JPH0627078A

JPH0627078A - 空燃比検出装置

Info

Publication number: JPH0627078A
Application number: JP5031563A
Authority: JP
Inventors: Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Masayuki Miki; 政之三木; Takao Sasayama; 隆生笹山; Minoru Osuga; 大須賀　　稔; Takashige Oyama; 宜茂大山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-02-22
Filing date: 1993-02-22
Publication date: 1994-02-04
Anticipated expiration: 2010-03-06
Also published as: JPH0718837B2

Abstract

(57)【要約】【構成】固体電解質の内部抵抗を検出し、この内部抵抗
が一定となるように固体電解質を加熱するヒータへの通
電を制御すること。【効果】固体電解質の温度が常に一定となるように制御
されるため、空燃比の検出精度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空燃比検出装置に係
り、特に、内燃機関の空燃比を広範囲を制御するのに用
いるのに好適な空燃比検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関用の空燃比検出装置とし
ては、理論空燃比を検出する装置が、広く内燃機関の制
御用に用いられている。

【０００３】しかし、近年、燃料消費率の改善のために
リーンバーン制御用の空燃比検出装置の開発が進められ
ている。その一例としては、例えば、米国特許4282080
(特開昭55−125448号）に記載のように、拡散抵抗体か
ら拡散してくる酸素を固体電解質セルによりくみ出す時
流れる限界電流値によりリーン空燃比を検出するものが
知られている。

【０００４】また、米国特許4158166（特開昭53−66292
号）によって、拡散抵抗体から拡散してくる一酸化炭素
等と固体電解質セルによりくみ入れる酸素とを反応さ
せ、この時固体電解質セルを流れる限界電流により、リ
ッチ空燃比を検出するものが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術はリーンからリッチまでの幅広い空燃比範囲の検
出の可能なものではなく、また、高精度に空燃比を検出
するには十分ではなかった。

【０００６】本発明の目的は、高精度に空燃比の検出が
可能な空燃比検出装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、固体電解質
と、前記固体電解質の一方の面に形成された第１の電極
と、前記固体電解質の他方の面に形成され、大気雰囲気
に接触する第２の電極と、前記第１の電極上に形成さ
れ、前記第１の電極へのガスの拡散を律する拡散抵抗体
と、前記固体電解質を加熱するヒータを制御する制御手
段とを有する空燃比センサにおいて、前記制御手段を前
記固体電解質の内部抵抗を検出し、この内部抵抗が一定
となるように前記ヒータへの通電を制御する手段とする
ことによって達成される。

【０００８】

【作用】固体電解質の内部抵抗を一定となるようにヒー
タを制御しているため、固体電解質の温度を一定に保つ
ことができる。これにより高精度の空燃比の検出が可能
となる。

【０００９】

【実施例】本発明の一実施例について、以下図面を用い
て説明する。

【００１０】最初に、本発明に用いるセンサ部分の一例
について、図１を用いて説明する。袋管状の検出部１０
は孔１１を有する保護管１２内に配置され、ネジ１３を
有する栓体１４内に固着されている。そして、排ガスの
流動する排気管１５に装着される。また、１６は電極端
子、１７はヒータ端子であり、これらの端子を介して検
出部は電子回路と接続される。なお、袋管状の検出部で
あるジルコニア固体電解質１０の内部には、これを加熱
するための棒状のヒータ（アルミナ棒に形成したＷヒー
タなど）が装着される。このヒータは検出部のジルコニ
ア固体電解質を少なくとも６００℃以上の高温にして、
そのインピーダンスを小さくするためである。検出部１
０は袋管状のジルコニア固体電解質の内側と外側にそれ
ぞれ電極（白金などで構成される）をもうけ、外側の電
極上に多孔質状の拡散抵抗体を形成したものである。そ
して、固体電解質の内側には大気が導入され、外側は排
ガス雰囲気中にさらされる。

【００１１】本発明に使用されるセンサ部分の他の一例
を図２に示す。この図はジルコニア固体電解質が平板，
抵散抵抗体が１個の孔よりなる場合を示している。大気
はジルコニア固体電解質２０内の通路３２を介して、第
１の電極２２部へ導入される。排ガス中の残存酸素や未
燃ガスは孔形状の拡散抵抗体２４を介して、拡散室３１
内の第２の電極２３部へ拡散で流入するものである。ジ
ルコニア固体電解質２０はこれに固着されたアルミナ絶
縁層２１１内のヒータ２１２によって、高温度に加熱制
御される。

【００１２】いずれにしても、ジルコニア固体電解質は
一対の電極を有し、一方には大気が導入され、他方には
拡散抵抗体を介して排ガスが拡散で流入する構造であれ
ば、どのような形状でも基本的には良い。

【００１３】次に、本発明の動作原理について、図３を
用いて説明する。

【００１４】図３（ａ)，(ｂ）において、１は酸素イオ
ン伝導性の固体電解質であり、その両面には白金電極３
ａ，３ｂが形成されている。電極３ａは、大気に接し、
電極３ｂは、多孔質の拡散抵抗体２を介して排気に接し
ている。

