JPH0799365B2 - 酸素濃度検出装置 - Google Patents

酸素濃度検出装置

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JPH0799365B2
JPH0799365B2 JP60214493A JP21449385A JPH0799365B2 JP H0799365 B2 JPH0799365 B2 JP H0799365B2 JP 60214493 A JP60214493 A JP 60214493A JP 21449385 A JP21449385 A JP 21449385A JP H0799365 B2 JPH0799365 B2 JP H0799365B2
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oxygen
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solid electrolyte
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は内燃エンジンの排気ガス濃度センサーに関する
ものである。
従来技術 酸素濃度に応じた出力を発生する酸素濃度センサーの原
理図を第2図に示し説明する。
両面に電極を設けた2枚の板状の酸素イオン伝導性固体
電解質焼結体をある間隔(スリット3)をおいて平行に
位置させ、一方を酸素汲み出し用ポンプ素子1とし、他
方を酸素濃度比測定用電池素子2とする。
ポンプ素子1の両電極に直流電源4から直流(ポンプ電
流)を可変抵抗5を介して供給すると(外側の電極を
+、内側の電極を−)、−電極で酸素ガスがイオン化さ
れ、該酸素イオンが外側の+電極側に移動し、同+電極
で再び酸素ガスとして放出される。
したがってポンプ素子1はスリット3内の酸素を外部雰
囲気中に汲み出すポンプの働きをしている。
このポンプ素子1によりスリット3内の酸素ガスが減少
し、雰囲気中の酸素ガス分圧とスリット内の酸素ガス分
圧とに差が生じ、酸素濃度比測定用電池素子2の両電極
間に起電力が発生する。
この起電力がある一定値に保たれるように(すなわち雰
囲気中とスリット内の酸素分圧比が一定に保たれるよう
に)、ポンプ電流を供給すると、 起電力E=(RT/4F)・1n(PA/PV)……(1) ポンプ電流IP=(4e・D・A/kTl)(PA−PV)……
(2) なる関係式が成立する。
式(1)はネルンストの式であり、PV,PAはスリット3
内外の酸素分圧値であって空燃比を代表するパラメータ
となっている。またRは気体定数、Tは絶対温度、Fは
ファラデー定数である。
式(2)はスリット3内の酸素をポンプ電流IPで汲み出
す速度とスリット3内へ酸素が流入する速度が平衡して
いる時の関係式であって、eは電子電荷量、Dは拡散係
数、Aはスリット3の開孔断面積、kはボルツマン定
数、Tは絶対温度、lは有効拡散経路長である。
すなわち式(1)および式(2)より起電力Eを一定に
すると、ポンプ電流IPと酸素分圧PAとの関係が求まり、
ポンプ電流IPは酸素分圧PAに略比例する。
また酸素分圧は排気ガス中においては空気と燃料の重量
比である空燃比A/Fに比例するので、結局ポンプ電流IP
は空燃比A/Fに比例し、よってポンプ電流IPを計測する
ことで排気ガス中の空燃比A/Fを測定することができ
る。
空燃比A/Fとポンプ電流IPとの関係をグラフで表すと第
3図のようである。
理論空燃比14.7より空燃比が大きくなるにしたがい比例
してポンプ電流IPは増加している。
一般に内燃エンジンの燃費改善及び排気ガス浄化のた
め、理論空燃比よりも高い空燃比(例えば18程度)で運
転されるようにしており、そのためにポンプ電流IPの検
出がなされ、空燃比制御に供されている。
しかるに第3図に示す空燃比A/F対ポンプ電流IPの特性
はポンプ素子1の活性状態によって異なり、この活性状
態は温度によって破線で示す如く変化するので結局第2
図の特性曲線は温度に依存することになる。
この場合、コンピュータ側で持っているポンプ電流IP
