JPS62218859A - 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丘光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Ｓ度検出装置に関する。

１１亘呈 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（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ｒＲ林を有する酸素−ａ度検出器が
設けられて（入る。

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１面には電極が各々形成され
かつ、−１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Ｆｋ！四されても）る。固体重解質材の一
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すると、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Ｍ
素濃度差が生ずるのでｌ！ｍ素ポンプ素子への供給電流
であるポンプ電流値が一定値であれば電池素子の電極間
にその酸素濃度差、すなわち被測定気体中の酸素濃度に
比例した電圧が発生するのである。この電池素子の発生
電圧からエンジンに供給された混合気の空燃比が目標空
燃比よりリッチ及びリーンのいずれであるか判別される
。空燃比を２次空気によって制御する場合にリッチと判
別されたならば、２次空気をエンジンに供給し、リーン
と判別されたならば、２次空気の供給を停止することに
より空燃比が目標空燃比制御される。また電池素子の発
生電圧を一定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、定温においてその電流値が
排気ガス中の酸素濃度にほぼ比例することになり、ポン
プ電流値がら空燃比を判別することもできる。

かかる酸素ｍ度検出装置においては、酸素ポンプ素子に
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、［ポンプ素子への過剰電流供給によりＺｒ０
ｚ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ｍ＊ｍｒｘ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
の値に麗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、酸素ポンプ素子の温度が低いときには内
部抵抗が大ぎくなり、素子高温時に比べてブラックニン
グ現象発生領域となるポンプ電流値が小さくなり電圧Ｖ
ｓが所定電圧以下でもブラックニング現象を発生するこ
とが分った。

１里豊ＩＩ そこで、本発明の目的は、素子低温時のブラックニング
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ｎ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、酸素ポンプ素子の電極間
の電圧に応じて制限電圧を設定し、電池素子の電極間に
発生した電圧が制限電圧以上に達したときには酸素ポン
プ素子の電極間への供給電流を減少せしめることを特徴
としている。

！−１−１ 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＠置を用いた内燃エ
ンジンの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からなる酸素濃度検出器
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の引き出し線５
ａ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間には定電流回路１１
から定電流が供給される。定電流回路１１は吸い込み型
回路であり、オペアンプ１２．ＮＰＮトランジスタ１３
．ダイオード１４及び抵抗１５ないし１７からなる。オ
ペアンプ１２の出力端は抵抗１５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１６を介してアースされると共に抵抗
１７を介してオペアンプ１２の反転入力端に接続され、
更にダイオード１４を順方向に介してオペアンプ１２の
出力端とも接続させ工いる。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に引き出し線６ａ
を介して接続され、外側電極板５には電圧ＶＣＣ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は引ぎ出し線７°ａ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２７．２８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の出力端は制御回路３１のＶｓ′入力
端に接続されている。制御回路３１のＩｃ制御出力端に
はＤ／Ａ変換器３２が接続され、Ｄ／Ａ変換器３２は制
御回路３１のＩｃ制御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４
０が接続されている。リミッタ回路４０はオペアンプ４
１．４２．抵抗４３ないし４８．ＮＰＮトランジスタ４
９．ＡＮＤ回路５０．５１．ＯＲ回路５２及びＮＯＴ回
路５３からなる。オペアンプ４１．４２は比較器として
各々動作し、オペアンプ４１は非反転増幅器３０の出力
電圧と抵抗４３．４４による電圧Ｖｃｃの分圧電圧ｙａ
とを比較する。オペアンプ４１の出力端はＡＮＤ回路５
０に接続されている。ＡＮＤ回路５０はオペアンプ４１
の出力レベルと制御回路３１の出力端Ａから出力される
制御信号レベルとの論理積を採る。

またオペアンプ４２は非反転増幅器３０の出力電圧と抵
抗４５．４６による電圧ＶＣＣの分圧電圧■ｂ（ただし
、Ｖａ＜Ｖｂ）とを比較する。オペアンプ４２の出力端
はＡＮＤ回路５１に接続されている。ＡＮＤ回路５１は
オペアンプ４２の出力レベルと制御回路３１の出力端Ａ
から出力される制御信号レベルのＮＯＴ回路５３による
反転レベルとの論理積を採る。ＡＮＤ回路５０．５１の
各出力レベルの論理和がＯＲ回路５２によって採られる
。ＯＲ回路５２の出力端は抵抗４７．４８による分圧回
路を介してトランジスタ４９のベースに接続されている
。Ｉ・ランジスタ４９のエミッタはアースされ、コレク
タは定電流回路１１のオペアンプ１２の出力ラインに接
続されている。

