JPH0441780B2

JPH0441780B2 -

Info

Publication number: JPH0441780B2
Application number: JP59240095A
Authority: JP
Inventors: Hajime Nishizawa; Yoshihiko Mizutani
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1984-11-14
Filing date: 1984-11-14
Publication date: 1992-07-09
Also published as: JPS61118653A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、例えば自動車のエンジンなど内燃
機関の排気ガス等の被測定ガス雰囲気中の酸素濃
度を測定するために用いられる酸素センサのよう
な電気化学的素子の電流制御方法に関し、特に、
被測定ガス雰囲気の変化に対する応答性向上を可
能とする電気化学的素子の電流制御方法に関す
る。

（従来の技術）従来から、例えば自動車の内燃機関の排気ガス
中の酸素濃度を検出する酸素センサとして、ジル
コニア磁器等の酸素イオン導電性固体電解質を用
いて、酸素濃淡電池の原理を利用した電気化学的
素子が知られている。

このような電気化学的素子として今までに知ら
れているものは、有底円筒状に形成した酸素イオ
ン導電性固体電解質（以下、「固体電解質」と略
称する）の内外面に電極を設け、内面の電極を基
準電極として大気等の基準ガスに曝し、外面の電
極を測定電極として前記内燃機関の排気ガスのよ
うな被測定ガス雰囲気中に接触させ、両電極間の
起電力の大小から被測定ガス雰囲気中の酸素濃度
を測定するものや、長手平板状に形成した固体電
解質の板に同様にして基準電極と測定電極を設け
たもの等がある。

また、所謂リーンセンサとして、予め定められ
た拡散抵抗を有し、かつガス導入孔を通じて被測
定ガス空間に連通している平坦空間内の酸素濃度
を所定値とするために、該平坦空間に接する酸素
ポンプ電極を設け、この酸素ポンプ電極に電流を
流すこと（酸素イオン伝導作用を利用する）によ
り、酸素を平坦空間内へ汲入れたり、あるいは平
坦空間外へ汲出したりするものも知られている。

さらに、被測定ガス雰囲気がリーン（空気過剰
状態）からリツチ（燃料過剰状態）に変化した際
（例えば自動車の急加速）と、リツチからリーン
に変化した際（例えば自動車の走行中において燃
料供給量の低減がなされた際等）とで、前記酸素
ポンプ電極間に流す電流の方向を切換えるような
制御方法も考え出されている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上記のように、被測定ガス雰囲
気が、リーンからリツチに変化するとき、被測定
ガス雰囲気側に配設されている電極には吸着ある
いは溶解した酸素が暫くの間残存しており、この
ために、被測定ガス雰囲気が実際にはリツチであ
るにも拘わらず、暫くの間、酸素濃度測定出力
（基準電極と測定電極間の起電力信号）がリーン
を示してしまい、被測定ガス雰囲気変化に対する
測定出力の応答が遅れてしまう。

また、リツチからリーンへ変化した際には、被
測定ガス雰囲気中の未燃焼ガス成分（例えばCO
やH₂等）が電極に吸着あるいは溶解して残存し
ているため、被測定ガス状態が実際にはリーンで
あるにも拘わらず測定出力が暫くの間リツチを示
す現象が生じ、やはり応答遅れが発生する。

これは、例えば自動車の空燃比制御を行うにあ
たつて、上記応答遅れのために、適正な制御が行
えないという問題として現われてくる。

（問題点を解決するための手段）上記問題点を解決するために、本発明は、上述
したように被測定ガス雰囲気がリーンからリツチ
あるいはリツチからリーンに変化した際の少なく
とも一方の変化時に、測定電極近傍から酸素を汲
出す方向あるいは測定電極近傍へ汲入れる方向の
何れか上記変化に対応して決められた方向へ流れ
る比較的大きなパルス電流を、電気化学的素子が
備える電極対のうち少なくとも一対の電極間に流
すようにしたことを特徴とする。

（作用）被測定ガス雰囲気がリーンからリツチに変化し
たときには、前記パルス電流を測定電極近傍から
酸素を汲出す方向へ流すことにより、電極に残存
している酸素を急速に排出し、また、リツチから
リーンに変化したときには、前記パルス電流を測
定電極近傍へ酸素を汲入れる方向へ流すことによ
り、電極に残存している未燃焼ガス成分を急速に
汲入れた酸素と反応させる。これにより、測定出
力の応答遅れを防止することができる。