空燃比A/Fの照合マップが図3の実線で示すものとする
と、実際のポンプ電流IPと空燃比A/Fの関係は破線で示
すようにずれが生じ、計測されたポンプ電流IPから前記
マップに基づき求められた空燃比A/Fが、実際の破線で
示す関係から求められるであろう空燃比A/Fよりも高い
場合は、空気量が燃料量より多いと判定し燃料量を増加
させる傾向にあるので、燃費が低下し、一方計測された
ポンプ電流IPから前記マップに基づき求められた空燃比
A/Fが、実際の破線で示す関係から求められるであろう
空燃比A/Fよりも低い場合は、燃料量が空気量より多い
と判定し空気量を増加させる傾向にあるので、燃料不安
定により失火するおそれがある。
したがってこのような事態を避けるために、ポンプ素子
を加熱してポンプ素子を一定温度以上の安定した活性状
態に保つ必要がある。
そこで前記センサーに加熱素子を付設した例(特開昭58
−153155号公報)がある。
これは第4図に示すような長方形のアルミナ、スピネル
などの絶縁性無機質板状体10からなり、内部に矩形の孔
11が打ちぬかれている。
この孔11の周囲の板状体10の表面には発熱抵抗体12が波
形に敷設され電流を通じることにより板状体10全体を発
熱させる。
この板状体10を前記ポンプ素子1に電極が孔11に合うよ
うにして添設し、ある適当な電流を供給し加熱して、素
子を活性状態とする。
ここに発熱抵抗体12には耐熱金属としてPt,Au等のペー
ストが使用され、プリント印刷により板状体10上に敷設
される。
発明が解決しようとする問題点 以上のように発熱抵抗体12に単に電流を供給しているだ
けであると、外乱により素子温度が変化し、安定したポ
ンプ電流が得られず、正確な空燃比が求められない問題
がある。
例えば車速が素子温度に影響する(第5図参照)。
一般にクルーズ走行時にはエンジン内でほぼ完全燃焼が
なされ、燃焼ガスの温度により車速に応じた素子温度を
示すが、クルーズから減速する場合には未燃焼ガスの排
気系内の燃焼等により素子温度が上昇し、第5図に破線
で示すようにクルーズ走行時(実線)よりも高い素子温
度特性となっている。
その他排気ガス流量、加熱素子容量およびその供給電圧
等によって素子温度は変化する。
一方この素子温度は素子の寿命にも影響する。
いま素子温度(℃)に対する素子の耐久時間(Hr)の変
化を示すと第6図のようであり、素子温度が800℃程度
まではその耐久時間に差が見られないが、900℃を越え
ると著しく耐久時間が短かくなり寿命が低下する。
また素子温度が低すぎると、素子の活性化が不十分とな
り、出力が安定しない。
すなわち供給電圧VSを40mV一定にして素子温度(℃)に
対するポンプ電流IP(mA)の変化を示すと、第7図のよ
うであり、600℃以下であると、ポンプ電流IPの温度変
化が大きい。
以上のように素子温度を変化させる要因は種々あるとと
もに、素子温度が適当な温度に安定して保たれないと、
寿命が低下したり、出力が不安定となる。
本考案はかかる点に鑑みなされたものでその目的とする
処は、酸素ポンプ素子の抵抗値を求め、これを一定にす
るように制御することで、素子温度を適当な値に保つこ
とができ、素子の高温での耐久劣化を防止するとともに
素子低温時の出力のばらつきによる測定精度の低下を防
止できる酸素濃度検出装置を供する点にある。
問題点を解決するための手段および作用 本発明の構成を第1図に示し説明する。
内燃エンジンの排気ガス通路に突設されて被測定気体中
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、その各表裏面に電極が各々形成されかつ前記固体電
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、前記固体電解質材の一方が酸素ポンプ素子Bと
して、他方が酸素濃度比測定用電池素子Cとして各々作
用する酸素濃度検出手段Aと、前記酸素ポンプ素子Bの
電極間に電流を供給するポンプ電流供給手段Dと、供給
される電流値に応じて発熱し前記固体電解質材を加熱す
