JPS6375553A - 空燃比検出装置 - 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】 反歪公１ 本発明は被測定気体中の酸素濃度に比例しＩＣ出力を発
生する酸素濃度検出装置に関する。

九旦及語 一般に、内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善等を目
的として、排気ガス中の酸素濃度を検出し、検出結果に
応じてエンジンへの供給混合気の空燃比を目標空燃比に
フィードバック制御する空燃比制御が行なわれている。

このような空燃比制御に用いられる酸素濃度検出装置と
して、２つの平板状の酸素イオン伝導性固体電解質部材
の各々に電極対を設けて２つの固体電解質部材の一方の
電極面に被測定気体が滞留し、一方の固体電解質部材の
他方の電極面が大気に連通するように構成して被測定気
体中の酸素濃度に比例した出力を発生する装置がある（
例えば、特開昭５９−１９２９５５号公報）。

かかる酸素濃度検出装置においては、一方の酸素イオン
伝導性固体電解質部材と電極対とが酸素濃度比検出電池
素子として作用し他方の酸素イオ゛ン伝導性固体電解質
材と電極対とが酸素ポンプ素子として作用するようにな
っている。酸素′ａ度比検出電池素子の電極間の発生電
圧が基準電圧以上のとき酸素ポンプ素子内を酸素イオン
が被測定気体滞留側電極に向って移動するように電流を
供給し、酸素濃度比検出電池素子の電極間の発生電圧が
基準電圧以下のとき酸素ポンプ素子内を酸素イオンが被
測定気体滞留側とは反対側の＠極に向って移動するよう
に電流を供給することによりり一ン及びリッヂ領域にお
いて酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流値Ｔｐは第１図
に示すように酸素濃度（空燃比）に比例するのである。

このポンプ電流値１ｐは、通常、酸素ポンプ素子に直列
に電流検出用抵抗を接続することにより電流検出用抵抗
の両端電圧として検出される。その両端電圧はＡ／Ｄ変
換器によってＡ／Ｄ変換されて空燃比制御回路に供給さ
れ、空燃比制御回路においてディジタル信号として得ら
れた酸素濃度検出値に応じてディジタル演算が行なわれ
燃料供給量に対する空燃比制御値が決定される。

しかしながら、酸素濃度検出値を高精度のディジタル信
号として得るためには高価な数十ビットのＡ／Ｄ変換器
が必要となり、また抵抗、コンデンサ等の部品によって
構成すれば大変複雑な回路になるという問題点があった
。

１吋り且Ｉ そこで、本発明の目的は、酸素濃度検出値をディジタル
信号によって高精度でかつ低コストで得ることができる
酸素濃度検出装置を提供することである。

本発明の酸素濃度検出装置は、！！素水ポンプ素子電極
対間に流れる電流に応じた電圧を検出してその検出電圧
が正電圧のとき第１所定パルスを発生し検出電圧が負電
圧のとき第２所定パルスを発生し、第１所定パルスの発
生数及び第２所定パルスの発生数をカウンタ手段によっ
て計数して出力することを特徴としている。

支−五一１ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第２図及び第３図に示した本発明の一実施例たる内燃エ
ンジン用酸素濃度検出装置において、酸素濃度検出部１
０は内燃エンジンの排気管（図示せず）に配設され、こ
の検出部１００入出力はコネクタ１１を介して空燃比制
御装置のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏ
ｌ　Ｕｎｉｔ　）　１２　ニ接続されテイル。

酸素濃度検出部１０の保護ケース１３内には、第３図に
示すように、はぼ立方体状の酸素イオン伝導性固体電解
質部材１を有しており、この酸素イオン伝導性固体電解
質部材１内には気体滞留室２が形成されている。気体滞
留室２は被測定気体である排気ガスを導入する導入孔４
を介して外部に連通し、導入孔４は排気管内において排
気ガスが気体滞留室２内に流入し易いように位置される
。

また酸素イオン伝導性固体電解質部材１には大気を導入
する大気基準室５が気体滞留室２と壁を隔てるように形
成されている。気体滞留室２と大気基準室５との間の壁
部及び大気基準室５とは反対側の壁部には電極対７ａ、
７ｂ、６ａ、６ｂが各々設けられている。そして、固体
電解質部材１及び電極対６ａ、６ｂが酸素ポンプ素子８
として作用し、固体電解質部材１及び電極対７ａ、７ｂ
が電池素子９として作用する。大気基準室５の外壁面に
はヒータ素子３が設けられている。

