JPS6236552A - 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
する酸素濃度検出装置に関する。

１夏１皿 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。例えば、酸素イオン導電性固体電解質
部材に１対の電極部材を設けて固体電解質部材の一方の
電極面が気体滞留室の一部をなしてその気体？＃ｉｌ密
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
界電流方式の酸素ｍｉｘ検出装置が特開ｆｉｌｌ（５２
−７２２８６号公報に開示されている。この酸素濃度検
出装置においては、酸素イオン導電性固体電解質部材と
１対の電極部材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１１度に比例した出力が得られる
酸素濃度検出装置としては２つの酸素イオン導電性固体
電解質部材に１対の電極部材を各々設けて２つの固体電
解質部材の一方の電極血合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
ようにした装置が特開昭５９−１９２９５５号に開示さ
れている。この酸素濃度検出装置においては一方の酸素
イオン導電性固体電解質部材と１対の電極部材とが酸素
濃度検出電池素子として作用し他方の酸素イオン導電性
固体電解質材と１対の電極部材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ヂ領域
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大
気室を設けて大気を導入する必要があり、また構成が相
当複雑になると共にコスト高になるという問題点があっ
た。

１１五見Ｉ そこで、本発明の目的は簡単な構成で空燃比がリーン及
びリッチ領域であっても高精度で酸素濃度に比例した出
力を得ることができる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２つの酸素イオン導電性固
体電解質部材と、該２つの酸素イオン導電性固体電解質
部材の一方に設けられた２対の電極部材と、他方の酸素
イオン導電性固体電解質部材に設けられたヒータ素子を
含み、２対の電極部材各々の一方を含む一方の酸素イオ
ン導電性固体電解質部材の一部が被測定気体導入孔に連
通した気体滞留室を形成し、一方の酸素イオン導電性固
体電解質部材と２対の電極部材とが２つの酸素ポンプ素
子として作用することを特徴としている。

犬−盈一贋 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図に示した本発明の一実施例たる酸素濃度検出装置
においては、１対の平板状の酸素イオン導電性固体電解
質部材１．２が設けられている。

酸素イオン導電性固体電解質部材１．２間には平行に保
つためにスペーサ３が設けられ、また図示しない部材に
よって気体滞留室として間隙室４が形成されている。酸
素イオンＳ電性固体電解質部材１，２の一端間には間隙
室４内に被測定気体の排気ガスを導入する導入孔５がオ
リフィス６によって形成されている。導入孔５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間隙
室４内に流入し易いように位置される。酸素イオン導電
性固体電解質部材１には２対の電極部材７ａ。

７ｂ、８ａ、８ｂが固着されている。電極部材７ａ、８
ａＧ、を間隙室４内に位置している。酸素イオン導電性
固体電解質部材１及び電極部材７ａ、７ｂが駆動酸素ポ
ンプ素子９として、また酸素イオン導電性固体電解質部
材１及び電極部材８ａ、８ｂが酸素検出ポンプ素子１０
として作用するようになっている。酸素イオン導電性固
体電解質部材２の間隙室４とは反対側の面にはヒータ素
子１１が設けられている。

駆動酸素ポンプ素子９及び酸素検出ポンプ素子１０には
電流供給回路１２から電流が供給される。

第２図に示すように電流供給回路１２はオペアンプ１３
．抵抗１４ないし１８．ツェナーダイオード１９及び誤
差増幅器２０からなる。オペアンプ１３の出力端は抵抗
１４を介して電極部材７ａ。

８ａに接続されると共にオペアンプ１３の反転入力端に
接続されている。またこの接続ラインにはツェナーダイ
オード１９のカソードが接続され、ツェナーダイオード
１９のアノードには電圧ＶＣＣが抵抗１８を介して供給
される。オペアンプ１３の非反転入力端には抵抗１５．
１６による電圧ＶＣＣの分圧電圧Ｖｃｃ／２が供給され
る。電極部材８ｂには電圧ＶＣＣが抵抗１７を介して供
給される。

