JPS60238755A - 空燃比検出装置 - 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】 弦賃ｌ、賢 この発明は、空気と燃料との混合気の燃焼による排気ガ
ス中の酸素濃度により混合気の空燃比を検出する空燃比
検出装置に関し、特に内燃機関における吸入混合気の空
燃比を検出するのに適した空燃比検出装置に関する。

従叉亙援 一般に、内燃機関においては、吸入混合気の空燃比を高
精度に目標値に制御するために、空燃比と相関関係をも
つ排気ガス中の酸素濃度を検出することにより混合気の
空燃比を検出して、燃料供給量をフィードバック制御す
るようにしている。

従来、このような空燃比検出装置に使用されている酸素
センサとして、例えば特開昭５７−７６４５０号公報に
記載されているようなものがある。

このような酸素センサの一例を第１図を参照して説明す
る。

この酸素センサ１は、酸素濃度に応じて起電力を発生す
る一種の濃淡電池の原理を応用したものであり、酸素イ
オン伝導性の固体電解質２の両面に、白金を主成分とす
る基準電極３と、金と白金の合金からなる酸素電極４と
を対向させて形成して、その基準電極３を多孔質保護層
（コーティング層）５によって被覆し、酸素電極４を酸
素の流入、拡散を制限する多孔質保護層（コーティング
Ｊｔｉｆ）　６によって被覆したものである。

この酸素センサ１にあっては、被測定ガス、例えば排気
カス中において、基準電極乙に所定の大きさの流し込み
電流Ｉｓを供給すると、電流Ｉｓの大きさに応じた量の
酸素イオン０２−が電流Ｉｓと逆の方向に固体電解質２
を通じて移動するので、基準電極３に基準酸素分圧Ｐａ
が発生し、このとき酸素電極４に被測定ガスの有する酸
素分圧による酸素分圧ｐｂが発生している。

それによって、基準電極３と酸素電極４との間には、酸
素分圧Ｐａ、Ｐｂに基づいて、Ｅ　＝ＲＴ／４　Ｆ　−
Ｉｎ　（Ｐ　ａ／　Ｐ　ｂ）　−−（Ｄ但し、Ｒ：気体
定数、　Ｔ：絶対温度 Ｆ：ファラデイ定数 なるネルンストの式によって表わされる起電力Ｅが発生
し、この起電力Ｅは被測定ガスの酸素濃度により変化す
るので、これを酸素センサ１の出力Ｖｓとして外部に取
出すことができる。

この出力Ｖｓの変化を各流し込み電流値ごとに示したの
が第２図である。なお、この場合、被測定ガスとして内
燃機関の排気ガスを用いており、その酸素濃度は内燃機
関に供給される混合気の空燃比（当量比λ、但しλ＝現
空燃比／理論空燃比）に換算して示しである。

しかしながら、この酸素センサ１の出力Ｖｓは、流し込
み電流Ｉｓを固定した場合、出力Ｖｓの変化する空燃比
の幅が小さいので、広範囲に亘る空燃比の検出をするこ
とは難しい。

そこで、この酸素センサ１の出力Ｖｓを目標電圧Ｖａ（
例えば、切り換わり空燃比において急変する酸素センサ
出力Ｖｓの上限と下限の略中間値）として設定し、酸素
センサ出力Ｖｓがこの目標値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の値は、第６図に実線で示すよう
に現在の空燃比に応じて連続的に変化する。

したがって、その酸素センサ１への流し込み電流Ｉｓの
値を検出することによって実際の空燃比を広範囲に検出
することができる。

しかしながら、このような空燃比検出装置にあっては、
第３図から分るように、流し込み電流Ｉｓの値が、理論
空燃比（λ＝１）を最小値としてリーン側に移行する時
のみならず、リッチ側に移行する時にも増加する。

これは、リッチ域では、排気ガス中に酸素が殆んどない
ことから、酸素電極４の周囲空間の排気カス中の二酸化
炭素Ｃ０２が一酸化炭素ＣＯと酸素イオンＱ′−に分極
して、その酸素イオン０２−が固体電解質２を移動して
酸素電極乙に移行しているためで、排気がリッチ側に移
行する程酸素イオンの移動量が多くなり、流し込み電流
Ｉｓの値が増加する。

