JPS6147553A - 空燃比センサ - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は内燃機関の空燃比制御装置用センサに係り、特
にストイック（理論空燃比ス士１）検出機能とリーン（
λ〉１）検出機能を有する空燃比センサに関する。

〔発明の背景〕

第１図に内燃機関の空燃比制御装置の概略構成を示す。

空燃比センサ１、エア７０−センサ２、水温センサ３、
クランクシャフトセンナ４などのセンサから機関情報を
コントロールユニット５に取込み、燃料噴射弁６、イグ
ニッションコイル７、アイドルスピードコントロールパ
ルプ８、排ガス猿流量制御バルブ９や燃料ポンプ１０な
どを制御するシステムの一例を示したものでアシ、空燃
比センサ１はこのシステムの重要なデバイスになってい
る。

第２図は空燃比に対する酸素と一酸化炭素の濃度及び燃
焼効率の関係を示す。従来の内燃機関は加速などのパワ
ーを要する時（この場合はリッチ領域で制御）を除き、
理論空燃比（Ｓｔｏｉｃｈ、空燃比Ａ／Ｆ＝１４．７．
空気過剰率λ＝１）で制御されていた。これは空燃比セ
ンサとして実用に供するものが理論空燃比センｆ（以後
、ストイックセンナと呼ぶことにするンしかなかったこ
とや排ガス対策によるためである。燃焼効率は第２図に
示す如く、燃料の希薄側即ち、リーン側で最大になるこ
とが知られている。それ故、少なくともアイドルや軽負
荷領域などではエンジンをリーン制御することが望まし
く、この領域の空燃比を高精度に検出できるリーンセン
サがこの場合の重要なデバイスとなる。このように、今
後のエンジン制御においてはストイックセンサとリーン
センサの機能を有する高機能な複合空燃比センサが必要
になる。しかし、このような空燃比センサは実用化され
るには至っていない。これは、簡単な構造で高精度、高
信頼性のものが未だ実現されていないためである。

リーンセンサとストイックセンサを複合化シた高機能な
エンジン制御用空燃比センサの概念が既に知られてｈる
。その例を以下に簡単に述べる。

ｇ−＋７）例は、ヒータを中央にはさんでリーンセンナ
とストイックセンナをサンドインチ状に積層したものが
知られているｆ（特開昭５５−１２５４４８号）。しか
し、この案は基準大気の導入路が必要で、センサの電極
が４電極と構造が複雑なこと、ヒータの熱効率が劣る。

第二の例は例えば特開昭５５−１５４４５０で提案され
ているような、セル励起電圧の極性を変えることによっ
て、リーン及びストイック点の検出を行う空燃比センサ
が知られている。しかし、このセル構成はセル励起電圧
の極性を変えるため、回路構成が複雑になる。また、リ
ーン機能とストイック機能の同時出力化が困難である。

第三の例は例えば％開昭５８−４８７４９で提案されて
いるような、袋管状の固体電解質の内部に傍熱型のヒー
タを配置し、センサの測定回路を部分的に切換えること
によって両機能を得る空燃比センチが知られている。こ
のセンナは第二の例と同じく、応答性や使用性に問題が
ある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は簡単な構成でエンジンの幅広い制御に適
応可能な複合センサ、即ちストイックセンサ機能とリー
ンセンサ機能を有する高応答、高精度なエンジン制御用
空燃比センサを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は同一のジルコニア固体電解質の一方に陰
極および陽極からなるリーンセルを、他方に酸素基準極
を配置したことにある。これにより三電極の簡単なセン
ナ構造でストイックセンサ機能とリーンセンサ機能が達
成される。本発明の望ましい一実施例によれば酸素基準
極の起電力が設定電圧と等しくなるように、リーンセル
の励起電圧が制御される。これによりセンサの駆動回路
が簡単に構成される。また、前記設定電圧かり一ン領域
の空気過剰率に応じて可変にされることにより、゛リー
ンセンサの応答性が改善される。検出部がヒータ内蔵の
積層体構造に構成されることにより、検出部は少ない電
力で高温の定温度に加熱される温度影響が小さくなる。

理論空燃比近傍のリーン領域以下の空気過剰率において
、リーンセルの陽極と陰極とが電気的に接続されること
により、ストイック点が高精度に検出される。また、リ
ッチ雰囲気中での酸素不足による陰極部の電子伝導に対
する負担が低減され、センナの耐久性が向上される。酸
素基準極部の起電力でリーンセル陰極部三層界面の酸素
濃度が管理され、リーンセルのポンピング能力の劣化度
合が少なく、リーンセンサ機能の信頼性が向上される。

ストイックセンナ機能とリーンセンサ機能を共に酸素ポ
ンプ方式にすることにより、電極及びヒータ部材は白金
系の材料で構成される。検出部の全積層体は厚膜−貫プ
ロセスを用い酸化雰囲気中で一体焼結が行なわれる。こ
れにより空燃比センサの量産性が向上される。設定電圧
が理論空燃比でスイッチング状に変化されることにより
、ストイック点／すの耐久性が向上される。

