JPS61292051A - 酸素濃度検出装置 - 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】 技術分野 本発明はエンジン排気ガス等の気体中の酸素濃度を検出
する酸素濃度検出装置に関する。

背景技術 内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善等を目的として
、排気ガス中の酸素濃度を検出し、この検出結果に応じ
てエンジンへの供給混合気の空燃比を目標空燃比にフィ
ードバック制御する空燃比制御装置がある。

このような空燃比制御装置に用いられる酸素濃度検出装
置として被測定気体中の酸素濃度に比例した出力を発生
するものがある（特開昭５８−１５３１５５号）。かか
る酸素濃度検出装置においては、一対の平板状の酸素イ
オン導電性固体電解質材を有する酸素濃度検出器が設け
られている。

その固体電解質材は被測定気体中に配置されるようにな
され、固体電解質材の各表裏面には電極が各々形成され
かつ固体電解質材が所定の間隙部を介して対向するよう
に平行にに配置されている。

固体電解質材の一方が酸素ポンプ素子どして、弛方か酸
素濃度比測定用電池索子として作用するようになってい
る。被測定気体中において間隙部側電極が一貞゛極に表
るＪ：うに゛酸素ポンプ素子の電イ１に電流を供給する
と、酸素／１＝ンブ素子の負極面側にて間隙部内気体中
の酸素ガスがイオン化して酸素ポンプ素子内を正極面側
に移動し正極面から酸素ガスとして放出さ゛れる。この
とぎ、間隙部中の酸素ガスの減少により間隙部内の気体
と電池素子外側の気体との間に酸素濃度差が生ずるので
電池素子の電極間に電圧が発生する。この電圧を一定値
にするように酸素ポンプ素７ｃ、−供給する電流値を変
化させると、定温においてその電流値が被測定気体中の
酸素濃度にほぼ比例することになり、酸素濃度検出値と
して出力される。

かかる酸素濃度検出装置においては、酸素ポンプ素子に
過剰の電流を供給すると、固体電解質料から酸素を奪う
ブラックニング現象が発生する。

例えば、固体電解質材として７ｒ○２　（二酸化ジルコ
ニウム）が用いられた場合、酸素ポンプ素子への過剰電
流供給によりＺｒＯ２から酸素０２が奪やれてジルコニ
ウムＺｒが析出される。このブラックニング現象は酸素
ポンプ素子の劣化を急速゛　・に進め酸素濃度検出器と
しての性能を悪化させる原因となるので酸素ポンプ素子
への供給電流はブラックニング現象を防止するためにブ
ラックニング発生領域の値より小さくしなりればならな
い。

第１図は電池素子に発生する電圧Ｖｓをパラメータとし
て酸素濃度と酸素ポンプ素子への供給電流との関係特性
及びブラックニング現象発生領域を示してβす、ブラッ
クニング現象発生領域との境界線は電圧Ｖ、ｓをパラメ
ータとした関係特性と同様に１次関数的特性であるので
電圧Ｖｓから酸素ポンプ素子への供給電流がブラックニ
ング現象発生領域の値に、属するか否かを判別すること
ができる。よって、電圧Ｖｓが所定電圧以上にｈｑした
ときには酸素ポンプ素子への供給電流がブラックニング
現象発生領域に近い値になるとして該供給電流を減少さ
せることによりブラックニング現象の発生を防止するこ
とかできる。

一方、排気ガス中の酸素濃度を検出する場合、エンジン
に供給する混合気の空燃比が理論空燃比Ｇ１４．ｌ）付
近であるときには電圧Ｖｓが第２図に示すように激しく
変動して非常に不安定となり、正常検出時の電圧レベル
より低下する。しかしながら、空燃比が理論空燃比付近
であるときのブラックニング現象発生境界値は小さいの
で酸素ポンプ素子への供給電流値がそのときの酸素濃度
に応じて低下してもブラックニング現象発生境界値以上
となってブラックニング現象を発生することがあるとい
う、問題点があった。

・発明の概要 そこで、本発明の目的は酸素濃度検出器の電池素子の電
極間に発生する電圧が激しく変動する場合のブラックニ
ング現象の・発生を防止することができる酸素濃度検出
装置を提供することである。

