JPS6230948A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、空燃比検出装置に係り、特に、内燃機関の空
燃比を広範囲を制御するのに用いるのに好適な空燃比検
出装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、内燃機関用の空燃比検出装置としては、理論空燃
比を検出する装置が、広く内燃機関の制御用に用いられ
ている。

しかし、近年、燃料消費率の改善のためにり−ンバーン
制御用の空燃比検出装置の開発が進められている。その
−例としては、例えば、米国特許４２８２０８０　　（
特開昭５５−１２５４４８号−）に記載のように、拡散
抵抗体から拡散してくる酸素を固体電解質セルによりく
み出す時流れる限界電流値によりり一ン空燃比を検出す
るものが知られている。

また、米国特許４１．５８１６６　　（特開昭５３−６
６２９２号）によって、拡散抵抗体から拡散してくる一
酸化炭素等と固体電解質セルによりくみ入れる酸素とを
反応させ、この時固体電解質セルを流れる限Ｖ−電流に
より、リッチ空燃比を検出するものが知られている。

しかしながら、リーンからリッチまでの幅広い空燃比範
囲の検出の可能なものは知ｒ）れていない。

〔発明の［１的］ 本発明の［ｊ的は、リーンからリッチまでの空燃比検出
の可能な空燃比検出装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、センサ部分の起電力の測定と、この起電力を
一定するような制御とを交互に行い、この制御時にセン
サ部分に流れる電流により空燃比を検出するものである
。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例について、以下図面を用いて説明する
。

最初に、本発明に用いるセンサ部分の一例について、第
１図を用いて説明する。袋管状の検出部１０は孔１１を
有する保護管１２内に配置され、ネジ１３を有する栓体
１４内に固着されている。

そして、排ガスの流動する排気管１５に装着される。ま
た、１６は電極端子、１７はヒータ端子であり、これら
の端子を介して検出部は電子回路と接続される。なお、
袋管状の検出部であるジルコニア固体電解質１０の内部
には、これを加熱するための棒状のヒータ（アルミナ棒
に形成したＷヒータなど）が装着される。このヒータは
検出部のジルコニア固体電解質を少なくとも６００℃以
１−の高温にして、そのインピーダンスを小さくするた
めである。検出部１０は袋管状のジルコニア固体電解質
の内側と外側にそれぞれ電極（白金などで構成される）
をもうけ、外側の電極上に多孔質状の拡散抵抗体を形成
したものである。そして、固体電解質の内側には大気が
導入され、外側は排ガス雰囲気中にさらされる。

本発明に使用されるセンサ部分の他の−・例を第２図に
示す。この図はジルコニア固体電解質が平板、拡散抵抗
体が１−個の孔よりなる場合を示している。大気はジル
コニア固体電解質２０内の通路３２を介して、第１の電
極２２部へ導入される。

排ガス中の残存酸素や未燃ガスは孔形状の拡散抵抗体２
４を介して、拡散室３１内の第２の電極２：３部へ拡散
で流入するものである。ジルコニア固体電解質２０はこ
れに固着されたアルミナ絶縁層２１１内のヒータ２　Ｊ
−２によって、高温度に加熱制御される。

いずれにしても、ジルコニア固体電解質は一対の電極を
有し、一方には大気が導入され、他方には拡散抵抗体を
介して排ガスが拡散で流入する構造であれば、どのよう
な形状でも基本的には良い。

次に、本発明の動作原理について、第３図を用いて説明
する。

第３図（ａ）、（ｂ）において、１は酸素イオン伝導性
の固体電解質であり、その両面には白金電極３ａ、３ｂ
が形成されている。電極３ａは、大気に接し、電極３ｂ
は、多孔質の拡散抵抗体２を介して排気に接している。

本検出装置は、同図（、）に示したように、固体電解質
１に電圧Ｖを印加して電流Ｔｐ　を流し、拡散抵抗体２
内に酸素を出し入れする動作と、同図（ｂ）に示したよ
うに、固体電解質１に発生する起電力Ｅのみを測定する
動作を、時分割的に回路を交互にしゃ断することにより
行うものである。同図（ａ）に示した電流ＩＰは、絶対
値や方向が空燃比によって変化する。これは、同図（ｂ
）に示した期間に測定した起電力Ｅが常に一定値になる
ように、電圧Ｖの値を増減し、拡散抵抗体２内の酸素を
出し入れしているためである。同図（ｃ）に示したよう
に、電極３８の端子電圧を見ると、電流Ｉｐを流す期間
１＋　の電圧は、空燃比により変化する（Ｖｚ、Ｖｚの
ように）。一方、起電力Ｅを測定する期間ｔｅの電圧は
、空燃比が変化しても、Ｅ一定のまま保たれる。つまり
、この起電力Ｅが一定になるように印加電圧■を変化さ
せるのである。