る加熱素子Eと、同加熱素子Eに電流を供給する加熱電
流供給手段Fとからなる酸素濃度センサーにおいて、G
は抵抗検出手段であり、前記酸素ポンプ素子Bを流れる
電流と同酸素ポンプ素子Bの電極間に印加される電圧と
から同酸素ポンプ素子Bの抵抗値を求めるものである。
Hは同抵抗値に基づいて前記加熱電流供給手段Fを制御
する制御手段であり、前記酸素ポンプ素子Bの抵抗値が
一定になるように制御するものである。
酸素ポンプ素子Bの抵抗値は同素子の温度にほぼ反比例
するので、抵抗検出手段Gによって酸素ポンプ素子Bに
流れる電流Iおよび印加される電圧VとからV/Iの演算
を行って求められた抵抗値を一定に保つようにすること
で、素子温度を一定に保つことができる。
制御手段Hは、抵抗検出手段Gにより求められた抵抗値
を一定に保つよう加熱電流供給手段Fに指示して加熱素
子Eに供給される電流を制御することができる。
このようにして加熱素子Eの発熱量を加減して、素子温
度を適当な値に維持することで固体電解質材の活性状態
を安定化させ、出力を安定させるとともに正確なものと
し、また長寿命化を図ることができる。
実施例 以下第8図以降に示した本発明に係る一実施例について
説明する。
第8図は本実施例に係る酸素濃度センサーの概略説明図
である。
第2図において前記したと同様にポンプ素子1と酸素濃
度比測定用電池素子2がある幅をもつスリット3を介し
て対面している。
ポンプ素子1の電極にはポンプ電流供給回路20が接続さ
れており、酸素濃度比測定用電池素子2にはセンサー電
圧検出回路21が接続されていて、スリット3内の酸素分
圧と雰囲気中の酸素分圧の比をセンサー電圧検出回路21
で検出し、この検出値を一定に保つようポンプ電流供給
回路20によってポンプ電流を流すことによってこのポン
プ電流をもって酸素濃度を検出する。
ポンプ素子1の外面には加熱素子22が添設されている。
加熱素子22も前記同様長方形の絶縁性無機質板状体10か
らなり、ポンプ素子1の電極に対応する部分は矩形の孔
11が穿たれている。
そしてその孔11の周囲をPt線24がプリント印刷されて、
その端部電極に加熱電流供給回路23が接続されている。
そしてポンプ電流供給回路20からポンプ素子1に流れる
電流と印加される電圧をコンピュータ25が入力し、その
演算結果に基づいて制御回路26に指示を与え、制御回路
26はその指示にしたがって加熱電流供給回路23を制御し
て加熱素子22のPt線24に流れる電流を加減する。
以上の回路の概略説明図を第9図に示す。
ポンプ素子1の両電極には可変抵抗5を介して直流電源
4が接続されている。
そして該電極間には電圧計27が設けられ、またこの加熱
電流供給回路には電流計28が設けられており、両計測器
27,28の計測値V,Iはコンピュータ25に入力される。
コンピュータ25はV/Iの演算を行って抵抗値Rを算出
し、同抵抗値Rに基づいて制御信号をトランジスタ29の
ゲート端子に出力する。
トランジスタ29は、加熱素子22のPt線24および電源30と
直列に接続されていてスイッチング制御を行う。
コンピュータ25から出力される制御信号は第10図に示す
如くデューティパルス信号でデューティ比を変えること
でトランジスタ29のON,OFF時間を加減し、Pt線24に流れ
る平均電流値を変え、発熱量をコントロールする。
本実施例においては、素子温度として650℃から700℃の
間の温度が最適であり、この温度に対応した抵抗値Rref
がコンピュータ25内に設定されており、コンピュータ25
は、測定電圧値V,電流値Iから算出された抵抗値Rを設
定抵抗値Rrefと比較してその差に応じて設定抵抗値Rref
になるようにデューティ比を決定する。
すなわち低温時にはコンピュータ25が演算した結果の抵
抗値Rは設定抵抗値Rrefより大きく、その差に応じてデ
ューティ比を大きくし、トランジスタ29のON時間を長く
する。
するとPt線24を流れる平均電流は多くなり加熱素子22の
発熱量は増し、酸素ポンプ素子1の素子温度を上昇させ
る。
所定温度より素子温度が高いときはコンピュータ25から