本発明の、酸素濃度・検出検出装置は酸素ポンプ素子の
電極間を流れる電流値が所定値以下であるときには酸素
ポンプ素子の電極間への電流供給を停止することを特徴
としている。

実　　施　　例 ＝５− 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第３図は本発明による酸素濃度検出装置を用いた空燃比
制御装置を示している。本装置においては、互いに平行
な一対の平板状素子の酸素ポンプ素子１及び電池素子２
からなる酸素ｃＪ度検出器は排気管（図示せず）内に配
設される。酸素ポンプ素子１・及び電池素子２の主体は
酸素イオン伝導性固体電解質材からなり、その一端部間
には間隙部３が形成され、他端部はスペーサ４を介して
互いに結合されている。また酸素ポンプ素子１及び電池
素子２の一端部の表裏面に多孔質の耐熱金属からなる方
形状の電極板５ないし８が設けられ、細端部面には電極
板５ないし８の引き出し線５ａないし８ａが形成されて
いる。

酸素ポンプ素子１の電極板５，６間には電流供給回路１
１よって電流が供給される。電流供給回路１１はオペア
ンプ１２．ＮＰＮトランジス多１３及び抵抗１４．１５
からなる。オペアンプ１２の出力端は抵抗１４を介して
トランジスタ１３のベースに接続されている。またトラ
ンジスタ１３のエミッタは抵抗１５を介してアースされ
ている。

抵抗１５は酸素ポンプ素子１の電極板５，６間に流れる
ポンプ電流値Ｔｐを検出するために設けられており、そ
の端子電圧がポンプ電流値Ｉｐとして空燃比制御回路３
１のＩｐ入力端に供給される。

トランジスタ１３のコレクタは酸素ポンプ素子１の内側
電極板６に引き出し線６ａを介して接続され、外側電極
板５には電圧ＶＢが引き出し線５ａを介して供給される
ようになっている。またトランジスタ１３のエミッタと
抵抗１５との接続ラインには電流判定回路３８が接続さ
れている。電流判定回路３８はオペアンプ３９．抵抗４
０ないし４２、可変抵抗器４３及びＲＳフリップ７０ツ
ブ４４からなり、オペアンプ３９の反転入力端には抵抗
１５の端子電圧が抵抗４０を介して供給され、非反転入
力端には抵抗／１．１　、４．２及び可変抵抗器４３に
よる電圧ＶＣＣの分圧電圧が基準電圧■ｒ３として供給
される。オペアンプ３つの出力端はフリップフロップ４
４のＳ入力端に接続されており、またフリップ７０ツブ
４４のＱ出力端は空燃比制御回路３１のＦｏ入力端に接
続され、Ｒ入力端は空燃比制御回路３１のＦＲ出力端に
接続されている。

一方、電池素子２の内側電極板７は引き出し線７ａを介
してアースされ、外側電極板８は引き出し線８ａを介し
てフィルタ回路１９に接続されている。フィルタ回路１
９は抵抗２０．コンデンサ２１からなり、電池素子２の
電極板７，８間に発生した電圧信号のノイズ成分を除去
するようになっている。フィルタ回路１９の出力端には
オペアンプ２６．抵抗２７ないし２９からなる非反転増
幅器３０を介してオペアンプ１２の反転入力端に接続さ
れている。空燃比制御回路３１のＩｃ制御出力端にはＤ
／Ａ変換器３２が接続され、Ｄ／Ａ変換器３２は空燃比
制御回路３１のＩｃ制御出力端から出力されるディジタ
ル信号に応じた電圧を発生する。ＩＩ）／Ａ変換器３２
の出力端にはオペアンプからなる電圧ホロワ回路３３を
介して積分回路３４が接続されている。積分回路３４は
抵抗３５．３６及びコンデンサ３７からなり、その出力
電圧がオペアンプ１２の非反転入力端に供給されるよう
になっている。

