JP2509905B2 - 空燃比センサ - Google Patents
空燃比センサInfo
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
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- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor
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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空燃比センサに係り、特にリッチ
領域、理論空燃比及びリーン領域の３状態の空燃比を広
範囲に検出可能な自動車用空燃比センサに関する。
領域、理論空燃比及びリーン領域の３状態の空燃比を広
範囲に検出可能な自動車用空燃比センサに関する。
内燃機関はその機関状態に応じて、空気過剰率λがλ
＜１の領域（リッチ領域）、λ＝１（理論空燃比）、λ
＞１の領域（リーン領域）で運転することが望ましく、
単一の空燃比センサでリッチ領域からリーン領域までの
空燃比を幅広く検出することが要求されている。
＜１の領域（リッチ領域）、λ＝１（理論空燃比）、λ
＞１の領域（リーン領域）で運転することが望ましく、
単一の空燃比センサでリッチ領域からリーン領域までの
空燃比を幅広く検出することが要求されている。
一方、空燃比あるいは空気過剰率λに対する排ガス中
の残存酸素濃度と一酸化炭素濃度の関係は第11図に示さ
れるように、リーン領域においては酸素（O2）濃度，リ
ッチ領域においては未燃ガスである一酸化炭素（CO）濃
度が空燃比に対応してほぼリニアに変化する。
の残存酸素濃度と一酸化炭素濃度の関係は第11図に示さ
れるように、リーン領域においては酸素（O2）濃度，リ
ッチ領域においては未燃ガスである一酸化炭素（CO）濃
度が空燃比に対応してほぼリニアに変化する。
これらの残存酸素濃度や一酸化炭素の濃度を利用し
て、各領域の空燃比を個別に検出する従来の空燃比セン
サの基本原理を第12図（Ａ）〜（Ｃ）に示す。空燃比セ
ンサは電極1,ジルコニア固体電解質2,電極3,保護膜４及
び電流計５よりなる。
て、各領域の空燃比を個別に検出する従来の空燃比セン
サの基本原理を第12図（Ａ）〜（Ｃ）に示す。空燃比セ
ンサは電極1,ジルコニア固体電解質2,電極3,保護膜４及
び電流計５よりなる。
第12図（Ａ）は例えば特開昭53-66292号で知られてい
るように、電極１を陰極，電極３を陽極として両電極間
に約0.5ボルトの励起電圧Ｅを印加して、λ＜１のリッ
チ領域を検出するものである。即ち、保護膜４はガス拡
散抵抗体として機能し、保護膜４中の電極３部へ拡散す
る一酸化炭素などの未燃ガスと燃焼反応する酸素ガスは
大気雰囲気と接する電極１部から電極３部へ、ジルコニ
ア固体電解質２中を酸素イオンの計で移送される。従っ
て、電流計５で計測されるポンプ電流IPは電極１から電
極３へ移送される酸素イオンの量であり、保護膜４中を
電極３部へ拡散する未燃ガスの量に対応する故、このIP
値からリッチ領域の空燃比をアナログ的に検出するもの
である。
るように、電極１を陰極，電極３を陽極として両電極間
に約0.5ボルトの励起電圧Ｅを印加して、λ＜１のリッ
チ領域を検出するものである。即ち、保護膜４はガス拡
散抵抗体として機能し、保護膜４中の電極３部へ拡散す
る一酸化炭素などの未燃ガスと燃焼反応する酸素ガスは
大気雰囲気と接する電極１部から電極３部へ、ジルコニ
ア固体電解質２中を酸素イオンの計で移送される。従っ
て、電流計５で計測されるポンプ電流IPは電極１から電
極３へ移送される酸素イオンの量であり、保護膜４中を
電極３部へ拡散する未燃ガスの量に対応する故、このIP
値からリッチ領域の空燃比をアナログ的に検出するもの
である。
また、第12図（Ｂ）に示すように、保護膜４を介して
排気雰囲気と接する電極３を基準として、両電極間の起
電力ｅλを検出すると、このｅλ値は理論空燃比で約１
ボルト，ステップ状に変化する故、ｅλ値からλ＝１を
ほぼディジタル的に検出できることが例えば特開昭47-3
7599号に記載されている。
排気雰囲気と接する電極３を基準として、両電極間の起
電力ｅλを検出すると、このｅλ値は理論空燃比で約１
ボルト，ステップ状に変化する故、ｅλ値からλ＝１を
ほぼディジタル的に検出できることが例えば特開昭47-3
7599号に記載されている。
なお、第12図（Ｃ）に示すように、電極３を陰極とし
て両電極間に約0.5ボルトの励起電圧Ｅを印加すると、
電極３部から電極１部へ酸素イオンがポンピングされ、
電流計５でポンプ電流IPが計測される。このポンプ電流
値IPは保護膜を介して、電極３部へ拡散する酸素の量に
対応する故、このIP値からλ＞１のリーン領域を検出で
きることが例えば特開昭52-69690号に記載されている。
て両電極間に約0.5ボルトの励起電圧Ｅを印加すると、
電極３部から電極１部へ酸素イオンがポンピングされ、
電流計５でポンプ電流IPが計測される。このポンプ電流
値IPは保護膜を介して、電極３部へ拡散する酸素の量に
対応する故、このIP値からλ＞１のリーン領域を検出で
きることが例えば特開昭52-69690号に記載されている。
第12図（Ａ）〜（Ｃ）に示した従来の空燃比センサの
特性の一例を第13図に示す。リーン領域の特性は一点鎖
線、リッチ領域の特性は点線，理論空燃比点の検出特性
は実線で示される。
特性の一例を第13図に示す。リーン領域の特性は一点鎖
線、リッチ領域の特性は点線，理論空燃比点の検出特性
は実線で示される。
なお、第12図（Ｂ）は拡散律速に基づいた原理でない
故、同図の保護膜４のガス拡散抵抗度合は第12図
（Ａ），（Ｃ）の場合より小さく形成されている。一般
