JPH0713619B2 - 酸素濃度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はエンジン排気ガス等の気体中の酸素濃度を検出
する酸素濃度検出装置に関する。

背景技術 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、この検出結果に応
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装置がある。

このような空燃比制御装置に用いられる酸素濃度検出装
置として被測定気体中の酸素濃度に比例した出力を発生
するものがある。例えば、平板状の酸素イオン伝導性固
体電解質部材の両主面に電極対を設けて固体電解質部材
の一方の電極面が気体滞留室の一部をなしてその気体滞
留室が被測定気体と導入孔を介して連通するようにした
限界電流方式の酸素濃度検出装置が特開昭52−72286号
公報に開示されている。この酸素濃度検出装置において
は、酸素イオン伝導性固体電解質部材と電極対とが酸素
ポンプ素子として作用して間隙室側電極が負極になるよ
うに電極間に電流を供給すると、負極面側にて気体滞留
室内気体中の酸素ガスがイオン化して固体電解質部材内
を正極面側に移動し正極面から酸素ガスとして放出され
る。このときの電極間に流れ得る限界電流値は印加電圧
に拘らずほぼ一定となりかつ被測定気体中の酸素濃度に
比例するのでその限界電流値を検出すれば被測定気体中
の酸素濃度を測定することができる。しかしながら、か
かる酸素濃度検出装置を用いて空燃比を制御する場合に
排気ガス中の酸素濃度からは混合気の空燃比が理論空燃
比よりリーンの範囲でしか酸素濃度に比例した出力が得
られないので目標空燃比をリッチ領域に設定した空燃比
制御は不可能であった。また空燃比がリーン及びリッチ
領域にて排気ガス中の酸素濃度に比例した出力が得られ
る酸素濃度検出装置としては２つの平板状の酸素イオン
伝導性固体電解質部材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各々が気体滞留室の一部をな
してその気体滞留室が被測定気体と導入孔を介して連通
し一方の固体電解質部材の他方の電極面が大気室に面す
るようにした装置が特開昭59−192955号に開示されてい
る。この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。酸素濃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気
体滞留室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気体滞留室
側とは反対側に電極に向って移動するように電流を供給
することによりリーン及びリッチ領域の空燃比において
電流値は酸素濃度に比例するのである。しかしながら、
かかる酸素濃度検出装置においては、リッチ側とリーン
側とでは酸素濃度検出特性が異なり、広領域において直
線性の良好な酸素濃度検出出力が得られないのでリッチ
側又はリーン側の酸素濃度検出出力を補正しなければな
らず空燃比制御が複雑になるという問題点があった。

発明の概要 そこで、本発明の目的は空燃比のリーン及びリッチ領域
に渡って良好な直線性にて酸素濃度検出出力を得ること
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各々が酸素イオン伝導性固
体電解質壁部を有する第１及び第２気体滞留室並びに気
体導入室を形成する基体と、第１気体滞留室の電解質壁
部の内外壁面上にこれを挟んで対向するが如く設けられ
て第１センサを形成する２つの第１電極対と、第２気体
滞留室の電解質壁部の内外壁面上にこれを挟んで対向す
るが如く設けられて第１センサとは異なる検出特性を有
する第２センサを形成する２つの第２電極対と、２つの
第１電極対の一方の電極対間に発生した電圧と第１基準
電圧との差電圧に応じた値の電流を２つの第１電極対の
他方の電極対間に供給しかつ２つの第２電極対の一方の
電極対間に発生した電圧と第２基準電圧との差電圧に応
じた値の電流を２つの第２電流対の他方の電極対間に供
給する電流供給手段とを含み、気体導入室が第１気体拡
散制限手段を介して外部に連通し第１気体滞留室に第２
気体拡散制限手段を介して連通しかつ第２気体滞留室に
第３気体拡散制限手段を介して連通し、電流供給手段に
よる供給電流値に応じた酸素濃度検出値を得ることを特
徴としている。

