JPS62175658A - 酸素濃度センサの活性判別方法 - 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】 脱ｊＪｊ 本発明は内燃エンジンの空燃比制御装置に用いられる酸
素濃度センサの活性判別方法に関する。

１旦韮Ｉ 内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善等のために排気
ガス中の酸素濃度を酸素濃度センサによって検出し、エ
ンジンに供給する混合気の空燃比を酸素濃度センサの出
力レベルに応じて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センサ
として排気ガス中の酸素濃度に比例したー出力を発生す
るものがある。例えば、平板状の酸素イオン伝導性固体
電解質部材の両生面に電極対を設けて固体電解質部材の
一方の電極面が気体滞留室の一部をなしてその気体滞留
室が排気ガス等の被測定気体と導入孔を介して運通する
ようにした限界電流方式の酸素濃度センナが特開昭５２
−７２２８６号公報に開示されている。この酸素濃度セ
ンサにおいては、酸素イオン伝導性固体電解質部材と電
極対とが酸素ポンプ素子として作用して気体滞留室側電
極が負極になるように電極間に電流を供給すると、負極
面側にて気体滞留室内気体中の酸素ガスがイオン化して
固体型Ｗ？質部材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。このときの電極間に流れ（ｑる
限界電流値は印加電圧に拘らずほぼ一定となりかつ被測
定気体中の酸素濃度に比例するのでその限界電流値を検
出すれば被測定気体中の酸素濃度を測定することができ
る。ところが、かかる酸素濃度センサ、　を用いて空燃
比を制御する場合に排気ガス中の酸素濃度からは混合気
の空燃比が理論空燃比よりリーンの範囲でしか酸素ａ度
に比例した出力が得られないので目標空燃比をリッチ領
域に設定した空燃比制御は不可能であった。空燃比がリ
ーン及びリッヂ領域にて排気ガス中の酸素Ｓ度に比例し
た出力が得られる酸素濃度センサとしては２つの平板状
の酸素イオン伝導性固体電解質部材各々に電極対を設け
て２つの固体電解質部材の一方の電極面各々が気体滞留
室の一部をなしてその気体滞留室が被測定気体と導入孔
を介して運通し一方の固体電解質部材の他方の電極面が
大気室に而するようにしたものが特開昭５９−１９２９
５５号に開示されている。この酸素濃度検出装置におい
てｔま一方の酸素イオン伝導性固体電解質部材と電極対
とが酸素濃度比検出電池素子として作用し他方の酸素イ
オン伝導性固体電解質材と電極対とが酸素ポンプ素子と
して作用するようになっている。酸素濃度比検出電池素
子の電極間の発生電圧が基準電圧以上のとき酸素ポンプ
素子内を酸素イオンが気体滞留室側電極に向って移動す
るように電流を供給し、酸素濃度比検出電池素子の電極
間の発生電圧が基準電圧以下のとき酸素ポンプ素子内を
酸素イオンが気体ｎ留室側とは反対側の電極に向って移
動するように電流を供給することによりり一部及びリッ
チ領域の空燃比において電流値は酸素濃度に比例するの
である。

このような酸素濃度比例型の酸素濃度センサにおいては
、酸素濃度に比例した出力特性を得るためには定常運転
時の排気ガス温度より十分高い温度（例えば、６５０℃
以上）にする必要がある。

よって、酸素ポンプ素子及び電池素子を加熱するために
ヒータ素子が内臓され、酸素濃度測定時にはヒータ素子
が発熱するようになっている。

しかしながら、酸素濃度比例型の酸素濃度センサにおい
ては、上記のように酸素ポンプ素子及び電池素子が定常
運転時の排気ガス温度より十分高い温度でなければ比例
出力特性が得られないので定常運転時の排気ガス温度以
下で所望の出力特性が得られる酸素濃度に比例しないタ
イプの酸素濃度センナのようにエンジン冷却水温、吸気
温等のエンジン運転パラメータを用いて活性化を判別す
ることができないという問題点があった。また酸素濃度
センサの出力レベルから活性判別をする場合には供給混
合気の空燃比を予め定められた値にしなければ酸素濃度
センサの活性を正確に判別できないという問題点があっ
た。

