JPH05149920A - Oxygen detecting sensor - Google Patents

Oxygen detecting sensor

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JPH05149920A
JPH05149920A JP4138378A JP13837892A JPH05149920A JP H05149920 A JPH05149920 A JP H05149920A JP 4138378 A JP4138378 A JP 4138378A JP 13837892 A JP13837892 A JP 13837892A JP H05149920 A JPH05149920 A JP H05149920A
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lean
cell
air
fuel ratio
sensor
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Kiyomitsu Suzuki
清光 鈴木
Masayuki Miki
政之 三木
Takao Sasayama
隆生 笹山
Toshitaka Suzuki
敏孝 鈴木
Nobuo Sato
信夫 佐藤
Sadayasu Ueno
定寧 上野
Akira Ikegami
昭 池上
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Abstract

PURPOSE:To obtain a highly resposive, highly accurate oxygen detecting sensor by forming a first cell part at one side of solid electrolyte, forming a second cell part at the other side, and providing an oxygen reference electrode in the second cell part. CONSTITUTION:This sensor comprises a laminated body, wherein a lean cell 12, a Stoick cell 13 and a heater 14 are arranged in zirconia solid electrolyte 11. The cell is constituted of four electrodes. The air fuel ratio of a lean region is detected with a flowing pumping-current value Ip (the limit electrode value, which is unequivocally determined by diffusion control) when the lean cell 12 is excited with a voltage EL. A theoritical air-fuel ratio is detected with electromotive force elambda, which is generated when the Stoick cell 13 is excited with a current value Ip* from a current source. At this time, the exciting voltage of the lean cell is controlled so that the electromotive force of the oxygen reference electrode becomes equal to the preset voltage. Thus, the driving circuit of the sensor is easily constituted. When the preset voltage is made variable in response to the excess air ratio in the lean region, the response is improved.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は酸素検出センサに係り、
特に内燃機関の空燃比制御装置用の空燃比センサに関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen detection sensor,
In particular, the present invention relates to an air-fuel ratio sensor for an air-fuel ratio control device of an internal combustion engine.

【0002】[0002]

【従来の技術】図1に内燃機関の空燃比制御装置の概略
構成を示す。空燃比センサ1,エアフローセンサ2,水
温センサ3,クランクシャフトセンサ4などのセンサか
ら機関情報をコントロールユニット5に取込み、燃料噴
射弁6,イグニッションコイル7,アイドルスピードコ
ントロールバルブ8,排ガス環流量制御バルブ9や燃料
ポンプ10などを制御するシステムの一例を示したもの
であり、空燃比センサ1はこのシステムの重要なデバイ
スになっている。
2. Description of the Related Art FIG. 1 shows a schematic structure of an air-fuel ratio control system for an internal combustion engine. The engine information is taken into the control unit 5 from the sensors such as the air-fuel ratio sensor 1, the air flow sensor 2, the water temperature sensor 3, the crankshaft sensor 4, etc., and the fuel injection valve 6, the ignition coil 7, the idle speed control valve 8, the exhaust gas recirculation flow control valve. 9 shows an example of a system for controlling the fuel injection system 9 and the fuel pump 10, and the air-fuel ratio sensor 1 is an important device of this system.

【0003】図2は空燃比に対する酸素と一酸化炭素の
濃度及び燃焼効率の関係を示す。従来の内燃機関は加速
などのパワーを要する時(この場合はリッチ領域で制
御)を除き、理論空燃比(Stoich,空燃比A/F=1
4.7 ,空気過剰率λ=1)で制御されていた。これは
空燃比センサとして実用に供するものが理論空燃比セン
サ(以後、ストイックセンサと呼ぶことにする)しかな
かったことや排ガス対策によるためである。燃焼効率は
図2に示す如く、燃料の希薄側即ち、リーン側で最大に
なることが知られている。それ故、少なくともアイドル
や軽負荷領域などではエンジンをリーン制御することが
望ましく、この領域の空燃比を高精度に検出できるリー
ンセンサがこの場合の重要なデバイスとなる。このよう
に、今後のエンジン制御においてはストイックセンサと
リーンセンサの機能を有する高機能な複合空燃比センサ
が必要になる。しかし、このような空燃比センサは実用
化されるには至っていない。これは、簡単な構造で高精
度,高信頼性のものが未だ実現されていないためであ
る。
FIG. 2 shows the relationship between oxygen and carbon monoxide concentrations and combustion efficiency with respect to the air-fuel ratio. The conventional internal combustion engine does not require the power such as acceleration (in this case, control in the rich region), except for the theoretical air-fuel ratio (Stoich, air-fuel ratio A / F = 1
4.7, the excess air ratio λ = 1) was used for control. This is because there is only the theoretical air-fuel ratio sensor (hereinafter referred to as stoic sensor) that can be put to practical use as an air-fuel ratio sensor, and it is due to measures against exhaust gas. It is known that the combustion efficiency becomes maximum on the lean side of the fuel, that is, on the lean side, as shown in FIG. Therefore, it is desirable to lean control the engine at least in the idle and light load regions, and a lean sensor that can detect the air-fuel ratio in this region with high accuracy is an important device in this case. As described above, in the future engine control, a highly functional composite air-fuel ratio sensor having the functions of the stoic sensor and the lean sensor is required. However, such an air-fuel ratio sensor has not been put to practical use. This is because a simple structure with high accuracy and high reliability has not been realized yet.

【0004】リーンセンサとストイックセンサを複合化
した高機能なエンジン制御用空燃比センサの概念が既に
知られている。その例を以下に簡単に述べる。
The concept of a highly functional air-fuel ratio sensor for engine control, in which a lean sensor and a stoic sensor are combined, is already known. An example will be briefly described below.

【0005】第1の例は、ヒータを中央にはさんでリー
ンセンサとストイックセンサをサンドイッチ状に積層し
たものが知られている(特開昭55−125448号)。
A first example is known in which a heater and a stoichiometric sensor are laminated in a sandwich shape with a heater sandwiched in the center (JP-A-55-125448).

【0006】第二の例は例えば特開昭55−154450号で提
案されているような、セル励起電圧の極性を変えること
によって、リーン及びストイック点の検出を行なう空燃
比センサが知られている。
A second example is an air-fuel ratio sensor, which is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 55-154450, which detects the lean and stoic points by changing the polarity of the cell excitation voltage. ..

【0007】第三の例は例えば特開昭58−48749 号で提
案されているような、袋管状の固体電解質の内部に傍熱
型のヒータを配置し、センサの測定回路を部分的に切換
えることによって両機能を得る空燃比センサが知られて
いる。
In a third example, an indirectly heated heater is arranged inside a bag-shaped solid electrolyte as proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 58-48749, and the measurement circuit of the sensor is partially switched. An air-fuel ratio sensor that obtains both functions is known.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記第一の例
はこのセル構成はセル励起電圧の極性を変えるため、回
路構成が複雑になる。また、リーン機能とストイック機
能の同時出力化が困難であるという問題があった。
However, in the first example, the cell configuration changes the polarity of the cell excitation voltage, so that the circuit configuration becomes complicated. Further, there is a problem that it is difficult to output the lean function and the stoic function simultaneously.

【0009】また、上記第二の例は、基準大気の導入路
が必要で、センサの電極が4電極と構造が複雑なこと、
ヒータの熱効率が劣るという問題があった。
In the second example, a reference air introduction path is required, and the sensor electrode has four electrodes and the structure is complicated.
There was a problem that the thermal efficiency of the heater was inferior.

【0010】さらに、上記第三の例は、第二の例と同じ
く、応答性や使用性に問題があった。
Furthermore, the third example has problems in responsiveness and usability as in the second example.

【0011】本発明の目的は、簡単な構造で、高応答,
高精度の検出が可能な酸素検出センサを提供することに
ある。
An object of the present invention is to provide a simple structure, high response,
It is to provide an oxygen detection sensor capable of highly accurate detection.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的は、一方の側に
形成された第一のセル部と、他方の側に形成された第二
のセル部とを有する固体電解質を備えた酸素検出センサ
において、前記第一のセル部は一方の面に第1の主電
極,他方の面に第2の主電極を有し、前記第二のセル部
は一方の面に上記第1の主電極と実質的に同電位の主電
極,他方の面に酸素基準極とを備えることによって達成
される。
The above object is to provide an oxygen detection sensor having a solid electrolyte having a first cell portion formed on one side and a second cell portion formed on the other side. In the above, the first cell portion has a first main electrode on one surface and a second main electrode on the other surface, and the second cell portion has the first main electrode on one surface. This is achieved by providing a main electrode having substantially the same potential and an oxygen reference electrode on the other surface.

