JPH0778484B2

JPH0778484B2 - 空燃比センサの温度制御装置

Info

Publication number: JPH0778484B2
Application number: JP61110581A
Authority: JP
Inventors: 政之三木; 清光鈴木; 隆生笹山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-05-16
Filing date: 1986-05-16
Publication date: 1995-08-23
Anticipated expiration: 2010-08-23
Also published as: US4785284A; JPS62267657A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、自動車用ガソリンエンジンなどの空燃比制御
に使用される空燃比センサの加熱装置に係り、特に酸素
ポンプ方式の空燃比センサに好適な温度制御装置に関す
る。

〔従来の技術〕

自動車用のガソリンエンジンでは、その排気ガス成分を
監視して燃料供給量を制御し、吸入空気量に対する燃料
量、いわゆる空燃比が常に所定値に保たれるように制御
するのが望ましい。

そこで、このような、空燃比制御の為には、いわゆる空
燃比センサが必要になる。

ところで、このような空燃比センサとしては、従来から
種々の検出原理によるものが開発され、実用化されてい
るが、その一種に酸素ポンプ方式のものがある。

この酸素ポンプ方式の空燃比センサ（以下、単に空燃比
センサという）によれば、空燃比が過濃側から稀薄側ま
での広い範囲にわたって検出が可能であり、広範囲での
空燃比制御を行なうことができるが、反面、その検出動
作に温度依存性があり、このため、使用中、かなり厳密
な温度制御が必要になる。

そのため、このような空燃比センサでは、その検出素子
（セル）にヒータを設け、このヒータに供給すべき加熱
用の電流をセルの温度に応じて制御し、これによりセル
の温度を常に所定値に保って使用するようにしていた。

しかして、このためには、セルの温度を検出する必要が
あるが、そのために従来から、セル自体の内部抵抗が持
つ温度依存性を利用し、この内部抵抗を測定して温度を
検出する方法が広く採用されていた。

例えば、特開昭57−187646号公報によれば、直流電圧に
交流電圧を重畳させた信号を検出セルに印加し、この交
流電圧成分の温度依存性によりセルの温度を検出して制
御を行なう方法が開示されており、同様に、特開昭57−
192852号公報にも交流により検出セルの内部抵抗を検出
する方法が開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記した従来例では、検出セルの内部抵抗の測定に交流
を用いているため、セルによる空燃比の測定のための直
流信号と、温度検出のための交流信号とを分離しなけれ
ばならないという問題点があった。

本発明は、上記した従来例の問題点に充分に対処し、交
流信号を用いることなく、簡単な構成で容易に、しかも
正確に空燃比センサの温度制御を行なうことができるよ
うにした装置の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点は、検出セルの内部起電力を抽出し、これに
よりセルの内部抵抗測定時での内部起電力をキャンセル
することにより解決される。

〔作用〕

検出セルの内部起電力がキャンセルされるので、セルの
内部抵抗の測定を直流により簡単に行なうことができ
る。すなわち、従来例で交流を用いているのは、検出セ
ルの内部起電力の影響を受けないで内部抵抗の測定を行
なうためであるが、本発明によれば、この内部起電力が
キャンセルされるため、直流を用いて簡単、かつ正確に
セルの内部抵抗を測定することができる。

〔実施例〕

以下、本発明による空燃比センサの温度制御装置につい
て、図示の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、図において、１は空燃比
センサの検出セル、２〜４はブリッジ回路構成用の抵
抗、５はコンデンサ、６、７は電子スイッチ、８はスイ
ッチ制御回路、９〜11は電圧源として働くオペアンプ、
12、13は比較回路として動作するオペアンプ、14は検出
セル加熱用ヒータ、15はヒータ電流制御用のトランジス
タである。

