JPH0850115A - 排気ガス酸素監視に用いる電流複製回路および方法 - Google Patents
排気ガス酸素監視に用いる電流複製回路および方法Info
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- JPH0850115A JPH0850115A JP7113009A JP11300995A JPH0850115A JP H0850115 A JPH0850115 A JP H0850115A JP 7113009 A JP7113009 A JP 7113009A JP 11300995 A JP11300995 A JP 11300995A JP H0850115 A JPH0850115 A JP H0850115A
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- G01F9/02—Measuring volume flow relative to another variable, e.g. of liquid fuel for an engine wherein the other variable is the speed of a vehicle
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 内燃機関の排気系統に設けられる酸素イオン
濃度比例センサの、ノイズおよびオフセット要素を増幅
しないようにして測定精度を向上させる方法を提案す
る。 【構成】 内燃機関の排気系統に設けられる酸素イオン
濃度比例センサ(100)の、検出セル(112)とポ
ンピングセル(101)の間の酸素の拡散を均等にする
のに必要なポンピング電流(IP)を表す出力信号を発
生する方法および回路である。ポンピング電流(IP)
から絶縁されているがこれを表す複製電流(IPRE
P)を発生する。次に複製電流(IPREP)を負荷抵
抗器(120)に流して出力信号を発生する。複製電流
(IPREP)はポンピング電流(IP)と同時に絶縁
して発生させるので、検出したポンピング電流(IP)
を別個に増幅する必要がない。
濃度比例センサの、ノイズおよびオフセット要素を増幅
しないようにして測定精度を向上させる方法を提案す
る。 【構成】 内燃機関の排気系統に設けられる酸素イオン
濃度比例センサ(100)の、検出セル(112)とポ
ンピングセル(101)の間の酸素の拡散を均等にする
のに必要なポンピング電流(IP)を表す出力信号を発
生する方法および回路である。ポンピング電流(IP)
から絶縁されているがこれを表す複製電流(IPRE
P)を発生する。次に複製電流(IPREP)を負荷抵
抗器(120)に流して出力信号を発生する。複製電流
(IPREP)はポンピング電流(IP)と同時に絶縁
して発生させるので、検出したポンピング電流(IP)
を別個に増幅する必要がない。
Description
【0001】関連出願本出願は、同時継続中の米国特許
出願番号08/024,017の部分継続出願である。
出願番号08/024,017の部分継続出願である。
【0002】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の排気系統内
に設けられる酸素イオン濃度比例センサと共に用いら
れ、かつ内燃機関の空燃比制御装置に結合する回路に関
する。
に設けられる酸素イオン濃度比例センサと共に用いら
れ、かつ内燃機関の空燃比制御装置に結合する回路に関
する。
【0003】
【従来の技術】酸素イオン濃度比例センサは従来よく知
られている。このセンサは、共通の壁に集合せしめられ
てセンサの本体を形成する第1および第2要素を備え
る。この本体は大気源に開いた標準ガス室と、ガス流ス
リットを通して内燃機関の排気系統に結合する排気ガス
室とを備える。
られている。このセンサは、共通の壁に集合せしめられ
てセンサの本体を形成する第1および第2要素を備え
る。この本体は大気源に開いた標準ガス室と、ガス流ス
リットを通して内燃機関の排気系統に結合する排気ガス
室とを備える。
【0004】本体および壁要素は、例えば酸化ジルコニ
ウムで形成する、酸素イオン電導性を持つ固体電解材料
から形成する。ポンピングセルを構成する共通壁の向か
い合う側と、検出セルを形成する本体要素の向かい合う
側に、電極を形成する。電気加熱要素を本体要素の表面
に結合し、全構造物を約800℃に加熱して、酸素セン
サ全体を活動状態にする。
ウムで形成する、酸素イオン電導性を持つ固体電解材料
から形成する。ポンピングセルを構成する共通壁の向か
い合う側と、検出セルを形成する本体要素の向かい合う
側に、電極を形成する。電気加熱要素を本体要素の表面
に結合し、全構造物を約800℃に加熱して、酸素セン
サ全体を活動状態にする。
【0005】このような状態で検出セルの電極に一定電
圧をかけると、セルを通って流れるポンピング電流は周
りのガスの酸素分に比例する。動作状態では、周りのガ
スの酸素分は内燃機関が生成する排気ガスの酸素分の変
動と共に変化する。ポンピングセル電流を制御電子回路
により調整して、検出セルの電圧を一定に保つ。このよ
うにして得られるポンピングセル電流は、監視対象の排
気ガスの酸素濃度を直接示す。
圧をかけると、セルを通って流れるポンピング電流は周
りのガスの酸素分に比例する。動作状態では、周りのガ
スの酸素分は内燃機関が生成する排気ガスの酸素分の変
動と共に変化する。ポンピングセル電流を制御電子回路
により調整して、検出セルの電圧を一定に保つ。このよ
うにして得られるポンピングセル電流は、監視対象の排
気ガスの酸素濃度を直接示す。
【0006】第1図は、上に述べた従来のEGOセンサ
で用いられている回路を示す。高利得差動増幅器10