【0013】[0013]

【作用】酸素基準極の起電力が設定電圧と等しくなるよ
うに、リーンセルの励起電圧が制御される。これにより
センサの駆動回路が簡単に構成される。また、前記設定
電圧がリーン領域の空気過剰率に応じて可変にされるこ
とにより、リーンセンサの応答性が改善される。検出部
がヒータ内蔵の積層体構造に構成されることにより、検
出部は少ない電力で高温の定温度に加熱される温度影響
が小さくなる。理論空燃比近傍のリーン領域以下の空気
過剰率において、リーンセンサの陽極と陰極とが電気的
に接続されることにより、ストイック点が高精度に検出
される。また、リッチ雰囲気中での酸素不足による陰極
部の電子伝導に対する負担が低減され、センサの耐久性
が向上される。酸素基準極部の起電力でリーンセル陰極
部三層界面の酸素濃度が管理され、リーンセルのポンピ
ング能力の劣化度合が少なく、リーンセンサ機能の信頼
性が向上される。ストイックセンサ機能とリーンセンサ
機能を共に酸素ポンプ方式にすることにより、電極及び
ヒータ部材は白金系の材料で構成される。検出部の全積
層体は厚膜一貫プロセスを用い酸化雰囲気中で一体焼結
が行なわれる。これにより空燃比センサの量産性が向上
される。設定電圧が理論空燃比でスイッチング状に変化
されることにより、ストイックセンサの耐久性が向上さ
れる。
The excitation voltage of the lean cell is controlled so that the electromotive force of the oxygen reference electrode becomes equal to the set voltage. As a result, the sensor drive circuit is simply configured. Further, the responsiveness of the lean sensor is improved by making the set voltage variable according to the excess air ratio in the lean region. By configuring the detection unit to have a laminated structure having a built-in heater, the detection unit is less affected by temperature when heated to a high constant temperature with less electric power. At an excess air ratio below the lean region near the stoichiometric air-fuel ratio, the stoichiometric point is detected with high accuracy by electrically connecting the anode and cathode of the lean sensor. Further, the burden on the electron conduction of the cathode portion due to lack of oxygen in the rich atmosphere is reduced, and the durability of the sensor is improved. The electromotive force of the oxygen reference electrode portion controls the oxygen concentration at the three-layer interface of the lean cell cathode portion, the degree of deterioration of the lean cell pumping ability is small, and the reliability of the lean sensor function is improved. The electrodes and heater members are made of a platinum-based material by adopting an oxygen pump system for both the stoic sensor function and the lean sensor function. The entire stack of detectors is integrally sintered in an oxidizing atmosphere using a thick film integrated process. This improves the mass productivity of the air-fuel ratio sensor. By changing the set voltage in a switching manner at the stoichiometric air-fuel ratio, the durability of the stoic sensor is improved.

【0014】[0014]

【実施例】本発明の空燃比センサの構造を図3に示す。
ジルコニア固体電解質11中にリーンセル12,ストイ
ックセル13及びヒータ14を配置した積層体よりな
り、セルは4電極で構成される。リーンセル12を電圧
L で励起したときに流れるポンピング電流値Ip (拡
散律速によって一義的に決まる限界電流値)でリーン領
域の空燃比,ストイックセル13を電流源から電流値I
p*で励起したときに発生する起電力eλで理論空燃比を
検出するものである。
EXAMPLE The structure of the air-fuel ratio sensor of the present invention is shown in FIG.
The zirconia solid electrolyte 11 is composed of a laminated body in which a lean cell 12, a stoic cell 13 and a heater 14 are arranged, and the cell is composed of four electrodes. An air-fuel ratio in the lean region at a pumping current value I p (a limiting current value that is uniquely determined by diffusion control) that flows when the lean cell 12 is excited by a voltage E L , and a current value I p from the current source to the stoic cell 13.
The stoichiometric air-fuel ratio is detected by the electromotive force e λ generated when excited by p *.

【0015】基本的なセンシング方法は後述の図6のも
のと同一である。ただ、検出部の構造としては4つの電
極があり、図6のものより少し複雑である。4電極の場
合、後述の3電極の場合と比較して酸素基準電極部の酸
素濃度を調節しやすい利点がある。
The basic sensing method is the same as that of FIG. 6 described later. However, the structure of the detection unit has four electrodes, which is slightly more complicated than that of FIG. In the case of four electrodes, there is an advantage that the oxygen concentration of the oxygen reference electrode portion can be easily adjusted as compared with the case of three electrodes described later.

【0016】本発明の他の実施例を図4以下に示す。な
お、図4以下において、同一の要素もしくは同等の機能
を有する要素を示すものとする。
Another embodiment of the present invention is shown in FIG. Note that, in FIG. 4 and subsequent figures, the same elements or elements having equivalent functions are shown.

【0017】本発明の一実施例を示す図4において、ジ
ルコニア固体電解質20の中央にアルミナなどの絶縁部
材21で囲まれたヒータ22があり、その上部のジルコ
ニア固体電解質20には陰極23,陽極24,多孔質状
の保護膜25,下部のジルコニア固体電解質20には酸
素基準極26が設置されている。なお、ジルコニア固体
電解質20,陰極23及び陽極24からなる部分は後述
するように、リーン機能を有する部分であり、リーンセ
ル27と呼ぶことにする。陰極23及び酸素基準極26
はそれぞれ拡散室28,29内に配置され、スリット状
の拡散路30,31を介して被測定雰囲気である排ガス
と接触する。ガス拡散抵抗体である拡散路30と31の
抵抗率の大きさは、後者(即ち、酸素基準極26と連通
する側)の方が少なくとも前者の数十倍の大きさに製作
されることが望ましい。即ち、拡散室29内へは排ガス
雰囲気中よりガスが流入しにくいように製作される。後
述するように、酸素基準極26部の酸素濃度を酸素ポン
プ作用で制御することにより理論空燃比を検出する原理
である故、基準大気の導入通路などは不要であり、セン
サの構造は複雑にはならない。また、非触媒性の金電極
などを用いることなく、センサの三電極(陰極23,陽
極24,酸素基準極26)共、全て耐久性の良好な白金
系の高融点材料で構成することができる。
In FIG. 4 showing an embodiment of the present invention, a heater 22 surrounded by an insulating member 21 such as alumina is provided in the center of a zirconia solid electrolyte 20, and a zirconia solid electrolyte 20 above it has a cathode 23 and an anode. 24, a porous protective film 25, and a lower zirconia solid electrolyte 20 are provided with an oxygen reference electrode 26. The portion composed of the zirconia solid electrolyte 20, the cathode 23 and the anode 24 is a portion having a lean function and will be referred to as a lean cell 27, as described later. Cathode 23 and oxygen reference electrode 26
Are arranged in the diffusion chambers 28 and 29, respectively, and come into contact with the exhaust gas as the atmosphere to be measured via the slit-shaped diffusion paths 30 and 31. Regarding the magnitude of the resistivity of the diffusion passages 30 and 31 which are gas diffusion resistors, the latter (that is, the side communicating with the oxygen reference electrode 26) may be made at least several tens of times larger than the former. desirable. That is, the diffusion chamber 29 is manufactured so that gas is less likely to flow into it than in the exhaust gas atmosphere. As will be described later, since the principle of detecting the stoichiometric air-fuel ratio by controlling the oxygen concentration in the oxygen reference electrode 26 by the oxygen pump action, the introduction path of the reference atmosphere is unnecessary, and the sensor structure becomes complicated. Don't Further, all three electrodes of the sensor (cathode 23, anode 24, oxygen reference electrode 26) can be made of platinum-based high-melting-point material having good durability without using a non-catalytic gold electrode or the like. ..

【0018】この結果、図に示した検出部の全体構造を
厚膜プロセス技術で積層し、約1500℃の高温度で同時、
一体焼結することが可能になり空燃比センサの量産性が
向上する。このとき、拡散路や拡散室は炭素系の有機バ
インダの焼却法によって、一体焼結時に同時に形成され
る。なお、大気導入路がないため、ヒータ22でジルコ
ニア固体電解質20を直接的に加熱できるので、ヒータ
22の熱効率を向上できる。このとき、検出部の積層体
はヒータ22に対して上,下対称構造になっており、検
出部の温度分布に優れ、高温の定温度に高い精度で制御
することができる故、温度影響の少ない高精度な空燃比
センサを提供することが可能になる。
As a result, the entire structure of the detection part shown in the figure was laminated by the thick film process technology, and simultaneously at a high temperature of about 1500 ° C.,
Since it is possible to perform integral sintering, mass productivity of the air-fuel ratio sensor is improved. At this time, the diffusion path and the diffusion chamber are simultaneously formed during the integral sintering by the incineration method of the carbon-based organic binder. Since the heater 22 can directly heat the zirconia solid electrolyte 20 because there is no air introduction passage, the thermal efficiency of the heater 22 can be improved. At this time, the laminated body of the detection unit has an upper and lower symmetric structure with respect to the heater 22, has an excellent temperature distribution of the detection unit, and can be controlled to a high constant temperature with high accuracy. It is possible to provide a small number of highly accurate air-fuel ratio sensors.

