JPS62261953A - 空燃比検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃焼制御等に用いる空燃比センサに係り、特に
空燃比検出とともに温度調節を行うに好適な空燃比検出
装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、排ガス中のガス成分より空燃比を検出する空燃比
センサについては例えば特開昭５２−６９６９０号公報
、特開昭５３−６６２９２号公報に示されるように空燃
比検出セルに一定、あるいは可変する電圧を印加し、こ
のとき得られる電流値より空燃比を検出するものがある
。また、この空燃比センサは温度依存性が大きいため、
高温で使用する必要があり、この空燃比センサの温度制
御については特開昭５７−１８７６４６号公報、特開昭
５７−１９２８５２号公報に示さ九るように直流電圧に
交流成分を重畳させた電圧を検出セルに印加し、この交
流酸°分の温度依存情報より温調を行うもの、交流信号
より検出セルの内部抵抗を求め温度制御を行うものがあ
る。また、特開昭５７−１９２８４９号公報に示される
ように検出セルに電圧を印加し限界電流を測定する時間
と内部抵抗を求める時間を繰返えし行い温度制御する方
法が示されているが、このものは温度補正係数を求め、
この後演算するなど信号処理を行うものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしなから、従来の空燃比センサにあっては、空燃比
の検出は直流成分、温度情報は交流成分で行っているた
め、空燃比センサから空燃比出力を得るに直流成分に重
畳される交流成分を分離しなければならず、そのためそ
の信号処理部、あるいは演算部を必要とした。

〔発明の目的〕

本発明の目的は直流成分のみで空燃比の検出及び温度調
節を可能とし、しかも空燃比検出セルをブリッジ回路の
一辺に利用する簡単な構成で行なえるようにしたことで
特別の信号処理部を必要とせず、また、検出セルの内部
抵抗による空燃比検出精度の低下、電子伝導領域突入時
の出力発振を防止することのできる空燃比検出装置を提
供することにある。

【問題点を解決するための手段〕

本発明は、空燃比検出セルの起電力を一定、あるいは可
変に制御起電力制御方法とすることで内部抵抗による電
圧降下で起る検出精度の低下１発振を対処し、また、温
度調節は検出セルとこれに接続される抵抗とに温度設定
用抵抗と抵抗及び測定された起電力を並列に配置したブ
リッジを構成し、これら両辺を平衡するようヒータを制
御するものである。

すなわち１本発明は自動車の排ガス成分から空燃比を検
出する空燃セルと、これを加熱する為に内蔵されたヒー
タとで構成される空燃比検出装置において、上記空燃比
検出セルの内部抵抗を一辺とするブリッジ回路を構成し
、外部より設定する空燃比検出用スリツショルド制御電
圧値と前記空燃比検出セルの起電力が等しくなるよう該
空燃比検出セルに電流を通電し、前記空燃比検出用スレ
ッショルド制御電気値と前記起電力が等しくなったとき
のブリッジの一辺の抵抗に供給されている電流量から空
燃比を検出すると共に、前記ブリッジ回路の出力端子の
電位差によって前記空燃比セル内蔵ヒータを制御し該空
燃比セルの温度を調節するようにしたことを特徴とする
ものである。

【作用〕

空燃比検出セルの起電力は外部より設定する起電力制御
値になるように検出セルに供給する電流量をフィードバ
ック制御する。それによって、検出セルの起電力は起電
力制御値と等しくなり、このとき供給電流量から空燃比
の検出が行える。また、ブリッジの平衡条件が成立する
ことで検出セルの内部抵抗値は外部より設定する温度設
定用抵抗値と同値となるため、これより、温度制御が可
能となる。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例について説明する。

第１図には本発明の基本回路構成が示されている。

図において、１は空燃比検出セル、Ａｓ　ｇ　Ａｘ　＠
Ａ８は差動増幅器、ＳＷＩ、ＳＷ２は電気的に０Ｎ−Ｏ
ＦＦするスイッチ、Ｒ五ｔ　Ｒｘ　ｅ　Ｒａ　ｔｒ２は
抵抗器、Ｃｓ　、Ｃｚはコンデンサ、３はヒータ、４は
制御時間発生器、ｅλは起電力制御値。

