JPH0576577B2 - - 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、詳しくは拡散
室に面して酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子と
を配設してなる検出素子部を備え、内燃機関等の
排気組成に基づいてその混合気の空燃比をリーン
域からリツチ域、またはリツチ域からリーン域に
亘る広範囲において検出し得る空燃比検出装置の
改良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
の空燃比を排気組成、特に酸素濃度により検出す
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組の素子を、拡散室を介して対向配設し、
一方の素子を該拡散室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拡散
室との酸素分圧比によつて電圧を生ずる酸素濃淡
電池素子として、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）。

またこの種の空燃比検出装置では、第２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といつ
たことがあり、例えば特願昭59−164098号等に記
載の如く、近年ではこの特性を利用して理論空燃
比（空気過剰率λ＝１）で出力特性を反転し、空
燃比のリツチ域からリーン域にかけて連続的に変
化する空燃比信号を検出することが考えられてい
る。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで上記の如く一方を酸素濃淡電池素子、
他方を酸素ポンプ素子として用い、空燃比信号を
検出するよう構成された空燃比検出装置では、通
常、酸素濃淡電池素子より発生される、拡散室内
の酸素分圧と、排気中の酸素分圧と、の比に応じ
た電圧が所定の値となるよう酸素ポンプ素子のポ
ンプ電流を制御し、そのポンプ電流を空燃比信号
として検出するよう構成されているのであるが、
空燃比が理論空燃比近傍でリーン領域からリツチ
領域へ、あるいはリツチ領域からリーン領域へ変
化する際、その検出される空燃比信号が不安定と
なり、空燃比が正確に検出することができないと
いつた問題があつた。

これは排気の変化に対して拡散室内のガス交換
が遅れることに起因するものであつて、例えば排
気の状態がリーン領域からリツチ領域に変化した
時点では、拡散室内のガスは交換されず、未だリ
ーン領域に対応したものとなつていることから第
３図Ａに示す如く、酸素濃淡電池素子Ｍ３に生じ
る起電力が設定電圧から急激に減少し、一方排気
の状態がリツチ領域からリーン領域に変化した時
には第３図Ｂに示す如く、そのガス交換の遅れに
よつて設定電圧から急激に上昇するといつたこと
が起こり、実際の空燃比に対応した良好な空燃比
信号が得られなくなつてしまう。従つてこのよう
な時にもそのままポンプ電流のフイードバツク制
御を行ない空燃比信号を検出するようにしている
と、この信号に基づき制御される内燃機関等各種
燃焼機器の空燃比はかえつて悪化してしまい、良
好な制御ができなくなつてしまうといつた問題が
生ずることとなる。

そこで本発明は上記のように理論空燃比近傍で
異常な空燃比信号が検出される時、それを事前に
検知して、異常空燃比信号が検出されないよう構
成した空燃比検出装置を提供することによつて、
検出された空燃比信号に基づき内燃機関等各種燃
焼機器の空燃比制御が良好に実行できるようにす
ることを目的としてなされたものであつて、以下
の如き構成をとつた。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するための本発明の構成は、
第１図に示す如く、 酸素イオン伝導性の固体電解質両面に多孔性電
極が形成された２個の素子を、成分ガスの拡散が
制限された拡散室Ｍ１に面して配設してなる検出
素子部Ｍ２と、 上記検出素子部Ｍ２の一方の素子を酸素濃淡電
池素子Ｍ３、他方の素子を酸素ポンプ素子Ｍ４と
して用い、該酸素濃淡電池素子Ｍ３の起電力を前
記電極間の電圧として検出し、該電圧を所定値に
保持するよう前記酸素ポンプ素子Ｍ４に流れるポ
ンプ電流をフイードバツク制御するポンプ電流制
御手段Ｍ５と、 空燃比のリーン域及びリツチ域において、前記
ポンプ電流に応じて空燃比に対応した空燃比信号
を出力する空燃比信号手段Ｍ６と、 を備えた空燃比検出装置において、 上記拡散室Ｍ１内の排気交換の遅れに起因し
て、上記酸素濃淡電池素子Ｍ３の電極間電圧が、
少なくとも予め設定された所定の上限値以上、ま
たは下限値以下のいずれかになつた時、上記ポン
プ電流制御手段Ｍ５のフイードバツク制御を停止
するフイードバツク制御停止手段Ｍ７を設けたこ
とを特徴とする空燃比検出装置を要旨としてい
る。

