JPH0521426B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関等、各種燃焼機器の排気中の
酸素濃度に基づき空燃比を検出する空燃比検出装
置に関し、特に空燃比のリーン域からリツチ域に
かけて連続的に変化する空燃比信号を得ることの
できる空燃比検出装置に関するものである。

［従来の技術］ 内燃機関等、各種燃焼機器に供給される混合気
の空燃比を排気中の酸素濃度より検出する空燃比
検出装置の一つとして、板状の酸素イオン伝導性
固体電解質の両面に多孔性電極が設けられた２枚
の素子を、間隙を介して対向配設し、一方の素子
を間隙内の酸素を周囲に汲み出す酸素ポンプ素
子、他方の素子を周囲雰囲気と間隙との酸素濃度
差によつて電圧を生ずる酸素濃淡電池素子として
用い、少なくとも空燃比のリーン域において空燃
比に対応した信号を検出し得るよう構成されたも
のがある（特開昭59−178354）。

［発明が解決しようとする問題点］ ところがこの種の空燃比検出装置の場合、第６
図に示す如く、空燃比のリーン域、即ち排気中に
残留酸素が存在する場合だけでなく、空燃比のリ
ツチ域、即ち排気中に残留酸素が存在しない場合
にでも、排気中のCO、CO₂、H₂Ｏ等と反応し、
リーン域における信号と同様の信号を発生する特
性を有することがわかつた。つまり検出信号に対
して２つの空燃比が対応するようになるため、こ
の種の空燃比検出装置を用いて空燃比制御を実行
する場合、空燃比がリーン域にあるのか、あるい
はリツチ域にあるのかをはつきりさせる必要が生
じてくるのである。尚第６図においてλは空気過
剰率を示し、λ＝１は空燃比が理論空燃比である
ことを表わしている。

一方上記問題の対策として、上記空燃比検出装
置に理論空燃比で検出信号の反転する、いわゆる
リーン・リツチセンサを付け加え、その検出信号
を基に上記第６図で示した如き特性の空燃比信号
をλ＝１の点、即ち理論空燃比で反転し、空燃比
のリツチからリーンにかけて連続的に変化する空
燃比信号が得られるようにするといつたことも考
えられる。ところがこの場合、検出された空燃比
信号はリツチからリーンに連続して変化するので
排気の空燃比を正確に検知することができ、その
制御も良好に行い得るのであるが、リーン・リツ
チセンサを設ける必要があり、またその検出回路
が複雑になつてしまうという問題が生じてしま
う。

そこで本発明は、空燃比のリーン域からリツチ
域の全領域において空燃比に対応し連続して変化
する空燃比検出信号を得ることができ、しかもそ
の構成が簡単な空燃比検出装置を提供することに
よつて、空燃比制御を実行する際には、その検出
信号をそのまま用いて全空燃比範囲で精度よく、
簡単に実行できるようにすることを目的としてい
る。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達するための本発明の構成は、第
１図に示すごとく、 酸素イオン伝導性の固体電解質両面に多孔性電
極を設け、一方の電極が排気の流入を制限した拡
散室に面し、他方の電極が酸素源として働く大気
等のガスに面するよう配設してなる酸素ポンプ素
子と、 上記拡散室内の酸素濃度に応じた検出信号を出
力する酸素濃度検出素子と、 該酸素濃度検出素子の検出信号、及び上記酸素
ポンプ素子のポンプ電流に基づき、空燃比信号を
出力する空燃比信号検出手段と、 からなる空燃比検出装置であつて、 上記空燃比信号検出手段が、 上記酸素ポンプ素子Ｍ１の一方の電極側より所
定の電圧Vcを印加する定電圧印加手段Ｍ２と、 上記酸素ポンプ素子Ｍ１の他方の電極側に設け
られ、上記酸素濃度検出素子Ｍ３の検出信号Vs
に応じて当該酸素ポンプ素子Ｍ１に流れるポンプ
電流Ipを双方向に制御するポンプ電流制御手段Ｍ
４と、 該制御されたポンプ電流Ipを検出し、空燃比信
号Vλとして出力するポンプ電流検出手段Ｍ５と、 を備えたことを特徴とする空燃比検出装置を要旨
としている。