〔発明の実施例〕

本発明の前段階的な空燃比センサの構造とその原理を第
３図に示す。ジルコニア固体電解質１１中にリーンセル
１２、ストイックセル１３及びヒータ１４を配置した積
層体よりな９、セルは４電極で構成される。リーンセル
１２を電圧ＥＬで励起したときに流れるポンピング電流
値Ｉｐ（拡散律速によって一義的に決まる限界電流値）
でリーン領域の空燃比、ストイックセル１３を電流源か
ら電流値Ｉｐ＊で励起したときに発生する起電力ｅ□で
理論空燃比を検出するものである。しかし、この構成で
は図中へ点臓で示した如く酸素イオン流が発生すること
が本発明者らにより見出された。

このため両セルが互いに干渉し、理論空燃比及びリーン
領域の空燃比を高精度に検出することは田畑であった。

また、両セル間の相互干渉を回路で補償することが可能
であるが、回路の構成が複雑になり実用的ではない。な
お、厚さが数〜数十μｍのアルミナで構成される絶縁部
材１５を両セル間の全面に渡って配置し、両セル間の酸
素イオン流をなくし相互干渉を対策することが可能であ
るが、積層体の構造が熱衝撃に弱くな９本質的な解決に
は至らない。

本発明の望ましい実施例を第４図以下に示す。

なお、第４図以下において、同一の要素もしくは同等の
機能を有する要素を示すものとする。

本発明の一実施例を示す第４図において、ジルコニア固
体電解質２０の中央にアルミナなどの絶縁部材２１で囲
まれたヒータ２２があり、その上部のジルコニア固体電
解質２０には陰極２３、陽極２４、多孔質状の保膜膜２
５、下部のジルコニア固体電解質２０には酸素基準極２
６が設置されている。なお、ジルコニア固体電解質２０
、陰極２３及び陽極２４からなる部分は後述するように
、リーン機能を有する部分であシ、リーンセル２７と呼
ぶことにする。陰極２３及び酸素基準極２６はそれぞれ
拡散室２８．２９内に配置され、スリット状の拡散路３
０．３１を介して被測定雰囲気である排ガスと接触する
。ガス拡散抵抗体である拡散路３０と３１の抵抗率の大
きさは、後者（即ち、酸素基準極２６と連通ずる側）の
方が少なくとも前者の数十倍の大きさに製作されること
が望ましい。即ち、拡散室２９内へは排ガス雰囲気中よ
りガスが流入しにくいように製作される。後述するよう
に、酸素基準極２６部の酸素濃度を酸素ポンプ作用で制
御することにより理論空燃比を検出する原理である故、
基準大気の導入通路などは不要であり、センサの構造は
複雑にはならない。

また、非触媒性の金電極などを用いることなく、センサ
の三電極（陰極２３、陽極２４、酸素基準極２６）共、
全て耐久性の良好な白金系の高融点材料で構成すること
ができる。

この結果、図に示した検出部の全体構造を厚膜プロセス
技術で積層し、約１５００　Ｃの高温度で同時、一体焼
結することが可能になシ空燃比センサの量産性が向上す
る。このとき、拡散路や拡散室は炭素系の有機バインダ
の焼却法によって、一体焼結時に同時に形成される。な
お、大気導入路がないため、ヒータ２２でジルコニア固
体電解質２０を直接的に加熱できるので、ヒータ２２の
熱効率を向上できる。このとき、検出部の積層体はヒー
タ２２に対して上、下対称構造になっておシ、検出部の
温度分布に優れ、高温の定温度に高い精度で制御するこ
とができる故、温度影響の少ない高精度な空燃比センサ
を提供することが可能になる。

第３図と第４図の空燃比センサの構造上の主な違いは電
極数のみであるが、センサの駆動方法は後述するように
根本的に異なる。

本発明の他の実施例を第５図に示す。第゛５図に示した
ものは、第４図におけるスリット状の拡散路３０．３１
が穿孔状の拡散孔になったものでおる。

これらの拡散路３０．３１はポロシティの高い多孔質状
のものでも、原理的には何らさしつかえない。

なお、第４図及び第５図に示したものは検出部の右端部
を省略しであるが、この右端部は適当な形状の栓体に固
定され、この栓体を介して排気管に装着される。

本発明による自動車用空燃比センサの動作原理を第６図
に示す。図において、拡散路３０．３１は模式的に示し
たが、これらは第４図や第５図に示した如き配置や形状
を有するものとして、以下の説明を行う。このセンサが
排ガス雰囲気内にさらされると、拡散路３０．３１を介
して拡散室２８．２９内へ排ガス中のガスが拡散で流入
するウリーンセル２７に電圧ＥＬを励起すると、拡散室
２８内に拡散で流入した酸素ガスは陰極２３部で酸素イ
オン（０−）に還元される。この酸素イオンは大きな矢
印で示す如く、ジルコニア固体電解質２０内を陽極２４
部に向けて移動する。そして、陽極２４部で酸化されて
再び酸素ガスになり、排ガス中へ放出される。リーンセ
ル２７に電圧ＥＬを励起して、ジルコニア固体電解質２
０中を流れる酸素イオンの量は電流検出抵抗３２部の差
電圧からポンピング電流値工、として計測される。リー
ンセル２７のポンピング電流値工、は拡散律速に応じた
限界電流値と呼ばれ、次式に示す如く排ガス中の酸素分
圧（ａ度）ＰＯ２に比例する。