１更立且１ そこで、本発明の目的は、酸素濃度比例型の酸素濃度セ
ンサの活性化を正確に判別することができる活性判別方
法を提供することである。

本発明の酸素濃度センサの活性判別方法は、酸素ポンプ
素子又は電池素子の電極対の気体滞留室側の内側電極か
ら気体滞留室とは反対側の外側電極に向って固体電解質
壁部内をを介して電流が流れるように電極対間に所定電
圧を印加し、その電極間の電流値に応じてＩＳＩ素濃度
センサの活性を判別することを特徴としている。

及−蓋−１ 以下、本゛発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明の活性判別方法を適用した酸素ｍ反比例
出力型のＷ４素濃度セン勺を示している。

この酸素濃度センサにおいては、はぼ直方体状の酸素イ
オン伝導性固体電解質部材１が設けられている。酸素イ
オン伝導性固体電解質部材１内には気体滞留室２が形成
されている。気体滞留室２は固体電解質１外部から被測
定気体の排気ガスを導入する導入孔４に運通し、導入孔
４は内燃エンジンの排気管（図示せず）内において排気
ガスが気体滞留室２内に流入し易いように位置される。

また酸素イオン伝導性固体電解質部材１には大気を導入
する大気基準室５が気体滞留室２と壁を隔てるように形
成されている。気体ｎ留室２と大気基準室５との間の壁
部及び大気基準室５とは反対側の壁部には電極対７ａ、
７ｂ、６ａ、６ｂが各々形成されている。固体電解質部
材１及び電極対６ａ、５ｂが酸素ポンプ素子８として作
用し、固体電解質部材１及び電極対７ａ、７ｂが電池素
子９として作用する。また大気基準室５の外壁面にはヒ
ータ素子１０が設けられている。ヒータ素子１０はイグ
ニッションスイッチ（図示せず）のオンと同時に電流が
供給されて発熱するようになっている。

酸素イオン伝導性固体電解質部材１としては、ＺｒＯ２
（二酸化ジルコニウム）が用いられ、電極６ａないし７
ｂとしてはＰｔ（白金）が用いられる。

第２図に示すように酸素ポンプ素子８の電極６ｂ及び電
池素子９の電極７ｂはアースされている。

電池素子９の電極７ａには差動増幅回路１６が接続され
、差動増幅回路１６は電池素子９の電極７ａ、７ｂ間の
発生電圧と基準電圧源１７の出力電圧との差電圧に応じ
た電圧を出力する。基準電圧源１７の出力電圧は理論空
燃比に相当する電圧（例えば、０．４Ｖ）である。差動
増幅回路１６の出力端は切替スイッチ１８の一方の固定
接点に接続されている。切替スイッチ１８の可動接点は
電流検出抵抗１９を介して酸素ポンプ素子８の電極６ａ
に接続されている。電流検出抵抗１９の両端にはマイク
ロコンピュータからなる判別回路１５が接続されている
。切替スイッチ１８の他方の固定接点には基準電圧源２
０が接続され、切替スイッチ１８によって基ｌ電圧源２
０と抵抗１９とが接続されると、電極６ａが負電位にな
るように酸素ポンプ素子８と抵抗１９との直列回路に基
準電圧源２０の出力電圧（例えば、−１Ｖ）が印加され
る。また切替スイッチ１８によって差動増幅回路１６と
電流検出抵抗１９とが接続されると、電流検出抵抗１９
の両端電圧が酸素濃度検出値として判別回路１５に出力
される。切替スイッチ１８の切替は判別回路１５によっ
て駆動制御される。