の制御信号のデューティ比を小さくし、トランジスタ29
のON時間を短くして加熱素子22の発熱量を減少させる。
このようにして素子温度を所定温度にほぼ一定に保つこ
とができる。
素子温度が、650℃から700℃の間の所定温度で安定状態
にあれば、素子自体の寿命も長く保つことができ(第6
図参照)、また素子を安定した活性状態とすることで出
力(ポンプ電流IP)のバラツキをなくし(第7図参
照)、空燃比制御の精度を高く維持することができる。
発明の効果 本発明は酸素ポンプ素子に流れる電流および印加される
電圧から抵抗値を算出し、同抵抗値が所定の抵抗値にな
るように制御することで素子温度を所定温度に保ち素子
の低温での出力のばらつき、外乱による温度変化を回避
して、素子を常に安定した活性状態として正確な出力値
を得ることができる。
したがって正確な出力値をもとに精度の高い空燃比制御
が可能である。
また素子の温度を適当な値に保つことにより、素子の高
温での耐久劣化を防止し素子の長寿命化を図ることがで
きる。
さらに本発明は酸素ポンプ素子自体を温度センサーとし
て用いるので特別に温度検出用のセンサーを別個に設け
る必要がない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のクレーム対応図、第2図は酸素濃度セ
ンサーの原理図、第3図は空燃比A/Fとポンプ電流IP
の関係を示す図、第4図は加熱素子の斜視図、第5図は
車速と素子温度の関係を示す図、第6図は素子温度と耐
久時間の関係を示す図、第7図は素子温度とポンプ電流
の関係を示す図、第8図は本発明に係る実施例の酸素濃
度センサーの説明図、第9図は本実施例に係る回路の概
略説明図、第10図はコンピュータから出力される制御信
号を示す図である。 1……ポンプ素子、2……酸素濃度比測定用電池素子、
3……スリット、4……直流電源、5……可変抵抗、10
……絶縁性無機質板状体、11……孔、12……発熱抵抗
体、20……ポンプ電流供給回路、21……加熱電流検出回
路、22……加熱素子、23……加熱電流供給回路、24……
Pt線、25……コンピュータ、26……制御回路、27……電
圧計、28……電流計、29……トランジスタ、30……電
源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−165541(JP,A) 特開 昭60−165542(JP,A) 特開 昭59−67455(JP,A) 特開 昭58−153155(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃エンジンの排気ガス通路に突設されて
    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、その各表裏面に電極が各々形成されか
    つ前記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、前記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手段と、前記酸素ポンプ素
    子の電極間に電流を供給するポンプ電流供給手段と、供
    給される電流値に応じて発熱し前記固体電解質材を加熱
    する加熱素子と、同加熱素子に電流を供給する加熱電流
    供給手段とからなる酸素濃度センサーにおいて、前記酸
    素ポンプ素子を流れる電流と同酸素ポンプ素子の電極間
    に印加される電圧とから同酸素ポンプ素子の抵抗値を求
    める抵抗検出手段と、同抵抗値に基づいて前記加熱電流
    供給手段を制御する制御手段とを備え、同制御手段は前
    記酸素ポンプ素子の抵抗値が一定になるように制御する
    ことを特徴とする酸素濃度検出装置。
JP60214493A 1985-09-30 1985-09-30 酸素濃度検出装置 Expired - Lifetime JPH0799365B2 (ja)

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