JPS61294355A - 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知は電極が
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
減少によ多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。

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０□が奪われてジルコニウ
ム７、ｒ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。

かかる酸素濃度検出装置を用いた空燃比制御装置におい
ては、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境界値以
下の値でかつエンジンに供給される混合気の空燃比が目
標空燃比になるときの酸素濃度検出装置の出力電圧が予
め定められた基準電圧に等シくなるように設定される。

よって、酸素濃度検出装置の出力電圧と基準電圧とを比
較することによシ供給混合気の空燃比が目標空燃比よシ
リッチ及びリーンのいずれであるか判別される。空燃比
を２次空気によって制御する方式の場合、リッチと判別
されたならば、２次空気をエンジンに供給し、リーンと
判別されたならば２次空気の供給を停止することによシ
空燃比が目標空燃比に制御される。

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
℃）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。

酸素濃度検出器が不活性状態にあるときには酸素濃度検
出装置の出力電圧からは空燃比が目標゛空燃比よシもリ
ーンであると判別されるので供給混合気の空燃比がリッ
チ方向に制御される。しかしながら、空燃比がリッチに
なるほど、すなわち酸素濃度が小さくなるほどブラック
ニング現象発生境界値は小さく、また酸素ポンプ素子へ
の供給電流値は一定であるので空燃比がリッチ方向に制
御されると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。

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電池素子の内部抵抗が所定
値よシ大なる酸素濃度検出器の不活性時には酸素ポンプ
への電流供給を停止してブラックニング現象の発生を防
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
回路であシ、オペアンプ１２、ＮＰＮ　）ランジスタ１
３及び抵抗１５ないし１７からなる。すなわち、オペア
ンプ１２の出力端は抵抗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
を介してオペフッ１１２０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５ａ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５α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が接続されている。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Ｖ。Ｃが供給さ
れる。抵抗２２　、２３による電圧Ｖ。Ｃの分圧電圧が
抵抗２４を介して引き出し線８αに印加されるようにな
っている。

フィルタ回路１８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を介して空燃比制
御回路３１のｖ８′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だ応じた電圧
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。

また非反転増幅器３０の出力端にはリミッタ回路あが接
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。オペフッ１３９０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は非反転増幅器３０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ｖ
Ｌ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フッ１１２０反転入力端【供給す
るようになっている。

空燃比制御回路３１は上記したＩ。制御出力端ｙ８′入
力端の他にＡ／Ｆ’駆動端を有し、ゾ駆動端には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
連通ずる吸気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ｌ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ｖｃＶｃ変換され、そして電圧ホロワ回路３
３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。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Ｖ、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Ｖ、
が基準電圧ｖｒ１より小のときにはオペアンプ１２の出
力レベルは高Ｖぺ’ルトナリトラン°ジスタ１３のペー
ス電流を増大させるのでポンプ電流が増大し、端子電圧
Ｖ、が基準電圧ｖ４．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１５のペ
ース電流を減少させるのでポンプ電流が低下する。この
動作が繰り返し高速に行なわれるのでポンプ電流値は基
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ｖｓが発生
し、電圧ｖ８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１
８の出力電圧を電圧増幅して空燃比制御回路３１のｖ８
′入力端に供給する。空燃比制御回路３１は非反転増幅
器３０の出力電圧■８′を目標空燃比に対応する基準電
圧ｖｒ２と比較する。出力電圧ｖ８′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′〉ｖｒ
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、■８′≦Ｖ、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！
ｌ１２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ｖ８の上昇
例よシ非反転増幅器３０の出力電圧ＶＢ′７５；上昇し
てリミッタ基準電圧ＶＬを越えると出力電圧ｖｓ′とり
シック基準電圧ｖＬとの差電圧に応じた電圧が端子電圧
Ｖ、よシ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スるので酸素ポンプ素子
１のポンプ電流工、も減少するのである。

リミッタ基準電圧ｖＬは基準電圧Ｖ、よシ若干高く設定
されるので非反転増幅器３ｏの出力電圧ｖｓ′がリミッ
タ基準電圧■、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。ｖ’＞ｖＳ　　　　　Ｌ 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）ポンプ電流Ｉ、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。

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、酸素ポン
プ素子１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ｌ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Ｆｕｏ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１ｏΩになる
。一方、プルアップ回路２５の抵抗２２　、２３にょる
電圧ｖｃｃの分圧電圧が抵抗２４を介してプルアップ電
圧ｖ８．として電池素子２の電極板７，８間に印加され
る。活性化時において、このプルアップ電圧ｖｓ、は電
池素子２の電極板７，８間に発生する電圧ｖｓより大で
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
′がリミッタ基準電圧ｖＬを越えるのでオペアンプ３９
の出力電圧が上昇してダイオード４２がオンとなり、オ
ペフッ１１２０反転入力端の電圧が非反転入力端の電圧
より高くなる。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も第２図の如く低下
する。電圧ｖ８１が時点ｔ、において電圧ｖ８Ｌに達す
ると、非反転増幅器３０の出方電圧ｖ８′がリミッタ基
準電圧ｖＬ以下となるのでオペアンプ３９の出力電圧が
低下してダイオード４２がオフとなる。よって、オペア
ンプ１２の出力レベルカ高レベルとなるのでトランジス
タ１３がオンとなり、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て上記した定電流回路１１の
動作にょシその電流値工、は基準電圧ｖｒ、に応じた定
電流値に制御される。

時点ｔ、後においても電池素子２の内部抵抗Ｒ４゜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因の如く徐々に上昇するのでプル
アップ電圧ｖｓ１は更に緩やかに低下して、そして時点
ｔ２において活性化後の目標空燃比に対応する電池素子
２の発生電圧ｖ８ｃ付近に達する。その後は電池素子２
からの電圧■８がフィルタ回路１８に供給され、内部抵
抗Ｒｉｏは活性化完了時には数１００になり、また抵抗
２４の抵抗値が大きいのでプルアップ電圧ｖｓ、は電圧
Ｖ、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り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図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図である。 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、前記電池素子の電極間に生ずる電圧を酸素濃度検
   出電圧として出力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。