JPH053908B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は、空燃比検出装置に関し、詳しくはリ
ーン領域からリツチ領域に亘る広い範囲の空燃比
を、内燃機関の排気組成に基づいて検出する空燃
比検出装置に関する。

［従来の技術］ 近年、内燃機関での燃焼を緻密に制御して、燃
費の向上や排気の状態を改善しようとする内燃機
関の電子制御が広く普及しているが、このひとつ
に内燃機関の吸気系の吸入空気または排気系の排
出ガスの空燃比を内燃機関の運転状態に応じて精
密にコントロールしようとする空燃比制御があ
る。空燃比は通常は理論空燃比、即ちＡ／Ｆ＝
14.7に制御されるが、加速時等にあつては内燃機
関の出力増大を計る為に過濃空燃比（所謂リツチ
空燃比）に制御したり、内燃機関が比較的軽負荷
で定常運転されている場合等には燃費の向上に資
する為に希薄空燃比（所謂リーン空燃比）に制御
したりするような種々の空燃比制御が行なわれる
ことも多い。

こうした空燃比制御においては内燃機関の作動
空燃比の測定が必要となり、一般には内燃機関の
排気系に排気組成、特に残存酸素濃度を検出する
酸素濃度センサを設けて、これに充てている。こ
うした酸素濃度センサとしては従来、ジルコニア
系あるいはチタニア系等の固体電解質に一対の電
極を設けたものが広く用いられており、大別して
酸素濃淡電池作用を用いたタイプと酸素ポンプ作
用を用いたタイプとがある。

前者は、固体電解質の両サイドの内燃機関の排
気と大気との酸素濃度の差に応じて固体電解質内
を流れる電流が生じることを利用し、この起電力
によつて排気中の酸素濃度を検出するものであつ
て、通常は理論空燃比を境として２値化されたリ
ーン・リツチ信号として空燃比を検出する。

他方、後者の酸素濃度センサは、限界電流式と
も呼ばれるものであつて、排気側の電極の外側に
拡散低抗体、例えば小孔を有する小室や間隙ある
いは多孔質の抵抗層等を形成し、この拡散抵抗体
から拡散してくる酸素量が被測定気体、ここでは
内燃機関の排気の酸素濃度に比例していることを
利用して酸素濃度を検出するものである。酸素濃
度に応じた定電流領域（限界電流領域）が形成さ
れることから、酸素濃度センサに定電圧を印加し
て、これに対応する電流値を測定すれば排気中の
酸素濃度をリニアに測定することができることか
ら、前者の濃淡電池作用を用いた酸素濃度センサ
の２値化された検出信号と較べて、内燃機関の空
燃比を理論空燃比より希薄な所定の空燃比にフイ
ードバツク制御する空燃比例制御に供することが
できるなどの利点を有する。

［発明が解決しようとする問題点］ かかる従来技術を背景として、本発明が解決し
ようとするのは以下の問題点である。

上述した濃淡電池作用を用いた酸素濃度センサ
は、一般に、内燃機関の空燃比がリーンがリツチ
かを検出するものであつて、空燃比を理論空燃比
近傍に制御することしか用いることができない。
一方、酸素ポンプ作用を用いた限界電流式の酸素
濃度センサはリーン空燃比をリニアに検出できる
が、理論空燃比以下では拡散してくる酸素量が原
理的には零となつてしまい、理論空燃比より過濃
な空燃比を検出することはできないという問題が
あつた。

そこで内燃機関の空燃比をリーン領域からリツ
チ領域まで広範囲に制御する為の空燃比検出装置
として、種々の提案がなされている。例えば特開
昭59−83048号公報の「空燃比制御器」は理論空
燃比を境に酸素濃度センサに印加する電圧を反転
し、CO₂濃度を利用してリツチ空燃比領域の空燃
比の検出を行なおうとするものであるが、理論空
燃比以上か否かを検出する手段や印加する電圧を
反転する手段等を要し、構成が繁雑なものになつ
てしまうという問題がある。

