JPS60231160A

JPS60231160A - 酸素濃度測定装置

Info

Publication number: JPS60231160A
Application number: JP59088114A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kitahara; 剛北原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-05-01
Filing date: 1984-05-01
Publication date: 1985-11-16

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】（技術分野）本発明は酸素濃度測定装置、詳しくは酸素センサを用い
て被測定ガスの酸素濃度を広範囲に精度よく検出する酸
素濃度測定装置に関する。

（従来技術）近時、例えば自動車用エンジンにおいては、吸入混合気
の空燃比を精度よく目標値に制御するために空燃比と相
関関係をもつ排気中の酸素濃度を検出し、この酸素濃度
に応じて燃料供給量をフィードバンク制御しており、こ
のような空燃比を広範囲に亘り検出する装置が開発され
ている。

このような酸素センサとしては、例えば、本出願人が先
に特許出願した「空燃比検出方法」　（特開昭５６−８
９０５１号）に記載されたものがあり第１図のように示
される。第１図において、１は酸素センサであり、酸素
センサ１は酸素濃度に応じて起電力を発生する一種の酸
素濃淡電池の原理を応用したものである。２はアルミナ
基板であり、アルミナ基板２上には基準電極３が設けら
れている。基準電極３は酸素イオン伝導性の固体電解質
４で包持されており、この固体電解質４を挟んで測定電
極５が積層される。これらアルミナ基板２、基準電極３
、固体電解質４および測定電極５は多孔質保護層６によ
って被覆されており、多孔質保護層６はこれらを保護す
るとともに酸素分子の拡散を制限している。なお、多孔
質保護層６を拡散する酸素分子の移動量（拡散量）は多
孔質保護層６の拡散係数りに応じて決定される。また、
アルミナ基板２内には固体電解質４の活性を保つように
適温に加熱するヒータ７が埋設されている。

このような酸素センサ１では電極３．５間に流し込み電
流Ｉｓを供給してこれらの電極３．５間に所定の酸素濃
度差を発生させるとともに、このときの流し込み電流Ｉ
ｓの値を被測定ガスの酸素濃度に一義的に対応させてい
る。

すなわち、基準電極３から測定電極５に向けて流れるよ
うに流し込み電流Ｉｓを供給すると、この流し込み電流
Ｉｓにより測定電極５から基準電極３に向かって固体電
解質４内を酸素イオンが移動する（酸素ポンプ作用が行
われる）。したがって、基準電極３の酸素分圧が高めら
れるが、この基準電極３の周囲に存在する酸素分子はア
ルミナ基板２内等を拡散し、この酸素分子の拡散と前記
酸素イオンの流入とが均衡した状態で基準電極３の酸素
分圧が決定される。

一方、測定電極５の酸素分圧は多孔質保護層６奪拡散侵
入してくる被測定ガスの酸素分圧により決定されるが、
多孔質保護層６が測定電極５への酸素分子の拡散侵入の
割合を制限しているため、測定電極５の酸素分圧は被測
定ガスの酸素分圧よりも低下している。そして、基準電
極３の酸素分圧をＰａ、測定電極５の酸素分圧をｐｂと
すると、両電極３．５間には次のネルンストの弐〇で表
される起電力Ｅが発生する。

Ｅ−（ＲＴ／４Ｆ）　・／ｎ　・　（Ｐａ／Ｐｂ）−−
■ 但し、Ｒ：気体定数Ｔ：絶対温度Ｆ：ファラデイ定数この起電力Ｅは両電極３．５間の酸素濃度差が所定値に
なると急変化する。したがって、起電力Ｅが急変化する
ように流し込み電流Ｉｓを供給すると、この流し込み電
流ＩｓＯ値は上記所定酸素濃度差を維持するために必要
なポンプエネルギの大きさを表し被測定ガスの酸素濃度
に対応したものとなる。。その結果、流し込み電流Ｉｓ
の値を検出すことより、酸素濃度を測定することができ
る。

