JPS61138156A - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関等、各種燃焼＠器の排気中の酸素濃度
に基づき空燃比を検出する空燃比検出、ＩＡ置に関する
ものである。

［従来の技術］ 内燃機関等、各種燃焼機器に供給される混合気の空燃比
を排気中の酸素濃度より検出する空燃比検出！置の一つ
として、板状の酸素イオン伝導性固体電解質の両面に多
孔性電極が設けられた２枚の素子を、間隙を介して対向
配設し、一方の素子を間隙内の酸素を周囲に汲み出す酸
素ポンプ素子、他方の素子を周囲雰囲気と間隙との酸素
濃度差によって電圧を生ずるｉ素濃淡電池素子として、
少なくとも空燃比のリーン域において空燃比に対応した
信号を検出し得るよう構成されたものがある（特開昭５
９−１７８３５４＞。

［発明が解決しようとする問題点］ ところがこの種の空燃比検出装置の場合、第２図に示す
如（、空燃比のリーン域、即ち排気中に残留酸素が存在
する場合だけでなく、空燃比のリッチ域、即ち排気中に
残留酸素が存在しない場合にでも、排気中のＣｏ、ＣＯ
２，ｌ−１ｚｏ等と反応し、リーン域における信号と同
様の信号を発生する特性を有することがわかった。つま
り検出信号に対して２つの空燃比が対応するようになる
ため、この種の空燃比検出装置を用いて空燃比制−を実
行する場合、空・燃比がリーン域にあるのか、あるいは
リッチ域にあるのかをはつきりさせる必要が生じてくる
のである。尚第２図においてλは空気過剰率を示し、λ
−１は空燃比が理論空燃比であることを表わしている。

そこで本発明は、空燃比のリーン域からリッチ域の全領
域において空燃比に対応した検出信号を得ると共に、一
方向の電気量の形で空燃比信号を得ることのできる空燃
比検出装置を提供することによって、空燃比制御を実行
する際には、その検出信号をそのまま用いて全空燃比範
囲で精度よく、しかも簡単に実行できるようにすること
を目的としている。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達するための本発明の構成は、酸素イオン
伝導性の固体電解質両面に多孔性電極が形成された２個
の素子を、排気の流入が制限された拡散室に面して配設
してなる検出素子部と、上記２個の素子のうち、一方を
酸素濃淡電池素子、他方の素子を酸素ポンプ素子として
動作させ、該酸素濃淡電池素子より発生される電圧又は
上記酸素ポンプ素子に流れる電流を制御して、排気中の
酸素濃度に応じた空燃比信号を出力する空燃比信号検出
手段と、 を備えた空燃比検出８１Ｆにおいて、 上記２饋の素子部うち少なくとも酸素濃淡電池素子の上
記拡散室とは反対側の電極が大気と接触するよう、上記
検出素子部に空気室を設けると共に、 上記酸素！淡電池素子を用いて大気中の酸素を所定量だ
け上記拡散室に汲み込むべく、上記空燃比信号検出手段
に、上記酸素濃淡電池素子に所定の電流を供給する定電
流供給手段を設けたこと、を特徴とする空燃比検出装置
を要旨としている。

ここで上記酸素イオン伝導性の固体電解質としては、ジ
ルコニアとイツトリアとの固溶体、あるいはジルコニア
とカルシアとの固溶体等が代表的なものであり、その他
二酸化セリウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウムの
各固溶体、ペロプスカイト型酸化物固溶体、３１ｊｌｉ
金属酸化物固溶体等も使用可能である。またその固体電
解質両面に設けられる多孔性電極としては、酸化反応の
触ｖｓ作用を有する白金やロジウム等を用いればよく、
その形成方法としては、これらの金属粉末を主成分とし
てこれに固体電解質と同じセラミック材料の粉末を混合
してペースト化し、厚膜技術を用いて印刷後、焼結して
形成する方法、あるいはフレーム溶射、化学メッキ、蒸
着等の薄膜技術を用いて形成し、かつその電極層に更に
、アルミナ、スピネル、ジルコニア、ムライト等の多孔
質保護層を厚膜技術を用いて形成することが好ましく、
また拡散室側の電極上の多孔質層には白金、ロジウム等
を分散させ、酸化反応の触媒作用を付与することが好ま
しい。