的には第12図（Ｂ）の保護膜４の厚さは他に比べて、薄
く形成されている。
故、同図の保護膜４のガス拡散抵抗度合は第12図
（Ａ），（Ｃ）の場合より小さく形成されている。一般
的には第12図（Ｂ）の保護膜４の厚さは他に比べて、薄
く形成されている。
また、電極間に一定の電流を励起して、両電極間に発
生する端子電圧から空燃比をアナログ的に検出できるこ
とが例えば特開昭55-62349号や同55-154450号などで知
られている。そして、両電極の極性を切換えることによ
って、リッチ及びリーン領域の空燃比を検出できること
が示されている。
生する端子電圧から空燃比をアナログ的に検出できるこ
とが例えば特開昭55-62349号や同55-154450号などで知
られている。そして、両電極の極性を切換えることによ
って、リッチ及びリーン領域の空燃比を検出できること
が示されている。
さらに、両電極と電子回路間の結線を切換え、センサ
の測定モードを変更することにより、理論空燃比とリー
ン領域の空燃比を検出する方法が特開昭58-48749号に記
載されている。
の測定モードを変更することにより、理論空燃比とリー
ン領域の空燃比を検出する方法が特開昭58-48749号に記
載されている。
上記従来技術は、リーン領域、理論空燃比、リッチ領
域の各領域を個別に検出しているが、リーン領域からリ
ッチ領域まで連続的に検出し、しかも、空気過剰率と出
力電圧との関係にリニア特性を持たせるという点につい
ては配慮されていなかった。
域の各領域を個別に検出しているが、リーン領域からリ
ッチ領域まで連続的に検出し、しかも、空気過剰率と出
力電圧との関係にリニア特性を持たせるという点につい
ては配慮されていなかった。
本発明の目的はリッチ領域、理論空燃比及びリッチ領
域の３状態の空燃比を簡単な構成で高精度に検出できる
空燃比センサを提供するにある。
域の３状態の空燃比を簡単な構成で高精度に検出できる
空燃比センサを提供するにある。
上記目的は、固体電解質と、前記固体電解質の大気雰
囲気側に形成した第一の電極と、前記固体電解質の排気
雰囲気側に形成した第二の電極と、前記第二の電極上に
形成した拡散抵抗体と、前記第一の電極と前記第二の電
極との間に励起電圧を印加する駆動回路とを備えたリー
ン領域からリッチ領域までの空燃比を検出する空燃比セ
ンサにおいて、前記第二の電極は所定の正の電位のポテ
ンシャルグランドに接続されており、前記駆動回路は前
記固体電解質中を流れる酸素イオンによって生ずるポン
プ電流の向きに応じて前記励起電圧を前記ポンプ電流の
飽和電流が計測できるように前記ポンプ電流が零の点で
ステップ状に変化させる手段を有することによって達成
される。
囲気側に形成した第一の電極と、前記固体電解質の排気
雰囲気側に形成した第二の電極と、前記第二の電極上に
形成した拡散抵抗体と、前記第一の電極と前記第二の電
極との間に励起電圧を印加する駆動回路とを備えたリー
ン領域からリッチ領域までの空燃比を検出する空燃比セ
ンサにおいて、前記第二の電極は所定の正の電位のポテ
ンシャルグランドに接続されており、前記駆動回路は前
記固体電解質中を流れる酸素イオンによって生ずるポン
プ電流の向きに応じて前記励起電圧を前記ポンプ電流の
飽和電流が計測できるように前記ポンプ電流が零の点で
ステップ状に変化させる手段を有することによって達成
される。
［作用］ 第一の電極と第二の電極との間に印加する励起電圧を
固体電解質中に流れる酸素イオンによって生ずるポンプ
電流の向きに応じてポンプ電流が零の点でステップ状に
変化させているためリッチからリーンまでの幅広い空燃
比をリニアに検出することができる。その際、第二の電
極を所定の正の電位上げているため、極性を変える必要
はない。
固体電解質中に流れる酸素イオンによって生ずるポンプ
電流の向きに応じてポンプ電流が零の点でステップ状に
変化させているためリッチからリーンまでの幅広い空燃
比をリニアに検出することができる。その際、第二の電
極を所定の正の電位上げているため、極性を変える必要
はない。
本発明による空燃比センサの実装状態を第14図に示
す。袋管状の検出部10は孔11を有する保護管12内に配置
され、ネジ13を有する栓体14内に固着されて、排ガスの
流動する排気管15に装着される。16は電極端子、17はヒ
ータ端子であり、これらの端子を介して検出部10は電子
回路（図示せず）と接続される。なお、袋管状の検出部
であるジルコニア固体電解質10の内部には、これを加熱
するために棒状のヒータ（アルミナ棒に形成したＷヒー
タなど）が装着される。
す。袋管状の検出部10は孔11を有する保護管12内に配置
され、ネジ13を有する栓体14内に固着されて、排ガスの
流動する排気管15に装着される。16は電極端子、17はヒ
ータ端子であり、これらの端子を介して検出部10は電子
回路（図示せず）と接続される。なお、袋管状の検出部
であるジルコニア固体電解質10の内部には、これを加熱
するために棒状のヒータ（アルミナ棒に形成したＷヒー
タなど）が装着される。
本発明の実施例の説明に先行して、本発明の基礎とな
る原理につき第１図および第２図に従い説明する。
る原理につき第１図および第２図に従い説明する。
今、大気雰囲気側電極と排気雰囲気側電極間の第２図
において、理論空燃比（λ＝１）でステップ状の変化を
示す曲線ａの特性に対し、図中に例えば励起電圧特性ｂ
で示すように、空気過剰率λによらず、所定の大きさの
電圧VE（例えば、0.45ボルト）を励起し、この励起電圧
によりλ＜１のリッチ領域では曲線の超電力を低下させ
るように、λ＞１のリーン領域では逆に増加させるよう
に構成する。なお、電圧VEは後述するように特性c,dの
ごとく所定の傾き又はステップ状に変化させるよう印加
してもよい。
において、理論空燃比（λ＝１）でステップ状の変化を
示す曲線ａの特性に対し、図中に例えば励起電圧特性ｂ
