JPH0572539B2 - - Google Patents
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- JPH0572539B2 JPH0572539B2 JP59167854A JP16785484A JPH0572539B2 JP H0572539 B2 JPH0572539 B2 JP H0572539B2 JP 59167854 A JP59167854 A JP 59167854A JP 16785484 A JP16785484 A JP 16785484A JP H0572539 B2 JPH0572539 B2 JP H0572539B2
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Classifications
-
- 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
- G01N27/416—Systems
-
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は空燃比センサに係り、特に内燃機関の
空燃比制御用センサに好適な空燃比センサに関す
る。
空燃比制御用センサに好適な空燃比センサに関す
る。
第１図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、クランクシヤフトセンサ４などの
センサから機関情報をコントロールユニツト５に
取込み、燃料噴射弁６、イグニツシヨンコイル
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
なつている。
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、クランクシヤフトセンサ４などの
センサから機関情報をコントロールユニツト５に
取込み、燃料噴射弁６、イグニツシヨンコイル
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
なつている。
第２図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（この場合はリツチ
領域で制御）を除き、理論空燃比（Stoich、空燃
比Ａ／Ｆ＝14.7、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、ストイツクセン
サと呼ぶことにする）しかなかつたことや排ガス
対策によるためである。燃焼効率は第２図に示す
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
おいてはストイツ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
れるには至つていない。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。
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（この場合はリツチ
領域で制御）を除き、理論空燃比（Stoich、空燃
比Ａ／Ｆ＝14.7、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、ストイツクセン
サと呼ぶことにする）しかなかつたことや排ガス
対策によるためである。燃焼効率は第２図に示す
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
おいてはストイツ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
れるには至つていない。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。
リーンセンサとストイツ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。
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。
第一の例は、ヒータを中央にはさんでリーンセ
ンサとストイツクセンサをサンドイツチ状に積層
したものが知られている（特開昭55−125448号）。
しかし、この案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。
ンサとストイツクセンサをサンドイツチ状に積層
したものが知られている（特開昭55−125448号）。
しかし、この案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。
第二の例は例えば特開昭55−154450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
によつて、リーン及びストイツク点の検出を行う
空燃比センサが知られている。しかし、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ツク
機能の同時出力化が困難である。
ているような、セル励起電圧の極性を変えること
によつて、リーン及びストイツク点の検出を行う
空燃比センサが知られている。しかし、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ツク
機能の同時出力化が困難である。
第三の例は例えば特開昭58−48749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つて両機能を得る空燃比セン
サが知られている。このセンサは第二の例と同じ
く、応答性や使用性に問題がある。
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つて両機能を得る空燃比セン
サが知られている。このセンサは第二の例と同じ
く、応答性や使用性に問題がある。
本発明の目的は、簡単な構造で、温度による影
響を受けずに空燃比センサを提供することにあ
る。
響を受けずに空燃比センサを提供することにあ
る。
本発明の特徴は排ガス雰囲気内にさらされる陽
極及び前記陽極とジルコニア固体電解質を介して
設けられた陰極からなる第一のセル部と、前記陰
極及びジルコニア固体電解質を介して設けられた
酸素基準極からなる第二のセル部と、前記第一の
セル部の前記陰極側に設けられ、内部に前記陰極
が配置され、排ガスが流入し拡散する第一の拡散
室と、前記第二のセル部の前記酸素基準極側に設
けられ、内部に前記酸素基準極が配置された第二
の拡散室と、前記酸素基準極と前記陰極との間の
電位差を検出する手段と、その検出された電位差
が所定の電圧になるように前記第一のセル部の前
記陽極と前記陰極との間に励起電圧を印加する手
段と、前記励起電圧を印加したときに前記第一の
セル部の前記陽極と前記陰極との間に流れる電流
を検出する手段とによつて、空燃比センサを構成
することによつて達成される。
極及び前記陽極とジルコニア固体電解質を介して
設けられた陰極からなる第一のセル部と、前記陰
極及びジルコニア固体電解質を介して設けられた
酸素基準極からなる第二のセル部と、前記第一の
セル部の前記陰極側に設けられ、内部に前記陰極
が配置され、排ガスが流入し拡散する第一の拡散
室と、前記第二のセル部の前記酸素基準極側に設