実 施 例 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図及び第２図は本発明による酸素濃度検出装置を用
いた空燃比制御装置を示している。本装置においては、
ほぼ立方体状の酸素イオン伝導性固体電解質部材１が設
けられている。酸素イオン伝導性固体電解質部材１内に
は第１及び第２気体滞留室2,3並びに気体導入室４が形
成されている。気体導入室４は固体電解質部材１外部か
ら被測定気体の排気ガスを導入する導入孔５に連通し、
導入孔５は内燃エンジンの排気管（図示せず）内におい
て排気ガスが気体導入室４に流入し易いように位置され
る。気体導入室４と第１及び第２気体滞留室2,3との間
の各壁部には連通孔6,7が形成されている。連通孔６の
径は連通孔７の径よりも大きくされている。第１気体滞
留室２には排気ガスが導入孔５、気体導入室４、そして
連通孔６を介して導入されるようになっており、また第
２気体滞留室３には排気ガスが導入孔５、気体導入室
４、そして連通孔７を介して導入されるようになってい
る。酸素イオン伝導性固体電解質部材１には外気等を導
入する参照気体室８が第１及び第２気体滞留室2,3と壁
を隔てるように形成されている。第１気体滞留室２と気
体導入室４との間の壁部及び第１気体滞留室２と参照気
体室８との間の壁部には電極対11a,11b,12a,12bが各々
形成され、また第２気体滞留室３と気体導入室４との間
の壁部及び第２気体滞留室３と参照気体室８との間の壁
部には電極対13a,13b,14a,14bが各々形成されている。
電極対11a,11bは中央部に連通孔６に連通する貫通孔を
有し、電極対13a,13bも中央部に連通孔７に連通する貫
通孔を有している。固体電解質部材１及び電極対11a,11
bが第１酸素ポンプ素子15として、固体電解質部材１及
び電極対12a,12bが第１電池素子16として各々作用す
る。また固体電解質部材１及び電極対13a,13bが第２電
池素子17として、固体電解質部材１及び電極対14a,14b
が第２電池素子18として各々作用する。また固体電解質
部材１の気体導入室４の外壁面及び参照気体室８の外壁
面にヒータ素子19,20が各々設けられている。ヒータ素
子19,20は電気的に互いに並列に接続されており、第１
及び第２酸素ポンプ素子15,17並びに第１及び第２電池
素子16,18を均等に加熱すると共に固体電解質部材１内
の保温性の向上を図っている。なお、酸素イオン伝導性
固体電解質部材１は複数の断片から一体に形成される。
また第１及び第２気体滞留室の壁部を全て酸素イオン伝
導性固体電解質から形成する必要はなく、少なくとも電
極対を設ける部分だけがその固体電解質からなれば良
い。

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11aないし14bとさ
てはPt（白金）が用いられる。

第１及び第２酸素ポンプ素子15,17並びに第１及び第２
電池素子16,18には電流供給回路21が接続されている。
第２図に示すように電流供給回路21は差動増幅回路22,2
3,電流検出抵抗24,25,基準電圧源26,27及び切替回路28,
29からなる。第１酸素ポンプ素子15の外側電極11aは切
替回路28のスイッチ28a、電流検出抵抗24を介して差動
増幅回路22の出力端に接続され、内側電極11bは切替回
路29のスイッチ29aを介してアースされるようになって
いる。第１電池素子16の外側電極12aは差動増幅回路22
の反転入力端に接続され、内側電極12bは切替回路29の
スイッチ29bを介してアースされるようになっている。
同様に第２酸素ポンプ素子17の外側電極13aは切替回路2
8のスイッチ28b、電流検出抵抗25を介して差動増幅回路
23の出力端に接続され、内側電極13bは切替回路29のス
イッチ29aを介してアースされるようになっている。第
２電池素子18の外側電極14aは差動増幅回路23の反転入
力端に接続され、内側電極14bは切替回路29のスイッチ2
9bを介してアースされるようになっている。差動増幅回
路22の非反転入力端には基準電圧源26が接続され、差動
増幅回路23の非反転入力端には基準電圧源27が接続され
ている。基準電圧源26,27の出力電圧は理論空燃比に相
当する電圧（例えば、0.4V）である。電流検出抵抗24の
両端間が第１センサの出力をなし、電流検出抵抗25の両
端間が第２センサの出力をなしている。電流検出抵抗2
4,25の両端電圧は差動入力のA/D変換器31を介して空燃
比制御回路32に供給され、電流検出抵抗24,25を流れる
ポンプ電流値I_P（１）、I_P（２）が空燃比制御回路32に
読み込まれる。空燃比制御回路32はマイクロコンピュー
タからなる。空燃比制御回路32にはエンジン回転数、吸
気管内絶対圧、冷却水温等を検出する複数の運転パラメ
ータ検出センサ（図示せず）が接続されると共に、また
駆動回路33を介して電磁弁34が接続されている。電磁弁
34はエンジン気化器絞り弁下流の吸気マニホールド内に
連通する吸気２次空気供給通路（図示せず）に設けられ
ている。また空燃比制御回路32は切替回路28,29のスイ
ッチ切替動作を制御し、空燃比制御回路32からの指令に
応じて駆動回路30が切替回路28,29を駆動する。なお、
差動増幅回路22,23には正負の電源電圧が供給される。

一方、ヒータ素子19,20には電流がヒータ電流供給回路3
5から供給されてヒータ素子19,20が発熱して酸素ポンプ
素子15,17及び電池素子16,18を排気ガスより高い適温に
加熱する。