空燃比制御回路３１は好ましくはマイクロコンピュータ
からなり、上記したＩｃ、ＦＲ出力端。

Ｉ’　ｐ　、”Ｆ　ｏ入力端の弛にΔ／Ｆ駆動端を有し
、Ａ／Ｆ駆動端には２次空気供給調整用の電磁弁４４に
接続されている。電磁弁４４はエンジンの気化器絞り弁
下流の吸気通路に連通ずる吸気２次空気供給通路に設け
られている。

かかる構成においては、空燃比制御回路３１のＩｃ出力
端からディジタル信号がＤ／Ａ変換器３２に出力される
と、Ｄ／Ａ変換器３２によってディジタル信号が電圧に
変換され、そして電圧ホロワ回路３３を介して積分回路
３４に供給される。

積分回路３４の出力電圧は抵抗３５．３６及びコンデン
サ３７よる積分時定数によって徐々に上昇してＤ／Ａ変
換器３２の出力電圧の抵抗３５，３６による分圧電圧に
達すると安定する。この分圧電圧は基準電圧Ｖｒ＋　ど
してオペアンプ１２の非反転入力端に供給される。この
とき、オペアンプ１２の反転入力端の電圧レベルは基準
電圧Ｖｒ＋より小であるのでオペアンプ１２の出力レベ
ルは高レベルとなりトランジスタ１３がオンとなる。

トランジスタ１３のオンにより酸素ポンプ素子１の電極
板５，６間にポンプ電流Ｔｐが流れる。

ポンプ電流Ｉｐが流れると、電池素子２の電極板７，８
間には電圧Ｖｓが発生し、電圧Ｖｓはフィルタ回路１９
を介して非反転増幅器３０に供給される。非反転増幅器
３０はフィルタ回路１９の出力電圧を電圧増幅してオペ
アンプ１２の反転入力端に供給する。電圧Ｖｓが上昇す
ると、非反転増幅器３０の出力電圧Ｖｓ−も上昇する。

出力電圧Ｖｓ′が基準電圧Ｖｒ＋を越えるとオペアンプ
１２の出力レベルが低レベルに反転し、トラン“ジスタ
１３がオフとなる。トランジスタ１３のオフによりポン
プ電流Ｉｐが減少するので電池素子２の電極板７，８間
の発′生電圧Ｖｓが低下し、非反転増幅器３０からオペ
アンプ１２の反転入力端に供給される電圧Ｖｓ−も低下
する。電圧Ｖｓ−が基準電圧Ｖｒ’＋を下回ると再びオ
ペアンプ１２の出力レベルが高レベルとなり、ポンプ電
流１ｐを増加せしめる。この動作が高速にて繰り返され
るので電圧Ｖｓは一定値に制御されると共にディジタル
制御信号が表わす値に応じた電圧となる。

一方、ポンプ電流１ｐに比例した抵抗１５の端子電圧Ｖ
ｐが抵抗４０を介してオペアンプ３９の反転入力端に供
給される。オペアンプ３つの非反転入力端に供給される
基準電圧Ｖｒ３は可変抵抗器４３によって通常の空燃比
制御範囲（例えば、１６〜１８）においてのポンプ電流
１ｐ（例えば、９〜２０ｍＡ）に対応する端子電圧Ｖｐ
以下でかつ理論空燃比付近で電圧Ｖｓが不安定になると
きのポンプ電流Ｔｐ　（例えば、５ｍＡ＞に対応する端
子電圧Ｖｐより大なる電圧に設定されている。

第１図に示したように空燃比が理論空燃比に近付くほど
ポンプ電流Ｉｐが低下し、端子電圧Ｖｐも低下する。端
子電圧Ｖｐが基準電圧Ｖｒ３を下回るとオペアンプ３９
の出力レベルが高レベルになり、フリップフロップ４４
がセラ１〜されるのでフリップフロップ４４のＱ出力端
が高レベルとなる。

