JPH0580618B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はエンジン排気ガス等の気体中の酸素濃
度を検出する酸素濃度検出装置に関する。

背景技術 内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善等を目
的として、排気ガス中の酸素濃度を検出し、この
検出結果に応じてエンジンへの供給混合気の空燃
比を目標空燃比にフイードバツク制御する空燃比
制御装置がある。

このような空燃比制御装置に用いられる酸素濃
度検出装置として被測定気体中の酸素濃度に比例
した出力を発生するものがある（特開昭58−
153155号）。かかる酸素濃度検出装置においては、
一対の平板状の酸素イオン伝導性固体電解質材を
有する酸素濃度検出器が設けられている。その固
体電解質材は被測定気体中に配置されるようにな
され、固体電解質材の各表裏面には電極が各々形
成されかつ固体電解質材が所定の間隙部を介して
対向するように平行に配置されている。固体電解
質材の一方が酸素ポンプ素子として、他方が酸素
濃度比測定用電池素子として作用するようになつ
ている。被測定気体中において間隙部側電極が負
極になるように酸素ポンプ素子の電極間に電流を
供給すると、酸素ポンプ素子の負極面側にて間隙
部内気体中の酸素ガスがイオン化して酸素ポンプ
素子内を正極面側に移動し正極面から酸素ガスと
して放出される。このとき、間隙部中の酸素ガス
の減少により間隙部内の気体と電池素子外側の気
体との間に酸素濃度差が生ずるのでその電圧を一
定値にするように酸素ポンプ素子に供給するポン
プ電流値を変化させると、定温においてそのポン
プ電流値が被測定気体中の酸素濃度にほぼ直線的
に比例することになる。また酸素ポンプ素子への
供給電流を一定にすることにより電池素子の電極
間に被測定気体中の酸素濃度にほぼ比例した電圧
が発生するのである。

かかる酸素濃度検出装置においては、酸素ポン
プ素子に過剰の電流を供給すると、固体電解質材
から酸素を奪うブラツクニング現象が発生する。
例えば、固体電解質材としてZrO₂（二酸化ジルコ
ニウム）が用いられた場合、酸素ポンプ素子への
過剰電流供給によりZrO₂から酸素O₂が奪われて
ジルコニウムZrが析出される。このブラツクニ
ング現象は酸素ポンプ素子の劣化を急速に進め酸
素濃度検出器としての性能を悪化させる原因とな
るので酸素ポンプ素子への供給電流値はブラツク
ニング現象発生領域の値より小さくしなければな
らない。

第１図は電池素子に発生する電圧Vsをパラメ
ータとして酸素濃度と酸素ポンプ素子への供給ポ
ンプ電流値I_Pとの関係特性及びブラツクニング現
象発生領域を示しており、ブラツクニング現象発
生領域との境界線は電圧Vsをパラメータとした
関係特性と同様に１次関数的特性である。

また酸素濃度検出装置においては、通常、酸素
濃度検出器、すなわち酸素ポンプ素子及び電池素
子を加熱するためにヒータが設けられている。こ
れは酸素濃度検出器の温度がヒータの発熱によつ
て所定温度（例えば、650℃）付近に達しなけれ
ば、酸素濃度検出器が活性状態とならず電池素子
に電圧がほとんど発生しないので酸素濃度にひか
れてした出力特性が得られないためである。

しかしながら、酸素濃度比例電流出力型の酸素
濃度検出装置においては、酸素濃度検出器の不活
性状態には電池素子の発生電圧が予め定められた
一定値に上昇させるために電流供給手段が酸素ポ
ンプ素子への供給電流値を増加させるように動作
するので酸素ポンプ素子への供給電流値がブラツ
クニング現象発生境界値以上になつてブラツクニ
ング現象を発生することがあるという問題点があ
つた。

また酸素濃度比例電圧出力型の酸素濃度検出装
置においては、酸素濃度検出器の不活性状態には
電池素子の電極間の電圧からは空燃比が目標空燃
比よりもリーンであると判別されるので供給混合
気の空燃比がリツチ方向に制御される。しかしな
がら、空燃比がリツチになるほどブラツクニング
現象発生境界値は小さく、また酸素ポンプ素子へ
の供給電流値は一定であるので空燃比がリツチ方
向に制御されると酸素ポンプ素子への供給電流値
がブラツクニング現象発生境界値以上になつてブ
ラツクニング現象を発生することがあるという問
題点があつた。