したがって、理論空燃比付近では、同一の流し込み電流
Ｉｓの値に対して空燃比が２値存在することになり、単
に流し込み電流Ｉｓの値からだけでは、リッチ域からリ
ーン域までの広範囲に亘る空燃比（酸素濃度）を検出す
ることができない。

そこで、例えばリーン域だけに着目してみると、この場
合には流し込み電流の値と空燃比とが一義的に対応する
ことになるので、理論空燃比（λ＝１）からリーン域の
間を広範囲に検出する目的には用いることができる。

ところで、このようにリーン域あるいは更にリッチ域ま
で含めた広範囲に亘る空燃比にて運転される自動車用内
燃機関にあっては、市街地走行等特定の運転域では特に
排気の浄化率を高める必要がある。

そのために、三元触媒を使用して排気を浄化する内燃機
関においては、三元触媒の浄化効率を高くするために空
燃比を理論空燃比に制御する必要な かあり、このような理論空燃比制御による運転時には、
特にλ＝１の点を高精度に検出することが望まれる。

ところが、上記の空燃比検出装置にあっては、流し込み
電流の値から広範囲にわたる空燃比（酸素濃度）を連続
的に検出することはできるが１個々の空燃比の検出精度
は、第２図で示したような流し込み電流を固定して出力
電圧Ｖｓの変化がら空燃比を検出する方法に比べてむし
ろ低くなり、例えば測定系のゲインの変動やゼロ点のオ
フセット等によって空燃比の検出結果が影響を受け、誤
差を生じる恐れがある。

したがって、この空燃比検出装置を三元触媒を用いた理
論空燃比制御にも使用した場合には、λ二１の点につい
て必要な検出精度が得られない恐れがある。

また、この空燃比検出装置においては、酸素の拡散を制
限する多孔質層を通過する酸素を流し込み電流の値とし
て得るため、応答性がやや遅くなり、その結果、理論空
燃比（λ＝］）に制御する場合に三元触媒の浄化率か低
下する恐れがある。

目　的 この発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、リッ
チ域からリーン域まで広範囲の空燃比を高精度に検出で
き、しかも理論空燃比を他の空燃比よりも高精度に且つ
応答性良く検出できるようにすることを目的とする。

構成 そのため、この発明による空燃比検出装置は、空気と燃
料との混合気の燃焼による排気カスが、ガスの拡散を制
限する手段を介して導入されるガス導入部と、酸素イオ
ン伝導性の固体電解質を挟んで対向する前記ガス導入部
のガス及び所定酸素濃度のガスに晒される電極を有し、
両電極間酸素分圧比に応じた電圧を出力する酸素分圧比
検出部と、酸素イオン伝導性の固体電解質を挟んで対向
する電極を有し、両電極間に供給される電流量に応じて
前記オス導入部の酸素分圧を制御する酸素分圧制御部と
によって酸素センサを構成すると共に、この酸素センサ
の酸素分圧比検出部の出力が予め定めた目標値と一致す
るように酸素分圧制御部に電流を供給し、その供給する
電流値を検出する一方、その酸素分圧制御部の両電極間
の電圧を検出して予め定めた基準値との大小関係を判定
して、この判定結果に応じて第１の電圧又は第２の電圧
を発生し、この発生した第１の電圧又は第２の電圧を前
記電流値の検出出力に加算して、この加算結果を空燃比
を示す値として出力するようにした妃のである。

夫」Ｌ灯 以下この発明の実施例を添付図面の第４図以降を参照し
て説明する。

第４図及び第５図は、この発明で使用する酸素センサの
一例を示す縦断面図及び分解斜視図である。

この酸素センサ１１は、アルミナからなる基板１２上に
、溝１３ａを形成した大気導入板１３を積層し、この大
気導入板１３上に平板状の酸素イオン伝導性の第１の固
体電解質１４を積層して、これ等のｔ大気導入板１３の
溝１３ａ及び第１の固体電解質１４によって、所定酸素
濃度のガスである大気が導入される大気導入部１５を形
成している。