【0019】図3と図4の空燃比センサの構造上の主な
違いは電極数のみであるが、センサの駆動方法は後述す
るように根本的に異なる。
The only major difference in the structure of the air-fuel ratio sensor of FIGS. 3 and 4 is the number of electrodes, but the method of driving the sensor is fundamentally different as will be described later.

【0020】本発明の他の実施例を図5に示す。図5に
示したものは、図4におけるスリット状の拡散路30,
31が穿孔状の拡散孔になったものである。
Another embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 5 shows the slit-shaped diffusion path 30 in FIG.
31 is a perforated diffusion hole.

【0021】これらの拡散路30,31はポロシティの
高い多孔質状のものでも、原理的には何らさしつかえな
い。
In principle, the diffusion paths 30 and 31 may be porous even if they have a high porosity.

【0022】なお、図4及び図5に示したものは検出部
の右端部を省略してあるが、この右端部は適当な形状の
栓体に固定され、この栓体を介して排気管に装着され
る。
4 and 5, the right end portion of the detecting portion is omitted, but this right end portion is fixed to a plug body having an appropriate shape, and is connected to the exhaust pipe through this plug body. It is installed.

【0023】本発明による自動車用空燃比センサの動作
原理を図6に示す。図において、拡散路30,31は模
式的に示したが、これらは図4や図5に示した如き配置
や形状を有するものとして、以下の説明を行なう。この
センサが排ガス雰囲気内にさらされると、拡散路30,
31を介して拡散室28,29内へ排ガス中のガスが拡
散で流入する。リーンセル27に電圧EL を励起する
と、拡散室28内に拡散で流入した酸素ガスは陰極23
部で酸素イオン(O- -)に還元される。この酸素イオン
は大きな矢印で示す如く、ジルコニア固体電解質20内
を陽極24部に向けて移動する。そして、陽極24部で
酸化されて再び酸素ガスになり、排ガス中へ放出され
る。リーンセル27に電圧EL を励起して、ジルコニア
固体電解質20中を流れる酸素イオンの量は電流検出抵
抗32部の差電圧からポンピング電流値Ip として計測
される。リーンセル27のポンピング電流値Ip は拡散
律速に応じた限界電流値と呼ばれ、次式に示す如く排ガ
ス中の酸素分圧(濃度)Po2に比例する。
The operating principle of the air-fuel ratio sensor for automobiles according to the present invention is shown in FIG. Although the diffusion paths 30 and 31 are schematically shown in the figure, the following description will be given assuming that they have the arrangement and shape as shown in FIGS. 4 and 5. When this sensor is exposed to the exhaust gas atmosphere, the diffusion path 30,
Gas in the exhaust gas diffuses into the diffusion chambers 28 and 29 via 31. When a voltage E L is excited in the lean cell 27, the oxygen gas that has diffused into the diffusion chamber 28 flows into the cathode 23.
Part is reduced to oxygen ions (O − − ). The oxygen ions move in the zirconia solid electrolyte 20 toward the anode 24, as indicated by a large arrow. Then, it is oxidized at the anode 24 part and becomes oxygen gas again, and is released into the exhaust gas. The amount of oxygen ions flowing in the zirconia solid electrolyte 20 by exciting the lean cell 27 with the voltage E L is measured as the pumping current value I p from the voltage difference between the current detection resistors 32. The pumping current value I p of the lean cell 27 is called a limiting current value according to the diffusion rate control, and is proportional to the oxygen partial pressure (concentration) Po 2 in the exhaust gas as shown in the following equation.

【0024】[0024]

【数1】 [Equation 1]

【0025】ここで、Fはファラデー定数、Dは酸素ガ
スの拡散定数,Rは気体定数、Tは絶対温度、Sは拡散
路30の横断面積、lはその長さである。このように、
リーン機能は排ガス中の残存酸素濃度Po2 から希薄燃
焼領域の空燃比を線形に検出するものである。
Here, F is the Faraday constant, D is the diffusion constant of oxygen gas, R is the gas constant, T is the absolute temperature, S is the cross-sectional area of the diffusion path 30, and 1 is its length. in this way,
The lean function linearly detects the air-fuel ratio in the lean burn region from the residual oxygen concentration Po 2 in the exhaust gas.

【0026】次に、ストイック機能について説明する。
電流源33(望ましは定電流源)から電流値Ip*を酸素
基準極26と陰極23間に通電する。すると、拡散路3
0を介して拡散室28内へ拡散律速で流入した酸素ガス
の一部は陰極23部で酸素イオン(O- -)に還元され、
ジルコニア固体電解質20中を酸素基準極26部へ向け
て移動し、この酸素基準極26部で酸化されて再び酸素
ガスになり、拡散室29内へ放出される。拡散路31の
抵抗率(l/s)は拡散路30のそれより、少なくとも
数十倍の大きさになるように製作されているため、拡散
路31を介して拡散室29内へ流入するガスの量は大幅
に制限される。この結果、リッチ領域においても拡散路
31を介して拡散室29内へ拡散流入する一酸化炭素の
量は、電流源33からの励起電流Ip*によって拡散室2
9内へ放出される酸素の量より低い値になる。それ故、
空気過剰率λによらず拡散室29内の酸素濃度はあるレ
ベル以上になっている。
Next, the stoic function will be described.
A current value I p * is passed from the current source 33 (desirably a constant current source) between the oxygen reference electrode 26 and the cathode 23. Then, diffusion path 3
A part of the oxygen gas that has flowed into the diffusion chamber 28 via 0 at a diffusion rate is reduced to oxygen ions (O − − ) at the cathode 23,
It moves in the zirconia solid electrolyte 20 toward the oxygen reference electrode 26 part, is oxidized at this oxygen reference electrode 26 part and becomes oxygen gas again, and is released into the diffusion chamber 29. Since the diffusion path 31 has a resistivity (l / s) at least several tens of times larger than that of the diffusion path 30, the gas flowing into the diffusion chamber 29 through the diffusion path 31. The amount of is greatly limited. As a result, even in the rich region, the amount of carbon monoxide that diffuses and flows into the diffusion chamber 29 through the diffusion passage 31 is reduced by the excitation current I p * from the current source 33.
It becomes a value lower than the amount of oxygen released into 9. Therefore,
The oxygen concentration in the diffusion chamber 29 is above a certain level regardless of the excess air ratio λ.

【0027】今、酸素基準極26部の起電力e0 が設定
電圧eS(必要に応じて0.2〜1ボルトの値に選択され
る)と等しくなるように、第一の増幅器34,トランジ
スタ35を介して、リーンセル27の励起電圧EL がフ
ィードバック制御される。つまり、酸素基準極26と陰
極23間の酸素分圧比が大きな値にフィードバック制御
される故、陰極23界面部の酸素濃度を実質的に零にす
る。この結果、陰極23部のポンピング能力が電気的に
補償されることになり、リーンセル27は電極の劣化を
受けにくくなり、(1)式が厳密に再現されリーン機能
の信頼性が向上する。理論空燃比で拡散路30を介して
拡散室28内に拡散で流入する酸素ガスと一酸化炭素ガ
スの量は化学量論的に等しくなる故、このストイック点
でIp か零になる。従って、第1の増幅器34の出力電
圧EA 及びリーンセル27の励起電圧EL は階段状に低
下し零になる。このとき、酸素基準極26と陽極24間
の差電圧ΔVは段階状に零から1ボルトオーダーへ変化
する。よって、段階状に変化する信号(ΔV,EA
L)のいずれかを利用して、ストイック点を高精度に
検出することができる。この中で、ΔVを利用する場合
について以下に説明する。陽極24部へ保護膜25を介
して流入してくる酸素と一酸化炭素は、陽極24の触媒
作用(白金系の電極材料である故)により(2)式の反
応が進行する。
Now, the first amplifier 34, so that the electromotive force e 0 of the oxygen reference electrode 26 is equal to the set voltage e S (selected to a value of 0.2 to 1 volt). The excitation voltage E L of the lean cell 27 is feedback-controlled via the transistor 35. That is, since the oxygen partial pressure ratio between the oxygen reference electrode 26 and the cathode 23 is feedback-controlled to a large value, the oxygen concentration at the interface of the cathode 23 is made substantially zero. As a result, the pumping ability of the cathode 23 is electrically compensated, the lean cell 27 is less susceptible to electrode deterioration, and the equation (1) is strictly reproduced and the lean function reliability is improved. Since the amounts of oxygen gas and carbon monoxide gas that diffusely flow into the diffusion chamber 28 via the diffusion passage 30 at the stoichiometric air-fuel ratio are stoichiometrically equal, I p becomes zero at this stoic point. Therefore, the output voltage E A of the first amplifier 34 and the excitation voltage E L of the lean cell 27 decrease stepwise and become zero. At this time, the differential voltage ΔV between the oxygen reference electrode 26 and the anode 24 changes stepwise from 0 to 1 volt order. Therefore, the signal (ΔV, E A ,
The stoic point can be detected with high accuracy by using any one of E L ). Among them, the case of utilizing ΔV will be described below. Oxygen and carbon monoxide flowing into the anode 24 through the protective film 25 undergo the reaction of the formula (2) due to the catalytic action of the anode 24 (because it is a platinum-based electrode material).

