JPS623657A - 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】 炎亙立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Ｍｉｄ度検出装２にＰＡする。

背景技術 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！ＩＩ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ｒ：は、一対の平板状
の酸素イオン導電性固体電解質材を有づ゛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、他方が酸
素ａ文化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
の気体との間に酸素濃度差が生ずるので酸素ポンプ索子
への供給電流が一定値であれば電池素子の電極間にその
酸素Ｓ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。

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づる。

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、酸素ボ、ンブ索子への過剰電
流供給によりＺｒ０ｚ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
ポンプ索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酸素ポンプ索子への供
給電流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供給電流との関係特性
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
Ｐｉ　Ｖ　ｓから酸素ポンプ素子への供給電流がブラッ
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が所定電圧以上二に上界
したとぎには酸素ポンプ素子への供給電流がブラックニ
ング現象発生領域に近い値になるとして該供給電流を減
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。

一方、排気ガス中の酸素濃度を検出する場合、エンジン
に供給する混合気の空燃比が理論空燃比（１４，７）付
近であるときには電圧Ｖｓが第２図に示すように激しく
変動して非常に不安定となり、正常検出時の電圧レベル
より低下する。しかしながら、空燃比が理論空燃比付近
であるときのブラックニング現象発生境界値は小さいの
で酸素ポンプ索子への供給電流値がブラックニング現粂
発生境界値以上となってブラックニング現象を発生ずる
ことがあるという問題点があった。

ｌ旦立且１ そこで、本発明の目的は酸素濃度検出器の電池素子のＮ
極間に発生する電圧が激しく変動する場合のブラックニ
ング現象の発生を防止す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検出装置は電池素子の電極間に発
生した電圧の交流成分を検出してその交流成分ピーク電
圧が所定電圧以上であるときには酸素ポンプ素子の電極
間への電流供給を停止することを特徴としている。

火−」Ｌ−１ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第３図は本発明による酸素濃度比例電圧検出方式の酸素
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。酸素ポンプ索子１
及び電池索子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。

また酸素ポンプ索子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１
３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ている。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ＶＢ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の引き出し線７ａはア
ースされ、外側電極板８の引ぎ出し線８ａはフィルタ回
路１９を介して正負二電源型増幅器２２に接続されてい
る。フィルタ回路１つは抵抗２０．コンデンサ２１から
なり、電池素子２の電極板７，８間に発生した電圧信号
のノイズ成分を除去するようになっている。正負二電源
型増幅器２２はオペアンプ２３及び抵抗２４．’２５か
らなる。増幅器２２の出力端には交流増幅器４６が接続
されると共にオペアンプ２６．１１！抗２７ないし２９
．可変抵抗器３０及びダイオード３１からなる非反転増
幅器３２を介して空燃比制御回路３３のＶｓ−入力端に
接続されている。空燃比制御回路３３のＩｃ１ＩｉＩＩ
御出力端にはＤ／Ａ変換器３４が接続され、Ｄ／Ａ変換
器３４は空燃比制御回路３３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３４の出力端にはオペアンプからなる電圧ホロワ
回路３５を介して積分回路３６が接続されている。積分
回路３６は抵抗３７．３８及びコンデン１す３９からな
り、その出力電圧がオペアンプ１２の非反転入力端に供
給されるようになっている。

交流増幅器４６はオペアンプ４７．抵抗４８ないし５１
．コンデンサ５２．ダイオード５３及び可変抵抗器４５
からなり、抵抗４８．４９はバイアス電圧を定めている
。交流増幅器４６の出力端にはダイオード５４．コンデ
ンサ５５及び抵抗５６からなるピークホールド回路５７
を介して比較器５８が接続されている。比較器５８はオ
ペアンプ５９．抵抗６０．６１及び可変抵抗器６２から
なり、ピークホールド回路５７の出力電圧が抵抗６０．
６１及び可変抵抗器６２による電圧ＶＣｃの分圧電圧よ
り大のときオペアンプ５９の出力レベルが高レベルにな
るようになっている。オペアンプ５９の出力端はフリッ
プフロップ６３のＳ入力端に接続されており、またフリ
ップフロップ６３のＱ出力端は空燃比制御回路３３のＦ
ｏ入力端に接続され、Ｒ入力端は空燃比制御回路３３の
ＦＲ出力端に接続されている。

また非反転増幅器３２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．
抵抗４２．４３．ダイオード４４及びリミッタ基準電圧
発生器４５からなる。オペアンプ４１の反転入力端はリ
ミッタ基準電圧発生器４５の出力端に接続され、非反転
入力端は非反転増幅器３２の出力端に接続されている。

