JPH0245819B2 - - Google Patents
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- JPH0245819B2 JPH0245819B2 JP57062688A JP6268882A JPH0245819B2 JP H0245819 B2 JPH0245819 B2 JP H0245819B2 JP 57062688 A JP57062688 A JP 57062688A JP 6268882 A JP6268882 A JP 6268882A JP H0245819 B2 JPH0245819 B2 JP H0245819B2
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
- F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
- F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
- F02D41/1473—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation method
- F02D41/1475—Regulating the air fuel ratio at a value other than stoichiometry
- F02D41/1476—Biasing of the sensor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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Landscapes
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は例えば内燃機関の燃料制御に適し、空
燃比が理論空燃比か、あるいは理論空燃比より濃
い側か、理論空燃比より薄い側か、を連続的に検
知する酸素濃度検出装置に関する。
燃比が理論空燃比か、あるいは理論空燃比より濃
い側か、理論空燃比より薄い側か、を連続的に検
知する酸素濃度検出装置に関する。
内燃機関においては機関側に供給される燃料の
混合比、つまり空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比で
あれば排ガス中の含有ガス成分がきわめて少なく
なることは広く知られており、したがつて機関の
全運転中に亘つて理論空燃比で運転すれば排ガス
対策の点では理想的といえる。しかしながら、機
関の全運転中に亘つて理論空燃比で運転すると燃
料消費量の増大を招き、燃費対策の面で得策でな
い。現実には、機関の加速（高負荷）運転時など
ではＡ／Ｆを濃い状態にして運転しており、定常
（部分負荷）運転中などではＡ／Ｆを薄くして運
転しているものである。
混合比、つまり空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比で
あれば排ガス中の含有ガス成分がきわめて少なく
なることは広く知られており、したがつて機関の
全運転中に亘つて理論空燃比で運転すれば排ガス
対策の点では理想的といえる。しかしながら、機
関の全運転中に亘つて理論空燃比で運転すると燃
料消費量の増大を招き、燃費対策の面で得策でな
い。現実には、機関の加速（高負荷）運転時など
ではＡ／Ｆを濃い状態にして運転しており、定常
（部分負荷）運転中などではＡ／Ｆを薄くして運
転しているものである。
したがつて、機関の運転中において、高負荷運
転などのごとくＡ／Ｆを濃くして運転する場合に
Ａ／Ｆを理論空燃比に近づければ排ガス対策の点
で有利になり、また部分負荷運転などのように
Ａ／Ｆを薄くして（リーン混合）運転する場合に
は排ガス中に残存している酸素の濃度に応じて燃
料を少なくしてやれば排ガス対策の点でも有利に
なるばかりでなく、燃費の節約を可能にする。
転などのごとくＡ／Ｆを濃くして運転する場合に
Ａ／Ｆを理論空燃比に近づければ排ガス対策の点
で有利になり、また部分負荷運転などのように
Ａ／Ｆを薄くして（リーン混合）運転する場合に
は排ガス中に残存している酸素の濃度に応じて燃
料を少なくしてやれば排ガス対策の点でも有利に
なるばかりでなく、燃費の節約を可能にする。
このように機関の運転状況に応じて燃料供給を
制御するため、排ガス中のガス成分を検出し、こ
の検出に応じて燃料噴射装置から噴射される燃料
を増減する手段が考えられている。そこで、上記
排ガス中のガス成分を検出するためのセンサとし
て、理論空燃比センサと、リーン領域における酸
素濃度を検出する限界電流式酸素濃度センサ（リ
ーンセンサと称する）が開発されている。
制御するため、排ガス中のガス成分を検出し、こ
の検出に応じて燃料噴射装置から噴射される燃料
を増減する手段が考えられている。そこで、上記
排ガス中のガス成分を検出するためのセンサとし
て、理論空燃比センサと、リーン領域における酸
素濃度を検出する限界電流式酸素濃度センサ（リ
