JPS6276451A - 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】 炎血旦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旦及韮 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８５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ては、一対の平板状の酸素
イオン伝導性固体電解質月を有する酸素濃度検出器が設
けられている。

その固体電解質材は被測定気体中に配２１されるように
なされ、固体゛上前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、他方が酸素温度比測定用電池素子
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。このどき、間隙部中の酸素ガスの減少により
間隙部内の気体と″上池素子外側の気体との間に酸素濃
度差が生ずるのでそ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
においてぞのポンプ電流値が被測定気体中の酸素濃度に
【よぼ直線的に比例することになる。また酸メ４ポンプ
素子への供給電流を一定にすることにより電池素子の電
極間に被測定気体中の酸素濃度にほぼ比例した電圧が発
生するのである。

かかる酸素濃度検出装置においては、酸素ポンプ素子に
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する。

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、酸素ポンプ素子への過剰電流
供給によりＺｒＯ２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
ンプ素子の劣化を急速に進め酸素濃度検出器としての性
能を態化させる原因となるので酸素ポンプ素子への供給
電流値はブラックニング現象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？ｌ！！素子に発生する電圧Ｓ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ポンプ電流値
Ｉｐ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Ｖ　Ｓ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。

また酸素濃度検出装置においては、通常、酸素濃度検出
器、すなわち酸素ボン、ブ素子及び電池素子を加熱する
ためにヒータが設けられている。これは酸素濃度検出器
の温度がヒータの発熱によって所定温度（例えば、６５
０℃）付近に達しなければ、酸素濃度検出器が活性状態
とならず電池素子に電圧がほとんど発生しないので酸素
濃度にひれてした出力特性が得られないためである。

しかしながら、酸素濃度比例電圧出力型の酸素濃度検出
装置においては、酸素濃度検出器の不活性状態には電池
素子の発生電圧が予め定められｌ〔一定値に上昇させる
ために電流供給手段が酸素ポンプ素子への供給電流値を
増加させるように動作するので酸素ポンプ素子への供給
電流値がブラックニング現象発生境界値以上になってブ
ラックニング現象発生することがあるという問題点があ
った。

また酸素濃度比例電圧出力型の酸素濃度検出装置におい
ては、酸素濃度検出器の不活性状態には電池素子の電極
間の電圧からは空燃比が目標空燃比よりもリーンである
と判別されるので供給混合気の空燃比がリッチ方向に制
御される。しかしながら、空燃比がリッチになるほどブ
ラックニング現象発生境界値は小さく、また酸素ポンプ
素子への供給電流値は一定であるので空燃比がリッチ方
向に制御されると酸素ポンプ素子への供給電流性がブラ
ックニング現象発生境界値以上になってブラックニング
現象発生することがあるという問題点があった。

１班五且１ そこで、本発明の目的は酸素濃度検出器の不活性時にお
けるブラックニング現象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ＭｆＡ度検出装置は酸素ポンプ素子の電極間
に微小電流を供給し、該微小電流供給時の酸素ポンプ素
子の゛電極間の電圧から酸素ポンプ素子の内部抵抗値を
検出し、その内部抵抗値が基準値以下のとき酸素濃度検
出用の電流を酸索ボンブ素子の電極間に供給することを
特徴としている。

支−五−１ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第２図は本発明による酸素濃度比例電圧出力型の酸素濃
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品は排
気管（図示けず）内に配設される。酸素ポンプ素子１及
び電池素子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
ポンプ素子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の引き出し線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．ＮＰＮＩ−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１−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を介してオーベアンブ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？ｌｄＵ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Ｖｅ
が引き出し線５ａを介して供給されるようになっている
。また酸素ボンブブ素子１の電極板５，６間の電位差を
検出する差動増幅回路１８が設けられている。差動増幅
回路１８はオペアンプ１９．抵抗２０ないし２２からな
り、差動増幅回路１８の出力端は空燃比制御回路３１の
Ｖｐ入力端に接続されている。

一方、電池素子２の内側電極板７は引き出し線７ａを介
してアースされ、外側電極板８は引き出し線８ａ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３０の出力
端は空燃比制御回路３１のＶｓ−入力端に接続されてい
る。空燃比制御回路３１のＩＣ制御出力端にはＤ／Ａ変
換器３２が接続され、Ｄ／Ａ変換器３２は空燃比制御回
路３１のＩｃ制御出力端から出力されるＩｐ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を介して積分
回路３４に接続されている。

