KR910006224B1 - 공연비 검출장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

공연비 검출장치

제1도는 본원발명을 적용하는 내연기관의 전체시스템도.

제2도∼제5도는 본원발명의 일실시예의 구성도와 동작설명도.

제6도∼제8도는 본원발명의 다른 실시예의 구성도와 동작설명도.

제9도∼제18도는 본원발명의 셀의 변형예의 구성도.

제19도∼제22도는 본원발명의 기타의 실시예의 구성도와 동작설명도.

제23도∼제28도는 본원발명의 또다른 실시예의 구성도와 동작설명도.

제29도, 제30도는 본원발명의 다른 실시예의 구성도와 동작설명도.

본원발명은 자동차의 배기가스 성분으로부터 현재 운전상태의 공연비(空燃比)를 검출하는 공연비 검출장치에 관한 것이며, 특히 연료의 고농도 혼합역(混合域)으로부터 희박 혼합역까지의 전체운전 영역에서의 공연비를 검출하는데 적당한 자동차용 공연비 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로 사용되고 있는 공연비 검출장치는, USP 4210510에 기재된 바와 같이 대관형(袋管型)산소센서의 구조를 가지고 있다. 지르코니어 고체 전해질의 양측에 백금전극이 장치되고 이 백금전극의 한쪽은 대기속으로 다른쪽의 백금전극은 배기가스속에 노출되는 것이다. 이 대관형 산소센서는, 대기를 기준으로 하며, 이것과 배기 가스중의 산소분압차(分壓差)에 따라서 계단형상으로 발생하는 기전력 E의 급변점(急變点)(일반적으로 이론공연비라 불리우며 공기과잉을 λ=1의 점)에 의해서 공연비의 검출을 하는 것이다. 그러나, 이 센서는 λ=1의 점보다 큰가 작은가를 검출할 뿐이고 λ〉1의 리인영역, λ〈1의 리치영역에 있어서 변화하는 공연비 상태를 검출하는 것은 아니다.

그래서 근년에 USP 4292158에 기재되어 있는 바와 같이 배기가스중의 산소농도를 측정하고 이것에서 공연비의 검출을 하는 것이 개발되어 있다. 이 공연비 검출장치는 지르코니어 고체 전해질의 양면에 백금전극이 장치되어 있으며, 한쪽면에는 공간확산실을 가진 예를 들면 캡이 장착되어 있다. 이 캡에는 산소가스가 유입하기 위한 확산공이 형성되어 있다. 이 공연비 검출장치 전체는 배기가스중에 노출되는 것으로, 지르코니어 고체전해질의 성질을 사용한 산소펌프 현상을 이용하고 있다. 셀의 양전극 사이에 일정한 전압을 인가해두고 펌프전류 I_p의 변화를 측정하면 이 펌프전류 I_p의 양과 분위기의 산소농도가 비례관계가 됨으로서 공연비 λ의 검출이 가능해진다.

그러나, 이 센서에 대해서는 리인영역(λ〉1)에서의 공연비 검출은 가능하나, 이론공연비의 검출은 할 수 없다.

그래서, 본원 발명자들은, 두가지 검출수단을 일체적으로 결합시킨 장치를 개발하고 있든바, 두 검출수단이 서로 간섭하여, 리인영역 공연비와 이론공연비의 검출 정밀도가 나쁜 것을 발견하였다.

본원발명의 목적은, 리인공연비와 이론공연비를 정밀도 좋게 검출할 수 있는 공연비 검출장치를 제공하는데 있다.

본원발명의 다른 목적은, 리인공연비로부터 리치공연비까지 검출할 수 있는 공연비 검출장치를 제공하는데 있다.

본원발명은, 리인셀과 이론공연비셀의 각기 한쪽의 전극을 공통으로 한 것이다.

그리고 본원발명은, 리인셀의 인가전압이나 이론공연비셀의 인가전압을 제어해서, 리치공연비도 측정 가능하게 한 것이다.

최초로, 본원발명의 공연비 검출장치를 사용하는 내연기관의 공연비 제어장치의 개략적인 구성에 대해서 제1도를 사용해서 설명한다.

공연비셀(100_C)과 센서구동회로(100_D)로 이루어진 공연비 검출장치(100), 에어프로우센서(102), 수온센서(103), 크랭크샤프트센서(104)등의 센서로부터의 기관정보를 콘트로올유니트(105)에 거둬들여, 연료분사밸브(106), 이그니선코일(107), 아이들 스피이드 콘트로올밸브(108), 배기가스 환류제어밸브(109)나 연료펌프(110)등을 제어하는 시스템의 일례를 나타낸 것이며, 공연비센서(100)는 이 시스템의 중요한 디바이스로 되어 있다. 공연비 검출장치(100)는, 배터리(101)로부터 전압을 공급받아, 동작한다.

종래의 내연기관은 가속등의 힘을 필요로할때(이 경우는 리치영역으로 제어)를 제외하고, 이론공연비(공연비 A/F=14.7, 공기과잉율 λ=1)로 제어되고 있었다. 이것은 공연비 검출장치로서 실용에 제공되는 것이 이론공연비 센서밖에 없었든 것이나 배기가스 대책에 의하기 때문이다. 연료효율은, 연료의 희박측 즉, 리인측에서 최대로 되는 것이 알려져 있다. 그러므로, 적어도 아이들이나 경부하영역 등에서는 엔진을 리인제어 하는 것이 바람직하며, 이 영역의 공연비를 고정밀도로 검출할 수 있는 리인센서가 중요하다.

본원발명의 일실시예에 대해서 제2도를 사용해서 설명한다. 이 셀이 배기가스 분위기내에 노출되면, 확산로(130),(131)를 통해서 확산실(128),(129)내로 배기가스중의 가스가 확산해서 유입한다. 리인셀(127)에 전압(E_L)을 여기(

起)하면, 확산실(128)내로 확산해서 유입된 산소가스는 음극(123)부에서 산소이온(O^--)으로 환원된다. 설정전압(e_s)은 제너다이오우드(Zenerdiode)(138), 저항(139)와 저항(140)에 의해서 결정된다. 산소기준극(126)의 기전력(e_o)이 설정전압(e_s)에 같아지도록, 리인셀(127)의 여기전압(E_L)이 제1의 증폭기(134), 트랜지스터(135)를 통해서 피이드백 제어된다.

이 산소이온은 커다란 화살표로 나타낸 바와 같이, 지르코니어 고체전해질(120)내를 양극(124)부로 향해서 이동한다. 그리고, 양극(124)부에서 산화되어서 다시 산소가스로되어, 배기가스중으로 방출된다. 리인셀(127)에 전압(E_L)을 여기해서, 지르코니어 고체전해질(120)중을 흐르는 산소이온의 양은 전류검출저항(132)부의 차(差) 전압에서 펌핑전류치(I_p)로서 계측된다. 리인셀(127)의 펌핑전류치(I_p)는 확산율속(律速)에 따른 한계 전류치라 불리우며, 다음식에 나타낸 바와 같이 배기가스중의 산소분압(농도)(P₂)에 비례한다.