そこで、本発明は上記問題点を解決し、簡易な
構成で内燃機関の空燃比をリツチ空燃比領域まで
検出することのできる空燃比検出装置を提供する
ことを目的とする。

発明の構成 ［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成すべく、上記問題点を解決す
るためにとられた本発明の手段は、第１図に図示
する如く、 固体電解質Ｍ１を挟んで設けられた一対の電極
の一方Ｍ２拡散抵抗Ｍ３を介して内燃機関Ｍ４の
排気系Ｍ５に接し、他方の電極Ｍ２′が大気に接
するよう構成された酸素濃度センサＭ６と、 該酸素濃度センサＭ６の一対の電極Ｍ２，Ｍ
２′間の電位差を、該酸素濃度センサＭ６の限界
電流領域に対応した所定の電圧に保持する定電圧
回路Ｍ７と、 該保持された電圧に対して、前記内燃機関Ｍ４
の排気組織に基づいて定まる電流値を検出する限
界電流検出回路Ｍ８と、を備え、 該電流値から前記内燃機関Ｍ４の空燃比を検出
する空燃比検出装置において、 前記保持される所定の電圧が、前記内燃機関Ｍ
４が過濃空燃比で運転されている場合の排気組成
に対して前記酸素濃度センサＭ６に生じる電圧以
下であることを特徴とする空燃比検出装置の構成
を要旨としている。

ここで定電圧回路Ｍ７としては、出力段に一対
のトランジスタから構成されたプツシユプル回路
を用いることが構成上簡易であつて、例えば、一
方のトランジスタを、酸素濃度センサＭ６に生じ
る電圧が該酸素濃度センサＭ６に保持する所定の
電圧以下の時に、該酸素濃度センサＭ６に電流を
供給するソース電流源としてのトランジスタとし
て、他方のトランジスタを、前記酸素濃度センサ
Ｍ６に生じる電圧が前記所定の電圧以上の時に、
前記酸素濃度センサから電流を流すシンク電流源
としてのトランジスタとして用いる構成などが考
えられる。

限界電流検出回路Ｍ８は、酸素濃度センサＭ６
に流れる限界電流を検出する回路であつて、定電
圧に保持される酸素濃度センサＭ６と直列に挿入
された抵抗器の両端の電圧を検出するといつた回
路構成をとるのが簡易である。

［作用］ 上記構成を有する空燃比検出装置は、固体電解
質とは拡散低抗体とを備え、酸素ポンプ作用を用
いた限界電流式の酸素濃度センサＭ６の一対の電
極Ｍ２，Ｍ２′間に保持される所定の電圧を次の
範囲としたことを特徴としている。即ち、この所
定の電圧は、 (1) 酸素濃度センサＭ６の限界電流領域に対応し
た電圧範囲で、 かつ、 (2) 内燃機関が過濃空燃比（リツチ空燃比領域）
で運転されている場合の排気中にこの酸素濃度
センサＭ６が晒された時、酸素濃淡電池作用に
よつてこの酸素濃度センサＭ６に生じる起電力
によつて一対の電極Ｍ２，Ｍ２′間に生じる電
圧以下、 とされる。

次に、このような構成によつて、何故、リツチ
空燃比の領域まで空燃比の検出が可能となるかを
説明する。第２図Ａは酸素濃度センサの概念的な
構成を示す模式図であるが、固体電解質１の一組
の両端面に電極３，４が形成されており、電極３
の外側には拡散低抗体、例えば多孔質セラミツク
の厚膜５が形成されている。今、図において電極
４の側が大気に開放されており、厚膜５の側が内
燃機関の排気に接しているとする。

(A) 電極３，４間に酸素イオンが電極３の側から
電極４の側へ移動するように所定の電圧をかけ
る（第２Ｂ）。この場合、排気側から厚膜５と
電極３の接する部位に達した酸素分子は直ちに
大気側へ汲み出されてしまう。しかしながら、
内燃機関の空燃比がリーンの場合、排気中には
酸素分子が残存しており、排気中の残存酸素分
圧に応じた速度で拡散抵抗体としての厚膜５中
を拡散してくる。この為、残存酸素分子の分圧
（濃度）に応じた電流がこの酸素濃度センサを
流れることになり、これが限界電流として検出
される。この様子を第３図Ａに示した。

