JPS6367561A - 空燃比センサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関の排気ガス中より空燃比を測定する
空燃比センサに係り、特に、拡散抵抗体の目づまりによ
る出力の経時変化を防止するのに好適なセンサに関する
。

〔従来の技術〕

従来の装置は、特開昭５８−５７０５０号に公報に記載
のように、大気を測定した時の検出値により出力特性を
補正するようになっていた。また、特開６０−９０９３
８号公報では、リッチ運転域においてセンサの動作を停
止するようになっている。

しかし、いずれの場合も、出力の経時変化を積極的に防
止する方策は示されていなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、拡散抵抗体に付着した汚れ粒子を積極
的に取り除く方策については配慮されておらず、出力補
正のみなので、長期間の精度確保には問題があった。

また、従来のように出力を、補正する場合、空燃比に対
する出力特性が非線形なので、実際的には、精度良く補
正することは困難である。

本発明の目的は、汚れ粒子を取り除き、長期間の使用に
対しても、出力が経時変化しないセンサを提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、運転中のある一定期間、拡散抵抗体に酸素
を提供することにより達成される。

〔作用〕

拡散抵抗体に酸素を供給することにより、拡散抵抗体に
付着した汚れ粒子（炭素、イオウ、ゴミ等）を酸化させ
て、除去し、経時変化を防止することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を示す、第２図（ａ）は空燃比
センサ１の構成図である。２は酸素イオン伝導性の固体
電解質、３は多孔質の拡散抵抗体、４ｔキヒーター、５
ａ、５ｂは大気側、排気側の電極である。第２図（ａ）
は丸印部の拡大図を第２図（ｂ）に示す。

固体電解質２は、ヒーター４により、６００℃〜９００
℃に加熱しである。また、固体電解質２のヒーター４側
の内側には大気が、もう−右側には排気が導かれている
。

第３図（ａ）に示したように、電極５ａを正、電極５ｂ
を負極となるように電圧Ｖを印加すると、矢印の方向に
電流工が流れ、酸素が大気側に移動される。この時、拡
散抵抗体３により酸素の拡散が妨げられ、工は限界電流
値と呼ばれる。排気中の酸素濃度に比例した値となる０
本センサは、この工を測定する。この時の、工と、λの
関係を第３図（ｃ）の（イ）に示した。

以上のような構成のセンサにおいて、第３図（ｂ）に示
したような、拡散抵抗体３に、汚れ粒子６（例えば、炭
素、イオン、油分等）が付着すると、酸素の拡散が悪く
なり、工は、第３図（Ｑ）の（ロ）のように低下してし
まう。この場合、低下分を検出して補正を加える方法が
あるが、λ−■特性が非線形であるので、正確な補正が
困難であり、またシステムも複雑となるなど問題が多い
。

そこで１本発明では、汚れ粒子を積極的に取り除くこと
により、出力の経時変化を防止した。

第４図は、その原理図である。運転中のある一定期間に
、第４図（ａ）に示したように、電極５ａが負、電極５
ｂが正になるように電圧ｖ′を印化し、酸素を拡散抵抗
体３側に移動させる。ここでは固体電解質２が６００℃
〜９００℃に加熱されていることや、電極５ｂが例えば
ｐｔで形成されていて触媒作用があることなどで、移動
された酸素により、汚れ粒子６が酸化されて、除去され
て、拡散抵抗体３は、汚れ付着前の状態に戻ることがで
きる。このため、出力特性も、第４図（ｂ）に示したよ
うに、　（ロ）のように低下していても、汚れ付着前の
（イ）の特性にもどることができる。

このようにすれば、初期の特性が維持できるので、特に
出力を補正する必要はない。

第１図に１以上の動作を実現するための実際の回路の一
実施例を示した。

第１図の回路において、空燃比を測定する動作の場合は
、マイクロコンピュータ７からの信号により、ＤｌをＯ
Ｎ　、　Ｄ　ｚをＯＦＦ信号として、スイッチＳ１を導
通、スイッチＳ２を非導通状態とする。これにより、電
源８の電圧Ｖは固体電解質２に印加され、第１図中の実
線の矢印の方向に電流■が流れる。この時の工を、バッ
ファアンプ９を介して、出力Ｖ　ｏ　ｕ　ｔとして取り
出す。このＶ　ｏ　ｕ　ｔがλに比例する。