ここでまず上記酸素ポンプ素子Ｍ１を構成する
酸素イオン伝導性の固体電解質としては、ジルコ
ニアとイツトリアとの固溶体、あるいはジルコニ
アとカルシアとの固溶体等が代表的なものであ
り、その他二酸化セリウム、二酸化トリウム、二
酸化ハフニウムの各固溶体、ペロブスカイト型酸
化物固溶体、３価金属酸化物固溶体等も使用可能
である。またその固体電解質両面に設けられる多
孔性電極としては、酸化反応の触媒作用を有する
白金やロジウム等を用いればよく、その形成方法
としては、これらの金属粉末を主成分としてこれ
に固体電解質と同じセラミツク材料の粉末を混合
してペースト化し、厚膜技術を用いて印刷後、焼
結して形成する方法、あるいはフレーム溶射、化
学メツキ、蒸着等の薄膜技術を用いて形成し、か
つその電極層に更に、アルミナ、スピネル、ジル
コニア、ムライト等の多孔質保護層を厚膜技術を
用いて形成することが好ましく、また拡散室側の
電極上の多孔質層には白金、ロジウム等を分散さ
せ、酸化反応の触媒作用を付与することが好まし
い。

そしてこのように構成された酸素ポンプ素子Ｍ
１は、酸素イオン伝導性固体電解質の、電圧をか
けることにより固体電解質中を酸素イオンが移動
し、電流が流れる性質を利用したものであつて、
２つの電極間に電圧をかけ双方向に電流を流すこ
とによつて拡散室の酸素を酸素源としてのガス中
へ、あるいはそのガス中の酸素を拡散室へと双方
向に汲み出すように動作する。

尚こうした酸素ポンプ素子のポンピング動作に
ついては、特開昭52−119989号、特開昭53−
66292号、特開昭57−111441号、特開昭60−
14161号等の公報に記載の如く、従来より周知で
あり、また酸素源としてのガスとしては、これら
各公報に記載の如く、酸素を有するガスであれば
何でもよいが、大気や排気を用いるのが一般的
で、或はに記載の如く純粋な酸素ガスを用い
るようにしてもよい。

次に酸素濃度検出素子Ｍ３は、上記拡散室内の
酸素濃度に応じた検出信号を出力するものである
が、この検出信号としては、上記酸素ポンプ素子
と同様に、酸素イオン伝導性の固体電解質両面に
多孔性電極を設け、一方の電極を拡散室に、他方
の電極を大気に面すよう配設することによつて、
大気中の酸素濃度と拡散室の酸素濃度との濃度差
に応じた電圧を発生する、いわゆる酸素濃淡電池
素子、あるいはチタニア等の遷移金属酸化物から
なり、理論空燃比で抵抗値が大きく変化する、い
わゆるリーン・リツチセンサを用いることができ
る。

また空燃比信号検出手段は、上述した如く定電
圧印加手段Ｍ２とポンプ電流制御手段Ｍ４とポン
プ電流検出手段Ｍ５とからなり、酸素濃度検出素
子Ｍ３の検出信号が所定の値になるよう、酸素ポ
ンプ素子Ｍ１を用いて拡散室の酸素濃度を一定に
保ち、その時酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流
を検出することによつて、排気中の酸素濃度に応
じた空燃比信号を出力するように構成されてい
る。

即ち本発明の空燃比信号検出手段においては、
ポンプ電流制御手段Ｍ４が酸素濃度検出素子Ｍ３
の検出信号Vsが所定値となり、拡散室の酸素濃
度が所定の値となるよう酸素ポンプ素子Ｍ１に流
れるポンプ電流Ipを制御し、ポンプ電流検出手段
Ｍ５がその制御されたポンプ電流Ipを空燃比信号
Vλとして検出するよう構成され、またポンプ電
流制御手段Ｍ４にてポンプ電流Ipを制御する際、
その電流方向を双方向に制御し得るよう、酸素ポ
ンプ素子Ｍ１のポンプ電流制御手段Ｍ４とは反対
の電極側には一定電圧Vcを印加する定電圧印加
手段Ｍ２が設けられているのである。

尚第１図においてポンプ電流検出手段Ｍ５は酸
素ポンプ素子Ｍ１と定電圧印加手段Ｍ２との間に
設けられているが、酸素ポンプ素子Ｍ１とポンプ
電流制御手段Ｍ４との間に設けてもよい。またこ
の空燃比信号検出手段としては、トランジスタや
演算増幅器を用いた電気回路として構成してもよ
く、また空燃比制御を実行する自動車等に用いら
れるマイクロコンピユータの一つの処理として実
行するようにしてもよい。

