JPS61180131A - 自動車用空燃比センサ - Google Patents

自動車用空燃比センサ

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JPS61180131A
JPS61180131A JP60019982A JP1998285A JPS61180131A JP S61180131 A JPS61180131 A JP S61180131A JP 60019982 A JP60019982 A JP 60019982A JP 1998285 A JP1998285 A JP 1998285A JP S61180131 A JPS61180131 A JP S61180131A
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oxygen
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清光 鈴木
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隆生 笹山
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    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065Circuit arrangements specially adapted therefor

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】 〔発明の利用分野〕 本発明に内燃機関の空燃比制御装置用センサに係り、特
にリッチ領域、理論空燃比及びリーン領域の3状態の空
燃比を広範囲に検出可能な自動車用空燃比センサ(関す
る。
〔発明の背景〕
内燃機関にその機関状態に応じて、空気過剰率λがλ〈
1の領域(リッチ領域)、λ=1(理論空燃比)、λ〉
1の領域(リーン領域)で運転することが望しく、単一
の空燃比センサでリッチ領域からり−ン領域までの空燃
比を幅広く検出することが要求されている。
一方、空燃比あるいは空気過剰率λに対する排ガス中の
残存酸素濃度と一酸化炭素濃度の関係に第11図に示さ
れるように、リーン領域においては酸素(02)濃度、
リッチ領域においては未燃ガスである一酸化炭素(CO
)濃度が空燃比に対応してほぼリニアに変化する。
これらの残存酸素濃度や一酸化炭素の濃度を利用して、
各領域の空燃比を個別に検出する従来の空−比センサの
基本原理を第12図03(Qに示す。
空燃比センサU電極1、ジルコニア固体電解質2、電極
3、保護膜4及び電流計5よりなる。
W、12図(A)に例えば特開昭53−66292号で
仰られているように、電極1を陰極、電極3を陽極とし
て両電極間に約0.5ボルトの励起電圧Eを印加して、
λく1のリッチ領域を検出するものである。即ち、保護
膜4はガス拡散低抗体として機と接する電極1部から慮
獲3部へ、ジルコニア固体梶解質2中を噴累イオンの形
で移送される。従つて、電流計5で計測されるポンプ電
流Ipに電極1から電極3へ移送される酸素イオンの量
であり、保護膜4中を電極3部へ拡散する未燃ガスの量
に対応する故、このIp値からリッチ領域の空燃比をア
ナログ的に検出するものである。
また、第12図面に示すように、保護膜4を介して排気
雰囲気と接する電極3を基準として、両電極間の起電力
e2を検出すると、とのe2値は理論空燃比で約1ボル
ト、ステップ状に変化する故、e2値からλ=1をほぼ
ディジタル的に検出できることが例えば特開昭47−3
7599号などで知られている。
なお、第12図(Qに示すように、電極3を陰極として
両電極間に約0.5ボルトの励起電圧Eを印加すると、
tff13部から電極1部へ酸素イオンがポンピングさ