여기서, F는 파라데(Faraday)상수, D는 산소가스의 확산정수, R은 기체정수, T는 절대온도, S는 확산로(130)의 가로단면적, ι은 그 길이이다. 이와 같이, 리인기능은 배기가스중의 잔존산소농도(P₂)로부터 희박연소영역의 공연비를 선형(線形)으로 검출하는 것이다.

다음으로, 스토익 기능에 대해서 설명한다. 전류원(바람직한 것은 정(定)전류원)으로부터 전류치(I_p ^*)를 산소기준극(126)과 음극(123)사이에 통전한다. 산소기준극(126)으로의 여기전류치(I_p ^*)는 여기전류 조정저항(137)의 저항치(R_λ)에 따라 결정된다. 그러면, 확산로(130)를 통해서 확산실(128)내로 확산율속으로 유입된 산소가스의 일부는 음극(123)부에서 산소이온(O^--)으로 환원되고, 지르코니어 고체전해질(120)중을 산소기준(126)부로 향해서 이동하고, 이 산소기준극(126)에서 산화되어서 다시 산소가스로 되어, 확산실(129)내로 방출된다. 확산로(131)의 저항을 (ι/S)은 확산로(130)의 그것보다, 적어도 10배 이상의 크기가 되도록 제작되어 있기 때문에, 확산로(131)를 통해서 확산실(129)내로 유입되는 가스의 양은 대폭적으로 제한된다. 이결과, 리치영역에 있어서도 확산로(131)을 통해서 확산실(129)내로 확산 유입하는 일산화탄소의 양은, 전류원으로부터의 여기전류(I_p ^*)에 의해서 확산실(129)내로 방출되는 산소의 양보다 낮은 값이 된다. 그러므로, 공기과잉율(λ)에 의존하지 않고 확산실(129)내의 산소농도는 어느 수준 이상으로 되어 있다.

지금, 산소기준극(126)부의 기전력(e_o)이 설정전압(e_s)(필요에 따라서 0.2∼1볼트의 값으로 선택된다)과 같아지도록, 제1의 증폭기(134) 트랜지스터(135)를 통해서 리인셀(127)의 여기전압(E_L)이 피이드백 제어된다. 즉, 산소기준극(126)과 음극(123) 사이의 산소 분압비가 큰 값으로 피이드백 제어되기 때문에, 음극(123) 계면부의 산소농도를 실질적으로 0으로 한다. 이결과, 음극(123)부의 펌핑능력이 전기적으로 본상되므로, 리인셀(127)은 전극의 열화(劣化)를 받기 어려워져서, (1)식이 엄밀하게 재현되고 리인기능의 신뢰성이 향상한다. 이론공연비로 확산로(130)를 통해서 확산실(128)내로 확산해서 유입하는 산소가스와 일산화탄소 가스량은 화학량논적으로 같아지기 때문에, 이스토익 점에서 I_p는 0이 된다. 따라서, 제1의 증폭기(134)의 출력전압(E_A)과 리인셀(127)의 여기전압(E_L)은 계단 형상으로 저하해서 0이 된다. 이때, 산소기준극(126)과 양극(124)사이의 차전압(△V)은 계단 형상으로 0에서 1볼트 오우더로 변화한다. 따라서, 계단형상으로 변화하는 신호(△E,E_A,E_L)중의 하나를 이용해서, 스토익점을 고정밀도로 검출할 수가 있다. 이중에서 △V를 이용할 경우에 대해서 다음과 같이 설명한다. 양극(124)부로 보호막(125)을 통해서 유입해오는 산소와 일산화탄소는, 양극(124)의 촉매작용(백금계의 전극 재료이므로)에 의해서 (2)식의 반응이 진행된다.

이결과, 산소와 일산화탄소의 양이 화학량논적으로 같은 이론공연비에 있어서, 양극(124)계면의 산소농도는 실질적으로 0이 된다. 이것에 대해서, 산소기준극(126) 계면의 산소농도는 공기과잉율에 의존하지 않고, 어느 수준 이상으로 되도록 전기회로에서 피이드백 제어되어 있고, 차전압(△V)은 스토익 점에서 계단 형상으로 변화한다. 양극(124)의 계면과 산소기준극(126)의 계면에 있어서의 산소분압을 각각 P_Ⅰ,P_Ⅱ로 하면 차전압(△V)은

으로 표시된다. 여기전류치(I_p ^*)는 충분히 작을 것, 공연비센서는 히이터(122)로 약600℃ 이상의 고온 정(定)온도로 가열제어 되기 때문에 지르코니어 고체전해질(120)의 저항치(r)는 작으므로, (3)식 우변 제2항의 오옴손과(損過) 전압(rI_p ^*)은 무시할 수 있는 값이 된다.

여기전류치(I_p ^*)는 리인셀(127)의 출력전류치(I_p)에 비교해서 충분히 작은 값이며, 리인 기능의 계측정밀도에 아무런 영향을 미치지 않는다.

그리고, 이 예에서는, 또 하나의 개량점이 포함되어 있다. 증폭기(141)와 스위치(142)는, 없어도 전체는 동작하나, 이것을 부가함으로써 스토익점 검출의 S/N비가 향상된다. 즉, 제1의 증폭기(134)의 출력전압(E_A)이 설정전압(e_s)보다 작아진 것을 검출하는 제2의 증폭기(141)을 장치하고, 제2의 증폭기(141)의 출력신호에 의해서 리인셀(127)의 양극(124)과 음극(123)사이에 병렬적으로 접속한 스위치(142)를 온상태로 한다. 도면중의 스위치(142)에는 트랜지스터의 경우를 나타내고 있으나, MOS 형의 것이라도 된다. 후술하는 바와 같이, 스토익점 근방의 리인측의 공기과잉율(λ^*)이하에서 제1의 증폭기(134)의 출력전압(E_A)은 0으로 되기 때문에, 상기 공기과잉율(λ^*) 이하에서 트랜지스터형의 스위치(142)는 온상태로 되고, 리인셀(127)의 양극(124)과 음극(123)은 전기적으로 접속된다. 스위치(142)가 온상태로 되면, 여기전류(I_p ^*)에 의한 산소이온(O^--)흐름은 리인셀(127)의 양극(124)부에서도 산소기준극(126)부로 향하게 된다. 이 산소펌프작용에 의해서, 양극(124)부의 촉매작용이 향상되고, (6)식의 반응이 활발하게 진행한다. 이결과, 양극(124)계면의 산소농도가 리치영역의 공연비에서 극단적으로 작아지고, 상기 경사 특성이 개선된다.

이 구성에 의한 공연비 검출장치 특성의 측정예를 제3도에 나타낸 바와 같이 스토익점에 있어서의 신호의 변화폭은(E_O)와 (E_L)함께 커져서, 리치영역에 있어서의 완만한 경사 특성이 개선되어 있다. 그리고, λ〈1 이하의 리치영역에 있어서의 리인셀의 여기전압(E_L)은 당연한 것 같이, 0볼트 수준까지 저하한다.