【００１５】本検出装置は、同図（ａ）に示したよう
に、固体電解質１に電圧Ｖを印加して電流Ｉ_Pを流し、
拡散抵抗体２内に酸素を出し入れする動作と、同図
（ｂ）に示したように、固体電解質１に発生する起電力
Ｅのみを測定する動作を、時分割的に回路を交互にしゃ
断することにより行うものである。同図（ａ）に示した
電流Ｉ_Pは、絶対値や方向が空燃比によって変化する。
これは、同図（ｂ）に示した期間に測定した起電力Ｅが
常に一定値になるように、電圧Ｖの値を増減し、拡散抵
抗体２内の酸素を出し入れしているためである。同図
（ｃ）に示したように、電極３ａの端子電圧を見ると、
電流Ｉ_Pを流す期間ｔ_iの電圧は、空燃比により変化す
る（Ｖ₁，Ｖ₂のように）。一方、起電力Ｅを測定する期
間ｔ_eの電圧は、空燃比が変化しても、Ｅ一定のまま保
たれる。つまり、この起電力Ｅが一定になるように印加
電圧Ｖを変化させるのである。

【００１６】次に、空燃比が変化した場合の拡散抵抗体
２内の酸素濃度分布の変化と、酸素の移動やＩ_Pの関係
を図４により説明する。図４（ａ）は、リーン域の動作
を示したもので、空燃比がλの場合のＩ_P，Ｏ₂の移
動，Ｏ₂濃度の分布のそれぞれを実線で示し、λ′の場
合を点線で示した。ここで、λ′＞λ＞１の関係と仮定
する。空燃比がλの場合は、排気中の酸素濃度は、Ｐ_O2
となっているため、拡散抵抗体２の排気側の酸素濃度は
Ｐ_O2となっている。ここで、あらかじめ別の期間に測定
された起電力Ｅが一定になるように電流Ｉ_Pを流すの
で、拡散抵抗体２内の酸素は、大気側に引き抜かれ、電
極３ｂ近傍の酸素濃度が常に一定値Ｐ_Oになる。ここで
例えば、起電力Ｅを０.５Ｖとすると、Ｐ_Oは１０^-12％
程度となる。次に、空燃比がλ′（λ′＞λ）に変化す
ると、拡散抵抗体２の排気側の酸素濃度はＰ_O2′と大き
くなるが、ここでも起電力Ｅを常に一定にするように、
Ｉ_Pよりも大きな電流Ｉ_P′を流すため、電極３ｂ近傍
の酸素濃度は、一定値Ｐ_Oに保たれる。このように、酸
素濃度がＰ_O2からＰ_O2′(Ｐ_O2′＞Ｐ_O2)に変化した場
合、Ｐ_Oを一定に保つために、多くの酸素量を移動する
必要がある。すなわち、電圧ＶをＶ′(Ｖ′＞Ｖ）に変
化させて、Ｉ_PをＩ_P′(Ｉ_P′＞Ｉ_P）に増加する。この
ため、この時の電流値、すなわち電圧値は、空燃比に比
例するようになる。

【００１７】図４（ｂ）は、リッチ域での動作を示して
いる。空燃比がλ″（λ″＜１）のリッチ域ではＣＯな
どの可燃性ガスが発生するために、電極３ｂ近傍の酸素
濃度をＰ_Oにするには、Ｏ₂を大気側から、排気側に送
り込む必要がある。このため、固体電解質１に加わる電
圧の極性を反転し、電流Ｉ_P″ をリーン域とは逆方向に
流す。この動作により、電極３ｂ近傍の酸素濃度はＰ_O
に保たれる。拡散抵抗体２中に示した実線は、一酸化炭
素ＣＯの濃度分布を示したもので、排気側がＰ_COで、電
極３ｂ側がほぼ零のＰ_Oとなる。空燃比がλ″よりもさ
らに小さくなると、多くのＣＯが存在し、拡散抵抗体２
内に拡散してくるため、電極３ｂ近傍の酸素濃度をＰ_O
に保つためには、より多くの酸素を送り込む必要があ
る。このため、Ｖ″を増加し、Ｉ_P″ を増加する。すな
わち、空燃比が変化すれば、Ｖ″は変化する。

【００１８】以上の原理により、リッチからリーン域に
おいて空燃比が測定できるわけであるが、ここで電流の
方向を反転する必要がある。本発明では、この動作を、
λ＝１.０の点を検出することなく、自動的に行うよう
にした。以下、これについて説明する。

【００１９】図５（ａ）は、リーン域の動作である。排
気側の電極３ｂは、ある一定の電位Ｖ_PGを持ったポテン
シャルグランド４に接続されている。リーン域ではＩ_P
を矢印の方向に流すため、電極３ａの電圧Ｖ_PをＶ_PGよ
りも大きくする。つまり、Ｖ_P＞Ｖ_PGとすれば拡散抵抗
体２内の酸素が大気側に引き抜かれる。次に、図５(ｂ)
に示したリッチ時には、Ｖ_PをＶ_P＜Ｖ_PGとなるように
小さくすると、Ｉ_Pはリーン時とは逆に流れ、拡散抵抗
体２内に酸素が送り込まれている。

【００２０】以上のように、電極３ｂをポテンシャルグ
ランド４に接続し、電極３ａ側の電圧を上下することに
より、自動的にＩ_Pの方向を反転させることができる。
このポテンシャルグランドの構成については後述する。

