい。この構成によれば、空燃比リッチ時において、第１の固体電解質層での酸素消費量（すなわち、基準ガス側から被測定ガス側への酸素移動量）と、第２の固体電解質層による酸素供給量が一致する。また、空燃比リーン時において、第１の固体電解質層での酸素消費量（すなわち、被測定ガス側から基準ガス側への酸素移動量）と、第２の固体電解質層による酸素排出量が一致する。従って、基準ガス側の電極近傍における酸素濃度を所定レベルに安定化させることができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、前記制御手段は、酸素が第１の固体電解質層内を被測定ガス側から基準ガス側へと移動するとき（空燃比リーンのとき）は、その酸素移動量よりも少ない酸素を第２の固体電解質層の基準ガス側から被測定ガス側へ移動させ、酸素が第１の固体電解質層内を基準ガス側から被測定ガス側へと移動するとき（空燃比リッチのとき）は、その酸素移動量よりも多い酸素を第２の固体電解質層の被測定ガス側から基準ガス側へ移動させるよう、酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する。なおここで、第１の固体電解質層内を移動する酸素の量と方向は、請求項１に記載の電流検出手段にて検出される。
【００１９】
つまり、空燃比リーン時には、第１の固体電解質層の基準ガス側（例えば大気室）に酸素が持ち込まれるが、その際、制御手段によって酸素供給排出部からの酸素の持ち出しが比較的少ない量に制限される。また、空燃比リッチ時には、第１の固体電解質層の基準ガス側から酸素が持ち出されるが、その際、制御手段によって比較的多量の酸素の供給が許容される。上記構成によれば、第１の固体電解質層の基準ガス側が酸素過剰ぎみになったとしても酸欠状態に陥ることはない。つまり、酸素過剰な状態になっても空燃比の検出自体は継続できるため、酸欠状態により空燃比の検出が不可能になるという最悪の事態が回避できる。
【００２０】
また、請求項４に記載の発明では、前記制御手段は、前記第２の固体電解質層に流れる電流の制御目標値を可変に設定して、前記酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する。この制御によれば、第１及び第２の固体電解質層を流れる酸素量を所望の値にでき、既述の通り基準ガス側の電極近傍における酸素濃度が安定して空燃比の検出精度が向上する。
【００２１】
請求項５に記載の発明では、前記第２の固体電解質層を流れる電流の値を検出する他の電流検出手段を備え、前記制御手段は、前記他の電流検出手段により検出される電流値を監視し、常にその値を目標値に維持するための制御電流監視手段を備える。この請求項５の構成によれば、第２の固体電解質層に流れる電流の値を検出してその電流値を目標値に維持することで、例えばエンジンの過渡運転時や燃料カット時に素子温（固体電解質層の温度）が急変する場合にも、酸素供給排出部による酸素の供給又は排出量を安定化させることができる。
【００２２】
一方、請求項６に記載の発明では、前記制御手段は、前記第２の固体電解質層に形成された一対の電極間の電圧の制御目標値を可変に設定して、前記酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する。この制御によれば、第１及び第２の固体電解質層を流れる酸素量を所望の値にでき、既述の通り基準ガス側の電極近傍における酸素濃度が安定して空燃比の検出精度が向上する。
【００２３】
請求項７に記載の発明では、前記制御手段は、酸素が第１の固体電解質層内を基準ガス側から被測定ガス側へと移動するときにのみ作動される。すなわち、第１の固体電解質層の基準ガス側（例えば大気室）が酸欠状態になるのは、空燃比リッチ時に限られる。そこで、空燃比がリッチとなり、酸素が第１の固体電解質層内を基準ガス側から被測定ガス側へと移動するときにのみ、酸素供給排出部による酸素の供給動作を行わせれば、酸欠時の不具合が解消できるようになる。