ここで、Ｆば７アラデ一定数、Ｄは酸素ガスの拡散定数
、几は気体定数、Ｔは絶対温度、Ｓは拡散路３０の横断
面積、ｔはその長さである。このように、リーン機能は
排ガス中の残存酸素濃度ＰＯ２から希薄燃焼領域の空燃
比を線形に検出するものである。

次に、ストイック機能について説明する。電流源３３（
望ましくは定電流源）から電流値工、を酸素基準極２６
と陰極２３間に通電する。すると、拡散路３０を介して
拡散室２８内へ拡散律速で流入した酸素ガスの一部は陰
極２３部で酸素イオン（０−”）に還元され、ジルコニ
ア固体電解質２０中を酸素基準極２６部へ向けて移動し
、この酸素基準極２６部で酸化されて再び酸素ガスにな
シ、拡散室２９内へ放出される。拡散路３１の抵抗率Ｃ
４／Ｓ）は拡散路３０のそれよυ、少なくとも数十倍の
大きさになるように製作されているため、拡散路３１を
介して拡散室２９内へ流入するガスの量は大幅に制限さ
れる。この結果、リッチ領域においても拡散路３１を介
して拡散室２９内へ拡散流入する一酸化炭素の量は、電
流源３３からの励起電流■−によって拡散室２９内へ放
出される酸素の量より低い値になる。それ故、空気過剰
率λによらず拡散室２９内の酸素濃度はあるレベル以上
になっている。

今、酸素基準極２６部の起電力ｅ（１が設定電圧ｅｇ　
　（必要に応じて０．２〜１ボルトの値に選択される）
と等しくなるように、第一の増幅器３４、トランジスタ
３５を介して、リーンセル２７の励起電圧Ｅｂがフィー
ドバック制御される。つまシ、酸素基準極２６と陰極２
３間の酸素分圧比が大きな値にフィードバック制御され
る故、陰極２３界面部の酸素濃度を実質的に零にする。

この結果、陰極２３部のポンピング能力が電気的に補償
されることになり、リーンセル２７は電極の劣化を受け
にくくなシ、（１）式が厳密に再現されリーン機能の信
頼性が、向上する。理論空燃比で拡散路３０を介して拡
散室２８内に拡散で流入する酸素ガスと一酸化炭素ガス
の量は化学量論的に等しくなる故、このストイック点で
Ｉ、は零になる。従って、第一の増幅器３４の出力電圧
Ｅ＾及びリーンセル２７の励起電圧ＥＬは階段状に低下
し零になる。

このとき、酸素基準極２６と陽極２４間の差電圧ΔＶは
階段状に零から１ボルトオーダーへ変化する。よって、
階段状に変化する信号（ΔＶ、Ｅ人。

ＥＬ）のいずれかを利用して、ストイック点を高精度に
検出することができる。この中で、ΔＶを利用する場合
について以下に説明する。陽極２４部へ保護膜２５を介
して流入してくる酸素と一酸化炭素は、陽極２４の触媒
作用（白金系の電極材料である故）により（２）式の反
応が進行する。

２　ＣＯ＋　０２　ｄ　２　ＣＯｚ　　　　　　・・・
（２）この結果、酸素と一酸化炭素の量が化学量論的に
等しい理論空燃比において、陽極２４界面の酸素濃度は
実質的に零になる。これに対して、酸素基準極２６界面
の酸素濃度は空気過剰率によらず、あるレベル以上にな
るように電気回路でフィードバック制御されており、差
電圧ΔＶはストイック点で階段状に変化する。陽極２４
の界面と酸素基準極２６の界面における酸素分圧をそれ
ぞれＰ工。

ＰＫとすると差電圧ΔＶは で示される。励起電流値Ｉ、＊は十分に小さいこと、空
燃比センサはヒータ２２で約６０００以上の高温の定温
度に加熱制御されるためジルコニア固体電解質２０の抵
抗値ｒは小さいことにより、（３）式右辺第２項のオー
ム損過電圧ｒ工、は無視できる値になる。

励起電流値工、はリーンセル２７の出力電流値■、に比
較して十分に小さな値であシ、リーン機能の計測精度に
何ら影響を与えない。

なお、図においてＶｇは電源の電圧を示す。

第７図〜第１４図に、本発明による空燃比センサ構造の
他の実施例を示す。

第７図は酸素基準極２６が拡散室２９の上方部に配置さ
れたことに％徴がある。なお、拡散路３０．３１は前述
の如く、模式的に示しである。

第８図は第７図に示した拡散路３１が多孔質の部材で構
成された場合である。この場合、多孔質部材は保眼膜２
５より大幅に厚いか、あるいは多孔度の悪い材料で構成
される。