そして、その第１の固体電解質１４上に、厚さＬ　（Ｌ
＝０．１ｍｍ程度）のスペーサ板１６を積層し、このス
ペーサ板１６上に平板状の第２の固体電解質１７を積層
して、これ等の第１の固体電解質１４、スペーサ板１６
及び第２の固体電解質１７によって、排気ガスが導入さ
れるカスの拡散を制限する手段を兼ねた幅りの隙間であ
るカス導入部１８を形成している。

そして、第１の固体電解質１４の両面に、大気導入部１
５の所定酸素濃度のカスである大気に晒される電極であ
るセンサアノード２０及びカス導゛　入部１８の排気カ
スに晒される電極であるセンサカソード２１を対向して
設け、これ等のセンサアノード２０とセンサカソード２
１との間の酸素分圧比、すなわち大気導入部１５とカス
導入部１８との間の酸素分圧比に応じた電圧を出力する
酸素分圧比検出部（以下［センサセルＳＣＪと称す）を
構成している。

また、第２の固体電解質１７の両面に、カス導入部１８
の排気ガスに晒される電極であるポンプカソード２２及
び排気カスに直接晒される電極であるポンプアノード２
３を対向して設け、これ等のポンプカソード２２とポン
プアノード２３の間に供給される電流量に応じてカス導
入部１８の酸素１分圧を制御する酸素分圧制御部（以下
［ポンプセルＰＣｊと称す）を構成している。

なお、基板１２の大気導入板１３側表面には、第１の固
体電解質１４及び第２の固体電解質１７の活性を保つた
めに、これ等を加熱するヒータ２５を印刷形成しである
。

また、センサアノード２０．センサカソード２１には夫
々リード線２Ｇ、２７を、ポンプカソード２２．ポンプ
アノード２６には夫々リート線２８．２９を、ヒータ２
５にはリート線′５０゜３１を接続しである。

さらに、第１．第２の固体電解質１４．１７としては、
例えば　ＺｒＯ２、Ｉ（ｒ０２　、Ｔｈ○２゜Ｂｉ２Ｏ
３等の酸化物ニｃ２０．Ｍ　ｇ　Ｏ，Ｙ２０２　＋ＹＢ
２０３等を固溶させた焼結体を用い、各電極２０〜２３
は白金又は金を主成分とする。

さらにまた、この実施例では、大気導入部１５とガス導
入部１８との間の隔壁の全体を第１の固体電解質１４で
、またガス導入部１８と排気ガス雰囲気との間の隔壁の
全体を第２の固体電解質１７で形成しているが、電極２
０〜２３に対応する部分のみを固体電解質で形成しても
よい。

第６図は、この酸素センサを用いた空燃比検出回路の一
例を示す回路図である。

との空燃比検出回路において、差動アンプ３３は、酸素
センサ１１のセンサセルＳＣのセンサカソード２１に対
するセンサアノード２０の電位Ｖｓと電源３４からの目
標電圧（目標値）Ｖａとの差（Ｖ　ａ　−Ｖ　ｓ　）を
検出して、その差電圧ΔＶを出力する。

ポンプ電流供給回路３５は、差動アンプ３３からの差電
圧へＶに応じた大きさ及び方向のポンプ電流Ｉｐを酸素
センサ１１のポンプセルＰＣに供給して、差動アンプ３
３からの差電圧Δ■がΔＶ＝０　（Ｖｓ＝Ｖａ）になる
ように制御する。なお、このポンプ電流供給回路３３の
具体例は後述する。

つまり、これ等の差動アンプ３３．電源３４及びポンプ
電流供給回路３５によって電流供給手段を構成している
。

そして、このポンプ電流供給回路６５からポンプアノー
ド２３に供給されるポンプ電流Ｉｐを抵抗３６で電圧に
変換し、この抵抗３６の両端間電圧を差動アンプ！１７
で検出して検出出力Ｖｉとして出力する。