次に、運転中のある一定期間２例えば、キーＯＮ後のあ
る一定期間とか、リッチ運転域とか。

アイドル運転時とか、始動暖機時とか、に拡散抵抗体３
に酸素を供給する場合には、マイクロコンピュータ７に
より、ＤｌをＯＦＦ、ＤｚをＯＮ信号として、スイッチ
Ｓ１を非導通状態、スイッチＳ２を導通状態にする。こ
の時、■が印加されるが、前記の測定動作時とは極性が
反転しているので、第１図中の点線の矢印の方向に電流
Ｉ′が流孔る。このため、酸素が拡散抵抗体３側に移動
され、汚れ粒子の酸化が実行される。

第５図には、別の回路例を示した。測定動作では、Ｄｌ
をＯＮ、　Ｄ　２をＯＦＦとｔ、−ｒ、ｖを印加するが
、拡散抵抗体３に酸素を供給するパージ動作時は、Ｄｌ
をＯＦＦ、ＤｚをＯＮとして、電源１０の電圧Ｖ′を印
加する。このときは、第５図中の点線の矢印の方向に電
流工′が流れる。つまり、測定時と、パージ時で、印加
電圧を変化させるもので、パージ時は大気より酸素を供
給するので、ｖ’　＞ｖとＶ′を大きくするのが効果的
であ骨・ 第６図には、動作のフローを示した。初めに、パージモ
ードかどうかを判定して、パージモードでない場合は、
ＤｌをＯＮ、ＤａをＯＦＦ信号として、　Ｖｏｕｉ　を
読み取る。またパージモードの場合には、ＤｌをＯＦＦ
、ＤｚをＯＮとして、パージする。パージモードとは、
前述したように、例えば、キーＯＮ後のある一定時間と
か、リッチ運転域とか、アイドル運転時とか、始動暖機
時とかの場合を示す。

次に、第７図に他の実施例を示した。

拡散抵抗体３に目づまりが生じた場合には、第７図（ａ
）に示したように、基準ガスとして、燃料カット時に入
る大気を測定すると、（ロ）のようにＶ　ａ　’　　と
なり、初期状態の時のＶａより小さくなるので、目づま
りが検出できる。

第７図（ｂ）に、この時の動作を示した。（ハ）は、絞
り弁を急閉さした状態を示し、この時、減速燃料カット
状態が生じる。（ニ）は機関の回転数であり、減少する
。（ホ）は、Ｖ　ｏ　ｕ　ｔ　を示しており、減速後の
燃料カット時に大気センサ部に到達するので、Ｖ　ｏ　
ｕ　ｔは、大きくなりＶａに収束する。この時、拡散抵
抗体３に目づまりが生じた場合には、第７図（ｂ）（ホ
）の点線の特性のように、低い値を示し、大気到達時も
、Ｖ　ａ　’　　とＶａより低い値を示す。このＶａ’
　　により目づまりが検出できる。第８園に、この時の
フローを示した。

回路は、第１図、第５図を使用すれば良い。初めに、燃
料カットが生じたら、大気到達時のＶ　ｏ　ｕ　ｔつま
りＶａ　をリードし、Ｖａがある値Ｖ　ｒ　ｅ　ｚ　よ
り大きいかどうかを判定するにこで、Ｎｏ（Ｖａ＜Ｖｒ
ｅｚ　）の場合には、パージモードに入る。パージモー
ドは、ある一定時間ｊｐｏｒ　−Ｄｔ　をＯＦＦ、Ｄｌ
をＯＮ信号として、酸素を拡散抵抗体３側に流す。一方
、燃料カット域でない場合や、Ｖａ≧Ｖｒｅｚの場合に
は、通常の測定モードに入り、Ｄｔ　　をＯＮ、Ｄｚ　
をＯＦＦ倍号信号て、Ｖｏｕｔをリードする。

