JPS60200162A - 酸素濃度測定装置 - 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】 （技術分野） 本発明は酸素濃度測定装置、詳しくは酸素センサを用い
て被測定ガス中の酸素濃度を広範囲に精度よく検出する
酸素濃度測定装置に関する。

（ｉ）ｃ末技術） 近時、エンジン吸入混合気の空燃比を精度よく目標値に
制御するために空燃比と相関関係をもつ排気中の酸素濃
度を検出し、この酸素濃度に応じて燃料供給量をフィ＝
ドハノク制御しており、このような空燃比を広範囲に亘
り検出する装置が開発されている。

従来のこの種の酸素センサとしては、例えば特開昭５８
−１５３１５５号公報に記載されたものがあり、第１図
のように示すことがモきる。第１図において、ｌは酸素
センナであり、酸素センサ１は酸素濃度に応じて起電力
を発生する−・種の濃淡電池の原理を応用したものであ
る。２．３は酸素イオン伝導性の固体電解質であり、こ
れらの第１、第２固体電解質２．３は所定間隔Ｌ　（例
えば、Ｌ　＝　０．１ｍｍ　）を隔てて略平行に配設さ
れている。また、これらの第１、第２固体電解質２．３
の間には支持体４が介設されており、この支持体４は第
１、第２固体電解質２．３と共に間隙部５を画成してい
る。間隙部５に臨む第１固体電解質２の−・面には測定
電極６が設けられており、他面には測定電極６と対向す
る位置に基準電極７が設けられている。

そして、これらの各電極６．７にはセンサリーｌ゛線８
１．９がそれぞれ接続されている。一方、間隙部５に臨
む第２固体電解質３の−・面には基準電極７と対向する
位置にカソード電極（ポンプ電極）　１０が設けられて
おり、他面にはアノ−１′電極（ポンプ電極）１１が設
けられている。そして、これらの各電極１０．１１には
ポンプリード線Ｉ２．１３がそれぞれ接続されている。

上記第１固体電Ｍ、質２、測定電極６および基準電極７
はセンサ部１４を構成し、第２固体電解質３、カッ−ド
電極１０およびアノード電極１１はポンプ部１５を構成
している。また、ポンプ部１５の側方には絶縁性を有す
るアルミナ基板１６が所定間隔を隔てて略平行に配設さ
れζおり、このアルミナ基Ｆｊ、１６内には第１、第２
固体電解質２．３の活性を保つように適温に加熱するヒ
ータ１７が内蔵されている。センサ１７にはヒータリー
ト線１７ａ、１７＋）を介し゛ζ５〜１５Ｖ程度のヒー
タ電圧ｖｈが供給されている。

ポンプ部１５のアノード電極１１には後述する電流供給
手段から流し込み電流（以下、ポンプ電流１ｐという）
が供給されており、このポンプ電流１ｐは第２固体電ｐ
Ｈ質３内をアノ　１電極１１からカソード電極１０に向
けて流れる。このとき、ポンプ電流１ｐの値に応してカ
ソード電極１０からアノード電極１１に向けて第２固体
電解質３内を酸素イオンが移動する。したがって、図中
矢印（ＧＡＳ）で示すように被測定ガス、例えば排気を
導くと、ポンプ電流１ｐにより間隙部５の酸素分子がイ
オンの形で外部に排出される。この場合、間隙りが極め
て狭いため、外部から間隙部５に拡散する酸素分子の量
が制限される。このため、間隙部５の内外部において酸
素濃度差が発生し、この酸素濃度差が所定値になるとセ
ンサ部１４の出力電圧ＶＳが急変する。

この出力電圧Ｖｓの急変する空燃比（以下、切り換り空
燃比という）はポンプ電流１ｐの値に対応しており、ポ
ンプ電流１ｐの増加に伴って理論空燃比よりリーン側に
移行する。なお、上記空燃比は、詳しくは排気中の酸素
濃度に対応する吸入混合気の空燃比という表現が妥当で
あるが、説明の便宜上、以下単に空燃比という。