上記基準電極３、固体電解質４及び測定電極５は酸素濃
度検出用素子部（以下、素子部という）８を構成してお
り、この素子部８により検出された酸素濃度は素子部８
の出力Ｖｓとして外部に取り出される。また、酸素セン
サ１は内部抵抗Ｒｓを有しており、この内部抵抗Ｒｓは
素子部８の活性状態に応じて変化する。そこで、その変
動を抑えるためにヒータ７の温度を加熱用電源（図示路
）で制御している。

このような酸素センサ１を利用して、エンジンの空燃比
を検出するものとしては、例えば本出願人が先に出願し
た「空燃比制御装置」　（特願昭５８−７９０３２号）
があり、第２図のように示すことができる。第２図にお
いて、１は酸素センサであり、酸素センサ１は起電力Ｅ
と内部抵抗Ｒｓにより示される。酸素センサ１には電流
供給回路１１から抵抗ＲＳを介して流し込み電流Ｉｓが
供給されており、この流し込み電流Ｉｓの値は抵抗ＲＢ
の両端間の電圧降下として電流値検出回路１２により検
出されている。

電流値検出回路１２はオペアンプＯＰＩ、ＯＦ２および
抵抗Ｒｓ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４より構成されており
、流し込み電流ＩｓＯ値を抵抗Ｒ，の両端間の電圧降下
として測定し電圧信号Ｖｉを出力している。電流供給回
路１１はオペアンプＯＰ３、ＯＦ２、ＯＦ２および抵抗
Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、ＲＩＯより構成されて
おり、酸素センサ出力Ｖｓが目標電圧Ｖａとなるように
流し込み電流Ｉｓの値を設定している。

この目標電圧Ｖａは電源電圧１５Ｖを抵抗Ｒ５、Ｒ６で
分圧した基準電圧Ｖｏに電流値検出回路１２の出力Ｖｉ
を定数（ｋ倍）した電圧を加算した値、すなわちＶａ＝
Ｖｏ＋ｋＶｉに設定されており、これは酸素センサ出力
Ｖｓの切り換り空燃比における急変電圧の略中間値であ
る。なおミ切り換り空燃比とは酸素センサ１の両電極３
．５間が所定酸素濃度差に維持されている状態でその出
力Ｖｓが急変するときの空燃比である。また、定数には
Ｖａ＝Ｖｏ＋に−Ｖｉ＝ＶＯ＋■５−Ｒ３となるように
設定される。ここで基準電圧■０にｌ５−Ｒｓを加えて
目標電圧Ｖａとしているのは、酸素センサ１の内部抵抗
Ｒｓによる電圧降下を補償するためである。そして、電
流供給回路１１は酸素センサ出力Ｖｓが目標電圧Ｖａと
なるように、流し込み電流Ｉｓの値をオペアンプＯ’Ｐ
’５により制御している。

前記電流値検出回路１２の出力Ｖｉは流し込み電流Ｉｓ
の値に対応しており、流し込み電流Ｉｓの値は第３図に
実線で示すように酸素センサ１の切り換り空燃比に対応
している（以下、これらの関係をＶｉ−Ａ／Ｆ特性とい
う）。そして、この切り換り空燃比は流し込み電流）ｓ
の増加に伴って理論空燃比よりリーン側に移行する。し
たがって、酸素センサ出力Ｖｓを目標電圧Ｖａとして設
定し、酸素センサ出力Ｖｓがこの目標電圧Ｖａとなるよ
うに流し込み電流ＩＳを供給すると、この流し込み電流
Ｉｓは現在の空燃比に応じた値となり、その値を検出す
ることにより、現在の空燃比が検出される。

