JPS62197757A - 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】 炎生且】 本発明は内燃エンジンの排気ガス中の酸素濃度を検出す
る酸素濃度検出装置に関する。

１旦且ｊ 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ｉ！ｉ１度を検出し、エンジンに供給する
混合気の空燃比を酸素濃度検出結果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検出装
置として排気ガス中の酸素濃度に比例した出力を発生す
るものがある。例えば、手数状の酸素イオン伝導性固体
型ｗＩ−質部材の両主面に電極対を設けて固体電解質部
材の一方の電慟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連通
ずるようにした限界電流方式の酸素濃度センサが特開昭
５２−７２２８６号公報に開示されている。この酸素濃
度センυ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どして作用して気体滞留全
側電極が負極になるように電極間に電流を供給すると、
Ω極面側にて気体滞留室内気体中の酸素ガスがイオン化
して固体電解質部材内を正ル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得る
限界電流値は印加電圧に拘らず（よ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ｍ度検出装置４ご用いて空
燃比を制御する場合に排気ガス中の酸素濃度からは訂合
気の空燃比が理論空燃比よりリーンの範囲でしか酸素濃
度に比例した出）〕が得られないので目標空燃比をリッ
チｇＡｂ１．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チ領域にて排気ガス中の酸素濃
度に比例した出力が得られるＷ１素ｎ度検出装百として
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連通し一方の固体電解質部材の
他方の電極面が大気至に而するようにしたものが特開昭
５９−１９２９５５号に開示されている。この酸素濃度
検出装置においては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系濃度比検出電池系子と１ノで作用
ｉノ他方の酸素イオン伝導性固体電解質材と電極対どが
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
上のど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１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滞留室側とは反対
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
よりリーン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。

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゛質部材から酸素を
奪うブラックニング現象が発生する。

例えば、固体電解質部材としてＺｒＯ２（、’：Ｍ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ＺｒＯ２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
ｌ！！素ポンプ素子の劣化を急速に進め酸素濃度検出装
置としての性能を悪化させるのである。

１匪立１ｊ そこで、本発明の目的は、ブラックニング現象の発生を
確実に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￥ｉ置はＲ素ポンプ素子の電極間
に印加される電圧を所定電圧以下に制限する制限手段を
有することを特徴としている。

及−盈一３ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明の一実施例たる酸素濃度比例出力型の酸
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（づられている。

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に連通し、
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８ｉ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？１ｔｌｉ至２と壁を
隔てるように形成されている。気体Ｒ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、６ｂ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。

！Ｉ！Ｉ素イオシイオン伝導性固体電解質部材１は、Ｚ
ｒＯ２（二酸化ジルコニウム〉が用いられ、電に６ａな
いし７ｂとしてｔよ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の出力端には制限回路１８が接続されてい
る。制限回路１８はオペアンプ１９及び抵抗２０．２１
による反転増幅回路からなり、オペアンプ１９の入出力
端間には帰還抵抗２１が接続され、またツェナーダイオ
ード２２．２３が直列に接続されている。ツェナーダイ
オード２２．２３はそのアノードが互いに接続された直
列回路を形成している。

ツェナーダイオード２２．２３は同一特性を有している
。制限回路１８の出力端は電流検出抵抗２４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２４の両端電圧が酸素濃度検出値として出力される
。

かかる構成において、差動増幅回路１６及び第１制限回
路１８に電源電圧が投入され、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１
７の出力電圧より低くなるので差動増幅回路１６の出力
レベルが負レベルになり、この負レベル信号が第１制限
回路１８に供給される。第１制限回路１Ｂは差動増幅回
路１６から出力された負レベル信号を反転増幅して正レ
ベル信号として抵抗２４及び酸基ポンプ素子８の直列回
路に供給する。酸素ポンプ素子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ＶＭ６ｂにてイオン化して酸素ポンプ素子８内
を移動して電ｉ６ａ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室５内の大気の間に酸素濃度差が
生ずる。この酸素濃度差に応じた電圧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の非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ＭｆＪｌ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
排気ガス中の酸素濃度に比例し、ポンプ電流値は抵抗２
４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！３準電圧源
１７の出力電圧を越える。よって、差動増幅回路１６の
出力レベルが負レベルから正レベルに反転する。この正
レベルが第１制限回路１８によって更に反転増幅されて
抵抗２４及び酸素ポンプ素子８の直列回路に供給される
のでＦｉ！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、酸素が気体滞留室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。