【００２４】
請求項８に記載の発明では、前記制御手段は、酸素が第１の固体電解質層内を被測定ガス側から基準ガス側へと移動するときにのみ作動される。すなわち、第１の固体電解質層の基準ガス側（例えば大気室）が酸素過剰になるのは、空燃比リーン時に限られる。この発明は、例えばリーンセンサのようにリッチの検出精度を必要としないセンサ等に適用される。基準ガス側の酸素過剰を完全に回避することにより、リーン検出時の酸素濃度が高精度に検出されるようになる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態における空燃比検出装置は、車載用ガソリンエンジンに供給される混合気の空燃比を検出するものであって、エンジンから排出される排ガス成分を基に、その時の空燃比に応じた限界電流を出力する限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサという）を備える。特に本実施の形態では、基準ガス室（大気室）における酸素欠乏状態、或いは酸素過剰状態を防止すべく、基準ガス室内の酸素がその時々の必要量になるよう供給又は排出する構成を採用する。
【００２６】
図１は、本実施の形態における空燃比検出装置の概要を示すブロック図である。同図を用いて本空燃比検出装置の概要を説明すれば、Ａ／Ｆセンサ１０は大別して、電圧印加部２０による電圧の印加に伴い動作するＡ／Ｆ検出部１１と、制御部３０からの制御量に応じて動作する酸素供給排出部１２とを備える。Ａ／Ｆ検出部１１による検出値、すなわち空燃比に応じた限界電流値は、電流検出部４０により検出される。電流検出部４０により検出された電流値は、Ａ／Ｆ値としてＡ／Ｆ出力部５０を介してエンジン制御用マイコン（ＥＣＵ）等に出力される。
【００２７】
また、電流検出部６０は、酸素供給排出部１２に流れる電流値を検出する。制御部３０は、電流検出部４０による限界電流の検出値と、電流検出部６０による電流の検出値とに基づき酸素供給排出部１２への制御量を決定し、その制御量により酸素供給排出部１２における酸素の供給又は排出量を制御する。本実施の形態では、酸素供給排出部１２に流れる電流の値が制御部３０による制御量に相当する。以下には、より詳細な構成を説明する。
【００２８】
図２は、Ａ／Ｆセンサ１０の構造を概略的に示す断面図であり、当該センサ１０自体は被測定ガスとしての排ガス雰囲気中に配置される構成となっている。Ａ／Ｆ検出部１１は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる拡散抵抗層１３と、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなる固体電解質層（第１の固体電解質層）１４と、固体電解質層１４に固着された上下一対の電極１５ａ，１５ｂとを有する（従来技術における図１２に同じ）。
【００２９】
また、酸素供給排出部１２は、前記固体電解質層１４と同一材料からなる固体電解質層（第２の固体電解質層）１６と、この固体電解質層１６に固着された上下一対の電極１５ｃ，１５ｄとを有する。
【００３０】
Ａ／Ｆ検出部１１及び酸素供給排出部１２の各固体電解質層１４，１６の間には、大気室１８を区画形成するための絶縁セラミック層１７が配設されている。なお絶縁セラミック層１７は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなり、その材質は前記拡散抵抗層１３と同じであるが、拡散抵抗層１３よりも材料密度が高いため酸素が通過しないようになっている。
【００３１】
上記構成のＡ／Ｆセンサ１０では、前記電極１５ｂ，１５ｃが大気室１８内に配設されることとなり、これらが大気側電極（基準ガス側の電極）に相当する。また、電極１５ａ，１５ｄが排ガス側電極（被測定ガス側の電極）に相当する。なお、これら電極１５ａ〜１５ｄは、白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、多孔質の化学メッキとして固体電解質層１４，１６の上下面に形成されている。電極１５ａ〜１５ｄの厚さは、０．５〜２．０μｍ程度となっている。