しかしながら、このような先願の酸素濃度測定装置にあ
っては、酸素センサ出力Ｖｓを目標電圧Ｖａとして設定
し、出力Ｖｓがこの目標電圧Ｖａとなるように流し込み
゛電流■ｓを供給するとともに、この流し込み電流Ｉｓ
の値を検出して空燃比を判断する構成となっていたため
、排気温度（通常は７００〜９００℃程度）の変化に伴
い酸素センサ１の温度が変わると、多孔質保護層６にお
ける酸素分子の拡散量、すなわち拡散係数の値が変化し
、Ｖｉ−Ａ／Ｆ特性が第３図に曲線Ｂ（排気温度が高い
とき）や曲線Ｃ（排気温度が低いとき）で示すように正
常時の曲線Ａに対してばらつく。したがって、同一電流
Ｉｐ値に対して検出される空燃比の値が異なり、空燃比
判断が不正確となるおそれがあった。

（発明の目標）そこで本発明は、ヒータに供給される電流と印加電圧に
基づいてヒータの抵抗と発熱量を演算する一方、ヒータ
の抵抗に基づいてヒータの発熱温度を演算するとともに
、この発熱温度と前記発熱量から酸素濃度検出用素子部
の温度を算出し、該素子部の温度に基づいて流し込み電
流の検出値を補正することにより、拡散係数の温度変化
に伴うばらつきに拘わらず同一酸素濃度に対する流し込
み電流の検出値を常に同じ大きさとして、酸素濃度の検
出精度を向上させることを目的としている。

（発明の構成）本発明による酸素濃度測定装置は、その全体構成図を第
４図に示すように、流し込み電流の値に対応した酸素濃
度で出力電圧の変化する酸素濃度検出用素子部と、該素
子部を加熱するヒータと、を有する酸素センサ１と、前
記ヒータに所定の電力を供給する電力供給手段２２と、
ヒータに供給される電流と印加電圧に基づいてヒータの
抵抗および発熱量を演算するヒータ状態検出手段あと、
ヒータの抵抗に基づいてヒータの発熱温度をめ、この発
熱温度と前記発熱量から酸素濃度検出用素子部の温度を
演算する温度演算手段２７と、酸素濃度検出用素子部の
出力電圧が所定値となるように流し込み電流を供給する
とともに、この流し込み電流の値を検出する電流値検出
手段２１と、電流値検出手段２１の出力を温度演算手段
２７の出力により補正して被測定ガスの酸素濃度を算出
する酸素濃度検出手段３０を、を備えており、酸素濃度
を正確に判断するものである。

（実施例）以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第５図は本発明の一実施例を示す図であり、本発明をエ
ンジンの排気中の酸素濃度、すなわち空燃比を検出する
装置に適用した例である。

まず、構成を説明すると、第５図において、１は従来例
と同様に構成される酸素センサであり、酸素センサ１は
素子部８とヒータ７により示される。ヒータ７は白金を
主成分とする合金で形成されており、その発熱温度Ｔｈ
は内部抵抗（以下、ヒータ抵抗という）Ｒｈと密接な相
関関係を有している（後述する０式参照）。２１は電流
値検出６手段であり、電流値検出手段２Ｉは例えば第２
図に示した先願例と同様の電流供給回路１１及び電流値
検出回路１２により構成され電圧信号Ｖｉを出力する。

一方、ヒータ７には電源回路（電力供給手段）２２から
抵抗Ｒｏを介してヒータ電流Ｉｈが供給されており、ヒ
ータ７はこのヒータ電流■ｈにより発熱して素子部８を
加熱する。ヒータ電流１ｈはヒータ電流検出回路２３に
より検出されており、電流供給回路詔はヒータ電流１ｈ
の値を抵抗Ｒｏの両端間の電圧降下として検出し信号Ｓ
（Ｉｈ）を出力する。信号５（Ｉｈ）はヒータ抵抗演算
回路あ及び発熱Ｎ演算回路２５に入力されており、こら
れの各回路２４．５には、さらにヒータ７への印加電圧
（以下、ヒータ電圧という）ｖｈが入力される。ヒータ
抵抗演算回路２４はヒータ電流ｒｈとヒータ電圧ｖｈに
基づき次式■に従ってヒータ抵抗Ｒｈを演算する。