【００２１】図６に、本発明の一実施例の検出装置の駆
動回路の全体の構成を示す。５はＡ端子とＢ端子にＯＮ
−ＯＦＦ信号を交互に出力するマイクロコンピュータで
あるが、通常のコンデンサーと抵抗を用いた発振回路で
も良い。Ａ端子にＯＮ信号が出力されると、スイッチＳ
Ｗ₁はＯＮ（導通）し、この期間Ｂ端子にＯＦＦ信号が
出力され、スイッチＳＷ₂はＯＦＦ（非導通）となる。
スイッチＳＷ₁がＯＮになると、固体電解質１に電流Ｉ
_Pが流れる。次の期間に、Ａ，Ｂ端子のＯＮ−ＯＦＦ状
態が逆転し、スイッチＳＷ₂がＯＮ，スイッチＳＷ₁が
ＯＦＦとなる。このスイッチＳＷ₂がＯＮとなる期間は
起電力Ｅを測定する期間である。この期間に検出された
起電力Ｅは、ホールド回路６によりホールドされ、スイ
ッチSW₂がＯＦＦした時でも起電力Ｅの値は維持され
る。次に、差動積分回路７により、起電力Ｅとリファレ
ンス値Ｅ_refが比較され、Ｅ＜Ｅ_refの場合は差動積分
回路７の出力Ｖ_PHが増加し続ける。ここで、固体電解質
１には、スイッチＳＷ₁がＯＮしたときに、この出力Ｖ
_Pが印加される。また、Ｅ＞Ｅ_refの場合は、差動積分
器７の出力Ｖ_Pは減少し続ける。以上のように、起電力
ＥがＥ_refになるように、出力Ｖ_PHを上下して電流Ｉ_P
を制御する。なお、前述したように、リッチ域では、出
力Ｖ_PがＶ_PGよりも小さくなるように、出力Ｖ_Pを減少
させる。

【００２２】また、回路の出力としては、ポテンシャル
グランド４と電極３ｂの間に固定抵抗Ｒ₁を設けて、そ
の端子電圧をホールド回路８によりホールドし、出力Ｖ
_outとする。出力Ｖ_outは、抵抗Ｒ₁が固定抵抗のた
め、電流値Ｉ_Pに比例した値となる。

【００２３】図７には、空燃比がリッチからリーンまで
変化した場合の各部の信号レベルと、スイッチＳＷ₁，
ＳＷ₂の動作を示した。（ａ）は実際の空燃比の変化で
あり、λ＜１からλ＞１まで変化している。（ｂ）はス
イッチＳＷ₁を介して電極３ａに印加される電圧
Ｖ_P′、(ｃ）は、差動積分回路７に入力される起電力Ｅ
を示した。空燃比が、急にリーン側に変化すると、拡散
抵抗体２内の酸素量が増加するため、起電力ＥはＥ_ref
よりも小さくなる。このため差動積分回路１７の出力Ｖ
_Pは、増加し続ける。やがて、空燃比が一定値におちつ
くと、出力Ｖ_Pも一定値に収束する。このとき、起電力
Ｅは、Ｅ_refに収束している。（ｄ)と(ｅ）は、スイッ
チＳＷ₁とＳＷ₂のＯＮする期間であり、ＯＮ−ＯＦＦ
の周期は、通常の空燃比の変化時間より十分に小さくし
ておけば良い。また、（ｆ）は、Ｖ_outを示し、リッチ
域ではＶ_out＜Ｖ_PGとなっているが、リーン域に変化す
ると、Ｖ_out＞Ｖ_PGとなる。

【００２４】以上のように回路は、起電力ＥがＥ_refに
なるように出力Ｖ_Pを上下する。また、リーンからリッ
チ域に空燃比が変化した場合は、出力Ｖ_Pは減少し、出
力Ｖ_outも減少する。

【００２５】図８には、空燃比（空気過剰率）λに対す
るＶ_outの関係を示した。λ＝１.０では、理論的に、Ｉ
_P＝０となるために、Ｖ_out＝Ｖ_PGとなる。λ＜１で
は、Ｖ_out＜Ｖ_PGで、λ＞１では、Ｖ_out＞Ｖ_PGとな
る。つまり、λ＝１.０を境として、電流Ｉ_Pの方向が
自動的に反転し、リッチからリーンまでの空燃比が連続
的に測定できる。

【００２６】次に、この検出装置の動作の物理的な意味
を説明する。図９では、固体電解質に印加する電圧Ｖを
増加させていった場合の、電流値Ｉを示した特性であ
る。電圧Ｖを零から増加していくと、（ａ）の範囲で
は、酸素イオン伝導により、電圧Ｖに比例して電流Ｉが
増加する。さらに電圧Ｖを増加すると拡散抵抗体２の作
用で酸素の流れが律せられ、電圧Ｖを増加しても電流Ｉ
が変化しなくなる（（ｂ）の範囲）。この時の電流Ｉは
限界電流値と呼ばれる値である。

【００２７】今、空燃比がある一定の値となっていると
きの図６の回路の動作原理を、図９の実際の特性により
示す。差動積分回路７の出力Ｖ_Pが、今、（ａ）の範囲
の電圧だったとすると、この時端子間に発生する起電力
Ｅはほぼ零となっている。このため、差動積分回路７は
出力Ｖ_Pを増加させる。やがて、出力Ｖが（ｂ）の範囲
に入ってくると端子間には起電力が発生し始め、起電力
がＥ_refになった時に出力Ｖ_Pの増加は停止し、Ｖ_Cに
収束する。この時、固体電解質１には、電流Ｉ_Pが流れ
る。この電流Ｉ_Pは、前述した限界電流値と等しく、空
燃比に比例した値となる。

