JPS61283861A - 酸素濃度測定装置 - 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、酸素センサを用いて自動車等エンジンの空燃
比を検出する装置に関する。

（従来の技術） 近時、エンジンの燃費、排気対策等の要求を満たすため
、理論空燃比のみならずリッチ領域やリーン領域におい
ても空燃比がフィードバック制御される傾向にあり、こ
のような空燃比は、通常、排気中の酸素濃度をパラメー
タとして検出される。

このため、空燃比をリッチ、リーン領域まで検出可能な
酸素センサが種々開発されている（例えば、特開昭５９
−１９２９５５号公報参照）。

本発明の出願人も開田の酸素濃度測定装置（特願昭５９
−６７０）を提案しており、第５〜９図のように示され
る。

第５．６図は酸素センサの分解斜視図およびその断面図
である。これらの図において、１はアルミナからなる基
板であり、基板１上にはヒータ２を介してチャンネル状
０大気導入部３を形成した大気導入板４が積層される。

その上に、酸素イオン伝導性の平板状の第１の固体電解
質５が積層され、固体電解質５の下面には大気に晒され
る電極であるセンサアノード（基準電極）６が、それに
対応する上面には排気ガスが晒される電極であるセンサ
カソード（測定電極）７がそれぞれ印刷により設けられ
る。

さらに、この固体電解質５の上に厚さＬ　（Ｌ＝０，１
ｍ程度）のスペーサ板８が積層され、その上に平板状の
第２の固体電解質９が積層される。

これらの固体電極質５．９およびスペーサ板８はセンサ
カソード７を覆ってこのセンサカソード７の周りにガス
導入部（酸素層）　１０を画成する酸素層画成部材１１
を構成しており、酸素層画成部材１１は排気とガス導入
部ｌＯとの間の酸素分子の拡散を制限する。

上記センサアノード６、センサカソード７および固体電
解質５はセンサ部１２を構成しており、センサ部１２は
大気導入部３とガス導入部１０との間の酸素分圧比に応
じた電圧（以下、センサ電圧という）Ｖｓを出力する。

また、第２の固体電解質９の上、下面にはそれぞれポン
プアノード１３およびポンプカソード１４が設けられ、
これらのポンプアノード１３、ポンプカソード１４およ
び固体電解質９はポンプ部１５を構成する。ポンプ部１
５はポンプ電極間に供給されるポンプ電流ＩｐＯ値に応
じてガス導入部１０の酸素分圧を制御讐る。

上記センサ部１２、ポンプ部１５、酸素層画成部材１１
および大気導入板４は全体として酸素センサ１６を構成
する。なお、ヒータ２は固体電解質５、９を適温に加熱
しこれらを活性化させる。また、１７．１８はヒータ２
のリード線、１９〜２２はそれぞれセンサアノード６、
センサカソード７、ポンプアノード１３、ポンプカソー
ド１４のリード線である。

このような酸素センサ１６は単体では空燃比を連続的に
検出することができず、外部からのエネルギを必要とし
その外部エネルギを酸素濃度に相関させている。

第７図は上記酸素センサ１６を使用した空燃比検出回路
の回路図である。第７図において、酸素センサ１６はリ
ード線１９〜２２を介して空燃比検出回路３１に接続さ
れており、空燃比検出回路３１は差値検出回路羽、積分
回路羽およびＶ−を変換回路３４により構成される。積
分回路３２は差動アンプあと電圧源部からなり、センサ
電圧Ｖｓから目標電圧Ｖａを減算して積分回路羽に出力
する。目標電圧Ｖａはガス導入部１０の酸素濃度が所定
値比維持されているときのセンサ電圧Ｖｓの急変する電
圧値の上限と下限の中間値であり、電圧−訂により設定
される。

そして、センサ電圧Ｖｓはガス導入部１０の酸素濃度に
対応し、目標電圧Ｖａは上記所定値に対応しているから
、差値ΔＶはガス導入部１０における現酸素濃度の所定
値からのずれの大きさを表している。積分回路おはオペ
アンプ羽、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１からなり、差
値Δ■を所定の積分定数で積分して積分出力ＶｃをＶ−
Ｉ変換回路３４に出力する。Ｖ−１変換回路別は差動ア
ンプ３９、オペアンプ４０および抵抗Ｒ２からなり、積
分出力Ｖｃとポンプ電流Ｉｐに応じた抵抗Ｒ２の両端電
圧を検出する差動アンプ３９の出力とに応じてオペアン
プ４０から積分出力Ｖｃに対応する大きさおよび方向の
ポンプ電流１ｐを供給する。また、Ｖ−１変換回路Ｍは
上述したようにボンブー流Ｉｐの値を抵抗Ｒ２の両端電
圧として検出しており、これを検出電圧Ｖｔとして出力
する。この検出電圧Ｖｉはポンプ電流１ｐが矢印ＩＬ方
向に流れるとき正、矢印■＆方向に流れるとき負の値と
なり（第６図参照）、空燃比に一義的に対抗したものと
なる。