つまり、これ等の抵抗３６及び差動アンプ３７によって
電流検出手段を構成している。

一方、コンパレータ６８は、判定手段であり、酸素セン
サ１１のポンプセルＰＣのポンプカソード２２に対する
ポンプアノード２３の電圧（以下「ポンプ電圧」と称す
）Ｖｐを予め定めた基準値である基準電圧ｖｂ　（ｖｂ
＝ｏｖ）と比較して、ポンプ電圧ＶＰと基準電圧ｖｂと
の大小関係、すなわちポンプ電圧Ｖｐの正負を判定し、
ＶＰ＞０のときに正電圧＋Ｖｃを、Ｖｐ＜Ｏのときに負
電圧−Ｖｃを出力する。

オフセット電圧発生回路３日は、抵抗４０及び抵抗４１
の直列回路からなり、コンパレータ３８から出力される
電圧±Ｖｃを分圧して、その電圧±Ｖｃに応じて第１の
電圧である正電圧＋Ｖｏ又は第２の電圧である負電圧−
Ｖｏを出力する。

加算器４２は、差動アンプ３７から出力される検出出力
Ｖｉにオフセット電圧発生回路３９からの正電圧＋Ｖｏ
又は負電圧−Ｖｏを加算して、この加算結果を空燃比検
出出力Ｖ　ｉ　ｏとして出力する。

なお、との空燃比検出回路におけるポンプ電流供給回路
３５の一例を第７図に示しである。

このポンプ電流供給回路３５は、差動アンプ３３からの
差電圧Δ■を積分する負係数積分回路４５及びこの負係
数積分回路４５からの積分出力Ｖｄを電流に変換するＶ
−Ｉ変換回路４６からなる。

その負係数積分回路４５は、抵抗４７．コンデンサ４８
及びオペアンプ４日からなり、差動アンプ３３からの差
電圧ΔＶを入力して、この差電圧ΔＶを積分した積分出
力Ｖｄ　（Ｖｄ＝−ＫＸΔ■ｄｔ、に；正の定数）を出
力する。

また、Ｖ−、Ｉ変換回路４６は、オペアンプ５０゜抵抗
５１及び差動アンプ５２からなり、負係数積分回路４５
からの積分出力Ｖｄと、ポンプアノード２３に供給する
ポンプ電流Ｉｐに応じた抵抗５１の両端電圧を検出する
差動アンプ５２の出力とに応じて、オペアンプ５０から
積分出力Ｖｄに応した大きさ及び方向のポンプ電流Ｉｐ
を供給する。

次に、このように構成したこの実施例の作用について説
明する。

ます、空燃比検出回路のポンプ電流供給回路３５は、前
述したようにセンサセルＳＣのセンサカソード２１とセ
ンサアノード２０との間の電位Ｖｓが目標電圧Ｖａにな
るように、ポンプセルＰＣにポンプ電流Ｉｐを供給して
いる。

つまり、カス導入部１８の酸素濃度が所定酸素濃度より
も低いときには、第４図に矢示ＩＲで示すように、ポン
プセルＰＣのポンプカソード２２からポンプアノード２
３に向って流れるポンプ電流１ｐを供給して、ポンプア
ノード２６からポンプカソード２２に酸素イオンを移動
させ、ガス導入部１８の酸素濃度を所定酸素濃度に制御
する。

また、ガス導入部１８の酸素濃度が所定酸素濃度よりも
高いときには、第４図に矢示ＴＬで示すように、ポンプ
セルＰＣのポンプアノード２３からポンプカソードに向
って流れるポンプ電流ｒｐを供給して、ポンプカソード
２２からポンプアノード２３に酸素イオンを移動させ、
カス導入部１８の酸素濃度を所定酸素濃度に制御する。

この場合、目標電圧Ｖａは、センサアノード２０に発生
する電位Ｖｓに対応する値であればどのような値でもよ
いが、電位Ｖｓを精度よく目標値に保つためには、好ま
しくはガス導入部１８の酸素濃度の変化に対して電位Ｖ
ｓの変化の傾きが最も大きくなるところ、つまり酸素濃
度の変化に対して電位Ｖｓが急変する電圧値の上限と下
限の中間値に設定するのがよい。

