JPS6276446A - 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】 １五上１ 本発明は内燃エンジンの排気ガス中の酸素濃度を検出す
る酸素濃度センサの制御方法に関する。

九旦且Ｉ 内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善等のために排気
ガス中の酸素濃度を酸素濃度センサによって検出し、こ
の検出レベル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センサ
としてエンジンに供給する混合気の空燃比が理論空燃比
より大なる領域において排気ガス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５８−１５３１
５５号）。かかる酸素濃度センサにおいては、一対の平
板状の酸素イオン伝導性固体電解質部材を有する酸素濃
度検出器が設けられている。その固体電解質部材は排気
ガス中に配置されるようになされ、固体電解質部材の各
表裏面には電極が各々形成さ゛れかつ固体電解質部材が
所定の間隙部を介して対向するように平行に配置されて
いる。固体電解質部材の一方が酸素ポンプ素子として、
他方が酸素Ｐｆ３度比測定用電池素子として作用するよ
うになっている。排気ガス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
ので電池素子の電極間に電圧が発生する。この電圧を一
定値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、定温においてそのポンプ電流値が排
気ガス中の酸素濃度にほぼ比例することになり、酸素率
濃度検出値として出力される。この酸素ポンプ素子に供
給されるポンプ電流値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、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に制御される
。− かかる酸素濃度センサにおいては、酸素ポンプ素子に過
剰の電流を供給すると、固体電解質部材から酸素を奪う
ブラックニング現象が発生する。

例λ゛ば、固体電解質部材としてＺｒＯ２（二酸化ジル
コニウム）が用いられた場合、酸素ポンプ素子への過剰
電流供給によりＺｒＯ２から酸素ｏ２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センサとして
の性能を悪化させる原因となる。

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値１ｐ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
。ブラックニング現象を防止するためには酸素ポンプ素
子への供給電流を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。

また、かかる酸素濃度センサにおいては、酸素濃度に比
例した出力特性を得るためには定常運転時の排気ガス温
度より十分高い温度（例えば、６５０℃以上）にする必
要がある。よって、酸素ポンプ素子及び電池素子を加熱
するためにヒータからなる加熱素子が内臓され、酸素濃
度測定時には加熱素子に電流が供給され加熱素子が発熱
するようになっている。

ところで、エンジン低温時、高地運転時、高負荷時等に
は酸素濃度センサの出力レベルに応じた空燃比フィード
バック制御が停止される。このフィードバック制御停止
時には加熱素子へのヒータ電流の供給及び酸素ポンプ素
子へのポンプ電流の供給が停止されることが通常である
。またエンジン停止時には加熱素子の劣化を防止するた
めにヒータ電流の供給が停止されている。よって、空燃
比フィードバック制御停止状態がら空燃比フィードバッ
ク制御を再開する際に加熱素子にヒータ電流を、また酸
素ポンプ素子にポンプ電流を各々供給してからポンプ電
流値、すなわち酸素濃度センサの出力レベルに応じて空
燃比判別が行なわれる。

しかしながら、加熱素子にヒータ電流の供給を開始する
と同時に酸素ポンプ素子にポンプ電流の供給を開始して
も直ちに酸素ポンプ素子及び電池素子の温度が所定の出
力特性を得ることが可能な温度まで上昇しないので空燃
比フィードバック制御開始直後等のヒータ電流供給開始
直後には酸素濃度センサから正確な酸素濃度検出出力が
得られず空燃比を誤判別するという問題点が考えられる
。

ｌ且二且Ｉ そこで、本発明の目的は、ヒータ電流供給開始直後の空
燃比誤判別を防止することができる酸素濃度センナの制
御方法を提供することである。

本発明の酸素濃度センサの制御方法は加熱素子へのヒー
タ電流供給開始から所定時間経過後に酸素ポンプ素子の
電極間へのポンプ電流供給を開始することを特徴として
いる。