誤差増幅器２０の一方の入力端は電極部材８ｂが接続さ
れ、他方の入力端は抵抗１８とツェナーダイオード１９
との接続ラインに接続されている。

誤差増幅器２０の出力端は電極部材７ｂに接続されてい
る。

かかる構成の本発明による酸素濃度検出装置においては
、ヒータ素子１１には電流が図示しないと−タ電流供給
回路から供給されてヒータ素子１１が発熱して駆動酸素
ポンプ素子９及び酸素検出ポンプ素子１０を排気ガスよ
り高い適温に加熱する。

駆動酸素ポンプ素子９及び酸素検出ポンプ素子１０の一
方の電極（電極部材７ａ、８ａ）にはオペアンプ１３に
よって電圧Ｖｃｃ／２が印加される。

オペアンプ１３の出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖ　ＣＣ／　
２に抵抗１４の端子電圧を加算した電圧であり、抵抗１
４には駆動酸素ポンプ素子９の電極間を流れる電流ｔｏ
と酸素検出ポンプ素子１０の電極間を流れる電流ｔｓと
の和電流が流れる。よって、抵抗１４の抵抗値をＲｓと
すると、出力電圧ｙｏｕｔはＶＣＣ／２＋（ｔｏ＋ｔｓ
＞Ｒｓとなる。

一方、酸素検出ポンプ素子１０の電極間電圧をＶ　Ｓ　
Ｍ抵抗１７の抵抗値をＲｒとすると、酸素検出ポンプ素
子１０の電極間を流れる電流ｉｓは（Ｖｃｃ／２−Ｖｓ
　）／Ｒｒとなる。電流ｊｓは酸素検出ポンプ素子１０
の他方の電極（電極部材８ｂ）から一方の電極に向って
流れるので間隙室４内の酸素がイオン化して酸素検出ポ
ンプ素子１０内を移動して他方の電極から酸素ガスとし
て放出され、間隙室４内の酸素が汲み出される。酸素検
出ポンプ素子１０の電極間電圧Ｖｓとツェナーダイオー
ド１９のツェナー電圧Ｖｚとの差電圧に比例した電圧Ｖ
１　（０〜ＶＣＣ）が誤差増幅器２０から出力され、駆
動酸素ポンプ素子９の電極間にはＶｃｃ／２−Ｖ＋が印
加され、駆動酸素ポンプ素子９の電極間を電流６ｏが流
れる。エンジンへの供給混合気の空燃比が理論空燃比の
ときには酸素検出ポンプ素子１０によって汲み出された
酸素量と同一量が駆動酸素ポンプ素子９によって外部か
ら間隙室４内に汲み込まれる。このとき、駆動酸素ポン
プ素子９には電流ｔｏが一方の電極から他方の電極（電
極部材７ｂ）に向って流れ、電流ｔ。

と電流ｉｓとは大きさが同一で方向が反対になるように
設定されるのでｊｏ＋ｔｓ＝ｏとなり電圧Ｖｓが所定の
基準電圧（例えば、０．５Ｖ）に制御される。

次に、リーン領域の空燃比のときには間隙室４に導入孔
５から流れ込む酸素量が増加するので酸素検出ポンプ素
子１ｏは酸素汲み出し量を増やそうと作動する。酸素検
出ポンプ素子１０の電極間の電流ｔｓの増加により電圧
Ｖｓが低下して誤差増幅器２０の出力電圧Ｖ１が上昇す
る。電圧■１の上昇により駆動酸素ポンプ素子９の電極
電圧Ｖｃｃ／　２−　Ｖ　＋が低下し、電流ｔｏが減少
するので駆動酸素ポンプ素子９による間隙室′４内への
酸素の汲み込み量は減少する。更に空燃比がリーンとな
ると電流ｉｏの流れる方向が反転して駆動酸素ポンプ素
子９の他方の電極から一方の電極に向って流れ、駆動酸
素ポンプ素子９は間隙室４内の空気を外部に汲み出す。

よって、酸素検出ポンプ素子１０による酸素汲み出し量
は増加せずに一定に保たれるので酸素検出ポンプ素子１
０の内部抵抗が一定になる。すなわち、電流ｊｓは空燃
比が理論空燃比のときの値に維持されるのでｔＤ＋ｔｓ
〉０となり、ｊｏ＋：ｓ＄、ｔｌｌ！！素濃度に比例す
るのである。