そこで、目標電圧Ｖａを例えばＶ　ａ　＝　５００　ｍ
　Ｖに設定したとすると、ポンプ電流供給回路３５は、
センサアノード２０とセンサカソード２１との間の電位
Ｖｓが、Ｖ　ｓ　＝　５００　ｍ　Ｖになるようにポン
プアノード電極２６にポンプ電流ＩＰを供給する。

したがって、大気尋人部１５の酸素分圧をＰＣ。

ガス導入部１８の酸素分圧をＰＢとすると、酸素分圧比
Ｐｎ／ｐｃは、温度を１００ＯＫとしたとき、前述した
ネルンストの式（（Ｊ）式）より、ＰＢ／ＰＣ＝１０−
” となり、ＰＣ＋０．２０６ａｔ、ｍであるので、ＰＩ３
＊０．２０６　Ｘ　Ｉ　Ｏ”ａｔｍとなる。

ここで、被測定カス、例えば排気カス中の酸素分圧をＰ
Ａとすると、ガスの拡散を制限する手段を兼ねた隙間で
あるカス導入部１８に入ってくる０２の量Ｑは、拡散係
数をＤとすると、Ｑ＝Ｄ　（ＰＡ−ＰＢ） であり、ＰＢＢＯ２あるので、 Ｑ＝＝Ｄ−ＰＡ となる。

この０２の量Ｑと同等の量の０２を、ポンプ電流ｉｐに
よって第２の固体電解質１７を移動させて、カス導入部
１８の酸素濃度を所定酸素濃度に維持するので、 ＩｐばＱ Ｉｐ筐に１　・ＰＡ・・・・・・（の となる。但し、に１は定数である。

つまり、ポンプ電流工ｐの値は、被測定カスである排気
カス中の酸素分圧に比例したものとなる。

なお、この場合、空燃比（Ａ／Ｆ）のリーン（λ〉１）
側では、カス導入部１８から排気ガス中に酸素分子をポ
ンピングすることになるので、上のＱ）式はそのまま妥
当する。

これに対して、空燃比のリッチ（λ＜１）側では、排気
カス中の酸素分子の量か極めて少なく、その酸素分圧Ｐ
Ａは、約１０−”’〜１０へ（平衡酸素分圧）になる。

このとき排気カス中には二酸化炭素分子ｃ０２が多く存
在している。

そして、この排気ガス中の酸素分圧が１０−”〜ｉｏ−
”のところを、カス導入部１８の酸素分圧を０．２０６
Ｘ］Ｏ”に維持するために、排気カス雰囲気からガス導
入部１８に、すなわちポンプアノード２３からポンプカ
ソード２２に酸素分子を移動させる方向のポンプ電流Ｉ
ｐを供給している。

したがって、特にポンプアノード２３の表面においては
、 ＣＯ２＋２ｅ　−＊ＣＯ＋○″− の反応が生し、その０２−が第２の固体電解質１７内を
移動してカス導入部１８に移入する。

それによって、特にポンプカソード２２の表面では、 ２ＣＯ＋０２→２ＣＯ２ の反応が生し、ボンピンクによって移動させた０２が消
費される。

つまり、リッチ側では、上記の反応により消費される０
２の量をポンプ電流によって削っていることになる。

そして、上記の反応は、カス導入部１８内に拡散してく
るＣＯの量に比例する。すなわち、カス導入部１８内で
は、上記の反応によってＣＯも消費され、００分圧は略
セロになつでくるので、カス導入部１Ｂに入ってくるＣ
Ｏのｔ　Ｑ　ｃ　ｏは、排気カス中の００分圧をＰｃ　
ｏ、拡散係数をＤ′とすると。

Ｑｃ　ｏ＝Ｄ’　（Ｐｃ　ｏ−０） ＝Ｄ’　・Ｐｃ。

となる。

したがって、リッチ側でカス導入部１８内の酸素分圧を
０．２０６Ｘ１０”’に維持するのに必要な０２の量、
すなわちポンプ電流によって排気カス雰囲気からボンピ
ングする０２の量は、排気カス中のＣＯの濃度に比例し
た値となる。