次に、本発明の活性判別方法の手順を第３図に示した判
別回路１５の動作フロー図に従って説明する。

判別回路１５はイグニッションスイッチのオンと同時に
先ず、抵抗１つと基準電圧源２０とを接続させた活性判
別状態にするようにスイッチ１８を駆動しくステップ５
１）、抵抗１９の端子電圧■ｏｕｔを読み込む（ステッ
プ５２）。活性判別状態においては基準電圧源２０の出
力電圧が抵抗１９及び酸素ポンプ素子８の直列回路に印
加され、酸素ポンプ素子８の電極６ａが負電位に、また
電極６ｂがアース電位になり電極６ａ、６ｂ間を電流が
流れる。この電流は電極６ｂから電＋！ｉ６ａに向って
流れるので外部の酸素が電極６ａにてイオン化して酸素
ポンプ素子８内を移動し電極６ｂから酸素ガスとして気
体滞留室２内に放出され、酸素が気体滞留室２内に汲み
込まれる。またこの電流は抵抗１９を流れるので抵抗１
９の端子電圧■ｏｕｔとして判別回路１５に供給される
。ヒータ素子１０によって酸素濃度センサが加熱される
に従って酸素ポンプ素子８の内部抵抗が徐々に低下する
ので端子電圧ＶＯｕｔは第４図に示すように低下し、エ
ンジンに供給される混合気の空燃比がリッチ及びリーン
のいずれであっても酸素濃度センサの活性化が完了する
時点ｔ１まではほぼ同一特性で変化する。判別回路１５
は読み込んだ端子電圧ｙｏｕｒが活性基準値Ｖｒｅｆよ
り大であるか否かを判別しくステップ５３）　、Ｖｏｕ
ｔ　＜Ｖｒｅｆならば、酸素濃度センサの活性化が完了
したとしてフラグＦＯ２に゛１″をセットして酸素濃度
センシの活性を記憶しくステップ５４）、抵抗１９と差
動増幅回路１６の出力端とを接続させたセンサ作動状態
にするように切替スイッチ１８を駆動して酸素ポンプ素
子８へのポンプ電流の供給を開始する（ステップ５５）
。かかる動作を酸素温度センサの活性化が完了するまで
繰り返し実行するのである。

かかる本発明の活性判別方法においては、エンジン始動
後の暖機時ではエンジンに供給される混合気の空燃比が
リッチであるので気体滞留室２内に導入孔４を介して導
入した排気ガス中の酸素濃度は低い。よって、電極６ａ
から電極６ｂ方向に電流を流すように抵抗１９及び酸素
ポンプ素子８の直列回路に電圧を印加しても気体ｎ留室
２内から外部に汲み出される酸素量は少ないので酸素ポ
ンプ素子８の電極６ａ、６ｂ間を流れる電流は酸素濃度
センサの活性状態でも極めて小さい。一方、電極６ｂか
ら電極６ａ方向に電流を流すように抵抗１９及び酸素ポ
ンプ素子８の直列回路に電圧を印加すると、外部から気
体滞留室２内に汲み込まれる酸素量は多いので酸素ポン
プ素子８の電極６ａ、６ｂ間を流れる電流は酸素濃度セ
ンサの活性化が進むほど多くなる。従って、電極６ｂが
ら電極６ａ方向に電流を流すように基準電圧源２ｏの出
力電圧を上記直列回路に印加すれば、端子電圧ＶＯｕｔ
から酸素濃度センサの活性判別を正確に行なうことがで
きる。なお、基準電圧源２ｏの出力電圧は酸素ポンプ素
子８の電極間を流れる電流が素子の劣化を早めるブラッ
クニング現象を生ずる電流値以下になるように設定され
る。

一方、酸素ポンプ素子８へのポンプ電流の供給が開始さ
れると、そのときエンジンに供給された混合気の空燃比
がリーン領域であれば、電池素子９の電極７ａ、７ｂ間
に発生する電圧が基準電圧源１７の出力電圧より低くな
るので差動増幅回路１６の出力レベルが正レベルになり
、この正レベル電圧が抵抗１９及び酸素ポンプ素子８の
直列回路に供給される。酸素ポンプ索子８には電極６ａ
から電極６ｂに向ってポンプ電流が流れるので気体滞留
室２内の酸素が電極６ｂにてイオン化して酸素ポンプ素
子８内を移動して電極６ａから酸素ガスとして放出され
、気体滞留室２内の酸素が汲み出される。

気体滞留室２内の酸素の汲み出しにより気体滞留室２内
の排気ガスと大気基準空５内の大気の間に酸素濃度差が
生ずる。この酸素５Ｑ度差に応じた電圧Ｖｓが電池素子
９の電極７ａ、７ｂ間に発生し、この電圧Ｖｓは差動増
幅回路１６の反転入力端に供給される。差動増幅回路１
６の出力電圧は電圧Ｖｓと基準電圧源１７の出力電圧と
の差電圧に比例した電圧となるのでポンプ電流値は排気
ガス中のＭ索濃度に比例し、ポンプ電流値は抵抗１９の
両端電圧として出力される。