次に、空燃比が変化した場合の拡散抵抗体２内の酸素濃
度分布の変化と、酸素の移動やＩｐの関係を第４図によ
り説明する。第４図（ａ）は、リーン域の動作を示した
もので、空燃比がλの場合の、ＩＰ、０２の移動、０２
濃度の分布のそれぞれを１゛ １層、で示し、λ′の場合を点線で示した。ここで、λ
′〉λ〉１の関係と仮定する。空燃比がλの場合は、排
気中の酸素濃度は、ＰＯ２どなっているため、拡散抵抗
体２の排気側の酸素濃度はＰｏ２となっている。ここで
、あらかじめ別の期間に測定された起電力Ｅが一定にな
るように電流ＩＰを流すので、拡散抵抗体２内の酸素は
、大気側に引き抜かれ、電極３ｂ近傍の酸素濃度が常に
一定値ＰＯになる。ここで例えば、起電力Ｅを０．５　
■とすると、Ｐｏは１．０−”　％程度となる。次に、
空燃比がλ′　（λ′〉λ）に変化すると、拡散抵抗体
２の排気側の酸素濃度はＰｏ２’　と大きくなるが、こ
こでも起電力Ｅを常に一定にするように、ＩＰよりも大
きな電流■Ｐ′を流すため、電極３ｂ近傍の酸素濃度は
、一定値Ｐｏに保たれる。このように、酸素濃度がＰＯ
２からＰｏ２’　　（Ｐｏ２’　＞　ＰＯ２）に変化し
た場合、Ｐｏを一定に保つために、多くの酸素量を移動
する必要がある。すなわち、電圧■をＶ’　　（Ｖ’　
＞Ｖ）に変化させて、Ｉｐ　を■Ｐ′（Ｉｐ’＞Ｉｐ）
に増加する。このため、この時の電流値、すなわち電圧
値は、空燃比に比例するようになる。

第４図（ｂ）は、リッチ域での動作を示している。

空燃比がλ′　（λ’＜１−）のリッチ域では、ＣＯな
どの可燃性ガスが発生するために、電極３ｂ近傍の酸素
濃度をＰｏにするには、０２を大気側から、排気側に送
り込む必要がある。このため、固体電解質１に加わる電
圧の極性を反転し、電流■Ｐ′をリーン域とは逆方向に
流す。この動作により、電極３ｂ近傍の酸素濃度はＰｏ
に保たれる。

拡散抵抗体２中に示した実線は、−酸化炭素ＣＯの濃度
分布を示したもので、排気側がＰｃｏで、電極３ｂ側が
ほぼ零のＰＯとなる。空燃比がλ′よりもさらに小さく
なると、多くのｃｏが存在し、拡散抵抗体２内に拡散し
てくるため、電極３ｂ近傍の酸素濃度をＰｏに保つため
には、より多くの酸素を送り込む必要がある。このため
、ｖ′を増加し、ＴＰ″′を増加する。すなわち、空燃
比が変化すれば、Ｖ′は変化する。

以上の原理により、リッチからリーン域において空燃比
が測定できるわけであるが、ここで電流の方向を反転す
る必要がある。本発明では、この動作を、λ＝１．０の
点を検出することなく、自動的に行うようにした。以下
、これについて説明する。

第５図（ａ）は、リーン域の動作である。排気側の電極
３ｂは、ある一定の電位Ｖｐｏを持ったポテンシャルグ
ランド４に接続されている。リーン域ではＩＰを矢印の
方向に流すため、電極３ａの電圧Ｖｐ　をＶｐａよりも
大きくする。つまり、Ｖｐ＞Ｖｐｏとすれば拡散抵抗体
２内の酸素が大気側に引き抜かれる。次に、第５図（ｂ
）に示したリッチ時には、Ｖｐ　をＶｐ　＜Ｖｐｏとな
るように小さくすると、ＩＰはリーン時とは逆に流れ、
拡散抵抗体２内に酸素が送り込まれている。

以上のように、電極３ｂをポテンシャルグランド４に接
続し、電極３８側の電圧を上下することにより、自動的
にＩＰの方向を反転させることができる。このポテンシ
ャルグランドの構成については後述する。

第６図に、本発明の一実施例の検出装置の駆動回路の全
体の構成を示す。５はＡ端子とＢ端子に０Ｎ−ＯＦＦ信
号を交互に出力するマイクロコンピュータであるが、通
常のコンデンサーと抵抗を用いた発振回路でも良い。Ａ
端子にＯＮ信号が出力されると、スイッチＳＷｓはＯＮ
（導通）し、この期間Ｂ端子にＯＦＦ信号が出力され、
スイッチＳＷ２は０ＦＦ（非導通）となる。スイッチＳ
Ｗ１　がＯＮになると、固体電解質１に電流Ｉｐが流れ
る。次の期間に、Ａ、Ｂ端子の０Ｎ−ＯＦＦ状態が逆転
し、スイッチＳＷ２がＯＮ、スイッチＳＷ１がＯＦＦと
なる。このスイッチＳＷ２がＯＮとなる期間は起電力Ｅ
を測定する期間である。

この期間に検出された起電力Ｅは、ホールド回路（ＩＩ
） ６によりホールドされ、スイッチＳＷｚがＯＦＦした時
でも起電力Ｅの値は維持される。次に、差動積分回路７
により、起電力Ｅとリファレンス値Ｅｒｅ１　が比較さ
れ、Ｅ＜Ｅｒｅｉの場合は差動積分回路７の出力Ｖｐｏ
が増加し続ける。ここで、固体電解質１には、スイッチ
ＳＷ１がＯＮ　したときに、この出力Ｖｐが印加される
。また、Ｅ　＞　Ｅ　ｒ。、の場合は、差動積分器７の
出力Ｖｐは減少し続ける。

以１−のように、起電力ＥがＥｒａｘ　になるように、
出力ＶＰＨを−Ｌ下して電流Ｉｐ　を制御する。なお、
前述したように、リッチ域では、出力ＶｐがＶｐａより
も小さくなるように、出力Ｖｐ　を減少させる。