［作用１ このように形成された２個の素子のうち酸素濃淡電池素
子として用いられる素子は、酸素イオン伝導性固体電解
質の、適当な温度条件（例えば固体電解質がジルコニア
の場合４００℃以上）において、固体電解質表面の酸素
ガス分圧の高い所から、酸素ガス分圧の低い所へと固体
電解質中を酸素イオンが移動し、固体電解質に酸素ガス
透過性の電極をつけることにより電極間の酸素ガス分圧
の差を電圧（起電力）として取り出すことができる性質
を利用したものであって、本発明ではこの素子の拡散室
とは反対側の電極が大気と接触するよう空気室を形成す
ることによって、大気中の酸素濃度と拡散室の酸素濃度
との濃度差に応じた電圧を発生するようにされている。

一方酸素ポンプ素子として用いられる素子は、酸素イオ
ン伝導性固体電解質の、電圧をかけることにより固体電
解質中を酸素イオンが移動する性質を利用するものであ
り、２つの電極間に電圧をかけることによって拡散室の
酸素を排気中に汲み出すものである。尚、このｓ！素水
ポンプ素子拡散室とは反対側にも大気室を設けてもさし
つかえない。

従って空燃比信号検出手段においては、例えば酸素濃淡
電池素子より発生される電圧が所定の値になるよう、酸
素ポンプ素子を用いて拡散室の酸素を汲み出し、その時
酸素ポンプ素子に流れる電流（以下、ポンプ電流ともい
う。）を検出するとか、あるいは、その逆に酸素ポンプ
素子のポンプ電流を一定に１ｌＩ１１ｒａシて拡散室の
酸素を所定量だけ汲み出し、その時酸素濃淡電池素子か
ら発生される電圧を検出することによって、排気中の酸
素濃度に応じた空燃比信号を検出することもできる。

次に定電流供給手段は、酸素濃淡？！１池素子として用
いられる空気交の形成された素子を、単に酸素濃淡電池
素子のみとして用いるのではなく、酸素ポンプ素子とし
ても使用し、大気中の酸素、を所定量だけ拡散室に汲み
込むようにするためのものであって、これによって拡散
室には所定１０酸素が供給され、前記第２図に示した如
く、検出信号が理論空燃比近傍では反転し、リッチ域と
リーン域とでそれぞれ同一の検出信号が存在するといっ
たことを防止できるだけでなく、第３図に示す如く、リ
ッチ域からリーン域における所望の領域内で空燃比に対
応した検出信号を一方向性の連続した信号として簡単に
得ることができるようになるのである。つまり具体的に
は、例えば酸素濃淡電池素子に所定のｍｉを流すために
ｌ１ｌｔ１１される酸素濃淡電池素子の印加電圧は、大
気と拡散室との酸素濃度差に応じて発生される電圧に対
応して変化することから、その印加電圧が一定性になる
よう酸素ポンプ素子のポンプ電流を制御し、その値を検
出するとか、あるいは酸素濃淡電池素子に一定の電流を
所定時間流し、拡散室に大気中の酸素を所定量だけ供給
した後、前記説明したように酸素１１淡電池素子から発
生される電圧、あるいは酸素ポンプ素子のポンプ電流を
制御しその値を検出することによって、空燃比に対応し
た空燃比信号を検出することができるのである。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。

第１図は本発明の第１実施例を表わす構成図である。図
において１は内燃機関の排気管、２は排気管１に設けら
れた空燃比検出装置の検出素子部、３は検出素子部２を
制御して、排気中の酸素Ｓ度に対応する空燃比信号を検
出する空燃比信号検出回路である。尚この空燃比信号検
出回路３は前記空燃比信号検出手段に相当する。

