JPS5820950A - 空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本１ｉｒａエンジンに供給される混合気Ｏ空燃比會紳気
ガス中Ｏ酸素濃直検出−０ａＳ力に応じて補正制御する
空燃比制御装置（ＩＩＬ、骨に酸素濃度検出器に限界電
流式酸素濃度検出器を用いた帰還制御装置に関する。

従来、排気ガス酸素濃度検出器として、所定空燃比を境
として、ステップ的に電気的特性が変化する酸素濃度検
出器を用−て前記所定空燃比Ｃなるよう帰還制御する方
法が知られて−る。

ところで、限界電流式酸素濃度検出器は印加電圧を変化
させても電極間を流れる電流値が変化し１に一領域、即
ち限界電流が発生し、しかもこの限界電流は相対的に雰
□囲気中の酸素濃度が高ければ大吉（、低ければ小さい
値を有することが知られている。

本発明性上記した限界電流式酸素濃度検出器の特性に着
目し、限界電流を設定値に保つように帰還制御すること
により任意の空燃比ｖＣＩｌ１ｍできる空燃比制御装置
を提供することを目的とする。

そこでまず、限界電流式酸素濃度検出器Ｃ以下０２セン
ナと呼ぶ）Ｏ具体的構造及び特性につ−てＳＸＷ〜１１
３図を用−て以下に説明する。第１図にお−て、ｌは固
゛体電解質素子で、ＺｒＯｓ９２モル％およびｙｂ意ｏ
ｓｇモル％とを固溶させたち密な焼結体である。こＯ素
子ｌは一端が閉じ他端が開いたコツプ状の形状を有して
いる。素子ｌの中央部外周に轄環状拡大部１ｍが設けて
あり、内周の・開放端＠ｖＣは環状座部１ｂが設けであ
る。

２ｔｊ薄膜状の多孔質電極であ秒、素子ｌの内＠におい
て上記座部１ｂまで略全面ｃＢけである。３は同じく薄
膜状の多孔質電極でありこれは素子ＩＯ「閉塞端にのみ
設けである。この電極３０面積社２−〜１００−としで
ある。更に、この部分の素子１０厚み社０．２ｍ〜０．
８ｍとしである。５は多孔質な酸素イオン拡散層であり
、この拡散層４は素子ｌの閉塞端側に上記電極３１に保
護するように設けて′ｈ２て％列えばＺｒ０ｚなどより
構成しである。５は線状のリード線で、上記電極３と電
気的に導通ずるようにして素子ｌの両端に設けである。

なお、リード線５の終端は素子１１２）ｍｌ状拡大部１
ｍの頂面である。この’　９−ド線５、電極２．３は岡
えばＰｔより成りＪ設ける方法としては化学メッキ、ペ
ーストスクリーン印刷などである。

６はち密な保護層であり、この保護層６は上記リード線
′５を含めて素子１の下方側の略全面に設けてあって、
列見ばアルミナ、マグネシアスピネルより成る。

なお、保護層６ｔｊリード線５のうち素子ｌの環状拡大
［１Ｍ　Ｏ頂面部位には設けていない。７け状のセラミ
ックヒータ−であり、例えばアルミナｉ器中にニクロム
線などのコイル状又はクシ型パターン形状のヒータ線７
ａを内蔵してお゛す、比較的長尺に形成しである。８に
′ｉ金属パイプでありその外周に７ランジ部８ａが設け
であるとともに１つの貫通孔８ｂが設けである。

このパイプ８は上記ヒータ７の外周囲に嵌着さｎて例え
ば銀ろう付により接合しである。パイプ８は、そのフラ
ゾジ部８ａｔＣｕなどのリングパツキン９および圧縮成
形したグラ７アイトリングｌＯを介して素子ｌの環−座
部１ｂｌｃ位置決めしてあり、従、てヒーター７０素子
ｌの内側に対する突出量がバイブ８０７ランジ部８′ｍ
で決定さｎ　　　するようにな、ている。１１は金属パ
イプで、ヒーター７０外ｊｉ、ｖｃＩＸ＋挿しである。

１２はアルミナなどより成る絶縁碍子でパイプ１１の外
周囲に嵌挿しである。１３ｔｉコイルスプリングで、絶
縁碍子１２とパイプ１．１との間に介装してあってパイ
プ８の７ランジ部８を押圧している。１４ｔ′ｉ金属カ
バーであり、素子ｌの開放端側に嵌挿され、その先端は
素子ｌθ環状拡大ｇｌａの頂面に設けたリード線５ｃ接
触させである。また、カバー１４、の他端個性上記パイ
プｊｌの外側に嵌挿したシリコンゴム製すングスベーす
一１５ｖｃかしめ固定しである。ｌ＠は金属製筒状ハウ
ジングであり、このハウジング１６ｆｌ内側の環状座部
１６ａにリングパツキン１７を介して上記素子人が載冒
しである。