災−」Ｌ−丘 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第２図に示すように酸素濃度センサー２０は一端部にリ
ード線取出口１が設けられたハウジング２を有しており
、該ハウジング２の他端部に酸素濃度検出素子３が取り
付けられている。酸素濃度検出素子３は円筒状に形成さ
れた保護部材１７によった囲繞され、保護部材１７の−
・端部においてハウジング２の先端部に嵌着されている
。保護部材１７には周方向において等間隔に例えば４つ
ずつの排気ガス通過孔１７ａが形成されている。なお、
図中のＡ−Ａ線より左の部分がエンジン排気マニホール
ドく図示せず）内に位置する。

第３図に示されるように酸素濃度検出素子３は互いに平
行にされた一対の長手平板状素子４，５を有し、その両
側に板状加熱素子６，７が付着されている。第４図及び
第５図から明らかなように、素子４，５は互いの主面が
対向するように平行に配置され、かつ各長手方向におけ
る一端部間に間隙部８を設けて他端部にてスペーサ９を
介して結合されている。一方の素子４は酸素ポンプ素子
であり、その主体は酸素イオン伝導性固体電解質の焼結
体からなる。酸素ポンプ素子４の−・端部４ａにはその
表裏面の相対する位置に多孔質の耐熱金属からなる正方
形状の電極層１１．１２が各々設けられている。一方の
電極層１１には耐熱金属からなり素子４の他端部４ｂま
で直線的に伸長する引き出し線１１ａが接続されている
。なお、引き出し線１１ａは正方形状ＷＭ層１１の角部
に接続されている。同様に、他方の電極層１２にも酸素
ポンプ素子４の他端部４ｂに直線的に達する引き出し線
１２ａが接続されている。ただし、この引き出し線１２
ａは正方形状′ｉ：Ｉ３極層１２の角部のうち、上記引
き出し線１１ａが接続した電極層１１の角部に対応しな
い方の角部に接続している。引き出し線１２ａは素子４
の他端部４ｂにおいて素子４の表裏を貫通しているスル
ーホール４Ｃを通じてその反対側の取り出し部１２ｂに
接続されている。また、引き出し線１１ａは他端部４ｂ
に形成された取り出し部１１ｂに接続されている。すな
わち、素子４の一方の主面に電極層１１．１２の各取り
出し部１１ｂ、１２ｂが配置されているのである。

他方の素子５は酸素濃度比測定用電池素子であり、酸素
ポンプ素子４と同様にその主体は酸素イオン伝導性固体
電解質の焼結体からなる。この電池素子５は酸素ポンプ
素子４と同様に構成されており、その表裏面に正方形状
の電極層１３．１４並びに引き出し線（１３ａ）、１４
ａを有し、電極層１３が設けられた主面に取り出し部（
１３ｂ）、１４ｂが形成されている。なお、引き出し線
１４ａと取り出し部１４ｂはスルーホール５Ｃを通じて
接続されている。

上記した素子４，５の主体をなす酸素イオン伝導性固体
電解質として使用される代表的なものはジルコニアのイ
ツトリア或いはカルシア等の固容体であるが、その他、
二酸化セリウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウム等
の各固容体が使用可能である。また、電極層１１ないし
１４、引き出し線１１ａないし１４ａ１取り出し部１１
ｂないし１４ｂとしては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ等が使用さ
れ、具体的にはこれらの金属をフレーム溶射、化学メッ
キあるいは蒸着等の各方法を用いて被着形成する。

ここで、第３図に示される板状の加熱素子６゜７につい
”て説明する。

加熱素子６．７の主体は上述した素子４，５よりも少し
長手方向の寸法が小さい長方形のアルミナ、スピネル等
の絶縁性無機質板状体からなる。

加熱素子６の一端部には上記素子４上の電極層１１の位
置及び形状に適合させた開口部６ａが形成されている。

加熱素子６にはこの開口部６−ａの周囲にヒータ線６ｂ
が波状に配設され、かつ該加熱素子６の他端部に形成さ
れた取り出し部６Ｃに引き出し線６ｄを介して電気的に
接続されている。