積分回路３４は抵抗３５．３６及びコンデンサ３７から
なり、ぞ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。

空燃比制御回路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Ｔｃ出力端、Ｖｐ。

Ｖｓ”入力端の他にＡｌ１：駆動端を有し、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置ノられている
。

かかる構成においては、酸素ポンプ素子１及び電池素子
２の活性化の完了後に空燃比制御回路３１のＴｃ出力端
からｒｐ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Ｉｐ値指令データが電圧
に変換され、その変換電圧が電圧ホロワ回路３３を介し
て積分回路３４に供給される。積分回路３４の出力電圧
は抵抗３５．３６およびコンデンサ３７による積分時定
数によって徐々に上昇して抵抗３５．３６による上記変
換電圧の分圧電圧に達する。この分圧電圧は基準電圧Ｖ
　ｒ　＋　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１ｐは抵抗１６の
端子電圧によって検出され、その端子電圧は抵抗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
電圧が基準電圧Ｖ　ｒ　＋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１３の
ベース電流を増加さけるのでポンプ電流Ｉｐが増大し、
端子電圧が基準電圧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ＩｐＩユ
基ｔＰ＝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９、電圧Ｖｓは非反転増幅器３０に供給され、非反転
増幅器３０は電圧Ｖｓを電圧増幅して酸素濃度検出出力
として空燃比制御回路３１のＶｓ＝入力端に供給する。

空燃比制御回路３１は所定周期毎に次の如く動作する。

空燃比制御回路３１は第３図に示すように先ず、イグニ
ッションスイッチ（図示せず）のオンを表わすフラグＦ
＋ｃが１″′に等しいか否かを判別しくステップ５１）
、Ｆｒｅ＝Ｏならば、イグニッションスイッチが副フか
らオンに切替わったか否かを判別する（ステップ５２）
。イグニッションスイッチがオンならば、フラグＦＩＧ
にパ１”をセットしくステップ５３）、ポンプ電流値Ｉ
ｐを所定の微小電流値■１にするようにＩＰ値指令デー
タの内容を設定する（ステップ５４）。

これにより酸素ポンプ素子１の電極板５．６間に微小電
流値■１のポンプ電流が流れる。次に差動増幅回路１８
の出力電圧を酸素ポンプ素子１の電極板５．６間のポン
プ電圧Ｖｐとして、また非反転増幅器３０の出力電圧Ｖ
ｓ′を各々読み込み（ステップ５５）、読み込んだポン
プ電圧Ｖｐを微小電流値１１で割り緯してその粋出値を
ポンプ抵抗値Ｒρとする（ステップ５６）。また読み込
んだ電圧Ｖｓ−に応じてポンプ抵抗値Ｒｐの基準値Ｒ１
を設定する（ステップ５７）。空燃比制御回路３１内の
ＲＯＭ等のメモリには第４図に示すように実験結果より
１９られた電圧Ｖｓ−から定まる基準値Ｒ＋がデータマ
ツプとして予め書き込まれているので読み込んだ電圧Ｖ
ｓ”に対応する基準値Ｒ＋データをそのデータマツプか
ら検索する。

基準値Ｒ１を設定するとポンプ抵抗値Ｒｐ　ｈ＜Ｎ準値
Ｒ１より大であるか否かを判別する（ステップ５８）。

Ｒｐ　＞Ｒ＋ならば、酸素ポンプ素子１及び電池素子２
は不活性でありブラックニング現象の発生の可能性があ
ると見なす。一方、Ｒｐ≦Ｒ１ならば、酸素ポンプ素子
１及び電池素子２の活性が完了したと見なし、活性判別
用のフラグＦ０２に活性化完了を表わす１″をセットし
くステップ５９）、微小電流値１１より十分に大なる酸
素濃度検出用のポンプ電流を供給するためにＩｐ値指令
データの内容を設定する（ステップ６０）。

