JPS61294353A - 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】 本発明は自動車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。

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
オン伝導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設さ
れるようになされ、固体電解質材の各表裏面には電極が
各各形成されかつ固体電解質材が所定の間隙部な介して
対向するように平行に配置されている。固体電解質材の
一方が酸素ポンプ素子として、他方が酸素濃度比測定用
電池素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負極になるように酸素ポンプ
素子の電極間に電流を供給すると、酸素ポンプ素子の負
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。このとき、間隙部内の酸素ガスの減
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子例
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直線的に比例するこ
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、固体電解質材から酸素を奪う
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ＺｒＯ２（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　ＺｒＯ□から酸素ｏ２が奪われてジルコニ
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
給電流値はブラックニング現象を防止するためにブラッ
クニング現象発生領域の値よシ小さくしなければならな
い。

また酸素濃度検出装置においては、通常、酸素濃度検出
器、すなわち酸素ポンプ素子及び電池素子を加熱するた
めにヒータが設けられている。これは酸素濃度検出器の
温度がヒータの発熱によって所定温度（例えば、６５０
″Ｃ）付近に達しなければ、酸素濃度検出器が活性状態
とならず電池素子に電圧がほとんど発生しないので酸素
濃度に比例した出力特性が得られないためである。

しかしながら、酸素濃度検出器の不活性状態には電池素
子の発生電圧を予め定められた一定値に上昇させるため
に電流供給手段が酸素ポンプ素子への供給電流値を増加
させるように動作するので酸素ポンプ素子への供給電流
値が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不活性時にお
ける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装置は酸素濃度検出器の電池素子
の内部抵抗が所定値より大となる酸素濃度検出器の不活
性時ては酸素ポンプ素子への電流供給を停止することを
特徴としている。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１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、一対の平板
状素子の酸素ポンプ素子１及び電池素子２が互いに平行
に配置されている。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シ、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、他端部面に
は電極板５ないし８の引き出し線５ａないし８αが形成
されている。

酸素ポンプ素子ｌの電極板５，６間には電流供給回路１
１に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トランジスタ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のベースに接続すれ、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■、を検出するために設けられておシ、
その端子電圧がポンプ電流値ＩＰとして空燃比制御回路
３１の１２人カ端に供給される。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
６α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５８を介して供給されるようになっている。

一方、電池素子２の内側電極板７は引き出し線７ｃＬを
介してアースされ、外側電極板８は引き出し線８αを介
してフィルタ回路１８に接続されている。

フィルタ回路１８は抵抗１９．２０及びコンデンサ２１
からなり、入力信号を平滑するようになっている。

入力抵抗１９の抵抗値は高く設定されている。また引き
出し線８αには抵抗２２ないし２４からなるプルアップ
回路２５が接続されてい右。抵抗２２　、２３は直列に
接続され、その直列回路の両端間に電圧ｖＣｃが供給さ
れる。抵抗２２　、２３による電圧ｖｃｃの分圧電圧が
抵抗２４を介してプルアップ電圧ｖ８．として引き出し
線８αに印加されるようになっている。フィルタ回路１
８の出力端はオペアンプ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の工。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
れるディジタル制御信号に応じた電圧を発生する。Ｄ／
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
なシ、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。

また空燃比制御回路３１は上記したＩＣ制御出力端、■
、入力端の他に〜乍駆動端を有し、Ａ／Ｆ駆動端には２
次空気供給調整用の電磁弁４４が接続されている。電磁
弁４４はエンジンの気化器絞シ弁下流の吸気通路に連通
する吸気２次空気供給通路に設けられる。

かかる構成において、酸素ポンプ素子１及び電池素子２
の活性化の完了後に空燃比制御回路３１のＩＣ制御出力
端からディジタル制御信号が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制御信号
が制御電圧ｖｃ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による積分
時定数によって徐々に上昇して抵抗３５．３６による制
御電圧ｖｃの分圧電圧に達すると安定する。この分圧電
圧は基準電圧Ｖ、としてオペアンプ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ｖｒ１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シトランジスタ１
３がオンとなる。トランジスタ１３のオンによシ酸素ポ
ンプ素子１の電極板５，６間にポンプ電流が流れる。