けられ、内部に前記酸素基準極が配置された第二
の拡散室と、前記酸素基準極と前記陰極との間の
電位差を検出する手段と、その検出された電位差
が所定の電圧になるように前記第一のセル部の前
記陽極と前記陰極との間に励起電圧を印加する手
段と、前記励起電圧を印加したときに前記第一の
セル部の前記陽極と前記陰極との間に流れる電流
を検出する手段とによつて、空燃比センサを構成
することによつて達成される。
この構成により、第一のセル部に設けられた陰
極と陽極、第二のセル部に設けられた酸素基準極
の三電極構造で、しかも酸素基準極を第二の基準
室内に設けているため、構造を複雑にすることな
く、温度による影響を受けずに空燃比を検出する
ことができる。
極と陽極、第二のセル部に設けられた酸素基準極
の三電極構造で、しかも酸素基準極を第二の基準
室内に設けているため、構造を複雑にすることな
く、温度による影響を受けずに空燃比を検出する
ことができる。
本発明の前段階的な空燃比センサの構造とその
原理を第３図に示す。ジルコニア固体電解質１１
中にリーンセル１２、ストイツクセル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ELで励
起したときに流れるポンピング電流値IP（拡散律
速によつて一義的に決まる限界電流値）でリーン
領域の空燃比、ストイツクセル１３を電流源から
電流値IP *で励起したときに発生する起電力e〓で
理論空燃比を検出するものである。しかし、この
構成では図中へ点線で示した如く酸素イオン流が
発生することが本発明者らにより見出された。こ
のため両セルが互いに干渉し、理論空燃比及びリ
ーン領域の空燃比を高精度に検出することは困難
であつた。また、両セル間の相互干渉を回路で補
償することが可能であるが、回路の構成が複雑に
なり実用的ではない。なお、厚さが数〜数十μm
のアルミナで構成される絶縁部材１５を両セル間
の全面に渡つて配置し、両セル間の酸素イオン流
をなくし相互干渉を対策することが可能である
が、積層体の構造が熱衝撃に弱くなり本質的な解
決には至らない。
原理を第３図に示す。ジルコニア固体電解質１１
中にリーンセル１２、ストイツクセル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ELで励
起したときに流れるポンピング電流値IP（拡散律
速によつて一義的に決まる限界電流値）でリーン
領域の空燃比、ストイツクセル１３を電流源から
電流値IP *で励起したときに発生する起電力e〓で
理論空燃比を検出するものである。しかし、この
構成では図中へ点線で示した如く酸素イオン流が
発生することが本発明者らにより見出された。こ
のため両セルが互いに干渉し、理論空燃比及びリ
ーン領域の空燃比を高精度に検出することは困難
であつた。また、両セル間の相互干渉を回路で補
償することが可能であるが、回路の構成が複雑に
なり実用的ではない。なお、厚さが数〜数十μm
のアルミナで構成される絶縁部材１５を両セル間
の全面に渡つて配置し、両セル間の酸素イオン流
をなくし相互干渉を対策することが可能である
が、積層体の構造が熱衝撃に弱くなり本質的な解
決には至らない。
本発明の望ましい実施例を第４図以下に示す。
なお、第４図以下において、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。
なお、第４図以下において、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。
本発明の一実施例を示す第４図において、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、
スリツト状の拡散路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。
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、
スリツト状の拡散路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。
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
の炭素系の有機バインダの焼却法によつて、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２
０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、下対称構造になつており、
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。
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
の炭素系の有機バインダの焼却法によつて、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２
０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、下対称構造になつており、
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。
第３図と第４図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。
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。
本発明の他の実施例を第５図に示す。第５図に
示したものは、第４図におけるスリツト状の拡散
路３０，３１が穿孔状の拡散孔になつたものであ
る。
示したものは、第４図におけるスリツト状の拡散
路３０，３１が穿孔状の拡散孔になつたものであ
る。
これらの拡散路３０，３１はポロシテイの高い
多孔質状のものでも、原理的には何らさしつかえ
ない。
多孔質状のものでも、原理的には何らさしつかえ
ない。
なお、第４図及び第５図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。
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。
本発明による自動車用空燃比センサの動作原理
を第６図に示す。図において、拡散路３０，３１
は模式的に示したが、これらは第４図や第５図に
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２
８，２９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内で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、排ガス中で放出される。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
に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。
を第６図に示す。図において、拡散路３０，３１
は模式的に示したが、これらは第４図や第５図に
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２