第２図は、」二連した酸素センサ１を用いて空燃比を制
御するものとして、本出願人が先に特許出願した「空燃
比制御装置」　（昭和５９年１月５０提出の特許願参照
）において空燃比を検出している部分の回路図である。

第２図において、酸素センサ１はり−１−線８．９．１
２．１３を介して空燃比検出手段２０に接続されており
、空燃比検出手段２０ば電流供給手段２１および電流値
検出手段２２により構成されている。電流供給手段２１
はオペアンプＯＰＩ、１ランジスタＱ１、抵抗Ｒ１およ
び基準電源２３により構成されており、センサ部出力Ｖ
ｓが目標電圧Ｖａとなるようにポンプ部１５にポンプ電
流ｒｐを供給している。ごの目標電圧Ｖａばセンサ部出
力Ｖｓの急変する空燃比（ずなわら、切り換り空燃比）
におりる急変電圧の略中間値であり、基準電源２３によ
り設定される。

ここで、目標電圧Ｖａが固定的であるのは、センサ部１
４自体にはポンプ電流１ｐが供給されず、酸センサ部１
４の内部抵抗に対してポンプ電流１ｐによる電圧降下分
が出力電圧ＶＳに上乗せされないからである。これは、
例えば特開昭５７−７６４５０号公報に記載されている
ような単一体の酸素センサと異なり、酸素センサｌを出
力電圧Ｖｓのみを取り出すセンサ部１４と、ポンプ電流
１ｐが供給されるポンプ部１５と、に分割しているため
である。したがって、センサ部出力Ｖｓの急変電圧の中
間値は切り換り空燃比の大きさに拘らず略目標電圧Ｖａ
程度となる。

そして、ごの切り換り空燃比はポンプ電流！ｐの大きさ
に応じて変化する・ ポンプ電流ｒｐの値は電流値検出手段２２により検出さ
れており、電流値検出手段２２はオペアンプＯＰ２、Ｏ
Ｆ２、抵抗Ｒ２、Ｒ３およびコンデンサＣ１により構成
されている。そして、電流値検出手段２２はポンプ電流
ｉｐの値を抵抗Ｒ２の両端間の電圧降下とし”ζ検出し
、現空燃比を表ず電圧信冒ｖｉを出力している。したが
って、ごのような装置によれば、被測定ガス中の酸素濃
度、すなわら空燃比を広範囲にかつ連続的に検出するこ
とができる。

しかしながら、このような従来と先願の組合せに係る酸
素濃度測定装置にあっては、酸素センサｌの間隙部５へ
の酸素分子の拡散量をポンプ電流１ｐとして検出し空燃
比を判断する構成となっていたため広範囲の空燃比を連
続的に検出することができる反面、所定空燃比（例えば
、理論空燃比）をｔ、ｆｆｉ度よく検出しようとする場
合には、適さない。また、上記拡散量の検出は空燃比の
急激な変化に比して比較的応答性が遅く、例えば特に応
答性の高いことが要求される三元触媒を備えたエンジン
に本装置を適用して空燃比をフィー　ドハノク制御しよ
うとする場合、適応性に欠りるという問題点があった。

（発明の目的） そこで本発明は、所定空燃比で出力電圧の急変する第２
の酸素センサを上記装置に組み合わせて空燃比を判断す
ることにより、所定空燃比におりる応答性と検出精度を
高めつつ空燃比を広範囲に亘り連続して検出することが
できる酸素濃度測定装置を提供することを目的としてい
る。