그리고, 스위치(142)의 온에 의해서 양극(124)부으로부터 산소기준극(126)부로 산소이온 흐름을 향하게 하는 것은, 스토익 기능의 S/N비를 향상시키는 외에도, 다음과 같은 효과를 발생시킨다. 리치영역에 있어서의 배기가스 분위기중의 산소농도는 저농도이다. 따라서 여기전류(I_p ^*)에 의해서 확산실(129)내에 충분한 산소를 공급하는데는 새로운 산소이온 공급원이 되는 전극의 증가가 필요해진다. 이점, λ〈1의 리치영역이며, 양극(124)은 이 새로운 산소이온 공급원으로서 작용한다. 이결과, 리치영역에 있어서의 음극(123)계면부의 극단적인 산소농도의 저하를 방지할 수 있고, 지르코니어 고체전해질(120)이 전자 전도영역으로 돌입하는 일은 없어진다. 그러므로, 공연비센서의 내구성의 열화나 정밀도의 저하가 적어지며 신뢰성이 향상된다.

그리고, 제1의 증폭기(134)의 출력전압(E_A)도 수토익센서의 출력신호로서 사용하는 것이 가능해진다.

리인셀(127)의 여기전압(E_L)을 피일드백 제어함으로써, 리인셀 응답성의 개선에 매우 큰 효과가 얻어진다. 이 결과를 제4∼8도를 사용해서 보다 상세하게 설명한다.

리인셀(127)의 V-1 특성을 제4도에 나타낸다. 여기전압(E)에 의해서 지르코니어 고체전해질속을 펌핑하는 전류치의 특성을 나타낸 것이다. 여기전압(E)이 커짐에 따라서, 펌프전류치(Ⅰ)는 점차로 증가하고, 일정한 값으로 포화(飽和)한다. 이 포화전류치(I_P)가 (1)식에 의해서 정해지는 한계전류치이다. 그리고 여기전압(E)을 크게하면, 지르코니어 고체전해질은 전자 전도성을 나타내게 되고, 전류치(Ⅰ)는 급격하게 증가한다. 따라서 리인센서의 경우는 이 포화전류치(I_P)를 검출할 필요가 있고, 리인셀 구동시의 여기전압(E_L)은 이 도면에서 적당한 값으로 설정된다. 제3도에 나타낸 회로구성의 경우, 리인셀(127)의 여기전압(E_L)은 공기과잉율(λ)에 의존함이 없이(단 λ〉1의 영역에 있어서), 특성곡선(a)으로 나타낸 바와 같이 대충 일정하게 설정되어 있다. 여기전압(E_L)을 특성곡선(b)으로 나타낸 바와 같이, 공기잉여율(λ)에 따라서 조금씩 크게하면, 리인센서의 응답성이 현저하게 개선되는 것을 실험적으로 확인하였다.

이 현상을 제5도에 설명한다. 공연비센서 분위기의 공기과잉율에 변화가 없어도, 펌프전류치(Ⅰ)가 포화전류치(한계전류치)를 나타낸 범위내에서 여기전압(E_L)을 스텝형상으로 변화시키면, (E_L)의 미분파형과 같은 특성이 출력전류치(I_P)에 가산된다. 이 현상을 리인센서의 응답성의 개선에 사용하고저하는 것이다. 그리고, 실험에 의하면 출력전류치(I_P)의 변화폭(△I_P)의 크기는 여기전압(E_L)의 변화폭(△E_L)의 크기에 거의 의존하는 것을 알았다.

본원발명에 따른 자동차용 공연비 검출장치의 전체구성의 다른 실시예를 제6도에 나타낸다. 제1의 증폭기(134)의 출력전압(E_A)부를 저항(145)을 통해서, 설정전압(e_s)의 결정부에 프라스(+)귀환시킨 것에 특징이 있다. 그리고, 저항(146)과 콘덴서(147)로 된 적분회로는 공기과잉율(λ)이 급변했을때에 상기 프라스귀환회로에 기인해서 리인센서의 출력신호(e_L)에 발생하는 과도적인 발진현상을 방지하기 위한 것이다.

제6도에 나타낸 구성에 따른 공연비 검출장치에서는, 설정전압(e_s)은 리인측의 공기과잉율(λ)에 따라서, 0.75볼트에서 0.80볼트로 가변적으로 큰 값으로 되어 있다. 이결과, 리인셀(127)의 여기전압(E_L)은 제4도의 특성곡선(b)에 나타낸 바와 같이, 공기과잉율(λ)에 따라서 자동적으로 커다란 값으로 피이드백 제어된다. 이와 같이 해서 리인셀(127)의 여기전압(E_L)을 가변으로 해도 리인센서의 출력신호(e_L) 스토익센서의 출력신호로서 사용 가능한 신호(E_O)와 (E_L) 함께 히스테리시스가 작고 양호한 특성을 나타낸다.

리인측에서 설정전압(e_s)를 가변(즉; 리인셀의 여기전압 E_L을 가변)으로 하였을 때의, 리인센서 출력신호의 응답성 개선효과의 실측예를 제7도에 나타낸다. 도면은 공기과잉율(λ)을 1.1에서 1.3으로 스텝형상으로 변화시켰을 때, 차동증폭기(43)의 출력전압인 리인센서의 출력신호(E_L)가 어떻게 변화하는가를 나타낸 것이다. 도면에서 특성 a는 공기과잉율(λ)에 의존하지 않고 리인셀(127)의 여기전압(E_L)을 일정하게 했을 경우이다. 특성 b는 공기과잉율(λ)에 따라서 여기전압(E_L)을 적당하게 가변적으로 크게 했을 경우이며, 그 응답성은 특성 a의 경우의 약 절반으로 개선되는 것을 알았다. 이결과, 리인센서의 시상수(τ)는 약 16ms로 작고, 기통별 공연비를 판별할 수가 있고, 비정상의 공연비 제어를 행하는 것이 가능해졌다. 그리고, 공기과잉율(λ)에 대한 여기전압(E_L)의 변화폭을 크게 하면, 과도특성은 C 특성으로 나타낸 바와 같이 오우버슈우트 현상을 발생하여 바람직하지 못한 일이 된다.

다음으로, 리인센서의 내구성의 실측예를 제8도에 나타낸다. a특성은 리인셀 단체(單體)의 시간적 경과변화를 나타낸 것이며, 음극(123)부의 펌핑능력의 저하에 따라 그 출력신호는 점차로 저하하는 것을 알았다. 그러나, 본원발명과 같이 산소기준극(126)부의 기전력(e_o)이 설정전압(e_s)과 같아지도록, 리인셀(127)의 여기전압(E_L)을 피이드백 제어하는 구성은, 시간적 결과로 음극(123)부의 펌핑능력의 저하를 부상하도록 작용한다. 이결과, 본원발명에 의할 경우, 리인센서의 출력신호의 변화는 b특성으로 나타낸 바와 같이 작아지고, 내구성의 개선에도 큰 효과가 있었다.