は、負入力12と正入力14と出力16を持つ。負入力
12は、排気ガス酸素センサ(EGOセンサ)100の
検出セル112の端子cに接続する。高利得差動増幅器
10の正入力14は、校正電圧VCALとバイアス電圧
0.45ボルトとを加えた電圧に結合し、また出力16
は導体を通してEGO100のポンピングセル101の
入力aに結合する。
で用いられている回路を示す。高利得差動増幅器10
は、負入力12と正入力14と出力16を持つ。負入力
12は、排気ガス酸素センサ(EGOセンサ)100の
検出セル112の端子cに接続する。高利得差動増幅器
10の正入力14は、校正電圧VCALとバイアス電圧
0.45ボルトとを加えた電圧に結合し、また出力16
は導体を通してEGO100のポンピングセル101の
入力aに結合する。
【0007】直列精密10オーム抵抗器20の一端はポ
ンピングセル101の端子bに結合し、その他端はEG
Oセンサ100の検出セル112の端子dに結合する。
利得50を持つ差動増幅器30の2つの入力32と34
は抵抗器20の両端に接続し、差動増幅器30の出力3
6は、EGOセンサが検出した酸素濃度を表す出力電圧
「EGO出力」である。この出力電圧は、A−D変換器
40を通して車両の電子エンジン制御装置42に結合す
る。
ンピングセル101の端子bに結合し、その他端はEG
Oセンサ100の検出セル112の端子dに結合する。
利得50を持つ差動増幅器30の2つの入力32と34
は抵抗器20の両端に接続し、差動増幅器30の出力3
6は、EGOセンサが検出した酸素濃度を表す出力電圧
「EGO出力」である。この出力電圧は、A−D変換器
40を通して車両の電子エンジン制御装置42に結合す
る。
【0008】高利得差動増幅器10の出力16は導体1
8を通してEGOセンサのポンピングセル101の端子
aに戻って結合し、検出セル112からポンピングセル
101への電子フィードバックループを閉じる。このフ
ィードバックループは、高利得差動増幅器10の出力1
6からのポンピング電流(IP)を調整して検出セル電
圧をこの例では0.45ボルトに維持し、検出セル11
2に所要の酸素を拡散させる。通常の動作では、高利得
差動増幅器10は導体18を通して必要なポンピング電
流を流し、高利得差動増幅器10の2つの入力12と1
4を同じ電圧、望ましい実施態様ではVCAL+0.4
5ボルト、に維持する。
8を通してEGOセンサのポンピングセル101の端子
aに戻って結合し、検出セル112からポンピングセル
101への電子フィードバックループを閉じる。このフ
ィードバックループは、高利得差動増幅器10の出力1
6からのポンピング電流(IP)を調整して検出セル電
圧をこの例では0.45ボルトに維持し、検出セル11
2に所要の酸素を拡散させる。通常の動作では、高利得
差動増幅器10は導体18を通して必要なポンピング電
流を流し、高利得差動増幅器10の2つの入力12と1
4を同じ電圧、望ましい実施態様ではVCAL+0.4
5ボルト、に維持する。
【0009】例えば、排気ガス中の酸素分が高すぎる、
すなわち内燃機関がリーン状態で運転されると、検出セ
ル112から差動増幅器10の入力12に入る電圧が減
少する。差動増幅器10の第2入力14は一定なので、
第1入力12の電圧レベルが減少すると出力16の電圧
は高くなり、従って導体18内のポンピング電流18は
正方向に増加する。このためポンピングセル101は検
出セル112に酸素を送らなくなり、従って検出セル1
12の出力端子cおよび差動増幅器10の入力12の電
圧をVCAL+0.45ボルトに戻す。
すなわち内燃機関がリーン状態で運転されると、検出セ
ル112から差動増幅器10の入力12に入る電圧が減
少する。差動増幅器10の第2入力14は一定なので、
第1入力12の電圧レベルが減少すると出力16の電圧
は高くなり、従って導体18内のポンピング電流18は
正方向に増加する。このためポンピングセル101は検
出セル112に酸素を送らなくなり、従って検出セル1
12の出力端子cおよび差動増幅器10の入力12の電
圧をVCAL+0.45ボルトに戻す。
【0010】図1に示す従来の技術の実施態様の検討を
続けると、ポンピング電流IPはポンピングセル101
の端子bから出て精密10オーム直列抵抗器20を通
り、検出セル112の端子dに達する。差動増幅器30
が、抵抗器20の両端の電圧を50倍に増加させる。そ
して出力36のEGO出力電圧をA−D変換器40の入
力およびエンジン制御装置42が監視する。
続けると、ポンピング電流IPはポンピングセル101
の端子bから出て精密10オーム直列抵抗器20を通
り、検出セル112の端子dに達する。差動増幅器30
が、抵抗器20の両端の電圧を50倍に増加させる。そ
して出力36のEGO出力電圧をA−D変換器40の入
力およびエンジン制御装置42が監視する。
【0011】エンジン排気ガス内の酸素分が校正レベル
より低い場合は、ポンピングセル101から検出セル1
12に送る酸素を増やして、EGOセンサ100のバイ
アス特性を0.45ボルトに維持する。排気ガス内の酸
素が校正レベルより高い場合は、ポンピングセル101
は検出セル112の酸素を減らして、0.45ボルトの
バイアスを維持する。正方向または負方向のポンピング
速度はポンピング電流の大きさに依存する。また酸素の
ポンピングの方向は導体18を通って流れるポンピング
電流の向きによって制御される。
より低い場合は、ポンピングセル101から検出セル1
12に送る酸素を増やして、EGOセンサ100のバイ
アス特性を0.45ボルトに維持する。排気ガス内の酸
素が校正レベルより高い場合は、ポンピングセル101
は検出セル112の酸素を減らして、0.45ボルトの
バイアスを維持する。正方向または負方向のポンピング