この素子ｌの環状拡大部ｉ１ｍの上方とハウジング１６
との間ｃ轄、圧縮成形、したリングタル、り１８、アス
ベストリング１Ｇ、耐熱金属り、ン、７ｊＯ＃配置され
ている。２１９ア、ル、鷹す、などよ、りなる絶縁−碍
子で上記カバー１４の外周に嵌挿しである。２２は円筒
状金属保護カバーで、あり、上４記絶縁碍１４．子２１
Ｏ外周ｌ！濠挿しである−０　　　　　　　　、上記絶
縁碍子２１の一部ならびに保護カバー２２の一部はハウ
ジング１６０内＠に挿通され、上記リング２０の上部に
金属製かしめリング２３を載置してハウジング１６の上
端をかしめ固定しである。２１ｔリード線で、ターミナ
ル２４ｍを介して上記カバー１４に溶接さｎてφる。２
５もリード線で、ターミナル２５ａを介して上記パイプ
１１【溶接されてψる。２６Ｆｉゴムチ、−ブで、この
チューブ２６ｔｊカバー１１０端部側ｒ嵌着・してあす
、金属カラー２７により強固にかしめ固定しである。２
８．２９は前記ヒーター線７ａの端子である。３０轄取
付孔３０ａを持りた取付７ランジ、３１ｔｌ穴あき３１
ｍ保護カバーである。なお、ｎ　　　″はゴムプツシ、
である。

、以上より、電極３はリード線５、カバー１４を介して
リード線２４に、また電極２はパツキン９、リング１０
．パイプ８．１１’を介してリード線２５に電気的に導
通している。・ 、以上の構成にお−て次の作用を説明する。

°、リード線２５ｔ［Ｉｌ［のの−・、す、−ド線２４
を電朦θに接続し、電圧を印加すると電流が電極３から
２へ流れる。ここで素子１は酸素イオン伝導性の固体電
解質であるため、検出ガスの酸素は拡散抵抗層４を経て
電＆：１ｍ至り、この電極３［て電子Ｏ供給を受け、酸
素イオンとなる。こｎは素子ｌの内部を拡散していき、
電極２にて電子を放出し酸素分子に戻る。

なお、酸素分子社パイプ８０貫通孔８ｂを経て各構成要
素０１ｌＩ間より大気中へ放出される。

この反応において、拡散抵抗層４の厚さを一定以上の厚
さ、例えにμ〜μとし、電極３０面積を実質的に−と小
さくとりて電圧を徐々に上けてぃくと、拡散抵抗層４の
影響で電圧を変化させても１１ｆｔが変化しない領域、
すなわち限界電流が発生する。こＯ限界電ｙｔｌｔは、 ４ＦＤＯ雪　　８ １ｔ≧　　　　　、−１Ｐ０２　・・・・・・曲・・・
・・■Ｔ Ｆ　・・・　７アラデ一定数　　熟　・・・　気体定数
ＤＯト・・　拡散定数　　　Ｔ　−・・　絶対温度Ｓ　
・・・　電極面積　　ｔ　・・・拡散抵抗層の有効拡散
距離ＰＯ雪　・・・　酸素分圧 で衷わされ、限界電流値は検出ガス中の酸素濃度（分圧
〕に応じて変化するため、一定電圧全印加しこの限界電
流を測定することにより、検出ガス中の酸素分圧を測定
することができる。

次に本発明列の実験結果を下記する。

本実施列は前述の実施列に記載したセンサを０２−ｐＪ
ｘ系のモデルガスにて８００℃で測定したものである。

結果は第２図に示すようにセンサへの印加電圧の増加に
対し０．３ｖ程度から１．５ｖ程変まで電流値のほとん
ど変化しない領域が得らｎ１更に印加電圧を増加すると
再び電流値が増加し出す。この電流値のほとんど変化し
ない領域の値が限界電流であり、酸素濃度により上記の
弐〇にのっとり限界電流の値が変化する。一定電圧（０
，８Ｖ）を印加した時の酸素濃度と限界電流値と１りＩ
ＱＩ係を第３図に示す。なお、ふん囲気温！ｆは７５０
℃である。限界電流値、は酸素濃度に比列して変化して
おり、こり電流値により内燃機関の空燃比をコントロー
ルすることができる。

