JP4989540B2

JP4989540B2 - 空燃比検出装置

Info

Publication number: JP4989540B2
Application number: JP2008090184A
Authority: JP
Inventors: 卓岡本; 隆之鈴木
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009244051A

Description

本発明は、空燃比検出装置に係り、特に、酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の雰囲気の空燃比を検出することができる空燃比検出装置に関するものである。

内燃機関においては、燃焼室で空気と燃料との混合気が燃焼される。この燃焼室内での燃焼を完全燃焼とするため、一般に燃焼後の排気ガスが排出される排気通路に空燃比を検出する空燃比検出装置が設けられている。そして、空燃比検出装置が検出した空燃比が燃料の完全燃焼に必要な最小の空気量のときの空燃比である理想空燃比と一致するように混合気中の燃料量が制御されている。

上述したような空燃比検出装置として、従来より限界電流式酸素センサを用いたものが知られている（例えば特許文献１、２）。ところで、自動車エンジンの混合気は、運転状態により定速時の燃費対策上良好な酸化混合気と、加速高速時の出力良好な還元混合気とに広範囲に変動する。このような混合気状態を作り出すためには、酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の雰囲気の空燃比を検出する必要がある。しかしながら、上述した従来の限界電流式酸素センサでは酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の空燃比を検出することができなかった。

そこで、酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の空燃比を検出できる空燃比センサとして、図１に示されたものが提案されている（特許文献３）。同図に示すように、空燃比センサ１は、ポンピングセル２と、センシングセル３と、ガス律速体４と、から構成されている。ポンピングセル２は、ポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間に定電流を流すと一定濃度の酸素ガスがガス律速体４を介してセンシングセル３に供給される。測定用電極３２ａ、３２ｂ間に定電圧を供給するとガス律速体４により律速された排ガス（検出対象ガス）とポンピングセル２からの一定濃度の酸素ガスとの混合ガス中の酸素濃度に応じた電流が測定用電極３２ａ、３２ｂ間に流れる。

この測定用電極３２ａ、３２ｂ間に流れる電流は、排ガスが還元雰囲気であるときは排ガス中の未燃ガス濃度に対応した値となり、排ガスが酸化雰囲気であるときは排ガス中の酸素濃度に対応した値となる。しかしながら、上述した空燃比センサ１では、経年劣化によって測定用電極３２ａ、３２ｂに流れる電流が変動するため、測定用電極３２ａ、３２ｂに流れる電流に基づいて排ガスが酸化雰囲気であるか、還元雰囲気であるかを判別することが非常に困難である。このため、従来では、酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別するセンサを空燃比センサ１とは別に設ける必要があり、コスト的に問題があった。
特開平９−１５９６４８号公報特開平１０−２８７３号公報特開２００７−１０１２０１号公報

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、検出対象ガスが酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別できる空燃比検出装置を安価に提供することを課題とする。

本発明者らは、空燃比検出装置単体で検出対象ガスが酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別できる方法を鋭意探求したところ、検出対象ガスが還元雰囲気のときのポンピングセルの還元限界電流と、検出対象ガスが酸化雰囲気のときのポンピングセルの酸化限界電流と、は大きな差があることが分かった。よって、還元限界電流〜酸化限界電流の範囲内の定電流をセンシングセルに供給すると、定電流源によりポンプ用電極間に印加される電圧が酸化雰囲気と還元雰囲気とで大きく異なる、ことを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、請求項１記載の発明は、酸素イオン伝導性を有するポンプ用固体電解質、及び、前記ポンプ用固体電解質の両面に設けられた一対のポンプ用電極、から構成されるポンピングセルと、酸素イオン伝導性を有する測定用固体電解質、及び、前記測定用固体電解質の両面に設けられた一対の測定用電極、から構成されるセンシングセルと、前記ポンピングセル及び前記センシングセル間に設けられた測定対象ガスを拡散律速させるガス律速体と、前記ポンプ用電極間に定電流を供給する定電流源と、前記測定用電極間に定電圧を供給する定電圧源と、前記測定用電極間に流れる電流を検出する電流検出手段と、が設けられた空燃比検出装置において、前記検出対象ガスが還元雰囲気のときの前記ポンピングセルの限界電流より大きく、かつ、前記検出対象ガスが酸化雰囲気のときの前記ポンピングセルの限界電流より小さい大きさの定電流を供給するように前記定電流源が、設けられ、そして、前記ポンプ用電極間の電圧の大きさに基づいて前記検出対象ガスが酸化雰囲気であるか、還元雰囲気であるかを判別する酸化・還元雰囲気判別手段が、設けられていることを特徴とする空燃比検出装置に存する。