オペアンプ４１は非反転増幅器３２の出力電圧とリミッ
タ基準電圧発生器４５から出力されるリミッタ基準電圧
ＶＬとの差電圧に応じた電圧を抵抗４３゜ダイオード４
４を順方向に介してオペアンプ１２の反転入力端に供給
するようになっている。

空燃比制御回路３３は上記したＩＣ，ＦＲ出力端、Ｖｓ
　＋、Ｆｏ入力端の他にＡ／Ｆ駆動端を有し、Ａ／［駆
動端には２次空気供給調整用の電磁弁６４に接続されて
いる。電磁弁６４はエンジンの気化器絞り弁下流の吸気
通路に連通する吸気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３３のＩｃ出力
端からディジタル信号がＤ／Ａ変換器３４に出力される
と、Ｄ／Ａ変換器３４によってディジタル信号が電圧に
変換され、そして電圧ホロワ回路３５を介して積分回路
３６に供給される。

積分回路３６の出力電圧は抵抗３７．３８及びコンデン
サ３９よる積分時定数によって徐々に上昇してＤ／Ａ変
換器３４の出力電圧の抵抗３７．３８による分圧電圧に
達すると安定する。この分圧電圧は基準電圧Ｖｒ’＋　
とじてオペアンプ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間を流れるポンプ電流値Ｉρは抵抗１６の端子電圧Ｖ
ｐによって検出され、その端子電圧Ｖｐ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Ｖｐ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１
３のベース電流を増加ざＶるのでポンプ電流１ｐが増大
し、端子電圧Ｖρ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低
下する。

この動作が高速で繰り返されるのでポンプ電流ＩＰは基
ｒ￥、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はフィルタ回路１９そして正負二電源増幅
器２２を介して非反転増幅器３２に供給される。非反転
増幅器３２はフィルタ回路１９の出力電圧を電圧増幅し
て空燃比制御回路３３のＶｓ′入力端に供給する。

次いで、電池素子２の電極板７．８間の電圧ＶＳの上昇
により非反転増幅器３２の出力電圧Ｖｓ−が上讐してリ
ミッタ基準電圧ｖしを越えると出力電圧Ｖｓ＝とリミッ
タ基＊　ＮＩｆ　Ｖ　Ｌとの差電圧に応じた電圧が端子
電圧Ｖｐより高くなるのでオペアンプ４１から抵抗４３
．ダイオード４４．抵抗１７そして抵抗１６を介して電
流が流れてオペアンプ１２の反転入力端の電圧を基準電
圧Ｖｒ＋よりＬ昇させる。よって、オペアンプ１２の出
力電圧が低下してトランジスタ１３のベース電流が減少
するので酸素ポンプ素子１のポンプ電流ｒρも減少する
のである。リミッタ基準電圧ＶＬは基準電圧■ｒ２より
若干高く設定されているので非反転増幅器３２の出力電
圧Ｖｓ”がリミッタ基準電圧ＶＬに達するとブラックニ
ング現象発生領域に接近したことを表わす。ｖｓ−＞ｖ
Ｌでは空燃比がリッチであるほどオペアンプ４１の出力
電圧が高くなりポンプ電流Ｉｐを減少せしめてブラック
ニング現象の発生が防止されるのである。

正負二電源増幅器２２の出力電圧の交流成分は交流増幅
器４６によって増幅されてピークホールド回路５７に供
給される。ピークホールド回路５７は交流増幅器４６の
出力電圧のビー２レベルを検出して出力する。通常の空
燃比制御範囲（例えば、１６〜１８）において電圧Ｖｓ
の交流成分は１）−１）　１０　（ｍＶ）以下であるの
でピークホールド回路５７の出力電圧は抵抗６０．６１
及び可変抵抗器６２による分圧電圧Ｖｌ”３より小とな
り、オペアンプ５９の出力レベルが低レベルとなる。一
方、供給混合気の空燃比が理論空燃比付近の値であると
きには第２図の如く電圧Ｖｓが上下に変動して不安定に
なる。このときの電圧Ｖｓの交流成分は叶ｐ　２０　（
ｍＶ）以上であるのでピークホールド回路５７によって
検出されたピークレベルが電圧Ｖｒｘより大になる。よ
って、オペアンプ５９の出力レベルが高レベルになり、
フリップフロップ６３がセットされるのでフリップフロ
ップ６３のＱ出力端が高レベルとなる。この高レベルが
電圧変動検出信号として空燃比制御回路３３に供給され
る。

