JPS62203056A - 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丘且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ものである。

亙且韮Ｉ 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。その−例として、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−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Ｎ木製度検出装置があ
る（特開昭５２−７２２８６号公報参照）。

この酸素濃度検出装置においては、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
て間隙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
イオン化して固体電解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
流れ得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。

しかしながら、かかる酸素濃度検出装置を用いて空燃比
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濃度に
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。

また、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酸素濃度検出装置と
して、２つの平板状の酸素イオン伝導性固体電解買部材
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室に面するようにした装置があ
る（特開昭５９−１９２９５５９２９５５号公報参照酸
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。

しかしながら、かかる酸素濃度検出装置においては、リ
ッチ側とリーン側とでは酸素濃度検出特性が異なるので
、広領域において直線性の良好な酸素濃度検出出力が得
られないという問題点があった。

免亘夏Ｊｕ そこで、本発明は、空燃比のリーン及びリッチ領域に亘
って良好な直線性にて酸素濃度検出出力を得ることが可
能な酸素濃度検出装置を提供することを目的とする。

本発明による酸素濃度検出装置は、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
に連通ずる気体滞留室を形成する基体及びこの基体内に
おいて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２つの電極対を含む
センサ本体と、これら２つの電極対の一方の電極対間に
発生した電圧と所定基準電圧との差電圧に応じた値のポ
ンプ電流を他方の電極対間に供給する電流供給手段と、
ポンプ電流を増幅する可変利得増幅手段とを備え、ポン
プ電流の流れる方向を検出しその方向に応じて増幅手段
の利得を変化せしめるようになされたことを特徴として
いる。

犬−凰−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図において、酸素濃度センサ本体１０は、はぼ立方
体状め酸素イオン伝導性固体電解質部材１を有しており
、この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は被測定気体である排気ガスを導入する導
入孔４を介して外部に連通し、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
体滞留室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、５ａ。

６ｂが各々設けられている。そして、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。

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、６ｂ、
７ａ、７ｂとしてはＰｔ（白金）が用いられる。

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には誤差増
幅器１１の反転入力端が接続されており、この誤差増幅
器１１は電池素子９の電極７ａ、７ｂ間の発生電圧と基
準電圧源１２から非反転入力端に印加される基準電圧ｖ
ｒとの差電圧に応じた電圧を出力する。基準電圧源１２
によって与えられるｍｓ電圧ｖｒは理論空燃比に相当す
る電圧（例えば、０．４Ｖ）に設定される。誤差増幅器
１１の出力端は電流検出用抵抗１３を介して酸素ポンプ
素子８の電極６ａに接続されている。

電流検出用抵抗１３の両端電圧は酸素濃度検出値として
差動増幅器１４に供給されると共に、極性判定回路１５
にも供給される。極性判定回路１５は電流検出用抵抗１
３の両端電圧の極性を判定することによって電流検出用
抵抗１３を流れる電流の方向を検出するものであり、当
該回路１５としては例えばコンパレータ等からなる周知
の回路構成のものを用い得る。

差動増幅器１４は電流検出用抵抗１３の両端電圧をシン
グルエンド電圧出力として導出し、増幅回路１６を構成
する演算増幅器１７の非反転入力端に供給する。増幅回
路１６においては、演弾増幅器１７の反転入力端と出力
端との間に抵抗１８が、反転入力端とアースとの間に抵
抗１つが各々接続され、更に抵抗１９には抵抗２０及び
スイッチ２１の直列回路が並列に接続されており、スイ
ッチ２１のオン・オフによって利得が２段階に可変な可
変利得増幅回路構成となっている。すなわち、抵抗１８
，１９．２０（７）各抵抗値をＲｆ、Ｒ３ａ、Ｒ３ｂと
すると、スイッチ２１のオフ時の利得Ｇａ及びオン時の
利得Ｇｂは、 で表わされ、スイッチ２１のオフ時の利得がオン時より
も小さく設定されることになる。スイッチ２１のオン・
オフ駆動は判定回路１５の判定出力によって行なわれる
。

次に、かかる構成の回路動作について説明する。

先ず、エンジン供給混合気の空燃比がリーン領域のとき
には、電池素子９の電極７ａ、７ｂ間に発生する電圧が
基準電圧源１２の基準電圧よりも低くなるので、誤差増
幅器１１の出力レベルが正レベルになり、この正レベル
の電圧が抵抗１３を介して酸素ポンプ素子８の電極６ａ
に印加される。

これにより、酸素ポンプ素子８には電極６ａから電極６
ｂ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、よって気
体滞留室２内の酸素が汲み出されることになる。