発明の概要 そこで、本発明の目的は酸素濃度検出器の不活
性時におけるブラツクニング現象を防止すること
ができる酸素濃度検出装置を提供することであ
る。

本発明の酸素濃度検出装置は酸素ポンプ素子の
電極間に微小電流を供給し、該微小電流供給時の
酸素ポンプ素子の電極間の電圧から酸素ポンプ素
子の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値が基準
値以下のとき酸素濃度検出用の電流を酸素ポンプ
素子の電極間に供給することを特徴としている。

実施例 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明
する。

第２図は本発明による酸素濃度比例電圧出力型
の酸素濃度検出装置を用いた空燃比制御装置を示
している。本装置においては、互いに平行な一対
の平板状素子の酸素ポンプ素子１及び電池素子２
からなる酸素濃度検出器は排気管（図示せず）内
に配設される。酸素ポンプ素子１及び電池素子２
の主体は酸素イオン伝導性固体電解質材からな
り、その一端部間には間隔部３が形成され、他端
部はスペーサ４を介して互いに結合されている。
また酸素ポンプ素子１及び電池素子２の一端部の
表裏面に多孔質の耐熱金属からなる方形状の電極
板５ないし８が設けられ、他端部面には電極板５
ないし８の引き出し線５ａないし８ａが形成され
ている。

酸素ポンプ素子１の電極板５，６間には定電流
回路１１から定電流が供給される。定電流回路１
１は吸い込み型回路であり、オペアンプ１２，
NPNトランジスタ１３及び抵抗１５ないし１７
からなる。オペアンプ１２の出力端は抵抗１５を
介してトランジスタ１３のベースに接続されてい
る。またトランジスタ１３のエミツタは抵抗１６
を介してアースされると共に抵抗１７を介してオ
ペアンプ１２の反転入力端に接続されている。ト
ランジスタ１３のコレクタは酸素ポンプ素子１の
内側電極板６に引き出し線６ａを介して接続さ
れ、外側電極板５には電圧V_Bが引き出し線５ａ
を介して供給されるようになつている。また酸素
ポンプ素子１の電極板５，６間の電位差を検出す
る差動増幅回路１８が設けられている。差動増幅
回路１８はオペアンプ１９，抵抗２０ないし２２
からなり、差動増幅回路１８の出力端は空燃比制
御回路３１のV_P入力端に接続されている。

一方、電池素子２の内側電極板７は引き出し線
７ａを介してアースされ、外側電極板８は引き出
し線８ａを介してオペアンプ２６，抵抗２７ない
し２９からなる非反転増幅器３０に接続されてい
る。非反転増幅器３０の出力端は空燃比制御回路
３１のVs′入力端に接続されている。空燃比制御
回路３１のI_C制御出力端にはＤ／Ａ変換器３２が
接続され、Ｄ／Ａ変換器３２は空燃比制御回路３
１とI_C制御出力端から出力されるI_P値指令データ
に応じた電圧を発生する。Ｄ／Ａ変換器３２の出
力端はオペアンプからなる電圧ホロワ回路３３を
介して積分回路３４に接続されている。積分回路
３４は抵抗３５，３６及びコンデンサ３７からな
り、その出力電圧がオペアンプ１２の非反転入力
端に供給される。

空燃比制御回路３１は好ましくはマイクロコン
ピユータからなり、上記したI_C出力端，V_P，
Vs′入力端の他端にＡ／Ｆ駆動端を有し、Ａ／Ｆ
駆動端には２次空気供給調整用の電磁弁４４に接
続されている。電磁弁４４はエンジンの気化器絞
り弁下流の吸気通路に連通する吸気２次空気供給
通路に設けられている。