Ｖｐｏはポテンシャルグランド、Ｔｒはトランジスタ、
５は信号反転用のインバータｒｏは出力電圧である。

また、本２図には本発明に用いる空燃比検出セル１の概
略構成が示されている。第２図（Ａ）は袋管状型、第２
図（Ｂ）は厚膜プロセスや薄膜プロセス等により作られ
る板状型である０図中１１゜１１′はジルコニア固体電
解ｆｆ、１２．１２’は大気に接する白金電極、１３．
１３’は排ガスに接する白金電極、１４．１４’はガス
拡散抵抗体、３．３′は内蔵ヒータであり、本発明には
どちらのタイプも使用できる。そして、空燃比の検出は
ジルコニラ固体電Ｍ質の酸素ポンプ現象及び起電力特性
を利用するものである。

空燃比検出セル１はネルンストンの法則で良く知られる
ように空気過剰率λ＝１を境にリーン（λ〉１）域では
ほぼ零ボルト、リッチ（λく１）域では約１ボルトとな
る階段状の起電力Ｅが発生し、これは次式で表わされる
。

４Ｆ　　　Ｐａ ここで、Ｐａは大気中の酸素濃度、Ｐａは排気側電極界
面の酸素濃度である。また、このときの化学反応式は次
式となる。

２　Ｇ　Ｏ＋　Ｏｘ　’：；　２　ＣＯｘ　　　　　　
−−（２）従って、λ全領域で一定の起電力Ｅ（望まし
くは０．５ボルト）となるよう排気側電極界面の酸素濃
度を制御する、すなわち、酸素ポンプ現象により、λ〉
１では排気側電極界面の酸素を大気側へ放出させ酸素濃
度を低下させる。逆に、λく１では弾丸側電極界面の酸
７１１１度を高めよう大気側から酸素を注入してやるこ
とにより、空燃比検出セルの起電力Ｅを一定に制御でき
る。よって、起電力Ｅが一定値となるのに必要な酸素の
注入、放出量に対応じたポンプ電流量から排ガス中の酸
素濃度を知ることができる。また、ポンプ電流はλ〉１
とλ〈１とでは極性が逆となる。すなわち、大気電極と
陽極とするλ〉１では正、λく１では負のポンプ電流量
となる。

第１図において、制御時間発生器４からは空燃比検出セ
ル１の起電力を測定する時間）！１ｇｈレベルとなる起
電力測定時間ｔｏと空燃比検出及びヒータ制御を行う時
間Ｈ１ｇｈレベルとなる制御時間ｔｐが出力され、こ九
らはｔｅが“Ｈｉｇｈ”レベルのときｔｐは“Ｌｏｗ”
　レベル、逆に、ｔｏは“Ｌｏｗ”のときｔｐは“Ｈｌ
ｇｈ”レベルとなる。

自動車は約１４ボルトの電圧源であり、本センサは正負
のポンプ電流が流れるため、アースレベルより高い仮想
グランドが必要となる。このため空燃比検出セル１の排
気側電極である陰極はアースレベルより高いポテンシャ
ルグランドとする必要がある。

今、ｔｓが”）Ｉｉｇｈ”レベル、ｔｐが“Ｌｏｗ”　
レベ）Ｌｌ（１）とき、ＳＷ２はＯＮ、ＳＷＩはＯＦＦ
状態となり、空燃比検出セル１のポンプ電流はカットさ
れる。従って、検出セル１の陽極には起電力Ｅとポテン
シャルグランドＶｐａが加えらたＥ＋Ｖｐ。

の電位が発生し、Ｓ　Ｗ　２　ｅ　Ｃｔ　＋　Ａ　ｘで
構成されるサンプル／ホールド回路（以下Ｓ／Ｈ回路と
略記）に保持され、Ｒａ　、Ｃｚ　、Ａｘで構成する積
分器に入力される。

次に、ｔｐが“Ｈｌｇｈ”ｔｅが“Ｌｏｗ”　レベルの
とき、ＳＷＩはＯＮ、ＳＷ２はＯＦＦ状態となる。

積分器では一方の入力端に入力された起電力制御値ｅと
Ｓ／Ｈ回路のホールド値Ｖａとを比較しその大小関係に
よって空燃比検出セル１のポンプ電流の通電量を調節す
る。この繰返しによってＶｓ＝ｅに制御されることにな
りこのときのポンプ電流量から排ガス中の酸素濃度、す
なわち、空燃比が検出できる。なお起電力制御値ｅもＶ
ｐａを加えた値としなればならいことは云うまでもない
。