다음으로, 스토익기능의 내구성이나 수득율의 향상 대책에 대해서 설명한다.

히스테리시스가 작고, 리치영역에서의 레벨저하도 없는 적당한 스토익기능을 얻는데는 적절한 여기전류치(I_p ^*)를 설정할 필요가 있다. 따라서 설정전압(e_s)을 스토익 점에서 계단형상으로 변화시켜서, 리치측에서 저레벨, 리인측에서 고레벨로 설정함으로서, 이들 문제점에 대응할 수가 있다. 즉, 후술하는 바와 같이 여기전류치(I_p ^*)가 0.05mA로 작을 경우도, 양호한 스토익기능을 얻는 것이 가능해진다. 그리고, 리인셀(127)로 한계전류치(I_p)를 고정밀도로 검출하기 위해서는 여기전압(E_L)을 어떤 수준 이상으로 할 필요가 있으며, 리인측에서의 설정전압(e_s)을 너무 작은 값으로 할 수는 없다.

그리고, 스토익 점에서 설정전압(e_s)을 계단형상으로 변화시키는 것은 스토익 기능의 내구성에서도 유리하다. 즉, 시간적경과로 양극(124)부의 촉배작용이 열화하거나, 확산실(129)부에 마이크로클랙이 발생하거나 하면 리치측에서의 기전력이 저하하는 것이 예상되기 때문이다.

설정전압(e_s)을 스토익점에서 계단형상으로 변화시킬 구성의 일실시예를 제6도에 나타내고 있다. 앞에서 설명되어 있지 않은 저항(149),(150)을 새로히 부가 함으로써, 제1의 증폭기(134)의 출력전압으로 하였다. 그리고, 이 점을 저항(151), 제너다이오우드(도면에서는 3V용)을 통해서 접지점에 접속하였다. 저항(151)제너다이오우드(152)사이의 전압을 저항(145)를 통해서 설정전압(e_s) 결정부에 프라스 귀환시킴으로써 리인영역에서의 설정전압(e_s)의 변화폭을 억제하고, 스토익점에서의 변화폭을 크게할 수가 있다.

콤퍼레이터(148)는 스위칭 형상의 스토익신호(e)를 발생시키는 것이다. 즉, 저항(153)과 (154)에 의해서 결정되는 슬라이스레벨(e_a)보다 전압(E_A)이 작아졌을 때, 고레벨의 전압신호(e)를 발생시키는 것이다.

다음으로, 3전극 구조의 여러 가지의 예에 대해서 이하 제21도∼제30도에 의해서 설명한다.

제9b, c도는 각각 제9a도의 A-A, B-B화살표이다. 제9도에서 지르코니어 고체전해질(120)의 중앙에 알루미나등의 절연부재(121)로 둘러싸여진 히터(122)가 있고, 그 상부의 지르코니어 고체전해질(120)에는 음극(123), 양극(124), 다공질형상의 보호막(125), 하부의 지르코니어 고체전해질(120)에는 산소기준극(126)이 설치되어 있다. 그리고, 지르코니어 고체전해질(120), 음극(123)과 양극(124)으로된 부분은 후술하는 바와 같이, 리인기능을 가진 부분이며, 리인셀(127)이라 부르기도 한다. 음극(123)과 산소기준극(126)은 각각 확산실(128),(129)내에 배치되고, 틈새형상의 확산로(130),(131)을 통해서 피측정분위기인 배기가스와 접촉한다. 가스확산 저항체인 확산로(130)과 (131)의 저항율의 크기는, 후자(즉, 산소기준극(126)과 연통하는 쪽) 쪽이 적어도 전자의 수십배 이상의 크기로 제작되는 것이 바람직하다. 즉 확산실(129)내에는 배기가스 분위기중에서 가스가 유입하기 어렵도록 제작된다. 후술하는 바와 같이, 산소기준극(126)부의 산소농도를 산소펌프작용으로 제어함으로써 이론공연비를 검출하는 원리이기 때문에, 기준대기의 도입통로등은 불필요하며, 센서의 구조는 복잡하게 안된다. 또한 비촉매성의 전체전극등을 사용하는 일없이, 센서의 3전극(음극(123), 양극(124), 산소기준극(126)) 모두 모든 내구성이 좋은 백금계의 고융점 재료로 구성할 수가 있다.

이결과, 도면에 나타낸 검출부의 전체구조를 후막(厚膜)프로세서 기술로 적층하고, 약 1500℃의 고온으로 동시에 일체 소결(燒結) 하는 것이 가능해지고 공연비셀의 양산성이 향상된다. 이때, 확산로나 확산실은 탄소계의 유기바인더의 소각법에 의해서, 일체 소결시에 동시에 형성된다. 그리고, 대기도입로가 없기 때문에, 히터(122)로 지르코니어 고체전해질(120)을 직접적으로 가열할 수 있으므로, 히터(122)의 열효율을 향상시킬 수 있다. 이때, 검출부의 적층제는 히터(122)에 대해서 상하 대칭구조로 되어 있고, 검출부의 온도분포에 뛰어나고, 고온의 정온도로 높은 정밀도로 제어할 수가 있으므로, 온도 영향이 적은 고정밀도의 공연비 검출장치를 제공하는 것이 가능해진다.

다른예를 제10도에 나타낸다. 제10도에 나타낸 것은, 제9도에 있어서의 틈새형상의 확산로(130),(131)가 구멍이 뚫린 상태의 확산공으로 된 것이다.

이들 확산로(130),(131)는 폴로시티가 높은 다공질형상의 것이라도, 원리적으로는 아무런 지장이 없다.

그리고, 제9도와 제10도에 나타낸 것은 검출부의 우단부를 생략하고 있으나, 이 우단부는 적당한 형상의 마개몸체에 고정되고, 이 마개몸체를 통해서 배기관에 장착된다.

제11도∼제18도에, 기타의 실시예를 나타낸다.

제11도는 산소기준극(126)이 확산실(129)의 상방부에 배치된 것에 특징이 있다. 그리고 확산로(130),(131)은 상기와 같이 모식적으로 나타내고 있다.

제12도는 제11도에 나타낸 확산로(131)가 다공질의 부재로 구성되었을 경우이다. 이 경우, 다공질부재는 보호막(125)보다 대폭적으로 두텁거나, 또는 다공도가 나쁜 재료로 구성된다.

제13도는 제12도에 나타낸 확산로(131)이 리인셀(127)측에 배치되었을 경우이다. 도면에서 산소기준극(126)은 2개인 것같이 생각될지 모르지만, 평면적으로는 접속되어 있고 공연비센서는 역시 실질적으로 3전극 구조인 것에 주의를 기울여 주기 바란다.

제14도는 제13도에 있어서의 보호막(125)과 확산로(131)의 상대적인 배치가 반대로 되었을 경우이다.

제15도는 확산실(128)부에 다공질형상의 확산로(131)를 통해서 산소기준극(126)을 배치했을 경우이다.