そして、出力電圧Ｖｓ＝を読み込み（ステップ６１）、
読み込ｌυだ電圧Ｖｓ′が目標空燃比に対応する基ｔＩ
！ｓ圧ｒ２より大であるか否かを判別する（ステップ６
２）。出力電圧Ｖｓ−は供給混合気の空燃比がリッチに
なるに従って高くなるので、Ｖｓ’＞Ｖｒ、＋ならば、
エンジンに供給された温合気の空燃比がリッチであると
して空燃比制御回路３１は電磁弁４４を量弁駆動して２
次空気をエンジンに供給せしめる（ステップ６３）。Ｖ
ｓ−≦ｖｒ２ならば、空燃比がリーンであるとして空燃
比ｉｌｌ制御回路３１は電磁弁４４０開弁駆動を停止し
、２次空気のエンジンへの供給が停止される（ステップ
６４）。またステップ５８においてＲｐ　＞Ｒ＋と判別
したとぎにはステップ６４を実行して２次空気のエンジ
ンへの供給を停止させる。

ステップ５１においてＦｚｃ＝１と判別したならば、イ
グニッションスイッチがオンになったことを既に判別し
ているので活性判別用のフラグＦｏ２が１１１１１に等
しいか否かを判別する（ステップ６５）。ＦＯ２＝Ｏな
らば、活性化した判別されいていないのでステップ５４
を実行し、ＦＯ２−１ならば、活性化が完了しているの
で直ちにステップ６１を実行する。

なお、フラグＦＩＧ及びＦＯ２は電源没入時に“０″に
初期設定される。

第５図は本発明による酸素濃度比例電流出力型の酸素濃
度検出装置を用いた空燃比制御装置を示している。本装
首において、第２図に示した装置と同一部分は同一符号
によって示しており、酸素ポンプ素子１の電極板５，６
間には電流供給回路４５によって電流が供給される。′
ｔｆｉ流供給回路４５はオペアンプ４６．ＮＰＮトラン
ジスタ４８及び抵抗４７．４９からなる。Ａペアンプ４
６の出力端は抵抗４７を介してトランジスタ４８のベー
スに接続されている。またトランジスタ４８の工ミッタ
は抵抗４９を介してアースされている。抵抗４９は酸素
ポンプ素子１の電極板５．６間に流れるポンプ電流値Ｔ
ｐ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１ｐとして制御回路３．１のＩｐ入力端に供
給される。ｌ−ランジスタ４８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ｖ８が引き出し線５ａを介し
て供給されるようになっている。また非反転増幅器３０
の出力端はオペアンプ４６の反転入力端に接続されてい
る。その他の構成は第２図に示した装置と同様である。

かかる構成においては、空燃比制御回路３１のＩｃ出力
端からＶｓ値指令データがＤ／△変換器３２に出力され
ると、Ｄ／Ａ変換？ｓ３２によってＶｓ値指令データが
制御電圧Ｖｃに変換され、その制御電圧Ｖ　ｃ　ｈ＜電
圧ホロワ回路３３を介して積分回路３４に供給される。

積分回路３４の出力電圧は抵抗３５．３６及びコンデン
サ３７による積分時定数によって徐々に上昇して抵抗３
５．３６による制御電圧ｙｃの分；１電圧に達する。こ
の分圧電圧は基準電圧Ｖ　ｒ　３としてオペアンプ４６
の非反転入力端に供給される。このとき、オペアンプ４
６の反転入力端の電圧レベルは基準電圧Ｖｒ３より小で
あるのでオペアンプ４６の出力レベルは高レベルとなり
トランジスタ４８がオンとなる。

トランジスタ４８のオンにより酸素ポンプ素子１の電極
板５．６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２の゛、を極板７゜８
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、非反転増幅器３０は電圧ＶＳを電圧増幅し
てオペアンプ４６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ｖｒ３を越えるとオペ
アンプ４６の出力レベルが低レベルに反転し、トランジ
スタ４８がオフとなる。トランジスタ４８のオフにより
ポンプ電流が減少するので電池素子２の電極板７゜８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４６の反転入力端に供給される電圧Ｖｓ＝も低下す
る。電圧ＶＳ−が基準電圧■ｒ３を下回ると再びオペア
ンプ４６の出力レベルが高レベルどなり、ポンプ電流を
増加せしめる。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値指令データが
表わす値に応じた電圧となる。

基準電圧Ｖｒ３のオペアンプ４６へ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１ｐは
抵抗４９の端子電圧によって検出され、その端子電圧は
空燃比制御回路３１のＩｐ入力端に供給される。