この作用を第１〜４図を用いて説明する。

電気化学的素子１は、固体電解質である基体２
に接して基準ガスとしての大気に露呈している基
準電極３および被測定ガス雰囲気に露呈している
測定電極４を設けた酸素センサであり、電極３，
４間に発生する起電力を電圧検出回路５で検出し
ている。

第１図に示すように、被測定ガス雰囲気がリー
ンである場合、被測定ガスと基準ガスとの酸素濃
度差は小さく、酸素濃淡電池の原理によつて電極
３，４間に発生する起電力は小さい。また測定電
極４には、多量の酸素が吸着あるいは溶解してい
る。この状態から、被測定ガス雰囲気がリツチに
急変すると、第２図に示すように、測定電極４に
吸着あるいは溶解している酸素が、被測定ガス中
の未燃焼ガス成分であるCO、H₂等と反応して除
去されるまで暫くの間残存している。従つて被測
定ガスと基準ガス間の酸素濃度差が大きいにもか
かわらず電極３，４間の起電力は、小さいままで
あり、応答遅れが存在する。この応答遅れは、リ
ーン度合が大きい（残存酸素が多い）状態から、
リツチ度合が小さい（未燃焼ガス成分が少ない）
状態に変化した場合に最も顕著である。

本発明では、第３図に示すように、被測定ガス
雰囲気がリーンからリツチに変化したときに、パ
ルス電流発生回路６により、測定電極４から基準
電極３へ酸素を汲出す方向（図中のIpの方向）に
パルス電流を流すことにより測定電極４の残存酸
素を除去しており、第４図に示すように、被測定
ガス雰囲気がリツチに変化後、小さい応答遅れ時
間で、被測定ガスと基準ガス間の酸素濃度差に応
じた起電力を得ることができる。

被測定ガス雰囲気が、リツチからリーンに変わ
る場合は、測定電極４に吸着あるいは溶解してい
るのは未燃焼ガス成分であり、測定電極４へ酸素
を汲入れる方向にパルス電流を流すことにより、
前記未燃焼ガス成分を速やかに酸素と反応させて
除去し応答遅れを防止することができる。

（実施例）本発明の第１実施例として、自動車に搭載され
る酸素センサを制御対象とした例を第５図に示
す。

本実施例が制御対象とする電気化学的素子１１
は、有底円筒状の固体電解質で形成された基材１
２の外側に測定電極１３を、これと対向するよう
に基準ガス導入路１５に接して基準電極１４を設
けてある。測定電極１３は、多孔質セラミツクよ
りなる保護層１６で覆われており、この保護層１
６を介して被測定ガスとなる自動車の内燃機関の
燃焼ガスに曝されており、基準ガス（大気）に曝
された基準電極１４との間で酸素濃淡電池の原理
による起電力の大小によつて、燃焼ガス中の酸素
濃度を測定するものである。

上記測定電極１３と基準電極１４間に生じる起
電力V₁は、電圧検出回路２１により検出され、
この検出信号S_Vは、自動車に搭載されるエンジ
ン制御装置へフイードバツクされる。パルス電流
発生回路２２は、図示しない空燃比変更信号S_Gに
応じてパルス電流を発生する。即ち上記信号S_Gの
内容が、リーンからリツチへの変化を示す場合に
は、基準電極１４から測定電極１３の方向へ一定
時間だけ比較的大きなパルス電流I₁を流し、測定
電極１３から基準電極１４へ酸素を汲出す。また
上記信号S_Gの内容がリツチからリーンへの変化を
示す場合には、上記とは逆に、測定電極１３から
基準電極１４の方向へ一定時間比較的大きくパル
ス電流I₂を流し、基準電極１４から測定電極１３
へ酸素を汲入れる。

この電気化学的素子１１を用いた測定例を第６
図および第７図に示す。燃焼ガスがリーンから理
論空燃比に近いリツチ（空燃比16.0から13.5）に
変化した場合、従来の制御による電気化学的素子
１１の起電力変化は、測定電極１３を基準電位と
したときの基準電極１４の電位変化で表され、第
６図に示したようになる。残留酸素の影響のた
め、測定信号が、実際の燃焼ガス中の酸素濃度を
示す値（但し90％応答値）に達するまでに空燃比
変更信号S_G発生後約0.6秒を要する。