空燃比センサの検出セル１は第２図に示すように、ジル
コニア固体電解質21を挟んで大気側の白金電極22と排気
側の白金電極23とを設け、さらにジルコニア固体電解質
21の排気側の表面を、白金電極23も含めてガス拡散抵抗
体24で覆った、いわゆる酸素ポンプ型の検出素子（セ
ル）であり、この第２図で（ａ）は袋管状型のものを示
し、（ｂ）は厚膜プロセス又は薄膜プロセス等により作
製される板状型のものを示す。そして、このようにして
作製された検出セル１にそれぞれ加熱用のヒータ14が配
置される。

第１図に戻り、抵抗２〜４は検出セル１と共にブリッジ
回路を構成し、従って、抵抗２は検出セル１の内部抵抗
R1と等しい抵抗値とし、かつ、抵抗３、４も同じ抵抗値
とするのが一般的である。

コンデンサ５はサンプリング機能をはたすためのもの
で、検出セル１の内部起電力E₁を保持する働きをする。

電子スイッチ６、７はFET（電界効果型トランジスタ）
で構成され、回路全体の機能を抵抗測定モードとサンプ
リングモードとに切換える働きをする。

スイッチ制御回路８は電子スイッチ６、７に制御信号を
供給し、第３図に示すタイミングで、これらのスイッチ
６、７を交互にオン・オフさせる働きをする。

オペアンプ９は電圧Vpgの電圧源として働き、オペアン
プ10は同じく電圧Vrの電圧源と、そしてオペアンプ11は
コンデンサ５に保持された電圧E₅の電圧源としてそれぞ
れ働く。

オペアンプ12は検出セル１と抵抗３との接続点に現れる
電圧と、オペアンプ10から供給される電圧Vrとを比較
し、検出電圧V₀を発生する働きをする。

オペアンプ13は検出セル１と抵抗３の接続点に現れる電
圧と、抵抗２、４の接続点に現れる電圧とを比較して制
御電圧Vhを発生する働きをする。

トランジスタ15は、ヒータ14に流れる電流を、制御電圧
Vhに応じて制御する働きをする。

なお、Vbはバッテリ電圧を、そしてIpは検出セル１に流
れる電流をそれぞれ表わす。

次に、この実施例の動作について説明する。

上記したように、この実施例では、電子スイッチ６、７
により抵抗測定モードと、サンプリングモードとに交互
に順次、時分割で切換られて動作するが、このとき、第
３図における期間t₁、すなわちスイッチ６がオフでスイ
ッチ７がオンのときがサンプリングモードであり、期間
t₂、すなわちスイッチ６がオンでスイッチ７がオフのと
きが抵抗測定モードである。

そこで、まず、期間t₁におけるサンプリングモードでの
動作について説明する。

このモードでは、上記したように、電子スイッチ６はオ
フで電子スイッチ７がオンになっているから、このとき
の等価回路は第４図（ａ）に示すようになり、コンデン
サ５が検出セル１と並列に接続された形となる。そし
て、この結果、このコンデンサ５は、検出セル１の内部
起電力E₁に電圧Vpgを加えた電圧によって充電され、期
間t₁が経過する間にその端子電圧E₅は（E₁＋Vpg）に等
しくなる。つまり、このモードでは、検出セル１の内部
起電力E₁と電圧Vpgとがコンデンサ５によってサンプリ
ングされることになる。

次に、期間t₂における抵抗測定モードでの動作について
説明する。

このモードでは、電子スイッチ６がオンで電子スイッチ
７はオフになるから、このときでの等価回路は第４図の
（ｂ）に示すようになり、検出セル１の内部抵抗R₁と抵
抗２、３、４により、電圧V₀を電源電圧とする直流ブリ
ッジ回路が形成されることになる。

しかして、このとき、共通電位と検出セル１の上側端子
との間には内部起電力E₁と電圧Vpgを加算した電圧が現
れているが、一方、抵抗２と共通電位間には、この期間
t₂の直前の期間t₁に電圧E₅に充電されているコンデンサ
５が接続され、この電圧E₅は検出セル１の上側端子の電
圧と等しく保たれている。

