JPS61294354A - 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】 １丘旦１ 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。

宣」Ｕえ亘 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Ｍ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酸素ポンプ素子
への供給電流が一定値であれば電池素子の電極間にその
酸素濃度差、すなわち被測定気体中の酸素濃度に比例し
た電圧が発生するのである。また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酸素ポンプ素子に供給
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Ｚ　ｒ　Ｏ２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ければならな”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おり、ブラッ
クニング現象発生領域との境界線は電圧Ｖｓ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がブラックニング現象発生領域
境界電圧より若干小なる電圧以上に上昇したときには酸
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Ｎ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ができる
。

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（１４，７）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。

ｌ豆立員Ｉ そこで、本発明の目的は酸素濃度検出器の電池素子のＴ
ｉ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Ｍ＊＊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電池素子の電極間に発
生した電圧が所定電圧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。

友−ＬＪｆｉ 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比例電圧検出方式の酸素
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からなる酸素濃度検出器は
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、他端部面には電極板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間には定電流回路１１
から定電流が供給される。定電流回路１１は吸い込み型
回路であり、オペアンプ１２．ＮＰＮトランジスタ１３
及び抵抗１５ないし１７からなる。オペアンプ１２の出
力端は一抵抗１５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１６を介してア
ースされると共に抵抗１７を介してオペアンプ１２の反
転入力端に接続されている。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が引ぎ出
し線５ａ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を介して空燃比制御回路３１のＶｓ′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。Ｄ／Ａ変換器３
２の出力端にはオペアンプからなる電圧ホＯ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。

また非反転増幅！Ｉ３０の出力端にはリミッタ回路３８
が接続されている。リミッタ回路３８はオペアンプ３９
．抵抗４０．４１．ダイオード４２及びリミッタ基準電
圧発生器４３からなる。オペアンプ３９の反転入力端は
リミッタ基準電圧発生器４３の出力端に接続され、非反
転入力端は非反転増幅器３０の出力端に接続されている
。オペアンプ３９は非反転層幅！１３０の出力電圧とリ
ミッタ基準電圧発生器４３から出力されるリミッタ基準
電圧ＶＬとの差電圧に応じた電圧を抵抗４１゜ダイオー
ド４２を順方向に介してオペアンプ１２の反転入力端に
供給するようになっている。

また電池素子２の引き出しａａａにはレベル検出回路５
６が接続され、レベル検出回路５６はオペアンプ４４．
抵抗４５ないし５３．コンデンサ５４、ダイオード５５
からなる。抵抗５１．５２は電圧ｖａ：を分圧して分圧
電圧ＶＡを発生する分圧回路をなし、抵抗４７．４８は
電圧ＶＡを分圧して分圧電圧Ｖｓをオペアンプ４４の非
反転入力端に抵抗４６を介して供給する分圧回路をなし
、また抵抗４９．５０は電池素子２の電極板７，８間に
発生する電圧Ｖｓと電圧ＶＡとの差電圧を分圧して分圧
電圧Ｖｃをオペアンプ４４の反転入力端に供給する分圧
回路をなしている。オペアンプ４４の出力端は抵抗５３
．ダイオード５５を順方向に介してオペアンプ１２の反
転入力端に接続されている。また抵抗４５．４６はオペ
アンプ４４のゲイン及びオフセットを調整するために設
けられている。

空燃比制御回路３１は上記したＩｃ出力端、ＶＳ′入力
端の他にＡ／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４
４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＋　と
じてオペアンプ１２の非反転入力端に供給される。基準
電圧Ｖｒ＋の供給時に酸素ポンプ素子１の電極板５．６
間を流れるポンプ電流値ｉｐは抵抗１６の端子電圧Ｖｐ
によって検出され、その端子電圧Ｖｐは抵抗１７を介し
てオペアンプ１２の反転入力端に供給される。

端子電圧Ｖｐが基準電圧Ｖ　ｒ　＋より小のときにはオ
ペアンプ１２の出力レベルが高レベルになりトランジス
タ１３のベース電流を増加させるのでポンプ電流Ｉｐが
増大し、端子電圧Ｖｐが基準電圧Ｖｒ＋より大のときに
はオペアンプ１２の出力レベルは低レベルとなり、トラ
ンジスタ１３のベース電流を減少させるのでポンプ電流
が低下する。

この動作が高速で繰り返されるのでポンプ電流ＩＰは基
準電圧Ｖｒ＋に応じた定電流値となる。

一方、電池素子２の電極板７，８間には電圧■Ｓ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１
９の出力電圧を電圧増幅して空燃比制御回路３１のＶｓ
−入力端に供給する。

□空燃比制御回路３・１は非反転増幅器３０の出力電圧
Ｖｓ′を目標空燃比に対応する基準電圧Ｖｒｚと比較す
る。出力電圧Ｖｓ”は供給混合気の空燃比がリッチにな
るに従って高くなるのでＶｓ−＞Ｖ　ｒ　２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、■Ｓ′≦■ｒ２ならばリーンであ
るとして電磁弁４４の開弁駆動の停止により２次空気の
供給が停止される。

