JPS62218856A - 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ｉＲＩ 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Ｍ濃度検出装置に関する。

１且五薯 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Ｗ１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１ｌｖＬ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
酸素イオン導電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置されるようにな
され、固体電解質材の各表裏面に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ａ索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Ｊ°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、間隙部中の酸素ガスの減少により間
隙部内の気体と電池素子外側の気体との間に酸素温度差
が生ずるので電池素子の電極間に電圧が発生する。この
電圧を一定値にするように酸素ポンプ素子に供給するポ
ンプ電流値を変化させると、定温においてそのポンプ電
流値が被測定気体中の酸素濃度にほぼ比例することにな
り酸素濃度検出値として出力される。

かかる酸素濃度検出装置においては、酸素ポンプ索子に
過剰のポンプ電流を供給すると、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、Ｍ素ポンプ素子への過剰電流供給によりＺｒ
Ｏ２から酸素０２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
なるのでポンプ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発生領域の値より小さくしなけれ
ばならない。

第１図は電池素子°に発生する電圧Ｖｓをパラメータと
して酸素濃度と酸素ポンプ素子へのポンプ電流との関係
特性及びブラックニング現象発生領域を示しており、ブ
ラックニング現象発生領域との境界線は電圧Ｖｓをパラ
メータとした関係特性と同様に１次関数的特性であるの
で電圧Ｖｓからポンプ電流がブラックニング現象発生領
域の値に属するか否かを判別することができる。よって
、電圧Ｖｓが所定電圧以上に上昇したときには酸素ポン
プ素子へのポンプ電流がブラックニング現象発生領域に
近い値になるとして該ポンプ電流を減少させることによ
りブラックニング現象の発生を防止することができる。

しかしながら、電圧Ｖｓが瞬時だけ所定電圧以上に上昇
してもポンプ電流を減少させるので電圧Ｖｓが所定電圧
以下に低下した直後にポンプ電流値が上下に変動して酸
素濃度を正確に検出することができなくなるという問題
点があった。

１更り皇Ｉ 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かつ酸素濃度を正確に検出す
ることができる酸素濃度比例電流検出方式の酸素濃度検
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電極間に発生し
た電圧が第１所定電圧以上に達してから所定時間経過後
に酸素ポンプ素子の電極間への供給電流を減少せしめ１
、電池素子の電極間に発生した電圧が第１所定電圧より
大なる第２所定電圧以上に達したとき酸素ポンプ素子の
電極間への電流供給を直ちに減少せしめることを特徴と
している。

支−厘−１・ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第２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、互いに平行
な一対の平板状素子の酸素ポンプ素子１及び電池素子２
からなる酸素ａ度検出器は排気管（図示せず）内に配設
される。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の引ぎ出し線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間には電流供給回路１
１から電流が供給される。電流供給回路１１はオペアン
プ１２．ＮＰＮトランジスタ１３及び抵抗１４．１５か
らなる。オペアンプ１２の出力端は抵抗１４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１５を介してアースされて
いる。

抵抗１５は酸素ポンプ素子１の電極板５．６間を流れる
ポンプ電流値１ｐを検出するために設けられており、そ
の端子電圧がポンプ電流値Ｉｐとして空燃比制御回路３
１のＩｐ入力端に供給される。

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に引ぎ出し線６ａを介して接続され、外側電極
板５には電圧Ｖｏが引き出し線５ａ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７ａを介
してアースされ、外側電極板８は引き出し線８ａを介し
てオペアンプ２６．抵抗２７ないし２９からなる非反転
増幅器３０に接続されている。非反転増幅器３０の出力
端はオペアンプ１２の反転入力端に接続されている。

空燃比制御回路３１のＩｃ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出力端から出力されるディジタル信号に応じた電圧
を発生する。Ｄ／Ａ変換器３２の出力端はオペアンプか
らなる電圧ホロワ回路３３、抵抗３４．３５の分圧回路
３６、そして抵抗３７及びコンデンサ３８からなる積分
回路３９を介してオペアンプ１２の非反転入力端に接続
されている。

また非反転増幅器３０の出力端にはリミッタ回路４０が
接続されている。リミッタ回路４０はオペアンプ４１．
４．２．抵抗４３ないし５１．コンデンサ５２及びトラ
ンジスタ５３．５４からなる。

オペアンプ４１及び抵抗４３．４４は非反転増幅器５５
を形成し、その非反転増幅器５５の出力端には電圧Ｖｃ
ｃが抵抗４５を介して供給されると共に抵抗４６及びコ
ンデンサ５２による積分河畔５６が接続されている。積
分回路５６の出力端は抵抗４７を介してＮＰＮトランジ
スタ５３のベースに接続されている。トランジスタ５３
のエミッタはアースされ、コレクタはトランジスタ１３
のベースに接続されている。オペアンプ４２は比較器と
して動作し、非反転増幅器３０の出力電圧と抵抗４８．
４９による電圧Ｖｃｃの分圧電圧とを比較する。オペア
ンプ４２の出力端は抵抗５０を介してＰＮＰトランジス
タ５４のベースに接続されている。またトランジスタ５
４のベースには電圧■ＣＣが抵抗５１を介して供給され
、トランジスタ５４のエミッタには電圧ｙｃｃが直接供
給される。トラ、ンジスタ５４のコレクタは積分回路５
６の出力ライン、すなわち抵抗４６とコンデンサ５２の
接続ラインに接続されている。