また、回路の出力としては、ポテンシャルグランド４と
電極３ｂの間に固定抵抗Ｒ１を設けて、その端子電圧を
ホールド回路８によりホールドし、出力Ｖ　ｏ　ｕ　ｔ
　とする。出力Ｖｏｕｔは、抵抗Ｒ１が固定抵抗のため
、電流値ＴＰに比例した値となる。

第７図には、空燃比がリッチからリーンまで変化した場
合の各部の信号レベルと、スイッチ５ＷＩＳＷ２の動作
を示した。（ａ）は実際の空燃比の変化であり、λ〈１
からλ〉１まで変化している。

（ｂ）はスイッチＳＷｚ　を介して電極３ａに印加され
る電圧Ｖｐ　’　、（ｃ）は、差動積分回路７に入力さ
れる起電力Ｅを示した。空燃比が、急にリーン側に変化
すると、拡散抵抗体２内の酸素量が増加するため、起電
力ＥはＥｒｅｔよりも小さくなる。

このため差動積分回路１７の出力Ｖｐは、増加し続ける
。やがて、空燃比が一定値におちつくと。

出力Ｖｐも一定値に収束する。このとき、起電力Ｅは、
Ｅ　ｖｅｘに収束している。（ｄ）と（ｅ）は、スイッ
チＳＷｚとＳＷｚのＯＮする期間であり、０Ｎ−ＯＦＦ
の周期は、通常の空燃比の変化時間より十分に小さくし
ておけば良い。また、（ｆ）は、Ｖ　ｏ　ｕ　ｔ　を示
し、リッチ域ではＶ。ｕｔ＜Ｖｐａとなっているが、リ
ーン域に変化すると、Ｖ　ｏｕ　ｔ　＞　Ｖ　ｐａとな
る。

以上のように回路は、起電力ＥがＥｙ６１になるように
出力Ｖｐ　を上下する。また、リーンからリッチ域に空
燃比が変化した場合は、出力Ｖｐは減少し、出力Ｖ　ｏ
　ｕ　ｔも減少する。

第８図には、空燃比（空気過剰率）λに対するＶ　ｏ　
ｕ　ｔの関係を示した、λ＝１．０では、理論的に、Ｉ
ｐ＝Ｏとなるために、Ｖｏｕｔ　＝Ｖｐａとなる。

λ〈１−では、Ｖ　ｏｕ　ｔ　＜　Ｖ　ｐｏで、λ〉１
では、Ｖｏｕｔ＞Ｖｐａとなる。つまり、λ＝１．０　
を境として、電流ＴＰの方向が自動的に反転し、リッチ
からリーンまでの空燃比が連続的に測定できる。

次に、この検出装置の動作の物理的な意味を説明する。

第９図では、固体電解質に印加する電圧■を増加させて
いった場合の、電流値■を示した特性である。電圧Ｖを
零から増加していくと、（ａ）の範囲では、酸素イオン
伝導により、電圧Ｖに比例して電流Ｉが増加する。さら
に電圧■を増加すると拡散抵抗体２の作用で酸素の流れ
が律せられ、電圧Ｖを増加しても電流Ｉが変化しなくな
る（（ｂ）の範囲）。この時の電流■は限界電流値と呼
ばれる値である。

今、空燃比がある一定の値となっているときの第６図の
回路の動作原理を、第９図の実線の特性により示す。差
動積分回路７の出力Ｖｐが、今、（ａ）の範囲の電圧だ
ったとすると、この時端子間に発生する起電力Ｅはほぼ
零となっている。このため、差動積分回路７は出力Ｖｐ
を増加させる。

やがて、出力Ｖが（ｂ）の範囲に入ってくると端子間に
は起電力が発生し始め、起電力がＥ　ｒ　ｅ　ｔになっ
た時に出力Ｖｐの増加は停止し、Ｖｃに収束する。この
時、固体電解質１には、電流Ｉｐが流れる。この電流Ｉ
ｐは、前述した限界電流値と等しく、空燃比に比例した
値となる。

また、第９図の点線で示した特性は、固体電解質１の温
度が低くなった場合のものである。ここで、出力Ｖｐが
Ｖｃのままでは、電流値はＩＬとなり限界電流値を示さ
ないが、本発明の回路では、Ｖｐ＝Ｖｃの状態では、Ｅ
寺０と判定するために、出力Ｖｐをさらに増加し続け、
起電力ＥがＥ　ｖｅｘになる値Ｖｃ’　に収束する。こ
のため、この時固体電解質１に流れる電流値は、やはり
限界電流値となる。このように、本発明による検出装置
は、固体電解質１の温度が変化しても常に限界電流値に
相当する電流値を固体電解質１に流す。

第１０図は、固体電解質１の温度が一定で、空燃比λが
変化した場合の特性を、それぞれの空燃比λ１．λ２．
λ８．λ番について示した（λ１〉λ２〉λ８〉λ４）
。空燃比がλ１の場合は、端子間の起電力がＥｒｅｆと
なるには、固体電解質１にＶ　Ｐ　１の電圧を印加する
必要があるため、出力ＶＰＨはＶｐｚまで上昇し、Ｖ　
ｐ　ｓに収束する。このときの電流値はＩｐｚで、空燃
比λ工における限界電流値に一致している。また、空燃
比がλ２となった場合は、出力Ｖｐｕは減少しＶｐｘに
収束し、電流値はＩｐｚとなる。以下、空燃比がλ８．
λ番の場合も同様に、それぞれの限界電流値ＩＰ８．　
ＩＦ５を固体電解質１に流す。第６図に示した回路は、
この電流値に比例した出力を出すため、常に限界電流値
がモニターできる。