제16도는 제15도에 있어서의 확산로(131)가 없을 경우이며, 정밀도는 저하하나 원리적으로는 복합센서로서의 기능을 갖는다.

제17도는 제13도와 제14도의 중간적인 배치의 실시예이다.

제18도는 제17도에서 절연층적인 절연부재(121)가 알루미나 기판등의 기판형상의 절연부재(136)로 구성되었을 경우이다.

이상 실시예와 같이, 동일 지르코니어 고체전해질상에 형성한 3전극 구조로 히터를 내장한 공연비 검출장치이며 각 전극간의 산소이온 흐름의 방향이나 리인셀과 병렬로 배치한 스위치의 구동방법이나 산소기준극 기전력의 피이드백 제어와 그 설정방법에 의해서, 다음에 나타낸 효과가 얻어진다.

(1) 공연비 검출장치의 구조와 그 구동회로의 구성이 간단해진다.

(2) 공연비 검출장치의 정밀도나 신뢰성이 향상된다.

(3) 공연비 검출장치의 응답성이 향상된다.

(4) 후막일관(厚膜一貫) 프로세스와 검출부의 동시, 일체 소결 프로세스가 가능해지고 공연비 검출장치의 양산성이 향상된다.

(5) 공연비 검출장치의 조정방법이 간단해지고, 수득율이 향상된다.

다음으로, 본원발명에 관한 공연비 검출장치의 다른 실시예에 대해서 제19도를 사용해서 설명한다.

도면에서, 지르코니어 고체전해질(1)의 단면형자상(斷面形字狀)은 도시한 바와 같이 형성되어 있고, 3개의 층(1A),(1B),(1C)를 형성하고 있다. 이 층(1A)에는 층(1A)를 끼듯이 한쌍의 백금전극(2),(3)이 설치되어 있다. 또한, 층(1C)에 백금전극(6)이 설치되어 있다. 이 층(1A)와 층(1B)에 의해서 확산실(8)이, 층(1B)와 층(1C)에 의해서 확산실(9)이 각각 형성되어 있고, 이 확산실(8)에는 가스확산공(10)이 그리고, 확산실(9)에는 가스확산공(11)이 각각 형성되어 있다. 도면중 지르코니어 고체전해질(1)의 층(1A)과 백금전극(2),(3)에 의해서 공연비 검출셀을 구성하고 있다. 그리고 지르코니어 고체전해질(1)의 층(1C)과 백금전극(5),(2)에 의해서 이론공연비 검출셀을 구성하고 있다. 본 실시예는 이 양셀이 일체화 된 구조를 갖는 것이며, 전체가 배기가스 중에 노출된다.

다음으로 본 실시예의 동작에 대해서 설명한다. 여기서, 제19도의 실시예의 구체적인 동작을 설명하기 전에, 제20도의 주요부를 나타내는 제20도에 의해서 기본적 동작을 설명한다. 여기서는, 제4의 전극(7)을 설명하기 위해 추가되어 있다.

먼저, 공연비 검출셀의 리인영역에서의 동작을 설명한다. 공연비 검출셀의 리인영역에 있어서는, 백금전극(3)을 양극, 백금전극(2)을 음극으로 여기 전압원(12)으로부터 전압(V_B)(예를 들면 0.5V)를 인가하면 확산실(8)내에 존재하는 산소는 백금전극(2)에 의해서 환원되어 이온화하고, 지르코니어 고체전해질(1)의 층(1A)내를 지나, 양극(백금전극(3)) 쪽으로 이동한다. 이 이온화한 산소는 백금전극(3)에서 산화되고, 다시 산소로되어 백금전극(3)쪽에서 배기가스 중으로 방출된다. 확산실(8)에는 가스확산공(10)을 통해서 배기가스 중의 산소가 유입해 온다. 이 백금전극(3)으로부터 배기가스 중으로 방출되는 산소량과 확산실(8)내에 가스확산공(10)으로부터 유입되는 산소량이 균형에 잡혔을때에 얻어지는 펌프전류(I_P)(한계전류)는 제21도에 나타낸 바와 같이 산소농도에 비례한 값이 된다. 따라서, 배기가스 중의 산소농도는 검출할 수가 있다.

다음으로, 공연비 검출셀의 리치영역에서 동작을 설명한다.

리치영역에 있어서의 배기가스 중의 산소량은 아주 적은 양이지만, 일산화탄소(CO)는 리치영역 즉 공기과잉(λ)이 작아질수록 증대된다. 따라서 확산시(8)내에서는 일산화탄소(CO)와 산소(O₂)와의 사이에서

라는 반응이 이루어진다.

따라서 이 (4)식의 관계에서 리치영역에서는, 리인영역과는 반대로 산소를 확산실(8)내로 공급해서 확산실(8)내로 확산되어 오는 CO₂와 반응시킴으로써 CO의 양에 따라서 흐르는 펌프전류(I_P)는 변화한다. 따라서, 이 펌프전류(I_P)의 값에서 CO량을 검출할 수가 있고, 제21도에 나타낸 바와 같이 공기과잉을 (λ)을 검출할 수가 있다.

이것을 행하는데는, 백금전극(2),(3)에 인가하는 전압의 극성을 리인영역과는 반대 즉 백금전극(2)을 양극, 백금전극(3)을 음극으로 하고, 여기 전압원(12)에서 전압(V_B)을 인가함으로써 실현할 수가 있다.

한편 이론공연비 검출셀은 전체 공연비역에서 백금전극(6)을 양극, 백금전극(2)을 음극으로 해서 정전류(I_PC)를 통류하고, 이것에 의해서, 확산실내(9)에는 산소가 공급되게 된다. 확산공(11)의 크기는 확산공(10)에 비해서 작기 때문에, 확산실(9)내는 산소로 채워지고, 대기와 같은 상태로 된다. 따라서, 공연비 검출셀의 확산공(10)의 면적(d₁)과 이론공연비 검출셀의 확산공(11)의 면적(d₂)와의 확산공의 면적비 d₁/d₂는,

의 관계를 갖는 일이 필요하다. 이 결과, 이론공연비점 λ=1의 점에서 네른스트의 식으로 알려진 약 1볼트의 기전력(E₁)이 양전극간에 발생하는 것에, 이 기전력(E₁)의 발생점을 검출함으로써 제21도에 나타낸 바와 같이 이론공연비점 λ=1의 검출이 가능해진다.

이상으로부터, 전체 운전영역에서의 공연비를 검출하는데는, 리인영역에서는 프라스의 여기 전압(V_B1)(예를 들면 0.5V)을 리치영역에서는 마이너스의 여기 전압(-V_B2)(예를 들면 -0.5V)를 인가함으로써 공기과잉(λ)에 대응한 펌프전류(I_P)를 얻을 수 있다. 여기서 여기 전압(V_B1),(-V_B2)의 극성반전의 타이밍은 이론공연비 검출셀에 의해서 생기는 기전력(E₁)을 절환타이밍신호로서 사용하면 된다.

여기서, 제19도는 되돌아가서, 본 실시예에 대해서 설명한다.