請求項２記載の発明は、前記酸化・還元雰囲気判別手段が、前記ポンプ用電極間の電圧の大きさが第１の閾値以上のときに前記検出対象ガスが還元雰囲気であると判別して、前記ポンプ用電極間の電圧の大きさが前記第１の閾値と等しい、又は、前記第１の閾値より小さい第２の閾値以下のときに前記検出対象ガスが酸化雰囲気であると判別するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の空燃比検出装置に存する。

請求項３記載の発明は、前記電流検出手段により検出された前記電流の検出値を増幅するアンプと、前記酸化・還元雰囲気判別手段による判別結果に基づいて酸化雰囲気から還元雰囲気に切り替わるときの前記検出値が基準値になるように前記アンプのゲインを調整するゲイン調整手段と、が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の空燃比検出装置に存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、別途酸化・還元雰囲気を判別するセンサを設ける必要がなく、検出対象ガスが酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別できる空燃比検出装置を安価に提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、閾値を用いて簡単に酸化・還元雰囲気の判別を行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、別途酸化・還元雰囲気を判別するセンサを設ける必要がなく、ゲイン調整手段により電流検出手段により検出された電流の検出値の校正を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、空燃比センサ１は、ポンピングセル２と、センシングセル３と、ガス律速体４とを備えている。ポンピングセル２は、安定化ジルコニアからなる板状のポンプ用固体電解質２１と、このポンプ用固体電解質２１の両面の少なくとも一部に設けられた白金などからなる多孔質の一対のポンプ用電極２２ａ及び２２ｂとから構成されている。

また、センシングセル３は、安定化ジルコニアからなる板状の測定用固体電解質３１と、この測定用固体電解質３１の両面の少なくとも一部に設けられた白金などからなる多孔質の一対の測定用電極３２ａ及び３２ｂとから構成されている。

さらに、空燃比検出装置は、定電流源としての定電流回路５と、定電圧源６と、電流検出手段としての電流検出部７と、電圧検出手段としての電圧検出部８と、を備えている。定電流回路５は、上述したポンピングセル２のポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間に定電流を流す回路である。定電流回路５は、ポンプ用電極２２ａを陽極、ポンプ用電極２２ｂを陰極として定電流を流す。定電圧源６は、センシングセル３の測定用電極３２ａ、３２ｂ間に定電圧を印加する。定電圧源６は、測定用電極３２ａを陽極、測定用電極３２ｂを陰極として定電圧を印加する。上記定電流回路５及び定電圧源６は各々、後述するμＣＯＭ９によって動作が制御される。

上記電流検出部７は、センシングセル３と定電圧源６との間に直列接続されている。電流検出部７は、センシングセル３の測定用電極３２ａから測定用電極３２ｂに向かって流れる電流を検出して、アンプ１０を介して後述するμＣＯＭ９に対して出力する。電圧検出部８は、ポンピングセル２のポンプ用電極２２ａ−ポンプ用電極２２ｂ間の電圧を検出して、後述するμＣＯＭ９に対して出力する。

μＣＯＭ９は、処理プログラムに従って各種の処理を行う中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）９１と、ＣＰＵ９１が行う処理のプログラムなどを格納した読出専用メモリであるＲＯＭ９２と、ＣＰＵ９１での各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ９３と、を有し、これらがバスラインによって接続されている。