（発明の構成） 本発明による酸素濃度測定装置は、その全体構成図を第
３図に示すように、被測定ガス中の酸素濃度を検出し空
燃比に対して出力電圧が緩やかに変化する第１酸素濃度
検出手段６６と、被測定ガス中の酸素濃度を検出し所定
空燃比で出力電圧の急変する第２酸素濃度検出手段５５
と、第１酸素濃度検出手段および第２酸素濃度検出手段
の出力に基づいて空燃比を算出する空燃比検出手段６７
と、を備えており、所定空燃比での応答性と検出精度を
高めつつ空燃比を広範囲に亘り検出するものである。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第４〜９図は本発明の第１実施例を示す図であり、本発
明をエンジンの排気中の酸素濃度、ずなわら空燃比を検
出する装置に適用した例である。

まず、構成を説明すると、第４図は酸素センサの分解斜
視図、第５図は酸素センサの断面図である。これらの図
において、３Ｉは電気絶縁性の高い平板状のアルミナ基
板であり、アルミナ基板３１の」二面（図中上方の端面
）にばヒータ３２を挾さんで基準ガス導入板３３が積層
される。

基準ガス導入板３３の上面には、基準ガス導入溝３４が
形成されている。

そして、この基準ガス導入機３３の上面側には平板状の
第１固体電解質３５、隔壁板３６および第２固体電解質
３７が略平行に順次積層される。

第１、第２固体電解質３５．３７ば酸素イオン伝導性の
酸素ジルコニウム等を主成分としており、第２固体電解
′ｆｒ３７には小孔３７ａが形成されている。また、隔
壁板３６には大きな矩形の貫通孔３６ａが形成されζい
る。貫通孔３６ａに対向する第１固体電解質３５の上、
下面には何れも白金を主成分とする第１測定電極３８お
よび第１基／ｌ’！電極３９がそれぞれ印刷処理により
積層されており、これらの各電極３８．３９にはリード
線４０．４１がそれぞれ接続される。また、貫通孔３６
ａに対向する第２固体電解質３７の上面には、第２測定
電極４２とアノード電極（ポンプ電極）４３が並設して
積層され、下面にはカッ−１°電極（ポンプ電極）４４
が積層される。これらの各電極４２〜４４にはリード線
４５〜４７がそれぞれ接続されるとともに、アノ−１電
極４３およびカッ−１゛電極４４にば小孔３７ａと同一
・軸線上にそれぞれ小孔４３ａ、４４ａが形成されてい
る。

基準ガス導入板３３と第１固体電解質３５は基準ガス導
入部４８を画成しており、基準ガス導入部４８には矢印
（Ａ　Ｉ　Ｒ）で示すように一定酸素濃度の基準ガス、
本実施例では大気が導かれる。

また、第２固体電解質３７と隔壁板３６は第１測定電極
３８を覆ってこの電極３８の囲りに空間部（酸素層）４
９を画成しており、第２固体電解質３７の図中」二方に
は符’ｉ４　（ＧＡｓ）で示すように被測定ガス、本実
施例では排気が導かれる。前記小孔４３ａ、３１ａ−４
４ａは拡散孔５０を構成しており、拡散孔５０は排気中
と空間部４９を連通している。隔壁板３６および第２固
体電解質３７は酸素層画成部材５１を構成しており〜、
酸素層画成部材５１ば排気中と空間部４９との間におけ
る単位時間当りの酸素分子の拡散量を規制している。

上記第１固体電解質３５、第１測定電極３８および第１
基準電極３９は第１センザ部５２を構成しており、第２
固体電解質３７、アノード電極４３およびカッ　ド電極
４４はポンプ部５３を構成している。したがって、第１
センザ部５２はその第１基１１１ｊ電極３９側が大気に
接し、第１測定電極３８側が空間部４９に接する（すな
わち、第１酸素層画成部材５１を介し一ζ排気に接する
）こととなり、酸素濃淡電池を形成して両電極３８．３
９間の酸素分圧比に応した起電力Ｅを発生ずる。この起
電力Ｅは第１センザ部５２の出力Ｖｓ、として外部に携
り出される。また、ポンプ部５３には後述する電流供給
手段からポンプ電流ｒｐが供給されており、ポンプ電流
１ｐはポンプ電極４３．４４間を流れる。このとき、第
２固体電解質３７中をポンプ電流１ｐと逆方向に酸素イ
オンが移動し、その移動量はポンプ電流Ｉｐの値に比例
する。したがって、ポンプ部５３はポンプ電流１ｐの値
に応じて排気と空間部４９との間で酸素分子を移動させ
る（すなわち、酸素ポンプ作用を行う）。