すなわち、ＶｓｍＶａとなるように酸素センサス６にポ
ンプ電流Ｉｐを供給すると、ポンプ電流Ｉｐの酸素ポン
プ作用によりガス導入部１０の酸素分圧が決定される。

いま、排気温度１０００°にであるとき、例えばＶａ−
５００ｍＶに設定しガス導入部１０の酸素分圧（センサ
カソード７の酸素分圧Ｐｂ）を理論空燃比に対応した値
に維持しようとする場合、その値ｐｂは次に示すネルン
ストの式■により求められＰ　ｂ　−０，２０６Ｘ　１
０　　気圧となる。

Ｅ−（ＲＴ／４Ｆ）　　・Ｊｎ　・　（Ｐａ／Ｐｂ）−
・−−−−■ 但し、Ｒ：気体定数 Ｔ：絶対温度 Ｆ：ファラディ定数 Ｐａ：センサアノード６の酸素分圧 ポンプ電流ｉｐの値はガス導入部ｌＯの酸素分圧ｐｂを
理論空燃比に対応した上記所定値（Ｐｂ−０，２０６Ｘ
　１０　　気圧）に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おり、ポンプ電流Ｉｐの変化は排気
の酸素分圧、すなわち排気中の酸素濃度の変化に対応し
たものとなる。そして、これら両者の関係は排気中の酸
素濃度を空燃比で表すと第８図に示すようなＩ　ｐ　−
Ａ／Ｆ特性になり、ポンプ電流１ｐの値を検出電圧Ｖｉ
として検出することにより、空燃比を連続して測定する
ことができる。この検出電圧Ｖｉは、その大きさが空燃
比に対して緩やかに変化しており、理論空燃比で零とな
る。

なお、ポンプ電流ＩｐＯ値は理論空燃比よりリーン領域
では排気中の酸素分子０２の量に対応し、リッチ領域で
は排気中のＣＯやＨ２等の量（これらが酸素分子０２に
変換されるため）に対応したものとなり、理論空燃比を
境に流れる方向が反転する。したがって、リッチ領域の
空燃比をも精度よく検出することができ、これらを用い
ることによりリッチ空燃比のフィードバック制御も可能
となる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような先順に係る装置にあっては、
リーン領域では排気中の酸素分圧に比例し、リッチ領域
では排気中の還元性ガス（Ｇｏ、Ｈ２等）の分圧に比例
するポンプ電流（拡散電流）を酸素センサに供給し、こ
のポンプ電流の値がら空燃比を検出する構成となってい
るため、長期間の使用に伴い固体電解質やポンプ電極の
耐久劣化によつて出力特性がいわゆる経時変化を起こす
（以下、特性変化という）おそれが′ある。このような
出力特性の経時変化は第９図に曲線Ｘで示すように正規
の出力（曲線Ｒ）に対してＩｐ−Ａ／Ｆ特性がずれたも
のとなって空燃比の検出精度の低下を招（。

また、特性変化が著しい場合には第９図に曲線Ｙで示す
ようにポンプ電流の値が空燃比検出回路の供給限界を超
える大きさとなって、実際上空燃比の検出が困難となる
おそれがある。

（発明の目的〉 そこで本発明は、同一構造の酸素センサを２つ設けて所
定の較正状態毎に一方の酸素センサの測定ポンプ電流の
値を他方の補正ポンプ電流の値に基づいて適切に較正し
その較正値がら空燃比を判断するとともに、これらの電
流値を比較して一方の酸素センサが異常と判断したとき
他方の補正ポンプ電流の値に基づいて空燃比を判断する
ことにより、主酸素センサの特性変化や異常に拘らず測
定ポンプ電流の較正値あるいは補正ポンプ電流の値を空
燃比に正確に対応させて空燃比の検出精度を向上させる
ことを目的としてる。