空燃比制御ｕ＠路３１は上記したＩｃ出力端、ｌＰ入力
端の他にへ／Ｆ駆動端を有し、Ａ／Ｆ駆動端には２次空
気供給調整用の電磁弁５７に接続されている。電磁弁５
７はエンジンの気化器絞り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ている。

かかる構成においては、空燃比制御回路３１のＩｃ出力
端からディジタル信号が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信号が電圧に
変換され、その変換電圧が電圧ホロ９回路３３を介して
分圧回路３６に供給される。分圧回路３６は電圧ホロワ
回路３３の出力電圧を抵抗３４．３５の各抵抗値で定ま
る分圧比によって分圧して積分回路３９に出力する。積
分回路３９の出力電圧は抵抗３７及びコンデン゛す３８
による積分時定数によって徐々に上背して分圧回路３６
の出力電圧に達すると安定する。この積分回路の出力電
圧は基準電圧■ｒ１としてオペアンプ１２の非反転入力
端に供給される。この基準電圧Ｖｒ＋の供給開始時には
、オペアンプ１２の反転入力端の電圧レベルは基準電圧
Ｖ　ｒ　ｌより小であるのでオペアンプ１２の出力レベ
ルは高レベルとなりトランジスタ１３がオンとなる。ト
ランジスタ１３のオンにより酸素ポンプ素子１の電極板
５．６間にポンプ電流が流れる。

ポンプ電流が流れると、電池素子２の電極板７゜８問に
は電圧Ｖｓが発生し、電圧Ｖｓは非反転増幅器３０に供
給され、非反転増幅器３０は電圧ＶＳを電圧増幅してオ
ペアンプ１２の反転入力端に供給する。電圧Ｖｓが上昇
すると、非反転増幅器３０の出力電圧ｖｓ′ら上昇する
。出力電圧Ｖｓ′が基準電圧Ｖｒ＋を越えるとオペアン
プ１２の出力レベルが低レベルに反転し、トランジスタ
１３がオフとなる。トランジスタ１３のオフによりポン
プ電流が減少するので電池素子２の電極板７゜８間の発
生電圧Ｖｓが低下し、非反転増幅器２５からオペアンプ
１２の反転入力端に供給される電圧Ｖｓ−も低下する。

電圧Ｖｓ′が基準電圧Ｖｒ１を下回ると再びオペアンプ
１２の出力レベルが高レベルとなり、ポンプ電流を増加
せしめる。この動作が高速にて繰り返されるので電圧Ｖ
ｓは一定値に制御されると共にディジタル信号が表わす
値に応じた電圧となる。

基準電圧Ｖｒ＋のオペアンプ１２への供給時に酸素ポン
プ素子１の電極板５．６間を流れるポンプ電流値１ｐは
抵抗１５の端子電圧によって検出され、その端子電圧は
空燃比制御回路３１のＩｐ入力端に供給される。空燃比
制御回路３１はポンプ電流値１ｐが目標空燃比に対応す
る基準値１ｒより小であるか否かを判別する。Ｉｐ＜Ｉ
ｒならば、エンジンに供給された混合気の空燃比がリッ
チであるとして電磁弁５７を開弁駆動して２次空気をエ
ンジンに供給せしめる。Ｉｐ≧ｌｒならば、供給混合気
の空燃比がリーンであるとして電磁弁５７の開弁駆動を
停止して２次空気の供給を停止させる。

また電池素子２の電極板７．８間の電圧Ｖｓが上昇する
と、非反転増幅器３０の出力ミルＶｓ”が上昇する。出
力電圧Ｖｓ−は非反転増幅器５５によって更に電圧増幅
されて積分回路５６に供給され、積分回路５６の出力電
圧は抵抗４７を介してトランジスタ５３のベースに供給
される。出力電圧Ｖｓ−が急上昇した場合には積分回路
５６の出力電圧は徐々に上昇する。非反転増幅器５５の
出力電圧が基準電圧Ｖｒ＋を越えてから、すなわち電圧
Ｖｓが所定電圧（例えば、６０１１Ｖ）を越えてから遅
延時間ｔ＋Ｕ過した後にトランジスタ５３がオンとなり
、トランジスタ１３のベース電位をほぼアースレベルに
等しくさせるので１−ランジスタ１３がオフとなりポン
プ電流値２少する。よって、非反転増幅器３０の出力電
圧Ｖｓ−がブラックニング現象発生領域に接近した電圧
に達すると、積分回路５６の出力電圧が徐々に上昇して
遅延Ｒ［１ｉ　＋経過後のブラックニング現象発生領域
に属する直前にポンプ電流を減少させるのである。