以上の動作により、目づまりを検出して、目づ゛まりが
生じた場合のみパージすることが可能とな〕 る。

第９図、第１０図には、パージモードと、測定モードを
常に交互に実行する実施例を示した。

第１０図に示したように、ＤｌとＤｌを交互に一定時間
ＯＮ、Ｏ，ＦＦさせる。このことにより、固体電解質２
に印加される電圧が、ＶとＶ′で交互に変化する。Ｖ′
が印加される時がパージモードである。この場合には、
測定モード時の電極５ａの電圧Ｖｒ　をコンデンサＣｓ
　にホールドして、アンプ９を介してＶｏ□として出力
する必要かある。

この方法では、常にパージモードが実行されるので、拡
散抵抗体３は目づまりせずに、常に初期状態が維持され
、出力の経時変化はなくなる。

第１１図には、リッチからリーンまでの広い範囲のＡ／
Ｆが測定できるワイドレンジＡ／Ｆセンサの原理、構成
を示した。

排気側電極５ｂにポテンシャルグランドとしてＶ、の電
圧を与える。大気側電極５ａには、ＶＰよりＯ，Ｓ　Ｖ
だけは高い電圧を与える。ここで、両端の電圧は、リー
ン時は。

大気（５ａ）・・・・・・Ｖ＋０．５　　（Ｖ）　　　
・・・（１）排気（５ｂ）・・・・・・Ｖｐ　　　　　
（ｖ）　　　・・・（２）となる。

また、リッチ時には、固体電解質２に起動力Ｅ（４１，
ＯＶ）が発生するので。

大気（５ａ　）　−・＝Ｖｐ＋　０　、５（Ｖ）　　　
”’（３）排気（５ｂ）−・−ＶＰ＋Ｅ　　　（Ｖ）　
　　・（４）となる。

つまりリーン時には。

大気側電圧〉排気側電圧　　　　　　・・・（５）とな
るので、電流■は、第１１図（ａ）中の実線方向に流れ
、０２は、排気側から大気側に流れる。

これは、通常のリーンセンサと同じ方向である。

またリッチ時には。

大気側電圧〈排気側電圧　　　　　　　・・・（６）と
なるので、電流工は、第１１図（ａ）の点線の方向に流
れ、Ｏｚは大気側から排気側に流れる。

ここでは、この０２が排気中の未燃成分（Ｃｏ。

ＨＣ，Ｈ２）と反応するため、この時の０２量つまりは
電流ＩがリッチでのＡ／Ｆに比例することになる。

第１１図（ｂ）は、この特性を示した。出力Ｖ　ｏ　ｕ
　ｔは、（イ）の特性のように、λ＝１．０　でＶｐ　
　（ポテンシャルグランド）を示し、リーンではＶｐよ
り大きく、リッチでは、Ｖｐより小さい特性を示す。

ここで、拡散抵抗体３が、カーボン等により。

目づまりした場合には、（ロ）の特性のように変化して
しまう。

第１２図に、測定状態における、拡散抵抗体３内の０２
濃度分布を示した。

第１２図（ａ）はリーン状態の場合で、拡散抵抗体の排
気側の０２Ｌ＠度は、排気中の０２濃度０ｘ（ｅ）と同
じになる。一方、電極（５ｂ）側は、測定中はｏ２濃度
がほぼゼロとなるように電流工を制御するので、第１２
図（ａ）のような分布となる。このようなリーン状態で
は、拡散抵抗体３内にｏ２が存在するので、カーボン等
が付着したとしても、ｏ２により酸化されて、目づまり
は全く生じない。