Ｒｈ＝Ｖｈ／Ｉｈ　−−一〇また、発熱量演算回路５はヒータ電流Ｉｈとヒータ電圧
ｖｈに基づき次式■に従ってヒータ７の発熱量Ｑを演算
する。

Ｑ＝　（Ｖ　ｈ　ｘ　Ｉ　ｈ）　／Ｋｒ　−’−’−■
但し、Ｋ１　：定数上記ヒータ電流検出回路２３、ヒータ抵抗演算回路Ｕお
よび発熱量演算回路５はヒ〜り状態検出手段部を構成し
ている。ヒータ状態検出手段あの出力ｓ　（Ｒｈ、）　
、ｓ　（Ｑ）は温度演算手段２７に入力されており、温
度演算手段２７はヒータ温度演算回路２８及び素子部温
度演算回路２９により構成されている。ヒータ温度演算
回路２８はヒータ抵抗Ｒｈに基づき次式■に従ってヒー
タ７の発熱温度Ｔｈを演算する。

Ｔｈ＝に２　・　（Ｒｈ／Ｒｈ　ｏ）　＋に３−＝−■ 但し、Ｒｈｏ　：室温でのヒータ抵抗に７．に、：定数素子部温度演算回路２９は該発熱温度Ｔｈと発熱量Ｑに
基づき次式■に従って素子部８の温度（以下、素子部温
度という）Ｔｓを演算する。

Ｔ　ｓ　＝　Ｔ　ｈ　Ｑ　／　Ｋ　−４−−−−一■但
し、Ｋ−４：定数素子部温度演算回路２９の出力５（Ｔｓ）は酸素濃度検
出手段３０に入力されており、酸素濃度検出手段３０は
補正回路３１及び補正係数演算回路３２により構成され
ている。補正係数演算回路３２は素子部温度Ｔｓに基づ
いて電流値検出手段２１の出力Ｖｉを補正する補正係数
βを演算している。

補正係数βは酸素センサ１の多孔質保護層６における拡
散係数りの温度変化に伴う電圧信号■ｉのばらつきを補
正するもので、この電圧信号Ｖｉに乗じて同一空燃比に
対する流し込み電流Ｉｓの検出値を常に同じ大きさとす
るものである。補正係数βは補正回路３１に入力されて
おり、補正回路３１には、さらに電圧信号Ｖｉが入力さ
れる。補正回路３１は電圧信号Ｖｉに補正係数βを乗じ
て電圧信号Ｖｎ　（Ｖｎ−β・Ｖｉ）を出力する。本実
施例ではこの電圧信号Ｖｎにより排気中の酸素濃度が判
断される。

次に作用を説明する。

一般に、拡散電流検出型の酸素センサは流し込み電流（
拡散電流）の酸素ポンプ作用により素子部の各電極間に
所定の酸素濃度差を発生させ、そのときの流し込み電流
の値を被測定ガスの酸素濃度に一義的に対応させて、酸
素濃度を検出するという原理に基づいている。この場合
、流し込み電流の値は所定の酸素濃度差を維持するため
に必要なポンプエネルギの大きさを表している。と、こ
ろで、このようなポンプエネルギは、素子部の各電極が
直接被測定ガスに棲している場合、実際上かなりの大き
さが必要であることから、通常、素子部の一方の電極側
に酸素分子の拡散を制御する制限部材（本実施例では多
孔質保護Ｎ）を設けてポンプエネルギの大きさを小さく
して制御性や酸素センサの耐久性等を高めている。しか
しながら、制限部材の拡散係数は温度依存性があり、そ
の値が温度によって変化する。そして、このような不具
合は流し込み電流の値の温度によるばらつきとなって現
れ、検出精度の低下を招く。

そこで本実施例では、拡散係数りの値は絶対温度の１．
７５乗に比例して変化すること及び素子部８に近接して
配設されているヒータ７の発熱状態から素子部温度Ｔｓ
をめることができるという２点に着目して、素子部温度
Ｔｓから拡散係数りの変化を推定し、この推定結果に応
じて電圧信号Ｖｉを補正することで空燃比判断を正確な
ものとしている。