第９図は第８図に示した拡散路３１がリーンセル２７側
に配置された場合である。図において、酸素基準極２６
は２つであるように思われるかも知れないが、平面的に
は接続されておシ空燃比センサはやはシ実質的に三電極
構造であることに注意されたい。

第１０図は第９図における保護膜２５と拡散路３１の相
対的な配置が逆になった場合である。

第１１図は拡散室２８部に、多孔質状の拡散路３１を介
して酸素基準極２６を配置した場合である。

第１２図は第１１図における拡散路３１がない場合でラ
シ、精度は低下するが原理的には複合センサとしての機
能を有する。

第１３図は第９図と第１０図の中間的な配置の実施例で
ある。

第１４図は第１３図において、絶縁層的な絶縁部材２１
がアルミナ基板などの基板状の絶縁部材３６で構成され
た場合である。

この他にも、本発明の変形例は色々考えられる。

この場合の必要最小争件は三電極とも、同一のジルコニ
ア固体電解買上に形成されることにちる。

本発明による自動車用空燃比センサの全体構成の一実施
例を第１５図に示す。酸素基準極２６への励起電流値工
、は励起電流調整抵抗３７の抵抗１直几λによって決定
される。設定電圧ｅｇはチェナーダイオード３８、抵抗
３９及び抵抗４０によって決定される。酸素基準極２６
の起電力ｅ、）が設定電圧ｅｓに等しくなるように、リ
ーンセル２７の励起電圧Ｅｃが第一の増幅器３４、トラ
ンジスタ３５を介してフィードバック制御される。

リーンセル２７部のポンピング電流工、は電流検出抵抗
３２の差電圧を差動増幅器４３で増幅した後、その出力
信号はｅＬとしてコントロールユニット５に取シ込まれ
る。なお、リーン機能の感度調整は電流検出抵抗３２の
抵抗値几りを調整することによって行なわれる。酸素基
準極２６と陽極２４間の差電圧ΔＶは差動増幅器４４で
増幅処理された後、その出力信号はｅλとしてコントロ
ールユニット５に取シ込まれる。第１５図の方法にて測
定した空燃比センサの特性を第１６図に示す。

この図には、Ｉ、−０，１ｍＡ、ＲＬ　＝１００Ω、差
動増幅器４３．４４部における増幅率αがそれぞれ１０
倍、１倍で設定電圧はｅｓ＝ｏ、７Ｖ一定の場合を示し
た。リーンセンサの出力電圧ｅＬは希薄燃焼領域の空気
過剰率（λ＞１）でＩＪ　ニアに変化し、この領域の空
燃比を連続的に検出することができる。また、ストイッ
クセンサの出力電圧ｅλ及びリーンセルの励起電圧ＥＬ
は理論空燃比のストイック点（λ；１）でステップ状に
変化する。それ故、どちらの電圧信号を利用しても、ス
トイック点を高い精度で検出することができる。

この結果、本発明による自動車用空燃比センサはλ≧１
の空気過剰率を連続的に検出することが可能ど、しかも
λ＝１のストイック信号及びλ〉１のリーン信号を同時
出力化させているため、使い易い七ン丈にすることがで
きた。なお、第１６図以下に示す試作センナの特性とし
ては、検出部の黒度をヒータ２２で８００Ｃに加熱した
場合の実測例を示した。

な≧、ｅλ及びＲＬ共に、λく１のリッチ側でゆるやか
な傾斜特性を有している。これは陽極２４部から酸素基
準極２６部へ向う酸素イオンがないためである。λ〈ｌ
のリッチ領域での傾斜特性を改善できれば、ストイック
点検出時のＳ／Ｎ比はさらに向上する。

このＳ／Ｎ比の改善を行った空燃比センサ全体構成の実
施例を第１７図に示す。第一の増幅器３４の出力電圧Ｅ
＾が設定電圧ｅｇより小さくなったことを検出する第二
の増幅器４１を設け、第二の増１！Ｕ器４１の出力信号
によってリーンセル２７の陽極２４と陰極２３間に並列
的に接続したスイッチ４２をＯＮ状態にする。図中のス
イッチ４２にはトランジスタの場合を示しているが、Ｍ
Ｏ８ｍのものでも良い。後述するように、ストイック点
近傍のり一ン側の空気過剰率λ２以下で、第一の増幅器
３４の出力電圧８人は零になる故、前記の空気過剰率λ
”以下でトランジスタ型のスイッチ４２はＯＮ状態にな
り、リーンセル２７の陽極２４と陰極２３は電気的に接
続される。スイッチ４２がＯＮ状態になると、励起電流
Ｉ−による酸素イオン（０−）流はリーンセル２７の陽
極２４部からも酸素基準極２６部に向うようになる。

この酸素ポンプ作用によって、陽極２４部の触媒作用が
向上し、（２）式の反応が活発に進行する。この結果、
陽極２４界面の酸素濃度がリッチ領域の空燃比で極端に
小さくなり、前述の傾斜・特性が改善される。