【００２８】また、図９の点線で示した特性は、固体電
解質１の温度が低くなった場合のものである。ここで、
出力Ｖ_PがＶ_Cのままでは、電流値はＩ_Lとなり限界電
流値を示さないが、本発明の回路では、Ｖ_P＝Ｖ_Cの状態
では、Ｅ≒０と判定するために、出力Ｖ_Pをさらに増加
し続け、起電力ＥがＥ_refになる値Ｖ_C′ に収束する。
このため、この時固体電解質１に流れる電流値は、やは
り限界電流値となる。このように、本発明による検出装
置は、固体電解質１の温度が変化しても常に限界電流値
に相当する電流値を固体電解質１に流す。

【００２９】図１０は、固体電解質１の温度が一定で、
空燃比λが変化した場合の特性を、それぞれの空燃比λ
₁，λ₂，λ₃，λ₄について示した（λ₁＞λ₂＞λ₃＞
λ₄）。空燃比がλ₁の場合は、端子間の起電力がＥ
_refとなるには、固体電解質１にＶ_P1の電圧を印加する
必要があるため、出力Ｖ_PHはＶ_P1まで上昇し、Ｖ_P1に収
束する。このときの電流値はＩ_P1で、空燃比λ₁におけ
る限界電流値に一致している。また、空燃比がλ₂とな
った場合は、出力Ｖ_PHは減少しＶ_P2に収束し、電流値は
Ｉ_P2となる。以下、空燃比がλ₃，λ₄の場合も同様に、
それぞれの限界電流値Ｉ_P3，Ｉ_P4を固体電解質１に流
す。図６に示した回路は、この電流値に比例した出力を
出すため、常に限界電流値がモニターできる。

【００３０】図１１は、固体電解質１の温度Ｔを変化さ
せた場合の出力の変化を示した。なお、ここでは空燃比
は一定である。図１の（ｂ）は、図９に示したように常
に、一定の電圧Ｖ_Cを固体電解質１に印加した場合の特
性であり、（ａ）は本発明による検出装置の出力特性で
ある。前述したように、温度Ｔが変化しても、常に限界
電流値をモニターできるために、出力の温度依存性は少
ない。

【００３１】図１２は、温度Ｔを一定とした空燃比λを
変化させた場合の、出力特性である。（ｂ）は、固体電
解質に印加する電圧を一定とした場合の特性である。図
１０からわかるように、例えば、電圧をＶ_P3一定となる
と、空燃比λが大きくなるのにつれて、限界電流値が測
定できなくなり、図１２（ｂ）に示したように、大きな
空燃比λで、空燃比λに対するゲインが低くなる。ま
た、（ａ）の特性は、本発明の検出装置によるもので、
空燃比λが変化しても、電圧Ｖ_Pを変化させて常に限界
電流値を測定するために、λが大きくなっても、λに対
する出力値のゲインは変わらない。

【００３２】図１３は、本発明の一実施例による検出装
置の回路の具体的な構成の一例である。５は、マイクロ
コンピュータか、または発振器である。ホールド回路６
は、コンデンサＣ₁とバッファアンプＡ₁から成ってい
る。ホールド回路６でホールドされた起電力Ｅは、差動
積分回路７に入力される。この差動積分回路７で、起電
力Ｅと基準電圧Ｅ_refが比較され、Ｅ＜Ｅ_refの場合、
電圧Ｖ_Pは増加し続け、Ｅ＞Ｅ_refの時、電圧Ｖ_Pは減少
し続ける。この積分動作は、起電力ＥがＥ_refに収束す
るまで続けられ、収束すれば、電圧Ｖ_Pもある一定値に
収束する。この電圧Ｖ_Pは、バッファアンプＡ₂とスイ
ッチＳＷ₁を介して、電極３ａに印加される。一方、ポ
テンシャルグランド４は、バッファアンプＡ₃より成っ
ており、電圧Ｖ_PG一定の値を出力している。ここで、ス
イッチＳＷ₁がＯＮして、電圧Ｖ_Pが固体電解質１に印
加される場合に、Ｖ_P＞Ｖ_PGの場合は、電流は、バッフ
ァアンプＡ₂，固体電解質１を通り、バッファアンプＡ
₃内でグランドに落される。しかし、ポテンシャルグラ
ンドは、Ｖ_PG一定のまま保たれる。また、Ｖ_P＜Ｖ_PGの
場合は、電流はバッファアンプＡ₃，固体電解質１を通
り、バッファアンプＡ₂内でグランドに落される。しか
し、バッファアンプＡ₂の出力はＶ_P一定のまま保たれ
ている。また、出力回路８は、スイッチＳＷ₁がＯＮし
た時の抵抗Ｒ₁の端子電圧をコンデンサＣ₁とバッファ
アンプＡ₄によりホールドし、出力（Ｖ_out）する。以
上の回路により、本発明による空燃比の検出が可能とな
る。図１４は、エンジンの実排気を本発明の上述の一実
施例により測定した結果を示した。検出装置のセンサ部
分はエンジンの排気マニホールドに取り付け、エンジン
は回転数１２５０rpm 、トルク３kg・ｍ一定で運転し
た。図１４の横軸が空燃比λで、縦軸は出力である。図
１４からわかるように、λ＜１からλ＞１までの広い範
囲の空燃比が実測できるが、λ＝１を境として出力値の
ゲインが変化している。これは、λ＞１では限界電流Ｉ
_Pは、排気中の酸素濃度に依存しているが、λ＜１で
は、電流Ｉ_Pは、排気中の可燃性ガスＣＯ，ＨＣ，Ｈ₂
に依存するためである。特に、可燃性ガス中で、Ｈ₂の
拡散速度が非常に速いため（ＣＯ，Ｏ₂の約４倍）、多
くの電流値が必要となり、出力が大きく傾斜してしま
う。