도면에서, (V_r)은 자동차의 배터리(101)등의 기준 전압원(20),(21)은 기준 전압원에 접속되는 저항기, (T_R)는 코렉터가 저항기(20),(21)의 접속점에 접속되고 이미터가 접지되는 npn형 트랜지스터, A₁은 (+)입력단을 트랜지스터(T_R)의 코렉터에 출력단을 (-)입력단에 접속되는 연산증폭기, (23)는 연산증폭기(A₁)의 출력단에 접속되는 펌프전류 검출저항, (C₁)은 (+)입력단을 백금전극(6)의 출력(E)에 (-)입력단자가 한계전압(V_th) (예를 들면 1볼트의 전압)에 접속되는 콤퍼레이터, (24), (25), (26), (27), (28), (29)는 저항기, A₂는 (+)입력단자가 저항기(24), (25), (26)의 접속점에 (-)입력단자가 저항기(27), (28), (29)의 접속점에 각각 접속된 연산증폭기, V_b는 셀을 구동하는 여기 전압레벨의 기준이 되는 바이어스전압원, V_IP는 출력이다. (30)은, 저항기, (31)은 기준 정전압을 얻기 위한 제어다이오우드, (32)는 제너다이오우드(31)의 정전압에 의해서 정전류(I_PC)를 얻기 위한 저항기, (33)과 (34)는, 제너다이오우드(31)의 정전압을 분압하는 저항기이다. 저항(20), (21), (30), (32), (33), (34)와 제너다이오우드(31)에 의해서 기준이 되는 전압이나 전류를 형성하는 전원회로(35)를 구성하고 있다. 저항(24), (25), (26), (27), (28), (29)와 연산증폭기(A₂)에 의해서 출력신호처리를 위한 가감산회로(36)를 구성하고 있다. 콤퍼레이터(C₁)와 트랜지스터(T_R)에 의해서 전압제어회로를 구성하고 있다.

이와 같이 본원 발명에 관한 와이드렌지 공연비 검출장치는 구성된다.

다음에 제19도에 나타낸 구체적 실시예의 동작에 대해서 설명한다.

상기와 같이 전체 운전역에서의 공연비를 검출하는데는 공연비 검출셀의 여기 전압을 이론공연비점(λ=1)에서 (V_B1),(-V_B2)과 극성을 바꿀 필요가 있다.

따라서, 공연비셀의 여기전압은 접지레벨에 포함시키면 3전압원의 필요해진다. 그러나, 자동차는 단극성의 배터리 전원이기 때문에, 셀의 여기전압의 기준 바이어스법에 의해서 양극성 전압을 얻고 있다. 3전압원은 기준 전압(V_r), 저항기(20), (21), 트랜지스터(T_R), 바이어스전압(V_b), 콤퍼레이터(C₁)에 의해서 만들어진다. 즉, 리인영역에서 이론공연비셀의 출력(E)이 한계전압(V_th)보다 작을 때, 콤퍼레이터(C₁)의 출력은 저레벨이며, 트랜지스터(T_r)는 겉오프된다. 리치영역에서, 셀의 출력(E)이 전압(V_th)보다 클 때, 콤퍼레이터(C₁)의 출력은 고레벨이며 트랜지스터(T_R)는 온이 된다. 따라서 바이어스전압원(V_b)외에 트랜지스터(T_R)가 겉오프인때 (V_B1'), 트랜지스터(T_R)가 온인때, 접지레벨이 되고, 3전압원의 대소관계는 V_B1'〉V_b〉0이 된다. 여기서 예를 들면, V_B1'은 1V,V_b는 0.5V에 선택되어 있다. 고로, 리인영역에서는 연산증폭기(A₁)의 출력은 (V_B1)로 되고 백금전극(3)을 하이포텐셜로서 (V_B1')에서 (V_b)로 전류가 흐른다. 이때, 양전극간의 여기전압은 V_B1=V_B1'-V_b(단, 저항기(23)의 전압강하는 작아서 무시했을때)의 값으로 되는 것은 말할 나위도 없다. 그리고 리치영역에서는 백금전극(3)은 접지레벨로 되고 백금전극(2)을 하이포텐셜로 하고(V_b)(상기 -V_B2에 해당)에서 전류가 흐른다. 이것들에 의해서, 확산실(8)내에 산소의 공급, 또는 빼내기가 이루어진다. 그리고 연산증폭기(A₁)의 출력을 리인영역에서 (V_B1') 또는 리치영역에서 접지레벨로 하는 것은, 이론공연비셀의 기전력(E)(0.6V∼1.4V)이 한계전압(V_th)(여기서는 1V의 값으로 한다)보다 큰가 작은가를 콤퍼레이터(C₁)로 비교하고, 클때에 현재 운전상태가 리치로 판정하고, 작을 때 리인으로 판정하며, 트랜지스터(T_R)의 온-오프를 제어한다.

리인, 리치에 있어서의 공연비에 대응해서 공연비셀에 흐르는 펌프전류(I_P)는 펌프전류 검출저항(23)의 양단의 전위차에서 검출된다. 저항기(24)∼(29), 연산증폭기(A₂)로 구성하는 가감산회로(36)는 출력신호처리를 하는 것이다.

여기서의 동작은, 지금, 저항기(24),(25),(27),(28)에 입력되는 전압을 각각 (e₂₄),(e₂₅),(e₂₇),(e₂₈)이라면 연산증폭기(A₂)의 출력(V_IP)는 다음식으로 표시된다.

여기서, K는 연산증폭기(A₂)의 개인이며, 저항기(24)∼(29)를 동저항치로 하면 K=1이 된다. 또한, 입력전압(e₂₈)은 접지레벨이기 때문에 0으로 되고, (6)식은 다음과 같이 된다.

따라서, 전체 공연비역에서의 출력(V_IP)는 리인영역에서는(V_b) 기준치에 펌프전류치에 의한 저항기(23)에 있어서의 전위차(△V_IP)가 가산된 값에, 리치영역에서는 (V_b)에서 (△V_IP)를 감산한 값이 되며, 전체공연비 범위에서 애널로그이며 연속적인 출력(V_IP)을 얻는 자동차용 공연비센서를 실현할 수 있다.

제22도에 그 특성이 나타나 있다. 이 결과, 전체공연비역, 즉 전체 공기과잉율(λ)에서 출력전압(V_IP)은 리니어한 애널로그량으로 얻을 수 있다.