ここで拡散室Ｍ１としては、２つの素子Ｍ３，
Ｍ４間に形成される間隙によつて実現してもよい
し、２つの素子Ｍ３，Ｍ４に面し、酸素分子等の
拡散が孔または多孔質等の拡散抵抗体によつて制
限された部屋として構成することもできる。いず
れにせよ酸素ポンプ素子Ｍ４によつて汲み出され
ることによつて酸素分子、あるいはリツチ領域に
おいて酸素濃淡電池素子Ｍ３に起電力を生じさせ
るよう働く他の分子が所定の濃度となるように、
排気の拡散が制限された部屋として実現されれば
何ら差支えない。尚、拡散室内での上記分子の拡
散は、できるだけ自由であることが、応答性の上
からも好ましい。

次に上記酸素濃淡電池素子Ｍ３及び酸素ポンプ
素子Ｍ４を形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
用いて形成する方法等があり、その電極層には更
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Ｍ１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。

このように形成された２個の素子のうち酸素濃
淡電池素子Ｍ３として用いられる素子は、酸素イ
オン伝導性固体電解質の、適当な温度条件（例え
ば固体電解質がジルコニアの場合400℃以上）に
おいて、固体電解質表面の酸素ガス分圧の高い所
から酸素ガス分圧の低い所へと固体電解質中を酸
素イオンが移動し、固体電解質に酸素ガス透過性
の電極をつけることによつて電極間の酸素ガス分
圧の差を起電力（電極間電圧）として取り出すこ
とができる性質を利用したものであつて、拡散室
内の酸素分圧と、周囲雰囲気、即ち排気の酸素分
圧との比に応じた電圧を発生するものである。

一方酸素ポンプ素子Ｍ４として用いられる素子
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す
る性質を利用したものであり、２つの電極間に電
圧をかけることによつて拡散室の酸素を排気中に
汲み出すものである。

次にポンプ電流制御手段Ｍ５はデイスクリート
な回路により、容易に実現することができるが、
酸素濃淡電池素子Ｍ断面図極間電圧を一旦デイジ
タル値に変換して読み込み、周知のマイクロプロ
セツサを用いた論理演算回路によつてポンプ電流
を制御するような構成とすることもできる。この
場合、空燃比検出装置を内燃機関等の電子式燃料
噴射制御装置（EFI）等と一体に構成することも
可能である。

フイードバツク制御停止手段Ｍ７は、本発明ポ
ンプ電流制御手段Ｍ５によつて酸素ポンプ素子Ｍ
４に供給されるポンプ電流をフイードバツク制御
することにより一定に保たれる筈の酸素濃淡電池
素子Ｍ３の電極間電圧が、予め設定された所定の
下限値以下となつた時、あるいはこの電圧が所定
の上限値以上となつた時に、上記ポンプ電流制御
手段Ｍ５のポンプ電流のフイードバツク制御を停
止し、空燃比信号を検出しないように働くもので
ある。

［作用］ 以上の如く構成された本発明の空燃比検出装置
は、酸素濃淡電池素子Ｍ３の電極間電圧が所定の
値となるように、酸素ポンプ素子Ｍ４によつて拡
散室Ｍ１から汲み出す酸素分子の量を酸素ポンプ
素子Ｍ４に供給するポンプ電流をフイードバツク
制御することによつて制御しており、このポンプ
電流から空燃比信号を出力するよう働く。また、
本発明では、上記のフイードバツク制御によつて
酸素濃淡電池素子Ｍ３の電極間電圧を所定を電圧
範囲に保てなくなつた時、ポンプ電流のフイード
バツク制御によつて得られる空燃比信号が実際の
空燃比と対応しない異常な値となることから、フ
イードバツク制御停止手段Ｍ７によつて空燃比信
号出力手段Ｍ６のフイードバツク制御を停止し、
異常空燃比信号は検出しないように働くのであ
る。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説
明する。

第４図は本発明の一実施例を表わす構成図であ
る。図において１は内燃機関の排気管、２は排気
管１に設けられた空燃比検出装置の検出素子部、
３は検出素子部２を制御して、排気中の酸素濃度
に対応する空燃比信号を検出する空燃比信号検出
回路である。尚この空燃比信号検出回路３はポン
プ電流制御手段Ｍ５、空燃比信号出力手段Ｍ６及
びフイードバツク制御停止手段Ｍ７に相当する。

ここでまず検出素子部２は、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
多孔質白金質電極層５，６が設けられた酸素ポン
プ素子７と、この酸素ポンプ素子７と同様に、平
板状の酸素イオン伝導性固体電解質８の両側面に
多孔質白金質電極層９，１０が設けられた酸素濃
淡電池素子１１とを備えている。そして酸素ポン
プ素子７と酸素濃淡電池素子１１とは0.1mm程度
（0.05〜0.15mmが好ましい。）の間隙寸法の前記拡
散室Ｍ１に相当する間隙ａを形成して、排気管１
の内部で対向配置させるため、その足元部には耐
熱性で絶縁性の例えば充填接着剤等からなるスペ
ーサ１２を介して互いに固定されている。また酸
素ポンプ素子７、酸素濃淡電池素子１１及び壁面
１３の足元部周縁部には、排気管取付用のねじ部
１４が刻設された支持台１５が、耐熱性で絶縁性
の接着部材１６を介して取付けられている。従つ
てこのような構成の検出素子部２は、支持台１５
に刻設されたねじ部１４を排気管１に形成された
検出素子部取付用のねじ部１７に螺合し、締め付
けることによつて排気管１に取り付けられること
となる。