で示すように、空気過剰率λによらず、所定の大きさの
電圧VE（例えば、0.45ボルト）を励起し、この励起電圧
によりλ＜１のリッチ領域では曲線の超電力を低下させ
るように、λ＞１のリーン領域では逆に増加させるよう
に構成する。なお、電圧VEは後述するように特性c,dの
ごとく所定の傾き又はステップ状に変化させるよう印加
してもよい。
第１図は本発明に基づく原理構成図を示したものであ
る。第１図において酸素濃度の検出部と、この検出部を
駆動する駆動回路から構成される。20は袋管状のジルコ
ニア固体電解質であり、その内部に大気が導入されてい
る。21は棒状のヒータであり、ジルコニア固体電解質20
を少なくとも600℃以上の恒温に加熱し、酸素イオンの
導電性を向上させる。ジルコニア固体電解質20の大気雰
囲気側には第１の電極22,排ガス雰囲気側には第２の電
極23が形成されている。これらの電極は厚さが数〜数十
μｍの白金材料からなり、多孔質に形成されている。第
２の電極23の表面上には拡散抵抗体24が形成され、排気
ガス雰囲気中から第２の電極23部へ拡散で流入する酸素
や未燃ガスである一酸化炭素などの流入を抑制する。拡
散抵抗体24はスピネルなどをプラズマ溶射したものであ
り、多孔質に製作される。拡散の抵抗率を大きくするた
め、その厚さは数百μｍであり、理論空燃比センサの数
倍の厚さである。以上により空燃比センサの検出部が構
成される。
る。第１図において酸素濃度の検出部と、この検出部を
駆動する駆動回路から構成される。20は袋管状のジルコ
ニア固体電解質であり、その内部に大気が導入されてい
る。21は棒状のヒータであり、ジルコニア固体電解質20
を少なくとも600℃以上の恒温に加熱し、酸素イオンの
導電性を向上させる。ジルコニア固体電解質20の大気雰
囲気側には第１の電極22,排ガス雰囲気側には第２の電
極23が形成されている。これらの電極は厚さが数〜数十
μｍの白金材料からなり、多孔質に形成されている。第
２の電極23の表面上には拡散抵抗体24が形成され、排気
ガス雰囲気中から第２の電極23部へ拡散で流入する酸素
や未燃ガスである一酸化炭素などの流入を抑制する。拡
散抵抗体24はスピネルなどをプラズマ溶射したものであ
り、多孔質に製作される。拡散の抵抗率を大きくするた
め、その厚さは数百μｍであり、理論空燃比センサの数
倍の厚さである。以上により空燃比センサの検出部が構
成される。
25は差動増幅器であり、VBはその電源電圧である。第
２の電極23はリアルグランド26より一定電位だけハイレ
ベルのポテンシャルグランド27に接続される。第１の電
極22は増幅器25の（−）側入力端子に接続される。増幅
器25の（＋）側入力端子とポテンシャルグランド間に
は、励起電圧VR設定用の電圧源28を接続する。抵抗値Ｒ
の固定抵抗29はジルコニア固体電解質20中をながれる酸
素イオンの量、即ち酸素ポンプ電流IPを出力電圧E0に変
換するためのものである。以上の構成により駆動回路が
構成される。
２の電極23はリアルグランド26より一定電位だけハイレ
ベルのポテンシャルグランド27に接続される。第１の電
極22は増幅器25の（−）側入力端子に接続される。増幅
器25の（＋）側入力端子とポテンシャルグランド間に
は、励起電圧VR設定用の電圧源28を接続する。抵抗値Ｒ
の固定抵抗29はジルコニア固体電解質20中をながれる酸
素イオンの量、即ち酸素ポンプ電流IPを出力電圧E0に変
換するためのものである。以上の構成により駆動回路が
構成される。
以下、作用を説明する。
リーン領域においては、第２の電極23の電位が第１の
電極22の電位よりVRだけ低いため、この励起電圧VRによ
って第２の電極23部の酸素はこの電極部で酸素イオン
（O--）に変換され、ジルコニア固体電解質20中を酸素
ポンプ作用によって、第１の電極22部へ移送される。そ
して、この電極部で再び酸化され、大気雰囲気中に放出
される。このとき、正のポンプ電極IP（O--とは逆向
き）が回路中に流れ、出力電圧E0を変化させる。
電極22の電位よりVRだけ低いため、この励起電圧VRによ
って第２の電極23部の酸素はこの電極部で酸素イオン
（O--）に変換され、ジルコニア固体電解質20中を酸素
ポンプ作用によって、第１の電極22部へ移送される。そ
して、この電極部で再び酸化され、大気雰囲気中に放出
される。このとき、正のポンプ電極IP（O--とは逆向
き）が回路中に流れ、出力電圧E0を変化させる。
IP＞０なるポンプ電流値IPは排気ガス雰囲気中より拡
散抵抗24を介して、第２の電極23部へ拡散によって流入
する酸素量に対応する故、次式が成立する。即ち、λを
空気過剰率,Kを比例定数とすると IP＝Ｋ（λ−１） …（１） 従って、空燃比センサの出力電圧E0はポテンシャルグ
ランドの電位をV0とすると E0＝VR＋V0＋IPR …（２） である故、（１），（２）式より、 E0＝VR＋V0＋Ｋ（λ−１）RP …（３） となる。
散抵抗24を介して、第２の電極23部へ拡散によって流入
する酸素量に対応する故、次式が成立する。即ち、λを
空気過剰率,Kを比例定数とすると IP＝Ｋ（λ−１） …（１） 従って、空燃比センサの出力電圧E0はポテンシャルグ
ランドの電位をV0とすると E0＝VR＋V0＋IPR …（２） である故、（１），（２）式より、 E0＝VR＋V0＋Ｋ（λ−１）RP …（３） となる。
理論空燃比（λ＝１）においては、拡散抵抗体24を介
して第２の電極23部へ拡散で流入する排気ガス中の残存
酸素と一酸化炭素などの残存未燃ガスの量は化学当量化
であり、第２の電極の触媒作用により両者は完全に燃焼
する。そして、第２の電極23部では酸素がなくなる故、
第１の電極22と第２の電極23間に電圧が励起されても、
ジルコニア固体電解質20中を移送される酸素イオンはな
くなる。従って、電子回路中に流れるポンプ電流はIP＝
０になる。