かかる構成においては、酸素ポンプ素子１及び
電池素子２の活性化の完了後に空燃比制御回路３
１のI_C出力端からI_P値指令データがＤ／Ａ変換器
３２に出力されると、Ｄ／Ａ変換器３２によつて
I_P値指令データが電圧に変換され、その変換電圧
が電圧ホロワ回路３３を介して積分回路３４に供
給される。積分回路３４の出力電圧は抵抗３５，
３６およびコンデンサ３７による積分時定数によ
つて徐々に上昇して抵抗３５，３６による上記変
換電圧の分圧電圧に達する。この分圧電圧は基準
電圧Vr₁としてオペアンプ１２の非反転入力端に
供給される。基準電圧Vr₁の供給時に酸素ポンプ
素子１の電極板５，６間を流れるポンプ電流値I_P
は抵抗１６の端子電圧によつて検出され、その端
子電圧は抵抗１７を介してオペアンプ１２の反転
入力端に供給される。端子電圧が基準電圧Vr₁よ
り小のときはオペアンプ１２の出力レベルが高レ
ベルになりトランジスタ１３のベース電流を増加
させるのでポンプ電流I_Pが増大し、端子電圧が基
準電圧Vr₁より大のときにはオペアンプ１２の出
力レベルは低レベルとなり、トランジスタ１３の
ベース電流を減少させるのでポンプ電流が低下す
る。この動作が高速で繰り返されるのでポンプ電
流I_Pは基準電圧Vr₁に応じた定電流値となる。

一方、電池素子２の電極板７，８間には電圧
Vsが発生し、電圧Vsは非反転増幅器３０に供給
され、非反転増幅器３０は電圧Vsを電圧増幅し
て酸素濃度検出出力として空燃比制御回路３１の
Vs′入力端に供給する。

空燃比制御回路３１は所定周期毎に次の如く動
作する。空燃比制御回路３１は第３図に示すよう
に先ず、イグニツシヨンスイツチ（図示せず）の
オンを表わすフラグF_IGが“１”に等しいか否か
を判別し（ステツプ51）、F_IG＝０ならば、イグニ
ツシヨンスイツチがオフからオンに切替わつたか
否かを判別する（ステツプ52）。イグニツシヨン
スイツチがオンならば、フラグF_IGに“１”をセ
ツトし（ステツプ53）、ポンプ電流値I_Pを所定の
微小電流値I₁にするようにI_P値指令データの内容
を設定する（ステツプ54）。これにより酸素ポン
プ素子１の電極板５，６間に微小電流値I₁のポン
プ電流が流れる。つぎに差動増幅回路１８の出力
電圧を酸素ポンプ素子１の電極板５，６間のポン
プ電圧V_Pとして、また非反転増幅器３０の出力
電圧Vs′を各々読み込み（ステツプ55）、読み込
んだポンプ電圧V_Pを微小電流値I₁で割り算してそ
の算出値をポンプ抵抗値R_Pとする（ステツプ
56）。また読み込んだ電圧Vs′に応じてポンプ抵
抗値R_Pの基準値R₁を設定する（ステツプ57）。空
燃比制御回路３１内のROM等のメモリには第４
図に示すように実験結果より得られた電圧Vs′か
ら定まる基準値R₁がデータマツプとして予め書
き込まれているので読み込んだ電圧Vs′に対応す
る基準値R₁データをそのデータマツプから検索
する。基準値R₁を設定するとポンプ抵抗値R_Pが
基準値R₁より大であるか否かがを判別する（ス
テツプ58）。R_P＞R₁ならば、酸素ポンプ素子１及
び電池素子２は不活性でありブラツクニング現象
の発生の可能性があると見なす。一方、R_P≦R₁
ならば、酸素ポンプ素子１及び電池素子２の活性
が完了したと見なし、活性判別用のフラグF_O2に
活性化完了を表わす“１”をセツトし（ステツプ
59）、微小電流値I₁より十分に大なる酸素濃度検
出用のポンプ電流を供給するためにI_P値指令デー
タの内容を設定する（ステツプ60）。そして、出
力電圧Vs′を読み込み（ステツプ61）、読み込ん
だ電圧Vs′が目標空燃比に対応する基準電圧Vr₂
より大であるか否かを判別する（ステツプ62）。
出力電圧Vs′は供給混合気の空燃比がリツチにな
るに従つて高くなるので、Vs′＞Vr₂ならば、エ
ンジンに供給された混合気の空燃比がリツチであ
るとして空燃比制御回路３１は電磁弁４４を開弁
駆動して２次空気をエンジンに供給せしめる（ス
テツプ63）。Vs′≦Vr₂ならば、空燃比がリーンで
あるとして空燃比制御回路３１は電磁弁４４の開
弁駆動を停止し、２次空気のエンジンへの供給が
停止される（ステツプ64）。またステツプ58にお
いてR_P＞R₁と判別したときにはステツプ64を実
行して２次空気のエンジンへの供給を停止させ
る。