速度はポンピング電流の大きさに依存する。また酸素の
ポンピングの方向は導体18を通って流れるポンピング
電流の向きによって制御される。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】図1に示す従来の方法
の実施態様において、差動増幅器30の出力36でのE
GO出力電圧が0から5ボルトの間で変化する場合、ま
た検出セル112の端子dでの校正電圧を2.5ボルト
と仮定すると、ポンピング電流がゼロであれば、差動増
幅器30の出力36からのEGO出力は2.5ボルトで
ある。この例では、抵抗器20の抵抗が10オームであ
り、差動増幅器30の利得が約50と仮定した。
の実施態様において、差動増幅器30の出力36でのE
GO出力電圧が0から5ボルトの間で変化する場合、ま
た検出セル112の端子dでの校正電圧を2.5ボルト
と仮定すると、ポンピング電流がゼロであれば、差動増
幅器30の出力36からのEGO出力は2.5ボルトで
ある。この例では、抵抗器20の抵抗が10オームであ
り、差動増幅器30の利得が約50と仮定した。
【0013】内燃機関での可能な最低の排気に対応する
条件でこの回路を動作させるには、ポンピンセル101
の端子bからの出力電圧(以下VP−と呼ぶ)が検出セ
ル112の端子dの入力(以下VS−)のポテンシャル
に極めて近くなるようEGOセンサを運転する必要があ
る。VP−とVS−の間の電圧差を最小、理想的状態で
はゼロにするには、抵抗器20の抵抗は非常に低い値に
しなければならない。
条件でこの回路を動作させるには、ポンピンセル101
の端子bからの出力電圧(以下VP−と呼ぶ)が検出セ
ル112の端子dの入力(以下VS−)のポテンシャル
に極めて近くなるようEGOセンサを運転する必要があ
る。VP−とVS−の間の電圧差を最小、理想的状態で
はゼロにするには、抵抗器20の抵抗は非常に低い値に
しなければならない。
【0014】従来の技術では抵抗器20の両端の最大電
圧は50ミリボルト(0.005アンペアx10オー
ム)より低くなければならないことが分かっているが、
このためには、A−D変換器(ADC)の動作を最適に
する最大信号幅を得るために、抵抗器20の両端に発生
する小さな信号電圧を50倍増幅しなければならない。
ADCの電圧の分解能は5ないし10ミリボルトと低い
ので、この装置が排気ガスの酸素内の小さい変動を検出
するためには、差動増幅器30の出力36の信号はでき
るだけ大きくしなければならない。
圧は50ミリボルト(0.005アンペアx10オー
ム)より低くなければならないことが分かっているが、
このためには、A−D変換器(ADC)の動作を最適に
する最大信号幅を得るために、抵抗器20の両端に発生
する小さな信号電圧を50倍増幅しなければならない。
ADCの電圧の分解能は5ないし10ミリボルトと低い
ので、この装置が排気ガスの酸素内の小さい変動を検出
するためには、差動増幅器30の出力36の信号はでき
るだけ大きくしなければならない。
【0015】検出抵抗器20の両端に発生する電圧を5
0倍増幅するとノイズや誤差を生じやすい。その理由
は、差動増幅器30の入力端子32と34でのノイズ
も、入力端子に存在するオフセット電圧も、信号と共に
50倍増幅されるからである。増幅器10および30を
組み込むモノリシック集積回路およびEGO加熱器制御
回路では、これらの回路で発生するノイズを差動増幅器
30の入力32と34から完全に絶縁することは不可能
である。従来の技術による解決策は、差動増幅器30が
許容できるノイズおよび誤差と、検出抵抗器20の両端
に発生する電圧の誤差の許容値とを妥協させることであ
る。
0倍増幅するとノイズや誤差を生じやすい。その理由
は、差動増幅器30の入力端子32と34でのノイズ
も、入力端子に存在するオフセット電圧も、信号と共に
50倍増幅されるからである。増幅器10および30を
組み込むモノリシック集積回路およびEGO加熱器制御
回路では、これらの回路で発生するノイズを差動増幅器
30の入力32と34から完全に絶縁することは不可能
である。従来の技術による解決策は、差動増幅器30が
許容できるノイズおよび誤差と、検出抵抗器20の両端
に発生する電圧の誤差の許容値とを妥協させることであ
る。
【0016】検出装置の性能を低下させる別の問題は、
ポンピング電流がゼロに近い領域での非線形電流電圧特
性(I−V曲線)に関する。この動作領域は、エンジン
を最低排気レベル内で制御しているときに起こるので不
安定である。従来の技術で用いるポンピングセルは電圧
駆動方式なので、増幅器10の出力16は制御電圧源で
ある。ポンピングセルが非線形領域を通る時は、ポンピ
ング電流をほんの少し変えるにも電圧を急に変えなけれ
ばならない。このため増幅器10は、出力16の電圧に
必要な変化を与えるために高速で動作しなければならな
い。
ポンピング電流がゼロに近い領域での非線形電流電圧特
性(I−V曲線)に関する。この動作領域は、エンジン
を最低排気レベル内で制御しているときに起こるので不
安定である。従来の技術で用いるポンピングセルは電圧
駆動方式なので、増幅器10の出力16は制御電圧源で
ある。ポンピングセルが非線形領域を通る時は、ポンピ
ング電流をほんの少し変えるにも電圧を急に変えなけれ
ばならない。このため増幅器10は、出力16の電圧に
必要な変化を与えるために高速で動作しなければならな
い。
【0017】実際は、増幅器で駆動される信号路内の内
部増幅器ノードのスルーレートが有限なので、出力電圧
をこのように変化させるにはかなりの時間がかかる。こ
の遅れの間は、ポンピング電流が誤差になって、エンジ
ンの性能が低下する。もし電流出力を持つ増幅器でポン
ピングセルを駆動し、ポンピングセルおよび検出セルの
全負荷効果から切り離されている回路にポンピング電流