上述した構成の空燃比検出装置の空燃比の検出原理について以下説明する。上述した空燃比センサ１は排ガス（被測定ガス）が排出される排気通路などに配置される。上述した定電流回路５は、ポンピングセル２に対してポンプ用電極２２ａからポンプ用電極２２ｂに向かって流れる定電流を供給する。これにより、ポンピングセル２は、排気通路中に存在する酸素ガスＯ₂、水蒸気Ｈ₂Ｏ、炭酸ガスＣＯ₂をポンプ用電極２２ｂで、下記に示す式（１）〜（３）に示す分解により酸素イオンＯ^2-をポンプ用固体電解質２１中へ汲み取り、汲み取られた酸素イオンはポンプ用固体電解質２１中を伝導する。酸素イオンがポンプ用電極２２ａに達すると電子を放出して酸素ガスとしてガス律速体４内に導入される。
Ｏ₂→２Ｏ^2- …（１）
２Ｈ₂Ｏ→２Ｈ₂＋２Ｏ^2- …（２）
ＣＯ₂→Ｃ＋２Ｏ^2- …（３）

ポンピングセル２は定電流回路５から供給される定電流に応じた濃度の酸素ガスをガス律速体４内に導入する。また、ガス律速体４には、ポンプ用電極２２ａ及び測定用電極３２ａの何れも設けられておらず排ガスに直接、曝されている側面４３などから自然拡散により排ガスが導入される。従って、ガス律速体４内では、拡散律速された排ガスとポンピングセル２により導入された一定濃度の酸素ガスとが混合される。そして、ガス律速体４は、拡散律速された排ガスとポンピングされた一定濃度の酸素ガスとの混合ガスをセンシングセル３の測定用電極３２ａに供給する。

センシングセル３では、定電圧源６により一定電圧を印加することにより、ガス律速体４内で混合された拡散律速された排ガスとポンピングセル２により導入された一定濃度の酸素ガスとの混合中の酸素ガスをキャリアとした電流が流れる。定電圧源６は、測定用電極３２ａ、３２ｂ間に流れる電流が飽和するような定電圧を印加する。飽和時の電流は、混合ガス中の酸素濃度に対応した値となる。このため、電流検出部７により検出される測定用電極３２ａ、３２ｂ間に流れる電流は上記混合ガス中の酸素濃度に応じた値となる。

今、排ガスが還元雰囲気である場合について考えてみる。還元雰囲気の排ガスには、余剰酸素が零で還元性の未燃ガス（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂）が含まれる。ガス律速体４内では、還元雰囲気の排ガス中のＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂といった未燃ガスがポンピングセル２により導入された酸素ガスと燃焼反応を起こして酸素ガスを消費する。このため、ガス律速体４内の混合ガスの酸素濃度はポンピングセル２により汲み出された一定濃度の酸素ガスが消費され尽くし零になるまで排ガス中の未燃ガス濃度に対応した値を示す。

一方、排ガスが酸化雰囲気であった場合について考えてみる。酸化雰囲気の排ガスには、余剰酸素が多く含まれ、未燃ガスは含まれていない。従って、ガス律速体４内の混合ガス中の酸素濃度は排ガスの酸素濃度に対応した値を示す（正確には、ポンピングセル２により汲み出された酸素ガス分、嵩増しされている）。

従って、電流検出部７により検出したセンシングセル３に流れる限界電流は、酸化雰囲気であった場合排ガス中の酸素ガス濃度に応じた値となり、還元雰囲気であった場合排ガス中の未燃ガス濃度に応じた値となる。従って、センシングセル３に流れる電流は、酸素濃度が０％以上の酸化雰囲気領域だけでなく酸素濃度０％で未燃ガスがある還元雰囲気領域に対してもリニアに変化する。

次に、上述した構成の空燃比検出装置の酸化雰囲気・還元雰囲気判別原理について以下説明する。まず、本発明者は、Ｈ₂＝０％、Ｏ₂＝５％の酸化雰囲気中、Ｈ₂＝１％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝２％の還元雰囲気中、Ｈ₂＝２％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝２％の還元雰囲気中におけるポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間の電圧に対するポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間に流れる電流を測定した。結果を図２及び図３に示す。なお、図中、マイナス電流はポンプ用電極２２ａからポンプ用電極２２ｂに向かって流れる電流を示し、マイナス電圧は、ポンプ用電極２２ａを陽極、ポンプ用電極２２ｂを陰極とした電圧を示す。また以下、電流、電圧の大きい、小さいは、電流、電圧の大きさ(絶対値)が大きい、小さいを意味する。