８，２９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内で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、排ガス中で放出される。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
に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。
IP＝4FDS／RTlPo2 ……(1)
ここで、Ｆはフアラデー定数、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。
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。
次に、ストイツク機能について説明する。電流
源３３（望ましくは定電流源）から電流値IL *を
酸素基準極２６と陰極２３間に通電する。する
と、拡散路３０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、リツ
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 *よつて拡散室２９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
ベル以上になつている。
源３３（望ましくは定電流源）から電流値IL *を
酸素基準極２６と陰極２３間に通電する。する
と、拡散路３０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、リツ
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 *よつて拡散室２９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
ベル以上になつている。
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がフイードバツク制御される。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
にフイードバツク制御される故、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
のストイツク点でIPは零になる。従つて、第一の
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
階段状に零から１ボルトオーダーへ変化する。よ
つて、階段状に変化する信号（ΔV、EA、EL）の
いずれかを利用して、ストイツク点を高精度に検
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。
（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がフイードバツク制御される。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
にフイードバツク制御される故、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
のストイツク点でIPは零になる。従つて、第一の
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
階段状に零から１ボルトオーダーへ変化する。よ
つて、階段状に変化する信号（ΔV、EA、EL）の
いずれかを利用して、ストイツク点を高精度に検
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。
2CO＋O22CO2 ……(2)
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２６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イ
ードバツク制御されており、差電圧ΔVはストイ
ツ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、P〓とすると差電圧ΔVは ΔV＝RT／4F1oP〓／PI＋rI* P ……(3) 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。
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２６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イ
ードバツク制御されており、差電圧ΔVはストイ
ツ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、P〓とすると差電圧ΔVは ΔV＝RT／4F1oP〓／PI＋rI* P ……(3) 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。
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。
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。
なお、図においてVBは電源の電圧を示す。
第７図〜第１４図に、本発明による空燃比セン
サ構造の他の実施例を示す。
サ構造の他の実施例を示す。
第７図は酸素基準極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３
０，３１は前述の如く、模式的に示してある。
に配置されたことに特徴がある。なお、拡散路３
０，３１は前述の如く、模式的に示してある。
第８図は第７図に示した拡散路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。
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。
第９図は第８図に示した拡散路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。
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。
第１０図は第９図における保護膜２５と拡散路
３１の相対的な配置が逆になつた場合である。
３１の相対的な配置が逆になつた場合である。
第１１図は拡散室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。
３１を介して酸素基準極２６を配置した場合であ
る。
第１２図は第１１図における拡散路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。
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。
第１３図は第９図と第１０図の中間的な配置の
実施例である。
実施例である。
第１４図は第１３図において、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。
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。
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。