次に空燃比検出セルの温度制御について述べる。

本実施例での空燃比検出は前述した如くジルコニア固体
電解質の酸素ポンプ現象を利用する故。

ジルコニアの内部抵抗を小さく、すなわち、内蔵ヒータ
により高温一定に加熱制御する必要がある。

これを実現するには、抵抗Ｒ１と空燃比検出セル１と並
列に抵抗Ｒｔ＊ｒｚとを配し、更にこれにスイッチＳＷ
２、コンデンサＣｘ、差動増幅器Ａ工から成るＳ／Ｈ回
路の出力を接続したブリッジ回路を構成し、これが平衡
するように差動増幅器Ａ８で内蔵ヒータを制御するもの
である。

ポンプ電流Ｉｐ通電しヒータの温調を制御する制御時間
ｔｐがＨｉｇｈのとき、ＳＷｌがＯＮ、ＳＷ２はＯＦＦ
する。このとき、空燃比検出セルの陽極側端子電圧ＶＬ
は次式となる。

Ｖ＋、＝Ｖｐａ＋Ｉｐ−ｒ＋Ｅ　　　　　　＝（３）こ
こで、ｒは空燃比検出セルの内部抵抗である。

（３）式より明らかなように、空燃比検出セル１の両端
の電圧はＩｐによる電圧降下と起電力成分であるため、
ブリッジの一辺にもＩｐ　　−ｒ、　Ｈに相当する成分
が必要で、このため、ｒにはｒｚ。

ＥにはＳＷＩがＯＦＦ、ＳＷ２がＯＮする起電力測定時
間ｔθで動作するＳ／Ｈ回路の出力Ｖｓを加える。

今、差動増幅器Ａｓのプラス入力端子電圧をｅ÷マイナ
ス入力端子電圧をｅ−とすると Ｒ１＋　ｒ （Ｖｏ−Ｖｓ）ｒｚ　　　（Ｖｏ−（Ｅ＋Ｖｐａ））ｒ
ｓＲｚ＋　ｒｚ　　　　　　　　　Ｒｘ＋　ｒｚ・・・
・・・（５） となり、差動増幅器の安定条件より（４）、（５）式は
次式で表わされる。

Ｒｚ＋ｒｔ　　　　　　　　Ｒｔ＋ｒｚ・・・・・・（
６） 故に、（６）式を整理すると Ｉ　　Ｒ１ □＝□　　　　　　　　　　・・・・・・（７）ｒ　　
　　　　ｒｚ となり、ブリッジ回路の平衡条件が成立する。従って、
（７）式成立するようトランジスタＴｒにより内蔵ヒー
タ３へ供給する電力量を調節すると空燃比検出セル１の
内部抵抗ｒは外部に設置する温度設定抵抗ｒ怠と等しく
なり、これらから空燃比検出セル１の温度調節が可能と
なる。

第３図は空燃比検出セル１のｒ−Ｉ特性の温度依存性を
示す一例である。これより明らかなようにポンプ電流Ｉ
ｐが飽和する限界電流は温度によって変化する。従って
、空燃比検出セル１を高温一定に加熱制御する必要があ
る。

第４図は空燃比検出セル１の温度に対する内部抵抗の関
係を示すものである。よって、温度設定抵抗ｒｚ値、す
なわち、調節温度はこれより得ることができる。

第５図は出力電気一温度特性の一例を示す図であり、温
調することによって、約ｉｏｏ’ｃの低温から安定な出
力電圧を得ることができる。

自動車の空燃比域はλ＝１を境にλ〉１のり一ン域、λ
く１のリッチ域があり、前述した如く本発明のものはこ
の両域におけるポンプ電流の極性が反転する。従って、
全空燃比域で安定な温度制御を行うのには、λ＝１を境
に第１図における差動増幅器Ａ８の２人力信号を切換え
る必要がある。

図における温度制御部はり−ン域のみを検出す゛る構成
で、全空燃比域を温調するには不適である。

第６図は全空燃比域で温度制御が可能となる第１図に示
す基本回路の応用例である。

図において、ＢＬ　ｅ　Ｂｚ　ｔ　Ｂａ　ｓ　Ｒ４は出
力端がオーブンコレクタのコンパレータ、Ｄｔ　＊　Ｄ
ａはダイオード、Ｒａｚｅ　Ｒｓｔｗ　Ｒｂ　＊　Ｒａ
は抵抗器、その他の部分は第１図に示した符号と同一の
ものであり、また、温度制御以外の動作は前述した如く
であり、ここでの説明は鵬記する。