第１１図は、固体電解質１の温度Ｔを変化させた場合の
出力の変化を示した。なお、ここでは空燃比は一定であ
る。第１図の（ｂ）は、第９図に示したように常に、一
定の電圧Ｖａを固体電解質１に印加した場合の特性であ
り、（ａ）は本発明による検出装置の出力特性である。

前述したように、温度Ｔが変化しても、常に限界電流値
をモニターできるために、出力の温度依存性は少ない。

第１２図は、温度Ｔを一定とした空燃比λを変化させた
場合の、出力特性である。（ｂ）は、固体電解質に印加
する電圧を一定とした場合の特性である。第１０図から
れかるように、例えば、電圧をＶｐａ一定となると、空
燃比λが大きくなるのにつれて、限界電流値が測定でき
なくなり、第１２図（ｂ）に示したように、大きな空燃
比λで、空燃比λに対するゲインが低くなる。また、（
ａ）の特性は、本発明の検出装置によるもので、空燃比
λが変化しても、電圧Ｖｐを変化させて常に限界電流値
を測定するために、λが大きくなっても、λに対する出
力値のゲインは変わらない。

第１３図は、本発明の一実施例による検出装置の回路の
具体的な構成の一例である。５は、マイクロコンピュー
タか、ま′たは発振器である。ホールド回路６は、コン
デンサＣＩとバッファアンプＡ１から成っている。ホー
ルド回路６でホールドされた起電力Ｅは、差動積分回路
７に入力される。

この差動積分回路７で、起電力Ｅと基準電圧Ｅ、。。

が比較され、Ｅ　＜　Ｅ　ｒａｉの場合、電圧Ｖｐは増
加し続け、Ｅ　＞　Ｅ　ｒｅｘの時、電圧Ｖｐは減少し
続ける。この積分動作は、起電力ＥがＥｒｅｚに収束す
。

るまで続けられ、収束すれば、電圧Ｖｐもある一定値に
収束する。この電圧Ｖｐは、バッファアンプＡ２とスイ
ッチＳ界工を介して、電極３ａに印加゛される。一方、
ポテンシャルグランド４は、バ、ツファアンプＡ８より
成っており、電圧Ｖｐｏ一定ーの値を出力している。こ
こで、スイッチＳＷｉがＯＮＬ、て、電圧Ｖｐが固体電
解質１に印加される場合に、Ｖｐ　＞Ｖｐａの場合は、
電流は、バッファアンプＡ１．固体電解質１を通り、バ
ッファアンプＡ８内でグランドに落される。しかし、ボ
テンシャルグランドは、Ｖｐｏ一定のまま保たれる。ま
た、Ｖｐ　＜Ｖｐｏの場合は、電流はバッファアンプＡ
ａ、固体電解質１を通り、バッファアンプＡ２内でグラ
ンドに落される。しかし、バッファアンプＡ２の出力は
Ｖｐ一定のまま保たれている。また、出力回路８は、ス
イッチＳ　Ｗ　ｚ　がＯＮした時の抵抗Ｒ１の端子電圧
をコンデンサＣ１とバッファアンプＡ４によりホールド
し、出力（Ｖｏｕｔ　）する。以−■二の回路により、
本発明による空燃比の検出が可能となる。

第１４図は、エンジンの実排戴を本発明の」二連の一実
施例により測定した結果を示した。検出装置のセンサ部
分はエンジンの排気マニホールドに取り付け、エンジン
は回転数１２５Ｏｒ　ｐ　ｍ、トルク３ｋｇ−ｍ一定で
運転した。第１４図の横軸が空燃比λで、縦軸は出力で
ある。第１４図かられかるように、λ〈１からλ〉１ま
での広い範囲の空燃比が実測できるが、λ＝１を境とし
て出力値のゲインが変化している。これは、λ〉１では
限界電流Ｉｐは、排気中の酸素濃度に依存しているが、
λ〈１では、電流ＩＰは、排気中の可燃性ガスＣＯ、Ｈ
Ｃ、）［２に依存するためである。特に、可燃性ガス中
で、Ｈ２の拡散速度が非常に速いため（Ｃｏ、０２の約
４倍）、多くの電流値が必要となり、出力が大きく傾斜
してしまう。

次に、固体電解質１の温度を一定に保つためにその内部
抵抗ｒを＝一定に保つための温度制御法について述べる
。第１５図（ａ）には、λ〉１における動作を示した。

この場合、電流Ｉｐは図中の矢印の方向に流れ、電極３
８側の電圧をＶｐ、３ｂ側をＶｏ、抵抗Ｒ１のポテンシ
ャルグランド４側をＶｐａとすると、Ｖｐ＞Ｖｕ＞Ｖｐ
ａの関係となる。

