JPH0580619B2

JPH0580619B2 -

Info

Publication number: JPH0580619B2
Application number: JP60218515A
Authority: JP
Inventors: Kenshiro Hashimoto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1993-11-09
Also published as: JPS6276452A

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比例し
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電池素子の電極間
に微小電流を供給し、該微小電流供給時の電池素
子の電極間の電圧から電池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隙部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。

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の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，Vs′入力
端の他端にIs出力端及びＡ／Ｆ駆動端を有してい
る。Is出力端にはバツフア３９を介して定電流回
路４０が接続されている。バツフア３９はIs出力
端から出力される微小電流供給指令に応じて低レ
ベル信号を発生し、微小電流供給指令の停止時に
は高レベル信号を発生する。低電流回路４０は
PNPトランジスタ４１，抵抗４２及びツエナー
ダイオード４３からなり、トランジスタ４１のエ
ミツタに電圧V_Bが抵抗４２を介して供給され、
コレクタが定電流出力として電池素子２の電極板
８の引き出し線８ａに接続されている。トランジ
スタ４１のベースはバツフア３９の出力端に接続
され、またツエナーダイオード４３はベースと抵
抗４２の一端との間に接続されている。また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。

なお、第３図に示すように酸素ポンプ素子１及
び電池素子２と平行にヒータ３８が設けられてい
る。ヒータ３８はエンジン始動時に図示しない電
流供給回路から供給されるヒータ電流によつて発
熱して酸素ポンプ素子１及び電池素子２を加熱す
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３
５，３６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より小のときにはオペアンプ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４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）、微小電流供給指令を発生
する（ステツプ54）。これによりバツフア３９が
低レベル信号を定電流回路４０に供給しトランジ
スタ４１が能動状態となり、定電流回路４０から
電池素子２の電極板７，８間に予め定められた値
I₁の微小電流が供給される。次に非反転増幅器３
０の出力電圧Vs′を読み込み（ステツプ55）、読
み込んだ出力電圧Vs′を微小電流値I₁で割り算し
てその算出値を電池抵抗値R_IOとする（ステツプ
56）。その電池抵抗値R_IOが活性化基準値R₁より
大であるか否かを判別する（ステツプ57）。R_IO＞
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
があると見なし、空燃比制御回路３１の内部タイ
ムカウンタＡに計数時間としてT₁をセツトして
ダウン計数を開始させる（ステツプ58）。一方、
R_IO≦R₁ならば、その状態が時間T₁以上継続した
かをタイムカウンタＡの計数値から判別する（ス
テツプ59）。時間T₁は例えば、エンジン冷却水
温、が高いぼど小さく、吸気温が高いほど小さ
く、又はエンジン始動後の経過時間が短いぼど大
きく設定される。R_IO≦R₁状態が時間T₁以上継続
した場合には酸素ポンプ素子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60）、電池素子２の電極板７，８間へ微小
電流の供給を停止するために微小電流供給指令の
発生を停止し（ステツプ61）、微小電流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62）。そして、出力電圧Vs′を読み込み（ス
テツプ63）、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64）。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３
１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65）。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66）。
またステツプ57においてR_IO＞R₁と判別したとき
には、ステツプ58の実行後にステツプ66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67）。
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63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ないし62を実行し、ポンプ電流を供給
するようにVs値指令データの内容を設定する
（ステツプ62a）。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63a）、
読み込んだポンプ電圧I_Pが目標空燃比に対応する
基準値Irより小であるか否かを判別する（ステツ
プ64a）。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65）。I_P≧Ir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
66）。

このように本発明の酸素濃度検出装置において
は、エンジン始動時の酸素ポンプ素子１及び電池
素子２の不活性状態にヒータ３８にヒータ電流が
供給されると、酸素ポンプ素子１及び電池素子２
がヒータ３８の発熱によつて加熱されて酸素ポン
プ素子１及び電池素子２の温度が上昇する。この
とき、電池素子２の内部抵抗値R_IOは第７図に示
すように加熱が進むに従つて徐々に低下する。内
部抵抗値R_IOが予め実験結果等により定められた
活性化基準値R₁に達すると酸素ポンプ素子１及
び電池素子２が活性化が完了したとし、それから
更に時間T₁だけ経過してから酸素ポンプ素子１
に酸素濃度検出用のポンプ電流が供給される。こ
れによりブラツクニング現象の発生を確実に防止
することができる。

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、電池素子の電極間に微小電流を供給し、該
微小電流供給時の電池素子の電極間の電圧から電
池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図は酸素濃度検出器
の構成を示す斜視図、第４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、第７図は活性化時の電池素子の内部抵抗
値の変化を示す図である。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、１１，４０……定
電流回路、３０……非反転増幅器、４４……電磁
弁、４５……電流供給回路。

Claims

【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
一対の電極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
供給手段は前記電池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電池素子の電極間
の電圧から前記電池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。