これに対し、本発明の制御では、その電位変化
を第７図に示したように上記リーンからリツチへ
の変化時に、空燃比変更信号S_Gが発生した時点か
ら比測定ガス雰囲気変化が生ずる時間を考慮して
任意に設定した遅れ時間0.1秒後に約0.1秒間パル
ス電流を印加した。これにより、測定電極１３に
吸着あるいは溶解により残留していた酸素は、強
制的に基準ガス導入路１５内へ汲出され、測定電
極１３表面の残留酸素は急速に除去される。電極
間電圧V₁はパルス電流I₁停止後短時間で、実際の
燃焼ガスの酸素濃度に対応する信号に達し、応答
時間は、空燃比変更信号S_G発生時から約0.35秒
（90％応答値）であつた。

次に本発明の第２実施例の構成を第８図に示
す。なお、本実施例も自動車に搭載される酸素セ
ンサを制御対象とした例を示す。

本実施例が制御対象とする電気化学的素子４１
は、酸素ポンプ電極５３，５４を備えた酸素セン
サである。すなわち、複数枚の長手板状の固体電
解質を積層してなるとともに、基準ガス導入路４
５および平坦空間４３が形成された基体４２の平
坦空間４３内面上部に酸素ポンプ電極の一方５４
を、他方５３をこれと対向するように基体４２の
上面に形成してある。

また、平坦空間４３の内面下部辺縁に測定電極
５２、基準ガス導入路４５の内面上部に基準電極
５１が形成されており、基体４２の下面には、加
熱用ヒーター４６が積層されている。

上記平坦空間４３の上面中央には、被測定ガス
となる被測定ガス雰囲気雰囲気に通ずるガス導入
孔４４が形成されている。

そして、上記酸素ポンプ電極５３，５４には、
電流制御回路６２から出力される電極間電流I₃が
流され、この電極間電流I₃は、電流検出回路６１
によりその電流量が検出され、この検出信号S_I
は、自動車に搭載されるエンジン制御装置へフイ
ードバツクされる。

また、測定電極５２と基準電極５１との間の起
電力V₂は、切換回路６６を介して、空燃比判定
回路６３へ入力されている。この空燃比判定回路
６３は、例えば、同図に示すような基準電圧源６
４からの電圧と上記起電力V₂とを比較するコン
パレータで構成することができる。

上記切換回路６６は、図示しない空燃比化変更
信号S_Gに応答して定電圧発生回路６５に切換わる
ものである。

ここで、上記基準電圧源６４からは、例えば
0.45Vの基準電圧を発生するものとし、定電圧発
生回路６５は、上記信号S_Gの内容に応じて0.40V
あるいは0.50Vの定電圧の何れか一方を発生する
ものとする。すなわち、基準電圧は、測定電極５
２近傍の雰囲気が理論空燃比となつているときの
起電力V₂の値に相当するものであり、空燃比判
別回路６３は、測定電極５２近傍の状態が理論空
燃比状態よりリツチであるかリーンであるかの判
別を行うものであると言える。

上記電流制御回路６２は、空燃比判別回路６３
の出力S_Cに基づいて、酸素ポンプ電極５３，５４
に流す電極間電流I₃を変化させる回路であり、測
定電極５２近傍がリーン状態にあるときには、正
方向（図中の矢印方向）へ、出力S_Cのレベルに対
応した大きさの電流I₃を流し、測定電極５２近傍
がリツチ状態にあるときには、逆方向（図中の矢
印とは逆方向）へ、出力S_Cのレベルに対応した大
きさの電流I₃を流すものである。すなわち、測定
電極５２近傍がリーン状態のときには、酸素ポン
プ電極５３から５４へ電流を流して、測定電極５
２近傍から酸素を汲出して、測定電極５２近傍を
理論空燃比またはリツチ雰囲気へ移行させ、測定
電極５２近傍がリツチ状態のときには、酸素ポン
プ電極５４から５３へ電流を流して、測定電極５
２近傍へ酸素を汲入れて測定電極５２近傍を理論
空燃比またはリーン雰囲気へ移行させるのであ
る。

そして、このときの電極間電流I₃の検出信号S_I
がエンジン制御装置へフイードバツクされること
により、燃料噴射量や点火時期制御に利用される
ことになる。このエンジン制御装置においては、
上記のエンジン制御の他、アクセル量や燃料噴射
量等に基づいて、上記空燃比がリーンからリツ
チ、あるいはリツチからリーンの状態変化が生じ
ることを判断し、この状態変化が生じるものと判
定がなされたときに上記空燃比変更信号S_Gを一定
時間発生する動作（この間、検出信号S_Iのフイー
ドバツク制御は中断する）も行われる。