【００３２】
また、上記Ａ／Ｆセンサ１０は、当該センサ１０を活性化させるための加熱手段を要する。本実施の形態では、図３（ａ）に示すように、Ａ／Ｆ検出部１１側の固体電解質層１４にヒータ１９を埋設し、そのヒータ１９に図示しない電源電圧から給電が行われるようにしている。このヒータ１９については、既存の電力制御や素子内部抵抗（素子温）に応じたフィードバック制御が実施されるが、その制御法は本案の要旨ではないため、ここではその説明を省略する。
【００３３】
因みに、ヒータ１９は図３（ａ）の他に、図３（ｂ），（ｃ），（ｄ）のように配置されるものであってもよい。図３（ｂ）では、拡散抵抗層１３にヒータ１９が埋設され、図３（ｃ）では、２つの固体電解質層１４，１６の間の絶縁プレートＰ内にヒータ１９が埋設されている。この絶縁プレートＰには貫通孔Ｐ１が設けられ、この貫通孔Ｐ１により図の上下の大気室１８間が連通されている。また、図３（ｄ）では、固体電解質層１６の外側の隔壁Ｑにヒータ１９が配置されている。この隔壁Ｑには貫通孔Ｑ１が設けられ、この貫通孔Ｑ１により固体電解質層１６の下面が排ガス雰囲気に晒されている。但し、ヒータ１９による昇温特性を確保し、Ａ／Ｆセンサ１０の早期活性化を実現するには、Ａ／Ｆ検出部１１の固体電解質層１４の近傍にヒータ１９を配置するのが望ましく、前記の図３（ｄ）といった構成よりも図３（ａ）〜（ｃ）といった構成の方が好適であると言える。
【００３４】
図４は、本実施の形態における空燃比検出装置の回路図である。電圧印加部２０は、Ａ／Ｆセンサ１０のＡ／Ｆ検出部１１による空燃比検出時に電極１５ａ，１５ｂに所定電圧を印加するものである。詳細には、電圧印加部２０において、定電源電圧Ｖｃｃが抵抗２１，２２により分圧され、該分圧された電圧Ｖ０がオペアンプ２３の非反転入力端子に入力される。また、定電源電圧Ｖｃｃが抵抗２４，２５により分圧され、該分圧された電圧Ｖｐ１がオペアンプ２６の非反転入力端子に入力される。かかる場合、オペアンプ２３，２６を介して電圧Ｖ０，Ｖｐ１がＡ／Ｆセンサ１０の電極１５ａ，１５ｂに印加される。このとき、Ａ／Ｆ検出部１１では、その時の空燃比に応じた酸素イオンの通過により固体電解質層１４内に限界電流が流れ、それが限界電流値Ｉｐ１として電流検出部４０の電流検出抵抗４１により検出される。限界電流値Ｉｐ１は、Ａ／Ｆ出力部としてのＡ／Ｄ変換器５０を介してマイコン５１に出力されるようになっている。ここで、電流検出抵抗４１はその抵抗値が「ｒ」となっている。
【００３５】
一方、制御部３０は、如何なる空燃比でも大気室１８内の酸素量を過不足なく制御するものであり、その具体的手段としては電極１５ｃ，１５ｄ間に流れる電流を制御するための回路を備える。詳細には、制御部３０は、オペアンプ３１，３２を用いた電圧−電流変換回路として構成され、オペアンプ３１の２つの入力端子にはオペアンプ３３，３４からなるボルテージフォロア回路を介して前記電流検出抵抗４１の両端が接続されている。ここで、図中の抵抗３５，３６はその抵抗値が共に「Ｒ１」であり、抵抗３７，３８はその抵抗値が共に「Ｒ２」である。また、酸素供給排出部１２内の固体電解質層１６を流れる電流は、電流検出部６０の電流検出抵抗６１により検出される（電流検出抵抗６１の抵抗値は「ｒ’」）。
【００３６】
この場合、抵抗３５，３６の抵抗値が「Ｒ１」で一致すると共に、抵抗３７，３８の抵抗値が「Ｒ２」で一致していれば、酸素供給排出部１２側の固体電解質層１６を流れる電流値Ｉｐ２は、
Ｉｐ２＝（Ｉｐ１・ｒ）／ｒ’
といった値にて制御されることとなる。またこのとき、電流検出抵抗４１の抵抗値ｒと電流検出抵抗６１の抵抗値ｒ’とが等しければ、
Ｉｐ２＝Ｉｐ１
の関係が成立する。
【００３７】
上記の如く構成される空燃比検出装置の作用を説明する。