この場合、Ｖ　ｐ　ｒ　Ｖ　ＨＩ　Ｖ　ｐ　ａの間には
次の関係がある。

Ｖｐ　−ＶＨ：　　Ｅ　　＋　　ｒ　　Ｔ　　ｐ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−（］
）ＶＨ−Ｖｐａ＝　ｒ　ｃ　０Ｉ　ｐ　　　　　　　　
　−（２）ここで、Ｅ：起電力、ｒｃ　：抵抗Ｒ１の抵
抗値（１）式より、内部抵抗ｒは、 ｐＶｏ−Ｅ −□　　　　　　　　　　・・・（３）Ｉｐ ここで、ＶＨは出力として常に測定しているので既知で
あり、Ｅは常に−・定値になるように制御しているので
既知である。ここで Ｖ　＝　ＶＨ＋　Ｅ　　　　　　　　　　　　　・・・
（４）とすると、（３）式は、 Ｐ また、（２）式により、ＩＰは、 となるために、Ｖｎ　＊　Ｖｐｏ、　ｒ（が既知なので
ＩＰも既知となる。このため、（６）式と（５）式より
固体電解質１の内部抵抗ｒが計算される。

次にλ〈１における動作を、第１５図（ｂ）に示す。こ
こでは、電流Ｉｐは（ａ）とは反対向きに流れるので、
各部の電圧は、Ｖ　ｐ　＜　Ｖ　ｏ　＜　Ｖ　ｐ　ａと
なる。

ここでも、（１）〜（６）式のような計算を行うと、次
のようになる。ＶｐとＶＨとＶｐｏの関係は、Ｖｐ　−
ＶＨ＝　Ｅ　−ｒ　Ｉ　ｐ　　　　　　　　　−（７）
Ｖｐｏ　−Ｖ）ｌ＝　ｒ　ｃ　′Ｉ　ｐ　　　　　　　
　　−（８）ここで、（７）式を（４）式の関係を用い
て書き換えると、 Ｉｐ となる。またＩｐは、（８）式より Ｖｐａ−ＶＨ Ｉｐ＝□　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１０
）となる。ここで、ＶＰＯ，ＶＨ、ｒｅ　、　Ｖ”は既
知なので、（９）、　（１ｏ）式より内部抵抗ｒは求ま
る。

この内部抵抗ｒを計算して、ヒーターを制御し、内部抵
抗ｒを常に一定に保つようにする。第１６図に、ヒータ
ー制御のフローを示した。この計算は、λ〉１とλ〈１
では異なるので、始めにこの判断をする。電流１ｐの方
向によりＶ　ｏとＶｐｏの大小関係は変わるので、これ
により判断する（ステップ１０１）。λ〉１では、Ｖｏ
＞Ｖｐｏとなるので、（６）式により電流ＩＰを計算す
る（ステップ１０２）。次に、この電流Ｉｐ　と（５）
式により内部抵抗ｒを計算する（ステップ１０３）。こ
の内部抵抗ｒを、制御しようとする抵抗値ｒ、６．と比
較する（ステップ１０４）。ここで、ｒ）ｒ、６．なら
ば、固体電解質１の温度Ｔは、設定値より低くなってい
るのでヒーターをＯＮさせるＨ　ｉの信号を出力し、固
体電解質１を加熱する（ステップ１０５）、また、ｒ　
＜　ｒ　ｒｅｘの場合は、Ｔが設定温度より高くなって
いるので、ヒーターをＯＦＦさせるＬＯ倍信号出力する
（ステップ１０６）。

その後、ステップ１０１に戻る。

一方、ＶＨ＜ＶＰＧの場合は、λ〈１．０　となってい
るので、電流ＩＰは（１０）式により計算する（ステッ
プ１０７）、このＩＰと（９）式より内部抵抗を計算す
る（ステップ１０８）、以上により、内部抵抗ｒを求め
た後は、ステップ４に進み以上光はどと同様のフローに
よりヒーターを制御する。

以上のフローは、アナログ回路でも処理できるが。

ＡＩＤ変換してマイクロコンピュータ−５に入力し、デ
ジタル的に処理する方が有利である。

第１７図は、ヒーター制御するための回路の結線図であ
る。検出装置の駆動回路４１より前述した出力ＶＰＨ，
ＶｕをＡ−Ｄ変換器４２に入力する。

ＶＰＨ，ＶＨに対応したデジタル値をマイクロコンピュ
ータ５に入力する。マイクロコンピュータ５内では、第
１６図に示したフローが実行され、コンパレータ４３に
、Ｈｉ、、Ｌｏ倍信号出力される。

Ｈｉ倍信号出力されると、コンパレータ４３はトランジ
スタＴｒｚのベースにＬｏ倍信号出力され、トランジス
タＴｒｓは導通状態になり、ヒーター４０に電流が流れ
、固体電解質１が加熱される。

一方、マ“イクロコンピュータ５からＬｏ倍信号出力さ
れると、コンパレーター４３はＨｊ倍信号出力し、トラ
ンジスタＴｒｚは非導通状態となり、ヒーター４０には
、電流が流れない。以上のようなハードによりヒーター
の制御が実行され、固体電解質１の温度は常に一定に制
御される。

第１８図には、ヒーターを制御する別の方法を示してい
る。この方法は、第１８図（ａ）に示したように、電流
ＩＰを流す期間１１　と、起電力Ｅを測定する期間ｔｅ
の他に、固体電解質１の内部抵抗ｒを一定値の電流値を
流すことにより測定するための期間ｔｈ　を新らたに設
ける方法である。第１８図（ｂ）に示したように、期間
ｔｈには、定電流ＩＨを流しこの時の端子電圧ＶＨＣを
検出することにより、内部抵抗ｒを測定する。この時、
第１８図（ｃ）に示したように、電流ＩＨは、酸素を拡
散抵抗体２内に送り込むような方向に流す。このため、
端子電圧ＶＨＯは、次のように表わされる。