このような構成により本実施例は、次に説明す
るような電流制御動作を行うことになる。

先ず、被測定ガス雰囲気雰囲気がリーンあるい
はリツチの状態の何れか一方にあつて、その酸素
濃度が少量ずつ変化している場合には、空燃比変
更信号S_Gは発生しないため、上記切換回路６６
は、基準電極５１側へ接続されて、起電力V₂を
空燃比判別回路６３へ送る。従つて、このとき
は、被測定ガスがガス導入孔４４を通つて平坦空
間４３内を測定電極５２へ向かつて拡散してくる
ため、この測定電極５２近傍の状態を理論空燃比
状態とすべく電極間電流I₃を変化させるように電
流制御回路６２は動作する。

次に、急加速時のように、被測定ガス状態がリ
ーンからリツチ状態へ急峻に変化する必要が生じ
ると、エンジン制御装置から空燃比変更信号S_Gが
送られ、切換回路６６は、定電圧発生回路６５側
へ切換わり、また、定電圧発生回路６５は、信号
S_Gの内容に対応した定電圧、すなわち、この場合
には0.40Vの定電圧を発生する。

これにより、空燃比判別回路６３では、基準電
圧（0.45V）よりも低い電圧（0.40V）が入力さ
れるため、測定電極５２近傍はリーン状態である
ものと判断し、リーン状態に対応する出力S_C（し
かも、両電圧の差0.45−0.40に対応する出力レベ
ルとなつて出力される）が電流制御回路６２へ供
給される。

従つて、電流制御回路６２からは、測定電極５
２近傍がリーン状態であるときの電極間電流I₃を
発生して、測定電極５２近傍から酸素の汲出しが
行われる。このとき流れる電極間電流I₃は、上記
電圧差（0.45−0.40）が大きいため、これに対応
して比較的大きな電流値となり、かつ、信号S_Gが
発生する一定時間だけこの大きな電流を流される
ことになる。すなわち、上記一定時間をパルス幅
とするパルス電流となる。

従来の制御方法、すなわち、空燃比変更S_Gに関
係なく切換回路６６を常時基準電極５１側へ接続
したままで制御した場合の応答性を第９図に示
す。電気化学的素子４１のヒータ４６に加熱電力
8.3Wを与えて、自動車の排気ガス中に配置し、
電極間電流I₃を測定した。

排気ガスがリーンから理論空燃比に近いリツチ
へ変化（空燃比16.0から14.0へ変化）したとき、
平坦空間４３内の（主に酸素ポンプ電極５４に吸
着あるいは溶解している）残留酸素があるため、
被測定ガス空間から平坦空間４３を拡散してくる
未燃焼ガス成分は、この残留酸素と反応して測定
電極５２に到達しない。

従つて、残留酸素が、未燃焼ガス成分と反応し
て除去されるまで、電極間電流I₃をそれほと流す
ことなしに測定電極５２が理論空燃比あるいはや
やリーンに保たれ、測定信号（電流I₃）の値は０
もしくはややプラスに保たれる。空燃比変更信号
S_G発生後、測定信号がリツチを表す値に達するま
では約0.9秒（90％応答）の応答時間を要してい
る。

これに対し、本発明の制御方法では、その応答
性を第１０図に示したように、排気ガスがリーン
から理想空燃比に近いリツチへ変化したとき（空
燃比16.0から14.0へ変化させたとき）に、この空
燃比変更信号S_Gが発生した時点で、切換回路６６
を定電圧発生回路６５側へ切換えることによつ
て、約20mAと大きなパルス電流（パルス幅約0.2
秒）が流れる。これにより、平坦空間４３内の残
存酸素は強制的に排出され、パルス電流の発生を
終了した時点では、平坦空間４３内が排気ガスの
酸素濃度よりも低い酸素濃度となつていた。これ
が空燃比判別回路６３で判別されたため、この時
点では、上記パルス電流とは逆方向へ大きな電流
が流れる（これを「キツクバツク電流」と言う）
ものの、短時間のうちに排気ガスの酸素濃度に対
応する電流値に達する（この間、約0.13秒）。