次に、電池素子９の電極７ａ、７ｂ間に発生する電圧と
基準電圧源１７の出力電圧との差が大きくなると差動増
幅回路１６の出力電圧が大きくなる。差動増幅回路１６
の出力電圧をＶＡ、抵抗２０の抵抗値をＲｎ、抵抗２１
の抵抗値をＲ２＋とすると、第１制限回路１８の出力電
圧ＶＢは通常、−（Ｒ２＋／Ｒ？ａ）ＶＡとなる。　　
（Ｒ２＋／Ｒ２ｏ）ＶＡがツェナーダイオード２２．２
３のツェナー電圧ＶＺを越えると、差動増幅回路１６の
出力電圧が負レベルのとぎにはツェナーダイオード２３
が作用し、差動増幅回路１６の出力電圧が正レベルのと
きにはツェナーダイオード２２が作用して第１制限回路
１８の出力電圧Ｖｓはツェナー電圧Ｖｚにほぼ等しくな
る。よって抵抗２４及び酸素ポンプ素子８の直列回路に
供給される電圧の太きさはツェナー電圧Ｖｚ以下となり
、酸素ポンプ素子８の電極６ａ、６ｂ間を流れるポンプ
電流をゐ１１限することができる。

第３図は本発明の他の実施例を示している。この酸素濃
度検出装置においては、酸素ポンプ素子８の電極６ａに
はツェナーダイオード２５．２６の直列回路からなる制
限回路２７が接続されている。ツェナーダイオード２５
．２６のアノードが互いに接続され、ツェナーダイオー
ド２５のカソードが電極６ａに接続され、ツェナーダイ
オード２６はアースされている。またツェナーダイオー
ド２５．２６は同一特性を有している。よって、ＭＲポ
ンプ素子８の１ｉ６ａ、６ｂ間に印加される電圧はツェ
ナーダイオード２５．２６のツェナーｍ圧以下となる。

その他の構成は第２図に示した装置と同様である。

なお、第２図に示した装置の制限回路１８と第３図に示
した装置の制限回路２７とを同一装置に設けて併用する
ようにしても良く、こうすることにより酸素ポンプ素子
の電極間に印加される電圧をより確実に所定電圧以下に
制限することができる。

また、本発明の実施例にｉＪ３いては、制限回路にはツ
ェナーダイオードが用いられているが、これに限らず、
酸素ポンプ素子の電極間に印加される電圧を所定電圧以
下に他の素子によって制限できればツェナーダイオード
を用いなくても良いのである。

１ＪＪと丸」 以上の如く、本発明の酸素濃度検出装置においては、酸
素ポンプ素子の電極間に印加される電圧を所定電圧以下
に１ｉ１１限する制限手段が設けられている。よって、
Ｍ素ポンプ素子の電極間の内部抵抗の最小時にポンプ電
流が過剰に流れないように酸素ポンプ素子の電極間に印
加される電圧の制限電圧を設定することによりブラック
ニング現象の発生を確実に回避することができ、素子の
急速な劣化を防止することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による酸素濃度検出装置の検出部を示す
図、第２図は第１図の装置の電気回路部を示す回路図、
第３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・・・・・・酸素イオン伝導性固体電解質部材２・・
・・・・気体滞留至 ４・・・・・・導入孔 ８・・・・・・酸素ポンプ素子 ９・・・・・・電池素子 １７・・・・・・基準電圧源

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
   制御手段を介して外部に連通する気体滞留室を形成する
   基体と、前記固体電解質壁部の内外壁面上にこれを挟ん
   で対向するように設けられた２つの電極対と、前記２つ
   の電極対の一方の電極対間の電圧と基準電圧との差電圧
   に応じた電圧を他方の電極対間に印加する電圧印加手段
   とを含み、前記他方の電極対間に流れる電流を酸素濃度
   検出値として出力する酸素濃度検出装置であって、前記
   電圧印加手段によって前記他方の電極対間に印加される
   電圧を所定電圧以下に制限する制限手段を有することを
   特徴とする酸素濃度検出装置。