同図に示すように、Ｈ₂＝１％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝２％の還元雰囲気と、Ｈ₂＝２％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝２％の還元雰囲気と、ではほぼ同じ電流−電圧特性となることが分かった。これに対して、電圧がマイナスの領域において、還元雰囲気と酸化雰囲気とでは電流−電圧特性が大きく異なることが分かった。即ち、還元雰囲気では−０．１ｍＡ付近で電流が飽和する限界電流となり、酸化雰囲気では−１ｍＡ付近で限界電流となることが分かった。これは、還元雰囲気では未燃ガスであるＨ₂ガスと酸素ガスとが燃焼反応を起こして酸素ガスが消費されるため、ポンピングセル２内を伝導する酸素イオンＯ^2-数が制限される。これに対して、酸化雰囲気では未燃ガスが存在しないためポンピングセル２内を伝導する酸素イオンＯ^2-数が未燃ガスにより制限されない。このため、酸化雰囲気に比べて還元雰囲気では−０．１ｍＡという小さい電流で限界電流となってしまう。

よって、図３に示すように、上記還元雰囲気のときのポンピングセル２の限界電流（以下還元限界電流）の大きさ０．１ｍＡよりも大きく、酸化雰囲気のときのポンピングセル２の限界電流（以下酸化限界電流）の大きさ１ｍＡより小さい電流範囲内の定電流をセンシングセル２に供給すると、定電流回路５によりポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間に印加する印加電圧が酸化雰囲気と還元雰囲気とで大きく異なることが分かった。

そこで、還元限界電流の大きさ０．１ｍＡよりも大きく、還元限界電流の大きさ１ｍＡよりも小さい定電流がポンプ用電極２２ａからポンプ用電極２２ｂに向けて流れるように定電流回路５を設ける。本実施形態では、例えばポンプ用電極２２ａからポンプ用電極２２ｂに向けて（０．１ｍＡ＜）０．５ｍＡ（＜１ｍＡ）の定電流が流れるように定電流回路５を設けている。これにより、還元雰囲気のときはポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間に大きさ１．１５Ｖの印加電圧を印加する必要があり、酸化雰囲気のときはポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間に大きさ０．１Ｖの印加電圧を印加する必要がある。そこで、第１の閾値を上記１．１５Ｖより小さい０．８Ｖに設定して、第２の閾値を上記０．１Ｖよりも大きい０．３Ｖに設定して、ポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間の電圧の大きさが０．８Ｖより大きいときに排ガスが還元雰囲気であると判別し、ポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間の電圧の大きさが０．３Ｖより小さいときに排ガスが酸化雰囲気であると判別する。

上記概略で説明した空燃比検出装置の詳細な動作について図４を参照して以下説明する。ＣＰＵ９１は定期的に空燃比検出処理を開始する。空燃比検出処理において、ＣＰＵ９１は、まず定電流回路５及び定電圧源６を駆動させる（ステップＳ１）。次に、ＣＰＵ９１は、電圧検出部８により検出されたポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間の電圧値を取り込む（ステップＳ２）。次に、ＣＰＵ９１は、酸化・還元雰囲気判別手段として働き、取り込んで電圧値に基づいて酸化・還元雰囲気判別処理を行う（ステップＳ３）。詳しくは、ＣＰＵ９１は、取り込んだ電圧値が−０．８Ｖ以下、即ち、ポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間の電圧の大きさが０．８Ｖ以上であれば、排ガスが還元雰囲気であると判別する。

一方、ＣＰＵ９１は、取り込んだ電圧値が−０．３Ｖ以上、即ち、ポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間の電圧の大きさが０．３Ｖ以下であれば、排ガスが酸化雰囲気であると判別する。その後、ＣＰＵ９１は、ゲイン調整手段として働き、酸化・還元雰囲気判別処理による判別結果に基づいて酸化雰囲気から還元雰囲気に切り替わるときの電流検出部７により検出された電流値が予め定めた基準値になるように１０アンプのゲインを調整するゲイン調整処理を行う（ステップＳ４）。そして、ＣＰＵ９１は、電流検出部７により検出された測定用電極３２ａ、３２ｂ間に流れる電流値を取り込み（ステップＳ５）ステップＳ３の判定結果が酸化雰囲気であれば取り込んだ電流値を酸素濃度に応じた検出値として出力し、判定結果が還元雰囲気であれば取り込んだ電流値を未燃ガス濃度に応じた検出値として出力した後（ステップＳ６）、処理を終了する。