酸素イオン伝導性固体電解質部材１としては、ＺｒＯ２
（二酸化ジルコニウム）が用いられ、電極６ａ、６ｂ、
７ａ、７ｂとしてはＰｔ（白金）が用いられる。

ＥＣＵ１２は、差動増幅器１５、基準電圧８１６、電流
検出用抵抗１７、増幅器１８、積分回路１９、コンパレ
ータ２０，２１、ワンショットマルチバイブレータ２２
，２３、カウンタ２４，２５、ＯＲ回路２６、クロック
パルス発生回路２７及び制御回路２８によって構成され
ている。酸素濃度検出部１０における酸素ポンプ素子８
の電極６ｂ及び電池素子９の電極７ｂはアースされてい
る。電池素子９の電極７ａには差動増幅器１５の反転入
力端が接続されており、この差動増幅器１５は電池素子
９の電極７ａ、７ｂ間の発生電圧と基準電圧源１６から
非反転入力端に印加される基準電圧ｖｒとの差電圧に応
じた電圧を出力する。

基準電圧源１６によって与えられる基準電圧Ｖｒは理論
空燃比に相当する電圧（例えば、０．４Ｖ）に設定され
る。差動増幅器１５の出力端は電流検出用抵抗１７を介
して酸素ポンプ素子８の電極６ａに接続されている。電
流検出用抵抗１７の両端電圧は増幅器１８によって電圧
増幅されて積分回路１９に供給される。積分回路１９は
演算増幅器３１、抵抗３２、コンデンサ３３及びスイッ
チ３４からなる。抵抗３２は増幅器１８の出力端と演算
増幅器３１の反転入力端との間に接続され、コンデンサ
３３及びスイッチ３４は互いに並列にされて演算増幅器
３１の反転入力端と出力端との間に接続され、また演算
増幅器３１の非反転入力端はアースされている。積分回
路１９の出力端、すなわち演算増幅器３１の出力端には
コンパレータ２０．２１が接続されている。コンパレー
タ２０は積分回路１つの出力電圧と基準電圧Ｖ＋　　（
例えば２．５Ｖ）とを比較し、その比較結果をワンショ
ットマルチバイブレータ２２に供給し、またコンパレー
タ２１は積分回路１つの出力電圧と基準電圧Ｖ２　　（
例えば、−２，５Ｖ）とを比較し、その比較結果をワン
シミツトマルチバイブレータ２３に供給する。ワンショ
ットマルチバイブレータ２２．２３の論理和がＯＲ回路
２６によって採られ、ＯＲ回路２６の出力信号に応じて
積分回路１９のスイッチ３４がオン駆動される。またワ
ンショットマルチバイブレータ２２，２３の各出力端に
はディジタルカウンタ２４．２５が接続されている。カ
ウンタ２４はワンショットマルチバイブレータ２２から
出力されるパルスを計数し、カウンタ２５はワンショッ
トマルチバイブレータ２３から出力されるパルスを計数
する。カウンタ２４゜２５の計数値は複数ビットのディ
ジタル信号としてマイクロコンピュータからなる制御回
路２８に供給される。

かかる構成の本発明による酸素濃度検出装置において、
今、酸素ポンプ素子８へのポンプ電流の供給が開始され
、そのときエンジンに供給された混合気の空燃比がリー
ン領域にあれば、電池素子９の電極７ａ、７ｂ間に発生
ずる電圧が基準電圧８１１６の基準電圧よりも低くなる
ので、差動増幅器１５の出力レベルが正レベルになり、
この正レベルの電圧が抵抗１７を介して酸素ポンプ素子
８の電極６ａに印加される。これにより、酸素ポンプ素
子８には電極６ａから電極６ｂに向ってポンプ電流が流
れるので、気体滞留室２内の酸素が電極６ｂにてイオン
化し酸素ポンプ素子８内を移動して電極６ａから酸素ガ
スとして放出され、よって気体滞留室２内の酸素が汲み
出されることになる。

気体滞留室２内の酸素の汲み出しにより気体滞留室２内
の排気ガスと大気基準室５内の人気との間に酸素濃度差
が生ずる。この酸素濃度差に応じた電圧Ｖｓが電池素子
９の電極７ａ、７ｂ間に発生し、この電圧Ｖｓは差動増
幅器１５の反転入力端に供給される。差動増幅器１５の
出力電圧は電圧ＶＳと基準電圧Ｖｒとの差電圧に比例し
た値となるので、ポンプ電流値は排気ガス中の酸素濃度
に比例し、ポンプ電流値は抵抗１７の両端電圧として出
力される。