ーンセンサと称する）が開発されている。
理論空燃比センサは、酸素イオン伝導性金属酸
化物焼結体の両面に電極を設けてなる固体電解質
素子を有し、この素子の両面の酸素濃度差に対応
して生じる起電力を、その両面に設けた電極間で
取り出すようにしたものである。そして、電極は
触媒作用を有する物質、たとえばPtで構成され
ており、特に排ガスに晒される側の電極の触媒作
用にもとづき排ガス中の酸素と一酸化炭素CO、
HC等を反応させて酸化せしめ、素子の排ガスに
晒される側の表面におけるガス成分の酸素濃度に
変化を生じさせ、素子の酸素濃度に対する感応性
を高めて急激な起電力変化を得るようになつてい
る。この急激な起電力変化がほぼ理論空燃比を境
にして行われることから、この部分における起電
力をもとに内燃機関の空燃比を検出して理論空燃
比になるように制御することができるものであ
る。
化物焼結体の両面に電極を設けてなる固体電解質
素子を有し、この素子の両面の酸素濃度差に対応
して生じる起電力を、その両面に設けた電極間で
取り出すようにしたものである。そして、電極は
触媒作用を有する物質、たとえばPtで構成され
ており、特に排ガスに晒される側の電極の触媒作
用にもとづき排ガス中の酸素と一酸化炭素CO、
HC等を反応させて酸化せしめ、素子の排ガスに
晒される側の表面におけるガス成分の酸素濃度に
変化を生じさせ、素子の酸素濃度に対する感応性
を高めて急激な起電力変化を得るようになつてい
る。この急激な起電力変化がほぼ理論空燃比を境
にして行われることから、この部分における起電
力をもとに内燃機関の空燃比を検出して理論空燃
比になるように制御することができるものであ
る。
一方、リーンセンサは、上記センサと同材料の
固体電解質素子を備え、この素子の表裏両面に多
孔質の電極を設けるとともに、排気ガス側の電極
の表面に拡散抵抗層を設け、これら両電極間に通
電することによつて排ガス中の酸素をイオンとし
て一方の電極から他方の電極へ向けて上記素子中
に酸素イオンを拡散させ、このとき印加電圧を変
化させても電極間を流れる電流値が変化しない領
域、すなわち限界電流が発生することが知られて
おり、そこで所定電圧印加時の限界電流値を測定
することで排ガス中の酸素濃度を知ることができ
るから、この酸素濃度をもとにして、理論空燃比
より薄い側の最適空燃比を制御することことがで
きるものである。
固体電解質素子を備え、この素子の表裏両面に多
孔質の電極を設けるとともに、排気ガス側の電極
の表面に拡散抵抗層を設け、これら両電極間に通
電することによつて排ガス中の酸素をイオンとし
て一方の電極から他方の電極へ向けて上記素子中
に酸素イオンを拡散させ、このとき印加電圧を変
化させても電極間を流れる電流値が変化しない領
域、すなわち限界電流が発生することが知られて
おり、そこで所定電圧印加時の限界電流値を測定
することで排ガス中の酸素濃度を知ることができ
るから、この酸素濃度をもとにして、理論空燃比
より薄い側の最適空燃比を制御することことがで
きるものである。
このように、理論空燃比、理論空燃比より薄い
側の空燃比を検出するには異なつた原理に基づい
て行われるため、各空燃比を検出する際は、その
出力を切換えなければならず、非常に面倒であ
る。
側の空燃比を検出するには異なつた原理に基づい
て行われるため、各空燃比を検出する際は、その
出力を切換えなければならず、非常に面倒であ
る。
従つて、理論空燃比より濃い理論側の空燃比か
ら理論空燃比より薄い側の空燃比までを連続的に
検出することはできないという不都合がある。
ら理論空燃比より薄い側の空燃比までを連続的に
検出することはできないという不都合がある。
そこで、本発明は上述の点に着目して案出され
たものであつて、その目的とするところは、理論
空燃比より濃いか否か、また理論空燃比からそれ
より薄い側の空燃比までを、異なつた検出原理に
もかかわらず出力取り出しの切り換えといつた面
倒な操作を必要としないで連続的に検出しようと
するものである。
たものであつて、その目的とするところは、理論
空燃比より濃いか否か、また理論空燃比からそれ
より薄い側の空燃比までを、異なつた検出原理に
もかかわらず出力取り出しの切り換えといつた面
倒な操作を必要としないで連続的に検出しようと
するものである。
即ち、本発明は、一方の面が排気ガスに、他方
の面が基準ガスにそれぞれ晒され、前記一方の面
と前記他方の面との間に酸素イオンを伝導させる
固体電解質素子と、該固体電解質素子の前記一方
の面と前記他方の面との間の酸素濃度差に応じた
起電力を発生せしめるよう、前記固体電解質素子
の前記一方の面および前記他方の面にそれぞれ設
けられた第１、第２の電極と、前記固体電解質素
子の前記一方の面の前記第１の電極の表面に、該
第１の電極を覆うように設けられ、該第１の電極
から前記固体電解質素子を経て前記第２の電極へ
拡散する酸素イオンの量を制限する拡散抵抗層
と、前記固体電解質素子の前記第１の電極と前記
第２の電極との間に、排気ガス中の酸素濃度に対
応して前記第１の電極と前記第２の電極との間に
限界電流を流す所定電圧を印加し、該所定電圧