上述した空燃比検出装置によれば、別途酸化・還元雰囲気を判別するセンサを設ける必要がなく、排ガスが酸化雰囲気であるか還元雰囲気であるかを判別できる空燃比検出装置を安価に提供することができる。

上述した空燃比検出装置によれば、第１の閾値、第２の閾値との比較により簡単に酸化・還元雰囲気の判別を行うことができる。

また、上述した空燃比検出装置によれば、別途酸化・還元雰囲気を判別するセンサを設ける必要がなく、ゲイン調整処理により電流検出部7より検出された電流の検出値の校正を行うことができる。

なお、上述した実施形態によれば、第１の閾値を０．８Ｖ、第２の閾値を０．３Ｖに設定していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、第１の閾値、第２の閾値を等しい値に設定することも考えられる。第１の閾値、第２の閾値は、例えば図２、図３に示す特性のセンシングセル２の場合、酸化雰囲気、還元雰囲気のそれぞれにおいて、０．５ｍＡの定電流を流すのに必要なポンプ用電極２２ａ、２２ｂ間に印加する印加電圧１．１５Ｖ〜０．１Ｖの範囲内に設定されている。例えば、第１の閾値＝第２の閾値＝０．６Ｖに設定して、ＣＰＵ９１が、電圧検出部８により検出した電圧値が０．６以上であれば還元雰囲気と判別し、０．６Ｖ以下であれば酸化雰囲気であると判別するように設定される。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明による空燃比検出装置の一実施の形態を示す説明図である。図２に示すポンピングセルの電圧−電流特性を示すグラフである。図２に示すポンピングセルの電圧−電流特性を示すグラフである。図１に示す空燃比検出装置を構成するＣＰＵの空燃比検出処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２ポンピングセル
３センシングセル
４ガス律速体
５定電流回路（定電流源）
６定電圧源
７電流検出部（電流検出手段）
８電圧検出部（電圧検出手段）
９ μＣＯＭ（酸化・還元雰囲気判別手段、ゲイン調整手段）
１０アンプ
２１ポンプ用固体電解質
２２ａポンプ用電極
２２ｂポンプ用電極
３１測定用固体電解質
３２ａ測定用電極
３２ｂ測定用電極

Claims

酸素イオン伝導性を有するポンプ用固体電解質、及び、前記ポンプ用固体電解質の両面に設けられた一対のポンプ用電極、から構成されるポンピングセルと、酸素イオン伝導性を有する測定用固体電解質、及び、前記測定用固体電解質の両面に設けられた一対の測定用電極、から構成されるセンシングセルと、前記ポンピングセル及び前記センシングセル間に設けられた測定対象ガスを拡散律速させるガス律速体と、前記ポンプ用電極間に定電流を供給する定電流源と、前記測定用電極間に定電圧を供給する定電圧源と、前記測定用電極間に流れる電流を検出する電流検出手段と、が設けられた空燃比検出装置において、
前記検出対象ガスが還元雰囲気のときの前記ポンピングセルの限界電流より大きく、かつ、前記検出対象ガスが酸化雰囲気のときの前記ポンピングセルの限界電流より小さい大きさの定電流を供給するように前記定電流源が、設けられ、そして、
前記ポンプ用電極間の電圧の大きさに基づいて前記検出対象ガスが酸化雰囲気であるか、還元雰囲気であるかを判別する酸化・還元雰囲気判別手段が、設けられている
ことを特徴とする空燃比検出装置。
前記酸化・還元雰囲気判別手段が、前記ポンプ用電極間の電圧の大きさが第１の閾値以上のときに前記検出対象ガスが還元雰囲気であると判別して、前記ポンプ用電極間の電圧の大きさが前記第１の閾値と等しい、又は、前記第１の閾値より小さい第２の閾値以下のときに前記検出対象ガスが酸化雰囲気であると判別するように設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比検出装置。
前記電流検出手段により検出された前記電流の検出値を増幅するアンプと、
前記酸化・還元雰囲気判別手段による判別結果に基づいて酸化雰囲気から還元雰囲気に切り替わるときの前記検出値が基準値になるように前記アンプのゲインを調整するゲイン調整手段と、が設けられている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の空燃比検出装置。