一方、リッチ領域の空燃比のときには、電圧ＶＳが基準
電圧Ｖｒを越えるので、差動増幅器１５の出力レベルが
正レベルから負レベルに遷移する。

この負レベルによりＭ素ポンプ素子８の電極６ａ。

６ｂ間に流れるポンプ電流の方向が反転する。すなわち
、ポンプ電流は電極６ｂから電極６ａの方向に流れるの
で、外部の酸素が電極６ａにてイオン化し酸素ポンプ素
子８内を移動して電極６ｂから酸素ガスとして気体滞留
室２内に放出され、酸素が気体滞留室２内に汲み込まれ
る。従って、気体滞留室２内の酸素濃度が常に一定にな
るようにポンプ電流を供給することにより、酸素を汲み
込んだり、汲み出したりするので、ポンプ電流値ＩＰは
リーン及びリッチ領域にて排気ガス中の酸素濃度に各々
比例するのである。

電流検出用抵抗１７の両端電圧は増幅器１８によって電
圧増幅されて積分回路１９に供給される。

増幅器１８から電圧が供給されると、積分回路１９の出
力電圧は抵抗３２及びコンデンサ３３による積分時定数
によって定まる変化率にて上昇、又は降下する。積分回
路１９の出力電圧が基準電圧Ｖ１に達するとコンパレー
タ２０の出力レベルが低レベルから高レベルに反転し、
この高レベルによりワンショットマルチバイブレーク２
２から所定幅の第１所定パルスが発生する。この第１所
定パルスはＯＲ回路２６を介してスイッチ３４をオン駆
動する。一方、積分回路１９の出力電圧が基準電圧Ｖ２
に達するとコンパレータ２１の出力レベルが低レベルか
ら高レベルに反転し、この高レベルによりワンショット
マルチバイブレータ２３から所定幅の第２所定パルスが
発生する。この第２所定パルスはＯＲ回路２６を介して
スイッチ３４をオン駆動する。スイッチ３４のオンによ
り積分回路１９のコンデンサ３３の両端間が短絡され、
コンデンサ３３の蓄積電荷が放電されるので積分回路１
つの出力電圧はＯＶに低トする。第１又は第２所定パル
スが消滅すると、積分回路１９の出力電圧は増幅器１８
から供給される電圧に応じて上昇、又は降下する。

第４図は回路各部の信号波形を示している。増幅器１８
の出力電圧が第４図（ａ）に示すように変化すると、積
分回路１９の出力電圧は第４図（ｂ）に示すように増幅
器１８の出力電圧が正レベルであるときには負電圧側に
変化し、基準電圧Ｖ２に達するとスイッチ３４のオンに
より急速にＯＶに上昇する。また増幅器１８の出力電圧
が負レベルであるときには正電圧側に変化し、基準電圧
Ｖ＋を上回るとスイッチ３４のオンにより急速にＯｖに
低下する。コンパレータ２１の出力は第４図（ｄ）に示
すように積分回路１９の出力電圧が基準電圧Ｖ２に達し
た時点だけ高レベルとなり、この高レベルによって第４
図（ｆ）に示すようにワンショットマルチバイブレーク
２３から所定幅の第１所定パルスが発生する。同様に、
コンパレータ２０の出力は第４図（Ｃ）に示すように積
分回路１９の出力電圧が基準電圧Ｖ１に達した時点だけ
高レベルとなり、この高レベルによって第４図（ｅ）に
示すようにワンショットマルチバイブレータ２２から所
定幅の第２所定パルスが発生する。

ワンショットマルチバイブレーク２３から出力される第
１所定パルスの発生間隔は電流検出用抵抗１７の両端電
圧が正電圧で大きくなるほど、すなわち空燃比がリーン
であるほど短くなり、空燃比が理論空燃比よりリッチで
は第１所定パルスが発生しないのでカウンタ２５の割数
値はリーンはど増加速度が速くなる。またワンショット
マルチバイブレータ２２から出力される第２所定パルス
の発生間隔は電流検出用抵抗１７の両端電圧が負電圧で
大きくなるほど、すなわちリッチであるほど短くなり、
空燃比が理論空燃比よりリーンでは第２所定パルスが発
生しないのでカウンタ２４の計数値はリッチはど増加速
度が速くなる。カウンタ２４，２５の計数値が制御回路
２８に供給され、制御回路２８はカウンタ２４．．２５
の計数値が等しければ、空燃比が理論空燃比と判断する
。またカウンタ２４の計数値がカウンタ２５の計数値よ
り大ならば、空燃比が理論空燃比よりリッチと判断し、
カウンタ２４の計数値がカウンタ２５の計数値より小な
らば、空燃比が理論空燃比よりり一ンと判断するのであ
る。なお、カウンタ２４．２５は例えば、第１及び第２
所定パルスが所定時間以上発生しない空燃比が理論空燃
比のときに初期化される。