［作用］ 以上の如く構成された本発明の空燃比検出装置
では、拡散室の酸素濃度が所定値となるよう酸素
ポンプ素子が拡散室の酸素を酸素源としてのガス
中に、或はそのガス中の酸素を拡散室に、双方向
に汲み出すよう動作され、その際酸素ポンプ素子
に流れるポンプ電流が空燃比信号として検出され
ることとなり、リツチからリーンにかけて連続的
に変化する特性の空燃比信号が得られるようにな
る。

［実施例］ 以下に本発明の一実施例を図面と共に説明す
る。

第２図は内燃機関の排気管１に気密状に設けら
れた検出素子部２を表わす断面図、第３図は空燃
比信号検出回路を表わす電気回路図である。

ここでまず検出素子部２は、第２図に示す如
く、厚さ約0.5mmの平板状の、例えば安定化ジル
コニア等からなる酸素イオン伝導性の固体電解質
４の両側面に、夫々厚膜技術を用いて約20μの厚
さの多孔性電極である多孔質白金電極層５，６を
設けてなる酸素ポンプ素子７と、同じく酸素イオ
ン伝導性固体電解質４の両側面に多孔質白金電極
層９，１０を設けてなる酸素濃淡電池素子１１と
を備えている。そしてこの酸素ポンプ素子７及び
酸素濃淡電池素子１１の一方の多孔質白金電極層
６及び９は直接酸素源としての大気と接するよ
う、金属あるいはセラミツクス等の耐熱性で気密
な部材からなる壁面１２が設けられ、空気室１３
が形成されている。また酸素ポンプ素子７及び酸
素濃淡電池素子１１の他方の多孔質白金電極層５
及び１０側には例えば0.2mmの間隔で壁１４を対
向配設し、排気の流入を制限された拡散室１５が
形成されている。

一方固体電解質４、壁面１２及び壁１４の空気
室１３を除く足元周縁部には、耐熱性で絶縁性の
気密部材１６が設けられ、その周囲に排気管取付
用のねじ部１７が刻設された支持台１８が形成さ
れている。従つてこのような構成の検出素子部２
は、支持台１８に刻設されたねじ部１７を排気管
１に形成された検出素子部取付用のねじ部１９に
螺合し、締め付けることによつて排気管１に気密
状に取り付けることができる。

次に本実施例の空燃比信号検出回路は、第３図
に示す如く、４個の演算増幅器OP１ないしOP４
を中心に構成され、上記酸素濃淡電池素子１１に
て発生される、空気室１３と拡散室１５との酸素
濃度差に応じた起電力が、所定電圧となるよう、
即ち拡散室１５内の酸素濃度が一定となるよう、
酸素ポンプ素子７に流れるポンプ電流を双方向に
制御し、その電流値を空燃比信号として検出す
る。

まず演算増幅器OP１及びOP２は前記ポンプ電
流制御手段Ｍ４を構成するものであつて、演算増
幅器OP１の入力端子に上記酸素濃淡電池素子１
１の電極端子を抵抗を介して接続する。演算増幅
器OP１では酸素濃淡電池素子１１にて発生され
た起電力Vsを増幅すると共に、後述するOP３よ
り出力される所定電圧Vc分だけ持ち上げ、演算
増幅器OP２に出力する。演算増幅器OP２ではこ
の出力された酸素濃淡電池素子１１の起電力Vs
に応じた電圧を基準電圧Voと比較し、差の電圧
を出力する。そして出力された電圧は酸素ポンプ
素子７の一方の電極端子に入力され、ポンプ電流
制御のための制御電圧とされる。

次に演算増幅器OP３は前記定電圧印加手段Ｍ
２に相当し、ボリユームVR１にて決定される所
定の電圧を出力する。またこの演算増幅器OP３
の出力端子は酸素ポンプ素子７の他方の電極端子
に抵抗Ｒを介して接続されている。従つて酸素ポ
ンプ素子７には演算増幅器OP３より出力された
所定電圧と、演算増幅器Ｐ２より出力された制御
電圧との電圧差に応じたポンプ電流が双方向に流
れることとなり、拡散室１５の空燃比を予め定め
られた空燃比に制御するよう酸素を拡散１５から
空気室１３へ、あるいは空気室１３から拡散室１
５へと汲み出すこととなる。