Ｖｕｃ＝　ｒ　Ｉ　ｕ−−Ｅ　　　　　　　　　　　”
’　（１１）■□。ｏｃｒ　　　　　　　　　　　　　
　・・・（１２）（１２）式かられかるように、電圧Ｖ
ＨＣは、ＩＩ（ｓＥが既知のために、内部抵抗ｒの関数
となる。すＩなわち、この電圧Ｖｏｃを測定して一定値
になるようにヒーターを制御すれば、精度の高い温調が
可能となる。なお、第１８図（λ）、（ｂ）に示した実
線の特性は、λ〉１の場合のもので、一点鎖線の特性は
、λく１のものである。第１８図（ｂ）に示したように
、λ〈１の場合は、電流Ｉｐの方向はλ〉１とは反対方
向なので負の値で示した。

なお、期Ｉｖｌｔｈにおいて、電流ＩＨを第１８図（ｃ
）の方向に流すことは、排気側に酸素を送り込む方向な
ので、リッチ域において、固体電解質１を保護する意味
にもなる。

第１９図は、第１８図の動作を実現するための回路構成
である。マイクロコンピュータ−５のＡ端子からは、ｔ
４間だけＯＮする信号が出力され、Ｂ端子からは、ｔ８
間だけＯＮする信号が出力さく２５） れ、Ｃ端子からはｔｈ間だけＯＮする信号が出力される
。このため、ｔｈ間は、スイッチＳＷｇのみが導通状態
となる。このスイッチＳＷ８が導通すると、定電流源４
４から固体電解質１に定電流ＴＨが流れる。この時の端
子電圧Ｖｏｃを、コンデンサＣ８とバッファアンプＡ５
によりサンプルホールドする。このためスイッチＳＷａ
が非導通となった場合でも、バッファアンプＡδの出力
はＶｏｃのまま保持される。この出力ＶＨＣは、基準電
圧Ｖｒｅｘ　と比較され、Ｖ　Ｈｃ＞　Ｖ　ｖｅｘの場
合は、コンパレータ４５がＯＦＦ信号をトランジスタＴ
ｒ２のベースに出力し、トランジスタＴｒｚを導通状態
として、ヒーター４０に電流を流し、固体電解質１を加
熱する。一方、Ｖ　ＩＣ＜　Ｖ　ｒ　ｅ　ｘの場合は、
コンパレータ４５がＯＮ信号を出力するので、トランジ
スタＴｒｚは非導通となり、ヒーター４０に電流は流れ
なくなる。なお、このＶ　ｒ　ｅ　＊は、（１１）式に
より、設定したい内部抵抗ｒに対応する値を、あらかじ
め決定しておく。以上の方法により、固体電解質１の内
部抵抗ｒをモニターしなから、精度の高い温調が可能と
なる。

本発明の他の実施例の全体構成を第２０図により説明す
る。電位Ｖｐａの電圧源６４とバッファ・アンプ６５に
よりなるポテンシャルグランド回路８４により、アンプ
６５の出力電圧は回路グランドよりポテンシャルＶｐｏ
だけ高い一定値に保持される。この結果、多孔質状の拡
散抵抗体５４を介して、排ガス雰囲気と接触する電極５
３部の電位は常に回路グランドより高い値である故、ジ
ルコニア固体電解質５０中を動く。正・負のポンプ電流
Ｉｐの計測が可能になる。抵抗６６はポンプ電流Ｉｐの
検出抵抗であり、ＩＰを出力電圧ｅ。に変換して、バッ
ファ・アンプ６７およびコンデンサ６２からなる出力回
路８８よりエンジン制御用のマイコンへ送信する。

時分割信号発生器８５のパルス列Ａがオフ、Ｂがオンで
あるものとする。このとき、０ＭＯ８などからなるスイ
ッチ６８と６９はＯＦ　Ｆの状態になる。スイッチ６９
がＯＦＦになると、積分回路８７から電極５２へ供給さ
れる励起電圧はなくなる故、ジルコニア固体電解質５０
中を流れるポンプ電流ＩＰは強制的に零にされる。この
時、電極間の差電圧は起電力ｅλの成分のみである故、
これを抵抗７１〜７４及びアンプ７５からなる差動増幅
回路８９で検出する。この結果、オーム損過電圧の影響
を受けることなく、起電力θλを高い精度で検出できる
。スイッチ７６はＯＮ状態にあるので、差動増幅回路８
９で検出されたθλ値はすばやくコンデンサ７７とアン
プ７８からなるホールド回路８６へ転送される。このθ
λ値は、積分回路８７へ入力され基準電圧Ｅｒｅｘと比
較される。積分器回路８７の時定数τは抵抗７９とコン
デンサ８０の値から決まり、数〜数十ｍｓの値に設定さ
れる。また、基準電圧Ｅｒｅｚは０．３〜０．６　ボル
トの値に設定される。ｅｘ＜Ｅｒｅｘのとき、電極５２
へ印加される励起電圧が大きくなるように作用する。こ
れに対して、ｅｘ＞Ｅ−ｅｘのとき、励起電圧が小さく
なるように作用する。

次に、時分割信号発生器８５のパルス列Ａ及びＢが反転
すると、スイッチ６９はＯＮ状態になり、励起電圧が積
分回路８７より電極５２へ印される。

ｅｘ（Ｅｒｅｚのとき、励起電圧が大きくなる故、リー
ン状態のとき電極５３部の酸素を多く引き抜き、リッチ
状態のとき電極５３部へ供給する酸素を少なくするよう
に作用し、ｅｘがＥｒｅｚ　になるように励起電圧がフ
ィードバック制御される。