次に空燃比信号検出回路３について説明する。
空燃比信号検出回路３は、酸素濃淡電池素子１１
の電極９，１０間の電圧Vdを一定とするよう酸
素ポンプ素子７に流れるポンプ電流Ipをフイード
バツク制御するポンプ電流制御手段Ｍ５としての
ポンプ電流制御回路３０、ポンプ電流Ipを電圧信
号に変換し、空燃比信号として出力する抵抗器
Raf、酸素濃淡電池素子１１の電極間電圧Vdが
所定の範囲内にない時、上記ポンプ電流制御手段
Ｍ５のフイードバツク制御を停止するフイードバ
ツク制御停止回路３５、から構成されている。
尚、図において、＋E1は正の電源電圧を、−E2は
負の電源電圧を示している。

ポンプ電流制御回路３０は、オペアンプOP１，
抵抗器Ｒ１ないしＲ５，コンデンサＣ１から構成
された非反転増幅回路と、オペアンプOP２，抵
抗器Ｒ１０ないしＲ１３，及びコンデンサＣ１０
から構成された積分回路とから構成され、検出素
子２を含んでポンプ電流Ipのフイードバツク制御
を行なう構成とされている。尚、コンデンサＣ１
は検出素子２の酸素濃淡電池素子１１の電極間電
圧に重畳されたノイズを除去する為のものであ
る。又、オペアンプOP２の非反転入力端子＋に
は、正の電源電圧＋E1を抵抗器Ｒ１１，Ｒ１２
にて分圧した電圧が印加されており、コンデンサ
Ｃ１０を用いた積分動作に加えて、オペアンプの
出力をオフセツトするように働き、ポンプ電流Ip
を好適に制御する。この結果、酸素濃淡電池素子
１１の電極間電圧Vdは、ほぼ40mVに保持され
る。即ち、酸素濃淡電池素子１１の起電力を一定
に保つように酸素ポンプ素子４に供給するポンプ
電流Ipを制御することになり、空燃比に応じて、
ポンプ電流Ipが変化することから、このポンプ電
流Ipを抵抗器Rafによつて電圧信号に変換すれ
ば、これを空燃比検出信号Vafとして扱うことが
できる。尚、空燃比に対して、このポンプ電流Ip
は前記第２図に示したように、理論空燃比（空気
過剰率λ＝１）を挟んで二値信号となるが、理論
空燃比センサを設けたり、燃料噴射量制御と組合
わせて用いたりすることによつて、空燃比のリー
ン領域からリツチ領域まで測定できることにな
る。

一方上記オペアンプOP２の反転入力端子−と
非反転入力端子＋との間には、通常OFF状態と
され、信号を受けるとON状態となるアナログス
イツチSW１が接続され、またオペアンプOP２
の反転入力端子−には、通常ON状態とされ、信
号を受けるとOFF状態となるアナログスイツチ
SW２が直列に接続されている。

この２つのアナログスイツチSW１及びSW２
は、フイードバツク制御停止回路５から出力され
る制御信号によつてON・OFFされ、上述したよ
うに酸素濃淡電池素子１１の電極間電圧Vdが所
定の範囲内（本実施例では、35mV以上45mV以
下）にない時に、フイードバツク制御を停止する
よう動作する。つまり酸素濃淡電池素子１１の電
極間電圧Vdが所定の範囲内になくなると、ポン
プ電流制御回路３０の信号系をアナログスイツチ
SW２によつて遮断し、その時オペアンプOP２
よりポンプ電流が流れないよう、アナログスイツ
チSW１を用いてその入力端子の電位差を「０」
に制御するのである。