リッチ側では、このＣＯ（あるいはＣ○＋ｌ（Ｃ）の濃
度が空燃比と良い相関関係にあるので、ポンプ電流ＩＰ
はリッチ側でも空燃比に対して連続的に変化する。

したがって、差動アンプ３７から出力される検出出力■
１は、第８図に示すようにリンチ域（λ〈１）からリー
ン域（λ〉１）までの空燃比に対して連続的に変化する
。

次に、酸素センサ１１のポンプセルＰＣのポンプアノー
ド２３とポンプカソード２２との間のポンプ電圧Ｖｐに
ついて述べる。

そのポンプセルＰＣの等価回路は、第９図に示すように
、自己起電力Ｅｐと内部抵抗Ｒｐとに分けることかでき
る。

したかつて、ポンプセルＰＣのポンプカソード２２に対
するポンプアノード２３の電位ＶＰは、Ｖｐ＝Ｅｐ＋Ｉ
ｐ−Ｒｐ・・・・・・■となる。

ところで、この自己起電力ＥＰは、前述したように排気
カス中の酸素分圧をＰＡ、カス導入部１８の酸素分圧を
ＰＢとすると、前述したネルンストの式より、 Ｅ　ｐ　”ＲＴ／　４　Ｆ−ｅ　ｎ　（ＰＡ／　ＰＢ）
　・＝■で表わされる。

そして、目標電圧Ｖａを５００ｍＶに設定したときには
、前述したように、カス導入部１８の酸素分圧ＰＢは、
約１０４０に維持されている（ＰＢ＝１０４’）。・ 一方、排気ガス中の酸素分圧（平衡酸素分圧うＰＡは、
理論空燃比（λ＝１）を境にして、リッチ側では約１０
−”ａｔ、ｍに、リーン側では約ＩＯ−′ａｔ＋ａにな
る。

それによって、自己起電力Ｅｐは、前述した０式から分
るように、Ｔ＝１０００にとすると、リッチ側で約−４
００〜−５００ｍＶ、リーン側で約＋４００〜＋　５０
０　ｍ　Ｖ　Ｉｃなり、空燃比（当量比λ）に対して第
１０図に示すように変化する。

一方、温度が一定であれば、内部抵抗ＲＰはリッチ側、
リーン側のいずれでも略一定であり、ポンプ電流Ｉｐは
前述したようにリッチ側からり一ン側までの空燃比に比
例した値となるので、前述した０式におけるＩＰ”ＲＰ
は、空燃比（当量比λうに対して前述した第８図に示す
特性と同じように変化する。

したがって２ポンプセルＰｃのポンプカソード２２とポ
ンプアノード２３との間のポンプ電圧ＶＰは、前述した
０式より、自己起電力Ｅｐとポンプ電流ＩＰによる内部
抵抗ＲＰの電圧降下分（Ｉ　ｐ−Ｒｐ）とを加えたもの
であるので、空燃比（当量比λ）に対して第１１図に示
すように変化する。

つまり、ポンプ電圧Ｖｐは、理論空燃比（λ＝１）付近
では自己起電力Ｅｐによって支配され、他の空燃比では
ポンプ電流Ｉｐによって支配される。

そのため、このポンプ電圧Ｖｐを検出することによって
、理論空燃比（λ＝Ｂ　を高精度に検出できると共に、
自己起電力Ｅｐは排気ガスに直接晒されているポンプア
ノード２３の近くの酸素分圧によって発生するので理論
空燃比を高い応答性で検出できる。

ところが、このポンプ電圧Ｖｐは、理論空燃比以外の領
域では前述したように内部抵抗Ｒｐの温度依存性が高い
ため、このポンプ電圧ＶＰを空燃比検出出力として使用
すると、高精度の温度制御を行なわなければならなくな
る。

そこで、この空燃比検出回路においては、そのポンプ電
圧Ｖｐをコンパレータ３８で基準電圧Ｖｂ　（＝ＯＶ）
と比較してその大小関係を判定することによって、ポン
プ電圧ＶＰが急変する空燃比である理論空燃比（λ＝１
）を検出する。