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。
本発明による自動車用空燃比センサの全体構成
の一実施例を第１５図に示す。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R〓によつて決定される。設定電圧eSはチエナー
ダイオード３８、抵抗３９及び抵抗４０によつて
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３４、トランジスタ３５
を介してフイードバツク制御される。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eLとしてコントロールユニツト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３２の抵抗値RLを調整することによつて行な
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４４で増幅処理された後、その
出力信号はe〓としてコントロールユニツト５に取
り込まれる。第１５図の方法にて測定した空燃比
センサの特性を第１６図に示す。この図には、IP
＊＝0.1mA、RL＝100Ω、差動増幅器４３，４４
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、ストイツク
センサの出力電圧e〓及びリーンセルの励起電圧EL
は理論空燃比のストイツク点（λ＝１）でステツ
プ状に変化する。それ故、どちらの電圧信号を利
用しても、ストイツ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のストイツク信
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、第１６図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。
の一実施例を第１５図に示す。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R〓によつて決定される。設定電圧eSはチエナー
ダイオード３８、抵抗３９及び抵抗４０によつて
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３４、トランジスタ３５
を介してフイードバツク制御される。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eLとしてコントロールユニツト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３２の抵抗値RLを調整することによつて行な
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４４で増幅処理された後、その
出力信号はe〓としてコントロールユニツト５に取
り込まれる。第１５図の方法にて測定した空燃比
センサの特性を第１６図に示す。この図には、IP
＊＝0.1mA、RL＝100Ω、差動増幅器４３，４４
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、ストイツク
センサの出力電圧e〓及びリーンセルの励起電圧EL
は理論空燃比のストイツク点（λ＝１）でステツ
プ状に変化する。それ故、どちらの電圧信号を利
用しても、ストイツ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のストイツク信
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、第１６図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。
なお、e〓及びEL共に、λ＜１のリツチ側でゆる
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のリツチ領域での傾斜特性を改
善できれば、ストイツク点検出時のＳ／Ｎ比はさ
らに向上する。
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のリツチ領域での傾斜特性を改
善できれば、ストイツク点検出時のＳ／Ｎ比はさ
らに向上する。
このＳ／Ｎ比の改善を行つた空燃比センサ全体
構成の実施例を第１７図に示す。第一の増幅器３
４の出力電圧EAが設定電圧eSより小さくなつたこ
とを検出する第二の増幅器４１を設け、第二の増
幅器４１の出力信号によつてリーンセル２７の陽
極２４と陰極２３間に並列的に接続したスイツチ
４２をON状態にする。図中のスイツチ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、ストイツク点近
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ツチ４
２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。スイツチ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２７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
ポンプ作用によつて、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ツチ領域の空燃比で
極端に小さくなり、前述の傾斜特性を改善され
る。
構成の実施例を第１７図に示す。第一の増幅器３
４の出力電圧EAが設定電圧eSより小さくなつたこ
とを検出する第二の増幅器４１を設け、第二の増
幅器４１の出力信号によつてリーンセル２７の陽
極２４と陰極２３間に並列的に接続したスイツチ
４２をON状態にする。図中のスイツチ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、ストイツク点近
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ツチ４
２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。スイツチ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２７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
ポンプ作用によつて、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ツチ領域の空燃比で
極端に小さくなり、前述の傾斜特性を改善され
る。
この構成による空燃比センサ特性の測定例を第
１８図に示す。図に示すように、ストイツク点に
おける信号の変化幅はe〓及びEL共に大きくなり、
リツ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以下のリツチ領域
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。
１８図に示す。図に示すように、ストイツク点に
おける信号の変化幅はe〓及びEL共に大きくなり、