ここでまず検出素子部２は、厚さ約０．５ｍｍの平板状
の、例えば安定化ジルコニア等からなる酸素イオン伝導
性の固体電解質４の両側面に、夫々厚膜技術を用いて約
２０μの厚さの多孔性電極である多孔質白金１を電極層
５．６が設けられた酸素ポンプ素子７と、この酸素ポン
プ素子７と同様に、平板状の酸素イオン伝導性固体電解
質８の両側面に多孔質白金買電ＶｉＡ層９．１０が設け
られた酸素濃淡電池素子１１とを備えている。そして酸
素ポンプ素子７と酸素ＩＩ淡電池素子１１とは０゜１ｍ
ｍ程度（０，０５〜０．１５ｍｍが好ましい。

）の間隙寸法の前記拡散室に相当する間＠ａを形成して
、排気管１の内部で対向配置させるため、その足元部に
は耐熱性で絶縁性の例えば充填接着剤等からなるスペー
サ１２を介して互いに固定されている。一方酸素ｍ淡電
池素子１１の間隙ａとの反対側には多孔質白金買電極層
１ｏを大気に接触させるべく、金属あるいはセラミック
ス等の耐熱性で気密な部材からなる壁面１３が設けられ
、空気室すが形成されている。また酸素ポンプ素子７、
酸素濃淡電池素子１１及び壁面１３の足元部局縁部には
、排気管取付用のねじ部１４が刻設された支持台１５が
、耐熱性で絶縁性の接着部材１６を介して取付けら些て
いる。従ってこのような構成の検出素子部２は、支持台
１５に刻設されたねじ部１４を排気管１に形成された検
出素子部取付用のねじ部１７に螺合し、締め付けること
によって排気管１に取り付けられることとなる。

次に空燃比信号検出回路３は、空気ｙｂがら間隙ａ内に
大気中の酸素が一定聞汲み込まれるよう、酸素濃淡電池
素子１１に流れる電流を一定に制御すると共に、その時
印加される電圧値が間隙ａと空気室すとの酸素濃度差に
応じて生ずる起電力に影響されることから、その印加電
圧が所定の電圧になるよう酸素ポンプ素子７に流れるポ
ンプ電流を制御し、その電流値を空燃比信号として検出
するよう構成されている。

まず酸素濃淡電池素子１１の空気室ｂｇｌ多孔貢白金質
電極１１１０は演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子に接続
され、また抵抗Ｒ１を介して、接地されている。一方間
隙ａ側の多孔質白金質電極ｌ！！９はトランジスタＴＲ
１のエミッタに接続されており、トランジスタＴＲＩの
ベースは抵抗Ｒ２を介して演算増幅器ｏＰ１の出力端子
に接続されている。また演算増幅器ＯＰ１の非反転入力
端子及びトランジスタＴＲ１のコレクタには夫々所定の
電圧Ｅ１及びＥ２が印加されている。従って演算増幅ｑ
、ＯＰ１及びトランジスタＴＲ１の動作によって多孔質
白金買電極層１０の電圧がＥｌとなるよう、トランジス
タＴＲ１のエミッタ電圧がらり曲され、酸素濃淡電池素
子１１にはＥ１／Ｒ１にて決定される一定電流１１が流
れることとなる。

次に演算増幅器ＯＰ１の出力端子は抵抗Ｒ３を介して演
算増幅器ＯＰ２の反転入力端子に接続されており、また
演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子には所定の電圧Ｅ３
が印加され、反転入力端子と出力端子とはコンデンサＣ
１を介して接続されている。つまり演算増幅１０Ｐ２に
よって積分回路が形成されているのである。また演算増
幅器ＯＰ２の出力端子はＮＰＮ型のトランジスタＴＲ２
のベースに接続され、トランジスタＴＲ２のコレクタに
は所定の電圧Ｅ４が印加されている。更にトランジスタ
ＴＲ２のエミッタは抵抗Ｒ４を介して酸素ポンプ素子７
の間隙ａとは反対側の多孔質電極層５に接続され、間隙
ａ側の多孔質電極ＷＩＪ６はそのまま接地されている。