れ、電流計5でポンプ電流Ipが計測される。このポン
プ電流値Ipは保護膜を介して、電極3部へ拡散する酸
素の量に対応する故、このIp値からλ〉1のり一ン領
域を検出できることが例えば特開昭52−69690号
で知られている。
第12図(A)〜0に示し友従来の空燃比センサの特性
の一例を第13図に示す。リーン領域の特性は一点鎖線
、リッチ領域の特性に点線、理論空燃比点の検出特性に
実線で示される。このように、各領域を個別に検出する
ことに知られているが、幅広い空燃比を一貫した手法で
円滑に検出する構成ぼ未だ提案されていない。
なお、第12図03)H拡散律速に基づい九原理でない
故、同図の保護膜4のガス拡散抵抗度合に第t29(A
)、(C)の場合より小さく形成されている。
一般的にに第12図面の保護膜4の厚さは他に比べて、
薄く形成されて鬼ハる。
ま之、電極間に一定の電流を励起して、両電極間に発生
する端子電圧がら空燃比をアナログ的に検出できること
が例えば特開昭55−62349号や同55−1544
50号などで知られている。そして、両電極の極性を切
換えることによって、リッチ及びリーン領域の空燃比を
検出できることが示されている。しかし、どのような方
法で、どの時点で他性を切換えるかに示されていない。
また、両電極と成子回路間の結線を切換え、でンサの測
定モードを変更することにより、理論空燃比とリーン領
域の空燃比を検出する方法が特開昭58−48749号
で知られている。しかし、この方法でげ、リッチ領域の
噴出について考慮されていない。
〔発明の目的〕
本発明の目的i1Jツチ領域、理論空燃比及びリーン領
域の3状態の空燃比を簡単な構成で高精度に検出できる
自動車用空燃比センサを提供するにある。
〔発明の概要〕
本発明に、検出部を構成するジルコニア固体電解質の排
気雰囲気側tiのポテンシャル電位が、検出部を駆動す
るための駆動回路をグラントノベルより高い値に設定さ
れ、前記検出部を構成する大気雰囲気側電標と排気雰囲
気側゛電極間の励起電圧が前記駆動回路にてフィードバ
ック制御されることを特徴とする。これにより、ジルコ
ニア固体市解質中を流れる酸素イオンの量からリッチ領
域、理論空燃比及びリーン領域の3状態の空燃比が連続
的に検出される。
〔発明の実施例〕
本発明による空燃比センサの実装状態を第14図に示す
。袋管状の検出部10[孔11を有する保護管12内に
配置され、ネジ13を有する怜体14内に固着されて、
排ガスの流動する排気管15に装着される。16は電極
端子、17げヒータ端子であり、これらの端子を介して
検出部10ぼ電子側、i8(図示せず)と接続される。
なお、袋管状の検出部であるジルコニア固体電解質10
の内部には、これを加熱するために棒状のヒータ(アル
ミナ棒に形成し几Wヒータなど)が装着される。
本発明の一英惇例の説明に先行して、本発明の基礎とな
る原理につき第1図および第2図に従い説明する。
今、大気雰囲気側雪原と排気雰囲気側電極間の第2図に
おいて、理論空・燃比(λ=1)でステップ状の変化を
示す曲線aの特性に対し、図中に例えば励起電圧特性す
で示すように、空気過剰率λによらず、所定の大きさの
電圧Vz(例えば、0.45ボルト)を励起し、この励
起電圧によりλ〈1のリッチ領域でに曲線の起電力を低
下させるように、λ〉1のり一ン領域でに逆に増加させ
るように構成する。なお、電圧Vzlf’l後述するよ
うに特性c、dのごとく所定の傾き又にステップ状に変
化させるよう印加してもよい。
第1図μ本発明に基づく原理講成図を示したものである
。第1図において酸素濃度の検出部と、この検出部を駆
動する駆動回路から構成される。
20部袋管状のジルコニア固体電解質であり、その内部
には大気が導入されている。21は棒状のヒータであり
、ジルコニア固体電解質20を少なくとも600C以上
の高温に加熱し、酸素イオンの4睡性を向上させる。ジ