が、理論空燃比より薄い側の空燃比において前記
第１および前記第２の電極の間で発生する起電力
より大きく、かつ理論空燃比より濃い側の空燃比
において前記第１および第２の電極間で発生する
起電力より小さい値である電圧源と、前記固体電
解質素子の前記第１および前記第２の電極に直列
に接続され、前記固体電解質素子を伝導する酸素
イオンの量に対応して生ずる電流が流れる抵抗体
と、該抵抗体に接続され、理論空燃比より薄い側
の空燃比では酸素濃度に対応して生ずる前記限界
電流を検出し、かつ理論空燃比より濃い側の空燃
比では、前記所定電圧と該濃い側の空燃比におけ
る前記起電力との差に対応して前記限界電流とは
逆向きに生ずる電流を検出する検出回路と、を具
備したという技術的手段を採用するものである。
の面が基準ガスにそれぞれ晒され、前記一方の面
と前記他方の面との間に酸素イオンを伝導させる
固体電解質素子と、該固体電解質素子の前記一方
の面と前記他方の面との間の酸素濃度差に応じた
起電力を発生せしめるよう、前記固体電解質素子
の前記一方の面および前記他方の面にそれぞれ設
けられた第１、第２の電極と、前記固体電解質素
子の前記一方の面の前記第１の電極の表面に、該
第１の電極を覆うように設けられ、該第１の電極
から前記固体電解質素子を経て前記第２の電極へ
拡散する酸素イオンの量を制限する拡散抵抗層
と、前記固体電解質素子の前記第１の電極と前記
第２の電極との間に、排気ガス中の酸素濃度に対
応して前記第１の電極と前記第２の電極との間に
限界電流を流す所定電圧を印加し、該所定電圧
が、理論空燃比より薄い側の空燃比において前記
第１および前記第２の電極の間で発生する起電力
より大きく、かつ理論空燃比より濃い側の空燃比
において前記第１および第２の電極間で発生する
起電力より小さい値である電圧源と、前記固体電
解質素子の前記第１および前記第２の電極に直列
に接続され、前記固体電解質素子を伝導する酸素
イオンの量に対応して生ずる電流が流れる抵抗体
と、該抵抗体に接続され、理論空燃比より薄い側
の空燃比では酸素濃度に対応して生ずる前記限界
電流を検出し、かつ理論空燃比より濃い側の空燃
比では、前記所定電圧と該濃い側の空燃比におけ
る前記起電力との差に対応して前記限界電流とは
逆向きに生ずる電流を検出する検出回路と、を具
備したという技術的手段を採用するものである。
以下本発明の一実施例を図面にもとづき説明す
る。まず、センサ構造について説明すると、第１
図において、１は酸素センサである。１ａは酸素
イオン伝導性金属酸化物焼結体より成る固体電解
質素子で、一端が開口され他端が閉塞されたカツ
プ状をなしている。この素子１ａには、その一方
の面である内側と他方の面である外側との間の酸
素濃度差に対応した起電力を生じせしめるよう電
極２，３が設けてある。素子１ａの内側は、電極
２を介し大気等の基準酸素に晒され、外側は電極
３を介し排気ガスに晒されている。この電極３の
表面には、その表面を覆うようにして拡散抵抗層
４が設けてある。この拡散層４は、後述するが、
電極３から電極２へ固体電解質素子１ａを介し拡
散する酸素イオンの量を制限するものである。
る。まず、センサ構造について説明すると、第１
図において、１は酸素センサである。１ａは酸素
イオン伝導性金属酸化物焼結体より成る固体電解
質素子で、一端が開口され他端が閉塞されたカツ
プ状をなしている。この素子１ａには、その一方
の面である内側と他方の面である外側との間の酸
素濃度差に対応した起電力を生じせしめるよう電
極２，３が設けてある。素子１ａの内側は、電極
２を介し大気等の基準酸素に晒され、外側は電極
３を介し排気ガスに晒されている。この電極３の
表面には、その表面を覆うようにして拡散抵抗層
４が設けてある。この拡散層４は、後述するが、
電極３から電極２へ固体電解質素子１ａを介し拡
散する酸素イオンの量を制限するものである。
ここで、前記センサ１が理論空燃比点にて濃淡
起電力を発生し、理論空燃比点より薄い側の領域
の酸素濃度に応じた限界電流を発生するように、
例えば単一の電極にて検出する場合、排気ガス側
電極３の面積は10〜100mm2、厚さは0.5〜2.0μ程度
とし、大気側電極２は面積は10mm2以上、厚さは
0.5〜2.0μ程度であり、共に、たとえば白金等の
触媒活性の高い貴金属を化学メツキ、スパツタリ
ング、ペーストスクリーン印刷により、充分ポー
ラスに形成してある。拡散抵抗層４は、たとえば
Al2O3、Al2O3・MgO、ZrO2等のセラミツク材料
をプラズマ溶射法等により形成され、100〜
700μ、気孔率７〜15％、平均細孔径600〜1200Å
に形成されている。ここで、酸素濃度に対応する
限界電流値は電極３の面積、拡散抵抗層４の厚
さ、気孔率、平均細孔径により決まるため、これ
らは高精度に管理、規定されねばならない。５は
ヒータである。なお、２ａ，３ａ，５ａはリード
線である。
起電力を発生し、理論空燃比点より薄い側の領域
の酸素濃度に応じた限界電流を発生するように、
例えば単一の電極にて検出する場合、排気ガス側
電極３の面積は10〜100mm2、厚さは0.5〜2.0μ程度