この高レベルが電流低下信号として空燃比制御回路３１
に供給される。

空燃比制御回路３１はエンジン回転に同期して次の如く
動作する。第４図に示すように先ず、電流低下信号が発
生しているか否かが判別される（ステップ５１）。電流
低下信号が発生しているならば、ポンプ電流Ｉｐの供給
を停止すべく基準電圧Ｖｒ＋を０（Ｖ）にするようにＩ
ｃ制御出力端から出力されるディジタル信号の内容が例
えば、′“ｏ　ｏ　ｏ　ｏ　”に変更される（ステップ
５２）。基準電圧Ｖｒ＋をＯ（Ｖ）にするとオペアンプ
１２の出力レベルが低レベルとなるのでトランジスタ１
３がオフになり、酸素ポンプ素子１の電極板５゜６間に
ポンプ電流が流れなくなる。空燃比制御回路３１はステ
ップ５２の実行後、２次空気のエンジンへの供給を停止
するために電磁弁４４の開弁駆動を停止する（ステップ
５３）。一方、電流低下信号が発生していないならば、
ポンプ電流Ｉｐを供給するためにディジタル信号が予め
定められた酸素濃度検出用の値にされ（ステップ５４）
、端子電圧Ｖｐが基準電圧Ｖ　ｒ　２より小であるか否
かが判別される（ステップ５５）。Ｖｐ＜Ｖｒ２ならば
、エンジンに供給された混合気の空燃比がリッチである
として空燃比制御回路３１は電磁弁４／′Ｉを開弁駆動
して２次空気をエンジンに供給せしめる（ステップ５６
）。Ｖｐ≧Ｖｒ２ならば、供給混合気の空燃比がリーン
であるとしてステップ５３が実行されて２次空気のエン
ジンへの供給が停止される。ステップ５３又は５６の実
行後、空燃比制御回路３１は出力端ＦＲからリセット信
号を発生してフリップフロップ４４をリセッ１〜させる
（ステップ５７）。

なお、上記した本発明の実施例においては、電流低下信
号の発生時にはディジタル信号の内容を変更することに
よりポンプ電流の供給が停止されるが、これに限らず、
例えばオペアンプ１２の非反転入力端の電圧を強制的に
Ｏ（Ｖ〕にするようにしても良いのである。

発明の効果 以上の如く、本発明の酸素濃度検出装置においては、酸
素ポンプ素子の電極間を流れるポンプ電流値が所定値以
下であるどきには供給混合気の空燃比が理論空燃比付近
であるために電池素子に発生した電圧が激しく変動して
ブラックニング現象を発生する可能性があるとして酸素
ポンプ素子の電極間への電流供給が停止される。よって
、エンジン排気ガス中の酸素濃度を検出する場合に供給
混合気の空燃比が理論空燃比付近であっても酸素ポンプ
素子への電流供給停止によりブラックニング現象の発生
を防止することかできるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素濃度−ポンプ電流特性及びブラックニング
現象発生領域を示す図、第２図は電圧ＶＳの変動を示ず
波形図、第３図は本発明による酸素濃度検出装置を適用
した空燃比制御装置を示す回路図、第４図は第３図に示
した装置中の空燃比制御回路の動作を示すフロー図であ
る。 図面の簡単な説明 １・・・・・・酸素ポンプ素子 ２・・・・・・電池素子 ３・・・・・・間隙部 ４・・・・・・スペーサ ５ないし８・・・・・・電極板 １１・・・・・・電流供給回路 ３０・・・・・・非反転増幅器 ３４・・・・・・積分回路 ３８・・・・・・電流判定回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定気体中に配設される一対の酸素イオン導電性固体
   電解質材を有しその各固体電解質材に一対の電極が形成
   されかつ前記一対の固体電解質材が所定の間隙部を介し
   て対向するように配置され前記一対の固体電解質材の一
   方が酸素ポンプ素子として他方が酸素濃度比測定用電池
   素子として各々作用する酸素濃度検出器と、前記酸素ポ
   ンプ素子の電極間に電流を供給し前記電池素子の電極間
   に発生した電圧を一定値にするように供給電流値を変化
   させる電流供給手段とを含み、前記電流供給手段は酸素
   ポンプ素子の電極間を流れる電流値が所定値以下である
   ときには前記酸素ポンプ素子の電極間への電流供給を停
   止することを特徴とする酸素濃度検出装置。