従って演算増幅器ＯＰ１の出力端子電圧、即ち酸素濃淡
電池素子１１の印加電圧が演算増幅器ＯＰ２によって設
定電圧Ｅ３と比較され、トランジスタＴＲ２を介して酸
素ポンプ素子７のポンプ電流■２がその差に応じて制御
されることとなる。つまり大気中の酸素を一定量だけ間
隙ａ内に汲み込む為に印加される演算増幅器ＯＰ１の出
力端子電圧は、空気室すと間隙ａとの酸素濃度差に応じ
て生ずる電圧に影響され、その起電力が大きくなると出
力端子電圧は小さくなり、その起電力が小さくなると出
力端子電圧は大きくなることから、その電圧が一定とな
るよう酸素ポンプ素子７のポンプ′Ｒ流１２を制御して
いるのであって、このポンプ電流■２が流れる抵抗Ｒ４
の両端の電圧ＶＳを検出することによって、空燃比に対
応した前記第３図に示した如き特性の空燃比信号が検出
できるようになるのである。

尚本実施例においては酸素濃淡電池素子７に常時一定電
流を流すための演算増幅器ＯＰ１の出力端子電圧が一定
となるよう酸素ポンプ素子のポンプ電流Ｉ２を制御し、
その値を検出するようにしているが、この場合演算増幅
器ＯＰ１の出力端子電圧に対して空燃比の変化に伴い生
ずる酸素濃淡電池素子１１からの電圧が小さく、その変
化を検出し難いといったことも考えられるので、その場
合には酸素濃淡電池素子１１両端の各多孔質白金買電極
層９及び１０間の電圧を差動増幅器を用いて検出し、そ
の電圧が一定値になるようポンプ電流を制御し、その値
を検出するようにすれば、より精度よく空燃比信号を得
ることができるようになる。

次に本発明の第２実施例として上記第１実施例と同様の
検出素子部２を用い、まず酸素濃淡ｉ！池素子１１を用
いて大気中の酸素を間隙ａ内に所定量汲み込み、次いで
酸素濃淡電池素子１１にて発生される起電力を検出して
その値を一定−にするよう酸素ポンプ素子７のポンプ電
流を制御し、その値を空燃比信号とするといったことを
、所定周期でくり返し行なう空燃比検出装置を挙げ説明
する。

第４図はその装置の全体構成を表わし、上述したように
検出素子部２は前記第１実施例と全く同様である。

図において３１は演算増幅器ＯＰ３を中心に構成された
マルチバイブレータであって所定周期の０Ｎ−ＯＦＦ信
号を出力する。また３２は、第５図に示す如く、マルチ
バイブレータ３１より出力される０Ｎ−ＯＦＦ信号■１
の立ち上がり時期にはそのままトランジスタＴＲ３をＯ
Ｎ状態にし、立ち下がり時期には抵抗Ｒ５及びコンデン
サＣ２の値により決定される時間Δｔ１だけ遅れてトラ
ンジスタＴＲ３をＯＦＦ状態にするため、トランジスタ
ＴＲ３のベースに接続された時定数回路であり、３３は
上記時定数回路３２とｔよ逆に、マルチバイブレータ３
１より出力される０Ｎ−ＯＦＦ信号ｖ１の立ち上がり時
期には抵抗Ｒ６及クコンデンサＣ３の値により決定され
る時間Δｔ２だけ遅れてトランジスタＴＲ４をＯＦＦ状
態にし、立ち下がり時期にはそのままトランジスタＴＲ
４をＯＮ状態にするため、トランジスタＴＲ４のベース
にオアゲートＯＲＩを介して接続された時定数回路であ
る。

次に演算増幅器ＯＰ４及びトランジスタＴＲ５は酸素濃
淡電池素子１１に所定電流■３を流し、所定量の酸素を
大気中から間隙ａ内に汲み込むための定電流回路を形成
しており、トランジスタＴＲ５のベースをトランジスタ
ＴＲ３のコレクタに接続することによって、第５図に示
す如りトランジスタＴＲ３がＯＦＦ状態の時、トランジ
スタＴＲ５がｖＪ作し、酸素濃淡電池素子１１に所定電
流Ｉ３を流すように構成されている。