リツ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以下のリツチ領域
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。
なお、スイツチ４２のONによつて陽極２４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、ストイツク機能のＳ／Ｎ比を向上させる
他にも、次の如き効果を発生させる。リツチ領域
における排ガス雰囲気中の酸素濃度は第２図に示
すように、低濃度である。従つて、励起電流P *に
よつて拡散室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のリツチ領域で、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、リツ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。
から酸素基準極２６部へ酸素イオン流を向わせる
ことは、ストイツク機能のＳ／Ｎ比を向上させる
他にも、次の如き効果を発生させる。リツチ領域
における排ガス雰囲気中の酸素濃度は第２図に示
すように、低濃度である。従つて、励起電流P *に
よつて拡散室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のリツチ領域で、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、リツ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。
第１７図に示した構成による空燃比センサを第
１９〜２０図を用いて、より詳細に説明する。
１９〜２０図を用いて、より詳細に説明する。
空気過剰率λに対する各部の電圧特性を第１９
図に示す。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はストイツ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
ツク点（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つた。即ち、IP *値
が小さい程ズレ量は少なくなり、ストイツク点に
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であつた。
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
るようにフイードバツク制御される。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、フイードバツ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e0は励起電流IP *の
効果によつて、約１ボルトオーダへステツプ状に
上昇する。
図に示す。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はストイツ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
ツク点（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つた。即ち、IP *値
が小さい程ズレ量は少なくなり、ストイツク点に
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であつた。
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
るようにフイードバツク制御される。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、フイードバツ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e0は励起電流IP *の
効果によつて、約１ボルトオーダへステツプ状に
上昇する。
ストイツクセンサに使用可能な信号（e〓、EL、
EA）のストイツク点近傍における出力特性の拡
大図を第２０図に示す。図に示すように、差動増
幅器４４の出力信号e〓及びリーンセル２７の励起
電圧ELはほぼストイツ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３４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３１の抵抗率をより大きな値にする
必要がある）すると、λ*値はさらにストイツク
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もストイツクセンサの出力
信号として使用することが可能になる。
EA）のストイツク点近傍における出力特性の拡
大図を第２０図に示す。図に示すように、差動増
幅器４４の出力信号e〓及びリーンセル２７の励起
電圧ELはほぼストイツ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３４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３１の抵抗率をより大きな値にする
必要がある）すると、λ*値はさらにストイツク
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もストイツクセンサの出力
信号として使用することが可能になる。
リーンセル２７の励起電圧ELをフイードバツ
ク制御する本発明の一実施例によれば、リーンセ
ンサ応答性の改善に極めて大きな効果が得られ
る。この効果を第２１〜２５図を用いてより詳細
に説明する。
ク制御する本発明の一実施例によれば、リーンセ
ンサ応答性の改善に極めて大きな効果が得られ
る。この効果を第２１〜２５図を用いてより詳細
に説明する。
リーンセル２７のＶ−Ｉ特性を第２１図に示
す。励起電圧Ｅによつ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が(1)式によつて定まる限界電流
値である。さらに励起電圧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。従つて、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はこの
図から適当な値に設定される。第１５図及び第１
７図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
ほぼ一定のに設定されている。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。
す。励起電圧Ｅによつ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が(1)式によつて定まる限界電流
値である。さらに励起電圧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。従つて、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はこの
図から適当な値に設定される。第１５図及び第１