ポンプ電流が流れると、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１８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１８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ｖ８′も上昇する。出力
電圧ｖｓ′７５基準電圧ｖｒ、を越えるとオペアンプ１
２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
値Ｉ、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
１２０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■ｒ、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シ、ポンプ電流値■２
を増加せしめる。

この動作が高速にて繰シ返されるので電圧ｖ８は一定値
に制御され、また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、空燃比制御回路３１はポンプ電流値■２に比例し
た抵抗１５の端子電圧Ｖ、と目標空燃比に対応する基準
電圧ｖｒ２とを比較する。端子電圧Ｖ、は供給混合気の
空燃比がリーンになるに従って高くなるのでｖＰ≦ｖｒ
□　ならばリッチであるとして電磁弁４４が開弁駆動さ
れて２次空気がエンジンに供給され、■、〉ｖｒ２なら
ぼり一ンであるとして電磁弁４４の開弁駆動の停止によ
シ２次空気の供給が停止される。

次に、酸素ポンプ素子１及び電池素子２の不活性状態に
おいて酸素ポンプ素子１及び電池素子２を加熱するため
のヒータ（図示せず）に電流が供給されると、酸氷ポン
プ素子ｌ及び電池素子２がヒータによって加熱されて酸
素ポンプ素子１及び電池素子２の温度が上昇する。この
とき、電池素子２の内部抵抗ＲｉＱは第２図に示すよう
に加熱が進むに従ってヒータ電流供給開始時点の数ＭΩ
から徐々に低下し、活性化が完了すると数１００になる
。一方、プルアップ回路２５の抵抗２２．２３による電
圧Ｖ。Ｃの分圧電圧が抵抗２４を介してプルアップ電圧
ｖ８．として電池素子２の電極板７，８間に印加される
。不活性時において、このプルアップ電圧ｖ８．は電池
素子２の電極板７，８間に発生する電圧ｖ８よシ大であ
るのでフィルタ回路１８を介して非反転増幅器３０に供
給される。よって、非反転増幅器３０の出力電圧ｖｓ′
が基準電圧ｖｒ、を越えるのでオペアンプ１２の出力レ
ベルが低レベルとなシ、トランジスタ１３のオフにより
酸素ポンプ素子ｌの電極板５，６間への電流供給が停止
する。

次いで、電池素子２の温度上昇による内部抵抗ＲｉＯの
低下に従ってプルアップ電圧ｖ８１’！’第２図の如く
低下する。電圧ｖｓ、が時点ｔ１において電圧ｖｓＬに
達すると、非反転増幅器３０の出力電圧ｖ、′が基準電
圧ｖｒ１以下となシ、これによシオペアンプ１２の出力
レベルが高レベルとなるのでトランジスタ１３がオンと
なシ、酸素ポンプ素子１の電極板５．６間にポンプ電流
が供給される。

時点ｔ、においても電池素子２の内部抵抗Ｒｈｏは低下
するが、電池素子２の電極板７，８間に電圧ｖ８が発生
し、電圧ｖｓは第２図の如く徐々に上昇するのでプルア
ップ電圧ｖ８．は更に緩やかに低下して、そして時点ｔ
２において一定値ｖｓｏに達する。

その後は電池素子２から電圧ｖ８がフィルタ回路１８に
供給され、内部抵抗Ｒ４ｏは活性化完了時には数１００
になシ、また抵抗２４の抵抗値が大きいのでプルアップ
電圧ｖ８．は電圧ｖ８に対して無視できるほど小さくな
るのである。

なお、時点ｔ、においてポンプ電流の供給を開始しても
ポンプ電流値がブラックニング現象領域の値になること
はないのである。

以上の如く、本発明の酸素濃度検出装置においては電池
素子の内部抵抗が所定値よυ大となる酸素濃度検出器の
不活性時には酸素ポンプ素子への電流供給を停止するの
で不活性時のブラックニング現象の発生を防止すること
ができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１因は本発明の実施例を示す回路図、第２図は第１図
の装置の動作を示す因である。 主要部分の符号の説明

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伝導性固
   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
   池素子として各各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、該電流供給手段の供給
   電流値を酸素濃度検出値とする酸素濃度検出装置であっ
   て、前記電流供給手段は前記電池素子の内部抵抗が所定
   値より大となる前記酸素濃度検出器の不活性時には前記
   酸素ポンプ素子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。