Ａ／Ｆセンサ１０には、Ａ／Ｆ検出部１１の一対の電極１５ａ，１５ｂ間に所定の印加電圧「Ｖｐ１−Ｖ０」が印加され、Ａ／Ｆセンサ１０はその時の空燃比に応じた限界電流値Ｉｐを出力する。この限界電流値Ｉｐは、電流検出部４０において電流検出抵抗４１の両端電圧として検出され、その検出値がＡ／Ｄ変換器５０を介してマイコン５１に出力される（Ａ／Ｆセンサ１０の詳細な動作は、前記図１３（ａ），（ｂ）にて説明した通りである）。
【００３８】
この空燃比検出時には、前記検出した限界電流値Ｉｐが制御部３０に取り込まれる。このとき、Ａ／Ｆ検出部１１側の固体電解質層１４を流れる限界電流値Ｉｐ１に等しくなるよう、酸素供給排出部１２側の固体電解質層１６を流れる電流値Ｉｐ２が制御される。これにより、２つの固体電解質層１４，１６内を通過する酸素量が等しくなり、空燃比がリーン側又はリッチ側のいずれに変化しても大気室１８の酸素分圧が一定に制御されるようになる。
【００３９】
つまり、空燃比リーン時において、Ａ／Ｆ検出部１１の固体電解質層１４により大気室１８内に排ガス中の酸素が取り込まれる際には、酸素供給排出部１２の固体電解質層１６により大気室１８内から酸素が外部に排出される。また、空燃比リッチ時において、Ａ／Ｆ検出部１１の固体電解質層１４により大気室１８内の酸素が消費される際には、酸素供給排出部１２の固体電解質層１６により排ガス中から大気室１８内に酸素が強制的に取り込まれる。これにより、大気室１８内の酸素分圧が常に一定に保持される。
【００４０】
因みに、上記制御部３０では、印加電圧Ｖｐ２と電流値Ｉｐ２とでフィードバックループを形成する上で、電流値Ｉｐ２が大きくなればＩｐ２値を一定に制御すべく印加電圧Ｖｐ２を小さくするといった、ネガティブなフィードバック系が構成されている。かかる構成によれば、固体電解質１６の内部抵抗Ｒｉの変化時には、それに伴い電流値Ｉｐ２が変化する。例えばエンジンの過渡運転時に排ガス温度が変動して固体電解質層１６の内部抵抗Ｒｉが小さくなりＩｐ２値が大きくなった場合には、電流検出抵抗６１の一端の電位（図のＡ点の電位）、すなわち印加電圧Ｖｐ２が小さくなる。従って、オペアンプ３２の出力と共にオペアンプ３１の出力が低下する。これにより、Ｉｐ２値の不用意な上昇が抑えられ、当該Ｉｐ２値が所定値に保持される。なお本実施の形態では、制御部３０のオペアンプ３１，３２が制御電流監視手段に相当する。
【００４１】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（ａ）本実施の形態では、固体電解質層１４に流れる限界電流値Ｉｐ１を検出し、この限界電流値Ｉｐ１に基づいて酸素供給排出部１２による酸素の供給又は排出量を制御するようにした。上記構成によれば、大気室１８内における酸素濃度の変動が抑制され、酸素供給排出部１２は過不足無く酸素を供給又は排出する。つまり、例えば図１４（ｃ）の特性線Ｌ２に示すような酸欠による空燃比の検出精度の悪化、或いは同図の特性線Ｌ３に示すような酸素過剰による空燃比の検出精度の悪化が解消される。その結果、如何なる空燃比域においても空燃比が精度良く検出できる。またこのとき、大気室１８を必要以上に大きくして素子（固体電解質層１４）の昇温特性を損なうといった不都合を招くこともない。
【００４２】
（ｂ）特に本実施の形態では、酸素供給排出部１２側の固体電解質層１６に流れる電流の制御目標値を可変に設定して、当該酸素供給排出部１２による酸素の供給又は排出量を制御するようにした。具体的には、固体電解質層１４に流れる限界電流値Ｉｐ１を電流の制御目標値とした。この制御によれば、固体電解質層１４，１６を流れる酸素量が常に等しくなり、既述の通り大気室１８内の酸素濃度が安定して空燃比の検出精度が向上する。
【００４３】
（ｃ）また、固体電解質層１６の電流値Ｉｐ２を検出すると共に、この電流値Ｉｐ２を監視し、常にその値を目標値に維持するようにした。この場合、例えばエンジンの過渡運転時や燃料カット時に素子温（固体電解質層１６の温度）が急変する場合にも、酸素供給排出部１２による酸素の供給又は排出量を安定化させることができる。