(B) 一方、内燃機関の空燃比がリツチの場合を考
えてみると、仮に電極３，４間に前述の電圧が
印加されていなければ、この酸素濃度センサは
濃淡電池として働き、大気中の酸素分圧DO２
と排気中の酸素分圧PO２との比PO２／DO２
に基づいて次式(1)により起電力Ｅを発生する。

Ｅ＝（RT／4F）×Ln（PO2／DO2） ……(1) 尚、ここでＲは基体定数、Ｔは絶対温度、Ｆは
フアラデー定数であり、Lnは自然対数を表わし
ている。

そこで、第２図ｃのように外部に閉回路となる
よう抵抗器ｒを介した回路を設けてやると、起電
力Ｅにより電流が流れる。

ところが、固体電解質１を電極４側から電極３
へ移動してきた酸素イオンは電極３の表面で酸素
分子となつたり排気中の一酸化炭素とむすびつい
て二酸化炭素となつた後、拡散低抗体である多孔
質の厚膜５を拡散して排気中へ出てゆくが、この
拡散の速度は排気中の一酸化炭素や未燃ガスの濃
度によつて規制される。この結果、酸素濃度セン
サの起電力により外部に電流を流す場合には、第
３図Ｂに示すように、拡散抵抗体があることによ
つて、空気比がリツチの場合にも限界電流領域が
生じることになる。

従つて、過濃な空燃比で内燃機関が運転されて
いる場合に、酸素濃度センサに生じる起電力より
小さな所定の電圧に酸素濃度センサの電極３，４
間の電位を保持すれば、空燃比がリーンの場合に
は従来の酸素ポンプ作用による限界電流によつ
て、一方、空燃比がリツチの場合には濃淡電池と
しての作用における限界電流によつて、各々内燃
機関の空燃比が検出できることになる。

［実施例］ 以下本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。

第４図は本発明一実施例としての空燃比検出装
置の概略構成図である。図において、１０は内燃
機関１２の排気管１４に備えられた酸素濃度セン
サであつて、その詳細な構成は第５図に拠つて後
述する。酸素濃度センサ１０には、酸素濃度セン
サ１０の電極間の電圧を所定電圧に保持する定電
圧回路と酸素濃度センサ１０に流れる電流を検出
する限界電流検出回路との機能を有する電子回路
１６が接続されており、電子回路１６によつて検
出された限界電流値は内燃機関の空燃比を示す信
号として周知の空燃比制御装置１８に出力され、
空燃比制御に用いられる。この空燃比制御装置１
８についてはよく知られているので説明は省略
し、次に第５図に拠つて酸素濃度センサ１０の構
造を、第６図に拠つて電子回路１６の構成を、
各々説明する。

第５図は酸素濃度センサ１０の断面図である
が、図示するように、酸素濃度センサ１０は保護
用の金属ケース２０の中に検出素子２１を収めて
おり、フランジ２２によつて排気管１２に取付け
られる。金属ケース２０は開孔部２０ａを有し、
排気が自由に出入りする構造となつている。検出
素子２１は一端が閉塞された円筒の形状をしてお
り、外側から多孔質セラミツクの厚膜２４、多孔
質の白金電極２５ａ、ジルコニアからなる固体電
解質２６、今ひとつの対孔質の白金電極２５ｂ等
が形成されており、中空の内部には検出素子２１
を限界電流が生じる温度まで加熱・保温するヒー
タ２８が設けられている。検出素子２１の内部に
は外部の大気が自由に出入りする構造となつてい
る。