第１２図（ｂ）は、リーン状態の０２濃度分布を示した
ものである。拡散抵抗体３の排気側は。

未燃成分（例えばｃｏ）が存在する。一方、電極５ｂ側
では、測定中は、固体電解質２により供給される０２と
ｃｏが反応して、ｃｏ濃度がゼロになるように制御する
ために、第１２図（ｂ）のような分布になる。また、こ
こでは、拡散抵抗体３内にＣｏが存在するので、ｏ２濃
度はゼロとなり。

Ｏｘは存在しない。このため、拡散抵抗体３にカーボン
が付着しても、酸化することはできずに、残ってしまう
。カーボン付着量が増加すると、第１１図（ｂ）の点線
のように特性が変化してしまう。

第１３図に、付着したカーボンを取り去る実験を行った
結果を示した。第１３図（ａ）は、リーン状態でＡ／Ｆ
を一定にしエンジンを運転しつづけた場合の、センサの
Ｖｏｕｔを経過時間とともに示したものである。ここで
は、センサのドリフトは生じない。

第１３図（ｂ）には、リッチ状態の場合を示した。セン
サ出力Ｖ　ｏ　ｕ　ｔは、時間とともに上昇し。

ドリフトしている。これは、拡散抵抗体３内にカーボン
が付着したためである。そこで、ｖｏｕｔ十分変化した
。（イ）の時点で、ある時間だけり−ン状態にもどして
、再び、リッチ運転をつづけると、Ｖｏｕｔは、元の値
に復起して、正しいＡＦが測定できる。

つまり、拡散抵抗体３内に、０２が存在すれば、あるい
は９時々Ｏｚを供給してやれば、目づまりは防止できる
。これは、センサ温度６００〜９００℃であることと、
０２があることにより、カーボンが全て酸化されるため
である。

そこで、リッチ時に、一時リーン状態にもどすかわりに
、拡散抵抗体３自身で０２を供給してやる方法を考えた
。

第１４図には、リッチ運転時に、一時、電流工を図中の
方向に流して、０２を強せい的に拡散抵抗体３側に流し
た場合の０２濃度分布を示した。

０２は大気側から供給するために、電流工の分だけ、任
意の量が供給できる。

そこで、リッチ時のＣＯと反応しても、十分あまるだけ
の０２を供給してやると、拡散抵抗体３中のｏ２濃度分
布は、第１４図のようになる。つまり、拡散抵抗体３中
に０２が存在する。このため、カーボンが付着しても、
高温と０２により酸化されてしまい、ちく積されること
はない。このように、リッチ運転時の目づまり対策には
、時々０２を拡散抵抗体３側に強制的に流してやれば良
いことがわかる。

第１５図は、上記の方法を実現するための回路の一実施
例である。また、第１６図には、各部の動作を示した。

さらに第１７図には、フローチャートを示した。初めに
、リッチ運転であるかどうかを判断して、Ｖｏ□＜ＶＰ
となりリッチのときは、ＤｌからのＯＮ信号で、ＳＷｌ
　をＯＮ状態にし、Ｄ２の信号でＳＷｚをＯＦＦ状態に
する。ここで、スイッチング直後の、電圧のサージ現象
をうけないように、時間ｔ１だけまって、Ｄ３のＯＮ信
号により、ＳＷａをＯＮさせて、アンプ１２からの出力
をサンプルホールド回路９により出力しＶ　ｏ　ｕ　ｔ
とする。さらに一定時間（ｔｘ−ｔｌ）経過後、ＳＷｓ
　、ＳＷａをＯＦＦ状態にして、ＳＷｚをＯＮとし、Ｖ
ａにより一定量の０２を拡散抵抗体３側に流してやり、
カーボン等を酸化とせる。その後、ＳＷｘをＯＦＦとし
て、先の動作をくり返す。