以下にこれを詳細に説明する。

ヒータ７は白金を主成分としているため、その発熱温度
Ｔｈは０式に示すようにヒータ抵抗Ｒｈの一次関数で表
される。一方、ヒータ７の発熱量Ｑはヒータ７に供給さ
れる電力の関数であり、０式によりめられる。

ここで、ヒータ７は酸素センサ１に内蔵されその略中央
部に配設されているが、素子部８は酸素センサ１の表面
近傍に配設されている。

したがって、素子部温度Ｔｓは酸素センサ１の表面近傍
の平均温度に略等しい。また、ヒータ７に発生した熱（
その大きさは発熱量Ｑで表される）は殆どすべてが酸素
センサ１の表面から排気中へ放熱されている。そして、
この放熱量ＱＯはヒータ温度Ｔｈと素子部温度Ｔｓによ
り決定されＱｏ＝に−４Ｈ（Ｔｈ−Ｔｓ）　−一■という式で表さ
れる。一方、この放熱量Ｑｏはヒータ７の発熱量Ｑに略
等しい（Ｑｏ’＝Ｑ）ため、０式は次式■のように置き
換えることができる。

Ｑ＃　Ｋ’４　・　（Ｔ　ｈ　−Ｔ　ｓ　）　−−−−
−−■この０式を変形すると、前記０式が導かれる。

０式から明らかであるように素子部温度Ｔｓは発熱温度
Ｔｈと発熱量Ｑに基づいてめることができる。

本実施例では、ヒータ状！＠検出手段茂がヒータ７に供
給される電流１ｈと印加電圧ｖｈに基づいてヒータ抵抗
Ｒｈおよび発熱量Ｑをめるとともに、温度演算手段２７
がヒータ抵抗Ｒｈに基づいてヒータ温度Ｔｈを演算し、
さらに該ヒータ温度Ｔｈと発熱量Ｑから０式に基づいて
素子部温度Ｔｓをめている。

一方、多孔質保護層６の拡散係数りは絶対温度Ｔの１．
７５乗に比例することが知られており、所定温度Ｔであ
るときの拡散係数りの値は次式〇によってめられる。

Ｄ　＝　Ｄ　ｏ　・（Ｔ　／　Ｔ　ｏ　）　””＝　（
Ｄ　ｏ　、”ｒ　ｏ）　・Ｔ””−＝に６　・Ｔ”’−
−−−−■ 但し・ＴＯ：所定基準温度ＤＯ：所定基準温度での拡散係数ＫＦ、：定数また、電流値検出手段２１の出力Ｖｉは排気中の酸素濃
度に対応しており、次式■で表される。

Ｖ　ｉ　−に７　・Ｄ−Ｃｏｚ　−−−−−−■但し、
Ｃｏ２　：排気中の酸素濃度に７　：定数０式において、拡散係数りを０式の演算結果に置き換え
ると、出力ＶｉはＶ　ｉ　＝　Ｋ７　・Ｋ６　Ｔ””　・ＣｏＬ−−−’
Ｄなる式で表される。この［相］式から明らかであるよ
うに排気中の酸素濃度は多孔質保護層６の絶対温度Ｔの
関数で表すことができ、これは拡散係数りの値を素子部
８の絶対温度Ｔとして捉えることができることを意味し
ている。そこで、ＴＩ′７５＝に８／β　（但し、Ｋ８
　：定数）と置くと、出力ＶｉはＶｉ＝に、・Ｋら　・　（Ｋ８　／β）　・　Ｃ−−Ｏなる式で表される。０式より排気中の酸素濃度ＣｏｚはＣｏｚ　＝　（β／　（Ｋｓ　・ＫＶ　’　Ｋｍ　）　
）　’　Ｖ　ｉ−°−＠なる式で表すことができ、この式を変形すると次式０を
得ることができる。

ＫＧ　・ＫＶ　’Ｋｌｌ　−Ｃａｚ＝βＶ　ｉ　−−−
−−９０式は素子部８の絶対温度Ｔに応じて電圧信号Ｖ
ｉを補正すれば、拡散係数りの変動による影響を排除し
て排気中の酸素濃度Ｃ９２を一義的に算出できることを
意味している。