（発明の構成） 本発明による酸素濃度測定装置はその基本概念図を第１
図に示すように、排気中の酸素濃度に相関する測定ポン
プ電流が供給される主酸素センサａと、主酸素センサａ
と同一構造を有し、補正ポンプ電流が供給される補正酸
素センサｂと、較正信号の非入力時、主酸素センサａに
測定ポンプ電流を供給し、較正信号が入力されると補正
酸素センサｂに補正ポンプ電流を供給するとともにこれ
らの電流値を検出する電流供給手段Ｃと、測定ポンプ電
流の値を補正ポンプ電流の値に基づいて較正し排気中の
酸素濃度を算出するとともに主酸素センサａが異常であ
ると判別されたとき補正ポンプ電流の値に基づいて排気
中の酸素濃度を算出する濃度測定手段ｄと、エンジンが
所定の較正状態にあるとき前記較正信号を出力するとと
もに、測定ポンプ電流および補正ポンプ電流の値に基づ
いて主酸素センサａが異常であか否かを判別する判別手
段ｅと、を備えており、主酸素センサａの特性変化や異
常に拘らず空燃比を正確に検出するものである。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２．４図は本発明の第１実施例を示す図である。

本実施例の説明にあたり先願例と同一構成部分には同一
番号を附してその説明を省略する。

まず構成を説明する。第２図において、４１は酸素セン
サであり、酸素センサ４１は先願例に対してポンプ電極
が２組配設されている点が異なる。すなわち、酸素セン
サ４１は第３図に詳細を示すように、その固体電解質９
の上、下面にそれぞれ２組のポンプアノード４２．４３
およびポンプカソード４４．４５が配設されており、こ
れらは第１ポンプ電極４２．４４および第２ポンプ電極
４３．４５を構成し、リード線４６〜４９がそれぞれ接
続される。ここに、酸素センサ４１は第１ポンプ電極４
２．４４を有して構成される第１ポンプ部とセンサ部１
２との組合せにより主酸素センサとしての機能を有し、
第２ポンプ電極４３．４５を有して構成される第２ポン
プ部とセンサ部１２との組合せにより補正酸素センサと
しての機能を有する。

酸素センサ４１はスイッチ（資）を介してセンサ制御回
路５１に接続されており、センサ制御回路５１は第８図
に示した従来例の空燃比検出回路３１と同様の機能を有
する。そして、センサ制御回路５１はスイッチ（資）に
よって択一的に選択されたポンプ電極間へのポンプ電流
の供給を制御する。スイッチ５０は較正信号Ｓｃが入力
されるとその接点を図中下方に切換えて酸素センサ４１
の第２ポンプ電極４３．４５間に流れる補正ポンプ電流
Ｉｐ２の通過を許容し、較正信号Ｓｃの非入力時には同
接点を図中上方位置に保持して第１ポンプ電極４２．４
４間に流れる測定ポンプ電流１ｐ、の通過を許容する。

一方、酸素センサ４１のセンサ電圧Ｖｓはセンサ制御回
路５１によって常時監視されており、センサ制御回路５
１は較正信号Ｓｃの非出力時には第１ポンプ電流１ｐ！
に対応する電圧信号ｖｉ、を、較正信号Ｓｃが出力され
ているときには第２ポンプ電流Ｉｐ２に対応する電圧信
号Ｖｉ２をコントロールユニット５２に出力する。スイ
ッチ５０およびセンサ制御回路５１は電流供給手段５３
を構成している。

コントロールユニット５２は濃度測定手段および判別手
段としての機能を有し、ＣＰＵ５４、メモリ５５および
Ｉ１０ボート５６により構成される。ＣＰＵ５４はメモ
リ５５に書き込まれているプログラムにしたがってＩ１
０ボート泌より必要とする外部データを取り込んだり、
またメモリ５５との間でデータの授受を行ったりしなが
ら演算処理し、必要に応じて処理したデータをＩ１０ボ
ート５６へ出力する。Ｉ１０ボート５６にはセンサ制御
回路５１からの信号が入力されるとともに、Ｉ１０ボー
ト５６からは較正信号Ｓｃおよび警報信号Ｓａが出力さ
れる。メモリ５５はＣＰＵ５４におけるプログラムを格
納するとともに、演算に使用するデータをマツプ等の形
で記憶している。警報信号Ｓａは警報ランプ５７に入力
されており、警報ランプ５７は警報信号Ｓａの入力待点
灯して運転者に主酸素センサの機能が異常であることを
告げる。

次に作用を説明する。

第４図はメモリ５５に書き込まれている空燃比検出のプ
ログラムを示すフローチャートであり、図中Ｐ１〜Ｐ７
はフローの各ステップを示している。本プログラムは所
定時間毎に一度実行される。