これらの第１センサ蔀５２、ポンプ部５３、酸素層画成
部材５１および基準ガス導入板３３は全体として第１酸
素センサ５４を構成している。

一方、第２固体電解質３７、第２測定電極４２およびカ
ソード電極４４は第２センザ部５５（第２酸素センサ）
を構成しており、カッ−１−′電極４４は第２センサ部
５５における基準電極としての機能を有しいる。したが
って、第２センサ部５４はその第２測定電極４２側が直
接排気に接し、カソード電極４４側が空間部４９に接す
る（すなわち、酸素層画成部材５１を介して排気に接す
る）こととなり、第１センジ部５２と同様に両電極４２
．４４間の酸素分圧比に応した起電力Ｅを発生ずる。

そして、この起電力Ｅは第２センザ部６４の出力Ｖｓ２
として外部に取り出される。なお、ヒータ３２は第１、
第２固体電解質３５．３７を適温に加熱しそれらの活性
を保っている。

第６図は上記第１、第２１素センサ５４．５５を使用し
た酸素濃度測定装置の回路図である。

第６図において、第１酸素センザ５４はリード線４０．
４１．４６．４７を介してポンプ電流検出手段６１に、
第２センザ部５５はリード線４５を介してバッファアン
プ６２にそれぞれ接続される。ポンプ電流検出手段６１
は電流供給回路６３、電流値検出回路６４、差動アンプ
ＤＦＩ、基準電源６５および抵抗Ｒ４により（構成され
る。電流供給回路６３には差動アンプＩ）　Ｆ　１から
の出力ΔＶが入力されており、差動アンプｌ）　Ｆ　１
は第１セン号部出力■Ｓ、から目標電圧Ｖａを減算して
差値Δ■（ΔＶ　＝　Ｋ　（Ｖ　ｓ　、−Ｖ　ａ　）　
、但しＫは定数）を出力する。この目標電圧Ｖａは第１
センサ部出力Ｖｓ、の切り換り空燃比における急変電圧
の略中間値であり、基準電源６５により設定される。

なお、目標電圧Ｖａば必ずしも急変電圧の略中間値に限
るものではなく、例えばその下限値近傍に設定してポン
プエネルギーを小さくするようにしてもよい。したがっ
て、差値ΔＶは現空燃比と切り換り空燃比とのずれの大
きさを表しており、差値Δ■を零とするようなポンプ電
流Ｉｐを供給すると、このポンプ電流ｉｐは現空燃比に
対応した値となり、その値を検出するごとにより排気中
の酸素濃度に対応した現空燃比を検出することができる
。電流供給回路６３は差値Δ■が零となるようにポンプ
電流１ｐを制御しており、電流値検出回路６４はポンプ
電流１ｐの値を抵抗Ｒ４の両端間の電圧降［とじて検出
し電圧信号Ｖｊを出力している。上記第１酸素センサ５
４およびポンプ電流検出手段６１ば第１酸素濃度検出手
段６６を構成しており１、第１酸素濃度検出手段６６は
後述するように排気中の酸素濃度を検出し空燃比に対し
て出カフ１ｉ圧Ｖｉが緩やかに変化しζいる。

一方、第２センサ部５５は第２酸素濃度検出手段を構成
しており、第２酸素濃度検出手段は後述するように理論
空燃比でその出力電圧Ｖｓ２を急変さ・ける。そして、
本実施例では第１酸素センザ５４および第２センザ部５
５が単一体の酸素ヒンザとして同一・本体内に組み込ま
れている。