して第２の電極23部へ拡散で流入する排気ガス中の残存
酸素と一酸化炭素などの残存未燃ガスの量は化学当量化
であり、第２の電極の触媒作用により両者は完全に燃焼
する。そして、第２の電極23部では酸素がなくなる故、
第１の電極22と第２の電極23間に電圧が励起されても、
ジルコニア固体電解質20中を移送される酸素イオンはな
くなる。従って、電子回路中に流れるポンプ電流はIP＝
０になる。
このときの出力電圧E0は（３）式より E0＝VR＋V0 …（４） となり、回路定数で決まる一定値になる。（４）式はIP
値に不変なる故、λ＝１における出力電圧E0は極めて信
頼性の高い特徴を有する。
値に不変なる故、λ＝１における出力電圧E0は極めて信
頼性の高い特徴を有する。
リッチ領域においては、第２図に説明した如く両電極
間の起電力を励起電圧レベルまで低下させているため、
酸素イオンは第１の電極22部より第２の電極23部へ、ジ
ルコニア固体電解質20中をリーン領域の場合の逆向きに
流れる。この酸素イオン流は第２の電極23部の酸素濃度
を高めるように作用する。この酸素イオンは第２の電極
23部で酸化されて再び酸素ガスになり、拡散抵抗体24を
介して排気ガス雰囲気中より第２の電極23部へ拡散で流
入する一酸化炭素などの未燃ガスと燃焼する。
間の起電力を励起電圧レベルまで低下させているため、
酸素イオンは第１の電極22部より第２の電極23部へ、ジ
ルコニア固体電解質20中をリーン領域の場合の逆向きに
流れる。この酸素イオン流は第２の電極23部の酸素濃度
を高めるように作用する。この酸素イオンは第２の電極
23部で酸化されて再び酸素ガスになり、拡散抵抗体24を
介して排気ガス雰囲気中より第２の電極23部へ拡散で流
入する一酸化炭素などの未燃ガスと燃焼する。
それ故、ジルコニア固体電解質20中を第１の電極22部
より第２の電極23部へ移送される酸素イオンの量は、第
２の電極23部へ拡散で流入する未燃ガスの量に対応した
値になる。この場合、電子回路中を流れるポンプ電流値
はIP＜０となる。
より第２の電極23部へ移送される酸素イオンの量は、第
２の電極23部へ拡散で流入する未燃ガスの量に対応した
値になる。この場合、電子回路中を流れるポンプ電流値
はIP＜０となる。
なお、一酸化炭素などの未燃ガスの濃度と空気過剰率
λの間には第11図に示した関係があるため、リッチ領域
においても（１）式〜（３）式が成立する。ただし、リ
ーン領域ではλ＞１なるためIP＞０、リッチ領域ではλ
＜１なるためIP＜０になる。
λの間には第11図に示した関係があるため、リッチ領域
においても（１）式〜（３）式が成立する。ただし、リ
ーン領域ではλ＞１なるためIP＞０、リッチ領域ではλ
＜１なるためIP＜０になる。
次に本発明の参考となる空燃比センサの駆動回路の一
実施例を第３図に従い説明する。なお、図中第１図と同
一部分は第１図のものと同じ番号で示している。
実施例を第３図に従い説明する。なお、図中第１図と同
一部分は第１図のものと同じ番号で示している。
第２の電極23はポテンシャルグランド27（図中Ｙ点）
と接続され、増幅器30によって定電位V0に制御されてい
る。第１の電極22の電位は増幅器25によって、（V0＋
VR）に制御されている。従って、第１の電極22と第２の
電極23間の差電圧、即ち励起電圧VEは VE＝（V0＋VR）−V0＝VR …（５） となり、空気過剰率λによらず一定に制御される。
と接続され、増幅器30によって定電位V0に制御されてい
る。第１の電極22の電位は増幅器25によって、（V0＋
VR）に制御されている。従って、第１の電極22と第２の
電極23間の差電圧、即ち励起電圧VEは VE＝（V0＋VR）−V0＝VR …（５） となり、空気過剰率λによらず一定に制御される。
リーン領域（λ＞１）において、ポンピング電流IPは
Ｘ点→抵抗29→ジルコニア固体電解質20→ポテンシャル
・グランドＹ点→増幅器30を介して、リアル・グランド
26に流れる。
Ｘ点→抵抗29→ジルコニア固体電解質20→ポテンシャル
・グランドＹ点→増幅器30を介して、リアル・グランド
26に流れる。
リッチ領域（λ＜１）においては、ポテンシャル・グ
ランドＹ点→ジルコニア固体電解質20→抵抗29→Ｘ点→
増幅器25を介して、リアル・グランド26に流れる。
ランドＹ点→ジルコニア固体電解質20→抵抗29→Ｘ点→
増幅器25を介して、リアル・グランド26に流れる。
理論空燃比（λ＝１）においては、本センサは原理的
にIP＝０なる故、出力電圧E0は（４）式に示す如く、
（VR＋V0）となる。
にIP＝０なる故、出力電圧E0は（４）式に示す如く、
（VR＋V0）となる。
このように、本発明による空燃比センサの一実施例に
よれば電極間の極性を切換えることなく、しかも単一の
電源回路でλ＜1,λ＝１及びλ＞１の３状態を連続的に
検出できる利点が得られる。
よれば電極間の極性を切換えることなく、しかも単一の
電源回路でλ＜1,λ＝１及びλ＞１の３状態を連続的に
検出できる利点が得られる。
第３図に示す一実施例の構成により測定した結果の一
例を第４図に示す。第４図はV0＝4.55ボルト，VR＝0.45
ボルトのときの測定結果を示したものである。図中に実
線で示されるように、リッチからリーン領域までの幅広
い空燃比を連続的に検出することができる。また、理論
空燃比（λ＝１）における出力電圧E0はV0＋VR＝５ボル
トと原理的に予測した値になることも確認できた。
例を第４図に示す。第４図はV0＝4.55ボルト，VR＝0.45
ボルトのときの測定結果を示したものである。図中に実
線で示されるように、リッチからリーン領域までの幅広
い空燃比を連続的に検出することができる。また、理論
空燃比（λ＝１）における出力電圧E0はV0＋VR＝５ボル
トと原理的に予測した値になることも確認できた。
この実施例によれば、全領域の空燃比を高い精度でリ