【0028】[0028]

【数2】 [Equation 2]

【0029】この結果、酸素と一酸化炭素の量が化学量
論的に等しい理論空燃比において、陽極24界面の酸素
濃度は実質的に零になる。これに対して、酸素基準極2
6界面の酸素濃度は空気過剰率によらず、あるレベル以
上になるように電気回路でフィードバック制御されてお
り、差電圧ΔVはストイック点で階段状に変化する。陽
極24の界面と酸素基準極26の界面における酸素分圧
をそれぞれPI ,PIIとすると差電圧ΔVは
As a result, at the stoichiometric air-fuel ratio where the amounts of oxygen and carbon monoxide are stoichiometrically equal, the oxygen concentration at the interface of the anode 24 becomes substantially zero. On the other hand, oxygen reference electrode 2
The oxygen concentration at the six interfaces is feedback-controlled by an electric circuit so as to be above a certain level regardless of the excess air ratio, and the differential voltage ΔV changes stepwise at the stoic point. Assuming that the oxygen partial pressures at the interface of the anode 24 and the interface of the oxygen reference electrode 26 are P I and P II , respectively, the difference voltage ΔV is

【0030】[0030]

【数3】 [Equation 3]

【0031】で示される。励起電流値Ip*は十分に小さ
いこと、空燃比センサはヒータ22で約600℃以上の
高温の定温度に加熱制御されるためジルコニア固体電解
質20の抵抗値rは小さいことにより、(3)式右辺第
2項のオーム損過電圧rIp*は無視できる値になる。
It is shown by. Since the excitation current value I p * is sufficiently small and the air-fuel ratio sensor is controlled by the heater 22 to be heated to a constant temperature of about 600 ° C. or higher, the resistance value r of the zirconia solid electrolyte 20 is small. The ohmic loss overvoltage rI p * in the second term on the right side of the equation has a negligible value.

【0032】励起電流値Ip*はリーンセル27の出力電
流値Ipに比較して十分に小さな値であり、リーン機能
の計測精度に何ら影響を与えない。
The excitation current value I p * is a value sufficiently smaller than the output current value I p of the lean cell 27 and has no influence on the measurement accuracy of the lean function.

【0033】なお、図においてVB は電源の電圧を示
す。
In the figure, V B represents the voltage of the power supply.

【0034】図7〜図14に、本発明による空燃比セン
サ構造の他の実施例を示す。
7 to 14 show another embodiment of the air-fuel ratio sensor structure according to the present invention.

【0035】図7は酸素基準極26が拡散室29の上方
部に配置されたことに特徴がある。なお、拡散路30,
31は前述の如く、模式的に示してある。
FIG. 7 is characterized in that the oxygen reference electrode 26 is arranged above the diffusion chamber 29. In addition, the diffusion path 30,
Reference numeral 31 is schematically shown as described above.

【0036】図8は図7に示した拡散路31が多孔質の
部材で構成された場合である。この場合、多孔質部材は
保護膜25より大幅に厚いか、あるいは多孔度の悪い材
料で構成される。
FIG. 8 shows a case where the diffusion path 31 shown in FIG. 7 is made of a porous member. In this case, the porous member is significantly thicker than the protective film 25 or is made of a material having poor porosity.

【0037】図9は図8に示した拡散路31がリーンセ
ル27側に配置された場合である。図において、酸素基
準極26は2つであるように思われるかも知れないが、
平面的には接続されており空燃比センサはやはり実質的
に三電極構造であることに注意されたい。
FIG. 9 shows a case where the diffusion path 31 shown in FIG. 8 is arranged on the lean cell 27 side. In the figure it may appear that there are two oxygen reference electrodes 26,
Note that the planarly connected air-fuel ratio sensors are still essentially a three-electrode structure.

【0038】図10は図9における保護膜25と拡散路
31の相対的な配置が逆になった場合である。
FIG. 10 shows a case where the relative arrangement of the protective film 25 and the diffusion path 31 in FIG. 9 is reversed.

【0039】図11は拡散室28部に、多孔質状の拡散
路31を介して酸素基準極26を配置した場合である。
FIG. 11 shows the case where the oxygen reference electrode 26 is arranged in the diffusion chamber 28 via the porous diffusion path 31.

【0040】図12は図11における拡散路31がない
場合であり、精度は低下するが原理的には複合センサと
しての機能を有する。
FIG. 12 shows a case where the diffusion path 31 in FIG. 11 is not provided, and although the accuracy is lowered, it has a function as a composite sensor in principle.

【0041】図13は図9と図10の中間的な配置の実
施例である。
FIG. 13 shows an embodiment having an intermediate arrangement between FIG. 9 and FIG.

【0042】図14は図13において、絶縁層的な絶縁
部材21がアルミナ基板などの基板状の絶縁部材36で
構成された場合である。
FIG. 14 shows a case where the insulating layer-like insulating member 21 in FIG. 13 is composed of a substrate-shaped insulating member 36 such as an alumina substrate.

【0043】この他にも、本発明の変形例は色々考えら
れる。この場合の必要最小条件は三電極とも、同一のジ
ルコニア固体電解質上に形成されることにある。
Besides this, various modified examples of the present invention are conceivable. The minimum requirement in this case is that all three electrodes are formed on the same zirconia solid electrolyte.

【0044】本発明による自動車用空燃比センサの全体
構成の一実施例を図15に示す。酸素基準極26への励
起電流値Ip*は励起電流調整抵抗37の抵抗値Rλによ
って決定される。設定電圧eS はチェナーダイオード3
8,抵抗39及び抵抗40によって決定される。酸素基
準極26の起電力e0 が設定電圧eS に等しくなるよう
に、リーンセル27の励起電圧EL が第一の増幅器3
4,トランジスタ35を介してフィードバック制御され
る。リーンセル27部のポンピング電流Ip は電流検出
抵抗32の差電圧を差動増幅器43で増幅した後、その
出力信号はeL としてコントロールユニット5に取り込
まれる。なお、リーン機能の感度調整は電流検出抵抗3
2の抵抗値RL を調整することによって行なわれる。酸
素基準極26と陽極24間の差電圧ΔVは差動増幅器4
4で増幅処理された後、その出力信号はeλとしてコン
トロールユニット5に取り込まれる。図15の方法にて
測定した空燃比センサの特性を図16に示す。この図に
は、Ip*=0.1mA,RL =100Ω,差動増幅器4
3,44部における増幅率αがそれぞれ10倍,1倍で
設定電圧はeS=0.7V一定の場合を示した。リーンセ
ンサの出力電圧eL は希薄燃焼領域の空気過剰率(λ>
1)でリニアに変化し、この領域の空燃比を連続的に検
出することができる。また、ストイックセンサの出力電
圧eλ及びリーンセルの励起電圧EL は理論空燃比のス
トイック点(λ=1)でステップ状に変化する。それ
故、どちらの電圧信号を利用しても、ストイック点を高
い精度で検出することができる。この結果、本発明によ
る自動車用空燃比センサはλ≧1の空気過剰率を連続的
に検出することが可能で、しかもλ=1のストイック信
号及びλ>1のリーン信号を同時出力化させているた
め、使い易いセンサにすることができた。なお、図16
以下に示す試作センサの特性としては、検出部の温度を
ヒータ22で800℃に加熱した場合の実測例を示し
た。
FIG. 15 shows an embodiment of the overall construction of the air-fuel ratio sensor for an automobile according to the present invention. The excitation current value I p * to the oxygen reference electrode 26 is determined by the resistance value R λ of the excitation current adjusting resistor 37. The set voltage e S is the Zener diode 3
8, resistor 39 and resistor 40. The excitation voltage E L of the lean cell 27 is set so that the electromotive force e 0 of the oxygen reference electrode 26 becomes equal to the set voltage e S.
4, feedback control is performed via the transistor 35. The pumping current I p of the lean cell 27 portion is amplified by the differential amplifier 43 with the differential voltage of the current detection resistor 32, and then the output signal thereof is taken into the control unit 5 as e L. In addition, the sensitivity adjustment of the lean function is performed by the current detection resistor 3
This is done by adjusting the resistance value R L of 2. The differential voltage ΔV between the oxygen reference electrode 26 and the anode 24 is the differential amplifier 4
After being amplified in 4, the output signal is taken into the control unit 5 as e λ . The characteristics of the air-fuel ratio sensor measured by the method of FIG. 15 are shown in FIG. In this figure, I p * = 0.1 mA, R L = 100Ω, differential amplifier 4
The case is shown where the amplification factors α at 3 and 44 parts are 10 times and 1 times, respectively, and the set voltage is constant at e S = 0.7V. The output voltage e L of the lean sensor is the excess air ratio (λ>
It changes linearly in 1), and the air-fuel ratio in this region can be continuously detected. Further, the output voltage e λ of the stoic sensor and the excitation voltage E L of the lean cell change stepwise at the stoic point (λ = 1) of the theoretical air-fuel ratio. Therefore, the stoic point can be detected with high accuracy by using either of the voltage signals. As a result, the air-fuel ratio sensor for automobiles according to the present invention can continuously detect the excess air ratio of λ ≧ 1, and simultaneously output the stoic signal of λ = 1 and the lean signal of λ> 1. Therefore, the sensor was easy to use. Note that FIG.
As the characteristics of the prototype sensor shown below, an example of actual measurement when the temperature of the detection unit is heated to 800 ° C. by the heater 22 is shown.