空燃比制御回路３３はエンジン回転に同期して次の如く
動作する。第４図に示すように先ず、電圧変動検出信号
が発生しているか否かが判別される（ステップ７１）。

電圧変動検出信号が発生しているならば、ポンプ電流Ｉ
ｐの供給を停止すべく基準電圧Ｖｒ＋を０（Ｖ）にする
ようにＩｃ制御出力端から出力されるディジタル信号の
内容が例えば、”　ｏ　ｏ　ｏ　ｏ　”に変更される（
ステップ７２）。基準電圧Ｖ　ｒ　＋を０〔ｖ〕にする
とオペアンプ１２の出力レベルが低レベルとなるのでト
ランジスタ１３がオフになり、酸木ポンプ素子１の電極
板５．６間にポンプ電流が流れなくなる。空燃比制御回
路３３はステップ７２の実行後、２次空気のエンジンへ
の供給を停止するために電磁弁６４の開弁駆動を停止す
る（ステップ７３）。一方、電圧変動検出信号が発生し
ていないならば、ポンプ電流１ｐを供給するためにディ
ジタル信号が予め定められた酸素濃度検出用の値にされ
（ステップ７４）、非反転増幅器３２の出力電圧Ｖｓ−
が基準電圧Ｖｒｚより犬であるか否かが判別される（ス
テップ７５）、Ｖｓ　＝＞Ｖｒ２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空燃比制
御回路３３は電磁弁６４を開弁駆動して２次空気をエン
ジンに供給せしめる（ステップ７６）。Ｖｓ−≦Ｖｒ２
ならば、供給混合気の空燃比がリーンであるとしてステ
ップ７３が実行さ゛れて２次空気のエンジンへの供給が
停止される。ステップ７３又は７６の実行後、空燃比制
御回路３３は出力端ＦＲからリセット信号を発生してフ
リップ７０ツブ６３をリセットさせる（ステップ７７）
。

なお、上記した本発明の実施例においては、電圧変動検
出信号の発生時にはディジタル信号の内容を変更するこ
とによりポンプ電流の供給が停止されるが、これに限ら
ず、例えばオペアンプ１２の非反転入力端の電圧を強制
的にＯ（Ｖ）にするようにしても良いのである。

１旦五ｌ］ 以上の如く、本発明の酸素濃度検出装置においでは、酸
素濃度検出器の電池素子の電極間に発生した電圧の交流
成分を検出してその交流成分のピーク電圧が所定電圧以
Ｆであるときには酸素ポンプ素子への電流供給が停止さ
れる。よって、エンジン排気ガス中の酸素濃度を検出す
る場合に供給混合気の空燃比が理論空燃比付近であるた
めに電池素子に発生した電圧が激しく変動してら酸素ポ
ンプ素子への電流供給停止により酸素ポンプ素子に過剰
電流が流れることが回避されるのでブラックニング現象
の発生を防止することができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素温度−ボンブ電流特性及びブラックニング
現象発生領域を示す図、第２図は電圧■Ｓの変動を示す
波形図、第３図は本発明による酸素濃度検出装置を適用
した空燃圧制ｗＪ装置を示す回路図、第４図は第３図に
示した装置中の空燃比制御回路の動作を示すフロー図で
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 ５ないし８・・・・・・電極板 １１・・・・・・定電流回路 ２２・・・・・・正負二電源型増幅器 ３２・・・・・・非反転増幅器 ４０・・・・・・リミッタ回路 ４６・・・・・・交流増幅器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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
   とを含み、前記電池素子の電極間に発生した電圧を酸素
   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
   、前記電流供給手段は前記電池素子の電極間に発生した
   電圧の交流成分を検出してその交流成分のピーク電圧が
   所定電圧以上であるときには前記酸素ポンプ素子の電極
   間への電流供給を停止することを特徴とする酸素濃度検
   出装置。
2. （２）前記電流供給手段は前記電池素子の電極間に発生
   した電圧を増幅する正負二電源型増幅器と、該正負二電
   源型増幅器の出力電圧の交流成分を抽出する交流増幅器
   と、該交流増幅器の出力電圧のピーク値を検出するピー
   クホールド回路と、該ピークホールド回路の出力電圧と
   所定電圧とを比較する比較手段とを有することを特徴す
   る特許請求の範囲第１項記載の酸素濃度検出装置。