ポンプ電流がブラックニング現象発生領域に属するほど
更に上昇した場合には電圧Ｖｓが第２所定電圧（例えば
、８０ｍＶ＞を越える。このとき非反転増幅器３０の出
力電圧Ｖｓ＝が抵抗４８．４９による分圧電圧を越える
のでオペアンプ４２の出力レベルが高レベルから低レベ
ルに反転し、抵抗５０．５１によってトランジスタ５４
にベース電流が流れ１−ランジスタ５４がオンとなる。

トランジスタ５４のオンにより電圧ＶＣＣが１−ランジ
スタ５４のエミッタΦコレクタ間を介して積分回路５６
のコンデンサ５２に印加され、非反転増幅器５５の出力
電圧の上昇によるコンデンサ５２の充電速度よりもコン
デンサ５２が急速に充電される。

よって、電圧Ｖｓ′が抵抗４８．４９による分圧電圧を
越えた後、直ちにコンデンサ５２の端子電圧が急上昇し
てトランジスタ５３をオンさせる。

これによりトランジスタ１３のベース電位をほぼアース
レベルに等しくさせるのでトランジスタ１３がオフとな
りポンプ電流が減少する。この結果、ポンプ電流がブラ
ックニング現象発生領域に属するほど上昇したときには
直ちに減少するのである。

なお、上記した本発明の実施例においては、遅延手段と
しては抵抗とキャパシタとからなる積分回路が用いられ
ているが、抵抗とインダクタとからなる積分回路を用い
ても良いのである。

また、上記した本発明の実施例においては、トランジス
タ１３のベース電位をトランジスタ５３のオンによって
ほぼアースレベルに等しくすることによりブラックニン
グ現象発生防止のためにポンプ電流を減少させるように
しているが、オペアンプ１２の反転入力端の電圧レベル
を非反転入力端の電圧レベルより大きくすることにより
ポンプ電流を減少させるようにしても良いのである。

ｌ１立１１ 以上の如く、本発明の酸素濃度比例電流検出方式の酸素
濃度検出装置においては、電池素子の電極間に発生した
電圧が第１所定電圧以上に達してから所定時間経過後に
酸素ポンプ素子の電極間への供給電流を減少せしめるの
で素子を急速に劣化させるブラックニング現象の発生を
防止することができる。また電池素子の電極間に発生し
た電圧が瞬時だけブラックニング現象発生領域に接近し
た値まで上昇した場合にポンプｆｆ電流を減少させるこ
とが回避されるのでポンプ電流の変動を防止することが
でき、酸素濃度の検出精度を従来よりも向上させること
ができる。更に電池素子の電極間に発生した電圧が第１
所定電圧より大なる第２所定電圧以上に達したとき酸素
ポンプ素子の電極間への電流供給を直ちに減少せしめる
のでポンプ電流の急激なブラックニング現象発生領域内
への上背にも対応することができ、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素濃度とポンプ電流との関係特性及びブラッ
クニング現象発生領域を示す図、ｆｆ１２図は本発明の
実施例を示す回路図である。 主要部分の符号の説明 １・・・・・・酸素ポンプ素子 ２・・・・・・電池素子 ３・・・・・・間隙部 ４・・・・・・スペーサ １１・・・・・・電流供給回路 ３０．５５・・・・・・非反転増幅器 ３９．５６・・・・・・積分回路 ４０・・・・・・リミッタ回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　被測定気体中に配設される一対の酸素イオン導電性固
   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個体電解質材の
   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、前記電池
   素子の電極間の電圧を一定にするように前記酸素ポンプ
   素子の電極間に電流を供給する電流供給手段と、前記電
   流供給手段による前記酸素ポンプ素子の電極間への過剰
   電流供給を停止するリミット手段とを含み、前記電流供
   給手段による前記酸素ポンプ素子への供給電流値を酸素
   濃度検出電圧として出力する酸素濃度検出装置であつて
   、前記リミツタ手段は前記電池素子の電極間に発生した
   電圧が第１所定電圧以上に達してから所定時間経過後に
   前記酸素ポンプ素子の電極間への供給電流を減少せしめ
   る遅延手段と、前記電池素子の電極間に発生した電圧が
   前記第１所定電圧より大なる第２所定電圧以上に達した
   とき前記酸素ポンプ素子の電極間への電流供給を直ちに
   減少せしめるスイッチ手段とを有することを特徴とする
   酸素濃度検出装置。 （２）前記スイッチ手段は前記電池素子の電極間に発生
   した電圧が前記第２所定電圧以上に達したとき前記遅延
   手段の動作を停止させ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。