また、リッチでなり、リーン状態の時は、第１７図ニ示
シたようＬ：、ＳＷｚ　、ＳＷｓをＯＮ。

ＳＷｚをＯＦＦのままにして、通常の測定を特う。

以上により、リッチ時のＯｘパージ動作が実行できる。

第１８図は、第１５図〜第１７図の回路と動作により、
リッチ運転で実験を行った結果である。

エンジンのＡ／Ｆは、固定して行った。第１８図中の（
イ）の特性は、０２パ一ジ動作を行わなかった第１３図
（ｂ）に示したもので、第１８図の（ロ）の特性は、第
１８図〜第１７図の手法による結果である。第１８図か
られかるように、０２パ一ジ動作を付加すれば、カーボ
ンは酸化されて、目づまりはなくなり、一定したドリフ
トのない出力が得られる。

第１９図は、Ａ／Ｆセンサのドリフトを検出するための
原理を示したものである。

第１９図（ａ）でエンジンのアイドル運転時に、絞り弁
１３をバイパスする音速エアを電磁弁１４゜オリフィス
１５を介してエンジンに供給する。この時、このバイパ
スエアは、音速となるようにすれば、エア量ａは、オリ
フィス１５の開口面積のみにより決定される量となる。

′？′Ｊｉ磁弁○電磁時のエンジンに入るエア址をＡ、
燃料量をＦとするとして、電磁弁ＯＦＦＦＦフェンジン
態をＡ／Ｆ＝１４．７　でアイドルとすると、 ′１１磁弁０ＦＦ時のＡ／Ｆｌ　　（Ａ／Ｆ）ＯＦＦは
。

（Ａ／　Ｆ）　ＯＦＦ　＝　−・・１７）電磁弁ＯＮ時
のＡ／　Ｆ　、　　（Ａ／　Ｆ　）　ＯＮは、Ａ＋ａ （Ａ／Ｆ）ＯＮ＝□　　　　　　　　・・・（８）とな
り、その差、ΔＡ／Ｆは Ｆ　　　　ＦＦ となり、Ｆが一定だとすれば、ΔＡ／Ｆも一定になる。

ここで、Ｆを一定にするために、電磁弁をＯＮする前に
、λ＝１．０　に閉ループ制御する。

λ＝１．０　のセンサーの出力Ｖ　ｏ　ｕ　ｔは、ポテ
ンシャルグランドＶＰとなり、目づまり等によっては全
く変化しない値となる。つまり、Ｆは常に一定の値とな
るわけであり、ΔＡ／Ｆも常に一定となる。

つまり、エンジン運転中に、時々ΔＡ／Ｆ分だけＡ／Ｆ
を移動させて、その時の出力Ｖ。ｕｔよりセンサのドラ
フトを検出する。第１９図（ｂ）に示したように、λ＝
１．０　から、一定のΔＡ／Ｆだけ移動させた場合に、
特性が変化する前の出力は（イ）のようにＶ。ｕｃ　１
となり、ドリフトした（口）のような時は、Ｖｏｕｔ２
となる。この、ＶｏｌＩｔ　ｌ　　Ｖｏｕｔ　２の値に
より、ドリフト量が正確に検出できる。

第２０図は、第１９図で示した動作中の実際のＡ／Ｆの
変化を示した実験結果である。ドリフト前は（イ）、ド
リフト後は（ロ）のように変化する。初め、λ＝１．０
　のＶｐで閉ループ制御し、電磁弁をＯＮすると、出力
は、Ｖｏｕｔ　１．Ｖｏｕｔ　２のように変化し、電磁
弁をＯＦＦすると元のＶｐにもどる。

次に、上記方法で、ドリフトを検出した後に。

０２パ一ジ動作を実行するための回路、動作の一実施例
を第２１図、第２２図に示す、つまり、この実施例は、
ドリフトが生じたら０２パージを行うという考えに基づ
いたものである。

初めにアイドル状態かどうかを判断して、アイドルの場
合には、λ＝１．０　に閉ループ制御を行う、一定時間
後に、Ｆを固定して、電磁弁をＯＮさせる１次にＶｏｕ
ｔ　２を一定時間リードしつづけ、Ｖｏｕｔ２を平均値
化処理して、電磁弁をＯＦＦにする−　ＶｏｌＩｔ　　
Ｉ　　Ｖｏｕｔ　２がある一定値ε以上になったら、Ｓ
Ｖ／ｌをＯＦＦ、ＳＷｚをＯＮにして一定時間だけ、Ｖ
ａにより０２を拡散抵抗体３側にパージして、カーボン
等の付着物を酸化させる。