ステツプ51においてF_IG＝１と判別したならば、
イグニツシヨンスイツチがオンになつたことを既
に判別しているので活性判別用のフラグF_O2が
“１”に等しいか否かを判別する（ステツプ65）。
F_O2＝０ならば、活性化した判別されていないの
でステツプ54を実行し、F_O2＝１ならば、活性化
が完了しているので直ちにステツプ61を実行す
る。

なお、フラグF_IG及びF_O2は電源投入時に“０”
に初期設定される。

第５図は本発明による酸素濃度比例電流出力型
の酸素濃度検出装置を用いた空燃比制御装置を示
している。本装置において、第２図に示した装置
と同一部分は同一符号によつて示しており、酸素
ポンプ素子１の電極板５，６間には電流供給回路
４５によつて電流が供給される。電流供給回路４
５はオペアンプ４６，NPNトランジスタ４８及
び抵抗４７，４９からなる。オペアンプ４６の出
力端は抵抗４７を介してトランジスタ４８のベー
スに接続されている。またトランジスタ４８のエ
ミツタは抵抗４９を介してアースされている。抵
抗４９は酸素ポンプ素子１の電極板５，６間に流
れるポンプ電流値I_Pを検出するために設けられて
おり、その端子電圧がポンプ電流値I_Pとして制御
回路３１のI_P入力端に供給される。トランジスタ
４８のコレクタは酸素ポンプ素子１の内側電極板
６に引き出し線６ａを介して接続され、外側電極
板５には電圧V_Bが引き出し線５ａを介して供給
されるようになつている。また非反転増幅器３０
の出力端はオペアンプ４６の反転入力端に接続さ
れている。その他の構成は第２図に示した装置と
同様である。

かかる構成においては、空燃比制御回路３１の
I_C出力端からVs値指令データがＤ／Ａ変換器３
２に出力されると、Ｄ／Ａ変換器３２によつて
Vs値指令データが制御電圧Vcに変換され、その
制御電圧Vcが電圧ホロワ回路３３を介して積分
回路３４に供給される。積分回路３４の出力電圧
は抵抗３５，３６及びコンデンサ３７による積分
時定数によつて徐々に上昇して抵抗３５，３６に
よる制御電圧Vcの分圧電圧に達する。この分圧
電圧は基準電圧Vr₃としてオペアンプ４６の非反
転入力端に供給される。このとき、オペアンプ４
６の反転入力端の電圧レベルは基準電圧Vr₃より
小であるのでオペアンプ４６の出力レベルは高レ
ベルとなりトランジスタ４８がオンとなる。トラ
ンジスタ４８のオンにより酸素ポンプ素子１の電
極板５，６間にポンプ電流が流れる。

ポンプ電流が流れると、電池素子２の電極板
７，８間には電圧Vsが発生し、電圧Vsは非反転
増幅器３０に供給され、非反転増幅器３０は電圧
Vsを電圧増幅してオペアンプ４６の反転入力端
に供給する。電圧Vsが上昇すると、非反転増幅
器３０の出力電圧Vs′も上昇する。出力電圧
Vs′が基準電圧Vr₃を越えるとオペアンプ４６の
出力レベルが低レベルに反転し、トランジスタ４
８がオフとなる。トランジスタ４８のオフにより
ポンプ電流が減少するので電池素子２の電極板
７，８間の発生電圧Vsが低下し、非反転増幅器
３０からオペアンプ４６の反転入力端に供給され
る電圧Vs′も低下する。電圧Vs′が基準電圧Vr₃を
下回ると再びオペアンプ４６の出力レベルが高レ
ベルとなり、ポンプ電流を増加せしめる。この動
作が高速にて繰り返されるので電圧Vsは一定値
に制御されると共にVs値指令データが表わす値
に応じた電圧となる。

基準電圧Vr₃のオペアンプ４６への供給時に酸
素ポンプ素子１の電極板５，６間を流れるポンプ
電流値I_Pは抵抗４９の端子電圧によつて検出さ
れ、その端子電圧は空燃比制御回路３１のI_P入力
端子に供給される。