空燃比制御回路３］は所定周期ｆｕ（、：第６図に示す
ように動作する。空燃比制御回路３１は第４図に示した
酸素濃度検出用１モ出力型の場合と同様にステップ５１
．５２．５３を実行し、微小のポンプ電流を供給するよ
うにＶｓ値指令データの内容を（Ｖｓ＝Ｖ＋）設定する
（ステップ５４ａ）。

これにより酸素ポンプ素子１のｆｉ板５，６間に微小の
ポンプ電流が流れる。次に差動増幅回路１８の出力電圧
を酸素ポンプ素子１の電極板５，６間のポンプ電圧Ｖｐ
として、また抵抗４９の端子電圧をポンプ電流値Ｉｐと
して各々読み込み（ステップ５５ａ）、読み込んだポン
プ電圧Ｖｐをポンプ電流値１ｐで割り算してその算出値
をポンプ抵抗値Ｒｐとする（ステップ５６ａ）。また電
池素子２の電極７．８間から得ようとする目標電圧すな
わち基準電圧Ｖ　ｒ　３に応じてポンプ抵抗値ＲＰの基
準値Ｒ１を設定する（ステップ５７ａ〉。

その後、ポンプ抵抗値Ｒρが基準値Ｒ１より大であるか
否かを判別する（ステップ５８）、Ｒｐ＞Ｒ１ならば、
酸素ポンプ素子１及び電池素子２は不活性でありブラッ
クニング現象の発生の可能性があると見なず。一方、Ｒ
ｐ≦Ｒ１ならば、酸素ポンプ素子１及び電池素子２の活
性が完了、したと見なし、活性判別用のフラグＦＯ２に
活性化完了を表わす“１″をセットしくステップ５９）
、酸素濃度検出用のポンプ電流を供給するためにＶｓ値
指令データの内容を設定する（ステップ６０ａ）。そし
て、抵抗４９の端子電圧をポンプ電流値ＩＰとして読み
込み（ステップ６１　ａ）　、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値ｉｒより小であるか
否かを判別する（ステップ６２ａ）。Ｉｐ＜Ｉｒならば
、エンジンに供給された混合気の空燃比がリップである
として空燃比制御回路３１は電磁弁４４を量弁駆動して
２次空気をエンジンに供給せしめる（ステップ６３）。

ＩＰ≧ｌｒならば、空燃比がリーンであるとして空燃比
制御回路３１は電磁弁４４の量弁駆動を停止し、２次空
気のエンジンへの供給が停止される（ステップ６４）。

及里五１皿 以上の如く、本発明の酸素濃度検出装置においては、酸
素ポンプ素子の電極間に微小電流を供給し、該微小電流
供給時の酸素ポンプ素子の電極間の電圧から酸素ポンプ
素子の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値が基準値以
上ときには酸素ｍＩ￥検出器が不活性状態であると判断
して微小電流より大なる酸素濃度検出用のポンプ電流の
供給を停止するので不活性時の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図は酸素濃度−ボンブ電流特性及びブラックニング
環ゑ発生領域を示す図、第２図は本発明の実施例を示す
回路図、第３図は第２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、第４図は電池素子電圧−ポン
プ抵抗特性によってブラックニング現象発生境界を示す
図、第５図は本発明の他の実施例を示す回路図、第６図
は第５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 ３０・・・・・・非反転増幅器 ４４・・・・・・電磁弁 ４５・・・・・・電流供給回路 阜ＩＷＪ 酪希曙塵 孝ア３図 集４図 Ｖ５／

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伝導
   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の電圧又は前記酸素ポ
   ンプ素子の電極間に流れる電流値を酸素濃度検出値とす
   る酸素濃度検出装置であって、前記電流供給手段は前記
   酸素ポンプ素子の電極間に微小電流を供給し、該微小電
   流供給時の前記酸素ポンプ素子の電極間の電圧から前記
   酸素ポンプ素子の内部抵抗値を検出し、その内部抵抗値
   が基準値以下のとき酸素濃度検出用の電流を前記酸素ポ
   ンプ素子の電極間に供給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基準値を前記電池素子の
   電極間の電圧に応じて設定することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の酸素濃度検出装置。