このように２つのアナログスイツチSW１，
SW２を制御するため、フイードバツク制御停止
回路３５は次のように構成されている。

即ちフイードバツク制御停止回路３５は、オペ
アンプOP３を中心に、抵抗器Ｒ２０ないしＲ２
３を用いて構成されたシユミツト回路３６と、オ
ペアンプOP４を中心に、抵抗器Ｒ２４ないしＲ
２７を用いて構成されたシユミツト回路３７と、
シユミツト回路３６より出力される信号がそのま
ま入力されると共に、シユミツト回路３７より出
力される信号が否定回路NOT１を介して入力さ
れるオア回路OR１と、を備えている。そしてシ
ユミツト回路３６では第５図イに示す如く、酸素
濃淡電池素子１１の電極間電圧Vdが45mVを越
えるとLowレベルの信号を出力し、再び40mV以
下の値になるまでの間その状態を維持するよう各
抵抗値が設定されており、またシユミツト回路３
７では第５図ロに示すように電極間電圧Vdが
35mV未満となるとHighレベルの信号を出力し、
再び40mV以上の値になるまでその状態を維持す
るように各抵抗値が設定されている。

従つてシユミツト回路３６の出力信号がそのま
ま入力され、またシユミツト回路３７の出力信号
が否定回路NOT１を介して入力されるオア回路
OR１では電極間電圧Vdが45mVを越えるか、あ
るいは35mV未満となると、Highレベルの信号
を出力してアナログスイツチSW１をON状態に、
またアナログスイツチSW２をOFF状態に制御す
ることとなり、その後電極間電圧Vdが40mVに
なるまでの間その状態を維持し、ポンプ電流のフ
イードバツク制御を停止することとなる。

以上のように構成された本実施例の空燃比検出
装置においては、従来のようにリーン領域及びリ
ツチ領域で各々、その空燃比に応じた空燃比信号
Vafが検出できるだけでなく、空燃比がリーン領
域からリツチ領域に、あるいはリツチ領域からリ
ーン領域に、変化する時、間隙ａ内のガス交換遅
れによつて生ずる異常な空燃比信号の検出は実行
されなくなり、従つてこの空燃比信号検出装置を
用いて内燃機関等の空燃比制御を実行する際、理
論空燃比近傍での空燃比制御が誤制動されるとい
つたことを防止することができる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、
本発明はこの実施例に何ら限定されるものではな
く、例えば上記フイードバツク制御停止回路３５
を、単に端子間電圧Vdが所定範囲を越えた時に
のみ、フイードバツク制御を停止するよう構成し
てもよい。

またこのようにフイードバツク制御を停止させ
るだけでなく、この期間、即ち拡散室のガス交換
遅れにより酸素濃淡電池素子の端子間電圧が異常
な値となる期間、をより少なくするよう酸素濃淡
電池素子を一時的に酸素ポンプ素子として動作さ
せれば、フイードバツク制御の停止期間を小さく
することができる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明の空燃比検出装置に
よれば、理論空燃比近傍で、空燃比がリーンから
リツチに、あるいはリツチからリーンにかけて変
化する時生ずる空燃比信号の異常を、酸素濃淡電
池素子の端子間電圧により検知し、その時のポン
プ電流のフイードバツク制御を停止することによ
つて、異常な空燃比信号は検出しないように構成
していることから、内燃機関等各種燃焼機器の空
燃比制御を実行する際、その制御が異常な空燃比
信号によつて実行され、空燃比が悪化してしまう
といつたことを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロツク図、第２
図は従来より空燃比信号検出装置で検出される空
燃比信号を表わす線図、第３図は拡散室のガス交
換遅れにより生ずる酸素濃淡電池素子の端子間電
圧の異常を説明する線図、第４図は実施例の空燃
比検出装置の構成を回路図と共に示す構成図、第
５図はそのフイードバツク制御停止回路の動作を
説明する線図、である。 ２……検出素子部、３……空燃比信号検出回
路、４，８……固体電解質、５，６，９，１０…
…多孔質白金電極層、７……酸素ポンプ素子、１
１……酸素濃淡電池素子、３０……ポンプ電流制
御回路、３５……フイードバツク制御停止回路、
ａ……間隙、SW１，SW２……アナログスイツ
チ。

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
   電極が形成された２個の素子を、成分ガスの拡散
   が制限された拡散室に面して配設してなる検出素
   子部と、 上記検出素子部の一方の素子を酸素濃淡電池素
   子、他方の素子を酸素ポンプ素子として用い、該
   酸素濃淡電池素子の起電力を前記電極間の電圧と
   して検出し、該電圧を所定値に保持するよう前記
   酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流をフイードバ
   ツク制御するポンプ電流制御手段と、 空燃比のリーン域及びリツチ域において、前記
   ポンプ電流に応じて空燃比に対応した空燃比信号
   を出力する空燃比信号出力手段と、 を備えた空燃比検出装置において、 上記拡散室内の排気交換の遅れに起因して、上
   記酸素濃淡電池素子の電極間電圧が、少なくとも
   予め設定された所定の上限値以上、または下限値
   以下のいずれかになつた時、上記ポンプ電流制御
   手段のフイードバツク制御を停止するフイードバ
   ツク制御停止手段を設けたことを特徴とする空燃
   比検出装置。