【００３３】次に、固体電解質１の温度を一定に保つた
めにその内部抵抗ｒを一定に保つための温度制御法につ
いて述べる。図１５（ａ）には、λ＞１における動作を
示した。この場合、電流Ｉ_Pは図中の矢印の方向に流
れ、電極３ａ側の電圧をＶ_P，３ｂ側をＶ_H，抵抗Ｒ₁
のポテンシャルグランド４側をＶ_PGとすると、Ｖ_P＞Ｖ_H
＞Ｖ_PGの関係となる。この場合、Ｖ_P，Ｖ_H，Ｖ_PGの間に
は次の関係がある。

【００３４】

【数１】Ｖ_P−Ｖ_H＝Ｅ＋ｒＩ_P…(数１）

【００３５】

【数２】Ｖ_H−Ｖ_PG＝ｒ_C・Ｉ_P…(数２）ここで、Ｅ：起電力、ｒ_C：抵抗Ｒ₁の抵抗値（数１）
式より、内部抵抗ｒは、

【００３６】

【数３】

【００３７】ここで、Ｖ_Hは出力として常に測定してい
るので既知であり、Ｅは常に一定値になるように制御し
ているので既知である。ここで、

【００３８】

【数４】Ｖ＝Ｖ_H＋Ｅ …(数４）とすると、（数３）式は、

【００３９】

【数５】

【００４０】また、（数２）式により、Ｉ_Pは、

【００４１】

【数６】

【００４２】となるため、Ｖ_H，Ｖ_PG，ｒ_Cが既知なので
Ｉ_Pも既知となる。このため、(数６)式と（数５）式よ
り固体電解質１の内部抵抗ｒが計算される。

【００４３】次にλ＜１における動作を、図１５（ｂ）
に示す。ここでは、電流Ｉ_Pは(ａ)とは反対向きに流れ
るので、各部の電圧は、Ｖ_P＜Ｖ_H＜Ｖ_PGとなる。ここで
も、（数１)〜(数６）式のような計算を行うと、次のよ
うになる。Ｖ_PとＶ_HとＶ_PGの関係は、

【００４４】

【数７】Ｖ_P−Ｖ_H＝Ｅ−ｒＩ_P…(数７）

【００４５】

【数８】Ｖ_PG−Ｖ_H＝ｒ_C・Ｉ_P…(数８）ここで、（数７）式を（数４）式の関係を用いて書き換
えると、

【００４６】

【数９】

【００４７】となる。またＩ_Pは、（数８）式より

【００４８】

【数１０】

【００４９】となる。ここで、Ｖ_PG，Ｖ_H，ｒ_C・Ｖ* は
既知なので、（数９)，(数１０）式より内部抵抗ｒは求
まる。この内部抵抗ｒを計算して、ヒータを制御し、内
部抵抗ｒを常に一定に保つようにする。図１６に、ヒー
タ制御のフローを示した。この計算は、λ＞１とλ＜１
では異なるので、始めにこの判断をする。電流Ｉ_Pの方
向によりＶ_HとＶ_PGの大小関係は変わるので、これによ
り判断する（ステップ１０１）。λ＞１では、Ｖ_H＞Ｖ
_PGとなるので、（数６）式により電流Ｉ_Pを計算する
（ステップ１０２）。次に、この電流Ｉ_Pと（数５）式
により内部抵抗ｒを計算する（ステップ１０３）。この
内部抵抗ｒを、制御しようとすると抵抗値ｒ_refと比較
する（ステップ１０４）。ここで、ｒ＞ｒ_refならば、
固体電解質１の温度Ｔは、設定値より低くなっているの
でヒータをＯＮさせるＨｉの信号を出力し、固体電解質
１を加熱する（ステップ１０５）。また、ｒ＜ｒ_refの
場合は、Ｔが設定温度より高くなっているので、ヒータ
をＯＦＦさせるＬｏ信号を出力する（ステップ１０
６）。その後、ステップ１０１に戻る。

【００５０】一方、Ｖ_H＜Ｖ_PGの場合は、λ＜１.０と
なっているので、電流Ｉ_Pは（数１０）式により計算す
る（ステップ１０７）。このＩ_Pと（数９）式より内部
抵抗を計算する（ステップ１０８）。以上により、内部
抵抗ｒを求めた後は、ステップ４に進み以下先ほどと同
様のフローによりヒータを制御する。以上のフローは、
アナログ回路でも処理できるが、Ａ／Ｄ変換してマイク
ロコンピュータ５に入力し、デジタル的に処理する方が
有利である。

【００５１】図１７は、ヒータ制御するための回路の結
線図である。検出装置の駆動回路４１より前述した出力
Ｖ_PH，Ｖ_HをＡ−Ｄ変換器４２に入力する。Ｖ_PH，Ｖ_H
に対応したデジタル値をマイクロコンピュータ５に入力
する。マイクロコンピュータ５内では、図１６に示した
フローが実行され、コンパレータ４３に、Ｈｉ，Ｌｏ信
号が出力される。Ｈｉ信号が出力されると、コンパレー
タ４３はトランジスタＴｒ₁のベースにＬｏ信号が出力
され、トランジスタＴｒ₁は導通状態になり、ヒータ４
０に電流が流れ、固体電解質１が加熱される。