リッチ領域の空燃比のときには電圧Ｖｓが基準電圧源１
７の出力電圧を越える。よって、差動増幅回路１６の出
力レベルが正レベルから負レベルに反転する。この負レ
ベルにより酸素ポンプ素子８の電極６ａ、６ｂ間に流れ
るポンプ電流が減少し、電流方向が反転する。すなわち
、ポンプ電流は電極６ｂから電極６ａ方向に流れるので
外部の酸素が電極６ａにてイオン化して酸素ポンプ素子
８内を移動して電極６ｂから酸素ガスとして気体滞留室
２内に放出され、酸素が気体’Ｉｔ留室２内に汲み込ま
れる。従って、気体滞留室２内の酸素濃度が常に一定に
なるようにポンプ電流を供給することにより酸素を汲み
込んだり、汲み出したりするのでポンプ電流値ＩＰ及び
差動増幅回路１６の出力電圧はリーン及びリッチ領域に
て排気ガス中の酸素濃度に各々比例するのである。

なお、上記した本発明の実施例においては、酸素ポンプ
素子８の電極６ｂから電極６ａ方向に電流を流すように
電圧が印加されているが、電池素子９の電Ｖｉ７ｂから
電極７ａ方向に電流を流すように電池素子９に電圧を印
加してその電流量から酸素濃度センサの活性を判別して
も良い。ただし、電池素子９がヒータ素子１０の配設位
置の近くに位置していることに対して酸素ポンプ素子８
が離れているので酸素ポンプ素子の活性が電池素子９の
活性より遅れる。よって、酸素ポンプ素子８に流れる電
流量から酸素温度センサの活性を判別する方が確実であ
る。電池素子９に電圧を印加してその電流量から酸素濃
度センサの活性を判別する場合には電池素子９の活性判
別後、所定時間だけ遅延させて酸素ポンプ素子の活性化
、すなわち酸素濃度センサの活性化が完了したとみなす
必要がある。

１且立見Ｉ 以上の如く、本発明の酸素濃度センサの活性判別方法に
おいては、酸素ポンプ素子等の電殉対の気体滞留室側の
内側電極から気体ｆｉｌ留室とは反対側の外側電極に向
って電流が流れるように電極対間に所定電圧を印加し、
その電極間を流れる電流値に応じて酸素濃度センサの活
性を判別するので空燃比がリッチ領域及びリーン領域の
いずれであっても酸素濃度センサの活性を正確に判別す
ることができる。よって、エンジン始動から短時間で供
給混合気の空燃比のフィードバック制御を開始すること
ができ、排気浄化性能の向上を図ることができるのであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の活性判別方法を適用した酸素濃度セン
サを示す図、第２図は第１図の酸素濃度センサの電気回
路を示す回路図、第３図は本発明の活性判別方法の手順
を示すフロー図、第４図は活性化時の電圧ＶＯｕｔの変
化特性を示す図である。 主要部分の符号の説明 １・・・・・・酸素イオン伝導性固体電解質部材２・・
・・・・気体滞留室 ４・・・・・・導入孔 ５・・・・・・大気基準室 ８・・・・・・酸素ポンプ素子 ９・・・・・・電池素子 １０・・・・・・ヒータ索子 １６・・・・・・差動増幅回路 １７．２０・・・・・・基準電圧源 １８・・・・・・切替スイッチ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　酸素イオン伝導性固体電解質壁部を有しかつ気体拡散
   制限手段を介して外部に運通する気体滞留室を形成する
   基体と、前記気体滞留室の固体電解質壁部の内外壁面上
   にこれを挟んで対向するが如く設けられた電極対とを含
   み、被測定気体中の酸素濃度に比例した出力を発生する
   酸素濃度センサの活性判別方法であつて、前記電極対の
   前記気体滞留室側の内側電極から前記気体滞留室とは反
   対側の外側電極に向つて前記固体電解質壁部内を介して
   電流が流れるように前記電極対間に所定電圧を印加し、
   前記電極対間を流れる電流値に応じて酸素濃度センサの
   活性を判別することを特徴とする活性判別方法。