本実施例では、補正係数演算回路３２が温度演算手段２
７により素子部８の絶対温度Ｔを素子部温度Ｔｓとして
算出しており、この素子部温度Ｔｓに応じて補正回路３
１が補正係数βを設定する。そして、補正係数演算回路
３２が電圧信号Ｖｔに補正係数βを乗じた電圧信号Ｖｎ
を出力する。この電圧信号Ｖｎは次式０で表される。

Ｖｎ−β■ｉ−に６　・Ｋ７　・Ｋ８　・Ｃｏｚ＝に、
・Ｃ６ｚ　−−−−■ 但し、Ｋ９　：定数したがって、電圧信号Ｖｎは拡散係数りの温度による変
動を適切に補正したものとなり、同一の酸素濃度Ｃａｚ
に対して常に同じ大きさとなる。

その結果、酸素濃度の検出精度を向上させることができ
る。

なお、本実施例では補正係数βの値をβ−Ｋ　ｌｌ／　
Ｔ　Ｉ’ｆなる式で決定しているが、これに限らず、例
えば素子部温度Ｔｓに対する補正係数βの最適値を実測
して一次元のテーブルマツプに記憶しておき、素子部温
度Ｔｓに応じてテーブルルックアップして補正係数βの
値を決定するようにしてもよい。そのようにすれば、実
測データに基づいているためより一層検出精度を向上さ
せることができる。

また、ヒータ７の配設状況等により０式による演算が素
子部温度Ｔｓを正確に表していないような場合には、例
えば素子部温度Ｔｓと素子部出力Ｖｓの温度依存性との
間の相関関係に応じて補正係数βのテーブルマツプを作
成し、上記同様の方法で補正係数βの値を決定するよう
にしてもよい。

さらに、本発明は素子部とヒータが一体型に構成されて
いる酸素センサのみならず、ヒータが素子部近傍に配設
されている酸素センサにも勿論適用することができる。

また、理論空燃比よりリーン側のみならず、リッチ側を
も検出できる酸素センサにも適用することができる。

なお、本発明はマイクロコンピュータ等を用いてソフト
ウェアによっても実現することが可能である。

（効果）本発明によれば、拡散係数の温度変化に伴うばらつきに
拘わらず同一酸素濃度に対する流し込み電流の検出値を
常に同じ大きさとすることができ、酸素濃度の検出精度
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素センサの断面図、第２．３図は先願の空燃
比制御装置を示す図であり、第２図はその要部回路図、
第３図はそのＶ　ｉ　−Ａ／Ｆ特性を示す図、第４図は
その全体構成図、第５図は本発明の一実施例を示すその
構成図である。１−−−−ｍ−酸素センサ、２１−−−一・電流値検出手段、２２−・−電源回路、（電力供給手段）、２６−−−−
・−ヒータ状態検出手段、２７−−−−−一温度演算手
段、３０−−−−一酸素濃度検出手段。代理人弁理士　有我軍一部

Claims

【特許請求の範囲】

流し込み電流の値に対応した酸素濃度で出力電圧の変化
する酸素濃度検出用素子部と、該素子部を加熱するヒー
タと、を有する酸素センサと、前記ヒータに所定の電力
を供給する電力供給手段と、ヒータに供給される電流と
印加電圧に基づいてヒータの抵抗および発熱量を演算す
るヒータ状態検出手段と、ヒータの抵抗に基づいてヒー
タの発熱温度をめ、この発熱温度と前記発熱量から酸素
濃度検出用素子部の温度を演算する温度演算手段と、酸
素濃度検出用素子部の出力電圧が所定値となるように流
し込み電流を供給するとともに、この流し込み電流の値
を検出する電流値検出手段と、電流値検出手段の出力を
温度演算手段の出力により補正して被測定ガスの酸素濃
度を算出する酸素濃度検出手段と、を備えたことを特徴
とする酸素濃度測定装置。