ニアに検出でき、機関の状態に応じて空燃比の円滑なフ
ィードバック制御が可能となり、排気対策や燃料経済性
の点から従来システムよりはるかに優れた制御システム
の提供が可能になる。特に、リーン領域でのエンジン制
御を可能にできること、リッチ領域でのリニアなフィー
ルドバック制御を可能にできることにより燃料効率の大
きな改善効果が期待できる。
ニアに検出でき、機関の状態に応じて空燃比の円滑なフ
ィードバック制御が可能となり、排気対策や燃料経済性
の点から従来システムよりはるかに優れた制御システム
の提供が可能になる。特に、リーン領域でのエンジン制
御を可能にできること、リッチ領域でのリニアなフィー
ルドバック制御を可能にできることにより燃料効率の大
きな改善効果が期待できる。
センサ検出部のＶ−Ｉ特性を第５図に示す。
図に示すように、ポンプ電流IPはある励起電圧で一定
の飽和電流値を示す。この飽和電流値を計測することに
より、空気過剰率λの検出が可能になる。励起電圧VEが
さらに大きくなると、ポンプ電流IPは飽和値より高い値
を示す。これはジルコニア固体電解質20がイオン伝導領
域から電子伝導領域へ移行するためである。空気過剰率
λが小さいほど、小さい励起電圧VRで電子伝導領域へ移
行する。
の飽和電流値を示す。この飽和電流値を計測することに
より、空気過剰率λの検出が可能になる。励起電圧VEが
さらに大きくなると、ポンプ電流IPは飽和値より高い値
を示す。これはジルコニア固体電解質20がイオン伝導領
域から電子伝導領域へ移行するためである。空気過剰率
λが小さいほど、小さい励起電圧VRで電子伝導領域へ移
行する。
λ＞１の領域ではIP＞０となり拡散抵抗体24を介して
第２の電極23部へ拡散で流入する酸素の量に対応する。
λ＜１の領域ではIP＜０となり、拡散抵抗体24を介して
第２の電極23部へ拡散で流入する一酸化炭素などの未燃
ガスの量IPに対応する。なお、第６図はジルコニア固体
電解質の温度Tgが700℃のときのＶ−Ｉ特性である。
第２の電極23部へ拡散で流入する酸素の量に対応する。
λ＜１の領域ではIP＜０となり、拡散抵抗体24を介して
第２の電極23部へ拡散で流入する一酸化炭素などの未燃
ガスの量IPに対応する。なお、第６図はジルコニア固体
電解質の温度Tgが700℃のときのＶ−Ｉ特性である。
各空気過剰率λに対する飽和電流値IPを検出できれ
ば、リッチからリーン領域までの幅広い空燃比をリニア
に検出することができる。第５図のＶ−Ｉ特性から理解
できるように、空気過剰率λに対する励起電圧特性をｂ
特性,c特性あるいはｄ特性に設定することにより、これ
らの飽和電流値を計測できる。
ば、リッチからリーン領域までの幅広い空燃比をリニア
に検出することができる。第５図のＶ−Ｉ特性から理解
できるように、空気過剰率λに対する励起電圧特性をｂ
特性,c特性あるいはｄ特性に設定することにより、これ
らの飽和電流値を計測できる。
励起電圧特性がｂ特性の場合、λ＝0.5及びλ＝1.5近
傍の飽和電流値の計測が困難になる。これは励起電圧を
ｃ特性、望ましくはｄ特性のように変化することにより
解決される。
傍の飽和電流値の計測が困難になる。これは励起電圧を
ｃ特性、望ましくはｄ特性のように変化することにより
解決される。
ジルコニア固体電解質は低温ほど、その内部抵抗が増
加するため、Ｖ−Ｉ特性の領域αは小さくなる。従って
低温ほど飽和電流値の計測が困難になり易く、その程度
はｂ特性が最も著しい。このために、ジルコニア固体電
解質をヒータにて高温度に加熱する必要がある。ジルコ
ニア固体電解質をヒータにて、励起電圧特性がｂ特性の
場合は約750℃、ｃ特性の場合は約700℃、ｄ特性の場合
は約670℃以上に加熱することが望ましい。ヒータの所
要電力や耐久性を考慮したとき、ｂ特性よりはｃ特性、
ｃ特性よりはｄ特性が望ましい。
加するため、Ｖ−Ｉ特性の領域αは小さくなる。従って
低温ほど飽和電流値の計測が困難になり易く、その程度
はｂ特性が最も著しい。このために、ジルコニア固体電
解質をヒータにて高温度に加熱する必要がある。ジルコ
ニア固体電解質をヒータにて、励起電圧特性がｂ特性の
場合は約750℃、ｃ特性の場合は約700℃、ｄ特性の場合
は約670℃以上に加熱することが望ましい。ヒータの所
要電力や耐久性を考慮したとき、ｂ特性よりはｃ特性、
ｃ特性よりはｄ特性が望ましい。
なお、これらの励起電圧特性は第２図に示すb,c,d特
性にそれぞれ相当する。
性にそれぞれ相当する。
第６図は第２図に示される励起電圧特性ｃを得るため
の一実施例を示す。すなわち、第３図の構成に新たに抵
抗33と抵抗34を電源28とＸ点との間に図のように接続し
たものである。この結果、ポンプ電流値IPによって変化
する出力電圧E0に応じて、抵抗34部には電位差γIPが発
生し、この値だけ第１の電極22,第２の電極23間の差電
圧即ち、両電極間の励起電圧VEを変化させる。抵抗34の
抵抗値γをジルコニア固体電解質20の内部抵抗に近い値
に設定すると、空燃比センサの出力電圧E0は排ガス温度
の影響を受けにくくなる。電位γIPは抵抗値ｒの他に、
ポンプ電流値IPによっても変化する故、空気過剰率λに
対しても自動的に変化することになり、両電極間の差電
圧即ち励起電圧VEは第２図中の特性ｃのようになる。本
実施例の構成によれば、ジルコニア固体電解質の酸素イ
オン伝導度の温度依存性を改善できる。
の一実施例を示す。すなわち、第３図の構成に新たに抵
抗33と抵抗34を電源28とＸ点との間に図のように接続し
たものである。この結果、ポンプ電流値IPによって変化
する出力電圧E0に応じて、抵抗34部には電位差γIPが発
生し、この値だけ第１の電極22,第２の電極23間の差電
圧即ち、両電極間の励起電圧VEを変化させる。抵抗34の
抵抗値γをジルコニア固体電解質20の内部抵抗に近い値
に設定すると、空燃比センサの出力電圧E0は排ガス温度