の複製を発生することができれば、エンジンの動作曲線
の不安定な低排気領域でポンピング電流の複製はより正
確に追跡することができるはずである。
部増幅器ノードのスルーレートが有限なので、出力電圧
をこのように変化させるにはかなりの時間がかかる。こ
の遅れの間は、ポンピング電流が誤差になって、エンジ
ンの性能が低下する。もし電流出力を持つ増幅器でポン
ピングセルを駆動し、ポンピングセルおよび検出セルの
全負荷効果から切り離されている回路にポンピング電流
の複製を発生することができれば、エンジンの動作曲線
の不安定な低排気領域でポンピング電流の複製はより正
確に追跡することができるはずである。
【0018】従って本発明の主な目的は、ノイズおよび
オフセット要素を差動増幅器30の増幅率によって増幅
せず、EGO出力信号のノイズと望ましくないオフセッ
ト電圧を減少させることである。
オフセット要素を差動増幅器30の増幅率によって増幅
せず、EGO出力信号のノイズと望ましくないオフセッ
ト電圧を減少させることである。
【0019】
【課題を解決するための手段】内燃機関の排気系統に設
けられる酸素イオン濃度比例センサ内の、検出セルとポ
ンピングセルとの酸素濃度を等しくするのに必要なポン
ピング電流を表す出力信号を発生する方法と回路を提供
する。本方法は、ポンピング電流から絶縁されているが
これを表す複製電流を発生して、望ましくないノイズを
増幅せずまたオフセット要素を除去する段階を含む。十
分な値を持つ負荷抵抗を通して複製電流を流し、必要な
大きさの出力信号を生成する。
けられる酸素イオン濃度比例センサ内の、検出セルとポ
ンピングセルとの酸素濃度を等しくするのに必要なポン
ピング電流を表す出力信号を発生する方法と回路を提供
する。本方法は、ポンピング電流から絶縁されているが
これを表す複製電流を発生して、望ましくないノイズを
増幅せずまたオフセット要素を除去する段階を含む。十
分な値を持つ負荷抵抗を通して複製電流を流し、必要な
大きさの出力信号を生成する。
【0020】この回路は、標準電圧を発生する校正信号
発生器を備える。検出セルの出力と校正電圧とに結合す
る入力を備える差動増幅器が、検出セルからの出力電圧
と標準電圧とを比較し、これに従ってポンピング電流を
表す出力電圧を発生する。差動増幅器の第1出力をポン
ピングセルの入力に結合し、ポンピング電流を与えてポ
ンピングセルを活動状態にする。直列の検出抵抗器を用
いず、ポンピングセルの出力を検出セルの入力と校正手
段とに結合する。
発生器を備える。検出セルの出力と校正電圧とに結合す
る入力を備える差動増幅器が、検出セルからの出力電圧
と標準電圧とを比較し、これに従ってポンピング電流を
表す出力電圧を発生する。差動増幅器の第1出力をポン
ピングセルの入力に結合し、ポンピング電流を与えてポ
ンピングセルを活動状態にする。直列の検出抵抗器を用
いず、ポンピングセルの出力を検出セルの入力と校正手
段とに結合する。
【0021】複製電流発生器を差動増幅器に結合して、
第1出力から絶縁されている出力に、ポンピング電流I
Pから絶縁された複製電流を発生する。直列の負荷抵抗
を複製電流発生器の出力と校正発生器の間に結合し、そ
こを流れる複製電流に応答する出力信号をその両端に発
生する。直列負荷抵抗器の両端の出力電圧がポンピング
電流を表す。
第1出力から絶縁されている出力に、ポンピング電流I
Pから絶縁された複製電流を発生する。直列の負荷抵抗
を複製電流発生器の出力と校正発生器の間に結合し、そ
こを流れる複製電流に応答する出力信号をその両端に発
生する。直列負荷抵抗器の両端の出力電圧がポンピング
電流を表す。
【0022】
【実施例】本発明の第1の望ましい実施態様を図2に示
す。これは次の点を除き、図1に示すブロック図と一般
的に同じである。まず、図1の直列の検出抵抗器20を
導体21に置き換える。すなわち、直列の検出抵抗器を
用いない。これにより主な誤差の原因が除かれ、VP−
は一般にVS−に等しくなって、直列の抵抗器20を通
るポンピング電流IPによる電圧降下がない。第2に、
単一出力16を持つ高利得差動増幅器10ではなく高利
得差動増幅器110を用いる。差動増幅器110は増幅
器10の負入力12に対応する負入力121を持ち、ま
た従来の差動増幅器10の正入力14に対応する正入力
114を持つ。
す。これは次の点を除き、図1に示すブロック図と一般
的に同じである。まず、図1の直列の検出抵抗器20を
導体21に置き換える。すなわち、直列の検出抵抗器を
用いない。これにより主な誤差の原因が除かれ、VP−
は一般にVS−に等しくなって、直列の抵抗器20を通
るポンピング電流IPによる電圧降下がない。第2に、
単一出力16を持つ高利得差動増幅器10ではなく高利
得差動増幅器110を用いる。差動増幅器110は増幅
器10の負入力12に対応する負入力121を持ち、ま
た従来の差動増幅器10の正入力14に対応する正入力
114を持つ。
【0023】また差動増幅器110は従来の差動増幅器
10の出力16に対応する第1出力116を持つが、新
しい増幅器110は第2出力118も持つ。第1出力1
16からの出力ポンピング電流IPは従来用いられた差
動増幅器10からのポンピング電流IPに等しいが、第
2出力118からの出力電流IPREPは第1出力11
6からの元のポンピング電流の複製である。複製ポンピ
ング電流IPREPは、ポンピングセル101と検出セ
ル112と高利得差動増幅器110で構成するフィード
バックバックループで発生するポンピング電流を忠実に
複製したものである。
10の出力16に対応する第1出力116を持つが、新
しい増幅器110は第2出力118も持つ。第1出力1
16からの出力ポンピング電流IPは従来用いられた差
動増幅器10からのポンピング電流IPに等しいが、第