この結果、検出セル１の内部起電力E₁と電圧Vpgとはコ
ンデンサ５の電圧E₅によってキャンセルされ、検出セル
１の内部抵抗R₁と抵抗２、それに抵抗３、４によるブリ
ッジ回路のバランス状態とは全く無関係となり、オペア
ンプ13の出力には、直流電圧V₀のもとで動作するブリッ
ジ回路により検出セル１の内部抵抗R₁の抵抗値を表わす
制御電圧Vthが取り出されることになる。

すなわち、従来例で交流電圧を用いているのは、これら
の電圧E₁、Vpgの影響を受けないで内部抵抗R₁の抵抗値
を測定するためであるが、この実施例によれば、上記し
たように、これらの電圧をキャンセルした状態で動作さ
せることができるため、交流を用いることなく、直流を
用いて簡単に検出セル１の内部抵抗R₁を測定することが
できる。

なお、この実施例で、検出セル１に印加されている電圧
Vpgは、ポテンシャルグラウンドと呼ばれ、検出セル１
による検出電流Ipが双方向に流れることを考慮して与え
られるもので、例えば直流の4Vの電圧が用いられてい
る。

ここで、酸素ポンプ方式の空燃比センサの動作について
説明する。

この実施例では、第２図の（ａ）、（ｂ）いずれの型式
の検出セルを用いてもよく、これらはいずれも同じよう
に動作するもので、まず、検出すべき排気ガスの状態が
空気過剰率λ＞１のリーン域になっているときには、両
白金電極22、23の間に、大気側の電極22を陽極とする励
起電圧Veが印加されるようにする。そうすると、これに
より、酸素ポンプ現象によって排気ガス中の酸素濃度Pe
に対応したポンプ電流Ipが、大気側の電極22に流れてい
る、サンプリングモードでの動作について説明する。

この実施例では、第２図の（ａ）、（ｂ）いずれの型式
の検出セルを用いてもよく、これらはいずれも同じよう
に動作するもので、まず、検出すべき排気ガスの状態が
空気過剰率λ＞１のリーン域になっているときには、両
白金電極22、23の間に、大気側の電極22を陽極とする励
起電圧Veが印加されるようにする。そうすると、これに
より、酸素ポンプ現象によって排気ガス中の酸素濃度Pe
に対応したポンプ電流Ipが、大気側の電極22から排気側
の電極23に向って流れる。このポンプ電流Ipはオペアン
プ12から供給されるもので、その大きさは次式で表わさ
れる。

Ip＝（4F/RT）・（DS/1）・Pe ‥‥（１）ここで、Ｆはファラデー定数、Ｔは絶対温度、Ｒは気体
定数、Ｄはガスの拡散定数、Ｓはガス拡散孔の断面図、
１はガス拡散孔の長さである。

このとき、大気側電極22には電圧Vrが、そして排気側電
極23には電圧Vpgがそれぞれ印加されているので、結
局、検出セル１には、これらの電圧の差の電圧が上記し
た励起電圧Veとして印加されることになる。

そして、この励起電圧Veは次式で表わされる値をとり実
用上からは約0.5V程度となる。

Ve＝Ip・R₁＋（RT/4F）・1n（Pa/Pe）＝Ip・R₁＋Ｅ ‥‥（２）ここで、Raは大気中での酸素濃度、Ｅはネルンストンの
法則で与えられる起電力であり、従ってこの（２）式の
右辺の第１項は検出セル１による電圧降下を表わすこと
になり、この結果、検出電圧V₀は次式のようになる。

V₀＝Ip・R₃＋Ve＋Vpg ‥‥（３）ここで、R₃は抵抗３の抵抗値である。

そして、これら（２）、（３）式から V₀＝Ip・R₃＋Ve＋Vpg ‥‥（４）となり、従って、排気ガス中の酸素濃度Peに対応して変
化するポンプ電流Ipによって検出電圧V₀が定まるため、
この電圧V₀により排気ガス中での酸素濃度Pe、つまりλ
＞１のリーン域での空燃比を検出することが出来る。