【００４４】
（ｄ）さらに本実施の形態では、酸素供給排出部１２をネガティブなフィードバック系にて構成した。そのため、ポジティブなフィードバック系を有する従来既存の装置（例えば、２セル式の空燃比センサ）とは異なり、電流値や電圧値が発振するといった不具合が解消できる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明における第２の実施の形態を図５及び図６を用いて説明する。但し、第２の実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００４６】
図５は、本実施の形態における空燃比検出装置の概要を示すブロック図であり、前記第１の実施の形態における図１と比較すれば、Ａ／Ｆセンサ１０の酸素供給排出部１２に流れる電流を検出するための電流検出部６０が省略されている。この場合、制御部３０は、電流検出部４０により検出された限界電流値により酸素供給排出部１２に対する制御量を決定する。本実施の形態では、酸素供給排出部１２に印加する電圧値が制御部３０による制御量に相当する。
【００４７】
図６は、本実施の形態における空燃比検出装置の回路図であり、同図では、制御部３０の構成のみが前記第１の実施の形態と相違する。つまり、制御部３０では、電流検出抵抗４１により検出される限界電流値Ｉｐ（抵抗４１両端の電圧差）をオぺアンプによる差動増幅回路３０１で定数倍する。そして、差動増幅回路３０１にて定数倍して得られた印加電圧Ｖｐ２を制御量として酸素供給排出部１２に印加する。またここで、図中の抵抗３０２，３０３の抵抗値は「Ｒ１」、抵抗３０４，３０５の抵抗値は「Ｒ２」となっている。この場合、差動増幅回路３０１は、Ａ／Ｆ検出部１１に印加される基準電圧Ｖｐ１でオフセットされている。
【００４８】
以上の回路構成により、固体電解質層１６の内部抵抗値を「Ｒｉ」とすると、酸素供給排出部１２への制御量である印加電圧Ｖｐ２は、
Ｖｐ２＝Ｉｐ２・Ｒｉ＋Ｖｐ１
となる。また、酸素供給排出部１２に流れる電流値Ｉｐ２は、Ａ／Ｆ検出部１１に流れる限界電流値Ｉｐ１に対して次の関係を有する。
【００４９】
Ｉｐ２＝（Ｉｐ１・ｒ・Ｒ２）／（Ｒｉ・Ｒ１）
かかる場合、差動増幅回路３０１の増幅率（Ｒ２／Ｒ１）が固体電解質層１６の内部抵抗値Ｒｉと電流検出部４１の抵抗値ｒとの比（Ｒｉ／ｒ）に等しくなるようにすれば、Ｉｐ１値とＩｐ２値とは等しくなる。これらが等しいと、固体電解質層１４，１６中に流れる酸素量が等しくなるので、空燃比が変化しても大気室１８の酸素分圧を一定に保持できる。
【００５０】
このとき、前記酸素供給排出部１２の印加電圧Ｖｐ２は、
Ｖｐ２＝Ｉｐ１・ｒ・（Ｒ２／Ｒ１）＋Ｖｐ１
＝Ｉｐ１・ｒ・（Ｒｉ／ｒ）＋Ｖｐ１
となる。なおここで、固体電解質層１６の内部抵抗値Ｒｉは既知の値であり、センサ活性時の値が３０Ω程度であればよい。
【００５１】
以上第２の実施の形態では、固体電解質層１６に形成された一対の電極１５ｃ，１５ｄ間の印加電圧ｐ２を制御し、酸素供給排出部１２による酸素の供給又は排出量を制御するようにした。その結果、上記第１の実施の形態と同様に、大気室１８（基準ガス側）での酸欠や酸素過剰により空燃比の検出精度が悪化するといった不具合が解消される。そして、如何なる空燃比域においても空燃比を精度良く検出することができる等の優れた効果が得られる。
【００５２】
但し、本実施の形態の構成においては、Ａ／Ｆセンサ１０の活性状態下で上述の通り（Ｒ２／Ｒ１）＝（Ｒｉ／ｒ）の関係が維持できれば空燃比の変化時にも高精度に空燃比が検出できるが、仮に素子温（固体電解質層１６の温度）が急変し、（Ｒ２／Ｒ１）≠（Ｒｉ／ｒ）となると、Ｖｐ２値を所定の値に保持することができなくなる。そこで、実際には素子温の変化に伴う固体電解質層１６の内部抵抗値Ｒｉの変化時にも、（Ｒ２／Ｒ１）＝（Ｒｉ／ｒ）の関係が維持できるよう、（Ｒ２／Ｒ１）の値を可変に制御するとよい。