逆に、ｅｘ〉Ｅｒｅｉのとき、励起電圧が小さくなる故
、リーン状態のとき電極５３部の酸素を少なく引き抜き
、リッチ状態のとき電極５３部へ多くの酸素を供給する
ように作用し、同様にｅｘがＥｒｅｚになるように励起
電圧がフィードバック制御される。これらは、電気化学
的な０２ポンプ作用によって平衡状態にフィードバック
制御される。

なお、励起電圧がサンプルされないように、スイッチ７
６はＯＦＦ状態になる。逆に、スイッチ６８はＯＮ状態
になっており、検出抵抗６６によって検出されたポンプ
電流Ｉｐに対応した電圧がサンプルされて、コンデンサ
６２と、バッファ・アンプ６７からなる出力回路８８よ
り出力電圧Ｖｏｕｔ　として出力される。

このように、交互な繰返えすことによって、リッチ、理
論空燃比及びリーン領域の空燃比を連続的に検出するこ
とができる。

なお、起電力検出の時間は拡散抵抗体５４部におけるガ
スの拡散によって、起電力ｅλは少しずつ変化する故、
数ｍｓ以下にしなければならない。

また、限界電流値ＩＰが大きい値になるように、拡散抵
抗体５４を製作した場合、スイッチ６９が０ＭＯ８など
で構成されるとき、その内部抵抗によって生ずる電圧降
下が大きくなるので、トランジスタの如きスイッチが望
しい。このとき、両方向（正、負）の電流を流す必要が
あり、２つのトランジスタをペアに用い双方向の電流移
動を可能にしなければならない。

また、積分回路８７はゲインを適当に選んだ差動増幅器
で構成しても良い。

いずれにしても、第２０図の構成により両電極間に作用
する励起電圧は起電力ｅλより数倍大きくなっても、空
気過剰率λを高い精度で検出できた。

この結果、ジルコニア固体電解質５０の温度が低くても
（実験では６００℃以上）動作することにより、ヒータ
の電力が低減し、その耐久性が向上した。

なお、リッチ状態の環境に数十分から数時間と長い間、
連続的に本センサをおいた場合、電極５３部近傍のシリ
コニア固体電解質５０が局所的に電子伝導に移行するた
めか、出力特性にヒステリシスが発生した。このような
評価結果の一例を第２１図に示す。これは合成ガスを用
い、λ＝１．５　から空気過剰率λを一様な速度で小さ
くし、約１０分でλ＝０．７３　　まで低下させた。そ
して、λ＝０．７３　のリッチ雰囲気に約７０分間、連
続的に放置し、その後一様な速度でλを大きくし、約１
０分でλ＝１．５　まで上昇させたときのヒステリシス
特性を示したものである。図に示すように、出力電圧特
性にヒステリシス現象が生じた。

ヒステリシスの大きさは、リッチ雰囲気に放置する時間
が長い程、また放置するときのλ値が小さいほど、ヒス
テリシスが大きくなりやすい傾向があった。

実エンジンでも、運転状態によってはリッチ雰囲気に長
い間さらされることがあり得るので、このようにヒステ
リシス現象の発生は制御上、好ましくないことは言うま
でもない。

実験的なこのような傾向から基本的には、リッチ雰囲気
でシリコニア固体電解質５０に印加する励起電圧の時間
を少なくすれば良いことが予想される。この対策方法を
第２０図に示した回路構成へ適用することにした。

この対策方法を第２２図に示す。時分割信号発生器８５
を出力電圧Ｖ　ｏ　ｕ　ｔの大きさに応じて制御し、パ
ルス列Ａ及びＢを時々、区間Ｚで示すように休止させる
方法である。この結果、第２０図中のスイッチ６９が区
間２に応じて比較的長い間（数十〜数百ｍ５）ＯＦＦに
なり、この間ジルコニア固体電解質５０への励起電圧の
印加が停止される。区間２の長さはＶ　ｏ　ｕ　ｔ　が
小さいほど、即ちλ値が小さい程長くまた、そのひんど
を多くするのが効果的である。時々刻々の瞬時空気過剰
率の測定はある程度、ぎせいになるが、これは制御上の
アルゴリズムに工夫を施すことにより、実使用上問題が
ない程度まで制御精度を改善することが可能である。

次に、本検出装置をエンジンの空燃比制御を用いた場合
の、応用上の利点について説明する。

本検出装置は、拡散抵抗体２が目づまり等の原因により
、経時変化した場合には、出力も経時変化する。しかし
、λ＝１．０　においては、Ｉｐ＝０となるために、出
力Ｖｏｕｔは、Ｖｐｏとなる。つまり、この時は、Ｉｐ
を流していないために、拡散抵抗体２の状態に関係なく
、出力は常にＶｐｏとなる。つまり、λ＝１では、Ｉｐ
を流し酸素を移動させなくても、拡散抵抗体２内の酸素
濃度分布は常にＰｏ（Ｐｏ−ｉ−０）一定となる。これ
は、排気中の酸素濃度がすでにＰｏとなっているためで
ある。以上のように、λ＝１．０では、酸素の移動や拡
散がないために、拡散等抗体２が経時変化してもＶ　ｏ
　ｕ　ｔは常にＶｐｏ一定となる。