かかる構成においては、排気管内の排気ガスが導入孔５
から気体導入室４内に流入して拡散し、更に連通孔６を
介して第１気体滞留室２内に流入して拡散すると共に連
通孔７を介して第２気体滞留室３内に流入して拡散す
る。

切替回路28,29において、第２図の如くスイッチ28aが電
極11aを電流検出抵抗24に接続し、スイッチ28bが電極13
aの接続ラインを開放し、スイッチ29aが電極11bをアー
スしかつ電極13bの接続ラインを開放し、またスイッチ2
9bが電極12bをアースしかつ電極14bの接続ラインを開放
する選択位置にされると、第１センサの選択状態にな
る。

この第１センサの選択状態には、先ず、エンジン供給混
合気の空燃比がリーン領域のときには差動増幅回路22の
出力レベルが正レベルになり、この正レベル電圧が抵抗
24及び第１酸素ポンプ素子15の直列回路に供給される。
よって、第１酸素ポンプ素子15の電極11a,11b間にポン
プ電流が流れる。このポンプ電流は電極11aから電極11b
に向って流れるので第１気体滞留室２内の酸素が電極11
bにてイオン化して第１酸素ポンプ素子15内を移動して
電極11aから酸素ガスとして放出され、第１気体滞留室
２内の酸素が汲み出される。

第１気体滞留室２内の酸素の汲み出しにより第１気体滞
留室２内の排気ガスと参照気体室８内の気体の間に酸素
濃度差が生ずる。この酸素濃度差によって電池素子16の
電極12a,12b間に電圧Vsが発生する。この電圧Vsは差動
増幅回路22の反転入力端に供給される。差動増幅回路22
の出力電圧は電圧Vsと基準電圧源26の出力電圧Vr₁との
差電圧に比例した電圧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する。

リッチ領域の空燃比のときには電圧Vsが基準電圧源26の
出力電圧Vr₁を越える。よって、差動増幅回路22の出力
レベルが正レベルから負レベルに反転する。この負レベ
ルにより第１酸素ポンプ素子15の電極11a,11b間に流れ
るポンプ電流が減少し、電流方向が反転する。すなわ
ち、ポンプ電流は電極11bから電極11a方向に流れるので
外部の酸素が電極11aにてイオン化して第１酸素ポンプ
素子15内を移動して電極11bから酸素ガスとして第１気
体滞留室２内に放出され、酸素が第１気体滞留室２内に
汲み込まれる。従って、第１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I_P及び差動増幅回路22の出力電圧はリーン及びリッ
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。第３図の実線ａはそのポンプ電流値I_Pを示してい
る。

ポンプ電流値I_Pは電荷をｅ、導入孔５及び連通孔６によ
る排気ガスに対する拡散係数をσ_Ｏ、排気ガス中の酸素
濃度をP_Oexh、第１気体滞留室２内の酸素濃度をP_Ovとす
ると、次式の如くで表わすことができる。

I_P＝4eσ_Ｏ（P_Oexh−P_Ov） ……（１） ここで、拡散係数σ_Ｏは導入孔５の面積をA₁、連通孔６
の面積をA₂、ボルツマン定数をｋ、絶対温度をＴ、導入
孔５の長さをl₁、連通孔６の長さをl₂、拡散定数をＤと
すると、次式の如く表わすことができる。

σ_Ｏ＝（A₁/l₁＋A₂/l₂）D/kT ……（２） 次に、スイッチ28aが電極11aの接続ラインを開放し、ス
イッチ28bが電極13aを電流検出抵抗25に接続し、スイッ
チ29aが電極13bをアースしかつ電極11bの接続ラインを
開放し、またスイッチ29bが電極14bをアースしかつ電極
12bの接続ラインを開放する選択位置にされると、第２
センサの選択状態となる。

この第２センサの選択状態には上記した第１センサの選
択状態と同様の動作により第２気体滞留室３内の酸素濃
度が常に一定になるようにポンプ電流が第２酸素ポンプ
素子17の電極13a,13b間に供給されて酸素が汲み込まれ
たり、汲み出されたりするのでポンプ電流値I_P及び差動
増幅回路23の出力電圧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。この第２セ
ンサ選択状態のポンプ電流値I_Pは上記した式（１）にお
いて拡散係数σ_Ｏを導入孔５及び連通孔７によるものと
し、またP_Ovを第２気体滞留室３内の酸素濃度とするこ
とにより表わされる。ポンプ電流値I_Pの大きさは第４図
に示すように空燃比のリーン及びリッチ領域において拡
散係数σ_Ｏの大きさに反比例する拡散抵抗が大きくなる
ほど小さくなることが明らかになっている。よって、第
２センサ選択状態には第１センサ選択状態よりも拡散抵
抗が大となるので第３図の破線ｂの如くポンプ電流値I_P
の大きさはリーン及びリッチ領域において小さくなり、
連通孔７の大きさ及び長さを調整することにより第３図
に示すように第２センサ選択状態におけるリッチ領域の
ポンプ電流値特性が第１センサ選択状態におけるリーン
領域のポンプ領域値特性にI_P＝０にて直線的に連続する
のである。また差動増幅回路22,23の出力電圧特性も０
〔Ｖ〕にて直線的に連続したものになる。