の影響を受けにくくなる。電位γIPは抵抗値ｒの他に、
ポンプ電流値IPによっても変化する故、空気過剰率λに
対しても自動的に変化することになり、両電極間の差電
圧即ち励起電圧VEは第２図中の特性ｃのようになる。本
実施例の構成によれば、ジルコニア固体電解質の酸素イ
オン伝導度の温度依存性を改善できる。
第７図は第６図同様本発明の参考となる他の実施例で
ある。なお、増幅器280は第３図中の電圧源28と同等の
機能を有する。この回路構成によれば、ジリコニア固体
電解質20の温度Tgが650℃の場合でもその出力特性は第
４図中へ実線で示した値と同一になり、同様に温度影響
の対策に効果がある。
ある。なお、増幅器280は第３図中の電圧源28と同等の
機能を有する。この回路構成によれば、ジリコニア固体
電解質20の温度Tgが650℃の場合でもその出力特性は第
４図中へ実線で示した値と同一になり、同様に温度影響
の対策に効果がある。
第８図は本発明の空燃比センサの一実施例である。こ
の回路構成図は第２図に示す励起電圧特性ｄを得るため
の駆動回路の一実施例である。基本的には第７図の回路
構成に新たに、加減算用の増幅器281,2出力コンパレー
タ41及びスイッチ42と43を付加したものである。ポンプ
電流IP＝０で反転する２出力コンパレータ41の出力信号
V,でスイッチ42と43を駆動し、加減算用の増幅器281
の＋側入力端子ト−側入力端子に電圧ｖを交互に与え
る。増幅器25の＋側入力端子Ｚ点の電位をＶ＊、抵抗33
部の電流値をｉとすると Ｖ＊＝V0＋VR＋ｖ＋ri atλ＞１ …（６） Ｖ＊＝V0＋VR−ｖ＋ri atλ＜１ となる。
の回路構成図は第２図に示す励起電圧特性ｄを得るため
の駆動回路の一実施例である。基本的には第７図の回路
構成に新たに、加減算用の増幅器281,2出力コンパレー
タ41及びスイッチ42と43を付加したものである。ポンプ
電流IP＝０で反転する２出力コンパレータ41の出力信号
V,でスイッチ42と43を駆動し、加減算用の増幅器281
の＋側入力端子ト−側入力端子に電圧ｖを交互に与え
る。増幅器25の＋側入力端子Ｚ点の電位をＶ＊、抵抗33
部の電流値をｉとすると Ｖ＊＝V0＋VR＋ｖ＋ri atλ＞１ …（６） Ｖ＊＝V0＋VR−ｖ＋ri atλ＜１ となる。
このような回路構成にすることにより、両電極間の励
起電圧特性を第２図中の特性ｄの如く与えることができ
る。従って、各空気過剰率λに対応した飽和ポンプ電流
値IPを検出するのに、この励起電圧特性ｄが適している
ことは第５図に示したＶ−Ｉ特性からも容易に理解する
ことができる。
起電圧特性を第２図中の特性ｄの如く与えることができ
る。従って、各空気過剰率λに対応した飽和ポンプ電流
値IPを検出するのに、この励起電圧特性ｄが適している
ことは第５図に示したＶ−Ｉ特性からも容易に理解する
ことができる。
第８図の回路構成による測定結果の一例を第９図に示
す。なお、この図はｖ＝0.15ボルトのときの測定結果を
示している。この場合、図に示すように、理論空燃比λ
＝１で出力電圧E0は2vだけステップ状に変化する。
す。なお、この図はｖ＝0.15ボルトのときの測定結果を
示している。この場合、図に示すように、理論空燃比λ
＝１で出力電圧E0は2vだけステップ状に変化する。
2vだけステップ状に変化する本実施例において本質的
な問題ではなく、λ≦１の領域で第９図の特性へ2vだけ
加算すれば、全領域でその出力電圧E0の特性はリニアに
なる。
な問題ではなく、λ≦１の領域で第９図の特性へ2vだけ
加算すれば、全領域でその出力電圧E0の特性はリニアに
なる。
本実施例の構成によれば電極劣化（界面抵抗の増加）
に基因する精度低下の改善に効果がある。
に基因する精度低下の改善に効果がある。
なお、以上の説明では本発明による空燃比センサの検
出部のジルコニア固定電解質の形状を、袋管状のもので
説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではな
い。即ち、第１の電極部へ大気を導入できる構造であれ
ば良く、例えば、第10図に示すような平板構造のもので
も良い。
出部のジルコニア固定電解質の形状を、袋管状のもので
説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではな
い。即ち、第１の電極部へ大気を導入できる構造であれ
ば良く、例えば、第10図に示すような平板構造のもので
も良い。
第10図はジルコニア固体電解質が平板、拡散抵抗体が
例えば１個の孔よりなる場合を示している。
例えば１個の孔よりなる場合を示している。
第１図と第10図で同一番号のものは、同一の機能を有
するものである。大気は通路32を介して、第１の電極22
部へ導入される。排気ガス中の残存酸素や未燃ガスは孔
形状の拡散抵抗体24を介して、拡散室31内の第２の電極
23部へ拡散で流入するものである。ジルコニア固体電解
質20に固着されたアルミナ絶縁層211内のヒータ212によ
って、ジルコニア固体電解質20は酸素イオン伝導度の高
い高温（例えば、600℃以上）度に加熱制御される。
するものである。大気は通路32を介して、第１の電極22
部へ導入される。排気ガス中の残存酸素や未燃ガスは孔
形状の拡散抵抗体24を介して、拡散室31内の第２の電極
23部へ拡散で流入するものである。ジルコニア固体電解
質20に固着されたアルミナ絶縁層211内のヒータ212によ
って、ジルコニア固体電解質20は酸素イオン伝導度の高
い高温（例えば、600℃以上）度に加熱制御される。
本発明によれば、リッチ領域，理論空燃比及びリーン
領域の３状態の幅広い空燃比を簡単な構成により高精度
に検出できる。
領域の３状態の幅広い空燃比を簡単な構成により高精度
に検出できる。
第１図は本発明による空燃比センサの原理構成図、第２
図は本発明の原理を説明するための起電力特性図、第３