2出力118からの出力電流IPREPは第1出力11
6からの元のポンピング電流の複製である。複製ポンピ
ング電流IPREPは、ポンピングセル101と検出セ
ル112と高利得差動増幅器110で構成するフィード
バックバックループで発生するポンピング電流を忠実に
複製したものである。
【0024】図1の従来の技術で示す第2差動増幅器3
0はもう必要なく、複製電流IPREPは500オーム
の抵抗を持つ直列精密抵抗器120を通って流れる。直
列抵抗器120の他端は、約2.5ボルトのVCALに
接続する。新しい直列抵抗器120は従来の直列抵抗器
20より50倍大きい(500オーム対10オーム)の
で、複製ポンピング電流IPREPは従来の技術で用い
られたような別の増幅器を必要とせずに、抵抗器120
の両端にEGO出力電圧を直接生成する。従って図1に
示した従来の技術の実施態様のように、増幅器30が作
るノイズおよびオフセット要素が増幅されることがな
い。
0はもう必要なく、複製電流IPREPは500オーム
の抵抗を持つ直列精密抵抗器120を通って流れる。直
列抵抗器120の他端は、約2.5ボルトのVCALに
接続する。新しい直列抵抗器120は従来の直列抵抗器
20より50倍大きい(500オーム対10オーム)の
で、複製ポンピング電流IPREPは従来の技術で用い
られたような別の増幅器を必要とせずに、抵抗器120
の両端にEGO出力電圧を直接生成する。従って図1に
示した従来の技術の実施態様のように、増幅器30が作
るノイズおよびオフセット要素が増幅されることがな
い。
【0025】抵抗器120はVCALに接続しているの
で、複製ポンピング電流IPREPがゼロのときは、差
動増幅器110の出力118でのEGO出力は従来の技
術と同様に2.5ボルト(VCALに等しい)になる。
このようにすれば、D−A変換器回路とEGO加熱器制
御回路で発生するノイズは従来の技術のように増幅され
ないので、これらの回路をモノリシック集積回路に容易
に組み込むことができる。必要なEGO機能の全てを1
つのモノリシック集積回路に組み込むことができるの
で、この比較的高価な排気ガス制御回路のコストは最小
になる。
で、複製ポンピング電流IPREPがゼロのときは、差
動増幅器110の出力118でのEGO出力は従来の技
術と同様に2.5ボルト(VCALに等しい)になる。
このようにすれば、D−A変換器回路とEGO加熱器制
御回路で発生するノイズは従来の技術のように増幅され
ないので、これらの回路をモノリシック集積回路に容易
に組み込むことができる。必要なEGO機能の全てを1
つのモノリシック集積回路に組み込むことができるの
で、この比較的高価な排気ガス制御回路のコストは最小
になる。
【0026】本発明の望ましい実施態様は、ポンピング
電流IPと複製ポンピング電流IPREPを精度よく合
致させる必要がある。IPがゼロより大きい希薄混合気
燃焼動作領域では、ある程度の電流利得の正確さが必要
である。ポンピング電流IPがゼロに近い理論空燃費の
付近では要件が最も厳しい。この正確さの要件とは、オ
フセット電流誤差が非常に低くなければならないという
ことである。オフセット電流誤差とは、第1出力116
のポンピング電流IPがゼロのときに差動増幅器110
の出力118に存在する複製電流IPREPをいう。
電流IPと複製ポンピング電流IPREPを精度よく合
致させる必要がある。IPがゼロより大きい希薄混合気
燃焼動作領域では、ある程度の電流利得の正確さが必要
である。ポンピング電流IPがゼロに近い理論空燃費の
付近では要件が最も厳しい。この正確さの要件とは、オ
フセット電流誤差が非常に低くなければならないという
ことである。オフセット電流誤差とは、第1出力116
のポンピング電流IPがゼロのときに差動増幅器110
の出力118に存在する複製電流IPREPをいう。
【0027】図2の差動増幅器110の簡略図の詳細を
図3に示す。この増幅器は、負入力114と正入力11
2を備える従来の演算増幅器(オペアンプ)210を含
む。演算増幅器210の出力は、npnトランジスタ2
21とpnpトランジスタ222を備える電流複製回路
220に結合する。トランジスタ221と222は、ダ
イオード226および227と、電流発生器231およ
び232と、バイアス電圧VBIASにより静的にバイ
アスされているので、非常に小さい値のポンピング電流
IPが必要な場合は、小さいが必要な量の動作バイアス
電流が電流複製回路220を通って流れる。
図3に示す。この増幅器は、負入力114と正入力11
2を備える従来の演算増幅器(オペアンプ)210を含
む。演算増幅器210の出力は、npnトランジスタ2
21とpnpトランジスタ222を備える電流複製回路
220に結合する。トランジスタ221と222は、ダ
イオード226および227と、電流発生器231およ
び232と、バイアス電圧VBIASにより静的にバイ
アスされているので、非常に小さい値のポンピング電流
IPが必要な場合は、小さいが必要な量の動作バイアス
電流が電流複製回路220を通って流れる。
【0028】負荷に電流を流すためにポンピング電流I
Pが必要な場合は、演算増幅器210の正入力112が
負入力114よりやや小さくなり、演算増幅器210の
出力228は負方向に引かれる。出力228の電圧が減
少すると、トランジスタ221のコレクタを通る電流が
増加してソーシング(sourcing)電流ミラー240に電流
を流す。電流ミラーはソーシング電流ミラー240とシ
ンキング(sinking) 電流ミラー250を備えており、従
来の精密電流ミラー技術を用いる。
Pが必要な場合は、演算増幅器210の正入力112が
負入力114よりやや小さくなり、演算増幅器210の
出力228は負方向に引かれる。出力228の電圧が減
少すると、トランジスタ221のコレクタを通る電流が