なお、これらの酸素センサ５４．５５は別体としても勿
論よい。第２センサ部５５の出力Ｖｓ２はバンファアン
プ６２を介して空燃比検出手段６７に入力されており、
空燃比検出手段６７にはさらにポンプ電流検出手段６１
からの電圧信号Ｖｉが入力されている。空燃比検出手段
６７はオペアンプＯＰ４および抵抗Ｒ５〜Ｒ８により構
成される加算器であり、電圧信号■ｉと第２センサ部出
力Ｖｓ２とを加算して電圧信号Ｖｎ　（Ｖｎ＝ＶｉＬＶ
ｓ２）を出力する。

次に作用を説明する。

一般に、拡散電流検出型の酸素センサは流し込み電流（
拡散電流）の酸素ポンプ作用によりセンサ部の各電極間
に所定の酸素濃度差を発生させ、そのときの流し込み電
流の値を被測定ガスの酸素濃度に一義的に対応させて、
酸素濃度を広範囲に検出するという原理に基づいている
。この場合、流し込み電流の値は所定の酸素濃度差を維
持するために必要なポンプエネルギーの大きさを表して
いる。ところで、このようなポンプエネルギーは、セン
サ部の各電極が直接被測定ガスに接している場合、実際
上かなりの大きさが必要であることから、通常、センサ
部の一方の電極側に酸素分子の拡散を制限する制限部材
（本実施例では酸素層画成部材）を設けてポンプエネル
ギーの大きさを小さくして制御性や酸素センサの耐久性
等を高めている。しかしながら、制限部材を拡散する酸
素分子量の検出は時間的な遅れを伴うため応答性に欠け
、またその検出精度も高いものとはいえない。

そこで本実施例では、理論空燃比を境に出力電圧の急変
する特性を有する、いわゆる電圧検出型の酸素センサは
応答性や検出精度が高いという点に着目して、両タイプ
の酸素センサの長所を取り入れ、理論空燃比における応
答性と検出精度を高めつつ、リンチからリーンまでの広
範囲な空燃比を連続して検出している。

ずなわち、Ｖｓ□−Ｖａとなるように第１酸素センザ５
４にポンプ電流ｒｐを供給すると、ポンプ電流１ｐのｒ
ｌ！素ポンプ作用により空間部４９の酸素分圧が決定さ
れる。いま、排気温度が１０００°にであるとき、例え
ばＶａ＝５００ｍＶに設定し空間部４９の酸素分圧（第
１測定電極３日の酸素分圧ｐｂ）を理論空燃比に対応し
た値に維持しようする場合、その値ｐｂは次に示すネル
ンストの式■によりめられ、Ｐ　ｂ　＝　０．２０６　
ｘｌｏ　気圧となる。

Ｅ−（ＲＴ／４Ｆ）　・ｅｎ　・　（Ｐａ／Ｐｂ）■ 但し、Ｐａ：第１基（Ｐ電極３９の酸素分圧Ｐｂ：第１
測定電極３８の酸素分圧 Ｒ：気体定数 １゛：絶対温度 Ｆ：ファラディ定数　・ このポンプ電流Ｉｐの値は空間部４９の酸素分圧ｐｂを
理論空燃比に対応した上記所定値（Ｐｂ＝　０．２０６
　Ｘ　１０　気圧）に維持するために必要なポンプエネ
ルギーの大きさを表しており、ポンプ電流１ｐの変化は
排気の酸素分圧、すなわち排気中の酸素濃度の変化に対
応したものとなる。

そして、これら両者の関係は排気中の酸素濃度を空燃比
で表すと第７図に示すようになり、ポンプ電流１ｐの値
を電圧信号Ｖｉとして検出することにより、空燃比を連
続して測定することができる。この電圧信号Ｖｉは、そ
の大きさが空燃比に対して緩やかに変化しており、理論
空燃比で零となる。なお、ポンプ電流Ｉｐの値は理論空
燃比よりリーン域では排気中の酸素分子０２の量に対応
し、リッチ域では排気中のｃ。