この構成による空燃比センサ特性の測定例を第１８図に
示す。図に示すように、ストインク点における信号の変
化幅はｅλ及びＲＬ共に犬きくなシ、リッチ領域におけ
るゆるやかな傾斜特性の改善されたことが分る。なお、
λく１以下のリッチ領域におけるリーンセルの励起電圧
ＥＬは当然の如く、零ボルトレベルまで低下する。

なお、スイッチ４２のＯＮによって陽極２４部から酸素
基準極２Ｇ部へ酸素イオン流を向わせることは、ストイ
ック機能のＳ／Ｎ比を向上させる他にも、次の如き効果
を発生させる。リッチ領域における排ガス宴囲気中の酸
素濃度は第２図に示すように、低濃度である。従って、
励起電流ニーによって拡散室２９内に十分な酸素を供給
するには、新たな酸素イオン供給源となる電極の増加が
必要になる。この点、λく１のリッチ領域で、陽極２４
はこの新たな酸素イオン供給源として作用する。この結
果、リッチ領域における陰極２３界面部の極端な酸素濃
度の低下を防止でき、ジルコニア固体電解質２０が電子
伝導領域に突入することはなくなる。それ故、空燃比セ
ンサの耐久性の劣化や精度の低下が少なくなシ、信頼性
が向上する。

第１７図に示した構成による空燃比センサを第１９〜２
０図を用いて、より詳細に説明する。

空気過剰率λに対する各部の電圧特性を第１９図に示す
。リーンセル２７のポンプ電流工、特性に励起電流値工
、を加算した値、即ち２点鎖線で示した特性は拡散路３
０を介して拡散室２８内へ（１）式の拡散律速で流入す
る酸素ガスに基づく、限界電流値に相当する。第一の増
幅器３４の出力電圧ＥＡはストイック点近傍の空気過剰
率λ８で急激に小さくなる。実験によると、このλ８値
のストイック点（λ＝１）からのズレ量は励起電流値工
、＊と大きな相関のあることが分った。即ち、■、値が
小さい程ズレ量は少なくなシ、ストイック点にかぎりな
く接近する。なお、試作した空燃比センサはニー＝　Ｏ
，ｌ　ｍ　Ａのとき、λ８値は約１．０１でおった。設
定電圧ｅ、が０．７ボルトのとき、酸素基準極２６部の
起電力ｅＱはλ≧１の領域では０．７ボルトになるよう
にフィードバック制御される。しかし、λ≦１の領域で
は第一の増幅器３４の出力電圧Ｅムは零になり、フィー
ドバック制御回路の効果は実質的になくなる。この結果
、λ≦１の領域における酸素基準極２６部の起電力ｅＱ
は励起電流ニ、の効果によって、約１ボルトオーダヘス
テツプ状に上昇する。

ストイックセンナに使用可能な信号（ｅλ。

ＥＬ、Ｅ＾）のストイック点近傍における出力特性の拡
大図を第２０図に示す。図に示すように、差動増幅器４
４の出力信号ｅよ及びリーンセル２７の励起電圧Ｅｈは
ほぼストイック点で階段状に変化する。これに対して、
励起電流ニ、が０．１ｍＡのとき、第一の増幅器３４の
出力電圧Ｅムはλ”＝１．０１で階段状に変化する。ニ
ー値をより小さな値に設定（この場合、拡散路３１の抵
抗率をより大きな値にする必要がある）すると、λ８値
はさらにストイック点に接近する。もちろん、この場合
は第一の増幅器３４の出力電圧８人もストイックセンナ
の出力信号として使用することが可能になる。

リーンセル２７の励起電圧Ｅｒ、をフィードバック制御
する本発明の一実施例によれば、リーンセンサ応答性の
改善に極めて大きな効果が得られる。

この効果を第２１〜２５図を用いてより詳細に説明する
。

リーンセル２７のＶ−Ｉ特性を第２１図に示す。

励起電圧Ｅによってジルコニア固体電解質中をポンピン
グされる電流値の特性を示したものである。

励起電圧Ｅが大きくなるにつれて、ポンプ電流値工は次
第に増加し、一定の値で飽和する。この飽和電流値工、
が（１）式によって定まる限界電流値である。さらに励
起電圧Ｅを大きくすると、ジルコニア固体電解質は電子
伝導性を示すようになり、電流値工は急激に増加する。

従って、リーンセンサの場合はこの飽和電流値工、を検
出する必要があシ、リーンセル駆動時の励起電圧Ｅ１．
はこの図から適轟な値に設定される。第１５図及び第１
７図に示した回路構成の場合、リーンセル２７の励起電
圧ＥＬは空気過剰率λによらず（但し、λ〉１の領域に
おいて）、特性曲線ａで示すようにほぼ一定のに設定さ
れている。励起電圧Ｅ＋、を特性曲線すで示すように、
空気過剰率λに応じ”Ｃ少しずつ大きくすると、リーン
センナの応答性が著しく改善されることを実験的に確認
した。