とし、大気側電極２は面積は10mm2以上、厚さは
0.5〜2.0μ程度であり、共に、たとえば白金等の
触媒活性の高い貴金属を化学メツキ、スパツタリ
ング、ペーストスクリーン印刷により、充分ポー
ラスに形成してある。拡散抵抗層４は、たとえば
Al2O3、Al2O3・MgO、ZrO2等のセラミツク材料
をプラズマ溶射法等により形成され、100〜
700μ、気孔率７〜15％、平均細孔径600〜1200Å
に形成されている。ここで、酸素濃度に対応する
限界電流値は電極３の面積、拡散抵抗層４の厚
さ、気孔率、平均細孔径により決まるため、これ
らは高精度に管理、規定されねばならない。５は
ヒータである。なお、２ａ，３ａ，５ａはリード
線である。
次に、上記構成における酸素センサ１を用いた
際の理論空燃比センサ、リーンセンサとしての作
動説明をする。
際の理論空燃比センサ、リーンセンサとしての作
動説明をする。
素子１ａを内燃機関の排気管に取着する。ここ
で排ガスは周知のごとくO2、CO、HC等のガス
成分から構成されており、この各成分の濃度は燃
焼前の空燃比によつて変化する。そして、素子１
ａは排ガス中のガス成分の酸素濃度と、基準とな
る大気側の酸素濃度との差に応じた起電力を示
す。素子１ａの排ガスに晒される側の表面に付着
させた電極３は、触媒物質よりなるPtで構成し
てあるためその触媒作用により、素子１ａの排ガ
スに晒される側の表面ではガス成分中の酸素O2
がCO、HC等の酸化に供せられる。このため、理
論空燃比よりも濃い側の空燃比においては素子１
ａの排ガスに晒される側の表面におけるガス成分
中の酸素濃度は薄くなり、また逆に理論空燃比よ
りも薄い側の空燃比では素子１ａの排ガスに晒さ
れる側の表面におけるガス成分中の酸素濃度は濃
くなる。素子１ａの内側に設けた対向電極２は、
素子１ａの内部空間が大気に開放されているため
大気中の酸素に晒されている。従つて、素子１ａ
においては内部空間側に大気の酸素濃度と、外部
の排ガス中の酸素濃度との差に応じた起電力を生
じる。この起電力は理論空燃比を境に急激に変化
する性質をもつており、第２図に示す起電力特性
を示す。
で排ガスは周知のごとくO2、CO、HC等のガス
成分から構成されており、この各成分の濃度は燃
焼前の空燃比によつて変化する。そして、素子１
ａは排ガス中のガス成分の酸素濃度と、基準とな
る大気側の酸素濃度との差に応じた起電力を示
す。素子１ａの排ガスに晒される側の表面に付着
させた電極３は、触媒物質よりなるPtで構成し
てあるためその触媒作用により、素子１ａの排ガ
スに晒される側の表面ではガス成分中の酸素O2
がCO、HC等の酸化に供せられる。このため、理
論空燃比よりも濃い側の空燃比においては素子１
ａの排ガスに晒される側の表面におけるガス成分
中の酸素濃度は薄くなり、また逆に理論空燃比よ
りも薄い側の空燃比では素子１ａの排ガスに晒さ
れる側の表面におけるガス成分中の酸素濃度は濃
くなる。素子１ａの内側に設けた対向電極２は、
素子１ａの内部空間が大気に開放されているため
大気中の酸素に晒されている。従つて、素子１ａ
においては内部空間側に大気の酸素濃度と、外部
の排ガス中の酸素濃度との差に応じた起電力を生
じる。この起電力は理論空燃比を境に急激に変化
する性質をもつており、第２図に示す起電力特性
を示す。
次に、理論空燃比より薄い側の空燃比を検出す
るリーンセンサとしての作動について説明する。
電極２，３間に電極２が（すなわち、酸素イオ
ンが検出ガス側電極３から大気側電極２側に流れ
る）となるように所定電圧を印加すると、限界電
流が電極３から２へ流れる。ここで素子１ａは酸
素イオン伝導性の固体電解質であるため、排ガス
中の酸素は拡散抵抗層４を経て電極３に至り、こ
の電極３にて電子の供給を受けて酸素イオンとな
る。この酸素イオンは素子１ａの内部を拡散して
いき、電極２にて電子を放出して酸素分子に戻
る。したがつて電極３から２へ電流が流れるもの
である。電極２の酸素分子は大気中に放出され
る。
るリーンセンサとしての作動について説明する。
電極２，３間に電極２が（すなわち、酸素イオ
ンが検出ガス側電極３から大気側電極２側に流れ
る）となるように所定電圧を印加すると、限界電
流が電極３から２へ流れる。ここで素子１ａは酸
素イオン伝導性の固体電解質であるため、排ガス
中の酸素は拡散抵抗層４を経て電極３に至り、こ
の電極３にて電子の供給を受けて酸素イオンとな
る。この酸素イオンは素子１ａの内部を拡散して
いき、電極２にて電子を放出して酸素分子に戻
る。したがつて電極３から２へ電流が流れるもの
である。電極２の酸素分子は大気中に放出され
る。
上記反応において、拡散抵抗層４の厚さを一定
以上の厚さ、たとえば600μとし、電極３の面積
を60mm2と小さくして電圧を徐々に上げていくと、
拡散する酸素イオンの量を制限する拡散抵抗層４
の影響で電圧を変化させても電流が変化しない領
域、即ち限界電流が発生する。この限界電流値1l
は、 1l４・Ｆ・DO2／Ｒ・Ｔ・Ｓ／ｌPO2 ………(1) ただし、 Ｆ…フアラデー定数、Ｒ…気体定数、DO2…酸