次に、このような空燃比センサの温度依存性について説
明する。

（１）式から明らかなように、検出セル１のポンプ電流
Ipには温度依存性があるため、この補償が不可欠とな
る。第５図はこのような検出セルのＶ−Ｉ特性を示した
もので、この図から明らかなように、セルの特性は、温
度によって限界電流（ポンプ電流Ipの飽和した値のこ
と）が変化するものとなっており、このため、検出電圧
V₀が温度依存性をもち、温度の影響を受ることになる。

第１図に戻り、この検出セル１の温度補償は、加熱用ヒ
ータ14に流れる電流をセル１の温度に応じて制御し、こ
れにより、このセル１の温度を一定の高温度に保つよう
にすることによって行なわれる。

しかして、このためには、検出セル１の温度を検出する
必要がある。

そこで、この実施例では、第４図（ｂ）に示すように、
抵抗２、３、４を用い、これにより検出セル１の内部抵
抗R₁と共に抵抗ブリッジ回路が構成されるようにし、こ
のとき、上記したように、コンデンサ５にサンプルされ
ている電圧E₅により検出セル１の内部起電力E₁がキャン
セルされるようにしたものである。

まず、第３図の期間t₁においては、電子スイッチ６がオ
フされてポンプ電流Ipがカットされるため、このときに
は、上記（２）式の右辺の第１項は零となり、第４図
（ａ）に示すようにして、コンデンサ５には起電力E₁と
電圧Vpbとの和の電圧が保持され、この結果、オペアン
プ10の出力電圧もこの電圧（E₁＋Vpg）となり、従っ
て、次のt₂の期間では第４図（ｂ）のようになる。

そこで、いま、オペアンプ13のプラス入力端子の電圧を
＋ｅ、マイナス入力端子の電圧を−ｅとすると、これら
の電圧は次式のようになる。

＋ｅ＝〔V₀−（Ｅ＋Vpg）〕R₁/（R₃＋R₁） ‥‥（５） −ｅ＝〔V₀−（Ｅ′＋Vpg）〕R₂/（R₄＋R₂）‥‥（６）そして、オペアンプ12の安定条件により、次式が成立す
る。

〔V₀−（Ｅ＋Vpg）〕R₁/（R₃＋R₁）＝〔V₀−（Ｅ′＋Vpg）〕R₂/（R₄＋R₂） ‥‥（７）ここで、電圧ＥとＥ′とが等しいことから、この（７）
式を整理すると、 R₄/R₂＝R₃/R₁ ‥‥（８）となり、ブリッジ回路の平衡条件が成立する。

なお、ここで、R₂,R₃,R₄はそれぞれ抵抗２、３、４の抵
抗値である。

そこで、このオペアンプ13の出力電圧Thをトランジスタ
15に印加してやれば、ヒータ14に供給される電流が制御
され、これにより、（８）式で表わされるバランス条件
が満足するように、つまり、検出セル１の内部抵抗R₁が
外部の抵抗R₂の抵抗値と等しくなるように、検出セル１
の温度が、たとえば700度以上の所定の高温度に一定に
保たれ、空燃比の検出が常に高精度で得られるような温
度制御が行なわれることになる。

なお、以上の説明から明らかなように、期間t₁では、電
子スイッチ６がオフされていてブリッジ回路には電流が
流れないので、上記したバランス条件が成立するのは、
第３図の期間t₂においてだけであり、従って、この起電
力測定モード期間t₁では、温度制御が一応無制御状態に
なる。

しかしながら、この実施例では、期間t₁と期間t₂の時間
比を、第３図から明らかなように、t₁≪t₂になるように
してあり、この結果、加熱用ヒータ14が有する熱時定数
と相俟って、起電力測定モード期間t₁での影響は殆ど生
じないようにしてあり、従って、この実施例によれば、
上記したように、検出セルの温度を一定の高温度に保っ
て高精度で空燃比を検出できるのである。