なお、ヒータ線６ｂ、取り出し部６Ｃ及び引き出し線６
ｄはｐｔ等の耐熱金属よりなる。また図示されてはいな
いが、他方の加熱素子７にも加熱素子６と同様の開口部
、ヒータ線（７ｂ）等が設けられている。

次いで、上記した構成の酸素濃度センサ２０による酸素
濃度検出状況を説明する。

酸素ポンプ素子４の外側電極層１１が正極になるように
電極層１１．１２間にポンプ電流が供給されることによ
り酸素ポンプ素子４の固体電解質内を酸素イオンが内側
電極層１２から外側電極層１１へ移動し、酸素ポンプ素
子４と電池素子５との間の間隙部８に存在する酸素が酸
素ポンプ素子４の外側に汲み出される。

上記の如く間隙部８から酸素が汲み出されると、電池素
子５の外側、すなわち排気ガスと間隙部８内の気体との
間に酸素濃度差が生ずる。この酸素濃度差により電池素
子５の電極層１３．１４間に電圧が発生する。この電圧
は酸素濃度センサ３０にその間隙部８の３方向開口部か
ら自由に流入する酸素量と、酸素ポンプ素子４により間
隙部８から外側に汲み出される酸素量とが平衡状態に達
した時点で一定となる。

そして、この発生電圧を一定値に維持するようにポンプ
電流値１ｐを制御することにより、定温においてその電
流値ｉｐは排気ガス中の酸素濃度にほぼ比例することに
なる。

加熱素子６，７はその取り出し部６．ｃ、（７ｃ）の各
間にヒータ電流供給回路４５がヒータ電流を供給するこ
とによって引き出し線６ｄ、（７ｄ）を介してヒータ線
６ｂ、（７ｂ）に通電され、ヒータ線６ｂ、（７ｂ）が
発熱して酸素濃度検出素子３を加熱する。

第６図は本発明による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、酸素ポンプ素
子４の電極層１１．１２間には電流供給回路２１によっ
て電流が供給される。電流供給回路２１はオペアンプ２
２．ＮＰＮトランジスタ２３及び抵抗２４．２５からな
る。副ベアンブ２２の出力端は抵抗２４を介してトラン
ジスタ２３のベースに接続されている。またトランジス
タ２３のエミッタは抵抗２５を介してアースされている
。抵抗２５は酸素ポンプ素子４の電極層１１゜１２間を
流れるポンプ電流値１ｐを検出するために設けられてお
り、その端子電圧がポンプ電流値Ｉｐとして制御回路３
１のＩｐ入力端に供給される。トランジスタ２３のコレ
クタは酸素ポンプ素子４の内側電極層１２に引き出し線
１２ａを介して接続され、外側電極層１１には電圧Ｖｅ
が引き出し線１１ａを介して供給されるようになってい
る。

一方、電池素子５の内側電極層１４は引き出し線１４ａ
を介してアースされ、外側電極層１３は引き出し線１３
ａを介してオペアンプ２６．抵抗２７ないし２９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３
０の出力端はオペアンプ２２の反転入ツノ端に接続され
ている。制御回路３１のＩｃＩＩＩｔｌｌ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Ｖｓ値指令デー
タに応じた電圧を発生する。Ｄ／Ａ変換器３２の出力端
はオペアンプからなる電圧ホロワ回路３３、そして抵抗
３４を介してオペアンプ２２の非反転入力端に接続され
ている。