その現象を第２２図で説明する。空燃比センサ雰囲気の
空気過剰率に変化がなくても、ポンプ電流値工が飽和電
流値（限界電流値）を示す範囲内で励起電圧ＥＬをステ
ップ状に変化させると、ＥＬの微分波形の如き特性が出
力電流値工、に加算される。この現象をリーンセンナの
応答性の改善に使用しようとするものである。なお、実
験によると出力電流値Ｉ、の変化幅Δ工、の大きさは励
起電圧ＥＬの変化幅ΔＥ＋、の大きさにほぼ依存するこ
とが分った。

本発明による自動車用空燃比センサの全体構成の他の実
施例を第２３図に示す。第一の増幅器３４の出力電圧Ｅ
Ａ部を抵抗４５を介して、設定電圧ｅ８の決定部に正帰
還させたことに特徴がある。なお、抵抗４６とコンデン
サ４７からなる積分回路は空気過剰率λが急変したとき
に、前述の正帰還回路に基因してリーンセンサの出力信
号ｅＬに発生する過渡的な発振現象を防止するためのも
のである。

第２３図に示した構成による空燃比センサの静特性の実
測例を第２４図に示す。設定電圧ｅｇはり一ン側の空気
過剰率λに応じて、０．７５ボルトから０．８０ボルト
へ可変的に大きな値になっている。この結果、リーンセ
ル２７の励起電圧ＥＬは第２１図の特性曲線すに示した
ように、空気過剰率λに応じて自動的に大きな値へフィ
ードバック制御される。このようにリーンセル２７の励
起電圧ＥＬを可変にしても、リーンセンサの出方信号Ｃ
Ｌ、ストイックセンサの出力信号として使用可能な信号
ｅλ及びＥＬ共に、ヒステリシスが小さく良好な特性を
示す。

リーン側で設定電圧ｅｇｆ：可変（即ち、リーンセルの
励起電圧ＥＬを可変）にしたときの、リーンセンサ出力
信号の応答性改善効果の実測例を第２５図に示す。図は
空気過剰率λをＬｌがら１．３へステップ状に変化させ
たとき、差動増幅器４３の出力電圧であるリーンセンサ
の出力信号ｅＬがどのように変化するかを示したもので
ある。図において、特性ａは空気過剰率λによらず、リ
ーンセル２７の励起電圧ＥＬを一定にした場合である。

特性ｂＦｉ空気過剰率λに応じて、励起電圧ＥＬを適度
に可変的に大きくした場合であバその応答性は特性ａの
場合の約半分に改善されることが分った。この結果、リ
ーンセンサの時定数τは約１５　ｍ　ｓと小さく、気筒
別の空燃比を弁別することができ、非定常の空燃比制御
を行うことが可能になった。なお、空気過剰率λに対す
る励起電圧ＥＬの変化幅を大きくすると、過渡特性はＣ
特性で示すように、オーバシュート現象を発生し効まし
くないことになる。

次に、リーンセンサの耐久性の実測例を第２６図に示す
。ａ特性はリーンセル単体の経時変化を示したものでア
シ、陰極２３部のポンピング能力の低下によって、その
出力信号は次第に低下することが分った。しかし、本発
明の如く酸素基準極２６部の起電力ｅＯが設定電圧ｅ８
と等しくなるように、リーンセル２７の励起電圧ＥＬを
フィードバック制御する構成は、経時的に陰極２３部の
ポンピング能力の低下を補償するように作用する。

この結果、本発明による場合、リーンセンサの出力信号
の変化はｂ特性で示すように小さくなり、耐久性の改善
にも大きな効果があった。

次に、ストイック機能の耐久性や歩留りの向上対策につ
いて述べる。

ストイック機能の定電流励起特性を第２７図に示す。酸
素基準極２６部から陽極２４部へ定電流■、を励起した
ときに、発生する酸素基準極２６部の起電力ｅＱを示し
たものである。もちろん、図中の特性は励起電圧ｋＪＬ
を印加せずに、陽極２４部に対する酸素基準極２Ｇ部の
起電力ｅＱを測定したものである。励起電流値工、が０
．２　ｍ　Ａと大きい場合、起電力ｅｏの変化点のヒス
テリシスが大きくなる。これは、リッチ領域で陽極２４
界面の酸素濃度が極端に低下し、部分的に電子伝導性に
なるためと考えられる。逆に、ＩＰ値が０．０５ｍＡと
小さいときは、リッチ側で起電力ｅ６が低下する。これ
は、拡散室２９内へ電気的に供給する酸素が不足し、酸
素基準極２６界面の酸素濃度が低下するためである。ま
た、リッチ側で起電力ｅ、）が低下し設定電圧ａｇ以下
になると、リッチ側でもリーンセル２７へ励起電圧ＥＬ
が印加され、効ましくない。なお、図に示した試作サン
プルの場合、その励起電流値工、は０．１　ｍ　Ａ前後
が適轟であシ、ヒステリシスが小さく、リッチ領域での
レベル低下もない。このように、適正なストイック機能
を得るには適切な励起電流値工、＊を設定する必要があ
る。従って、設定電圧ｃｓをストイック点で階段状に変
化させ、リッチ側で低レベル、リーン側で高レベルに設
定することにより、これらの問題点に対応することがで
きる。即ち、後述するように、励起電流値Ｉ、が０．０
５ｍＡと小さい場合も、良好なストイック機能を得るこ
とが可能になる。な２、リーンセル２７で限界電流値工
、を高精度に検出するためには、励起電圧Ｅｔ、をちる
レベル以上にする必要があり、リーン側での設定電圧ｅ
ａをあまシ小さな値にすることはできない。