そこで次に、上記した０３七ンサを用いた空燃比制御装
置につ−て説明する。第４図は全体構成を示すプルツク
図であり、１００は第１図に示すリーンセンサとして利
用できるＯｚセンサ、１１０ｔｉｏｓセンサの温度を制
御するヒータで、第１図に示すセラミックヒータ−７と
同等のものである。

１２０は０３センサ自体の温度を検出するための温度セ
ンナで、第１図中には具体的に示してないか、０３七ン
サｌＯＯ内に特別に配置した熱電対等のセンサでもよい
し、またヒーター１１Ｇ［白金線を利用するようにし、
その白金線の抵抗を検出する構成でもよいし、またＯｘ
七ンサ自身の内部インピーダンスの温度変化特性を利用
する構成としてもよい。

２０Ｇは判別回路で、０■センサ１００の出力端に発生
ずる電圧（または０雪七ンサに流れる電流値）と設定値
との大小関係を判定するものである。３Ｇ−０はアナロ
グ回路またはマイクロコンビ、−夕等のデジタル回路に
て構成される制御回路で、判別回路２０００判別信号、
温度センサの検出信号、及びエンジンの各種運転パラメ
ータヲ用いでエンジン５００に与える混合気Ｏ空燃比を
制御するものである。４００は気化器や燃料噴射装置等
からなる燃料調量装置、６００は三元触媒等の排気浄化
装置である。

そこで、上記ＷＩＩ故により混合気の空燃比をり−ン（
希薄）側に制御する動作について説明する。

一般に０２七ンサは理論空燃比の近傍では０鵞七ンサ自
身θ内部電池作用によって１ｖ程度の電圧を発生するが
、それよりリーン側になるとほとんど電圧を発生しなく
なる６本実施列でＦｉ第２．３図で示した□ようにリー
ン側領域においてＯｚｌ［により限界電流が変化するこ
とを利用して空燃比を制御するものである。

まず制御回路３００は温度センサ１２０の検出信号に応
じてヒータ−１１００発熱動作を制御し、０！センサ自
身の温度を列えげ７００〜８００℃内の所定温度に調整
する。他方、制御回路３００は電流供給回路３１０を用
いて０雪センサ１００ＣＯｔ濃度に応じた限界電流を発
生させるようにし、判別回路２００ｔ′ｉ、限界電流ま
たはこの電流に応じて発生する電圧と、目標空燃比に対
応する設定値との大小関係を判定して２値形式の判別信
号を制御回路３００に与える。制御回路３００はその判
別信号を積分処理してその処理した値を用ψて目標空燃
比からの偏差を求め、その偏差分に見合った補正の施こ
された制御信号を燃料調量装置４００に与え、エンジン
５ｏｏに供給する混合気の空燃比か目標空燃比に一致す
るように帰還制御ｌを行うものである。

次ｒ１上記した第４図に示すブロック図のうちで０雪七
ンサ１ＧＧによる帰還補正を行う部分の具体的回路の一
例を第５図に示す０図中３１０は０３センサ１１Ｇへの
電流を供給する電流供給回路で、一端が電源（＋Ｂ〕に
接続された抵抗３１１．３１２よりなる。２００は上記
した通り０２センサ１１Ｇの端子電圧と目標空燃比に対
応する設定値との大小関係と判定する判別回路で、オペ
アンプ２０１１ツエナーダイオード２０２、基準電圧形
成用の抵抗２０３．２０４、入力抵抗２０５からなる。

３３０は判別回路２０００判別信号、即ち＠蒙空燃比と
の大小関係を示す判別イａ号に応じて増加又は減少方向
ｖｃ稙分動作する積分器で、オペアンプ３３１１檀分用
コンデ〉す３３２、基準電圧形成用の抵抗３３３，３３
４、ｔＪ１分用抵抗３３５からなる。３４０は空燃比制
御回路で各種運転パラメータにて基本的な制御値を求め
ると共に、積分１１３３０の出力電圧に応じて前記制御
値を補正して最適な制御値を求めるものである。

次に、上記構成によるその作動について説明する。判別
回路２００の比較電圧ｖ雰は、限界電流を生じる印加電
圧例えば０．８ｖに抵抗２０３，２０４゜３１１、ツェ
ナーダイオード２０２で設定する。