【００５２】一方、マイクロコンピュータ５からＬｏ信
号が出力されると、コンパレータ４３はＨｉ信号を出力
し、トランジスタＴｒ₁は非導通状態となり、ヒータ４
０には、電流が流れない。以上のようなハードによりヒ
ータの制御が実行され、固体電解質１の温度は常に一定
に制御される。

【００５３】図１８には、ヒータを制御する別の方法を
示している。この方法は、図１８（ａ）に示したよう
に、電流Ｉ_Pを流す期間ｔ_iと、起電力Ｅを測定する期
間ｔ_eの他に、固体電解質１の内部抵抗ｒを一定値の電
流値を流すことにより測定するための期間ｔ_hを新たに
設ける方法である。図１８（ｂ）に示したように、期間
ｔ_hには、定電流Ｉ_Hを流しこの時の端子電圧Ｖ_HCを検
出することにより、内部抵抗ｒを測定する。この時、図
１８（ｃ）に示したように、電流Ｉ_Hは、酸素を拡散抵
抗体２内に送り込むような方向に流す。このため、端子
電圧Ｖ_HCは、次のように表わされる。

【００５４】

【数１１】Ｖ_HC＝ｒＩ_H−Ｅ …(数１１)

【００５５】

【数１２】Ｖ_HC∝ｒ …(数１２) （数１２）式からわかるように、電圧Ｖ_HCは、Ｉ_H，Ｅ
が既知のために、内部抵抗ｒの関数となる。すなわち、
この電圧Ｖ_HCを測定して一定値になるようにヒータを制
御すれば、精度の高い温調が可能となる。なお、図１８
（ａ)，(ｂ）に示した実線の特性は、λ＞１の場合のも
ので、一点鎖線の特性は、λ＜１のものである。図１８
（ｂ）に示したように、λ＜１の場合は、電流Ｉ_Pの方
向はλ＞１とは反対方向なので負の値で示した。

【００５６】なお、期間ｔ_hにおいて、電流Ｉ_Hを図１
８（ｃ）の方向に流すことは、排気側に酸素を送り込む
方向なので、リッチ域において、固体電解質１を保護す
る意味にもなる。

【００５７】図１９は、図１８の動作を実現するための
回路構成である。マイクロコンピュータ５のＡ端子から
は、ｔ_i間だけＯＮする信号が出力され、Ｂ端子から
は、ｔ_e間だけＯＮする信号が出力され、Ｃ端子からは
ｔ_h間だけＯＮする信号が出力される。このため、ｔ_h
間は、スイッチＳＷ₃のみが導通状態となる。このスイ
ッチＳＷ₃が導通すると、定電流源４４から固体電解質
１に定電流Ｉ_Hが流れる。この時の端子電圧Ｖ_HCを、コ
ンデンサＣ₃とバッファアンプＡ₅によりサンプルホー
ルドする。このためスイッチＳＷ₃が非導通となった場
合でも、バッファアンプＡ₅の出力はＶ_HCのまま保持さ
れる。この出力Ｖ_HCは、基準電圧Ｖ_refと比較され、Ｖ
_HC＞Ｖ_refの場合は、コンパレータ４５がＯＦＦ信号を
トランジスタＴｒ₂のベースに出力し、トランジスタＴ
ｒ₂を導通状態として、ヒータ４０に電流を流し、固体
電解質１を加熱する。一方、Ｖ_HC＜Ｖ_refの場合は、コ
ンパレータ４５がＯＮ信号を出力するので、トランジス
タＴｒ₂は非導通となり、ヒータ４０に電流は流れなく
なる。なお、このＶ_refは、（数１１）式により、設定
したい内部抵抗ｒに対応する値を、あらかじめ決定して
おく。以上の方法により、固体電解質１の内部抵抗ｒを
モニターしながら、精度の高い温調が可能となる。

【００５８】本発明の他の実施例の全体構成を図２０に
より説明する。電位Ｖ_PGの電圧源６４とバッファアンプ
６５によりなるポテンシャルグランド回路８４により、
アンプ６５の出力電圧は回路グランドよりポテンシャル
Ｖ_PGだけ高い一定値に保持される。この結果、多孔質状
の拡散抵抗体５４を介して、排ガス雰囲気と接触する電
極５３部の電位は常に回路グランドより高い値である
故、ジルコニア固体電解質５０中を動く正・負のポンプ
電流Ｉ_Pの計測が可能になる。抵抗６６はポンプ電流Ｉ
_Pの検出抵抗であり、Ｉ_Pを出力電圧ｅ₀に変換して、
バッファ・アンプ６７およびコンデンサ６２からなる出
力回路８８よりエンジン制御用のマイコンへ送信する。