次いで、リッチ領域の空燃比のときには間隙室４に導入
孔５から流れ込む一酸化炭素吊が増加するので間隙室４
内の酸素と反応して二酸化炭素となり、間隙室４内の酸
素を消費する。この消費された酸素量に応じて酸素検出
ポンプ素子１０の電極間の電流ｔｓの減少し電圧Ｖｓが
上昇して誤差増幅器２０の出力電圧ｖ１が低下する。電
圧Ｖ１の低下により駆動酸素ポンプ素子９の電極電圧■
ｃｃ／２−Ｖ＋が上昇し、電流ｔｏが増加するので駆動
酸素ポンプ素子９による間隙室４内への酸素の汲み込み
量は理論空燃比時よりも増加する。よって、間隙室４内
の酸素量が理論空燃比のときに等しい最になり酸素検出
ポンプ素子１０による酸素汲み出し量が減少せずに一定
に保たれるように制御されるので酸素検出ポンプ素子１
０の内部抵抗が一定になる。すなわち、電流ｉｓは空燃
比が理論空燃比のときの値に維持されるのでｔｏ＋ｔｓ
＜Ｏとなり、ｊｏ＋ｊｓは酸素濃度に比例するのである
。

かかる本発明による酸素濃度検出装置においては、酸素
検出ポンプ素子１０による酸素汲み出し量が常に一定に
なるように駆動酸素ポンプ素子９が酸素を外部に汲み出
し又は外部から汲み込んで間隙至４内の酸素濃度を常に
一定するフィードバック制御が行なわれている。故に、
酸素検出ポンプ素子１０の電極間電圧Ｖｓ及び電流ｉｓ
は常に一定に制御されるのでリーン及びリッチ領域にお
いてＣＯ＋ｔＳが第３図に示すように酸素濃度（１４，
７は理論空燃比）に比例するのである。

この酸素濃度検出出力は上記したオペアンプ１３の出力
電圧ｖｏｕｔから電圧として得ることができる。

なお、酸素イオン導電性固体電解質部材は一般に等方向
性であるので駆動酸素ポンプ素子９と酸素検出ポンプ素
子１０との間で電流が相互に若干リークしてしまう。し
かしながら、この各リーク電流は電流ｔｏ１ｉｓに等し
くかつ互いに符号が反対であるので酸素濃度検出電流ｉ
　Ｄ　−１−ｔ　ｓに悪影響を及ぼすことはない。

１肚度豆呈 以上の如く、本発明の酸Ｘ）Ｆ度検出装置においては、
一方の酸素イオン導電性固体電解質部材に２対の電極部
材が設けられ、他方の酸素イオン導電性固体電解質部材
にヒータ素子が設けられ、２対の電極部科名々の一方を
含む前記酸素イオン導電性固体電解質部材の一部が被測
定気体導入孔に連通した気＃滞留室を形成している。一
方の酸素イオン導電性固体電解質部材と２対の電極部材
とが２つの酸素ポンプ素子として作用し、一方の酸素ポ
ンプ素子が酸素を外部から汲み込み又は外部に汲み出し
て他方の酸素ポンプ素子が常に一定間の酸素を気体滞留
室から外部に汲み出すように制御されるので各酸素ポン
プ素子の電極間に流れる電流値の加算値を検出すること
によりリーン及びリッチ領域の空燃比においても排気ガ
ス中の酸素濃度に比例した出力を高精度で得ることがで
きる。

また本発明の酸素濃度検出装置は構成が簡単であるので
小型となり、また低コストである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図は電流供
給回路を示す回路図、第３図は第１図の装置の出力特性
を示す図である。 主要部分の符号の説明 １．２・・・・・・酸素イオン導電性固体電解質部材４
・・・・・・間隙至 ５・・・・・・導入孔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２つの酸素イオン導電性固体電解質部材と、該２つの酸
   素イオン導電性固体電解質部材の一方に設けられた２対
   の電極部材と、他方の酸素イオン導電性固体電解質部材
   に設けられたヒータ素子を含み、前記２対の電極部材各
   々の一方を含む前記一方の酸素イオン導電性固体電解質
   部材の一部が被測定気体導入孔に連通した気体滞留室を
   形成し、前記一方の酸素イオン導電性固体電解質部材と
   ２対の電極部材とが２つの酸素ポンプ素子として作用す
   ることを特徴とする酸素濃度検出装置。