空燃比制御回路３１は所定周期毎に第６図に示
すように動作する。空燃比制御回路３１は第４図
に示した酸素濃度比例電圧出力型の場合と同様に
ステツプ51，52，53を実行し、微小のポンプ電流
を供給するようにVs値指令データの内容を（Vs
＝V₁）設定する（ステツプ54a）。これにより酸
素ポンプ素子１の電極板５，６間に微小のポンプ
電流が流れる。次に差動増幅回路１８の出力電圧
を酸素ポンプ素子１の電極板５，６間のポンプ電
圧V_Pとして、また抵抗４９の端子電圧をポンプ
電流値I_Pとして各々読み込み（ステツプ55a）、読
み込んだポンプ電圧V_Pをポンプ電流値I_Pで割り算
してその算出値をポンプ抵抗値R_Pとする（ステ
ツプ56a）。また電池素子２の電極７，８間から
得ようとする目標電圧すなわち基準電圧Vr₃に応
じてポンプ抵抗値R_Pの基準値R₁を設定する（ス
テツプ57a）。その後、ポンプ抵抗値R_Pが基準値
R₁より大であるか否かを判別する（ステツプ
58）。R_P＞R₁ならば、酸素ポンプ素子１及び電池
素子２は不活性でありブラツクニング現象の発生
の可能性があると見なす。一方、R_P≦R₁ならば、
酸素ポンプ素子１及び電池素子２の活性が完了し
たと見なし、活性判別用のフラグF_O2に活性化完
了を表わす“１”をセツトし（ステツプ59）、酸
素濃度検出用のポンプ電流を供給するためにVs
値指令データの内容を設定する（ステツプ60a）。
そして、抵抗４９の端子電圧をポンプ電流値I_Pと
して読み込み（ステツプ61a）、読み込んだポン
プ値I_Pが目標空燃比に対応する基準値Irより小で
あるが否かを判別する（ステツプ62a）。I_P＜Irな
らば、エンジンに供給された混合気の空燃比がリ
ツチであるとして空燃比制御回路３１は電磁弁４
４を開弁駆動して２次空気をエンジンに供給せし
める（ステツプ63）。I_PIrならば、空燃比がリ
ーンであるとして空燃比制御回路３１は電磁弁４
４の開弁駆動を停止し、２次空気のエンジンへの
供給が停止される（ステツプ64）。

発明の効果 以上の如く、本発明の酸素濃度検出装置におい
ては、酸素ポンプ素子の電極間に微小電流を供給
し、該微小電流供給時の酸素ポンプ素子の電極間
の電圧から酸素ポンプ素子の内部抵抗値を検出
し、その内部抵抗値が基準値以上ときには酸素濃
度検出器が不活性状態であると判断して微小電流
より大なる酸素濃度検出用のポンプ電流の供給を
停止するので不活性時のブラツクニング現象の発
生を防止することができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素濃度−ポンプ電流特性及びブラツ
クニング現象発生領域を示す図、第２図は本発明
の実施例を示す回路図、第３図は第２図に示した
装置中の空燃比制御回路の動作を示すフロー図、
第４図は電池素子電圧−ポンプ抵抗特性によつて
ブラツクニング現象発生境界を示す図、第５図は
本発明の他の実施例を示す回路図、第６図は第５
図に示した装置中の空燃比制御回路の動作を示す
フロー図である。 主要部分の符号の説明、１……酸素ポンプ素
子、２……電池素子、３……間隙部、４……スペ
ーサ、５ないし８……電極板、１１……定電流回
路、３０……非反転増幅器、４４……電磁弁、４
５……電流供給回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定気体中に配設される一対の酸素イオン
   伝導性固体電解質材を有しその各固体電解質材に
   一対の電解が形成されかつ前記一対の固体電解質
   材が所定の間隙部を介して対向するように配置さ
   れ前記一対の固体電解質材の一方が酸素ポンプ素
   子として他方が酸素濃度比測定用電池素子として
   各々作用する酸素濃度検出器と、前記酸素ポンプ
   素子の電極間に電流を供給する電流供給手段とを
   含み、前記電池素子の電極間の電圧又は前記酸素
   ポンプ素子の電極間に流れる電流値を酸素濃度検
   出値とする酸素濃度検出装置であつて、前記電流
   供給手段は前記酸素ポンプ素子の電極間に微小電
   流を供給し、該微小電流供給時の前記酸素ポンプ
   素子の電極間の電圧から前記酸素ポンプ素子の内
   部抵抗値を検出し、その内部抵抗値が基準値以下
   のとき酸素濃度検出用の電流を前記酸素ポンプ素
   子の電極間に供給することを特徴とする酸素濃度
   検出装置 ２ 前記電流供給手段は前記基準値を前記電池素
   子の電極間の電圧に応じて設定することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の酸素濃度検出装
   置。