ここで、この期間t₁と期間t₂の時間比については、加熱
用ヒータ14の熱時定数などに応じて所定の値に設定して
やれば良い。

第７図は上記実施例による温度制御の結果を示したもの
で、実線は本発明を適用した場合を、そして破線はそう
でない場合をそれぞれ示しており、この図から明らかな
如く、本発明の場合には、排気ガス温度が約200度以上
で安定した検出が可能なことが判る。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

自動車のエンジンでは、空燃比領域がλ＞１のリーン域
に限らず、λ＝１の理論空燃比点、それにλ＜１のリッ
チ域でも運転される。

従って、空燃比センサとしても、このような広範囲にわ
たる空燃比の検出が可能なものが望ましい。そして、上
記した酸素ポンプ方式の空燃比センサによれば、このよ
うな広範囲での検出が可能である。

そこで、このような場合でも本発明を適用して温度制御
を行なうことを考えてみると、第２図に示すような酸素
ポンプ方式の検出セルでは、上記したように、λ＞１の
リーン域では大気側電極22から排気側電極23に向ってポ
ンプ電流Ipが流れ、λ＝１の理論空燃比でポンプ電流Ip
が零になるが、その後、λ＜１のリッチ域では、排気側
電極23から大気側電極22に向ってポンプ電流Ipが流れ
る。

そこで、このような広範囲での空燃比センサにおける温
度制御を行なうためには、第１図の実施例のままでは不
向きで、オペアンプ13の動作を切換えてやる必要があ
る。

第８図は、このような広範囲空燃比センサに本発明を適
用した一実施例で、20〜22はオペアンプ、23〜25はダイ
オード、26〜29は抵抗、そして30はコンデンサである。
また、この実施例では、第１図の場合でのオペアンプ13
に代えて２個のオペアンプ13A、13Bが用いられている
が、その他は第１図の実施例と同じである。なお、この
実施例では、電子スイッチ６、７としてFET（電界効果
トランジスタ）を用いている。

オペアンプ20、21、22はいずれも比較器として用いら
れ、このうちオペアンプ20、21は検出セル１のポンプ電
流の反転を検出する働きをし、オペアンプ22は起動時で
のクイックスタート制御用である。

次に、この実施例の動作について説明する。

既に説明したように、電圧Vrはλ＝１のときに電圧V₀と
等しくなり、λ＞１のリーン域では電圧Vr＜V₀となり、
λ＜１のリッチ域では電圧Vr＞V₀となる。そこで、この
関係を利用して、この実施例では比較器の切換を行なう
ようになっている。

まず、上記（３）式から、電圧V₀は V₀＝IpR₃＋（Vr−Vpg）＋Vpg ‥‥（９）と表わされる。

これから、λ＞１の領域では電圧V₀＞Vrとなり、オペア
ンプ20の出力は“H",オペアンプ21の出力は“L"となる
が、反対に、λ＜１の領域では電圧V₀＜Vrとなり、オペ
アンプ20の出力は“H",オペアンプ21の出力は“L"とな
る。

一方、オペアンプ13A、13Bの出力にはブリッジ回路の両
辺の大小関係によって、それぞれ“H",“L"の電圧がオ
ン・オフ的に現われる。

そこで、オペアンプ13A,20を一方の組、オペアンプ13
B、21を他方の組とし、これに抵抗26、28を組合わせる
と、これらは各々アンド回路を構成し、各組のオペアン
プの双方の出力が“H"になったときだけ、その組の出力
が“H"になる。

一方、２個のダイオード23、24はオア回路を構成し、こ
の結果、オペアンプの各組の出力を合成して取り出す働
きをする。

従って、検出セル１による酸素ポンプ電流Ipの方向がい
ずれの向きとなっても、検出セル１の内部抵抗R₁、抵抗
２、３、４から構成されるブリッジ回路のバランス状態
は、オペアンプ13A,13Bのいずれかの出力によって検出
され、抵抗29を介してトランジスタ15に供給されること
になり、温度制御を行なうことができる。