そして、オフセット電圧発生回路３日によって、ポンプ
電圧ＶｐがＶｐ＞０の時に正電圧＋Ｖｏを、Ｖ　ｐ　＜
　０の時に負電圧−Ｖｏを発生して、この発生した正電
圧＋Ｖｏ又は負電圧−Ｖｏを加算器４２で検出出力Ｖｉ
に加算する。

この正電圧＋Ｖｏ又は負電圧−Ｖｏの加算は、ポンプ電
圧Ｖｐの変化によって行なうので、高精度に且つ高い応
答性で行なわれる。

それによって、その加算器４２の出力である空燃比検出
出力Ｖ　ｉ　ｏは、現空燃比に対して第１２図に示すよ
うに理論空燃比（λ＝１）でステップ的（オン・オフ的
）に変化し、それ以外の空燃比ｉ；対しては連続的に変
化する。

このようにこの空燃比検出装置においては、リッチ域か
らリーン域までの広範囲の空燃比を連続的に高精度に検
出でき二しかも酸素センサの温度制御を高精度に行なわ
なくとも理論空燃比（λ＝１）を高精度に且つ応答性良
く検出でき、二元触媒と組合せて使用したときにその浄
化率を向上させることができる。

第１３図は、この発明に使用する酸素センサの他の例を
示す縦断面図である。

この酸素センサ６１は、第１の固体電解質１４と第２の
固体電解質１７との間に窓孔６２ａを穿設したスペーサ
板６２を挟んで積層して、カス導入部１８を形成すると
共に、このカス導入部１８に５第２の固体電解質１７と
ポンプカソード２２及びポンプアノード２３を貫通して
設けたカスの拡散を制限する手段である小孔６３を介し
て、排気カスを導入するようにしたものである。なお、
その他の構成は、前記実施例と同様である。

この酸素センサ６１を使用した場合でも、前記実施例と
同様な空燃比検出回路を使用して排気カスの酸素濃度を
測定することによって、第１２図に示したと略同様な空
燃比検出出力Ｖ　ｉ　ｏを得ることができる。

酸素センサとしては他にも種々の変形が可能であり、カ
スの拡散を制限する手段としても上記実施例における隙
間１８や小孔６乙に代えて多孔質体等を用いることがで
きる。

なお、上記実施例においては、ポンプ電圧Ｖｐを基準値
としてのＯｖとの大小関係を判定するようにしたが、基
準値はＯｖに限るものではなく、例えばポンプ電圧Ｖｐ
をそのまま使用するのであれば一３００ｍＶ〜＋３００
ｍＶの範囲のいずれかの値と比較するようにすればよく
、またポンプ電圧ＶＰを増幅した後、あるいはポンプ電
圧ｖｐにバイアス電圧を加えたようなときにはそれに応
じた基準値を設定すればよい。

また、上記実施例では、第１の電圧及び第２の電圧の値
を同じにした例について述べたが、これに限るものでは
なく１両電圧値が異なってもよく、またいずれか一方を
Ｏｖに設定してもよい。

さらに、上記実施例では、第１の電圧及び第２の電圧の
極性を異にした例について述べたが、極性を同じにして
もよく、この場合にはいずれか一方について電流値の検
出出力に加算するときに加算手段がその極性を反転して
加算する（減算する）ようにすればよい。

さらにまた、上記実施例では、所定酸素濃度のガスとし
て大気を使用する酸素センサについて述べたが、これに
限るものではなく１例えばキャリブレーションガスとし
て予め酸素濃度を所定値に調整したガスを使用してもよ
い。

また、この発明による空燃比度検出装置は、車両用、定
置プラント用、産業用、あるいは船舶用等の各種内燃機
関や溶鉱炉等における燃焼混合気の空燃比検出にも使用
できる。