素の拡散率、Ｔ…絶対温度、Ｓ…電極面積、ｌ…
拡散抵抗層の有効拡散距離、PO2…酸素分圧で表
され、この限界電極値1lは排ガス中の酸素濃度
（分圧）に応じて変化するため、第３図ａに示す
特性が得られる所定電圧を印加し、上記限界電流
を測定することにより、排ガス中の酸素濃度を測
定することができる。したがつて電極２，３間で
検出した限界電流を検出し、この限界電流を検知
して電流値が大きい場合には排ガス中の酸素濃度
が大きいから空燃比が薄いことが判り、また逆の
場合には空燃比が濃いことが判る（第３図ｂ参
照）。このため、理論空燃比よりも薄い側におけ
る空燃比を制御して燃費を節約しかつ排ガス中の
有害成分を減少させるなどの制御が可能になる。
なお、前記(1)式から明らかなごとく、限界電流値
は温度によつても変わるため、その温度補償を前
記ヒータ５の通電、発熱により素子１ａを暖める
ことで行うようにしてある。
以上の厚さ、たとえば600μとし、電極３の面積
を60mm2と小さくして電圧を徐々に上げていくと、
拡散する酸素イオンの量を制限する拡散抵抗層４
の影響で電圧を変化させても電流が変化しない領
域、即ち限界電流が発生する。この限界電流値1l
は、 1l４・Ｆ・DO2／Ｒ・Ｔ・Ｓ／ｌPO2 ………(1) ただし、 Ｆ…フアラデー定数、Ｒ…気体定数、DO2…酸
素の拡散率、Ｔ…絶対温度、Ｓ…電極面積、ｌ…
拡散抵抗層の有効拡散距離、PO2…酸素分圧で表
され、この限界電極値1lは排ガス中の酸素濃度
（分圧）に応じて変化するため、第３図ａに示す
特性が得られる所定電圧を印加し、上記限界電流
を測定することにより、排ガス中の酸素濃度を測
定することができる。したがつて電極２，３間で
検出した限界電流を検出し、この限界電流を検知
して電流値が大きい場合には排ガス中の酸素濃度
が大きいから空燃比が薄いことが判り、また逆の
場合には空燃比が濃いことが判る（第３図ｂ参
照）。このため、理論空燃比よりも薄い側におけ
る空燃比を制御して燃費を節約しかつ排ガス中の
有害成分を減少させるなどの制御が可能になる。
なお、前記(1)式から明らかなごとく、限界電流値
は温度によつても変わるため、その温度補償を前
記ヒータ５の通電、発熱により素子１ａを暖める
ことで行うようにしてある。
以上が理論空燃比センサ、リーンセンサとして
の作動原理があるが、かかるセンサの示す出力を
切換えないで連続的に理論空燃比←→理論空燃比よ
り薄い側の空燃比を検出し、判定する方法、およ
び理論空燃比より濃い側か否かを判定する方法に
つき以下詳述する。
の作動原理があるが、かかるセンサの示す出力を
切換えないで連続的に理論空燃比←→理論空燃比よ
り薄い側の空燃比を検出し、判定する方法、およ
び理論空燃比より濃い側か否かを判定する方法に
つき以下詳述する。
濃淡起電力特性として、第２図に示すように、
理論空燃比で急激に立ち上がり、理論空燃比より
濃い側で例えば約0.9Vの起電力を発生する。一
方、理論空燃比より薄い側の酸素濃度を検出する
限界電流を示すＶ−ｉ特性は、第３図ａに記載し
た通りである。
理論空燃比で急激に立ち上がり、理論空燃比より
濃い側で例えば約0.9Vの起電力を発生する。一
方、理論空燃比より薄い側の酸素濃度を検出する
限界電流を示すＶ−ｉ特性は、第３図ａに記載し
た通りである。
ここで、第３図ａより限界電流は所定電圧以上
印加しないと得られない。従つて、例えば最大酸
素濃度10％まで測定する場合、第３図ａにおい
て、10％で限界電流が発生するＢ点以上の電圧を
両電極２，３の間に印加しておく必要がある。Ｂ
点であると、濃淡起電力特性を示す第２図によれ
ば、理論空燃比より薄い側の空燃比では例えば約
0.1Vの起電力を発生し、差の分の印加電圧Ｃと
なり、酸素濃度10％時の正しい限界電流を示さな
くなるからである。
印加しないと得られない。従つて、例えば最大酸
素濃度10％まで測定する場合、第３図ａにおい
て、10％で限界電流が発生するＢ点以上の電圧を
両電極２，３の間に印加しておく必要がある。Ｂ
点であると、濃淡起電力特性を示す第２図によれ
ば、理論空燃比より薄い側の空燃比では例えば約
0.1Vの起電力を発生し、差の分の印加電圧Ｃと
なり、酸素濃度10％時の正しい限界電流を示さな
くなるからである。
次に、電気回路について説明すると、第４図に
おいて、１は前記酸素センサ、６は限界電流等を
得るための印加電圧電源である。７は限界電流値
への影響がほとんど無視できる程度に小さい抵抗
体（例えば10Ω）であり、電流値を検出するため
センサ１に直列に接続し、センサ１と抵抗体７と
を直列に接続した両端間に前記電源６の電圧を印
加してある。８は検出回路としての差動増幅器で
ある。ところで、印加電圧を第２図に示す理論空
燃比より濃い側の起電力Ａより小さく、理論空燃
比より薄い側の起電力より大きい起電力、例えば
第３図ａに示すＢより大きい値、0.6Vに設定し、
電極２，３間に印加した場合、理論空燃比よりも
薄い側の空燃比における酸素濃度２％の時は第３
図ｂに示すように２ｍＡの電流が第４図の抵抗体
７を流れ、この値に抵抗体７の抵抗値10Ωを乗じ