ルコニア固体電解質20の大気雰囲気側には第1の電極
22、排ガス雰囲気側にぼ第2の゛電極23が形成され
ている。
これらの電極は厚さが数〜数十μmの白金材料からなり
、多孔質に形成される。第2の電顕23の、渋面上にに
拡散抵抗体24が形成され、排気ガス雰囲気中から第2
の成甑23部へ拡散で流入する酸素や未・燃ガスである
一酸化炭素などの流入を抑制する。拡散抵抗体24げス
ピネルなどをプラズマ連射したものであり、多孔質に製
作される。拡散の抵抗率を大きくするtめ、その厚さに
数百μm″′Cあり、4倫空燃比センサの数倍の厚さで
ある。以上により空燃比センサの検出部が構成される。
25ニゲ差動増幅器であり、v!1μその電源電圧であ
る。第2の4極23汀リアルグランド26より一定α位
だけハイレベルのポテンシャルグランド27に接続され
る。第1の成(i22は増幅器25の一側入力端子に接
続される。増幅器25の(ト)個入力端子とポテンシャ
ルグランド間にぼ、励起に圧VR段設定の゛シ圧源28
を接続する。抵抗値Rの固定抵抗29はジルコニア固体
ぽ解質20中を流れる酸素イオンの量、即ち酸素ポンプ
電流Ipt出力′醒圧Eoに変換するためのものである
以上の構成により駆動回路が構成される。
以下、作用を説明する。
リーン領域においてa1第2の電極23の電位が第1の
成極22のα位よりViだけ低い友め、この励起電圧V
I!によって第2の電極23部の酸素げこの電極部で酸
素イオン(0−)に変換され、ジルコニア固体′シ解質
20中を酸素ポンプ作用によって、第1の電極22部へ
移送される。そして、この選礪部で再び酸化され、大気
雰囲気中に放出される。このとき、正のポンプ電流Ip
(0−とぼ逆向き)が回路中に流れ、出力電圧Eoを変
化させる。
、b)0なるポンプ電流筐Ipに排気ガス雰囲気中より
拡散抵抗体24t−介して、第2の電極23部へ拡散に
よって流入する墳素量に対応する故、次式が成立する。
即ち、λを空気過剰率、Kを比例定数とすると Ip−K(λ−1)      ・・・・・・(1)従
って、空燃比センサの出力電圧Eo nポテンシャルグ
ランドの電位をVo とするとEo =Vi +Vo 
+Ip R−−(2)である故、(t)、(2)式より
、 EO= VR+VO+K (λ−1)R,P     
−−−−−−(3)となる。
理論空燃比(λ=1)においてぼ、拡散抵抗体24を介
して@2の電極23部へ拡散で流入する排気ガス中の残
存酸素と一酸化炭素などの残存未燃ガスの量に化学当量
比であり、第2の?l!vtの触媒作用により両者に完
全に燃I暁する。そして、第2の4至23部でに酸素が
なくなる故、第1の゛覗暖22と第2の雪隠23[閏に
電圧が励起されても、ジルコニア固体賀屏質20・fを
移送される酸素イオンにすくなる。従って、d子回路中
に流れるポンプ邂流ばI p = Oになる。
このときの出力電圧E。ホ(3)式よりEo =V寞+
Vo          ”・’(4)となり、回路定
数で決まる一定値になる。(4)式ぼI P jIに不
変なる故、λ=1における出力電圧EoH愼めて言頼性
の高い特徴を有する。
リッチ領、域に訃いでに、第2図にて説明した如く両電
極間の起電力を励起電圧レベルまで低下させている念め
、酸素イオンに第1の醒罹22部より第2の電極23部
へ、ジルコニア固体電解質20中をリーン領域の場合の
逆向きに流れる。この酸素イオン流に第2の電極23部
の酸素濃度を高めるように作用する。この酸素イオンげ
第2の′慮榎23部で酸化されて再び酸素ガスになり、
拡散抵抗体24を介して排気ガス雰囲気中より第2の電
甑23部へ拡散で流入する一酸化炭素などの未燃ガスと
燃焼する。
それ故、ジルコニア固体電解質20中を第1の電極22
部より第2の電極23部へ移送される酸素イオンの量に
、第2の電極23部へ拡散で流入する未燃ガスの量に対
応した値になる。この場合、電子回路中を流れるポンプ