増加してソーシング(sourcing)電流ミラー240に電流
を流す。電流ミラーはソーシング電流ミラー240とシ
ンキング(sinking) 電流ミラー250を備えており、従
来の精密電流ミラー技術を用いる。
【0029】トランジスタ221のコレクタ電流は2つ
のソーシング電流、すなわちポンピング電流IPと複製
ポンピング電流IPREPに変換される。ポンピング電
流IPはポンピングセル101を流れて、オペアンプ2
10の正入力114をVCALプラス0.45ボルトの
バイアスオフセットに戻す。電流をシンクするためにポ
ンピング電流が必要な場合は、トランジスタ222のコ
レクタ電流が増加して、シンキング電流ミラー250は
ポンピング電流IPと複製ポンピング電流IPREPを
供給する。
のソーシング電流、すなわちポンピング電流IPと複製
ポンピング電流IPREPに変換される。ポンピング電
流IPはポンピングセル101を流れて、オペアンプ2
10の正入力114をVCALプラス0.45ボルトの
バイアスオフセットに戻す。電流をシンクするためにポ
ンピング電流が必要な場合は、トランジスタ222のコ
レクタ電流が増加して、シンキング電流ミラー250は
ポンピング電流IPと複製ポンピング電流IPREPを
供給する。
【0030】望ましい実施態様では従来の電流ミラーを
図示したが、検出セルからの出力電圧と標準電圧との差
を用いて、1つはポンピング電流を発生し他の1つは複
製電流を発生する、2個(またはそれ以上)の別個の電
流源を駆動することができる。ただし電流源が整合して
いて、絶縁された出力電流を必要な比率で生成できるこ
とが条件である。2個の電流発生器を、予想される動作
領域で、特に低電流領域で整合させることが、装置の正
常な動作のために必要である。
図示したが、検出セルからの出力電圧と標準電圧との差
を用いて、1つはポンピング電流を発生し他の1つは複
製電流を発生する、2個(またはそれ以上)の別個の電
流源を駆動することができる。ただし電流源が整合して
いて、絶縁された出力電流を必要な比率で生成できるこ
とが条件である。2個の電流発生器を、予想される動作
領域で、特に低電流領域で整合させることが、装置の正
常な動作のために必要である。
【0031】他の電流ミラーの応用とは異なり、本実施
態様では出力電流IPまたはIPREPが入力電流にい
かによく比例するかは必ずしも重要ではなく、複製ポン
ピング電流IPREPが元のポンピング電流IPにいか
によく追従するかが重要である。本実施態様では、ソー
シング電流ミラー240およびシンキング電流ミラー2
50の電流利得の間でかなり大きな不整合が起こっても
構わない。というのは、ポンピング電流が実質的にゼロ
の場合に流れる小さな零入力電流を除いては、どの時点
でも電流が流れるのは一方の電流ミラーだけだからであ
る。しかしIPとIPREPの零入力電流の整合性がよ
いことは重要である。
態様では出力電流IPまたはIPREPが入力電流にい
かによく比例するかは必ずしも重要ではなく、複製ポン
ピング電流IPREPが元のポンピング電流IPにいか
によく追従するかが重要である。本実施態様では、ソー
シング電流ミラー240およびシンキング電流ミラー2
50の電流利得の間でかなり大きな不整合が起こっても
構わない。というのは、ポンピング電流が実質的にゼロ
の場合に流れる小さな零入力電流を除いては、どの時点
でも電流が流れるのは一方の電流ミラーだけだからであ
る。しかしIPとIPREPの零入力電流の整合性がよ
いことは重要である。
【0032】選択電圧利得と呼ぶ随意の機能を本発明の
第1の望ましい実施態様に用いてよい。理論空燃比付近
の動作領域では、ポンピング電流IPは非常に小さい。
この領域で複製ポンピング電流IPREPを、ポンピン
グ電流IPを増幅した値にすることができれば、強化エ
ンジン排気ガス制御のための理論空燃比の測定の精度が
高まる。
第1の望ましい実施態様に用いてよい。理論空燃比付近
の動作領域では、ポンピング電流IPは非常に小さい。
この領域で複製ポンピング電流IPREPを、ポンピン
グ電流IPを増幅した値にすることができれば、強化エ
ンジン排気ガス制御のための理論空燃比の測定の精度が
高まる。
【0033】図4は、IPとIPREPとがいくつかの
異なる電流利得を持つ、ディジタル制御の実施態様の理
想的な略図を示す。IPとIPREPを等しくしたい場
合は、電子エンジン制御装置に結合する制御信号により
電流シンクICON260を導通させる。電流シンクI
CON260が導通すると、抵抗器264の両端に十分
な電圧が発生し、トランジスタ268が非導通になって
抵抗器261とダイオード265に適当なバイアスがか
かる。この条件ではかなりの不整合誤差が発生し、IP
とIPREPの整合はせいぜい数パーセント以内であ
る。この不整合誤差の影響を打ち消すための転流方法を
以下に説明する。
異なる電流利得を持つ、ディジタル制御の実施態様の理
想的な略図を示す。IPとIPREPを等しくしたい場
合は、電子エンジン制御装置に結合する制御信号により
電流シンクICON260を導通させる。電流シンクI
CON260が導通すると、抵抗器264の両端に十分
な電圧が発生し、トランジスタ268が非導通になって
抵抗器261とダイオード265に適当なバイアスがか
かる。この条件ではかなりの不整合誤差が発生し、IP
とIPREPの整合はせいぜい数パーセント以内であ
る。この不整合誤差の影響を打ち消すための転流方法を
以下に説明する。
【0034】抵抗器262と263と264の値は理想
的には等しく、トランジスタ266と267と268は
理想的には同じものなので、トランジスタ266と26
7のコレクタ電流IPとIPREPは同じである。従っ
て、ポンピング電流IPと複製ポンピング電流IPRE