その後、ＳＷｘをＯＦＦ、ＳＷｌをＯＮＬ、て、通常の
動作にもどる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、拡散抵抗体の目づまりの原因となる汚
れ粒子を取り除くことができ、出力の経時変化のない空
燃比センサが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図はセンサの
構成図、第３図、第４図は動作の原理図、第５図は一実
施例の回路図、第６＠は動作のフローチャート、第７図
は特性図、第８図は一実施例のフローチャート、第９図
は回路図、第１０図は動作のチャート図、第１１図、第
１２図、第１４図はセンサの動作図、第１３図は特性図
、第１５図は回路図、第１６図はタイムチャート図、第
１７図はフローチャート図、第１８図は特性図、第１９
図は吸気系の構成図、第２０図は特性図、第２１図は回
路図、第２２図はフローチャート図である。 １・・・空燃比センサ、２・・・固体電解質、３・・・
拡散抵抗体、４・・・ヒーター、５・・・電極、６汚れ
粒子、７°°°マイクロコンピユータ。 ”　　代理人　弁理士　小川勝馬 め１例 １・・・アンγ （η）　　第３０　（ｂ） ６・・・馬れ粒チ 鵠ワ目 （ｂ、） □右 第１０口 め１１０ （ｂ） リーン　　　　　　　リッチ 、も１２口 （ｂ） ０　　　　　　　　　　　　　　　　　　吟ｎ第１ｂ口 第１の 番１１ｉ’　［ｉａ め已ｎ （Ｌ） 小　　　　、１−＝１　　　　　　　尺１５・・・オリ
フィｌ ｑ・・・マイクロコンピユー７ 皺２０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関の排気ガスより、空燃比を検出する空燃比
   センサにおいて、酸素イオン伝導性の固体電解質と拡散
   抵抗体より成り、運転中のある特定の期間に、該拡散抵
   抗体に酸素を供給する手段を有し、該拡散抵抗体に付着
   した汚れ粒子を酸化させることを特徴とした空燃比セン
   サ。 ２、特許請求の範囲第１項において、該拡散抵抗体に酸
   素を供給する期間を、空燃比が理論空燃比よりも小さい
   、リッチ運転の期間であることを特徴とした空燃比セン
   サ。 ３、特許請求の範囲第１項において、機関の燃料カット
   時に、センサに到達した大気を測定したときの出力が、
   ある一定値以下になった時に、該拡散抵抗体に、一定期
   間酸素を供給することを特徴とした空燃比センサ。 ４、特許請求の範囲第１項において、空燃比を測定する
   動作と、該拡散抵抗体に酸素を供給する動作を、ある一
   定期間ずつ交互に行うことを特徴とした空燃比センサ。 ５、特許請求の範囲第１項において、該拡散抵抗体に供
   給する酸素量を、拡散抵抗体内の未燃ガス成分と反応分
   よりも多い量とすることを特徴とした空燃比センサ。 ６、特許請求の範囲第１項において、該拡散抵抗体に酸
   素を供給する動作を、通常の測定動作時の一定時間ごと
   に、くり返し行うことを特徴とした空燃比センサ。 ７、特許請求の範囲第１項において、該拡散抵抗体に酸
   素を供給する期間を、センサが６００℃〜９００℃に加
   熱されている期間とすることを特徴とした空燃比センサ
   。 ８、特許請求の範囲第１項において、該拡散抵抗体に酸
   素を供給する動作を、エンジンのアイドル運転時に空燃
   比を既知の量だけ強制的に変化させ、その時の出力値よ
   りセンサの出力のドリフトを検出し、ドリフトが一定値
   以上と判断された場合に、行うことを特徴とした空燃比
   センサ。