【0045】なお、eλ及びEL 共に、λ<1のリッチ
側でゆるやかな傾斜特性を有している。これは陽極24
部から酸素基準極26部へ向う酸素イオンがないためで
ある。λ<1のリッチ領域での傾斜特性を改善できれ
ば、ストイック点検出時のS/N比はさらに向上する。
Both e λ and E L have a gentle inclination characteristic on the rich side where λ <1. This is the anode 24
This is because there is no oxygen ion that goes from the part to the oxygen reference electrode 26 part. If the tilt characteristic in the rich region where λ <1 can be improved, the S / N ratio at the time of detecting the stoic point is further improved.

【0046】このS/N比の改善を行った空燃比センサ
全体構成の実施例を図17に示す。第一の増幅器34の
出力電圧EA が設定電圧eS より小さくなったことを検
出する第二の増幅器41を設け、第二の増幅器41の出
力信号によってリーンセル27の陽極24と陰極23間
に並列的に接続したスイッチ42をON状態にする。図
中のスイッチ42にはトランジスタの場合を示している
が、MOS型のものでも良い。後述するように、ストイ
ック点近傍のリーン側の空気過剰率λ* 以下で、第一の
増幅器34の出力電圧EAは零になる故、前記の空気過
剰率λ* 以下でトランジスタ型のスイッチ42はON状
態になり、リーンセル27の陽極24と陰極23は電気
的に接続される。スイッチ42がON状態になると、励
起電流Ip*による酸素イオン(O- -)流はリーンセル2
7の陽極24部からも酸素基準極26部に向うようにな
る。この酸素ポンプ作用によって、陽極24部の触媒作
用が向上し、(2)式の反応が活発に進行する。この結
果、陽極24界面の酸素濃度がリッチ領域の空燃比で極
端に小さくなり、前述の傾斜特性が改善される。この構
成による空燃比センサ特性の測定例を図18に示す。図
に示すように、ストイック点における信号の変化幅はe
λ及びEL 共に大きくなり、リッチ領域におけるゆるや
かな傾斜特性の改善されたことが分る。なお、λ<1以
下のリッチ領域におけるリーンセルの励起電圧EL は当
然の如く、零ボルトレベルまで低下する。
FIG. 17 shows an embodiment of the overall construction of the air-fuel ratio sensor in which the S / N ratio is improved. A second amplifier 41 for detecting that the output voltage E A of the first amplifier 34 becomes smaller than the set voltage e S is provided, and an output signal of the second amplifier 41 is provided between the anode 24 and the cathode 23 of the lean cell 27. The switches 42 connected in parallel are turned on. Although the switch 42 in the figure is a transistor, it may be a MOS type. As will be described later, since the output voltage E A of the first amplifier 34 becomes zero below the lean excess air ratio λ * near the stoic point, the transistor-type switch 42 does not exceed the excess air ratio λ *. Is turned on, and the anode 24 and the cathode 23 of the lean cell 27 are electrically connected. When the switch 42 is turned on, the oxygen ion (O − − ) flow due to the excitation current I p * causes the lean cell 2 to flow.
From the anode 24 part of No. 7 to the oxygen reference electrode 26 part. By this oxygen pumping action, the catalytic action of the anode 24 part is improved, and the reaction of the formula (2) actively progresses. As a result, the oxygen concentration at the interface of the anode 24 becomes extremely small in the air-fuel ratio in the rich region, and the above-mentioned tilt characteristics are improved. FIG. 18 shows an example of measurement of air-fuel ratio sensor characteristics with this configuration. As shown in the figure, the change width of the signal at the stoic point is e
It can be seen that both λ and E L became large, and the gentle inclination characteristic in the rich region was improved. Incidentally, the excitation voltage E L of the lean cell in the rich region where λ <1 or less naturally falls to the zero volt level.

【0047】なお、スイッチ42のONによって陽極2
4部から酸素基準極26部へ酸素イオン流を向わせるこ
とは、ストイック機能のS/N化を向上させる他にも、
次の如き効果を発生させる。リッチ領域における排ガス
雰囲気中の酸素濃度は図2に示すように、低濃度であ
る。従って、励起電流Ip*によって拡散室29内に十分
な酸素を供給するには、新たな酸素イオン供給源となる
電極の増加が必要になる。この点、λ<1のリッチ領域
で、陽極24はこの新たな酸素イオン供給源として作用
する。この結果、リッチ領域における陰極23界面部の
極端な酸素濃度の低下を防止でき、ジルコニア固体電解
質20が電子伝導領域に突入することはなくなる。それ
故、空燃比センサの耐久性の劣化や精度の低下が少なく
なり、信頼性が向上する。
When the switch 42 is turned on, the anode 2
Directing the oxygen ion flow from the 4th part to the 26th part of the oxygen reference electrode improves the S / N ratio of the stoic function,
It produces the following effects. The oxygen concentration in the exhaust gas atmosphere in the rich region is low, as shown in FIG. Therefore, in order to supply sufficient oxygen into the diffusion chamber 29 by the excitation current I p *, it is necessary to increase the number of electrodes serving as new oxygen ion supply sources. In this respect, in the rich region of λ <1, the anode 24 acts as this new oxygen ion supply source. As a result, it is possible to prevent an extreme decrease in oxygen concentration at the interface of the cathode 23 in the rich region, and the zirconia solid electrolyte 20 will not rush into the electron conduction region. Therefore, the deterioration of the durability and the accuracy of the air-fuel ratio sensor are reduced, and the reliability is improved.

【0048】図17に示した構成による空燃比センサを
図19,図20を用いて、より詳細に説明する。
The air-fuel ratio sensor having the configuration shown in FIG. 17 will be described in more detail with reference to FIGS. 19 and 20.

【0049】空気過剰率λに対する各部の電圧特性を図
19に示す。リーンセル27のポンプ電流Ip 特性に励
起電流値Ip*を加算した値、即ち2点鎖線で示した特性
は拡散路30を介して拡散室28内へ(1)式の拡散律
速で流入する酸素ガスに基づく、限界電流値に相当す
る。第一の増幅器34の出力電圧EA はストイック点近
傍の空気過剰率λ* で急激に小さくなる。実験による
と、このλ* 値のストイック点(λ=1)からのズレ量
は励起電流値Ip*と大きな相関のあることが分った。即
ち、Ip*値が小さい程ズレ量は少なくなり、ストイック
点にかぎりなく接近する。なお、試作した空燃比センサ
はIp*=0.1mA のとき、λ* 値は約1.01であった。
設定電圧eS が0.7 ボルトのとき、酸素基準極26部
の起電力e0 はλ≧1の領域では0.7 ボルトになるよ
うにフィードバック制御される。しかし、λ≦1の領域
では第一の増幅器34の出力電圧EA は零になり、フィ
ードバック制御回路の効果は実質的になくなる。この結
果、λ≦1の領域における酸素基準極26部の起電力e
0 は励起電流Ip*の効果によって、約1ボルトオーダへ
ステップ状に上昇する。
FIG. 19 shows the voltage characteristic of each part with respect to the excess air ratio λ. A value obtained by adding the excitation current value I p * to the pump current I p characteristic of the lean cell 27, that is, the characteristic indicated by the two-dot chain line, flows into the diffusion chamber 28 through the diffusion path 30 at the diffusion rate control of the formula (1). It corresponds to the limiting current value based on oxygen gas. The output voltage E A of the first amplifier 34 sharply decreases at the excess air ratio λ * near the stoic point. According to experiments, it was found that the amount of deviation of the λ * value from the stoic point (λ = 1) has a large correlation with the excitation current value I p *. That is, the smaller the I p * value is, the smaller the deviation amount is, and the stoic point is approached without limit. The prototyped air-fuel ratio sensor had a λ * value of about 1.01 when I p * = 0.1 mA.
When the set voltage e S is 0.7 V, the electromotive force e 0 of the oxygen reference electrode 26 is feedback-controlled so as to be 0.7 V in the region of λ ≧ 1. However, in the region of λ ≦ 1, the output voltage E A of the first amplifier 34 becomes zero, and the effect of the feedback control circuit is substantially lost. As a result, the electromotive force e of the oxygen reference electrode 26 in the region of λ ≦ 1
0 rises stepwise to the order of about 1 volt due to the effect of the excitation current I p *.