全空燃比での温度制御を行うためにはポンプ電流の極性
反転に対してトランジスタを制御するコンパレータの入
力信号（第１図ではＡｓのプラス、マイナス入力端に入
力される信号）を切換えトランジスタＴｒを制御しなけ
ればならない、これにはコンパレータＢ！〜Ｂ４、ダイ
オードＤｔ、Ｄ工、抵抗Ｒａ１．　Ｒａｔによって行な
わせる。

先ず、コンパレータＢａ　、Ｂａの一方の入力端には切
換り点であるλ＝１のときのＶｏ値を、他方にはＶｏ値
を入力すると、この大小関係によって出力されるコンパ
レータＢａ　、Ｒ４の出力信号からλ〉１かλく１かの
判定ができる。コンパレータＢ８の出力が“Ｈｉｇｈ”
のときλ〉１、逆にコンパレータＢ４の出力が“Ｈｌｇ
ｈ”のときλ〈１となる。

コンパレータＢ　１ｅ　Ｂ　ｚの出力はブリッジ両辺の
信号の大小によって各々“Ｈｉｇｈ”か“Ｌｏｗ”　　
の出力が０Ｎ−ＯＦＦ的に出力される。従って、コンパ
レータＢ　ｓ　ｓ　Ｂ　ａ　を、Ｂｔ、８番を一組とし
て抵抗Ｒ８１ｔ　Ｒａｔを図中に示すように接続すると
、各々がＡＮＤ回路となり、ペアのコンパレータが“Ｈ
ｉｇｈ”になる条件時のみ８カは”Ｈｉｇｈ”となる。

ＤＡ　＊　Ｄｚ　、Ｔｒで構成されるＯＲ回路はどちら
か一方のペアが“Ｈｌｇｈ”になればＴｒがＯＮＬ。

ヒータ３に電力を供給する。逆に“Ｌｏｗ”　であれば
Ｔｒは０ＦＦＬ、電力はカットされる。従って。

この繰返しによりヒータ３は加熱されたり冷却（この場
合は自然冷熱による）されたりすることとなり、この結
果、空燃比検出セル１の内部抵抗は一定、すなわち、温
度が一定に制御されることとなる。

この構成によれば、全空燃比域で連続的に温度制御が可
能となる。゛ 以上述べた方法は起電力制御値ｅが一定の場合であるが
、ｅを可変にすると空燃比検出セル１の制御温度をより
低温にでき、ヒータ電力の低減や低温作動性に効果があ
る。

第７図に本発明の応用例になる起電力制御可変型の一実
施例を示す。

起電力制御値の可変法を実施するには１図中示す抵抗器
Ｒｉｏｓ　Ｒａｏｅ　Ｒａｏｅ　Ｒ４ｏ、　Ｒａｏ、　
Ｒａｏ。

差動増幅器Ａｔを付加すれずよい、ここ以外での動作は
第１図、第６図で説明した如くであり省略する。

λに対応じて変化する出力電圧Ｖｏを抵抗Ｒｘ　ｏ　ｅ
Ｒｚｏにより分割して得られた起電力制御値ｅ′をＲａ
ｏ＝ＲｓｏとＡ４から成る加算槽の一方の入力端に入力
する。また、他方の入力端はＶｐａの値を入力すると、
このときのＡ４の出力、すなわち、起電力制御値ｅは次
式となる。

Ｒ工００ ここで、Ｒｓｏｏ　＝Ｒｓｏ＝Ｒａｏ＝Ｒｓｏとする。

従って、Ｒａｏ＝Ｒｚｏｏすればｅ　＝　Ｖｐｏ＋　ｅ
　’となりｅ′のみ出力Ｖｏに対応して変化するため、
実質的に起電力制御値ｅが変化する。このときのｅ′は
λ＝ｏ、ｓ　ノとき約０．２〜３Ｖ、λ＝１．５のとき
約０．６〜０．７Ｖ程度の傾斜に設定すると良い、この
結果、大気を測定する場合にも有利である。

本発明をより効果的にするには空燃比検出セルの温度制
御方法を簡単化することである。これには空燃比検出セ
ルの構造が大きな要因となる。第２図（Ａ）に示す袋管
状型の内蔵ヒータは傍熱型である故、セルを高温一定に
温調するにはヒータ電力を多く要する。また、セルと分
離されているため、放熱も多く空燃比検出精度に影響を
及ぼす。