制御回路３１は好ましくはマイクロコンピュータからな
り、上記したＩｃ出力端、Ｉｐ入力端の伯にＡ／Ｆ駆動
端及びＩｔ−ＩＥ出力端を有し、Ａ／Ｆ駆動端には２次
空気供給調整用の電磁弁４４に接続されている。電磁弁
４４はエンジンの気化器絞り弁下流の吸気通路に連通ず
る吸気２次空気供給通路に設けられている。ＩＨＥ出力
端にはヒータ電流供給回路４５が接続されている。ヒー
タ電流供給回路４５は制御回路３１から出力されるヒー
タ電流供給指令に応じて加熱素子６，７にヒータ電流を
供給し、ヒータ電流供給停止指令に応じて加熱素子６，
７へのヒータ電流の供給を停止する。

かかる構成において、制御回路３１のＩｃ出力端からＶ
ｓ値指令データがＤ／Ａ変換器３２に出力されると、Ｄ
／Ａ変換器３２によってＶｓ値指令データが電圧に変換
され、そして電圧ホロワ回路３３に供給される。電圧ホ
ロワ回路３３の出力電圧は基準電圧Ｖｒ＋　とじて抵抗
３４を介してオペアンプ２２の非反転入力端に供給され
る。このとき、オペアンプ２２の反転入力端の電圧レベ
ルはｍ＊＝圧Ｖｒ＋より小であるのでオペアンプ２２の
出力レベルは高レベルとなりトランジスタ２３がオンと
なる。１−ランジスタ２３のオンにより酸素ポンプ素子
４の電極層１１．１２間にポンプ電流が流れる。

ポンプ電流が流れると、電池素子５の電極層１３．１４
間には電圧Ｖｓが発生し、電圧ＶＳは非反転増幅器３０
に供給される。非反転増幅器３０は電圧Ｖｓを電圧増幅
してオペアンプ２２の反転入力端に供給する。電圧Ｖｓ
が上昇すると、非反転増幅器３０の出力電圧Ｖｓ＝も上
昇する。出力電圧Ｖｓ”が基準電圧Ｖ「１を越えるとオ
ペアンプ２２の出力レベルが低レベルに反転し、トラン
ジスタ２３がオフとなる。トランジスタ２３のオフによ
りポンプ電流が減少するので電池素子５の電極層１３．
１４間の発生電圧Ｖｓが低下し、非反転増幅器３０から
オペアンプ２２の反転入力端に供給される電圧Ｖｓ−も
低下する。電圧Ｖｓ−がＮＱ電圧Ｖｒ＋を下回ると再び
オペアンプ２２の出力レベルが高レベルとなり、ポンプ
電流を増加けしめる。この動作が高速にて繰り返される
ので電圧Ｖｓは一定値に制御されると共にＶｓ値指令デ
ータに応じた電圧となる。

Ｉｆ電圧Ｖｒ＋のオペアンプ２２への供給時に酸素ポン
プ素子４の電極層１１．１２間を流れるポンプ電流値１
ｐは抵抗２５の端子電圧Ｖｐによって検出され、その端
子電圧Ｖｐは制ＯＤ回路３１のＩｐ入力端に供給される
。制御回路３１はポンプ電流値ＩＰとして端子電圧Ｖｐ
を読み込み、読み込んだポンプ電流値ＩＰが目標空燃比
に対応する基準電流値１ｒ＋より小であるか否かを判別
する。Ｉｐ　＜　Ｉ　ｒ＋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制御回路３１は
？［弁４４を開弁駆動して２次空気をエンジンに供給せ
しめる。［ｐ≧Ｉｒ＋ならば、供給混合気の空燃比がリ
ーンであるとして電磁弁４４の開弁駆動を停止して２次
空気のエンジンへの供給を停止させる。

また制御回路３１はエンジン回転に同期して次の如く動
作する。第７図に示すように先ず、制御回路３１はヒー
タ電流供給停止指令発生ｔＵにヒータ電流供給指令を発
生したか否かを判別する（ステップ５１）。ヒータ電流
供給指令を発生していないならば、制御回路３１の内部
タイムカウンタＡ（図示せず）に計数時間としてＴＦ８
をセットしてダウン計数を開始さぜる（ステップ５２）
。