【0050】ストイックセンサに使用可能な信号
(eλ,EL,EA)のストイック点近傍における出力特
性の拡大図を図20に示す。図に示すように、差動増幅
器44の出力信号eλ及びリーンセル27の励起電圧E
L はほぼストイック点で階段状に変化する。これに対し
て、励起電流Ip*が0.1mA のとき、第一の増幅器3
4の出力電圧EA はλ* =1.01 で階段状に変化す
る。Ip*値をより小さな値に設定(この場合、拡散路3
1の抵抗率をより大きな値にする必要がある)すると、
λ* 値はさらにストイック点に接近する。もちろん、こ
の場合は第一の増幅器34の出力電圧EA もストイック
センサの出力信号として使用することが可能になる。
FIG. 20 shows an enlarged view of the output characteristics of the signals (e λ , E L , E A ) usable for the stoic sensor in the vicinity of the stoic point. As shown in the figure, the output signal e λ of the differential amplifier 44 and the excitation voltage E of the lean cell 27
L changes stepwise at almost stoic point. On the other hand, when the excitation current I p * is 0.1 mA, the first amplifier 3
The output voltage E A of 4 changes stepwise at λ * = 1.01. Set the I p * value to a smaller value (in this case, diffusion path 3
It is necessary to set the resistivity of 1 to a larger value.)
The λ * value is closer to the stoic point. Of course, in this case, the output voltage E A of the first amplifier 34 can also be used as the output signal of the stoic sensor.

【0051】リーンセル27の励起電圧EL をフィード
バック制御する本発明の一実施例によれば、リーンセル
応答性の改善に極めて大きな効果が得られる。この効果
を図21〜図25を用いてより詳細に説明する。
According to one embodiment of the present invention in which the excitation voltage E L of the lean cell 27 is feedback-controlled, an extremely large effect can be obtained in improving the lean cell response. This effect will be described in more detail with reference to FIGS.

【0052】リーンセル27のV−I特性を図21に示
す。励起電圧Eによってジルコニア固体電解質中をポン
ピングされる電流値の特性を示したものである。励起電
圧Eが大きくなるにつれて、ポンプ電流値Iは次第に増
加し、一定の値で飽和する。この飽和電流値Ip
(1)式によって定まる限界電流値である。さらに励起
電流Eを大きくすると、ジルコニア固体電解質は電子伝
導性を示すようになり、電流値Iは急激に増加する。従
って、リーンセンサの場合はこの飽和電流値Ip を検出
する必要があり、リーンセル駆動時の励起電圧EL この
図から適当な値に設定される。図15及び図17に示し
た回路構成の場合、リーンセル27の励起電圧EL は空
気過剰率λによらず(但し、λ>1の領域において)、
特性曲線aで示すようにほぼ一定に設定されている。励
起電圧EL を特性曲線bで示すように、空気過剰率λに
応じて少しずつ大きくすると、リーンセンサの応答性が
著しく改善されることを実験的に確認した。
The VI characteristic of the lean cell 27 is shown in FIG. It shows the characteristics of the current value pumped in the zirconia solid electrolyte by the excitation voltage E. As the excitation voltage E increases, the pump current value I gradually increases and saturates at a constant value. This saturation current value I p is the limiting current value determined by the equation (1). When the excitation current E is further increased, the zirconia solid electrolyte becomes electronically conductive, and the current value I rapidly increases. Therefore, in the case of a lean sensor, it is necessary to detect this saturation current value I p, and the excitation voltage E L during the lean cell drive is set to an appropriate value from this figure. In the case of the circuit configurations shown in FIGS. 15 and 17, the excitation voltage E L of the lean cell 27 does not depend on the excess air ratio λ (however, in the region of λ> 1),
It is set to be substantially constant as shown by the characteristic curve a. As shown by the characteristic curve b, it was experimentally confirmed that the responsiveness of the lean sensor is remarkably improved by gradually increasing the excitation voltage E L according to the excess air ratio λ.

【0053】その現象を図22で説明する。空燃比セン
サ雰囲気の空気過剰率に変化がなくても、ポンプ電流値
Iが飽和電流値(限界電流値)を示す範囲内で励起電圧
L をステップ状に変化させると、EL の微分波形の如
き特性が出力電流値Ip に加算される。この現象をリー
ンセンサの応答性の改善に使用しようとするものであ
る。なお、実験によると出力電流値Ip の変化幅ΔIp
の大きさは励起電圧EL の大きさにほぼ依存することが
分った。
The phenomenon will be described with reference to FIG. Even if the excess air ratio of the air-fuel ratio sensor atmosphere does not change, if the excitation voltage E L is changed stepwise within the range where the pump current value I shows the saturation current value (limit current value), the differential waveform of E L A characteristic such as is added to the output current value I p . This phenomenon is intended to be used for improving the response of the lean sensor. Incidentally, the variation width [Delta] I p of the output current value I p and Experimental
It has been found that the magnitude of V is almost dependent on the magnitude of the excitation voltage E L.

【0054】本発明による自動車用空燃比センサの全体
構成の他の実施例を図23に示す。第一の増幅器34の
出力電圧EA 部を抵抗45を介して、設定電圧eS の決
定部に正帰還させたことに特徴がある。なお、抵抗46
とコンデンサ47からなる積分回路は空気過剰率λが急
変したときに、前述の正帰還回路に基因してリーンセン
サの出力信号eL に発生する過渡的な発振現象を防止す
るためのものである。図23に示した構成による空燃比
センサの静特性の実測例を図24に示す。設定電圧eS
はリーン側の空気過剰率λに応じて、0.75ボルトか
ら0.80ボルトへ可変的に大きな値になっている。こ
の結果、リーンセル27の励起電圧Eは図21の特
性曲線bに示したように、空気過剰率λに応じて自動的
に大きな値へフィードバック制御される。このようにリ
ーンセル27の励起電圧Eを可変にしても、リーン
センサの出力信号eL 、ストイックセンサの出力信号と
して使用可能な信号eλ及びEL 共に、ヒステリシスが
小さく良好な特性を示す。
FIG. 23 shows another embodiment of the overall construction of the air-fuel ratio sensor for an automobile according to the present invention. It is characterized in that the output voltage E A section of the first amplifier 34 is positively fed back to the setting voltage e S determination section through the resistor 45. The resistor 46
The integrating circuit including the capacitor 47 and the capacitor 47 is for preventing a transient oscillation phenomenon occurring in the output signal e L of the lean sensor due to the positive feedback circuit described above when the excess air ratio λ suddenly changes. .. FIG. 24 shows an actual measurement example of the static characteristics of the air-fuel ratio sensor having the configuration shown in FIG. Set voltage e S
Is variably increased from 0.75 V to 0.80 V according to the excess air ratio λ on the lean side. As a result, the excitation voltage E L of the lean cell 27 is automatically feedback-controlled to a large value according to the excess air ratio λ, as shown by the characteristic curve b in FIG. As described above, even if the excitation voltage E L of the lean cell 27 is varied, both the output signal e L of the lean sensor and the signals e λ and E L that can be used as the output signal of the stoic sensor exhibit good hysteresis characteristics.

【0055】リーン側で設定電圧eS を可変(即ち、リ
ーンセルの励起電圧EL を可変)にしたときの、リーン
センサ出力信号の応答性改善効果の実測例を図25に示
す。図は空気過剰率λを1.1から1.3へステップ状に
変化させたとき、差動増幅器43の出力電圧であるリー
ンセンサの出力信号eL がどのように変化するかを示し
たものである。図において、特性aは空気過剰率λによ
らず、リーンセル27の励起電圧EL を一定にした場合
である。特性bは空気過剰率λに応じて、励起電圧EL
を適度に可変的に大きくした場合であり、その応答性は
特性aの場合の約半分に改善されることが分った。この
結果、リーンセンサの時定数τは約16msと小さく、
気筒別の空燃比を弁別することができ、非定常の空燃比
制御を行なうことが可能になった。なお、空気過剰率λ
に対する励起電圧EL の変化幅を大きくすると、過渡特
性はc特性で示すように、オーバシュート現象を発生し
好ましくないことになる。
FIG. 25 shows an actual measurement example of the response improvement effect of the lean sensor output signal when the set voltage e S is made variable on the lean side (that is, the excitation voltage E L of the lean cell is made variable). The figure shows how the lean sensor output signal e L , which is the output voltage of the differential amplifier 43, changes when the excess air ratio λ is changed stepwise from 1.1 to 1.3. Is. In the figure, the characteristic a is a case where the excitation voltage E L of the lean cell 27 is constant regardless of the excess air ratio λ. The characteristic b is the excitation voltage E L depending on the excess air ratio λ.
Was appropriately variably increased, and its response was found to be improved to about half that of the characteristic a. As a result, the time constant τ of the lean sensor is as small as about 16 ms,
The cylinder-by-cylinder air-fuel ratio can be discriminated, and unsteady air-fuel ratio control can be performed. Note that the excess air ratio λ
When the change width of the excitation voltage E L with respect to is large, the transient characteristic causes an overshoot phenomenon as shown by the c characteristic, which is not preferable.