眠流値にI p < Oとなる。
なお、−酸化炭素などの未燃ガスの濃度と空気過剰率λ
の間には第11図に示した関係があるため、リッチ領域
においても(1)弐〜(3)式が成立する。
念だし、リーン領域でぼλ〉1なる友めI p > O
、リッチ領域で汀λ〈1なる友めrp<oになる。
次に本発明による空燃比センサの駆動回路の一実廁IA
を第3図に従い説、明する。なお、図中第1図と同一部
分に第1図のものと同じ番号で示している。
第2の電極23にポテンシャルグランド27(図中Y点
)と凄続され、増幅器30によって定心1位Voに制御
されている。第1の電極22の電位ケ増幅器25によっ
て、(’Vo +VR)に制御されている。従って、第
1の電極22と第2の電甑23間の差成圧、即ち励起電
圧vtぼVE = (VO+VR) −VO=VR−・
・・(5)となり、空気過≠1率λによらず一定に制御
される。
リーン領域(λ〉1)において、ボンピング電1IpH
X点→抵抗29→ジルコニア固体電解質20→ポテンシ
ャル・グランドY点→増幅器30を介して、リアル・グ
ランド26に流れる。
リッチ領域(λく1)においてぽ、ポテンシャル・グラ
ンドY点→ジルコニア固体電解質20→抵抗29→X点
→増幅器25を介して、リアル・グランド26に流れる
理論空燃比(λ=1)においてに、本センサに原理的に
Ip=Oなる故、出力電圧Eoぼ(4)式で示す如く、
(Vl +VO)になる。
このように、本発明による空燃比センサの一実施例によ
れば1を甑間の極性を切換えることなく、しかも単一の
電源回路でλ〈1.λ=1及びλ〉1の3状態を連続的
に検出できる利点が得られる。
第3図に示す本発明の一実施例の構成により測定し友結
果の一例を第4図に示す。′fJ4図にV。
=4.55ポルト、V m = 0.45 yk: ル
トノときの測定結果を示したものである。図中に実線で
示されるように、リッチからり一ン領域までの幅広い空
燃比を連続的に検出することができる。また、理論空燃
比(λ=1)における出力電圧E。rcv。
+ V n = 5ボルトと原理的に予測しt値になる
ことも確1忍できた。
本実施例によれば、全領域の空燃比を高い精度でIJ 
ニアに検出でき、機関の状態に応じて空燃比の円滑なフ
ィードバック制御が可能となり、排気対置や燃料経済性
の点から従来システムよりげる゛かに優れた制御システ
ムの提供が可能になる。特に、リーン領域でのエンジン
・口制御を可能にできること、リッチ領域でのリニアな
フィードバック制御を可能にできることによる燃料効率
の大きな改善効果が期待できる。
センサ検出部のv−■特性を4X5図に示す。
図に示すように、ポンプ’tl+’に、 I p rz
 ;hる励起電圧で一定の飽和ぼ帷呟を示す。この飽和
電流値を計測することにより、空気過剰率λの検出が可
能になる。励起電圧Vwがさらに大きくなると、ボンプ
ゼ流Ipぼ飽和埴より高い値を示す。これぼジルコニア
固体電解質20がイオン伝導領域からイ子伝導追域へ移
行するためである。空気過剰率λが小さいほど、小さい
励起電圧VRで電子伝導頒域へ移行する。
λ〉1の領域で”6 I p > Oとなり拡散抵抗体
24を介して第2の電極23部へ拡散で流入する酸素の
量に対応する。λく1の領域でh I p < 0とな
り、拡散抵抗体24を介して第2の電極23部へ拡散で
流入する一酸化炭素などの未燃ガスのiIp対応する。
なお、第6図にジルコニア固体祇解質の温度T、が7 
Of:のときのV−I特性である。
??!r空気過剰率λに対する飽和を流値Ipt検出で
きnば、リッチからり一ン領域までの幅広い空燃比ラリ
ニアに検出することができる。第5図のV−I!性から
理解できるように、空気過剰率λに対する励起電圧特性
をb特性、C特性めるいぼd特性に設定することにより
、これらの飽和電流値を計測できる。
励起電圧特性がb特性の場合、λ=0.5及びλ=1.