しかし、現在製品化されているもの、あるいは製品化さ
れようとしているものはこのタイプである。

第８図、第９図に本発明の簡単化を図る応用例を示す。

第８図に示すような板状型（第２図（Ｂ））でヒータ内
蔵のものはセルとヒータが一体化された構造であり、＠
度制御方法やその回路構成も簡単になり小型、低コトス
化が図れる。

図において、３，１１，１２，１３．１４の素子部は第
２図で示したもので空燃比検出セル１を構成し、この中
、ヒータ３は例えば白金ヒータで作られる。従って、白
金によるヒータ３の抵抗値ＲＨの温度依存性がわかれば
、図中Ｒｘ　＠　Ｒｘ　ｅｒｚの抵抗器でブリッジ回路
を構成し１次式を示す平衡条件が成立するようＡ　Ｂ　
ｔ　Ｔ　ｒで制御すればよい。

ＲＨｒｚ よって、本発明の起電力を加えた変型ブリッジにする必
要もなく回路の簡単化、放熱を小さくでき精度の向上が
容易にできる。

第９図も応用例である。

図において、　Ｒｓｏｏ　ｖ　Ｒｔｏｏは抵抗器、Ａフ
は差動増幅器、その他は前述符号の同一素子である。

この方法は、抵抗Ｒｚでの電圧降下とヒータ３での電圧
降下が等しくなるようＴｒを介してヒータ電流ＩｏをＲ
ｚ、ヒータ３に通電する。今、制御目標とするヒータ３
の抵抗値をＲＨとするとＲ１゜ＲＨでの電圧降下ＶＲＩ
、　ＶＲＮは次式となる。

Ｖ　Ｒ１＝　Ｉ　Ｈ−Ｒ１−−（１０）ＶＲｏ＝　Ｉｎ
ＩＩＲＨ−−（１１） 差動増幅器Ａ７ではＶ　ｎ　１を検出し、Ａａで（１０
）、（１１）式が等しくなるよう制御するため、ＶＲｔ
＝Ｖ＊ｏとなる。これより、ヒータ電流ＩＮに関係なく
Ｒｘ＝Ｒｎが等しく制御される。

従って、白金ヒータ３の抵抗値ＲＨの温度依存性より所
望するＲＨと同等の抵抗値Ｒ１を設置すればよい、また
、Ｒ１での発熱を防ぐためには、Ｒｓを小さくし、この
分差動増幅器Ａ７のゲインを大きくすればよい、この結
果、第８図で述べた同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば起電力制御値を一
定、あるいは可変に制御させ、このときのポンプ電流量
から空燃比を検出するので空燃比検出セルの内部抵抗に
よる電圧降下の影響を除去でき、これより低温作動性の
向上、電子伝導領域突入による発振防止、起電力＄ｌＪ
ｍ値可変型により検出精度、範囲の拡大、ヒータ電力の
低減が図れる効果がある。

また、本発明によれば、逆に内部抵抗及び制御起電力を
利用し検出セルと簡単なブリッジ回路を構成することで
、特別な温調信号及び信号処理部が不要とし検出セルを
一定の温度に制御でき、この結果、安定した出力が得ら
れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の基本回路構成を示す図、第
２図は本発明に用いる空燃比セルの概略構造図、第３図
は空燃比検出セルのＶ−Ｉ特性例を示す図、第４図は空
燃比検出セルの温度−抵抗の関係を示す図、第５図は本
発明の実験結果の一例を示す図、第６図、第７図は第１
図の応用例を示す図、第８図、第９図は本発明の応用例
を示す図である。 １・・・空燃比検出セル、３・・・内蔵ヒータ、４・・
・制御時間発生器、Ａｌ−Ａ４・・・差動増幅器、ＳＷ
Ｉ。 ＳＷ２・・・スイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、自動車の排ガス成分から空燃比を検出する空燃比検
   出セルと、これを加熱する為に内蔵されたヒータとで構
   成される空燃比検出装置において、上記空燃比検出セル
   の内部抵抗を一辺とするブリッジ回路を構成し、外部よ
   り設定する空燃比検出用スレッショルド制御電圧値と前
   記空燃比検出セルの起電力が等しくなるよう該空燃比検
   出セルに電流を通電し、前記空燃比検出用スレッショル
   ド制御電圧値と前記起電力が等しくなったきのブリッジ
   の一辺の抵抗の供給されている電流量から空燃比を検出
   すると共に、前記ブリッジ回路の出力端子間の電位差に
   よって前記空燃比セル内蔵ヒータを制御し該空燃比セル
   の温度を調節するようにしたことを特徴とした空燃比検
   出装置。