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内の大気との間に酸素濃度差
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は誤差増
幅器１１の反転入力端に供給される。誤差増幅器１１の
出力電圧は電圧Ｖｓと基準電圧■ｒとの差電圧に比例し
た値となるので、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１３の両端電圧として出
力される。

一方、リッチ領域の空燃比のとぎには、電圧ＶＳが基準
電圧Ｖｒを越えるので、誤差増幅器１１の出力レベルが
正レベルから負レベルに遷移する。

この負レベルにより酸素ポンプ素子８の電８ｉ６ａ。

６ｂ間に流れるポンプ電流の方向が反転する。すなわち
、ポンプ電流は電極６ｂから電極６ａの方向に流れるの
で、外部の酸素が電極６ａにてイオン化し酸素ポンプ素
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
び誤差増幅器１１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。第２
図の実線は空燃比とポンプ電流値ｒｐの関係で表わされ
る酸素濃度検出出力特性を示している。

この酸素濃度検出出力特性は、第２図の実線ａから明ら
かなように、リッチ領域とリーン領域とで異なり、周領
域に亘って直線的な特性どなってはいない。そこで、本
発明においては、増幅回路１６の利得をリッチ領域とリ
ーン領域とで切り替えることにより、第２図に破線すで
示す如くリッヂ領域の出力特性がリーン領域の出力特性
にＩＰ＝Ｏにて直線的に連続する特性を得ている。

すなわち、空燃比がリーン領域のとぎには、ポンプ電流
１ｐが抵抗１３を誤差増幅器１１の出力端から酸素ポン
プ素子８の電ａｉ６ａに向って流れており、極性判定回
路１５は抵抗１３の両端電圧の極性を判定し、ポンプ電
流１ｐの流れる方向を検出することによって空燃比がリ
ーン領域にあることを検出し、スイッチ２１をオンゼし
める。これにより、増幅回路１６の利得は前記式（２）
で与えられる利得Ｇｂとなり、この利得ＧｂＴ：差動増
幅器１４の出力電圧を増幅する。

一方、空燃比がリッチ領域にあるとぎには、ポンプ電流
ＩＰが抵抗１３を酸素ポンプ素子８の電極６ａから誤差
増幅器１１の出力端に向って流れることになるので、極
性判定回路１５は抵抗１３の両端電圧の極性の反転を検
出することによって空燃比がリッチ領域にあることを検
出し、スイッチ２１をオフせしめる。これにより、増幅
回路１６の利得は前記式（１）で与えられる利得Ｇａと
なり、この利得Ｇａで差動増幅器１４の出力電圧を増幅
する。利得Ｇａは利得Ｇｂよりも小さく設定されており
、これらの値を抵抗１８〜２０の抵抗直の選定により適
当に設定することによって、増幅回路１６の出力として
はリッチ及びリーンの周領域に亘る広い領域において良
好な直線性の酸素濃度検出出力特性が得られるのである
。

免且立羞Ｊ 以上説明したように、本発明による酸素濃度検出装置に
おいては、ポンプ電流を増幅する増幅回路の利得を可変
とし、この利得をポンプ電流の流れる方向に応じて切り
替えるように構成されているので、リーン及びリッチの
広い領域において被測定気体中の酸素濃度に比例したリ
ニアリティの良好な酸素濃度検出出力特性を得ることが
できる。

よって、空燃比制御装置側で酸素濃度検出出力を補正す
る必要がなく空燃比制御が容易となり、空塔比制御精度
の向上が図れるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図は第１
図の装置による補正前（ａ）及び補正後（ｂ）の酸素濃
度検出出力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　　　１１・・・・・・誤差
増幅器１５・・・・・・極性判定回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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連通する気体滞留室を形
   成する基体及びこの基体内において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２つの電極対を含むセンサ本体と、前記２
   つの電極対の一方の電極対間に発生した電圧と所定基準
   電圧との差電圧に応じた値のポンプ電流を他方の電極対
   間に供給する電流供給手段と、前記ポンプ電流を増幅す
   る可変利得増幅手段と、前記ポンプ電流の流れる方向を
   検出しその方向に応じて前記増幅手段の利得を変化せし
   める手段とを備え、前記増幅手段の出力信号に基づいて
   酸素濃度を検出するようになされたことを特徴とする酸
   素濃度検出装置。
2. （２）　前記増幅手段は、内燃エンジンに供給される混
   合気の空燃比がリッチ領域にあるときの利得がリーン領
   域にあるときの利得よりも小さく設定されることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の酸素濃度検出装置。