７図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
ほぼ一定のに設定されている。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。
その現象を第２２図で説明する。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ELをステツ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
の変化幅ΔELの大きさにほぼ依存することが分つ
た。
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ELをステツ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
の変化幅ΔELの大きさにほぼ依存することが分つ
た。
本発明による自動車用空燃比センサの全体構成
の他の実施例を第２３図に示す。第一の増幅器３
４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。
の他の実施例を第２３図に示す。第一の増幅器３
４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。
第２３図に示した構成による空燃比センサの静
特性の実測例を第２４図に示す。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つている。こ
の結果、リーンセル２７の励起電圧ELは第２１
図の特性曲線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イードバツク制御さ
れる。このようにリーンセル２７の励起電圧EL
を可変にしても、リーンセンサの出力信号EL、
ストイツクセンサの出力信号として使用可能な信
号e〓及びEL共に、ヒステリシスが小さく良好な特
性を示す。
特性の実測例を第２４図に示す。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つている。こ
の結果、リーンセル２７の励起電圧ELは第２１
図の特性曲線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イードバツク制御さ
れる。このようにリーンセル２７の励起電圧EL
を可変にしても、リーンセンサの出力信号EL、
ストイツクセンサの出力信号として使用可能な信
号e〓及びEL共に、ヒステリシスが小さく良好な特
性を示す。
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第２
５図に示す。図は空気過剰率λを1.1から1.3へス
テツプ状に変化させたとき、差動増幅器４３の出
力電圧に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つ
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うことが可能に
なつた。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、オーバシユート現象を発生し効ま
しくないことになる。
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第２
５図に示す。図は空気過剰率λを1.1から1.3へス
テツプ状に変化させたとき、差動増幅器４３の出
力電圧に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つ
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うことが可能に
なつた。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、オーバシユート現象を発生し効ま
しくないことになる。
次に、リーンセンサの耐久性の実測例を第２６
図に示す。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
の低下によつて、その出力信号は次第に低下する
ことが分つた。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をフイードバ
ツク制御する構成は、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つた。
図に示す。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
の低下によつて、その出力信号は次第に低下する
ことが分つた。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をフイードバ
ツク制御する構成は、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つた。
次に、ストイツク機能の耐久性や歩留りの向上
対策について述べる。
対策について述べる。
ストイツク機能の定電流励起特性を第２７図に
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e0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IP *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、リツチ領域で陽極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0.05mAと小さ
いときは、リツチ側で起電力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、リツチ側で起電力e0が低下し設
定電圧eS以下になると、リツチ側でもリーンセル
２７へ励起電圧ELが印加され、効ましくない。
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、リツチ領域でのレベル低下もな
い。このように、適正なストイツク機能を得るに
は適切な励起電流値IP *を設定する必要がある。
従つて、設定電圧eSをストイツク点で階段状に変
化させ、リツチ側で低レベル、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0.05mAと小さい場合も、良好なスト
イツ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IP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eSをあまり小さ
な値にすることはできない。
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e0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IP *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、リツチ領域で陽極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0.05mAと小さ