【0056】次に、リーンセンサの耐久性の実測例を図
26に示す。a特性はリーンセル単体の経時変化を示し
たものであり、陰極23部のポンピング能力の低下によ
って、その出力信号は次第に低下することが分った。し
かし、本発明の如く酸素基準極26部の起電力e0 が設
定電圧eS と等しくなるように、リーンセル27の励起
電圧EL をフィードバック制御する構成は、経時的に陰
極23部のポンピング能力の低下を補償するように作用
する。この結果、本発明による場合、リーンセンサの出
力信号の変化はb特性で示すように小さくなり、耐久性
の改善にも大きな効果があった。
Next, FIG. 26 shows an actual measurement example of the durability of the lean sensor. The a characteristic shows the change over time of the lean cell alone, and it was found that the output signal thereof gradually decreased due to the deterioration of the pumping ability of the cathode 23 part. However, the configuration in which the excitation voltage E L of the lean cell 27 is feedback-controlled so that the electromotive force e 0 of the oxygen reference electrode 26 part becomes equal to the set voltage e S as in the present invention, the pumping ability of the cathode part 23 over time. Acts to compensate for the drop. As a result, according to the present invention, the change in the output signal of the lean sensor becomes small as shown by the characteristic b, and there is a great effect in improving the durability.

【0057】次に、ストイック機能の耐久性や歩留りの
向上対策について述べる。
Next, measures for improving the durability of the stoic function and the yield will be described.

【0058】ストイック機能の定電流励起特性を図29
に示す。酸素基準極26部から陽極24部へ定電流Ip*
を励起したときに、発生する酸素基準極26部の起電力
0 を示したものである。もちろん、図中の特性は励起
電圧EL を印加せずに、陽極24部に対する酸素基準極
26部の起電力e0 を測定したものである。励起電流値
p*が0.2mA と大きい場合、起電力e0 の変化点の
ヒステリシスが大きくなる。これは、リッチ領域で陽極
24界面の酸素濃度が極端に低下し、部分的に電子伝導
性になるためと考えられる。逆に、Ip*値が0.05m
A と小さいときは、リッチ側で起電力e0 が低下す
る。これは、拡散室29内へ電気的に供給する酸素が不
足し、酸素基準極26界面の酸素濃度が低下するためで
ある。また、リッチ側で起電力e0 が低下し設定電圧e
S 以下になると、リッチ側でもリーンセル27へ励起電
圧EL が印加され、好ましくない。なお、図に示した試
作サンプルの場合、その励起電流値Ip*は0.1mA 前
後が適当であり、ヒステリシスが小さく、リッチ領域で
のレベル低下もない。このように、適正なストイック機
能を得るには適切な励起電流値Ip*を設定する必要があ
る。従って、設定電圧eS をストイック点で階段状に変
化させ、リッチ側で低レベル,リーン側で高レベルに設
定することにより、これらの問題点に対応することがで
きる。即ち、後述するように、励起電流値Ip*が0.0
5mA と小さい場合も、良好なストイック機能を得る
ことが可能になる。なお、リーンセル27で限界電流値
p を高精度に検出するためには、励起電圧EL をある
レベル以上にする必要があり、リーン側での設定電圧e
S をあまり小さな値にすることはできない。
FIG. 29 shows the constant current excitation characteristic of the stoic function.
Shown in. Constant current I p * from 26 parts of oxygen reference electrode to 24 parts of anode
3 shows the electromotive force e 0 of the oxygen reference electrode 26 part generated when the is excited. Of course, the characteristics in the figure are obtained by measuring the electromotive force e 0 of the oxygen reference electrode 26 part with respect to the anode 24 part without applying the excitation voltage E L. When the excitation current value I p * is as large as 0.2 mA, the hysteresis at the changing point of the electromotive force e 0 becomes large. It is considered that this is because the oxygen concentration at the interface of the anode 24 is extremely reduced in the rich region and the electron conductivity is partially caused. On the contrary, the I p * value is 0.05 m
When A 2 is small, the electromotive force e 0 decreases on the rich side. This is because the oxygen supplied electrically into the diffusion chamber 29 is insufficient, and the oxygen concentration at the interface of the oxygen reference electrode 26 decreases. In addition, the electromotive force e 0 decreases on the rich side, and the set voltage e
When it becomes S or less, the excitation voltage E L is applied to the lean cell 27 even on the rich side, which is not preferable. Incidentally, in the case of the prototype sample shown in the figure, the excitation current value I p * is appropriately around 0.1 mA, the hysteresis is small, and the level does not decrease in the rich region. Thus, in order to obtain a proper stoic function, it is necessary to set a proper excitation current value I p *. Therefore, these problems can be dealt with by changing the set voltage e S in a stepwise manner at the stoic point and setting it to a low level on the rich side and a high level on the lean side. That is, as will be described later, the excitation current value I p * is 0.0
Even if it is as small as 5 mA, a good stoic function can be obtained. In order to detect the limiting current value I p with high accuracy in the lean cell 27, it is necessary to set the excitation voltage E L to a certain level or higher, and the set voltage e on the lean side is set.
S cannot be too small.

【0059】また、ストイック点で設定電圧eS を階段
状に変化させることはストイック機能の耐久性からも有
利である。即ち、経時的に陽極24部の触媒作用が劣化
したり、拡散室29部にマイクロクラックが発生したり
すると、リッチ側での起電力が低下することが予想され
るからである。
Further, it is advantageous from the durability of the stoic function to change the set voltage e S stepwise at the stoic point. That is, if the catalytic action of the anode 24 part deteriorates with time or microcracks occur in the diffusion chamber 29, it is expected that the electromotive force on the rich side will decrease.

【0060】設定電圧eS をストイック点で階段状に変
化させる構成の一実施例を図28に示す。抵抗49,5
0を新たに付加することにより、第一の増幅器34の出
力電圧を2EA にした。そして、この点を抵抗51,チ
ェナーダイオード(図の場合は3V用)を介してアース
点に接続した。抵抗51とチェナーダイオード52間の
電圧を抵抗45を介して、設定電圧eS決定部に正帰還
させることにより、リーン領域での設定電圧eS の変化
幅を抑制し、ストイック点での変化幅を大きくすること
ができる。
FIG. 28 shows an embodiment of a configuration in which the set voltage e S is changed stepwise at the stoic point. Resistance 49,5
The output voltage of the first amplifier 34 is set to 2E A by newly adding 0. Then, this point was connected to a ground point via a resistor 51 and a Zener diode (for 3V in the figure). By positively feeding back the voltage between the resistor 51 and the Zener diode 52 to the set voltage e S determination unit via the resistor 45, the change width of the set voltage e S in the lean region is suppressed, and the change at the stoic point is suppressed. The width can be increased.

【0061】コンパレータ48はスイッチング状のスト
イック信号eλを発生させるものである。即ち、抵抗5
3と54によって決定されるスライスレベルea より電
圧EA が小さくなったとき、High レベルの電圧信号e
λを発生させるものである。
The comparator 48 is for generating a switching stoic signal e λ . That is, resistance 5
When the voltage E A becomes smaller than the slice level e a determined by 3 and 54, the voltage signal e of High level is output.
It generates λ .

【0062】図28に示した構成による場合の空燃比セ
ンサの特性を図29に示す。この図は酸素基準極26部
の励起電流値Ip*が0.05mA と小さい場合の実測例
である。図に示すように、リーンセンサ及びストイック
センサとも、ヒステリシスが小さく良好な結果が得られ
た。
FIG. 29 shows the characteristic of the air-fuel ratio sensor in the case of the structure shown in FIG. This figure is an example of actual measurement when the excitation current value I p * of the oxygen reference electrode 26 is as small as 0.05 mA. As shown in the figure, both the lean sensor and the stoic sensor had small hysteresis and good results were obtained.