5近傍の飽和−流値の計測が困難になる。これは励起電
圧をC特性、望ましくぼd特性のように変更することに
より解決される。
ジルコニア固体電解質a低温はど、その内部抵抗が増加
するため、V−I特性の領域αは小さくなる。従って低
温はど飽和電流値の計測が困難になり易く、その程度に
b群性が最も着るしい。このために、ジルコニア固体電
解質をヒータにて高4宣に加熱する必要がある。ジルコ
ニア固体電解質をヒータにて、励起電圧特性がb特性の
場合は約750C,C特性の場合に約700C,d特性
の場合に約670C以上に加熱することが望ましい。ヒ
ータの所要電力や耐久性を考慮したとき、b特性よりぼ
c14性、C特性よりにd特性が望ましい。
な督、これらの励起電圧特性に第2図に示すす。
c、d特性にそれぞれ相当する。
第6図に第2図に示される励起電圧特性Cを得るための
一実施例を示す。すなわち、第3図の構成に新tに抵抗
33と抵抗34を電源28とX点との間に図のように接
続したものである。この結果、ポンプ電流値1pによっ
て変化する出力電圧EOに応じて、抵抗34部には電位
差rIpが発生し、この値だけ第1の電極22、第2の
電極23間の差電圧即ち、両電極間の励起電圧■Σを変
化させる。抵抗34の抵抗値rをジルコニア固体電解質
20の内部抵抗に近い値に設定すると、空燃比センサの
出力電圧Eoに排ガス温度の影響を受けにくくなる。電
位rIp ll″を抵抗値rの他に、ポンプ電流値Ip
Kよっても変化する故、空気過剰率λに対しても自動的
に変化することになり、両電極間の差電圧即ち励起電圧
VxH第2図中の特性Cのようになる。本実施の構成に
よれば、ジルコニア固体電解質の酸素イオン伝導度の温
度依存性を改善できる。
を有する。この回路構成によれば、ジルコニア固体電解
質20の温度T5が650Cの場合でもその出力特性は
第4図中へ実線で示し念値と同一になり、同様に温度影
響の対策に効果がある。
第8図は@2図に示す励起電圧特性dを得るための駆動
回路の一実施例を示す。基本的には第7図の回路構成に
1?たに、加減算用の増幅器281.2出力コンパレー
タ41及びスイッチ42と43を付加したものである。
ポンプ電流I P = 0で反転する2出力コンパレー
タ41の出力、1号■、■でスイッチ42と43を駆動
し、加減算用の増幅器281の+側入力端子と一側入力
端子に成田Vを交互に与える。増幅器25の+側入力端
子2点の電位をV″″、抵抗334Sの成流値をiとす
るととなる。
このような回路構成にすることにより、両電極間の励起
成田特性を第2図中の特性dの如く与えることができる
。従って、各空気過剰率λに対応し友飽和ポンプ電流値
Ipを検出するのに、この励起磁圧特性dが適している
ことは第5図に示し7tV  In性からも容易に理解
することができる。
第8図の回路構成による測定結果の一例を第9図に示す
。なお、この図1rX−v = 0.15ボルトのとき
の測定結果を示している。この場合、図に示すように、
理論空燃比λ=1で出力電圧Eoぼ2vだけステップ状
に変化する。
2vだけステップ状に変化するのに本実施例において本
質的な問題でぼなく、λ≦1の領域で第9図の特性へ2
vだけ加算すれば、全領域でその出力電圧Eoの特性は
リニアになる。
本実施例の構成によれば電極劣化(界面抵抗の。
増加)に基因する精度低下の改善に効果がある。
なお、以上の説明でに本発明による空燃比センサの検出
部のジルコニア固体電解質の形状を、袋管状のもので説
明してきたが、本発明はこれに限定されるものでにない
。即ち、第1の電極部へ大気を導入できる構造であれば
良く、例えば、第10図に示すような平板構造のもので
も良い。
第10図にジルコニア固体電解質が平板、拡散抵抗体が
例えば1個の孔よりなる場合を示している。