いときは、リツチ側で起電力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、リツチ側で起電力e0が低下し設
定電圧eS以下になると、リツチ側でもリーンセル
２７へ励起電圧ELが印加され、効ましくない。
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、リツチ領域でのレベル低下もな
い。このように、適正なストイツク機能を得るに
は適切な励起電流値IP *を設定する必要がある。
従つて、設定電圧eSをストイツク点で階段状に変
化させ、リツチ側で低レベル、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0.05mAと小さい場合も、良好なスト
イツ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IP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eSをあまり小さ
な値にすることはできない。
また、ストイツク点で設定電圧eSを階段状に変
化させることはストイツ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部にマイクロクラツク
が発生したりすると、リツ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。
化させることはストイツ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部にマイクロクラツク
が発生したりすると、リツ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。
設定電圧eSをストイツク点で階段状に変化させ
る構成の一実施例を第２８図に示す。抵抗４９，
５０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、チエナーダイオード（図の場合は
3V用）を介してアース点に接続した。抵抗５１
とチエナーダイオード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、ストイツク点での変化幅を大きくすることが
できる。
る構成の一実施例を第２８図に示す。抵抗４９，
５０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、チエナーダイオード（図の場合は
3V用）を介してアース点に接続した。抵抗５１
とチエナーダイオード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、ストイツク点での変化幅を大きくすることが
できる。
コンパレータ４８はスイツチング状のストイツ
ク信号e〓を発生させるものである。即ち、抵抗５
３と５４によつて決定されるスライスレベルeaよ
り電圧EAが小さくなつたとき、Highレベルの電
圧信号e〓を発生させるものである。
ク信号e〓を発生させるものである。即ち、抵抗５
３と５４によつて決定されるスライスレベルeaよ
り電圧EAが小さくなつたとき、Highレベルの電
圧信号e〓を発生させるものである。
第２８図に示した構成による場合の空燃比セン
サの特性を第２９図に示す。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
びストイツクセンサとも、ヒステリシスが小さく
良好な結果が得られた。
サの特性を第２９図に示す。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
びストイツクセンサとも、ヒステリシスが小さく
良好な結果が得られた。
第２８図に示した構成による場合の、ストイツ
ク点近傍における各部の電圧特性を第３０図に示
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、ストイツク点を高精度に検
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*点とストイツク点でステツプ状に
変化する。これに応じて、設定電圧eSもλ*点とス
トイツク点で大幅に低下する。なお、λ*点でス
イツチ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EAを利用してもストイツク点を高い精
度で検出できることになる。この結果、ストイツ
クセンサの出力e〓はリーン領域の低レベルからリ
ツチ領域の高レベルへ、ストイツク点でスイツチ
ング状に変化する。
ク点近傍における各部の電圧特性を第３０図に示
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、ストイツク点を高精度に検
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*点とストイツク点でステツプ状に
変化する。これに応じて、設定電圧eSもλ*点とス
トイツク点で大幅に低下する。なお、λ*点でス
イツチ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EAを利用してもストイツク点を高い精
度で検出できることになる。この結果、ストイツ
クセンサの出力e〓はリーン領域の低レベルからリ
ツチ領域の高レベルへ、ストイツク点でスイツチ
ング状に変化する。
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、即ちストイツ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。
ば、エンジンの幅広い制御に適応可能な複合セン
サ、即ちストイツ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。
すなわち同一のジルコニア固体電解質上に形成
した三電極構造でヒータ内蔵の空燃比センサであ
り、各電極間の酸素イオン流の方向やリーンセル
と並列に配置したスイツチの駆動方法や酸素基準
極起電力のフイードバツク制御及びその設定方法
により、以下に示す効果が得られる。
した三電極構造でヒータ内蔵の空燃比センサであ
り、各電極間の酸素イオン流の方向やリーンセル
と並列に配置したスイツチの駆動方法や酸素基準
極起電力のフイードバツク制御及びその設定方法
により、以下に示す効果が得られる。
(1) 空燃比センサの構造及びその駆動回路の構成
が簡単になる。
が簡単になる。
(2) 空燃比センサの精度や信頼性が向上する。
(3) 空燃比センサの応答性が向上する。
(4) 厚膜一貫プロセス及び検出部の同時、一体焼
結プロセスが可能になり、空燃比センサの量産
性が向上する。
結プロセスが可能になり、空燃比センサの量産
性が向上する。
(5) 空燃比センサの調整方法が簡単になり、歩留
りが向上する。
りが向上する。
本発明によれば、構造を複雑にすることなく、
温度による影響を受けずに空燃比を検出すること
ができる。
温度による影響を受けずに空燃比を検出すること
ができる。
第１図は内燃機関の空燃比制御装置の概略構成
図、第２図は空燃比と排ガス濃度、燃焼効率の関
係を示した図、第３図は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、第４図は本発