【0063】図28に示した構成による場合の、ストイ
ック点近傍における各部の電圧特性を図30に示す。こ
の図を用いて、第一の増幅器34の出力電圧EA を利用
しても、ストイック点を高精度に検出できる理由につい
て説明する。増幅器34の出力電圧EA はλ* 点とスト
イック点でステップ状に変化する。これに応じて、設定
電圧eS もλ* 点とストイック点で大幅に低下する。な
お、λ* でスイッチ42はON状態になり、リーンセル
27の陽極24は陰極23部へ接続される。図から理解
できるように、コンパレータ48の入力であるスライス
レベルea を0.2 ボルトオーダーにすると、出力電圧
A を利用してもストイック点を高い精度で検出できる
ことになる。この結果、ストイックセンサの出力eλ
リーン酸域の低レベルからリッチ領域の高レベルへ、ス
トイック点でスイッチング状に変化する。
FIG. 30 shows the voltage characteristic of each portion in the vicinity of the stoic point in the case of the configuration shown in FIG. The reason why the stoic point can be detected with high accuracy by using the output voltage E A of the first amplifier 34 will be described with reference to this drawing. The output voltage E A of the amplifier 34 changes stepwise at the λ * point and the stoic point. Accordingly, the set voltage e S also drops significantly at the λ * point and the stoic point. The switch 42 is turned on at λ *, and the anode 24 of the lean cell 27 is connected to the cathode 23. As can be understood from the figure, if the slice level e a which is the input of the comparator 48 is set to the order of 0.2 V, the stoic point can be detected with high accuracy even if the output voltage E A is used. As a result, the output e λ of the stoic sensor changes from a low level in the phosphoric acid region to a high level in the rich region in a switching manner at the stoic point.

【0064】以上説明した本発明の望ましい実施例によ
れば、エンジンの幅広い制御に適応可能な複合センサ、
即ちストイックセンサ機能とリーンセンサ機能を有する
エンジン制御用空燃比センサを簡単な構成で提供するこ
とができる。
According to the preferred embodiment of the present invention described above, a composite sensor adaptable to a wide range of engine control,
That is, it is possible to provide an engine control air-fuel ratio sensor having a stoic sensor function and a lean sensor function with a simple configuration.

【0065】[0065]

【発明の効果】本発明によれば、エンジンの幅広い制御
に適応可能な空燃比センサを簡単な構造で提供すること
にある。
According to the present invention, an air-fuel ratio sensor adaptable to a wide range of engine control is provided with a simple structure.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】内燃機関の空燃比制御装置の概略構成図。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an air-fuel ratio control device for an internal combustion engine.

【図2】空燃比と排ガス濃度,燃焼効率の関係を示した
図。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between air-fuel ratio, exhaust gas concentration, and combustion efficiency.

【図3】本発明の前段階的な空燃比センサの構造とその
原理説明図。
FIG. 3 is an explanatory view of the structure and principle of a pre-stage air-fuel ratio sensor of the present invention.

【図4】本発明による空燃比センサ構造の説明図。FIG. 4 is an explanatory view of an air-fuel ratio sensor structure according to the present invention.

【図5】本発明による空燃比センサ構造の他の実施例を
示した図。
FIG. 5 is a view showing another embodiment of the air-fuel ratio sensor structure according to the present invention.

【図6】本発明による空燃比センサの動作原理説明図。FIG. 6 is an explanatory view of the operating principle of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図7】本発明による空燃比センサ構造の変形例を示し
た図。
FIG. 7 is a view showing a modified example of the air-fuel ratio sensor structure according to the present invention.

【図8】本発明による空燃比センサの変形例を示す図。FIG. 8 is a diagram showing a modification of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図9】本発明による空燃比センサの変形例を示す図。FIG. 9 is a view showing a modified example of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図10】本発明による空燃比センサの変形例を示す
図。
FIG. 10 is a view showing a modified example of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図11】本発明による空燃比センサの変形例を示す
図。
FIG. 11 is a view showing a modified example of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図12】本発明による空燃比センサの変形例を示す
図。
FIG. 12 is a view showing a modified example of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図13】本発明による空燃比センサの変形例を示す
図。
FIG. 13 is a view showing a modified example of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図14】本発明による空燃比センサの変形例を示す
図。
FIG. 14 is a view showing a modified example of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図15】本発明による自動車用空燃比センサの全体構
成の一実施例を示した図。
FIG. 15 is a diagram showing an example of the overall configuration of an air-fuel ratio sensor for a vehicle according to the present invention.

【図16】図15の構成によって測定した空燃比センサ
特性の実施例を示した図。
16 is a diagram showing an example of air-fuel ratio sensor characteristics measured with the configuration of FIG.

【図17】本発明による自動車用空燃比センサの全体構
成の他の一実施例を示した図。
FIG. 17 is a diagram showing another embodiment of the entire configuration of the air-fuel ratio sensor for automobiles according to the present invention.

【図18】図17の構成によって測定した空燃比センサ
特性の実測例を示した図。
FIG. 18 is a diagram showing an actual measurement example of air-fuel ratio sensor characteristics measured with the configuration of FIG.

【図19】空気過剰率に対する各部の電圧特性を示した
図。
FIG. 19 is a diagram showing voltage characteristics of each part with respect to an excess air ratio.

【図20】ストイック点近傍の出力特性を示した図。FIG. 20 is a diagram showing output characteristics near the stoic point.

【図21】リーンセルのV−I特性を示した図。FIG. 21 is a diagram showing a VI characteristic of a lean cell.

【図22】応答性改善効果の説明図。FIG. 22 is an explanatory diagram of a response improving effect.

【図23】本発明による空燃比センサの全体構成の他の
一実施例を示した図。
FIG. 23 is a diagram showing another embodiment of the overall configuration of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図24】図23の構成によって測定した空燃比センサ
特性の実測例を示した図。
FIG. 24 is a diagram showing an example of actual measurement of air-fuel ratio sensor characteristics measured with the configuration of FIG. 23.

【図25】本発明による空燃比センサの応答性改善効果
の実測例を示した図。
FIG. 25 is a diagram showing an actual measurement example of the response improvement effect of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図26】本発明による空燃比センサの耐久性の実測例
を示した図。
FIG. 26 is a diagram showing an example of actually measured durability of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図27】本発明による空燃比センサにおけるストイッ
ク機能の定電流励起特性を示した図。
FIG. 27 is a diagram showing constant current excitation characteristics of the stoic function in the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図28】本発明による空燃比センサの全体構成の他の
一実施例を示した図。
FIG. 28 is a diagram showing another embodiment of the overall configuration of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【図29】図28の構成によって測定した空燃比センサ
特性の実測例を示した図。
FIG. 29 is a diagram showing an example of actual measurement of air-fuel ratio sensor characteristics measured with the configuration of FIG. 28.

【図30】本発明による空燃比センサのストイック点近
傍における各部の電圧特性を示した図。
FIG. 30 is a diagram showing voltage characteristics of respective portions in the vicinity of the stoic point of the air-fuel ratio sensor according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20…ジルコニア固体電解質、21…絶縁部材、22…
ヒータ、23…陰極、24…陽極、25…保護膜、26
…酸素基準極、27…リーンセル、28…拡散室、29
…拡散室、30…拡散路、31…拡散路、32…電流検
出抵抗、33…電流源。
20 ... Zirconia solid electrolyte, 21 ... Insulating member, 22 ...
Heater, 23 ... Cathode, 24 ... Anode, 25 ... Protective film, 26
... oxygen reference electrode, 27 ... lean cell, 28 ... diffusion chamber, 29
... Diffusion chamber, 30 ... Diffusion path, 31 ... Diffusion path, 32 ... Current detection resistor, 33 ... Current source.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 敏孝 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 佐藤 信夫 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 上野 定寧 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所佐和工場内 (72)発明者 池上 昭 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshitaka Suzuki 3-1-1 Sachimachi, Hitachi City, Ibaraki Hitachi Ltd. Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Nobuo Sato 3-chome, Hitachi City, Ibaraki Prefecture No. 1 Hitachi Ltd., Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Sadayoshi Ueno 2520, Takaba, Katsuda City, Ibaraki Prefecture Sawa Factory (72) Inventor Akira Ikegami Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa No. 292 Co., Ltd.Hitachi Manufacturing Technology Research Center

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】一方の側に形成された第一のセル部と、他
方の側に形成された第二のセル部とを有する固体電解質
を備えた酸素検出センサにおいて、前記第一のセル部は
一方の面に第1の主電極,他方の面に第2の主電極を有
し、前記第二のセル部は一方の面に上記第1の主電極と
実質的に同電位の第3の主電極,他方の面に酸素基準電
極とを備えたことを特徴とする酸素検出センサ。
1. An oxygen detection sensor provided with a solid electrolyte having a first cell portion formed on one side and a second cell portion formed on the other side, wherein the first cell portion is formed. Has a first main electrode on one surface and a second main electrode on the other surface, and the second cell portion has a third main electrode having substantially the same potential as the first main electrode on one surface. An oxygen detection sensor, characterized in that it has a main electrode and an oxygen reference electrode on the other surface.
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