Pは等しい。複製ポンピング電流IPREPの大きさを
ポンピング電流IPの2倍にしたい場合は、ディジタル
制御により電流シンクICON260を非導通にする。
するとIPREPはトランジスタ267と268のコレ
クタ電流の和に等しくなり、これはトランジスタ266
のコレクタ電流の2倍である。この望ましい機能を実現
するには、電界効果トランジスタやバイポーラトランジ
スタや両者の組み合わせを用いてよいことは、当業者に
は明らかである。
的には等しく、トランジスタ266と267と268は
理想的には同じものなので、トランジスタ266と26
7のコレクタ電流IPとIPREPは同じである。従っ
て、ポンピング電流IPと複製ポンピング電流IPRE
Pは等しい。複製ポンピング電流IPREPの大きさを
ポンピング電流IPの2倍にしたい場合は、ディジタル
制御により電流シンクICON260を非導通にする。
するとIPREPはトランジスタ267と268のコレ
クタ電流の和に等しくなり、これはトランジスタ266
のコレクタ電流の2倍である。この望ましい機能を実現
するには、電界効果トランジスタやバイポーラトランジ
スタや両者の組み合わせを用いてよいことは、当業者に
は明らかである。
【0035】望ましい実施態様のモノリシック集積回路
の動作の正確さは、各要素の温度ドリフトや不整合の影
響を除くことにより更に高まる。2つの電流レベルIP
とIPREPを固定した使用率、この望ましい実施態様
では例えば50%の使用率で転流することにより、この
正確さは非常に増加する。IPとIPREPをこのよう
に切り替えるすなわち置換することは、1つの出力で2
つの電流を平均する効果を持つ。出力での電流の平均値
は次の式に従う。ただし、t1はIP1の導通時間であ
り、t2はIP2の導通時間である。 IP=(IP1*t1+IP2*t2)/(t1+t
2) IPREP=(IP2*t1+IP1*t2)/(t1
+t2)
の動作の正確さは、各要素の温度ドリフトや不整合の影
響を除くことにより更に高まる。2つの電流レベルIP
とIPREPを固定した使用率、この望ましい実施態様
では例えば50%の使用率で転流することにより、この
正確さは非常に増加する。IPとIPREPをこのよう
に切り替えるすなわち置換することは、1つの出力で2
つの電流を平均する効果を持つ。出力での電流の平均値
は次の式に従う。ただし、t1はIP1の導通時間であ
り、t2はIP2の導通時間である。 IP=(IP1*t1+IP2*t2)/(t1+t
2) IPREP=(IP2*t1+IP1*t2)/(t1
+t2)
【0036】50%の使用率でt1とt2を等しくする
ことは低速度クロック信号で行ってよいが、この場合は
2つの電流はIP=IPREP=(IP1+IP2)/
2になる。この転流を行うと、温度やドリフトやオフセ
ットバイアスが打ち消されるので正確さが非常に高ま
る。残る誤差はクロック切り替え移行とスイッチの電流
不整合誤差に関するものだけであって、MOSまたはバ
イポーラダーリントンスイッチを用いれば無視できる。
IP1とIP2が等しい50%の使用率が好ましいが、
特定の応用では、IP1がIP2に等しくない使用率を
用いることができる。
ことは低速度クロック信号で行ってよいが、この場合は
2つの電流はIP=IPREP=(IP1+IP2)/
2になる。この転流を行うと、温度やドリフトやオフセ
ットバイアスが打ち消されるので正確さが非常に高ま
る。残る誤差はクロック切り替え移行とスイッチの電流
不整合誤差に関するものだけであって、MOSまたはバ
イポーラダーリントンスイッチを用いれば無視できる。
IP1とIP2が等しい50%の使用率が好ましいが、
特定の応用では、IP1がIP2に等しくない使用率を
用いることができる。
【0037】図5は、上の説明に従う転流回路の簡略図
を示す。図3のトランジスタ221の出力は、並列接続
トランジスタ310および320とダイオード302を
通して2対の転流スイッチ311/312および321
/322に結合し、これらの転流スイッチは反転増幅器
301により制御される。これらのスイッチは約500
Hzのクロック速度で転流され、トランジスタ310か
らの出力電流(IP2で示す)はまずスイッチ311を
通してIP出力に切り替えられ、次にスイッチ312を
通してIPREP出力に切り替えられる。同様にして、
トランジスタ320からの出力電流(IP1で示す)は
スイッチ321と322によりIPとIPREPの間で
転流される。この望ましい実施態様では500Hzのク
ロック速度を用いたが、特定の応用で必要であれば、ク
ロック周波数は約30Hzから10KHzまでに設定す
ることができる。
を示す。図3のトランジスタ221の出力は、並列接続
トランジスタ310および320とダイオード302を
通して2対の転流スイッチ311/312および321
/322に結合し、これらの転流スイッチは反転増幅器
301により制御される。これらのスイッチは約500
Hzのクロック速度で転流され、トランジスタ310か
らの出力電流(IP2で示す)はまずスイッチ311を
通してIP出力に切り替えられ、次にスイッチ312を
通してIPREP出力に切り替えられる。同様にして、
トランジスタ320からの出力電流(IP1で示す)は
スイッチ321と322によりIPとIPREPの間で
転流される。この望ましい実施態様では500Hzのク
ロック速度を用いたが、特定の応用で必要であれば、ク
ロック周波数は約30Hzから10KHzまでに設定す
ることができる。
【0038】図5に示す略図のバイポーラトランジスタ
の実施態様を図6により詳細に示す。pnpバイポーラ
トランジスタを2つのダーリントン対360と370に
配置して、転流器からクロックにベース電流として逃げ
る電流を減少させる。これらの逃げ電流が十分整合しな