第６図は電子回路１６の回路図であつて、図示
するように定電圧回路３０と限界電流検出用の抵
抗器３１及び限界電流検出回路３２とから構成さ
れている。

定電圧回路３０はａ点の電圧を一定に保つ回路
であつて、基準電位Vref（本実施例では約0.6V）
とａ点の電位、即ち検出素子２１の電極２５ａ，
２５ｂ間に保持される電圧Vlsとをオペアンブ３
４に入力し、トランジスタ３５，３６よりプシユ
プル回路を構成した電流ブースタによつて抵抗器
３１を介して酸素濃度センサ１０の検出素子２１
の電極２５ａ，２５ｂ間の電位を一基基準電位
Vrefと等しくなるよう電流を供給（トランジス
タ３５を介して）、または流し去る（トランジス
タ３６を介して）構成である。尚、Ｒ１，Ｒ２，
Ｒ３は各トランジスタのバイアス用抵抗器、Ｄ
１，Ｄ２はトランジスタ３５，３６の動作電圧を
保証するために用いられたダイオードである。

一方、限界電流検出回路３２は抵抗器３１の両
端の電圧、即ち抵抗器３１を介して検出素子２１
に流れる限界電流の値を検出する為の差動増幅器
としてオペアンプ３９を中心に構成されている。
Ｒ６ないしＲ９は増幅度を決める抵抗王器、ZD
は出力電圧Voutの電位を持ち上げて、リツチ空
燃比でもプラスの電圧とする為のツエナーダイオ
ードである。もちろん、このツエナーダイオード
ZDは、抵抗または電池等で代用してもよい。そ
の出力電圧Voutは内燃機関の空燃比を示す信号
として空燃比制御装置１８に出力されている。

以上のように構成された本実施例においては、
内燃機関の空燃比がリーンの場合には酸素濃度セ
ンサ１０の検出素子２１自身の起電力よりも酸素
ポンプとしての作用が強く働く為、トランジスタ
３５を介して抵抗器３１、検出素子２１に電流が
流れ、ａ点の電位が約0.6Vに保持される。この
時、検出素子２１に流れる電流は、第７図の実線
Ａ／Ｆ２０，Ａ／Ｆ１７の如く限界電流となつて
いることから、空燃比Ａ／Ｆに対応した値とな
る。

一方、内燃機関１２がリツチな空燃比で運転さ
れている場合には、内燃機関の排気中の残存酸素
濃度はほぼ零となり、酸素濃度センサ１０の検出
素子２１は濃淡電池として機能し、高い起電力を
生じる。この場合には第６図ａ点の電位が上昇す
る結果、トランジスタ３６が駆動されて、検出素
子２１から抵抗器３１を介して電流が流れること
によりａ点の電位を下げ、約0.6Vに保持する。
検出素子２１を流れる電流の値は、拡散低抗体と
してのセラミツクの厚膜２４による規制をうける
ことから、排気中の一酸化炭素や未燃ガスの濃度
によつて定まる。従つて、抵抗器３１を介して検
出される限界電流は、第７図の破線Ａ／Ｆ１４，
Ａ／Ｆ１３の如くなり、内燃機関１２の空燃比に
応じた値となる。

ここで、検出素子２１の電極２５ａ，２５ｂ間
に保持される電圧は約0.6Vとされているが、こ
れは第７図に示すように、電圧Vaではリツチ空
燃比での限界電流領域をはずれ、電圧Vcではリ
ーン空燃比での限界電流領域をずれてしまうこと
から、測定しようとする内燃機関１２の空燃比の
範囲に合わせて定められるものである。本実施例
ではＡ／Ｆ＝13からＡ／Ｆ＝23までの範囲の空燃
比を検出することができている。このように、酸
素濃度センサ１０の特性と本実施例の空燃比検出
装置を適用する内燃機関１２の空燃比制御の態様
に合わせて最適の電圧を選択すればよい。

上記の如く、本実施例によれば、単一の酸素濃
度センサ１０を用い、内燃機関１２の空燃比を、
リーン（希薄）空燃比からリツチ（過濃）空燃比
まで広い範囲に亘つて検出することができ、しか
も、定電圧回路３０と限界電流検出回路３２を用
いるだけであり、極めて簡易な構成で、広範囲の
空転比の検出を実現している。しかも限界電流を
用いて空燃比の検出を行なつているので、保持し
ている定電圧の若干の変動や検出素子２１の温度
変化等にほとんど影響されることはない。従つ
て、空燃比がリーンの場合にはこの電圧を0.7V
程度とし、空燃比がリツチとなるに従つて電圧を
下げ、例えば0.3V程度とするように構成するこ
ともでき、空燃比の検出範囲を広げる上で好適で
ある。