やＩ（Ｃ等のＮ（これらが酸素分子ｏ２に変換されるた
め）に対応したものとなり、理論空燃比を境に流れる方
向が反転する。

一方、第２センザ部５５の出力電圧Ｖｓ２は前記ネルン
ストの式■がら空間部４９と排気との間の酸素分圧比に
りＪ応したものとなる。この場合、空間部４９の酸素分
圧は第１酸素センザ５４に供給されるポンプ電流ｉｐに
より常に理論空燃比に対応した大きさに維持されている
。また、排気の酸素分圧はリンチ域では約ｌＯ〜ＩＯ気
圧、リーン域では約ＩＯ気圧程度になる。したがって、
第２センジ・部５５の出力電圧ＶＳ２は第８図に示すよ
うに理論空燃比を境にその大きさが急変したものとなり
、その応答性は極めて速くかつ検出精度も高い。これは
、第２センザ部５５の各電極４２．４４が排気に直接接
しており、排気中の酸素濃度変化に対して即座にかつ正
確に反応するからである。

空燃比検出手段６７ば−に記各出力Ｖｉ、Ｖｓ２を加算
した電圧信号Ｖｎを出力しており、電圧信号■ｎは第９
図に示すように理論空燃比で急激に変化しそれ以外では
空燃比に対して緩やかに変化したものとなる。したがっ
て、理論空燃比におりる応答性と検出精度を高めつつ、
空燃比を広範囲に亘り連続して検出することができる。

その結果、例えば三元触媒を備えたエンジンに本装置を
適用した場合、低速定常走行では空燃比をリーン空燃比
に制御してａｔの向上を図りつつ、必要なときには応答
性よくかつ高精度で空燃比を理論空燃比にフィー１ハツ
ク制御することができ、三元触媒の転化率を高めて排気
エミッションを低減させることができる。

また、本実施例では各出力Ｖｌ、Ｖｓ２を加算して１つ
の出力信号■ｎとしているため、例えばコントロールユ
ニットとのインターフェイスにおいてＩ１０ポートの数
が少なくなるという利点があり、これは低コスト化につ
ながる。

なお、」二記各出力Ｖｉ、Ｖｓ２は単に加算するのみで
なく、例えば出力Ｖｓ２を所定基準値■０と比較し、そ
の比較信司（整形信号）を出力Ｖｉに加算するようにし
てもよい。

（効果） 本発明によれば、所定空燃比における応答性と検出精度
を高めつつ空燃比をす、−範囲に亘り連続して検出する
ことができ、特に三元触媒を備えたエンジンへの適応性
を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素センサの断面図、第２図は先願の空燃比制
御装置を示すその回路構成図、第３図は本発明の全体構
成図、第４〜９図は本発明の一実施例を示す図であり、
第４図はその酸素センサの分解斜視図、第５図はその酸
素センサの断面図、第６図はその回路構成図、第７図は
そのポンプ電流と空燃比との関係を示す図、第８図はそ
の第２センザ部出力と空燃比との関係を示す図、第９図
はその空燃比検出手段の出力と空燃比との関係を示す図
である。 ５５−　第２酸素濃度検出手段、 ６６−　第１酸素濃度検出手段、 ６７　空燃比検出手段、 代理人弁理士　有我軍一部 第１図 ６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定ガス中の酸素濃度を検出し空燃比に対して出力電
   圧が緩やかに変化する第１酸素濃度検出手段と、被測定
   ガス中の酸素濃度を検出し所定空燃比で出力電圧の急変
   する第２酸素濃度検出手段と、第１酸素濃度検出手段お
   よび第２酸素濃度検出手段の出力に基づいて空燃比を算
   出する空燃比検出手段と、を備えたことを特徴とする酸
   素濃度測定装置。