図は本発明の参考となる空燃比センサの一実施例を示す
回路構成図、第４図は第３図に示した空燃比センサの一
特性を示す図、第５図はＶ−Ｉ特性の一例、第６図及び
第７図は本発明の参考となる空燃比センサの他の実施
例、第８図は本発明の空燃比センサの一実施例、第９図
は本発明の空燃比センサの特性図、第10図は本発明によ
る空燃比センサの他の実施例を示す構造図、第11図は空
燃比と排ガス濃度の関係示す図、第12図は従来の空燃比
センサの原理説明図、第13図は従来の空燃比センサの特
性説明図、第14図は本発明による空燃比センサの実装状
態図を示すものである。 （符号の説明） 20……ジルコニア固体電解質、22……第１の電極、23…
…第２の電極、24……拡散抵抗体、27……ポテンシャル
・グランド、26……リアル・グランド。
図は本発明の原理を説明するための起電力特性図、第３
図は本発明の参考となる空燃比センサの一実施例を示す
回路構成図、第４図は第３図に示した空燃比センサの一
特性を示す図、第５図はＶ−Ｉ特性の一例、第６図及び
第７図は本発明の参考となる空燃比センサの他の実施
例、第８図は本発明の空燃比センサの一実施例、第９図
は本発明の空燃比センサの特性図、第10図は本発明によ
る空燃比センサの他の実施例を示す構造図、第11図は空
燃比と排ガス濃度の関係示す図、第12図は従来の空燃比
センサの原理説明図、第13図は従来の空燃比センサの特
性説明図、第14図は本発明による空燃比センサの実装状
態図を示すものである。 （符号の説明） 20……ジルコニア固体電解質、22……第１の電極、23…
…第２の電極、24……拡散抵抗体、27……ポテンシャル
・グランド、26……リアル・グランド。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三木 政之 日立市久慈町4026番地 株式会社日立製 作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−144563（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−161445（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】固体電解質と、前記固体電解質の大気雰囲
気側に形成した第一の電極と、前記固体電解質の排気雰
囲気側に形成した第二の電極と、前記第二の電極上に形
成した拡散抵抗体と、前記第一の電極と前記第二の電極
との間に励起電圧を印加する駆動回路とを備えたリーン
領域からリッチ領域までの空燃比を検出する空燃比セン
サにおいて、前記第二の電極は所定の正の電位のポテン
シャルグランドに接続されており、前記駆動回路は前記
固体電解質中を流れる酸素イオンによって生ずるポンプ
電流の向きに応じて前記励起電圧を前記ポンプ電流の飽
和電流が計測できるように前記ポンプ電流が零の点でス
テップ状に変化させる手段を有することを特徴とする空
燃比センサ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60019982A JP2509905B2 (ja) | 1985-02-06 | 1985-02-06 | 空燃比センサ |
| CN86101269.0A CN1005365B (zh) | 1985-02-06 | 1986-02-05 | 用于汽车的空气燃料比感测器 |
| EP86101518A EP0190750B1 (en) | 1985-02-06 | 1986-02-06 | Air-to-fuel ratio sensor for an automobile |
| DE8686101518T DE3685126D1 (de) | 1985-02-06 | 1986-02-06 | Luft-/kraftstoffverhaeltnis-detektor fuer ein automobil. |
| KR1019860000827A KR920004816B1 (ko) | 1985-02-06 | 1986-02-06 | 자동차용 트라이스테이트(tristate) 공연비센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60019982A JP2509905B2 (ja) | 1985-02-06 | 1985-02-06 | 空燃比センサ |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4325179A Division JP2664319B2 (ja) | 1992-12-04 | 1992-12-04 | 空燃比センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61180131A JPS61180131A (ja) | 1986-08-12 |
| JP2509905B2 true JP2509905B2 (ja) | 1996-06-26 |
Family
ID=12014384
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60019982A Expired - Lifetime JP2509905B2 (ja) | 1985-02-06 | 1985-02-06 | 空燃比センサ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0190750B1 (ja) |
| JP (1) | JP2509905B2 (ja) |
| KR (1) | KR920004816B1 (ja) |
| CN (1) | CN1005365B (ja) |