従って、この実施例によれば、空燃比状態をリーン域か
らリッチ域の全てにわたって広範囲に検出する空燃比セ
ンサに適用して、検出セルの温度を常に所定の一定の高
温度に制御することができ、精度の高い空燃比センサを
得ることができる。

ところで、この第８図の実施例では、ダイオード25を介
してオペアンプ22の出力もトランジスタ15に供給される
ようになっている。

しかして、このオペアンプ22の＋入力には一定の識別電
圧Vthが印加されており、他方、その−入力には抵抗28
とコンデンサ30からなる積分回路の出力が印加されるよ
うになっている。

この結果、自動車のイグニッションスイッチがオンにさ
れたときなどで、回路全体に電源が与えられたときに
は、このオペアンプ22の＋入力の電圧は直に立上るが、
その−入力の電圧は所定の時間遅れをもって上昇してゆ
くため、このオペアンプ22は、電源が投入されたときだ
け、そのときから所定の一定時間だけ“H"出力を発生す
ることになる。

従って、この実施例によれば、検出セル１を含むブリッ
ジ回路のバランス状態と無関係に、回路始動時には、必
ずヒータ14に電流が供給されることになり、検出セル１
の温度が所定の一定の高温度に達するまでの時間を充分
に短縮することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、空燃比センサの
検出セルの内部抵抗検出に障害となる内部起電力を確実
にキャンセルすることができるから、従来技術の問題点
に充分に対処し、交流を用いることなく、直流のままで
簡単に、しかも高精度で検出セルの温度を検出し、温度
制御を確実に行なうことができ、空燃比を安定して検出
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による空燃比センサの温度制御装置の一
実施例を示す回路図、第２図（ａ），（ｂ）はそれぞれ
検出セルの一例を示す断面図、第３図（ａ），（ｂ）は
動作説明用のタイミングチャート、第４図（ａ），
（ｂ）はそれぞれ動作説明用の等価回路図、第５図は空
燃比センサの温度依存性の一例を示す特性図、第６図は
同じくその内部抵抗の温度依存性を示す特性図、第７図
は本発明による効果を説明するための特性図、第８図は
本発明の他の一実施例を示す回路図である。１……空燃比センサの検出セル、２〜４……ブリッジ回
路構成用の抵抗、５……サンプリング用のコンデンサ、
６、７……電子スイッチ、８……スイッチ制御回路、９
〜11……電圧源用のオペアンプ、12、13……比較回路用
のオペアンプ、14……加熱用のヒータ、15……ヒータ制
御用のトランジスタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】大気側の電極と排気側の電極とを備えた酸
素ポンプ型の空燃比検出素子を用い、この検出素子の内
部抵抗変化により素子自体の温度を検出して加熱用ヒー
タの電流制御を行なう方式の空燃比センサの温度制御装
置において、上記検出素子の内部起電力を取込んで保持するサンプリ
ング手段と、上記検出素子の内部抵抗を直流により検出する測定手段
と、これらサンプリング手段と測定手段を交互に時分割切換
動作させる制御手段とを設け、上記サンプリング手段により保持した電圧により、上記
測定手段による内部抵抗測定時での上記内部起電力の影
響をキャンセルするように構成したことを特徴とする空
燃比センサの温度制御装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、上記測定
手段が直流ブリッジ回路で構成されていることを特徴と
する空燃比センサの温度制御装置。
【請求項３】特許請求の範囲第２項において、上記直流
ブリッジ回路からの電圧検出動作が、正極性と負極性に
またがって行なわれるように構成されていることを特徴
とする空燃比センサの温度制御装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項において、上記加熱
用ヒータが起動加熱回を備えていることを特徴とする空
燃比センサの温度制御装置。