다음으로 본원 발명은 기타의 실시예에 대해서 설명하기 전에, 제19도의 실시예의 이론공연비센서에 대해서 보충적으로 설명한다. 이 센서는, 고체전해질(1_c), 백금전극(6), (7), 확산실(9), 확산공(11)에 의해서 구성되어 있다. 그리고 전체가 배기가스 중에 노출되는 것으로, 전체공연비역에 걸쳐 정전류(I_PC)를 통류함으로써 확산실(9)내를 높은 산소농도로 제어를 하고, 그 기전력(E)에 의해서 공기과잉율 λ이 λ=1의 점을 검출하는 것이다. 그러나, 리치영역에서는 일산화탄소(CO)가 증대하기 때문에 확산실내로 수송하는 산소량(이것은 정전류(I_PC)량에 대응한다)이 부족하면 확산공을 유입해오는 CO에 의한 (1)식의 반응에서 기전력(E₁)은 출력저하한다. 제23도에 나타낸 특성을 정전류(I_P)와 기전력(E₁)와의 관계를 나타낸 것이다. 이 제23도에 나타낸 바와 같이 지전력(E₁)의 리치영역에서의 출력저하를 방지하는데는 λ가 작을수록 I_P를 크게할 필요가 있다.

따라서 리치전체영역에 있어서, 이론공연비셀의 기전력(E₁)이 일정해지도록 통전전류를 가변제어하면, 각 λ에 대한 가변전류(I_C)가 얻어지고 그 단계는 비례하게 된다.

제24도에 그것을 실현하는 구체적 회로가 나타나 있다. 도면에서, 연산증폭기(A₃)에 제어하는 기전력(E₁)과 같은 값의 설정전압(V_S)(예를 들면, 0.9V)을 설정하면 연산증폭기의 동작 안정조건예를 들,-입력단 전압은 같아지도록 제어하기 때문에 이론공연비셀의 기전력(E₁)과 (V_S)는 같아진다. 따라서 저항(R_C)에 흐르는 가변전류(I_C) 또는 R_C의 양단의 차전압 또는 연산증폭기(A₃)의 출력전압(V_A)등의 λ에 대한 변화량에서 이론공연비점을 포함한 리치영역 λ

1에서의 공연비를 검출할 수 있다. 그 특성이 제25도에 나타나있다. 가로축 λ에 대해서, 연산증폭기(A₃)의 출력(V_A)은 반비례하는 특성이 있다. 그리고 λ=1의 점에서 볼 수 있는 출력(V_A)의 오프세트전압은 신호처리로 간단하게 삭제할 수 있고, 또한 이것을 적극적으로 사용하면 λ=1 검출도 할 수 있다.

상기 설명한 수법과 상기 실시예에서의 리인영역 구동방법으로부터 검출 범위가 넓은 공연비 검출장치가 실현된다.

그리고 산소펌프현상을 이용하는 센서는, 하한동작 온도가 약 600℃로 고온에서 사용된다. 이 때문에, 센서에는 히터가 필요하며, 그 만큼 전극과 리이드선도 증가하기 때문에, 그 전극을 감소시키는 것은 공정면에서, 원가면에서 유리하다.

이상의 2점을 고려해서 이루어진 본원 발명의 다른 실시예에 대해서, 제26도를 사용해서 설명한다.

상기 공연비 검출셀은 지르코니어 고체전해질(50), 백금전극(51),(52)에 의해서 그리고, 이론공연비 검출셀은 지르코니어 고체전해질(50), 백금전극(53),(51)에 의해서 구성된다. 전자의 동작은 상기한 바와 같으며, 후자의 확산실(55)내의 높은 산소농도제어는 백금전극(53)을 양극, 백금전극(51)을 음극으로서 전류를 통전해서 행하는 것이다.

도면에서 V_B1'는 리인제어 설정전압V_S2는 리치제어 설정전압(A₄),(A₅)은 연산증폭기이며, A₄는 공연비 검출셀의 구동용으로, A₅는 이론공연비 검출셀용의 연산증폭기, R_L는 펌프전류 검출용 저항기, R_R는 가변전류(I_C)검출용 저항기, C₂는 이론공연비 검출셀의 기전력과 V_S1을 비교하는 콤퍼레이터, SW는 콤퍼레이터(C₁)에 제어되는 스위치, e_L은 리인출력전압, e_R는 리치출력전압이다.

가감산회로(36)의 구성은, 제19도의 예와 같다. 리치 출력전압(e_R)은 연산증폭기(A₂)의 (-)입력단에 입력되어 있다. 전원회로(37)는, 기본적으로는, 제2도의 예와 같다.

3전극 구조의 양셀을 동시에 구동하면, 공연비 검출셀에서의 백금전극(51) 계면의 산소의 대부분은 백금전극(52)으로 수송되지만, 이론공연비 검출셀의 백금전극(53) 측(확산실)에도 소량이나마 수송되는 상호 간섭 때문에, 전자 셀에서의 계측정밀도에 악영향을 미친다. 이것을 구동회로 측에서 대처하는데, 이론공연비 검출셀의 기전력(백금전극(53)의 단자 전압(E_O)이 어느 일정한 전압(E_O)이 되도록 공연비 검출셀을 제어(백금전극(51) 계면의 산소량을 0으로 한다)함으로써 양 셀 사이의 상호 간섭을 방지할 수 있다. 이때, 단자전압(E_O)이 제어치는 0.2V∼1V의 사이에서 선택된다. 여기서도, 0.5V로 하고 있다.

연산증폭기(A₄)에 입력되는 리인제어 설정전압(V_B1')은 리인영역에 있어서의 상기 E_O에 해당하는 것으로, 이것에 의해서 한쪽으로 입력되는 이론공연비 검출셀의 단자전압도 V_B1에 제어된다. 이때의 저항(R_L)을 흐르는 펌프전류(I_P)를 검출하면 분위기 중의 산소농도 즉, 공연비를 검출할 수 있다. 따라서 리인출력 전압(e_L)은 펌프전류(I_P)와 펌프전류 검출용 저항(R_L)과의 전압강하에서 출력된다. 그리고 운전상태가 λ

1의 영역에서의 이론공연비 검출셀의 단자전압(E_O)이 λ=1이며 스텝적인 기전력을 발생하기 때문에 연산증폭기(A₄)의 (-)단자의 입력전압이 V_S1다 커져서 A₄의 출력은 0으로 된다.

한편, 연산증폭기(A₅)에 입력되는 리치제어 설정전압(V_S2)은 리치영역에 있어서의 상기 E_O에 해당하는 것으로, λ

1의 영역중 단자전압(E_O)을 V_S2가 되도록 연산증폭기(A₅)에 의해서 제어한다. 여기서의 동작은 제24도에서 설명한 바와 같으며 확산실에서의 CO확산에 의해서 저하하는 단자전압(E_O)이 V_S2가 되도록 통전전류(I_C)를 가변제어시킨다. 이것에 의해서 이론공연비 검출셀의 출력, 즉 리치출력전압(e_R)은 λ에 대응해서 제25도와 같이 변화하는 연산증폭기(A₅)의 출력전압에서 얻을 수가 있다.

콤퍼레이터(C₂), 스위치(SW)는 리치출력단자(e_R의 리인영역에 있어서의 신호처리를 위한 것이며, 리인영역에서는 A₅의 입력관계가 V_S2〉V_S2(E_O)로 되고 출력이 발생하기 때문에, 이 영역에서는 콤퍼레이터(C₂)에 의해서 SW를 오프시켜서 리치출력전압(e_R)을 제거하며, 반대로, 리치영역에서 스위치(SW)의 온에 의해서 e_R을 출력시키도록 하였다.