次いで、電池素子２の電極板７．８間の電圧■Ｓの上昇
により非反転増幅器３０の出力電圧Ｖｓ′が上昇してリ
ミッタ基準電圧ＶＬを越えると出力電圧Ｖｓ−とリミッ
タ基準電圧ＶＬとの差電圧に応じた電圧が端子電圧Ｖｐ
より高くなるのでオペアンプ３９から抵抗４１．ダイオ
ード４２．抵抗１７そして抵抗１６を介して電流が流れ
てオペアンプ１２の反転入力端の電圧を基準電圧Ｖｒ＋
より上昇させる。よって、オペアンプ１２の出力電圧が
低下してトランジスタ１３のベース電流が減少するので
酸素ポンプ素子１のポンプ電流Ｉｒも減少するのである
。リミッタ基準電圧■１−は基準電圧■ｒ２より若干高
く設定されているので非反転増幅器３０の出力電圧Ｖｓ
−がリミッタ基準電圧ＶＬに達するとブラックニング現
象発生領域に接近したことを表わす。ＶＳ”＞ＶＬでは
空燃比がリッチであるほどオペアンプ３９の出力電圧が
高くなりポンプ電流Ｉｐを減少せしめてブラックニング
現象の発生が防止されるのである。

また、電池素子２の電極板７．８間に発生する電圧Ｖｓ
がＯ（Ｖ）であるときには分圧電圧■８と分圧電圧Ｖｃ
とが等しくなるように設定されている。よって、エンジ
ンに供給した混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側
の値（例えば、１４゜８以上）であれば、Ｖｓ≧０とな
り、電圧Ｖｃが電圧Ｖａより大となるのでオペアンプ４
４の出力レベ゛ルは低レベルとなる。一方、供給混合気
の空燃比が理論空燃比付近（例えば、１４．７〜１４゜
２）にあり、電圧Ｖｓが変動し、Ｖｓ＜０となると、電
圧Ｖｃが電圧■８より小となるのでオペアンプ４４の出
力レベルが高レベルＶ）ｌとなる。この高レベルＶＨは
抵抗５３そしてダイオード５５を介してオペアンプ１２
の反転入力端に供給されオペアンプ１２によって基準電
圧Ｖｒ＋と比較される。Ｖ＋＞Ｖｒ＋である故にオペア
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１３がオフとなり酸素ポンプ素子１の電極板５．６問
への電流供給が停止するのである。

第４図は本発明によ、る酸素濃度比例電流検出方式の酸
素濃度検出装置を示している。この酸素濃度検出装置に
おいて、第３図に示した装置と同一部分は同一符号によ
って示されており、オペアンプ１２．トランジスタ１３
及び抵抗１５．１６は酸素ポンプ素子１の電極板５．６
間に電流を供給する電流供給回路５７を形成している。

非反転増幅器３０の出力電圧Ｖｓ−はダイオード５８を
介してオペアンプ１”２の反転入力端に供給され、電圧
Ｖｓ”すなわち電圧Ｖｓが一定値になるように電流供給
回路５７によって酸素ポンプ素子１の電極板５．６間に
電流が供給される。抵抗１６の端子電圧Ｖｐがポンプ電
流１ｐを表わす電圧として空燃比制御回路のＩｐ入力端
に供給される。その他の構成は第１図に示した装置と同
様であり、Ｖｓ＜Ｏのときオペアンプ４４の出力レベル
が高レベルとなり電流供給回路５７からの酸素ポンプ素
子２へのポンプ電流供給が停止される。

なお、上記した本発明の各実施例においては、レベル検
出回路５６によってＶｓ＜Ｏが検出されたとき定電流回
路１１又は電流供給回路５７のオペアンプ１２の反転入
力端電圧が基、準電圧Ｖｒ＋より高くなるようになって
いるが、これに限らず、例えばＶｓ＜Ｏが検出されたと
き空燃比制御回路３１が基準電圧Ｖｒ＋をＯ（Ｖ）に等
しくさせるような値のディジタル信号を発生するように
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
素濃度検出器の電池素子の電極間に発生する電圧が所定
電圧以下であるときには酸素ポンプ素子への電流供給が
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
あるために電池素子に発生した電圧が激しく変動して所
定電圧以下に低下し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がで
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の変動を示す
波形図、第３図は本発明による酸素１１度検出装置を適
用した空燃比制御装置を示ず回路図、第４図は本発明の
他の実施例を示す回路図である。 主要部分の符号の説明 １・・・・・・酸素ポンプ索子 ２・・・・・・電池素子 ３・・・・・・間隙部 ４・・・・・・スペーサ ５ないし８・・・・・・電極板 １１・・・・・・定電流回路 ３０・・・・・・非反転増幅器 ３８・・・・・・リミッタ回路 ５６・・・・・・レベル検出回路 ５７・・・・・・電流供給回路

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する電流供給手段とを
   含み、被測定気体中の酸素濃度に比例した出力を発生す
   る酸素濃度検出装置であって、前記電流供給手段は前記
   電池素子の電極間に発生した電圧が所定電圧以下である
   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。