明による空燃比センサ構造の説明図、第５図は本
発明による空燃比センサ構造の他の実施例を示し
た図、第６図は本発明による空燃比センサの動作
原理説明図、第７図〜第１４図は本発明による空
燃比センサ構造の変形例を示した図、第１５図は
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、第１６図は第１５図の構成
によつて測定した空燃比センサ特性の実施例を示
した図、第１７図は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、第
１８図は第１７図の構成によつて測定した空燃比
センサ特性の実施例を示した図、第１９図は空空
過剰率に対する各部の電圧特性を示した図、第２
０図はストイツク点近傍の出力特性を示した図、
第２１図はリーンセルのＶ−Ｉ特性を示した図、
第２２図は応答性改善効果の説明図、第２３図は
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、第２４図は第２３図の構成によ
つて測定した空燃比センサ特性の実施例を示した
図、第２５図は本発明による空燃比センサの応答
性改善効果の実施例を示した図、第２６図は本発
明による空燃比センサの耐久性の実測例を示した
図、第２７図は本発明による空燃比センサにおけ
るストイツク機能の定電流励起特性を示した図、
第２８図は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、第２９図は第２８図
の構成によつて測定した空燃比センサ特性の実測
例を示した図、第３０図は本発明による空燃比セ
ンサのストイツク点近傍における各部の電圧特性
を示した図である。 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、２
７……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。
図、第２図は空燃比と排ガス濃度、燃焼効率の関
係を示した図、第３図は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、第４図は本発
明による空燃比センサ構造の説明図、第５図は本
発明による空燃比センサ構造の他の実施例を示し
た図、第６図は本発明による空燃比センサの動作
原理説明図、第７図〜第１４図は本発明による空
燃比センサ構造の変形例を示した図、第１５図は
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、第１６図は第１５図の構成
によつて測定した空燃比センサ特性の実施例を示
した図、第１７図は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、第
１８図は第１７図の構成によつて測定した空燃比
センサ特性の実施例を示した図、第１９図は空空
過剰率に対する各部の電圧特性を示した図、第２
０図はストイツク点近傍の出力特性を示した図、
第２１図はリーンセルのＶ−Ｉ特性を示した図、
第２２図は応答性改善効果の説明図、第２３図は
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、第２４図は第２３図の構成によ
つて測定した空燃比センサ特性の実施例を示した
図、第２５図は本発明による空燃比センサの応答
性改善効果の実施例を示した図、第２６図は本発
明による空燃比センサの耐久性の実測例を示した
図、第２７図は本発明による空燃比センサにおけ
るストイツク機能の定電流励起特性を示した図、
第２８図は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、第２９図は第２８図
の構成によつて測定した空燃比センサ特性の実測
例を示した図、第３０図は本発明による空燃比セ
ンサのストイツク点近傍における各部の電圧特性
を示した図である。 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、２
７……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。
Claims (1)
- １ 排ガス雰囲気内にさらされる陽極及び前記陽
極とジルコニア固体電解質を介して設けられた陰
極からなる第一のセル部と、前記陰極及びジルコ
ニア固体電解質を介して設けられた酸素基準極か
らなる第二のセル部と、前記第一のセル部の前記
陰極側に設けられ、内部に前記陰極が配置され、
排ガスが流入し拡散する第一の拡散室と、前記第
二のセル部の前記酸素基準極側に設けられ、内部
に前記酸素基準極が配置された第二の拡散室と、
前記酸素基準極と前記陰極との間の電位差を検出
する手段と、その検出された電位差が所定の電圧
になるように前記第一のセル部の前記陽極と前記
陰極との間に励起電圧を印加する手段と、前記励
起電圧を印加したときに前記第一のセル部の前記
陽極と前記陰極との間に流れる電流を検出する手
段とを備えたことを特徴とする空燃比センサ。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59167854A JPS6147553A (ja) | 1984-08-13 | 1984-08-13 | 空燃比センサ |
| US06/764,070 US4718999A (en) | 1984-08-13 | 1985-08-09 | Air-fuel ratio detector |
| DE8585110101T DE3574057D1 (en) | 1984-08-13 | 1985-08-12 | Air-fuel ratio detector |
| EP85110101A EP0173157B1 (en) | 1984-08-13 | 1985-08-12 | Air-fuel ratio detector |
| CA000488487A CA1223041A (en) | 1984-08-13 | 1985-08-12 | Air-fuel ratio detector |
| KR1019850005803A KR910006224B1 (ko) | 1984-08-13 | 1985-08-12 | 공연비 검출장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59167854A JPS6147553A (ja) | 1984-08-13 | 1984-08-13 | 空燃比センサ |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4138378A Division JP2503159B2 (ja) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | 酸素検出センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6147553A JPS6147553A (ja) | 1986-03-08 |
| JPH0572539B2 true JPH0572539B2 (ja) | 1993-10-12 |
Family
ID=15857319
Family Applications (1)
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