【００５３】
また、第２の実施の形態では、酸素供給排出部１２の印加電圧Ｖｐ２をオープン制御する構成としたため、ポジティブなフィードバック系を有する従来既存の装置（例えば、２セル式の空燃比センサ）とは異なり、電流値や電圧値の発振現象を解消することができる。
【００５４】
なお、本発明の実施の形態としては、上記以外に次の形態にて実現できる。
制御部３０の構成を図７〜図９に示すように変更する。
図７は、前記第１の実施の形態における制御部３０（図４）の一部を変更したものであり、ここに記載しない他の部分は図４と同じ構成となっている。前記図４との相違点として電流検出部６０内には、電流検出抵抗６１に並列接続された抵抗６２とダイオード６３とが追加されている。
【００５５】
上記構成によれば、空燃比リッチの場合、図４に示す第２の固体電解質層１６を通過して大気室１８に酸素イオンが移動し、これにより抵抗６１及び６２の両方に電流が流れる。また、空燃比リーンの場合、その逆方向に酸素イオンが移動し、これにより抵抗６１にのみ電流が流れる。従って、抵抗６１，６２の抵抗値ｒ’，ｒ”と、図４の抵抗４１の抵抗値ｒとの間に、
ｒ’・ｒ”／（ｒ”＋ｒ’）＜ｒ＜ｒ’
の関係が成立すれば、第１の実施の形態におけるＩｐ１値とＩｐ２値との関係式から、図４の第１の固体電解質層１４を通過して大気室１８へ酸素イオンが移動するとき（空燃比リーン時）には、
Ｉｐ２＜Ｉｐ１
となる。また逆に、大気室１８から第１の固体電解質層１４へ酸素イオンが移動するとき（空燃比リッチ時）には、
Ｉｐ２＞Ｉｐ１
となる。
【００５６】
つまり、空燃比リーン時には、酸素供給排出部１２による酸素の持ち出しが比較的少ない量に制限され、空燃比リッチ時には、比較的多量の酸素の供給が許容される。これにより、大気室１８が酸素過剰ぎみになったとしても酸欠状態に陥ることはない。この場合、酸素過剰な状態になっても空燃比の検出自体は継続できるため、酸欠状態により空燃比の検出が不可能になるという最悪の事態が回避できる。但し、ｒ＝ｒ’として、空燃比リーン時にはＩｐ２＝Ｉｐ１となるように構成することも可能である。
【００５７】
要するに、大気室１８の酸素過剰時には限界電流値がずれるが、電流値（空燃比）の変化は十分に読み取ることができ、ＥＣＵでの空燃比制御が継続できる。これに対し、大気室１８が酸欠状態になるとそれ以上空燃比がリッチ側に変化しても限界電流が変化しないために空燃比の変化を読み取ることができない。よって、空燃比制御が不可能になり、ドライバビリティや燃費の悪化などの不都合を招くおそれがある。こうした理由から、大気室１８は酸欠状態よりも酸素過剰の状態にした方が望ましく、酸素過剰な状態にしておけば空燃比制御に及ぶ影響が最小限に抑制できる。
【００５８】
図８も図７と同様に、前記第１の実施の形態における制御部３０（図４）の一部を変更したものであり、ここに記載しない他の部分は図４と同じ構成となっている。図４との相違点としては、オペアンプ３１の出力に対して逆方向のダイオード６５が追加されており、第２の固体電解質層１６を流れる電流の向きは一方向に特定される。
【００５９】
上記図８の構成によれば、酸素が大気室１８から第１の固体電解質層１４の外側に持ち出される場合、すなわち空燃比がリッチの場合のみ、酸素供給排出部１２によって大気室１８に酸素が供給される。つまり、大気室１８が酸欠状態になるのは空燃比リッチ時に限られ、かかる場合にのみ酸素供給動作を行わせることで、空燃比制御への悪影響が抑制できる。
【００６０】
なお図８の場合、電流検出抵抗６１の抵抗値ｒ’を図４の電流検出抵抗４１の抵抗値ｒと等しくすれば（ｒ’＝ｒとする）、２つの固体電解質層１４，１６を流れる酸素量が等しくなり、大気室１８の酸素濃度が一定に保たれる。また、ｒ’＜ｒとすれば、前記図７の構成と同様に、大気室１８の酸素濃度が常に過剰レベルに維持できる。
【００６１】
一方、図９は、前記図８の構成の一部を変更したものである。図８との相違点としては、オペアンプ３１の出力に対して順方向にダイオード６６が設けられている。すなわち、ダイオード６６は、前記図８のダイオード６５とは逆向きに設けられている。