い場合は転流器は誤差を生じる。ダーリントン対360
と370を用いることにより逃げ電流は十分小さくな
り、不整合があっても絶対電流は小さい。
の実施態様を図6により詳細に示す。pnpバイポーラ
トランジスタを2つのダーリントン対360と370に
配置して、転流器からクロックにベース電流として逃げ
る電流を減少させる。これらの逃げ電流が十分整合しな
い場合は転流器は誤差を生じる。ダーリントン対360
と370を用いることにより逃げ電流は十分小さくな
り、不整合があっても絶対電流は小さい。
【0039】図6において、使用率が50%と仮定した
クロック電圧は反転増幅器301を駆動して、ダーリン
トン対360により使用率の一部でIP1をIPに流
し、使用率の他の部分でダーリントン対370によりI
P1を出力IPREPに流す。図6はソーシング電流転
流器を示すが、n型トランジスタ(例えばnチャンネル
MOSFETまたはnpnトランジスタ)を用いればシ
ンキング電流転流器が作れることは明らかである。
クロック電圧は反転増幅器301を駆動して、ダーリン
トン対360により使用率の一部でIP1をIPに流
し、使用率の他の部分でダーリントン対370によりI
P1を出力IPREPに流す。図6はソーシング電流転
流器を示すが、n型トランジスタ(例えばnチャンネル
MOSFETまたはnpnトランジスタ)を用いればシ
ンキング電流転流器が作れることは明らかである。
【0040】ここで用いた「転流」という語は、電流で
も電圧でも、一方の信号を使用率に従って他の信号に置
き換えることであり、使用率とは2つの信号の相対的な
比率である。この目的のためにいろいろの他の通信回路
や装置を用いて同様によい結果を得ることができる。更
に、ここに指定した他の要件を満足していれば、例示の
装置の代わりにいろいろの能動半導体装置を用いて、ポ
ンピングおよび複製電流を生成することができる。本発
明の新規な考案の範囲から逸れることなく、多くの修正
や変更を行うことができることは明らかである。従って
特許請求の範囲は、本発明の精神と範囲内に入る全て修
正と変更をカバーするものである。
も電圧でも、一方の信号を使用率に従って他の信号に置
き換えることであり、使用率とは2つの信号の相対的な
比率である。この目的のためにいろいろの他の通信回路
や装置を用いて同様によい結果を得ることができる。更
に、ここに指定した他の要件を満足していれば、例示の
装置の代わりにいろいろの能動半導体装置を用いて、ポ
ンピングおよび複製電流を生成することができる。本発
明の新規な考案の範囲から逸れることなく、多くの修正
や変更を行うことができることは明らかである。従って
特許請求の範囲は、本発明の精神と範囲内に入る全て修
正と変更をカバーするものである。
本発明の目的や機能や利点は、詳細な説明および以下の
図面を検討することにより明らかになる。
図面を検討することにより明らかになる。
【図1】従来のEGOセンサで用いられる回路を示す略
ブロック図。
ブロック図。
【図2】ポンピングセルと検出セルの間の直列の検出抵
抗器を除いた、本発明の第1の望ましい実施態様の略ブ
ロック図。
抗器を除いた、本発明の第1の望ましい実施態様の略ブ
ロック図。
【図3】図2に示す第1の望ましい実施態様の電流ミラ
ーの簡略ブロック図。
ーの簡略ブロック図。
【図4】図3に示す回路の電流ミラーの間略図。
【図5】本発明の転流回路の簡略ブロック図。
【図6】図5に示すブロック図の転流回路の簡略図。
IP ポンピング電流 IPREP 複製ポンピング電流 40 A−D変換器 42 電子エンジン制御装置 100 EGOセンサ 101 ポンピングセル 110 差動増幅器 112 検出セル 120 抵抗器 210 オペアンプ 220 電流複製回路
Claims (2)
- 【請求項1】 内燃機関の排気系統に設けられる酸素イ
オン濃度比例センサの、検出セルとポンピングセルの間
の酸素の拡散を均等にするのに必要なポンピング電流を
表す出力信号を発生する方法であって、 (a) 前記検出セルからの出力電圧と標準電圧との差
を検出し、これに従って同時に電流ミラー内に前記ポン
ピング電流と、前記ポンピング電流から絶縁されている
がこれを表す複製電流とを発生し、 (b) 前記複製電流を既知の値の負荷抵抗に流してそ
の両端に前記出力信号を発生する、段階を含む方法。 - 【請求項2】 段階(a)は、前記転流ミラーの絶縁さ
れた出力に、前記ポンピング電流とこれに等しい前記複
製電流とを同時に発生する段階も含む、請求項1記載の
方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US24718894A | 1994-05-20 | 1994-05-20 | |
US247188 | 1994-05-20 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0850115A true JPH0850115A (ja) | 1996-02-20 |
Family
ID=22933946
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7113009A Pending JPH0850115A (ja) | 1994-05-20 | 1995-05-11 | 排気ガス酸素監視に用いる電流複製回路および方法 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5578748A (ja) |
EP (1) | EP0683382A3 (ja) |
JP (1) | JPH0850115A (ja) |
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