一方演算増幅器OP４は抵抗Ｒと共に酸素ポン
プ素子７に流れるポンプ電流を空燃比信号Vλと
して取り出すための前記ポンプ電流検出手段Ｍ５
に相当するものであつて、この演算増幅器OP４
はバツフア回路として働き、抵抗Ｒの酸素ポンプ
素子側端子とアース間の電圧を検出し、空燃比信
号Vλとする。

このように構成された本実施例の空燃比検出装
置では、例えば検出回路を、拡散室１５の酸素濃
度が内燃機関を理論空燃比（λ＝１）で運転した
場合の排気の酸素濃度となるように構成すれば、
即ち内燃機関を理論空燃比（λ＝１）で運転した
場合に演算増幅器OP２と演算増幅器OP３とから
出力される電圧が等しくなるように構成すれば、
空燃比がリツチの場合に、酸素ポンプ素子７が空
気室１３の酸素を拡散室１５に汲み出すように動
作され、一方空燃比がリーンの場合に、酸素ポン
プ素子７が拡散室１５の酸素を空気室１３に汲み
出すように動作される。従つて得られる空燃比信
号Vλは例えば第４図に示す如く、λ＝１の点で
設定電圧Vcとなりリツチからリーンにかけて連
続的に変化する特性のものとなる。尚この空燃比
信号Vλの特性は、酸素濃淡電池素子１１及び酸
素ポンプ素子７の電極端子と空燃比検出回路の各
接続端子との接続方向を変更することによつて、
破線で示す傾きの特性とすることができ、自動車
等の空燃比制御装置に用いる場合所望の特性が得
られるように切替えることができる。

ここで上記実施例では検出素子部２として１枚
の固体電解質４に酸素濃淡電池素子１１及び酸素
ポンプ素子７を形成したものを用いたが、この他
にも例えば第５図に示すように、酸素濃淡電池素
子２０及び酸素ポンプ素子２１を各々別体の固体
電解質２２及び２３上に形成し、これら２枚の素
子を対向することによつて拡散室２４を形成する
よう構成してもよい。尚この場合各固体電解質２
２及び２３には壁面２５及び２６を夫々設け、２
つの空気室２７及び２８を形成する必要はある。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明の空燃比検出装置で
は、空燃比信号検出手段が定電圧印加手段とポン
プ電流制御手段とポンプ電流検出手段を備え、酸
素濃度検出素子の検出信号に応じて酸素ポンプ素
子に流れる電流を双方向に制御し、空燃比信号を
検出するよう構成されている。従つて従来のよう
に空燃比信号が理論空燃比で反転し、空燃比のリ
ツチ域とリーン域とで同一の検出信号が得られる
といつたことはなく、簡単な電気回路で、しかも
他の検出素子を設けることなく、リツチからリー
ンにかけて連続的に変化する空燃比信号を得るこ
とができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を表わすブロツク図、第２図な
いし第４図は本発明の一実施例を示し、第２図は
内燃機関の排気管に設けられた検出素子部を表わ
す断面図、第３図は空燃比信号検出回路を表わす
回路図、第４図は本実施例の空燃比検出装置によ
り得られる空燃比信号Vλを表わすグラフ、第５
図は検出素子部の他の実施例を表わす断面図、第
６図は従来の空燃比信号の特性を表わすグラフで
ある。 ４，２２，２３……固体電解質、５，６，９，
１０……多孔質白金電極層、７，２１……酸素ポ
ンプ素子、１１，２０……酸素濃淡電池素子、１
３，２７，２８……空気室、１５，２４……拡散
室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素イオン伝導性の固体電解質両面に多孔性
   電極を設け、一方の電極が排気の流入を制限した
   拡散室に面し、他方の電極が酸素源として働く大
   気等のガスに面するよう配設してなる酸素ポンプ
   素子と、 上記拡散室内の酸素濃度に応じた検出信号を出
   力する酸素濃度検出素子と、 該酸素濃度検出素子の検出信号及び上記酸素ポ
   ンプ素子のポンプ電流に基づき、空燃比信号を出
   力する空燃比信号検出手段と、 からなる空燃比検出装置であつて、 上記空燃比信号検出装置が、 上記酸素ポンプ素子の一方の電極側より所定の
   電圧を印加する定電圧印加手段と、 上記酸素ポンプ素子の他方の電極側に設けら
   れ、上記酸素濃度検出素子の検出信号に応じて当
   該酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流を双方向に
   制御するポンプ電流制御手段と、 該制御されたポンプ電流を検出し、空燃比信号
   として出力するポンプ電流検出手段と、 を備えたことを特徴とする空燃比検出装置。