| DE (1) | DE3685126D1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0984275A2 (en) | 1998-09-04 | 2000-03-08 | Denso Corporation | Gas concentration sensing apparatus capable of suppressing sensor voltage oscillation |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6355453A (ja) * | 1986-08-27 | 1988-03-09 | Hitachi Ltd | 空燃比測定装置 |
| DE4341278B4 (de) * | 1993-12-03 | 2004-05-06 | Robert Bosch Gmbh | Grenzstromsensor zur Bestimmung des Lambdawertes in Gasgemischen |
| JP3757507B2 (ja) * | 1996-12-24 | 2006-03-22 | 株式会社デンソー | 空燃比検出装置 |
| DE10048195C2 (de) * | 2000-09-28 | 2002-11-14 | Siemens Ag | Gassensor |
| JP4124119B2 (ja) | 2003-01-30 | 2008-07-23 | 株式会社デンソー | ガス濃度検出装置 |
| JP2017207397A (ja) * | 2016-05-19 | 2017-11-24 | 日本特殊陶業株式会社 | ガス濃度検出装置 |
| JP2017207396A (ja) * | 2016-05-19 | 2017-11-24 | 日本特殊陶業株式会社 | ガス濃度検出装置 |
| DE102016220649A1 (de) * | 2016-10-20 | 2018-04-26 | Robert Bosch Gmbh | Steuereinheit zum Betrieb einer Lambdasonde |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS559178A (en) * | 1978-07-07 | 1980-01-23 | Nippon Denso Co Ltd | Oxygen concentration detector |
| JPS55166039A (en) * | 1979-06-12 | 1980-12-24 | Nissan Motor Co Ltd | Air fuel ratio detector |
| JPS6042367Y2 (ja) * | 1979-09-28 | 1985-12-26 | 日産自動車株式会社 | 空燃比制御装置 |
| JPS58105014A (ja) * | 1981-12-18 | 1983-06-22 | Nissan Motor Co Ltd | エンジンの空燃比測定装置 |
| JPS59208451A (ja) * | 1983-05-11 | 1984-11-26 | Mitsubishi Electric Corp | 機関の空燃比センサ |
| JPS61144563A (ja) * | 1984-12-18 | 1986-07-02 | Nissan Motor Co Ltd | 空燃比検出方法 |
| JPS61161445A (ja) * | 1985-01-09 | 1986-07-22 | Nippon Denso Co Ltd | 空燃比検出装置 |
-
1985
- 1985-02-06 JP JP60019982A patent/JP2509905B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1986
- 1986-02-05 CN CN86101269.0A patent/CN1005365B/zh not_active Expired
- 1986-02-06 KR KR1019860000827A patent/KR920004816B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1986-02-06 DE DE8686101518T patent/DE3685126D1/de not_active Expired - Lifetime
- 1986-02-06 EP EP86101518A patent/EP0190750B1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0984275A2 (en) | 1998-09-04 | 2000-03-08 | Denso Corporation | Gas concentration sensing apparatus capable of suppressing sensor voltage oscillation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0190750A1 (en) | 1986-08-13 |
| KR860006700A (ko) | 1986-09-13 |
| JPS61180131A (ja) | 1986-08-12 |
| KR920004816B1 (ko) | 1992-06-18 |
| CN1005365B (zh) | 1989-10-04 |
| CN86101269A (zh) | 1986-11-12 |
| DE3685126D1 (de) | 1992-06-11 |
| EP0190750B1 (en) | 1992-05-06 |
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