【００５９】時分割信号発生器８５のパルス列Ａがオ
フ，Ｂがオンであるものとする。このとき、ＣＭＯＳな
どからなるスイッチ６８と６９はＯＦＦの状態になる。
スイッチ６９がＯＦＦになると、積分回路８７から電極
５２へ供給される励起電圧はなくなる故、ジルコニア固
体電解質５０中を流れるポンプ電流Ｉ_Pは強制的に零に
される。この時、電極間の差電圧は起電力ｅλの成分の
みである故、これを抵抗７１〜７４及びアンプ７５から
なる差動増幅回路８９で検出する。この結果、オーム損
過電圧の影響を受けることなく、起電力ｅλを高い精度
で検出できる。スイッチ７６はＯＮ状態にあるので、差
動増幅回路８９で検出されたｅλ値はすばやくコンデン
サ７７とアンプ７８からなるホールド回路８６へ転送さ
れる。このｅλ値は、積分回路８７へ入力され基準電圧
Ｅ_refと比較される。積分器回路８７の時定数τは抵抗
７９とコンデンサ８０の値から決まり、数〜数十ｍｓの
値に設定される。また、基準電圧Ｅ_refは０.３〜０.６
ボルトの値に設定される。ｅλ＜Ｅ_refのとき、電極５
２へ印加される励起電圧が大きくなるように作用する。
これに対して、ｅλ＞Ｅ_refのとき、励起電圧が小さく
なるように作用する。

【００６０】次に、時分割信号発生器８５のパルス列Ａ
及びＢが反転すると、スイッチ６９はＯＮ状態になり、
励起電圧が積分回路８７より電極５２へ印加される。ｅ
λ＜Ｅ_refのとき、励起電圧が大きくなる故、リーン状
態のとき電極５３部の酸素を多く引き抜き、リッチ状態
のとき電極５３部へ供給する酸素を少なくするように作
用し、ｅλがＥ_refになるように励起電圧がフィードバ
ック制御される。

【００６１】逆に、ｅλ＞Ｅ_refのとき、励起電圧が小
さくなる故、リーン状態のとき電極５３部の酸素を少な
く引き抜き、リッチ状態のとき電極５３部へ多くの酸素
を供給するように作用し、同様にｅλがＥ_refになるよ
うに励起電圧がフィードバック制御される。これらは、
電気化学的なＯ₂ポンプ作用によって平衡状態にフィー
ドバック制御される。なお、励起電圧がサンプルされな
いように、スイッチ７６はＯＦＦ状態になる。逆に、ス
イッチ６８はＯＮ状態になっており、検出抵抗６６によ
って検出されたポンプ電流Ｉ_Pに対応した電圧がサンプ
ルされて、コンデンサ６２と、バッファ・アンプ６７か
らなる出力回路８８より出力電圧Ｖ_outとして出力され
る。

【００６２】このように、交互に繰返えすことによっ
て、リッチ，理論空燃比及びリーン領域の空燃比を連続
的に検出することができる。

【００６３】なお、起電力検出の時間は拡散抵抗体５４
部におけるガスの拡散によって、起電力ｅλは少しずつ
変化する故、数ｍｓ以下にしなければならない。

【００６４】また、限界電流値Ｉ_Pが大きい値になるよ
うに、拡散抵抗体５４を製作した場合、スイッチ６９が
ＣＭＯＳなどで構成されるとき、その内部抵抗によって
生ずる電圧降下が大きくなるので、トランジスタの如き
スイッチが望ましい。このとき、両方向（正，負）の電
流を流す必要があり、２つのトランジスタをペアに用い
双方向の電流移動を可能にしなければならない。

【００６５】また、積分回路８７はゲインを適当に選ん
だ差動増幅器で構成しても良い。

【００６６】いずれにしても、図２０の構成により両電
極間に作用する励起電圧は起電力ｅλより数倍大きくな
っても、空気過剰率λを高い精度で検出できた。

【００６７】この結果、ジルコニア固体電解質５０の温
度が低くても（実験では６００℃以上）動作することに
より、ヒータの電力が低減し、その耐久性が向上した。

【００６８】なお、リッチ状態の環境に数十分から数時
間と長い間、連続的に本センサをおいた場合、電極５３
部近傍のジルコニア固体電解質５０が局所的に電子伝導
に移行するためか、出力特性にヒステリシスが発生し
た。このような評価結果の一例を図２１に示す。これは
合成ガスを用い、λ＝１.５から空気過剰率λを一様な
速度で小さくし、約１０分でλ＝０.７３まで低下させ
た。そして、λ＝０.７３のリッチ雰囲気に約７０分
間、連続的に放置し、その後一様な速度でλを大きく
し、約１０分でλ＝１.５まで上昇させたときのヒステ
リシス特性を示したものである。図に示すように、出力
電圧特性にヒステリシス現象が生じた。ヒステリシスの
大きさは、リッチ雰囲気に放置する時間が長い程、また
放置するときのλ値が小さいほど、ヒステリシスが大き
くなりやすい傾向があった。

【００６９】実エンジンでも、運転状態によってはリッ
チ雰囲気に長い間さらされることがあり得るので、この
ようにヒステリシス現象の発生は制御上、好ましくない
ことは言うまでもない。

【００７０】実験的なこのような傾向から基本的には、
リッチ雰囲気でジリコニア固体電解質５０に印加する励
起電圧の時間を少なくすれば良いことが予想される。こ
の対策方法を図２０に示した回路構成へ適用することに
した。

【００７１】この対策方法を図２２に示す。時分割信号
発生器８５を出力電圧Ｖ_outの大きさに応じて制御し、
パルス列Ａ及びＢを時々、区間Ｚで示すように休止させ
る方法である。この結果、図２０中のスイッチ６９が区
間Ｚに応じて比較的長い間（数十〜数百ｍｓ）ＯＦＦに
なり、この間ジルコニア固体電解質５０への励起電圧の
印加が停止される。区間Ｚの長さはＶ_outが小さいほ
ど、即ちλ値が小さい程長くまた、そのひんどを多くす
るのが効果的である。時々刻々の瞬時空気過剰率の測定
はある程度、ぎせいになるが、これは制御上のアルゴリ
ズムに工夫を施すことにより、実使用上問題がない程度
まで制御精度を改善することが可能である。