制御回路３１は例えば、マイクロコンピュータからなり
、上記したＩｃ、Ａ出力端、　Ｖｓ　−入力端の他にＡ
／Ｆ駆動端及びＶｅ　、Ｖｐ入力端を有し、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５７はエンジンの気化器絞り弁下流の吸気管
内に連通ずる吸気２次空気供給通路に設けられている。

Ｖｓ入力端には電圧ｙｃｃの抵抗５４．５５による電圧
電圧が供給される。またＶｐ入力端は酸素ポンプ素子１
の引き出し線６ａに接続されている。

かかる構成においては、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、その変換電圧が基準電圧Ｖ　ｒ　＋　としてオペア
ンプ１２の非反転入力端に供給される。基準電圧Ｖｒ＋
の供給時に酸素ポンプ素子１の電極板５．６問を流れる
ポンプ電流値Ｉｐは抵抗１６の端子電圧Ｖ×によって検
出され、その端子電圧ｖ×は抵抗１７を介してオペアン
プ１２の反転入力端に供給される。端子電圧ｖ×が基準
電圧Ｖｒ＋より小のときにはオペアンプ１２の出力レベ
ルが高レベルになりトランジスタ１３のベース電流を増
加させるのでポンプ電流ｉｐが増大し、端子電圧■×が
基準電圧Ｖｒ＋より小のときにはオペアンプ１２の出力
レベルが高レベルになりトランジスタ１３のベース電流
を増加させるのでポンプ電流１ｐが増大し、端子電圧Ｖ
×が基準電圧Ｖｒ＋より大のときにはオペアンプ１２の
出力レベルは低レベルとなり、トランジスタ１３のベー
ス電流を減少させるのでポンプ電流が減少する。この動
作が高速で繰り返されるのでポンプ電流ＩＰは基準電圧
Ｖｒ＋に応じた定電流値となる。

一方、電池素子２の電極板７．８間には電圧ＶＳが発生
し、電圧Ｖｓは非反転増幅器３０によって電圧増幅され
、非反転増幅器３０の出力電圧■Ｓ−が酸素濃度検出出
力として制御回路３１の■Ｓ′入力端に供給される。制
御回路３１は所定周期毎に出力電圧Ｖｓ−が目標空燃比
に対応する基準電圧Ｖ　ｒ　２より大であるか否かを判
別する。■ｓ−＞Ｖｐ２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ぜしめる。

Ｖｓ−≦Ｖｒ２ならば、エンジンに供給された混合気の
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。

また制御回路３１は所定周期毎に第３図に示すようにＶ
８入力端に供給された電圧Ｖ［ｌとＶρ入力端に供給さ
れた電圧Ｖｐとを各々読み込み（ステップ６１）、電圧
Ｖｓと電圧Ｖｐとの差電圧を篩出し、その差電圧が所定
電圧Ｖｐｒより大であるか否かを判別する（ステップ６
２）。電圧■８は酸素ポンプ素子１の電極板５における
電圧を表わしており１、電圧Ｖｐ４．ｔＭ素ポンプ素子
１の電極板６における電圧であるので差電圧Ｖａ　−Ｖ
ｐは酸素ポンプ素子１の電極板５．６間の電圧を表わし
ている。Ｖｅ　−Ｖｐ　＞Ｖｐ　ｒならば、電圧■Ｓの
制限電圧を低く設定するためにＡ出力端の制御信号レベ
ルを高レベルにしくステップ６３）、Ｖｅ−Ｖｐ≦Ｖｐ
ｒならば、電圧Ｖｓの制限電圧を高く設定するためにＡ
出力端の制御信号レベルを低レベルにする（ステップ６
４）。

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の出力電圧Ｖｓ”が上昇する。電圧Ｓ
が第１制限°電圧（例えば、５０１０Ｖ）を越えると、
電圧Ｖｓ−が抵抗４３．４４による分圧電圧Ｖａより高
くなりオペアンプ４１の出力レベルが低レベルから高レ
ベルに反転する。また電圧Ｓが第２制限電圧（例えば、
６０ｆｆｌＶ）を越えると、電圧Ｖｓ−が抵抗４５．４
６による分圧電圧ｖｂより高くなりオペアンプ４２の出
力レベルが低レベルから高レベルに反転する。