０官センサ１１０の端子電圧ｖ１は０２七ンサ１１Ｇの
内部インピーダンスとツェナーダイオード２０２の定電
圧点Ｖｚと抵抗３１２とによって決定される。第２図に
おいて限界電流領域で印加電圧を一定（例えば０，８Ｖ
）とした時、消費電流ｒｉＯｘ濃　　　。

度が高−程大きく、低くなるに従、て小さくなっている
ことから、インピーダンスでは０２濃度が高い程小さく
低くなるに従って大きくなる。従うて０２センサ１１０
の端子電圧■！は０ｇ４度が高い程低くまた抵抗３１２
の抵抗値が大きい程低くなる構成となりている。

次に電流供給回路３１０は、判別回路２００と共通ニ使
用しているツェナーダイオード２０２の定電圧点Ｖｚの
電圧と抵抗３１２とによりて決定される。０鵞センサ１
１０の雰囲気中のＯｘｇ度カ低いと０２センサのインピ
ーダンスが大きくなり、端子電圧Ｖｔが比較電圧ｖ２以
上になると判別回路２００のオペアンプ２０１の出力Ｌ
１はＨｉｇｈレベルとなり、積分器３３０のオペアンプ
３３１１り出力Ｖｓけ抵抗３３５とコンデンサ３３２０
時定数で低下していく。積分出力ｖ３の低下に伴ない、
空燃制御回路３４０は空燃比をリーン方向に制御する。

一方、空燃比がリーン方向ｖｃ制御されていくことによ
り、Ｏｘセンサ１１０のインピーダンス社減少していく
カめ０３センサ１１０の端子電圧ｖ１は低下して行き、
やがて端子電圧ＶｔＳ比較電圧ｖ３以下ＩＣなると、オ
ペアンプ２０１の出力ＬＩＦｉＬｏｗ　レベルとなり積
分器３３０のオペ°ア〉ブ３３１の出力ｖｓ社低抵抗３
５、コンデンサ３３２で決まる時定数で上昇を始め、こ
れに伴ない空燃比仁すッチ方回［制御され、０２七ンサ
１１０の端子電圧Ｖｌは上昇する。

即ち、０２センサの端子電圧ｖ１が比較電圧ｖ２になる
よう、かつ積分器出力ｖ３が一定［なるよう帰還制御を
・行う。目標空燃比Ｆｉ電流供給回路３１０の抵抗３１
２の値を選択したり、判別回路２００の比較電圧を選択
したりすることによし任意の値に設定可能である。また
、抵抗３１２を複数紙、抗による複合体としてその値を
スイッチ手段により電気的に切替えることにより、エン
ジン運転状態に応じて目標空燃比を任意【変更すること
も可能である。

以上述べたように本発明で社、排気センすとして電圧印
加により排気ガス雰囲気中の酸素濃度に応じた飽和電流
の生じる特性をもつ酸素濃度検出器を用いるようにし、
この酸素濃度検出器へθ電圧印加やｗ１ｍ供給条件を規
定すると共に、この検出器の消費電流の大小関係を判別
した判別信号の積分処理値に基づきエンジンへ供給する
混合気の混合気の空燃比を制御しているから、酸素濃度
検出器への電圧印加や電流供給条件の調整により理論空
燃比より大きな任意の目標空燃比に制御できるという優
れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２．３ｖ４け本発明に用いる酸素濃度検
出器の一例を示す断面図および特性図、第４図は本発明
の一実施岡を示すブロック図、第５図は本発明の一具体
例を示す回路図である。 １００・・・酸素濃度検出器、１’ＩＯ・・・ヒーター
。 ２００・・・判別回路、３００・・・制御回路、４００
・・・燃料調量装置、５００・・・エンジン、３１Ｏ・
・・電流供給回路、３３０・・・積分器。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 ？ｆ：１：ノ〕

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 排気竜ンサＯ出力を用−てエンジンに供給する混合気Ｏ
   空燃比を目標空燃比に制御する空燃比制御装置であって
   、前記排気センサとして電圧印加により排気ガス雰囲気
   中の酸素濃！ｆｖｃ応じた飽和電流Ｏ生じる特性をもつ
   酸素濃度検出器を設け、かつζＯ酸素濃度検出器Ｏ消費
   電ｉ１１を検出して予め定めた設定値と比較判別する手
   段および制御回路を設け、こｅｓｉｍ回路は前記１手段
   による判別信号を積分処理しそＯ積分処理値に応じて前
   記混合気Ｏ空燃比を理論空燃比より大きな値０目標空燃
   比に制御するように構成されたことを特徴とする空燃比
   制御装置。