また、ストイック点で設定電圧ｅｇを階段状に変化させ
ることはストイック機能の耐久性からも有利でるる。即
ち、経時的に陽極２４部の触媒作用が劣化した多い拡散
室２９部にマイクロクラックが発生したシすると、リッ
チ側での起電力が低下することが予想されるからである
。

設定電圧ｅＢをストイック点で階段状に変化させる構成
の一実施例を第２８図に示す。抵抗４９゜５０を新たに
付加することにより“、第一の増幅器３４の出力電圧を
２ＥＡにした。そして、この点を抵抗５１、チェナーダ
イオード（図の場合は３Ｖ用）を介してアース点に接続
した。抵抗５１とチェチーダイオード５２間の電圧を抵
抗４５を介して、設定電圧ｅＢ決定部に正帰還させるこ
とにより、リーン領域での設定電圧ｅ、ｇの変化幅を抑
制し、ストイック点での変化幅を大きくすることができ
る。

コンパレータ４８はスイッチング状のストイック信号ｅ
λを発生させるものである。即ち、抵抗５３と５４によ
って決定されるスライスレベルｅ、より電圧８人が小さ
くなったとき、Ｈｉｇｈレベルの電圧信号ｅλを発生さ
せるものである。

第２８図に示した構成による場合の空燃比センサの特性
を第２９図に示す。この図は酸素基準極２６部の励起電
流値工、が０．０５　ｍ　Ａと小さい場合の実測例であ
る。図に示すように、リーンセンサ及びストイックセン
サとも、ヒステリシスが小さく良好な結果が得られた。

第２８図に示し念構成による場合の、ストイック点近傍
における各部の電圧特性を第３０図に示す。この図を用
いて、第一の増幅器３４の出力電圧ＥＡｆｚｒ、利用し
ても、ストイック点を高精度に検出できる理由について
説明する。増１龍器３４の出力電圧Ｅ＾はλ　点とスト
イック点でステップ状に変化する。これに応じて、設定
電圧ｅｇもλ２点とストイック点で大幅に低下する。な
お、２８点でスイッチ４２はＯＮ状態になシ、リーンセ
ル２７の陽極２４は陰極２３部へ接続される。図から理
解できるように、コンパレータ４８の入力であるスライ
スレベルｅ　ａ　ｔ−０，２ホルトオーダーにすると、
出力電圧ＥＡを利用してもストイック点を高い精度で検
出できることになる。この結果、ストイックセンサの出
力ｅλはリーン領域の低レベルからリッチ領域の高レベ
ルへ、ストイック点でスイッチング状に変化する。

以上説明した本発明の望ましい実施例によれば、エンジ
ンの幅広い制御に遺志可能な複合センサ、即ちストイッ
クセンサ機能とリーンセンサ機能を有するエンジン制御
用空燃比センサを１ｍ単な構成で提供することができる
。

すなわち同一のジルコニア固体電解買上に形成した三電
極構造でヒータ内蔵の空燃比センサであｐ１各電極間の
酸素イオン流の方向やり一ンセルと並列に配置したスイ
ッチの駆動方法や酸素基準極起電力のフィードバック制
御及びその設定方法により、以下に示す効果が得られる
。