ここで、出力が経時変化したとしても、λ＝１．０　に
おける出力はＶｐｏのままである。つまり、本検出装置
においては、λ＝１．０　の空燃比は、従来の理論空燃
比を検出する酸素センサと同様の精度で測定できる。こ
のため、エンジンの制御空燃比を負荷によって変化させ
る場合、λ＝１．０に制御するときに、燃料噴射弁の噴
射量に加える補正量を決定する。

ここで噴射幅Ｔｐは、 Ｔｐ＝ＴＢ　（１＋Ｋｓ＋に２・・・・・・）　　　・
・・（１３）ここで、Ｋ１　：空燃比検出器による補正
係数に２以降：空燃比検出以外による補正 係数（例えば水温補正など） となる。λ＝１．０　において、Ｋ１を決定し、他の空
燃比へ制御する場合もこの補正係数に１を利用する。

以上により、精度の高い空燃比補正が可能となる。

以上説明した本発明の各実施例によれば、以下のような
効果がある。

（１）リーンからリッチまでの巾広い空燃比範囲にわた
って検出が可能となる。

（２）起電力Ｅλを検出し、このＥλが一定となるよう
に、励起電圧Ｖｐを制御している。したがって、第９図
、第１１図で説明したように、固体電解質の温度が低く
　（約６００℃）、内部インピーダンスが比較的大きい
場合でも、測定が可能である。したがって、ヒータの所
要電力を低下させることができ、センサ部分の耐久性も
向−ヒする。

（３）また、第１２図で説明したように、励起電圧Ｖｐ
を可変するため、空燃比が大きくなっても出力のゲイン
はかわることはない。

（４）リッチ領域で長く使用されると、固体電解質が電
子伝導性を帯び、出力特性にヒステリシスを生じるよう
になるが、このような場合にも、時分割タイプにあって
は、固体電解質中を流れる電流を零とすることにより、
電子伝導化を防止できる。

（５）固体電解質の内部抵抗値を用いて、ヒータへの通
電を制御することにより、固体電解質の温度を一定に保
ち、検出精度を上げられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、リーンからリッチまでの広範囲の空燃
比の検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いるセンサ部の一例の部分断面図
である。第２図は、本発明に用いるセンサ部の他の例の
部分断面図である。第３．４．５図は、本発明の原理説
明図である。第６図は、本発明の一実施例の概念図であ
り、第７〜１２図は、本発明の一実施例の動作および特
性説明図である。 第１３図は、本発明の−・実施例の構成図であり、第１
４図は、その実験結果図である。第１５〜１７図は、本
発明の他の実施例の説明図である。 第１８．１９図は、本発明のその他の実施例の説明図で
ある。第２０．２１図は、本発明のさらにその他の実施
例の説明図である。第２２図は、本発明のさらに、また
、その他の実施例の説明図である。 １．１．０，２０，５（１＝固体電解質、３ａ、３ｂ。 ２２．２３，５２．５３・・・電極、２，２４．５４・
・・拡散抵抗体、５・・・マイクロコンピュータ、６・
・・サンプルホールド回路、７・・・差動積分回路、８
・・出力回路、４・・・ポテンシャルグランド回路、４
０・・ヒータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．固体電解質と、この固体電解質表面に形成した第１
   および第２電極と、この第１電極上に形成されこの第一
   電極へのガスの拡散を律する拡散抵抗体と、検出回路か
   らなり、この検出回路は、第１の期間において、上記第
   １および第２電極間に発生する起電力を測定し、第２の
   期間において、この起電力が一定となるように、上記第
   １および第２電極間に印加する電圧を制御し、この時流
   れる電流を空燃比をあらわす信号として検出し、この第
   １と第２の期間を交互に繰り返すことを特徴とする空燃
   比検出装置。 ２．特許請求の範囲第１項記載の装置において、上記検
   出回路は、上記第１の期間に動作するサンプルホールド
   回路と、このサンプルホールド回路の出力を受け、この
   出力と基準値を比較し、その差の積分出力を第２の期間
   発生する回路とから構成されていることを特徴とする空
   燃比検出装置。３．特許請求の範囲第２項記載の装置に
   おいて、上記第１電極は、回路グランドより高電位のポ
   テンシヤルグランドに保たれていることを特徴とする空
   燃比検出装置。 ４．特許請求の範囲第１項記載の装置において、上記固
   体電解質の内部抵抗を検出し、この内部抵抗が一定値と
   なるように、固体電解質近傍に設けられたヒータへの通
   電を制御する手段を設けたことを特徴とする空燃比検出
   装置。 ５．特許請求の範囲第４項記載の装置において、上記内
   部抵抗の検出は、第１電極の電位、第２電極の電位、電
   流検出抵抗の抵抗値および制御されている起電力に基づ
   いてなされることを特徴とする空燃比検出装置。 ６．特許請求の範囲第５項記載の装置において、上記第
   １電極はポテンシヤルグランドに保持され、上記内部抵
   抗の検出は、さらに、このポテンシヤルグランドの電位
   に基づいてなされることを特徴とする空燃比検出装置。 ７．特許請求の範囲第４項記載の装置において、上記第
   １および第２電極間に一定電流を流し、この時の両電極
   間の電位により固体電解質の内部抵抗を検出することを
   特徴とする空燃比検出装置。 ８．　特許請求の範囲第１項記載の装置において、検出
   された空燃比に基づいて、特に、リツチ空燃比において
   、第１および第２電極間への電圧印加を時々休止するこ
   とを特徴とする空燃比検出装置。