尚、本実施例の電子回路１６の構成に替えて、
第８図、第９図に示す回路構成を用いてもよい。

第８図の電子回路１６は、その定電圧回路３０
のプツシユプル回路が第６図の構成に較べて＋
5V−0Vで動作するよう変更されており、車載の
条件下で容易に使用することができるという利点
を有する。ダイオードＤ１，Ｄ２がトランジスタ
３５の側に２個直列に挿入されており、第８図中
ｂ点の電位を下げているので、単一電源による動
作が可能となつた。

一方、第９図の電子回路１６は第９図ckk動作
電位をプル・ダウン抵抗器５０によつて引き下げ
ており、これによつて単一電源＋5V−0Vによる
動作が可能となつたものである。

電子回路１６の回路構成としてはこの他種々の
ものを考えることができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発
明はこの実施例に何等限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。

発明の効果 以上詳述したように、本発明の空燃比検出装置
は、簡易な構成によつて、希薄（リーン）空燃比
から過濃（リツチ）空燃比に亘る内燃機関の広い
範囲を検出することができるという優れた効果を
奏する。この結果、複数の酸素濃度センサを用い
たり、酸素濃度センサに保持する電圧の極性を切
替えたりする必要がなく、装置全体の信頼性も向
上する。また単一の酸素濃度センサを用いてリー
ンからリツチに亘る広い範囲の空燃比制御を容易
に行なうことができるようになることから、内燃
機関の燃焼を種々の条件下で緻密に制御すること
が可能となり、排気浄化性や燃費の向上といつた
要求に応えることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成図、第２図Ａは酸
素濃度センサの基本的な構造を示す模式図、第２
図Ｂ，Ｃは各々酸素濃度センサの基本的な動作原
理を示す模式図、第３図Ａはリーン空燃比におけ
る酸素濃度センサの特性を示すグラフ、第３図Ｂ
はリツチ空燃比における酸素濃度センサの特性を
示すグラフ、第４図は本発明一実施例の概略構成
図、第５図は酸素濃度センサの構造を示す軸方向
断面図、第６図は電子回路１６の回路図、第７図
は実施例における酸素濃度センサの特性を示すグ
ラフ、第８図、第９図は各々電子回路１６の他の
構成例を示す回路図である。 １０……酸素濃度センサ、１２……内燃機関、
１６……電子回路、２１……検出素子、２４……
多孔質セラミツクの厚膜、２５ａ，２５ｂ……電
極、２６……固体電解質、３０……定電圧回路、
３２……限界電流検出回路、３４，３９……オペ
アンプ、３５，３６……トランジスタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体電解質を挟んで設けられた一対の電極の
   一方が拡散抵抗体を介して内燃機関の排気系に接
   し、他方の電極が大気に接するよう構成された酸
   素濃度センサと、 該酸素濃度センサの一対の電極間の電位差を、
   該酸素濃度センサの限界電流領域に対応した所定
   の電圧に保持する定電圧回路と、 該保持された電圧に対して、前記内燃機関の排
   気組成に基づいて定まる電流値を検出する限界電
   流検出回路と、を備え、 該電流値から前記内燃機関の空燃比を検出する
   空燃比検出装置において、 前記保持される所定の電圧が、前記内燃機関が
   過濃空燃比で運転されている場合の排気組成に対
   して前記酸素濃度センサに生じる電圧以下である
   ことを特徴とする空燃比検出装置。 ２ 定電圧回路が、酸素濃度センサに生じる電圧
   が該酸素濃度センサに保持する所定の電圧以下の
   時に、該酸素濃度センサに電流を供給するソース
   電流源としてのトランジスタと、前記酸素濃度セ
   ンサに生じる電圧が前記所定の電圧以上の時に、
   前記酸素濃度センサから電流を流すシンク電流源
   としてのトランジスタとから一組のプツシユプル
   回路として構成された特許請求の範囲第１項記載
   の空燃比検出装置。