Ｐ、でキャリフラグ（較正フラグ）ＣＦがセットされて
いる（ＣＦ＝１）か否かを判別する。

キャリフラグＣＦは測定出力ｖｉ、のキャリブレーショ
ン（較正）を行うか否かを表示するフラグであり、セッ
トされているときキャリブレーションを行う旨を、リセ
ットされている（ＣＦ−１）とき行わない旨を表す。こ
のキャリフラグＣＦは、例えばエンジンの始動後あるい
は異常（空燃比制御の悪化等）を検知した場合にセント
される。ＣＦ−１のときはＰ２でエンジンが定常状態で
運転されているか否かを判別し、定常状態であるときは
エンジンに供給される空燃比が一定であると判断してＰ
、以降のステップで測定出力■ｉ４の較正処理を行う。

まず、Ｐ３で測定出力ＶＬ１をメモリ５５のＸ番地に記
憶した後、Ｐ４で較正信号Ｓｃを出力する。これにより
、酸素センサ４１への測定ポンプ電流Ｉｐ＋の供給が停
止されて補正ポンプ電流Ｉｐ２が供給される。次いで、
Ｐ、てこのときの補正出力Ｖｉ２を検出し、これをＸ＋
１番地に記憶する。Ｐ６では次式■に従って較正係数Ｋ
を演算する。

Ｋ　＝　Ｖ　ｉ２　／　Ｖ　ｉ　、　−−−−−−■次
いで、Ｐ７で較正係数Ｋを異常判別値Ｋ。

と比較し、Ｋ＜Ｋｏのときは主酸素センサの機能が較正
可能状態であると判断してＰ、以降のステップに進んで
較正処理を継続する。すなわち、Ｐ８で較正係数ＫをＸ
＋２番地に記憶し、Ｐｇで較正信号Ｓｃの出力を停止す
る。これにより、酸素センサ４１への補正ポンプ電流１
ｐ２の供給は本ルーチンの短時間の間のみに限定され、
再び測定ポンプ電流１ｐ＋の供給が開始される。Ｐｏで
は次式■に従って較正出力Ｖａｆを算出しＸ＋３番地に
記憶する。

Ｖａ　ｆ　＝Ｖ　ｉ　１ＸＫ−−−−−−■次いで、ｐ
ＨでキャリフラグＣＦをリセットして必要以上の較正処
理を防ぎ今回のルーチンを終了する。

このように、所定の較正状態毎にＶ　１２　／　Ｖｌ、
を演算して較正係数Ｋを求め、この較正係数Ｋによって
Ｖｉ□を較正して較正出力Ｖａｆを算出する。この場合
、測定出力Ｖｉは酸素センサ４１のうち主酸素センサに
相当する部分の機能に対応する出力として捉えられ、従
来例と同様に特性変化により変動する。一方、補正出力
Ｖｉ２は酸素センサ４１のうち補正酸素センサに相当す
る部分の機能に対応する出力として捉えられ、ポンプ電
流の供給時間は上述したように較正状態毎の極めて短い
時間に限定される。したがって、補正出力Ｖ１２は測定
出力Ｖｉ、と異なり特性変化が無いと考えてよく、常に
正確な空燃比に対応した値を表す。そのため、ｖ１２／
Ｖｉ、は正確な空燃比に対するＶｔ、のずれの程度を表
す係数として性格づけられ、この係数ＫによってＶｉ□
を補正した較正出力Ｖａｆはセンサの特性変化に拘らず
常に正確な空燃比に対応したものとなる。すなわち、Ｖ
ａｆにより空燃比を正確に検出することができる。

一方、ステップＰ７でに≧Ｋｏのときは主酸素センサの
機能が較正可能状態を税して異常状態にあると判断し、
ＰＩ３で警報信号Ｓａを出力して今回のルーチンを終了
する。これにより、警報ランプ５７が点灯して運転者に
主酸素センサの異常を告げる。運転者はこの警報により
適切な処理（例えば、センサの交換、修理等）を取るこ
とができる。

また、ステップＰ　＠　、Ｐ　２でＮｏ命令に従ったと
きは前回の較正係数にの値をホールドしてＰ。にジャン
プする。したがって、このときおよび上述した異常判断
時は前回のＫによりｖｉｌが較正されて較正出力Ｖａｆ
が求められる。