制御回路３１のＡ出力端から出力される制御信号レベル
が低レベルのときには、ＡＮＤ回路５０の出力レベルは
オペアンプ４１の出力レベルに拘らず低レベルとなる。

このとき、ＮＯＴ回路５３の出力レベルは高レベルとな
るのでＡＮＤ回路５１の出力レベルはオペアンプ４２の
出力レベルに等しくなる。よって、電圧Ｖｓ＝が抵抗４
５．４６による分圧電圧ｖｂより高くなりオペアンプ４
２の出力レベルが低レベルから高レベルに反転すると、
その高レベル出力信号がＡＮＤ回路５１を介してＯＲ回
路５２の出力レベルを高レベルにする。

一方、制御回路３１のＡ出力端から出力される制御信号
レベルが高レベルのとぎには、ＡＮＤ回路５０の出力レ
ベルはオペアンプ４１の出力レベルに等しくなり、また
ＮＯＴ回路５３の出力レベルは低レベルとなるのでＡＮ
Ｄ回路５１の出力レベルはオペアンプ４２の出力レベル
に拘らず低レベルとなる。よって、電圧Ｖｓ−が抵抗４
３．４４による分圧電圧■ａより高くなりオペアンプ４
１の出力レベルが低レベルから高レベルに反転すると、
その高レベル出力信号がＡＮＤ回路５０を介してＯＲ回
路５２の出力レベルを高レベルにする。

このようにＯＲ回路５２の出力レベルが高レベルになる
と、この高レベルによりトランジスタ４９がオンとなり
定電流回路１１のオペアンプ１２の出力ラインをほぼア
ースレベルに等しくするのでトランジスタ１３がオフと
なり、ポンプ電流が直らに減少しブラックニング現象の
発生が防止される。

よって、エンジンの＠機時には酸素ポンプ素子１及び電
池素子２の温度が低いのでＰＩｉ素ポンプ素子１の内部
抵抗が高くなり酸素ポンプ素子１の電極板５．６間の印
加電圧が高くなる。これによりＶｅ　−Ｖｐ　＞Ｖｅｒ
となり制御信号レベルが高レベルとなるのでオペアンプ
４１の出力レベルが高レベルになるときに、すなわち電
圧Ｖｓが第１制限電圧以上に上昇したときにポンプ電流
が減少する。またエンジン暖機後、又はヒータ素子によ
る加熱によって酸素ポンプ素子１及び電池素子２の温度
が高くなると、酸素ポンプ素子１の内部抵抗が低下し、
酸素ポンプ素子１の電極板５．６間の印加電圧が低くな
る。これによりＶｅ−Ｖｐ≦ＶＰｒとなり制御信号レベ
ルが低レベルとなるのでオペアンプ４２の出力レベルが
高レベルになるときに、すなわち電圧Ｖｓが第２制限電
圧以上に上昇したときにポンプ電流が減少するのである
。

第４図は第３図に示した制御回路３１の動作をハード的
に得るための構成を示している。この回路においては、
電圧Ｖｅと電圧Ｖｐとの差電圧をオペアンプ７１及び抵
抗７２ないし７５からなる差動増幅回路によって得て、
その差動増幅回路の出力電圧と基準電圧Ｖｐｒとをオペ
アンプ７６からなる比較器によって比較することにより
制御信号が出力される。

なお、上記した本発明の実施例においては、酸素ポンプ
素子に供給するポンプ電流を一定にして電池素子の発生
電圧から酸素濃度検出値を得る酸素濃度比例電圧検出方
式の装置に本発明を適用した場合を示したが、電池素子
の発生電圧を一定にするようにポンプ電流値を制御して
そのポンプ電流値から酸素濃度検出値を得る酸素濃度比
例電流検出方式の装置にも本発明を適用することができ
る。

１皿二皇１ 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の電圧に応じて制限電圧が設定さ
れ、電池素子の電極間に発生した電圧が制限電圧以上に
達したときには酸素ポンプ素子の電極間への供給電流が
減少される。よって、酸素ポンプ素子の低温時には制限
電圧を低く設定することにより高温時よりも電池素子の
電極間の発生電圧の低いレベルで起き得るブラックニン
グ現象の発生を確実に防止することができるのである。

【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、第２図は本発明の実施
例を示す回路図、第３図は制御回路の動作を示ずフロー
図、第４図は第３図に示した動作を得るための回路構成
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・・・・・・定電流回路 ３０・・・・・・非反転増幅器 ４０・・・・・・リミッタ回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　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個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固体電解質材の
   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を
   含む酸素濃度検出装置であって、前記酸素ポンプ素子の
   電極間の電圧に応じて制限電圧を設定する設定手段と、
   前記電池素子の電極間に発生した電圧が前記設定手段に
   よつて設定された制限電圧以上に達したときには前記酸
   素ポンプ素子の電極間への供給電流を減少せしめるリミ
   ット手段とを有することを特徴とする酸素濃度検出装置
   。