た20ｍＶの出力電圧が抵抗体７の両端に表れる。
これを増幅器８にて増幅し、酸素濃度に対応した
出力電圧e0が得られる。一方、理論空燃比よりも
濃い側の空燃比の場合、0.6Vの印加電圧に対し、
センサ１にて逆向きの起電力0.9V（第２図のＡ点
参照）が発生し、すなわちこの差0.3Vに応じた、
限界電流とは逆向きの電流が抵抗体７に流れ、抵
抗体７の両端に負の出力電圧を発生させる。この
出力電圧を増幅器８により所定の倍率で増幅し、
e0として検出する。出力特性は第５図および第６
図のごとくなる。そして、得た出力電圧e0を酸素
濃度に応じた比較電圧、一例を示すと理論空燃比
より濃い側は負の出力電圧、理論空燃比点は0V、
理論空燃比より薄い側は酸素濃度に応じた出力電
圧を増幅した値により比較制御し、フイードバツ
クコントロールを行うことにより、理論空燃比よ
り濃い側の空燃比か否かということと、理論空燃
比からそれより薄い側までの全ての領域を精度よ
く連続的に検出することが可能となるのである。
おいて、１は前記酸素センサ、６は限界電流等を
得るための印加電圧電源である。７は限界電流値
への影響がほとんど無視できる程度に小さい抵抗
体（例えば10Ω）であり、電流値を検出するため
センサ１に直列に接続し、センサ１と抵抗体７と
を直列に接続した両端間に前記電源６の電圧を印
加してある。８は検出回路としての差動増幅器で
ある。ところで、印加電圧を第２図に示す理論空
燃比より濃い側の起電力Ａより小さく、理論空燃
比より薄い側の起電力より大きい起電力、例えば
第３図ａに示すＢより大きい値、0.6Vに設定し、
電極２，３間に印加した場合、理論空燃比よりも
薄い側の空燃比における酸素濃度２％の時は第３
図ｂに示すように２ｍＡの電流が第４図の抵抗体
７を流れ、この値に抵抗体７の抵抗値10Ωを乗じ
た20ｍＶの出力電圧が抵抗体７の両端に表れる。
これを増幅器８にて増幅し、酸素濃度に対応した
出力電圧e0が得られる。一方、理論空燃比よりも
濃い側の空燃比の場合、0.6Vの印加電圧に対し、
センサ１にて逆向きの起電力0.9V（第２図のＡ点
参照）が発生し、すなわちこの差0.3Vに応じた、
限界電流とは逆向きの電流が抵抗体７に流れ、抵
抗体７の両端に負の出力電圧を発生させる。この
出力電圧を増幅器８により所定の倍率で増幅し、
e0として検出する。出力特性は第５図および第６
図のごとくなる。そして、得た出力電圧e0を酸素
濃度に応じた比較電圧、一例を示すと理論空燃比
より濃い側は負の出力電圧、理論空燃比点は0V、
理論空燃比より薄い側は酸素濃度に応じた出力電
圧を増幅した値により比較制御し、フイードバツ
クコントロールを行うことにより、理論空燃比よ
り濃い側の空燃比か否かということと、理論空燃
比からそれより薄い側までの全ての領域を精度よ
く連続的に検出することが可能となるのである。
第７図は第４図の電気回路を発展させた本発明
の他の実施例で、１は酸素センサで、６は基準に
なる印加電圧を発生する装置である。印加電圧ｅ
は、直流でもオフセツト付交流でも構わない。９
は加算差動増幅器で、出力がe1＝e2＋ｅとなるよ
うに構成されており、センサ１の両端に常に所定
印加電圧ｅが印加されるように働く。１０はオフ
セツト用抵抗体で、理論空燃比より濃い側の空燃
比において生じる上述の逆向きの電流が流れても
検出電圧e2が負にならないために接続してあり、
回路全体が単電源で使えるようになつている。酸
素センサ１の出力電流は検出抵抗体７に導かれ、
電圧e2となつて検出され、差動増幅器８によつて
増巾され、出力電圧e0となる。ただし、印加電圧
ｅがオフセツト付交流の場合は、信号電圧を平均
化するためのローパスフイルタ１１が必要とな
る。
の他の実施例で、１は酸素センサで、６は基準に
なる印加電圧を発生する装置である。印加電圧ｅ
は、直流でもオフセツト付交流でも構わない。９
は加算差動増幅器で、出力がe1＝e2＋ｅとなるよ
うに構成されており、センサ１の両端に常に所定
印加電圧ｅが印加されるように働く。１０はオフ
セツト用抵抗体で、理論空燃比より濃い側の空燃
比において生じる上述の逆向きの電流が流れても
検出電圧e2が負にならないために接続してあり、
回路全体が単電源で使えるようになつている。酸
素センサ１の出力電流は検出抵抗体７に導かれ、
電圧e2となつて検出され、差動増幅器８によつて
増巾され、出力電圧e0となる。ただし、印加電圧
ｅがオフセツト付交流の場合は、信号電圧を平均
化するためのローパスフイルタ１１が必要とな
る。
以上説明したように、第２図、第３図の特性を
比較検討してわかるように、理論空燃比よりも薄
い側では限界電流特性を得るため、所定電圧以上
の電圧を印加するが、この所定電圧の値を理論空
燃比より濃い側の空燃比において生ずる起電力よ
りも小さく、かつ理論空燃比より薄い側の空燃比
において生ずる起電力よりも大きい電圧とし、こ
の電圧を電極２，３間に印加すれば、理論空燃比
より薄い側は限界電流値により検出し、理論空燃
比より濃い側の判定はその濃い側にてセンサに印
加電圧以上の濃淡起電力が発生し、これにともな
い電流の向きが逆転することを応用して検出する