以上のように、主酸素センサの長期間のボンピングによ
る特性変化に拘らずボンピングを較正時のみに限定した
補正酸素センサによってｖｉＩが自動的にかつ適切に較
正されるため、空燃比の検出を常に正確に行うことがで
きる。また、主酸素センサの異常時には測定ポンプ電流
の値を捨象して補正ポンプ電流を空燃比判断のパラメー
タとするため、空燃比の検出精度を高めることができる
。

第５図は本発明の第２実施例を示す図であり、本実施例
は酸素センサの構造を変更したものである。

第５図において、６１は円筒状の固体電解質であり、固
体電解質６１の内面側には白金を主成分とする２組のセ
ンサアノード６２．６３が、外面側には２組のセンサカ
ソード６４．６５が設けられる。センサカソード６４．
６５の周囲は酸素分子の拡散を制限する多孔質層部で覆
われており、多孔質層部の図中上方には排気が、固体電
解質６１の内側には大気が導かれる。なお、釘はヒータ
である。上記固体電解質６１、センサアノード６２、セ
ンサカソード６４および多孔質層６６は主酸素センサ６
８を構成し、固体電解質６１、センサアノード６３、セ
ンサカソード６５及び多孔質層６６は補正酸素センサ６
９を構成する。

そして、本実施例では各センサ６８．６９のセンサ電極
はいわゆるポンプ電極としての機能を兼ねており、補正
酸素センサ６９に供給される補正ポンプ電流の値に基づ
いて主酸素センサ６８の測定ポンプ電流の値が適切に補
正されるとともに各電流値から主酸素センサの異常の判
別が行われる。したがって、第１実施例と同様の効果を
得ることができる。

なお、上記各実施例では主酸素センサおよび補正酸素セ
ンサを１つにまとめて単体のパーツとして構成している
ため、装着性にすぐれ低コストである等の利点がある。

しかし、各センサは必ずしも単一のパーツ内に収納する
必要はなく、別々のパーツとして構成してもよいことは
勿論である。

また、本発明は上記各実施例に示したタイプの酸素セン
サに限定されるものではない。要は、拡散電流を排気中
の酸素濃度に相関させるように酸素分子のポンピングを
行うとともに、一定酸素濃度の基準ガス（大気のみとは
限らない）との比較のもとに空燃比を算出するタイプの
ものであればすべてに通用が可能である。したがって、
上記各実施例の他にポンプ電極の一部がセンサ電極と共
用されているものであってもよい。

（効果） 本発明によれば、主酸素センサの特性変化や異常に拘ら
ず測定ポンプ電流の較正値あるいは補正ポンプ電流の値
を空燃比に正確に対応させることができ、空燃比の検出
精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜４図は本発明の第
１実施例を示す図であり、第２図はその回路構成図、第
３図はその酸素センサの分解斜視図、第４図はその空燃
比検出のプログラムを示すフローチャート、第５図は本
発明の第２実施例を示すその酸素センサの断面図、第６
〜９図は先順に係る酸素濃度測定装置を示す図であり、
第６図はその酸素センサの分解斜視図、第７図はその酸
素センサの断面図、第８図はその空燃比検出回路の回路
図、第９図はその空燃比と検出電圧との関係を示す図で
ある。 ４１−−−−−一酸棄センサ（主酸素センサ、補正酸素
センサ）、 ５２−−−−−−コントロールユニット（ｆｉ度測測定
手段判別手段）、 ５３−−−−−一電流供給手段、 ６８・−・−主酸素センサ、 ６９−−−−−一補正酸素センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）排気中の酸素濃度に相関する測定ポンプ電流が供給
   される主酸素センサと、 ｂ）主酸素センサと同一構造を有し、補正ポンプ電流が
   供給される補正酸素センサと、 ｃ）較正信号の非入力時、主酸素センサに測定ポンプ電
   流を供給し、較正信号が入力されると補正酸素センサに
   補正ポンプ電流を供給するとともにこれらの電流値を検
   出する電流供給手段と、ｄ）測定ポンプ電流の値を補正
   ポンプ電流の値に基づいて較正し排気中の酸素濃度を算
   出するとともに主酸素センサが異常であると判別された
   とき補正ポンプ電流の値に基づいて排気中の酸素濃度を
   算出する濃度測定手段と、 ｅ）エンジンが所定の較正状態にあるとき前記較正信号
   を出力するとともに、測定ポンプ電流および補正ポンプ
   電流の値に基づいて主酸素センサが異常であるか否かを
   判別する判別手段と、を備えたことを特徴とする酸素濃
   度測定装置。