このように、本発明の制御方法では、被測定ガ
ス雰囲気状態がリーンからリツチに急変した際の
測定信号S_Iの応答時間は、約0.33秒と極めて短時
間となる。

なお、上記本実施例において、パルス電流を流
し終わつた後、一定期間測定信号S_Cをフイードバ
ツクすることを中断することにより、平坦空間４
３中のガス濃度分布を緩和することができ、第１
１図に現れているキツクバツク電流の発生を緩和
あるいは防止できる。これにより、更に、応答時
間が短縮される。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明は、被測定
ガスの雰囲気が、リーンからリツチあるいはリツ
チからリーンへ変化したときに、測定電極表面付
近に吸着あるいは溶解等により残留している酸素
あるいは未燃焼ガス成分を、電極間にパルス電流
を流すことで強制的に排除するようにしたことに
よつて、被測定ガス雰囲気の変化に対する測定信
号の応答性を極めて高いものとすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は、本発明の制御方法による動
作を説明するための電気化学的素子の部分拡大
図、第５図は本発明の第１実施例の構成図、第６
図は同実施例と対比するための従来例における電
極間電圧の変化特性図、第７図は同実施例の電極
間電圧の変化特性図、第８図は本発明の第２実施
例の構成図、第９図は同実施例と対比するための
従来例における電極間電流の変化特性図、第１０
図は同実施例の電極間電流の変化特性図である。１，１１，４１…電気化学的素子、３，１４，
５１…基準電極、４，１３，５２…測定電極、５
３，５４…酸素ポンプ電極、６１…電流検出回
路、６２…電流制御回路、６３…空燃比判別回
路、６４…基準電圧源、６５…定電圧発生回路、
６，２２…パルス電流発生回路、６６…切換回
路、５，２１…電圧検出回路、S_G…空燃比変更信
号。

Claims

【特許請求の範囲】１酸素イオン導電性固体電解質、および該固体
電解質に接して設けられた少なくとも一対の電極
よりなり、且つ該一対の電極の少なくとも一方の
電極が被測定ガス空間に露呈しているか、または
被測定ガスに対して予め定められた拡散抵抗を介
して被測定ガスに接する測定電極である電気化学
的セルにおいて、前記電気化学的セルの電極のう
ち、測定電極または測定電極と実質的に同一の雰
囲気に露呈せしめられている電極のいずれかと、
これと対をなす電極との間の電極間電流を制御す
る方法であつて、前記被測定ガス雰囲気がリーン（空気過剰状
態）からリツチ（燃料過剰状態）へ変化したとき
に、前記電極間電流として測定電極または測定電
極と実質的に同一の雰囲気に露呈せしめられる電
極のいずれかから酸素を汲出す方向へパルス電流
を流す制御、あるいは、前記被測定ガス雰囲気がリツチから
リーンへ変化したときに、前記電極間電流とし
て、測定電極または測定電極と実質的に同一の雰
囲気に露呈せしめられる電極のいずれかに酸素を
汲入れる方向へパルス電流を流す制御の少なくと
も一方の制御を行うことを特徴とする電気化学的
素子の電流制御方法。２前記電気化学的素子は、前記被測定ガス雰囲
気に接する測定電極と基準ガスに接する基準電極
とを備え、かつこれら測定電極と基準電極間の電
流を制御する特許請求の範囲第１項記載の電気化
学的素子の電流制御方法。３前記電気化学的素子は、基準ガスに接する基
準電極と、予め定められた拡散抵抗を介して被測
定ガスに接する測定電極と、該測定電極近傍の雰
囲気を調整する酸素ポンプ電極とを備え、かつ、
該酸素ポンプ電極間あるいは測定電極と基準電極
間の少なくとも一方の間の電流を制御する特許請
求の範囲第１項記載の電気化学的素子の電流制御
方法。４前記基準電極と測定電極間の電位差が所定値
となるように前記酸素ポンプ電極間電流をフイー
ドバツク制御するとともに、前記リーン状態から
リツチ状態あるいはその逆の変化の何れか一方が
生じたときに、前記フイードバツク制御を中断し
て当該被測定ガス雰囲気の変化に対応する前記パ
ルス電流を前記酸素ポンプ電極間あるいは測定電
極と基準電極間の少なくとも一方の間に流す特許
請求の範囲第３項記載の電気化学的素子の電流制
御方法。５前記被測定ガス雰囲気の変化が生じた時に、
前記所定値を一時的に変更することにより前記パ
ルス電流を発生する特許請求の範囲第４項記載の
電気化学的素子の電流制御方法。６前記パルス電流を流した後一定期間前記フイ
ードバツク制御を中断する特許請求の範囲第４項
あるいは第５項の何れかに記載の電気化学的素子
の電流制御方法。