ことができる。従つて、出力電流を検出処理する
ことにより、異なつた検出原理で生じる出力を連
続的かつ確実に処理でき、理論空燃比より濃い側
か否かの検出、ならびに理論空燃比点から薄い側
までのすべてのポイントの空燃比の検出が連続的
に行える。
比較検討してわかるように、理論空燃比よりも薄
い側では限界電流特性を得るため、所定電圧以上
の電圧を印加するが、この所定電圧の値を理論空
燃比より濃い側の空燃比において生ずる起電力よ
りも小さく、かつ理論空燃比より薄い側の空燃比
において生ずる起電力よりも大きい電圧とし、こ
の電圧を電極２，３間に印加すれば、理論空燃比
より薄い側は限界電流値により検出し、理論空燃
比より濃い側の判定はその濃い側にてセンサに印
加電圧以上の濃淡起電力が発生し、これにともな
い電流の向きが逆転することを応用して検出する
ことができる。従つて、出力電流を検出処理する
ことにより、異なつた検出原理で生じる出力を連
続的かつ確実に処理でき、理論空燃比より濃い側
か否かの検出、ならびに理論空燃比点から薄い側
までのすべてのポイントの空燃比の検出が連続的
に行える。
なお、本発明は上述の実施例に限定されず、以
下のごとく種々の変形が可能である。
下のごとく種々の変形が可能である。
(1) 素子１ａの電極２，３は酸素濃淡起電力なら
び限界電流値の両方を検出する機能をもたせて
いるが、これらを検出する独立した電極を素子
１ａに設けるようにしてもよい。
び限界電流値の両方を検出する機能をもたせて
いるが、これらを検出する独立した電極を素子
１ａに設けるようにしてもよい。
(2) 理論空燃比センサ、リーンセンサをそれぞれ
独立に備え、これを組合せるようにしても勿論
よい。
独立に備え、これを組合せるようにしても勿論
よい。
(3) 前記第４図における出力電圧e0の処理方法は
電圧比較としたが、デイジタルで処理したり、
他の方式で処理しても勿論よい。
電圧比較としたが、デイジタルで処理したり、
他の方式で処理しても勿論よい。
(4) 本発明は内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検
出するものに用途限定されず、例えば熱効率を
高めるために溶鉱炉の燃焼機構より排出される
排ガス中の酸素濃度を検出するものにも適用で
きる。
出するものに用途限定されず、例えば熱効率を
高めるために溶鉱炉の燃焼機構より排出される
排ガス中の酸素濃度を検出するものにも適用で
きる。
(5) 素子１ａはカツプ状でなくて板状でもよい。
以上詳述したことから明白なごとく、本発明に
よれば、空燃比が理論空燃比より濃い側にあるか
否かということ、ならびに理論空燃比、理論空燃
比より薄い側の空燃比の酸素濃度を連続的にで
き、従つてそれらの空燃比を検出するのに各空燃
比に対応する出力を切換えるといつた面倒な操作
を必要としないという極めて優れた効果を奏す
る。
よれば、空燃比が理論空燃比より濃い側にあるか
否かということ、ならびに理論空燃比、理論空燃
比より薄い側の空燃比の酸素濃度を連続的にで
き、従つてそれらの空燃比を検出するのに各空燃
比に対応する出力を切換えるといつた面倒な操作
を必要としないという極めて優れた効果を奏す
る。
第１図は本発明の一実施例における酸素センサ
の構造を模式的に示す断面図、第２図、第３図
ａ，ｂ、第５図、第６図は本発明の作用説明に供
する特性図、第４図および第７図は本発明の一実
施例および他の実施例における電気回路図であ
る。 １……酸素センサ、１ａ……固体電解質素子、
２，３……電極、４……拡散抵抗層、６……電圧
源をなす印加電圧電源、７……抵抗体、８……検
出回路をなす差動増幅器。
の構造を模式的に示す断面図、第２図、第３図
ａ，ｂ、第５図、第６図は本発明の作用説明に供
する特性図、第４図および第７図は本発明の一実
施例および他の実施例における電気回路図であ
る。 １……酸素センサ、１ａ……固体電解質素子、
２，３……電極、４……拡散抵抗層、６……電圧
源をなす印加電圧電源、７……抵抗体、８……検
出回路をなす差動増幅器。
Claims (1)
- １ 一方の面が排気ガスに、他方の面が基準ガス
にそれぞれ晒され、前記一方の面と前記他方の面
との間に酸素イオンを伝導させる固体電解質素子
と、該固体電解質素子の前記一方の面と前記他方
の面との間の酸素濃度差に応じた起電力を発生せ
しめるよう、前記固体電解質素子の前記一方の面
および前記他方の面にそれぞれ設けられた第１、
第２の電極と、前記固体電解質素子の前記一方の
面の前記第１の電極の表面に、該第１の電極を覆
うように設けられ、該第１の電極から前記固体電
解質素子を経て前記第２の電極へ拡散する酸素イ
オンの量を制限する拡散抵抗層と、前記固体電解
質素子の前記第１の電極と前記第２の電極との間
に、排気ガス中の酸素濃度に対応して前記第１の
電極と前記第２の電極との間に限界電流を流す所
定電圧を印加し、該所定電圧が、理論空燃比より
薄い側の空燃比において前記第１および前記第２
の電極の間で発生する起電力より大きく、かつ理
論空燃比より濃い側の空燃比において前記第１お