第1図と第10図で同一番号のものに、同一の機能を有
するものである。大気a通路32を介して、第1の電極
22部へ導入されミ。排気ガス中の残存酸素や未燃ガス
は孔形状の拡散抵抗体24を介して、拡散室31内の第
2の電極23部へ拡散で流入するものでちる。ジルコニ
ア固体電解質20に固着されたアルミナ絶縁層211内
のヒータ212によって、ジルコニア固体電解質20に
債素イオン伝導度の高い高温(例えば、600c以上)
度尾加熱制御される。
〔発明の効果〕
本発明によれば、リッチ領域、理論空燃比及びリーン領
域の3状態の幅広い空燃比を簡単な構成により高精度に
て検出できる空燃比センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図に本発明による空燃比センサのチ原理構成図、第
2図ム本発明の詳細な説明するための起電力!時性図、
第3図に本発明による空燃比センサの一実施例を示す回
路構成図、第4図に本発明による空燃比センサの一特性
を示す図、M5図に■−■特性の一例、第6図に本発明
にょる空燃比センサの他の実施列、第7図及び第8図に
本発明の他の実I虐例、第9図に本発明の空燃比センサ
の他の特性例4[第10図げ本発明による空燃比センサ
の他の実施例を示す回路構成図、第11図ぼ空燃比と排
ガス濃度の関係、第12図に従来の空燃比センサの原理
説明図、第13図に従来の空燃比センサの特性説明図、
第14図ぼ本発明による空燃比センサの実装状態図を示
すものである。 20・・・ジルコニア固体電解質、22・・・第1の電
極、23・・・第2の電極、24・・・拡散抵抗体、2
7・・・ボ′$1 目 2ヲ 茅20 久 空気通側譜入 $ 4 固 1、、V       /、θ       /、55
! タt 色!L]虻り  4t=  へ茅5 目 θ          θ、s          l
O屑力 走乙 電 圧  V″E  (ν・)2g V、7  図 茅 82 1 口 立入A側牽入 第12 囚 茅/J 目 1.5        7−θ        /、5
空気ゑ黍j争入 ギ14  囚

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.ジルコニア固体電解質、前記固体電解質の大気雰囲
    気側に形成した第1の電極、前記固体電解質の排気雰囲
    気側に形成した第2の電極、前記第2の電極上に形成し
    た拡散抵抗体を備えた検出部と、この検出部を駆動する
    ための駆動回路からなる空燃比センサにおいて、前記第
    2の電極のポテンシャル電位は前記枢動回路のグランド
    レベルより高い値に設定され、前記第1,第2の電極間
    の劾起電圧は前記駆動回路にてフイードバツク制御され
    るよう構成されたことを特徴とする自動車用空燃比セン
    サ。
  2. 2.特許請求の範囲第1項に記載のものにおいて、前記
    第1,第2の電極間の励起電圧は一定に制御されること
    を特徴とする自動車用空燃比センサ。
  3. 3.第1項記載の特許請求の範囲第1項に記載のものに
    おいて、前記固体電解質中を流れる酸素イオン量の大き
    さに応じて、前記第1,第2の電極間の励起電圧の値が
    可変にフイードバツク制御されることを特徴とする自動
    車用空燃比センサ。
  4. 4.特許請求の範囲第1項記載のものにおいて、前記固
    体電解質中を流れる酸素イオンの向きに応じて、前記第
    1,第2の電極間の励起電圧の値がステツプ的に変化さ
    れてフイードバツク制御されることを特徴とする自動車
    用空燃比センサ。
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