また演算増幅器ＯＰ５は酸素ｌ淡電池素子１１にて大気
と間隙ａとの酸素濃度差に応じて生ずる電圧を増幅する
ための増幅回路を形成し、演算増幅１０Ｐ６及びトラン
ジスタＴＲ６はその増幅された酸素ｍ度差に応じた電圧
信号が常時所定電圧となるよう酸素ポンプ素子７に流れ
る電流１４をＩＩＩ　Ｉｊするポンプ電流υノ御回路を
形成している。そしてトランジスタＴＲ６のベースをト
ランジスタＴＲ４のコレクタに接□続することによって
、上記ポンプ電流制御が酸素濃淡電池素子１１がポンプ
素子として動作していない時に行なわれるようされてい
る。従ってトランジスタＴＲ６が動作し、上記ポンプ電
流υＪｉｌｔが実行されるのは、第５図に示す如く、ト
ランジスタＴＲ４がＯＦＦ状態となっている時というこ
とになる。

次に演算増幅器ＯＰ７は、酸素ポンプ素子７に流れるポ
ンプ電流Ｉ４を抵ＦＣＲ７を介して電圧値として検出す
るための差動増幅器であって、その電圧信号はコンデン
サＣ２及び演算増幅器ＯＰ８を用いて平滑され、空燃比
信号Ｖｓとして検出される。

このように本実施例では所定の周期で酸素ｍ淡電池素子
１１をポンプ素子又は濃淡電池素子として切り換えて使
用し、間隙ａ内に所定量の酸素を汲み込んだ後、空燃比
信号を検出するようにしているが、これは酸素ａｉ電池
素子１１のインピーダンス変動の影響を解消するのに有
効な手法であって、この場合にも得られる空燃比信号は
前記第３図に示した如き特性のものとなり、空燃比のリ
ーン域からリッチ域にかけて、全領域で空燃比に対応し
た空燃比信号を得ることができるようになる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明の空燃比検出装置では、酸素
ｍ淡電池素子の拡散室とは反対側の電極が大気と接触さ
れるよう空気室が形成され、しかもこの酸素濃淡電池素
子を単に大気と拡散室との酸素濃度差に対応した起電力
を得るためにだけ用いるのではなく、大気中の酸素を所
定量だけ拡散室に汲み込むよう、酸素濃淡電池素子に所
定の電流を供給する定電流供給手段が設けられている。

従って、この空燃比検出装置を用いれば空燃比のリーン
からリッチにかけて連続して、しかも方向が一定で変化
する電気量の形で空燃比信号を得ることができ、内燃機
関等各種燃焼機器に供給される混合気の空燃比を簡単に
知ることができるようになる。またこの検出された空燃
比信号を用いて空燃比制御を実行する際には、その信号
をそのまま用いて簡単にしかも全空燃比範囲で精度よく
実行することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第１実施例の空燃比検出装置の全体構成
図、第２図は従来の空燃比検出装置の検出信号の特性を
表わす線図、第３図は本発明の空燃比検出装置の検出信
号の特性を表わす線図、第４図は本発明の第２実施例の
空燃比検出装置の全体構成図、第５図はその動作を説明
するタイムチャートである。 ２・・・検出素子部 ３．３′・・・空燃比信号検出回路 ４．８・・・固体電解質 ５．６．９．１０・・・多孔質白金買電極層７・・・酸
素ポンプ素子 １１・・・酸素濃淡電池素子 ａ・・・間隙 ｂ・・・空気室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 酸素イオン伝導性の固体電解質両面に多孔性電極が形成
   された２個の素子を、排気の流入が制限された拡散室に
   面して配設してなる検出素子部と、上記２個の素子のう
   ち、一方を酸素濃淡電池素子、他方の素子を酸素ポンプ
   素子として動作させ、該酸素濃淡電池素子より発生され
   る電圧又は上記酸素ポンプ素子に流れる電流を制御して
   、排気中の酸素濃度に応じた空燃比信号を出力する空燃
   比信号検出手段と、 を備えた空燃比検出装置において、 上記２個の素子のうち少なくとも酸素濃淡電池素子の上
   記拡散室とは反対側の電極が、大気と接触するよう、空
   気室を設けると共に、 上記酸素濃淡電池素子を用いて大気中の酸素を所定量だ
   け上記拡散室に汲み込むべく、上記空燃比信号検出手段
   に、上記酸素濃淡電池素子に所定の電流を供給する定電
   流供給手段を設けたこと、を特徴とする空燃比検出装置
   。