よび第２の電極間で発生する起電力より小さい値
である電圧源と、前記固体電解質素子の前記第１
および前記第２の電極に直列に接続され、前記固
体電解質素子を伝導する酸素イオンの量に対応し
て生ずる電流が流れる抵抗体と、該抵抗体に接続
され、理論空燃比より薄い側の空燃比では酸素濃
度に対応して生ずる前記限界電流を検出し、かつ
理論空燃比より濃い側の空燃比では、前記所定電
圧と該濃い側の空燃比における前記起電力との差
に対応して前記限界電流とは逆向きに生ずる電流
を検出する検出回路と、を具備したことを特徴と
する酸素濃度検出装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57062688A JPS58179351A (ja) | 1982-04-15 | 1982-04-15 | 酸素濃度検出装置 |
| DE19833313783 DE3313783A1 (de) | 1982-04-15 | 1983-04-15 | Fuehlvorrichtung fuer die sauerstoffkonzentration |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57062688A JPS58179351A (ja) | 1982-04-15 | 1982-04-15 | 酸素濃度検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58179351A JPS58179351A (ja) | 1983-10-20 |
| JPH0245819B2 true JPH0245819B2 (ja) | 1990-10-11 |
Family
ID=13207468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57062688A Granted JPS58179351A (ja) | 1982-04-15 | 1982-04-15 | 酸素濃度検出装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58179351A (ja) |
| DE (1) | DE3313783A1 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA1223641A (en) * | 1984-03-05 | 1987-06-30 | Olivier De Pous | Device for generating an electric signal linearly dependent upon the oxygen content of a gaseous mixture |
| JPS6321549A (ja) * | 1986-07-15 | 1988-01-29 | Ngk Insulators Ltd | 限界電流測定回路 |
| JPS6355453A (ja) * | 1986-08-27 | 1988-03-09 | Hitachi Ltd | 空燃比測定装置 |
| IT1245011B (it) * | 1991-01-29 | 1994-09-13 | Weber Srl | Sistema di comando di un dispositivo di regolazione del titolo di una miscela di carburante per un motore a combustione interna |
| TW338094B (en) * | 1996-05-22 | 1998-08-11 | Toyota Motor Co Ltd | Method and device of burning control of an oxygen sensor |
| JP6575452B2 (ja) * | 2016-07-26 | 2019-09-18 | 株式会社デンソー | ガス濃度検出装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55154450A (en) * | 1979-05-19 | 1980-12-02 | Nissan Motor Co Ltd | Air-fuel-ratio detector |
-
1982
- 1982-04-15 JP JP57062688A patent/JPS58179351A/ja active Granted
-
1983
- 1983-04-15 DE DE19833313783 patent/DE3313783A1/de active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3313783A1 (de) | 1983-10-27 |
| JPS58179351A (ja) | 1983-10-20 |
| DE3313783C2 (ja) | 1990-07-19 |
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