이상의 수법에 의해서, 실험해서 얻어진 특성의 일예가 제27도에 나타나 있다. 가로축은 공기과잉율(λ), 세로축은 리치, 리인출력전압(e_R),(e_L)을 나타낸 것으로, λ〉1이며 리니어한 리인출력(e_L)을, λ〈1라도 리니어한 리치전압(e_R)이 얻어진다.

리인출력전압(e_L) 및 리치출력전압(e_R)은 각각, 가감산회로(36)에 입력되어 있다. 또한, 바이어스전압(V_b)도 가감산회로(36)에 입력되어 있다. 리인출력전압(e_L)와 바이어스전압(V_b)은 증폭기(A2)의 (+)입력단에 입력되어 있고, 리치출력전압(e_R)은, 증폭기(A₂)의 (-)입력단에 입력되어 있다. 따라서, 가감산회로(36)의 출력전압(V_O)은, 제28도에 나타낸 바와 같이 된다. λ=1의 점의 오프세트전압은, λ=1의 검출점이기도 하다.

제26도의 예의 변형예에 대해서 제29도에 의해서 설명한다. 제29도는 제26도의 주요부분만을 도시하였으며, 제26도와 동일부호는, 동일부분을 나타내고 있다. 제26도와 다른 것은, 조정회로(39)이다. 조정회로는, 저항(40),(41),(42),(43)과 연산증폭기(A₆)로 이루어진다. 연산증폭기(A₆)의 (+)(-)입력단은, 검출저항(R_R)의 양단에 각각 접속되어 있다. 따라서, 제28도의 λ=1의 점에 있어서의 오프세트전압(E_O)을 취소하고 있다. 그리고, 귀환저항(43)은 저항치를 가변할 수 있고, 제10도에 있어서의 전압(e_R)과 (e_L)의 λ에 대한 경사를 일치시킬 수가 있다. 따라서 이 조정회로(39)에 사용함으로서 공연비 검출장치(100)의 출력(V_O)은 제30도에 나타낸 바와 같다.

이상 설명한 제19도, 제26도, 제29도 등의 본원 발명의 각 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 대기기준 또는 대기 바이러스법의 따르지 않고 셀전체가 배기가스중에 노출되는 것에 있어서의 전체운전역에서의 공연비를 광범위하게 검출할 수 있는 효과가 있다.

(2) 리인, 리치영역에서 공연비 검출셀에의 공급전압의 극성을 절환하는 설정전압 제어법에 의해서 애널로그량으로, 또한 선형이나 출력을 얻는데 간단한 회로로 실현할 수 있는 효과가 있다.

(3) 바이어스 구동법에 의해서 -극성의 전원검출장치의 제어를 행하고 광범위에 걸쳐서 공연비를 검출 가능하게 하는 간단한 회로를 실현하는 효과가 있다.

(4) λ=1을 포함한 리인, 리치 출력전압신호의 통일화를 도모하고, A/D변환기등의 엔진제어용 주변회로의 부담을 경감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (17)

1. 고체전해질(127),(1),(50)과, 이 고체전해질에 설치된 제1전극(123),(2),(51)과 제2전극(124),(3),(52)와 제3전극(126),(6),(53)과, 상기 제1전극의 배기가스중의 확산을 제한하는 수단(130),(10)을 가지며 상기 확산제한수단으로부터 확산해오는 산소를 제1전극에서 제2전극 측으로 퍼낼 때 흐르는 한계전류(I_P)에 의해서 리인공연비를 검출하고, 상기 제1전극에서 제3전극을 산소를 이송시켜, 제3전극을 산소분위기하에 두었을때의 양극간의 기전력(E_O)에 의해서 이론 공연비를 검출하는 공연비 검출장치.
2. 제1전극 및 제2전극을, 리치영역에 있어서, 단락하는 수단(141),(142)을 가진 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 공연비 검출장치.
3. 상기 제1전극과 제2전극에 인가하는 전압(e_S)을 공연비에 따라서 가변하는 수단(134),(145)을 가진 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 공연비 검출장치.
4. 상기 가변수단(134),(145)은, 다시 발진방지수단(146),(147)을 갖는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 3기재의 공연비 검출장치.
5. 인가전압(e_S)을 이론공연비 점에서 계단형상으로 변화시키는 수단(146),(150),(151),(152)를 가진 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 3기재의 공연비 검출 장치.
6. 상기 리인검출수단의 확산제한수단은 틈새형상의 확산로(130(제9도))인 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 공연비 검출장치.
7. 상기 리인검출수단의 확산제한수단은, 천공상(穿孔狀) 확산공((130),(제10도))임을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 공연비 검출장치.
8. 제3전극(126)은, 다공질부재((131)(도면 제12,13,14,15,17,18도))에 의해서 덮혀 있는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 공연비 검출 장치.
9. 제1전극(123)과 상기 제3전극(126)은, 고체전해질(127)의 동일평면에 형성되며, 각각 다른 확산저항을 가진 다공질부((125),(131)(도면 제13,14,17,18도))에 의해서 덮혀 있는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 공연비 검출장치.
10. 제3전극((126)(도면 제15,16도))은 상기 리인 검출수단의 확산실(128)내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 공연비 검출장치.
11. 상기 기전력(E_O)이 일정해지도록 제어하는 수단(A_S)을 가지고, 제2전극에 흘러 들어가는 전류(I_C)에 의해서 리치측 공연비를 검출하는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 공연비 검출장치.
12. 상기 기전력(E_O)이 소정치(V_B1')보다 작을 때 상기 전류(I_C)를 검출하는 수단으로부터 출력을 정지하는 수단(C₂),(SW)을 가진 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 11기재의 공연비 검출장치.
13. 상기 한계전류(I_P)의 검출치(e_L)에 소정치(V_b)를 가산함과 동시에 상기전류(I_C)의 검출치(e_R),(e_R')를 감산하는 수단(36),(36),(39)을 가진 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 11기재의 공연비 검출장치.
14. 리치영역에 있어서 상기 리인검출수단에 전압(V_B1')의 인가를 정지하는 제어수단(A₄)을 가진 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 공연비 검출장치.
15. 판정수단(C₁)의 출력에 따라서, 상기 리인출력수단에의 전압인가의 극성을 반전시키는 수단(T_R)을 가진 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 공연비 검출장치.
16. 상기 반전수단은 상기 판별수단(C₁)의 출력에 따라서 개폐하고, 상기 리인출력수단의 제2전극(3)에 인가하는 전압을 제1전압(V_B1')과 제2전압(0)으로 절환하는 수단(T_R)으로 이루어지며 상기 제1전압(V_B1')과 제2전압(0)의 중간점압(V_b)을 제1전극(2)에 인가하는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 15기재의 공연비 검출장치.
17. 상기 한계전류(I_P)의 검출치(e_L)에 소정치(V_b)를 가산하는 수단(36)을 가진 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 15기재의 공연비 검출장치.

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