かかる本発明による酸素濃度検出装置においては、積分
回路１９の時定数を決定するコンデンサ３３は第２図に
示すように検出部１０側のコネクタ１１の接続部１１ａ
に外部からプラグ等により接続可能にされている。コン
デンサ３３の容量は次のように決定される。先ず、検出
部１０の検査時に、所定空燃比状態において電池素子９
の出力電圧Ｖｓが所定電圧になるように酸素ポンプ素子
８の電極間にポンプ電流を供給し、そのポンプ電流値１
ｐを測定する。そして、測定したポンプ電流値Ｉｐと基
準電流値との差に応じて予め定められた容量をコンデン
サ３３の容量と決定する。決定した容量のコンデンサ３
３を接続部１１ａに取り付けるのである。

酸素ポンプ素子及び電池素子からなる酸素濃度検出素子
自体の製造上のばらつきが第１図に破線で示したように
生じ易く、空燃比が理論空燃比から離れるほど大きなば
らつきとなることが通常である。しかしながら、上記の
ように積分回路１９の時定数を酸素濃度検出装置毎に、
又は製造ロット毎に定めることはにより素子のばらつき
があっても非測定気体中の酸素濃度に対するカウンタ２
４．２５の出力計数値特性を常に所定特性にすることが
でき、酸素濃度検出装置の出力レベルから供給混合気の
空燃比を正確に判別できるのである。

なお、上記した本発明の実施例においては、積分回路１
９のコンデンサ３３の容量を素子のばらつきに応じて設
定するようにしたが、抵抗３２の抵抗値を設定しても良
いし、更にはコイルを用いた積分回路の場合にはコイル
のインダクタンスを素子のばらつきに応じて設定するよ
うにしても良い。また可変コンデンサ、可変抵抗器等に
よって積分回路の時定数を定めても良い。

ル班玖盈星 以上の如く、本発明の酸素濃度検出装置においては、酸
素ポンプ素子の電極対間に流れるポンプ電流に応じた電
圧を周波数変換し、該周波数変換によって得られたパル
スの発生数をカウンタ手段によって計数して出力するの
でＡ／Ｄ変換器を用いなくても酸素濃度検出部に応じた
ディジタル信号を高精度で得ることかでき、また回路構
成が簡単であり低コストで済むという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素濃度検出装置の出力特性を示す図、第２図
は本発明の酸素濃度検出装置を示す概略図、第３図は第
２図の装置の検出部の構造及び電気回路を示す回路図、
第４図は第２図の装置中の各部の動作を示す信号波形図
である。 主要部分の符号の説明 １・・・・・・酸素イオン導電性固体電解質部材２・・
・・・・気体滞留室 ４・・・・・・導入孔 ５・・・・・・大気基準室 ８・・・・・・酸素ポンプ素子 ９・・・・・・電池素子 １０・・・・・・酸素濃度検出部 １３・・・・・・ＥＣＵ ２８・・・・・・制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）各々が酸素イオン導電性固体電解質部材と該固体
   電解質を挟んで対向する電極対とからなる電池素子及び
   ポンプ素子と、前記電池素子及びポンプ素子各々の電極
   対の一方を被測定気体と連通させる気体拡散制限手段と
   、前記電池素子の電極対間の電圧と基準電圧との差電圧
   に応じた電圧を前記ポンプ素子に印加する電圧供給手段
   と、前記ポンプ素子の電極対間に流れる電流に応じた電
   圧を出力する電流電圧変換手段と、該電流電圧変換手段
   の出力電圧が正電圧のとき第１所定パルスを発生し前記
   電圧変換手段の出力電圧が負電圧のとき第２所定パルス
   を発生する電圧周波数変換手段と、前記第１所定パルス
   の発生数、及び第２所定パルスの発生数を各々計数して
   出力するカウンタ手段とからなることを特徴とする酸素
   濃度検出装置。
2. （２）前記電圧周波数変換手段は、前記電流電圧変換手
   段の出力電圧を積分する積分手段と、該積分手段の出力
   電圧が第１基準電圧に達すると前記第１所定パルスを発
   生する第１比較手段と、前記積分手段の出力電圧が前記
   第１基準電圧とは正負が異なる第２基準電圧に達すると
   前記第２所定パルスを発生する第２比較手段と、前記第
   １又は第２所定パルスに応じて前記積分手段を初期状態
   にリセツトせしめるリセット手段とからなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の酸素濃度検出装置。