（１）空燃比センサの構造及びその駆動回路の構成が簡
単になる。

（２）　　空燃比センサの精度や信頼性が向上する。

（３ン　　空燃比センサの応答性が向上する。

（４）厚膜−貫プロセス及び検出部の同時、一体焼結プ
ロセスが可能になり、空燃比センサの量産性が向上する
。

（５）　　空燃比センサの調整方法が簡単になり、歩留
υが向上する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、エンジンの幅広い制御に適応可能な複
合センナ、即ちストイックセンナ機能とリーンセンサ機
能を有するエンジン制御用空燃比センサを簡単な構成で
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の空燃比制御装置の概略構成図、第２
図は空燃比と排ガス濃度、燃焼効率の関係を示した図、
第３図は本発明の前段階的な空燃比センサの構造とその
原理説明図、第４図は本発明による空燃比センサ構造の
説明図、第５図は本発明による空燃比センサ構造の他の
実施例を示した図、第６図は本発明による空燃比センサ
の動作原理説明図、第７図〜第１４図は本発明による空
燃比センサ構造の変形例を示した図、第１５図は本発明
による自動車用空燃比センサの全体構成の一実施例を示
した図、第１６図は第１５図の構成によって測定した空
燃比センサ特性の実施例を示した図、第１７図は本発明
による自動車用空燃比センサの全体構成の他の一実施例
を示した図、第１８図は第１７図の構成によって測定し
た空燃比センサ特性の実測例を示した図、第１９図は上
空過剰率に対する各部の電圧特性を示した図、第２０図
はストイック点近傍の出力特性を示した図、第２１図は
リーンセルのＶ−Ｉ特性を示した図、第２２図は応答性
改善効果の説明図、第２３図は本発明による至燃比セン
サの全体構成の他の一実施例を示した図、第２４図は第
２３図の構成によって測定した空燃比センサ特性の実測
例き示した図、第２５図は本発明による空燃比センサの
応答性改善効果の実測例を示した図、第２６図は本発明
による空燃比センサの耐久性の実測例を示した図、第２
７図は本発明による空燃比センサにおけるストイック機
能の定電流励起特性を示した図、第２８図は本発明によ
る空燃比センサの全体構成の他の一実施例を示した図、
第２９図は第２８図の構成によって測定した空燃比セン
サ特性の実測例を示した図、第３０図は本発明による空
燃比センサのストイック点近傍における各部の電圧特性
を示した図である。 ２０・・・ジルコニア固体電解質、２１・・・絶縁部材
、２２・・叱−タ、２３・・・陰極、２４・・・陽極、
２５・・・保護膜、２６・・・酸素基準極、２７．・・
・リーンセル、２８・・・拡散室、２９・・・拡散室、
３０・・・拡散路、第　２　口 な気適刺午（入） 器で古゛　レヒ　（Ａ／。 も３　口 沼　４　巳 Ａ−Ａキ赳口 Ｆ５−６キ兜凹 ￥−１５■ Ａ−△　ネ見　〔う ６−３神目 ？ｒ量　　　　ら　　　　　口 ）弓　　ゴ　　〔ろ 活　け 、ｖ１９（２１ も　１０　　已 も　１（図 第　１２０ 不　１３　　記 空気逼刺午入 旭　ｔｃ　　口 堅気過刺牽入 不　２０口 整九通刺牽入 も　２１　　［２１ 勲紅電圧　Ｅ　　＜Ｖ） 指　？２０ □峙閏 馬　２Ｓ　　口 第２Ｇ口 高才又峙間（切 招２Ｃ口 頓気芭制卆入 柘３Ｑ　（３ 整気轟キ・１午入

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ジルコニア固体電解質と、その一方に形成された陰
   極、陽極からなるリーンセルと前記固体電解質の他方に
   設けられた酸素基準極より構成され、リーン領域の空燃
   比と理論空燃比を検出することを特徴とする自動車用空
   燃比センサ。 ２、特許請求範囲第１項において、前記陰極及び酸素基
   準極はガス拡散抵抗体を介して被測定排ガス雰囲気と接
   触するよう配置され、前記ガス拡散抵抗体の抵抗率は陰
   極部より酸素基準極部の方が大きいことを特徴とする自
   動車用空燃比センサ。 ３、特許請求範囲第２項において、前記リーンセンサと
   酸素基準極とはヒータを内蔵した絶縁層を介して対向配
   置されていることを特徴とする自動車用空燃比センサ。 ４、特許請求範囲第３項において、前記リーンセルは電
   圧励起で駆動され、酸素基準極部は電流励起されるよう
   構成されていることを特徴とする自動車用空燃比センサ
   。 ５、特許請求範囲第４項において、前記電圧励起駆動に
   よるガス拡散抵抗体を介してリーンセルの陰極部に拡散
   律速で流入した酸素ガスは陰極部で酸素イオンに変換さ
   れ、この酸素イオンが陽極部と酸素基準極部に向うこと
   を特徴とする自動車用空燃比センサ。 ６、特許請求範囲第５項において、酸素基準極部の起電
   力が設定電圧と等しくなるように第１の電気回路を介し
   てリーンセルの励起電圧が制御されて、リーンセルのポ
   ンピング電流値からリーン領域の空燃比が検出され、酸
   素基準極部とリーンセルの陽極部間の差電圧あるいはリ
   ーンセルの励起電圧あるいは第１の電気回路の出力電圧
   に基づいて理論空燃比が検出されることを特徴とする自
   動車用空燃比センサ。 ７、特許請求範囲第６項において、空気過剰率が理論空
   燃比近傍のリーン領域以下のとき、スイッチを介してリ
   ーンセルの陽極部が陰極部と電気的に接続されることを
   特徴とする自励車用空燃比センサ。 ８、特許請求範囲第７項において、第１の電気回路の出
   力電圧が酸素基準極部の設定電圧より実質的に小さくな
   ったことを検出する第２の電気回路を介して、前記のス
   イッチが一方の状態から他方の状態へ駆動されることを
   特徴とする自動車用空燃比センサ。 ９、特許請求範囲第８項において、第１の電気回路の入
   力電圧である設定電圧は空気過剰率に依存しない所定値
   にされることを特徴とする自動車用空燃比センサ。 １０、特許請求範囲第８項において、第１の電気回路の
   入力電圧である設定電圧はリーン領域の空気過剰率に応
   じて可変にされることを特徴とする自動車用空燃比セン
   サ。 １１、特許請求範囲第８項において、第１の電気回路の
   入力電圧である設定電圧は理論空燃比近傍でスイッチン
   グ状に変化されることを特徴とする自動車用空燃比セン
   サ。