軌−来 以上説明したように、この発明による空燃比検出装置は
、空気と燃料との混合気の燃焼による排気ガスが、ガス
の拡散を制限する手段を介して導入されるガス導入部と
、酸素イオン伝導性の固体電解質を挟んで対向する前記
ガス導入部のガス及び所定酸素濃度のガスに晒される電
極を有し、両電極間の酸素分圧比に応じた電圧を出力す
る酸素分圧比検出部と、酸素イオン伝導性の固体電解質
を挟んで対向する電極を有し、両電極間に供給される電
流量に応じて前記カス導入部の酸素分圧を制御する酸素
分圧制御部とによって酸素センサを構成し、この酸素セ
ンサの酸素分圧比検出部の出力電圧が予め設定した目標
値と一致するように酸素分圧制御部に電流を供給して、
この供給される電流値を検出する一方、酸素センサの酸
素分圧制御部の両電極間の電圧と予め定めた基準値との
大小関係を判定して、この判定結果に応じて第１の電圧
又は第２の電圧を発生させ、この第１の電圧又は第２の
電圧を電流値の検出出力に加算し、この加算結果を空燃
比を示す値として出力するようにしたので、空燃比を広
範囲に亘って連続的に検出でき、しかも酸素センサの温
度制御を高精度に行なわないでも理論空燃比を高精度に
且つ応答性良く検出することができるので、二元触媒と
組合せた場合の排気浄化率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の酸素センサの一例を示す模式的断面図
、 第２図は、同じくその検出出力と空燃比との関係を示す
線図、 第３図は、同じくその流し込み電流と空燃比との関係を
示す線図、 第４図及び第５図は、この発明の実施例における酸素セ
ンサの一例を示す縦断面図及び分解斜視図。 第６図は、同じく空燃比検出回路の一例を示す回路図。 第７図は、第６図のポンプ電流供給回路の一例を示す回
路図、 第８図は、電流値検出出力と空燃比との関係を示す線図
、 第９図は、第４図の酸素センサのポンプセルの等節回路
を示す回路図、 第１０図は、同じくポンプセルの自己起電力と空燃比と
の関係を示す線図、 第１１図は、同じくポンプセルの電極間電位と空燃比と
の関係を示す線図、 第１２図は、空燃比検出出力と空燃比との関係を示す線
図、 第１３図は、この発明で使用する酸素センサの他の例を
示す縦断面図である。 １１．６１・・・酸素センサ １４・・・第１の固体電解質　１５・・・大気導入部１
７・・・第２の固体電解質　１８・・・カス導入部２０
・・・センサアノード　２１・・・センサカソード２２
・・・ポンプカソード　２３・・・ポンプアノードＳＣ
・・・センサセル（酸素分圧比検出部）ＰＣ・・・ポン
プセル（酸素分圧制御部）′５３・・・差動アンプ　３
４・・・電源３５・・・ポンプ電流供給回路　！１７・
・・差動アンプ３８・・・コンパレータ（判定手段う ３日・・・オフセット電圧発生回路　４２・・・加算器
第４図 Ｕ １２　１　Ｊ（１ 第５図 ３ 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　空気と燃料との混合気の燃焼による排気カスが、ガ
   スの拡散を制限する手段を介して導入されるカス導入部
   と、酸素イオン伝導性の固体電解質を挟んで対向する前
   記ガス導入部のカス及び所定酸素濃度のカスに晒される
   電極を有し１両電極間の酸素分圧比に応した電圧を出力
   する酸素分圧比検出部と、酸素イオン伝導性の固体電解
   質を挟んで対向する電極を有し、両電極間に供給される
   電流量に応じて前記ガス導入部の酸素分圧を制御する酸
   素分圧制御部とからなる酸素センサと、該酸素センサの
   酸素分圧比検出部の出力電圧が予め設定した目標値と一
   致するように前記酸素分圧制御部に電流を供給する電流
   供給手段と、該電流供給手段によって供給される電流値
   を検出する電流検出手段と、前記酸素センサの酸素分圧
   制御部の両電極間の電圧と予め定めた基準値との大小関
   係を判定する判定手段と、該判定手段の判定結果に応じ
   て第１の電圧又は第２の電圧を発生するオフセット電圧
   発生手段と、該オフセット電圧発生手段で発生した前記
   第１の電圧又は第２の電圧を前記電流検出手段の検出出
   力に加算し、該加算結果を空燃比を示す値として出力す
   る加算手段とを設けたことを特徴とする空燃比検出装置
   。