【００６２】
上記図９の構成によれば、酸素が第１の固体電解質層１４の外側から大気室１８内に持ち込まれる場合、すなわち空燃比がリーンの場合のみ、酸素供給排出部１２によって大気室１８から酸素が排出される。つまり、大気室１８が酸素過剰になるのは空燃比リーン時に限られ、かかる場合にのみ酸素排出動作を行わせる。例えばリーンセンサのようにリッチの検出精度を必要としないセンサへの適用に際し、大気室１８の酸素過剰を完全に回避することにより、リーン検出時の空燃比（酸素濃度）が高精度に検出できる。
【００６３】
Ａ／Ｆセンサ１０の構成の一部を変更した他の実施の形態について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０のＡ／Ｆセンサ１０では、前記図２に示すＡ／Ｆ検出部１１側の固体電解質層１４と酸素供給排出部１２側の固体電解質層１６とを一つにまとめ、それを共通の固体電解質層７１としている。また、このＡ／Ｆセンサ１０には、固体電解質層７１の下方にそれと略同じ大きさを有する絶縁プレート７２が設けられ、固体電解質層７１と絶縁プレート７２との間には隔壁７３にて区画された大気室１８が形成されている。
【００６４】
図１１のＡ／Ｆセンサ１０では、Ａ／Ｆ検出部１１と酸素供給排出部１２との間の大気室１８を無くすと共に、Ａ／Ｆ検出部１１及び酸素供給排出部１２の大気側の電極１５ｂ，１５ｃを共通にし、それを電極１５ｅ（基準ガス側の電極）としている。
【００６５】
上記図１０及び図１１のいずれの構成においても、上述した図２のＡ／Ｆセンサ１０と同様の作用が得られる。つまり、図１０又は図１１のＡ／Ｆセンサ１０を用いた空燃比検出装置によれば、上記各実施の形態と同様に、基準ガス側での酸欠や酸素過剰により空燃比の検出精度が悪化するといった不具合が解消される。そして、如何なる空燃比域においても空燃比を精度良く検出することができる等の優れた効果が得られる。また特に、図１１の構成によれば、大気室が不要となるため、センサの小型化を図ることができる。
【００６６】
また上記各実施の形態では、酸素供給排出部１２への酸素量を制御するための制御部３０をアナログ回路により具体化したが、マイクロコンピュータ等によるソフトウェアにて具体化してもよい。かかる場合、マイクロコンピュータは、Ａ／Ｆ検出部１１での限界電流値Ｉｐを取り込み、このＩｐ値に応じて酸素供給排出部１２による酸素の供給又は排出量を制御する。
【００６７】
また、上記各実施の形態では、Ａ／Ｆ検出部１１への印加電圧（例えば、図４のＶ０，Ｖｐ１）を一定電圧としたが、この印加電圧を可変に制御するようにしてもよい。例えば空燃比変化や素子温変化により変化する限界電流域に追従するように印加電圧を制御する場合や、固体電解質層１４の内部抵抗を検出するため印加電圧を交流的に変化させる場合などには、印加電圧を可変に制御する構成としてもよい。かかる構成においても上記各実施の形態と同様に、本発明の目的が達せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における空燃比検出装置の概要を示すブロック図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの構成を示す断面図。
【図３】Ａ／Ｆセンサに付設されるヒータの位置を説明するための断面図。
【図４】空燃比検出装置の構成を示す回路図。
【図５】第２の実施の形態において、空燃比検出装置の概要を示すブロック図。
【図６】第２の実施の形態において、空燃比検出装置の構成を示す回路図。
【図７】他の実施の形態において、空燃比検出装置の制御部の構成を示す回路図。
【図８】他の実施の形態において、空燃比検出装置の制御部の構成を示す回路図。
【図９】他の実施の形態において、空燃比検出装置の制御部の構成を示す回路図。
【図１０】他の実施の形態において、Ａ／Ｆセンサの構成を示す断面図。