【００７２】次に、本検出装置をエンジンの空燃比制御
を用いた場合の、応用上の利点について説明する。

【００７３】本検出装置は、拡散抵抗体２が目づまり等
の原因により、経時変化した場合には、出力も経時変化
する。しかし、λ＝１.０においては、Ｉ_P＝０となる
ために、出力Ｖ_outは、Ｖ_PGとなる。つまり、この時
は、Ｉ_Pを流していないために、拡散抵抗体２の状態に
関係なく、出力は常にＶ_PGとなる。つまり、λ＝１で
は、Ｉ_Pを流し酸素を移動させなくても、拡散抵抗体２
内の酸素濃度分布は常にＰ_O（Ｐ_O≒０）一定となる。こ
れは、排気中の酸素濃度がすでにＰ_Oとなっているため
である。以上のように、λ＝１.０では、酸素の移動や
拡散がないために、拡散抵抗体２が経時変化してもＶ
_outは常にＶ_PG一定となる。

【００７４】ここで、出力が経時変化したとしても、λ
＝１.０における出力はＶ_PGのままである。つまり、本
検出装置においては、λ＝１.０の空燃比は、従来の理
論空燃比を検出する酸素センサと同様の精度で測定でき
る。このため、エンジンの制御空燃比を負荷によって変
化させる場合、λ＝１.０に制御するときに、燃料噴射
弁の噴射量に加える補正量を決定する。

【００７５】ここで噴射幅Ｔ_Pは、

【００７６】

【数１３】Ｔ_P＝Ｔ_B(１＋Ｋ₁＋Ｋ₂……） …(数１３）ここで、Ｋ₁：空燃比検出器による補正係数Ｋ₂以降：空燃比検出以外による補正係数（例えば水温
補正など）となる。λ＝１.０において、Ｋ₁を決定し、他の空燃
比へ制御する場合もこの補正係数Ｋ₁を利用する。

【００７７】以上により、精度の高い空燃比補正が可能
となる。

【００７８】以上説明した本発明の各実施例によれば、
以下のような効果がある。

【００７９】(１) リーンからリッチまでの幅広い空燃
比範囲にわたって検出が可能となる。 (２) 起電力Ｅλを検出し、このＥλが一定となるよう
に、励起電圧Ｖ_Pを制御している。したがって、図９，
図１１で説明したように、固体電解質の温度が低く（約
６００℃）、内部インピーダンスが比較的大きい場合で
も、測定が可能である。したがって、ヒータの所要電力
を低下させることができ、センサ部分の耐久性も向上す
る。

【００８０】(３) また、図１２で説明したように、励
起電圧Ｖ_Pを可変するため、空燃比が大きくなっても出
力のゲインはかわることはない。

【００８１】(４) リッチ領域で長く使用されると、固
体電解質が電子伝導性を帯び、出力特性にヒステリシス
を生じるようになるが、このような場合にも、時分割タ
イプにあっては、固体電解質中を流れる電流を零とする
ことにより、電子伝導化を防止できる。

【００８２】(５) 固体電解質の内部抵抗値を用いて、
ヒータへの通電を制御することにより、固体電解質の温
度を一定に保ち、検出精度を上げられる。

【００８３】

【発明の効果】本発明によれば、リーンからリッチまで
の広範囲の空燃比の検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いるセンサ部の一例の部分断面図。

【図２】本発明に用いるセンサ部の他の例の部分断面
図。

【図３】本発明の原理説明図。

【図４】本発明の原理説明図。

【図５】本発明の原理説明図。

【図６】本発明の一実施例の概念図。

【図７】本発明の一実施例の動作および特性説明図。

【図８】本発明の一実施例の動作および特性説明図。

【図９】本発明の一実施例の動作および特性説明図。

【図１０】本発明の一実施例の動作および特性説明図。

【図１１】本発明の一実施例の動作および特性説明図。

【図１２】本発明の一実施例の動作および特性説明図。

【図１３】本発明の一実施例の構成図。

【図１４】実験結果図。

【図１５】本発明の他の実施例の説明図。

【図１６】本発明の他の実施例の説明図。

【図１７】本発明の他の実施例の説明図。

【図１８】本発明のその他の実施例の説明図。

【図１９】本発明の他の実施例の説明図。

【図２０】本発明の他の実施例の説明図。

【図２１】本発明の他の実施例の説明図。

【図２２】本発明の他の実施例の説明図。

【符号の説明】

２，２４，５４…拡散抵抗体、４…ポテンシャルグラン
ド回路、５…マイクロコンピュータ、６…サンプルホー
ルド回路、７…差動積分回路、８…出力回路、２２，２
３，５２，５３…電極、４０…ヒータ。

フロントページの続き (72)発明者大須賀稔茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者大山宜茂茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質と、前記固体電解質の一方の面
に形成された第１の電極と、前記固体電解質の他方の面
に形成され、大気雰囲気に接触する第２の電極と、前記
第１の電極上に形成され、前記第１の電極へのガスの拡
散を律する拡散抵抗体と、前記固体電解質を加熱するヒ
ータを制御する制御手段とを有する空燃比センサにおい
て、前記制御手段は前記固体電解質の内部抵抗を検出
し、この内部抵抗が一定となるように前記ヒータへの通
電を制御する手段であることを特徴とする空燃比検出装
置。