そして、ポンプ電流の供給を停止させるためにＶＳ値指
令データの内容をＶｓ＝Ｏに対応する値に、例えば、Ｖ
ｓ値指令データが４ビツトのディジタル信号の場合、’
　ｏ　ｏ　ｏ　ｏ　”に変更する（ステップ５３）。一
方、ヒータ電流供給指令を発生したならば、ヒータ電流
供給指令発生から時間ＴＦＢ以上の時間が経過したか否
かを判別する（ステップ５４）。ヒータ電流供給指令発
生後、時間ＴＦ８以上の時間が経過していない場合には
ポンプ電流の供給停止状態を継続させる。ヒータ電流供
給指令発生後、時間ＴＦ８以上の時間が経過している場
合にはポンプ電流を供給するためにＶｓ値指令データを
設定する（ステップ５５）。

よって、かかる空燃比制御装首にＪ３いては、空燃比フ
ィードバック制御の開始によりヒータ電流供給指令が発
生して加熱素子６，７にヒータ電流がヒータ電流供給回
路４５によって供給されると、それからＴＦ８以上の時
間が経過したとき酸素ポンプ素子４の電極層１１．１２
間にポンプ電流が供給されるのである。

ｌユニ１１ 以上の如く、本発明の酸素濃度センサの制御方法におい
ては、加熱素子への電流供給開始から所定時間経過後に
酸素ポンプ素子の電極間への電流供給が開始されるので
酸素ポンプ素子及び電池素子の温度が所定の出力特性を
得ることが可能な温度まで上昇した後にポンプ電流が供
給される。

よって、ポンプ電流が供給されるまで酸素濃度センサか
らは出力が得られないのでヒータ電流供給開始直後に空
燃比の誤判別を防出することができる。またヒータ電流
供給開始直後はポンプ電流を供給しても電池素子の発生
電圧が上背しないので電池素子の発生電圧が一定値にな
るようにポンプ電流の供給を制御する場合、酸素ポンプ
素子に過剰のポンプ電流を供給してポンプ゛電流値がブ
ラックニング現象発生領域の値になる可能性があるが、
本発明のよれば、ヒータ電流供給開始と同時にポンプ電
流が供給されないのでブラックニング現象の発生を回避
することができ、Ｆｌポンプ素子の急速な劣化を防止す
ることができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素濃度−ポンプ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図は本発明の制御方法を適
用した酸素濃度センサのを示す側面図、第３図ないし第
５図は酸素濃度センサの内部構成を示す図、第６図は第
２図の酸素濃度センサを用いた空燃比制御装置の構成を
示す図、第７図は本発明の制御方法を示す動作フロー図
ある。 △ 主要部分の符号の説明 ４・・・・・・酸素ポンプ素子 ５・・・・・・電池素子 ６．７・・・・・・加熱素子 ８・・・・・・間隙部 １１ないし１４・・・・・・雷撞層 ２０　・・・　・・・　酸　素　淵　ｌ旦　セ　ン　１
す２１・・・・・・電流供給回路 ３０・・・・・・非反転増幅器 第１図 ＃素濃度 第２図 第３図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内燃エンジンの排気ガス中に配設される一対の酸素イオ
   ン伝導性固体電解質部材を有しその各固体電解質部材に
   一対の電極が形成されかつ前記一対の固体電解質部材が
   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
   の固体電解質部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
   検出手段と、供給される電流値に応じて発熱して前記酸
   素濃度検出手段を加熱する加熱手段とを有し、前記酸素
   ポンプ素子の電極間に電流を供給しその供給電流値を酸
   素率濃度検出値する酸素濃度センサの制御方法であって
   、前記加熱素子への電流供給開始から所定時間経過後に
   前記酸素ポンプ素子の電極間への電流供給を開始するこ
   とを特徴とする酸素濃度センサの制御方法。