【図１１】他の実施の形態において、Ａ／Ｆセンサの構成を示す断面図。
【図１２】従来技術における空燃比センサの構成を示す断面図。
【図１３】空燃比センサの動作原理を説明するための図。
【図１４】空燃比センサの出力特性を説明するための図。
【符号の説明】
１０…Ａ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）、１１…Ａ／Ｆ検出部（空燃比検出部）、１２…酸素供給排出部、１３…拡散抵抗層、１４…固体電解質層（第１の固体電解質層）、１５ａ〜１５ｄ…電極、１６…固体電解質層（第２の固体電解質層）、３０…制御手段を構成する制御部、３１，３２…制御電流監視手段を構成するオペアンプ、４０…電流検出手段を構成する電流検出部、４１…電流検出抵抗、６０…他の電流検出手段を構成する電流検出部、６１…電流検出抵抗。

Claims

第１の固体電解質層とそれに接する拡散抵抗層とを有し、前記第１の固体電解質層の被測定ガス側に形成された電極と基準ガス側に形成された電極との間に電圧を印加することにより、被測定ガス中の酸素濃度に応じた限界電流値を出力する空燃比検出部と、
第２の固体電解質層とその両面に形成された一対の電極とを有し、前記空燃比検出部の基準ガス側の電極近くに酸素を供給、又は同電極近くの酸素を外部に排出するための酸素供給排出部と
隔壁によって区画形成されるとともに、その内部に前記空燃比検出部の基準ガス側の電極と前記酸素供給排出部の一方の電極とを配設した大気室とを備えた限界電流式空燃比センサを用い、
前記第１の固体電解質層に流れる限界電流の値を検出する電流検出手段と、
前記検出された限界電流値を取り込み、その限界電流値に基づいて前記酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする空燃比検出装置。
前記制御手段は、前記第１の固体電解質層内を移動する酸素量と、前記第２の固体電解質層内を移動する酸素量とが等くなるよう、前記酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する請求項１に記載の空燃比検出装置。
前記制御手段は、酸素が前記第１の固体電解質層内を被測定ガス側から基準ガス側へと移動するときは、その酸素移動量よりも少ない酸素を前記第２の固体電解質層の基準ガス側から被測定ガス側へ移動させ、酸素が前記第１の固体電解質層内を基準ガス側から被測定ガス側へと移動するときは、その酸素移動量よりも多い酸素を前記第２の固体電解質層の被測定ガス側から基準ガス側へ移動させるよう、前記酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する請求項１に記載の空燃比検出装置。
前記制御手段は、前記第２の固体電解質層に流れる電流の制御目標値を可変に設定して、前記酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の空燃比検出装置。
前記第２の固体電解質層を流れる電流の値を検出する他の電流検出手段を備え、
前記制御手段は、前記他の電流検出手段により検出される電流値を監視し、常にその値を目標値に維持するための制御電流監視手段を備える請求項４に記載の空燃比検出装置。
前記制御手段は、前記第２の固体電解質層に形成された一対の電極間の電圧の制御目標値を可変に設定して、前記酸素供給排出部の酸素の供給又は排出量を制御する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の空燃比検出装置。
前記制御手段は、酸素が前記第１の固体電解質層内を基準ガス側から被測定ガス側へと移動するときにのみ作動されるものである請求項１〜請求項６のいずれかに記載の空燃比検出装置。
前記制御手段は、酸素が前記第１の固体電解質層内を被測定ガス側から基準ガス側へと移動するときにのみ作動されるものである請求項１〜請求項６のいずれかに記載の空燃比検出装置。