このように直線的に連続した出力特性を得るために空燃
比制御回路32は次の如く動作する。空燃比制御回路32は
第５図に示すように先ず、第１及び第２センサの選択状
態を表わすフラグFsが“1"であるか否かを判別する（ス
テップ51）。Fs＝０の場合、第１センサ選択状態にある
のでA/D変換器31から出力される第１センサのポンプ電
流値I_P（１）を読み込んでそのポンプ電流値I_P（１）に
対応する酸素濃度検出出力値L_O2が差動増幅回路22の出
力電圧Vs₁の０〔Ｖ〕に対応する基準値Ｌref0以上であ
るか否かを判別する（ステップ52）。L_O2≧Ｌref0（Vs₁
≧０）ならば、リーン領域であるので第１センサ選択状
態が継続され、L_O2＜Ｌref0（Vs₁＜０）ならば、リッチ
領域であるので第２センサ選択指令を駆動回路30に対し
て発生し（ステップ53）、第２センサが選択されたこと
を表わすためにフラグFsに“1"がセットされる（ステッ
プ54）。一方、Fs＝１の場合、第２センサ選択状態にあ
るのでA/D変換器31から出力される第２センサのポンプ
電流値I_P（２）を読み込んでそのポンプ電流値I_P（２）
に対応する酸素濃度検出出力値L_O2が差動増幅回路23の
出力電圧Vs₂の０〔Ｖ〕に対応する基準値Ｌref0以上で
あるか否かを判別する（ステップ55）。L_O2≦Ｌref0（V
s₁≦０）ならば、リッチ領域であるので第２センサ選択
状態が継続され、L_O2＞Ｌref0（Vs₂＞０）ならば、リー
ン領域であるので第１センサ選択指令を駆動回路30に対
して発生し（ステップ56）、第１センサが選択されたこ
とを表わすためにフラグFsに“0"がセットされる（ステ
ップ57）。駆動回路30は第１センサ選択指令に応じてス
イッチ28a,28b,29a,29bを上記した第１センサ選択位置
に駆動し、その駆動状態は第２センサ選択指令が空燃比
制御回路32から供給されるまで維持される。また第２セ
ンサ選択指令に応じてスイッチ28a,28b,29a,29bを上記
した第２センサ選択位置に駆動し、その駆動状態は第１
センサ選択指令が空燃比制御回路32から供給されるまで
維持される。このように第１又は第２センサを選択する
と、空燃比制御回路32はA/D変換器31から出力される第
１又は第２センサの酸素濃度検出出力値L_O2が目標空燃
比に対応する目標値Ｌrefより大であるか否かを判別す
る（ステップ58）。L_O2≦Ｌrefならば、供給混合気の空
燃比がリッチであるので駆動回路33に対して電磁弁34の
開弁駆動指令を発生し（ステップ59）、L_O2＞Ｌrefなら
ば、供給混合気の空燃比がリーンであるので駆動回路33
に対して電磁弁34の開弁駆動停止指令を発生する（ステ
ップ60）。駆動回路33は開弁駆動指令に応じて電磁弁34
を開弁駆動して２次空気をエンジン吸気マニホールド内
に供給することにより空燃比をリーン化させ、開弁駆動
停止指令に応じて電磁弁34の開弁駆動を停止して空燃比
をリッチ化させる。かかる動作を所定周期毎に繰り返し
実行することにより供給混合気の空燃比を目標空燃比に
制御するのである。なお、ステップ52,55においては基
準値Ｌref0、すなわち電圧Vs₁、Vs₂の判別基準電圧が共
に０〔Ｖ〕に設定されているが、ヒステリシスを持たせ
るために電圧Vs₁の判別基準電圧を０〔Ｖ〕より若干小
さく設定し、電圧Vs₂の判別基準電圧を０〔Ｖ〕より若
干大きく設定しても良い。

上記した本発明の実施例においては、第１ないし第３気
体拡散制限手段として導入孔5,連通孔6,7が用いられて
おり、連通孔6,7によって異なる拡散抵抗が各々得られ
ているが、これに限らず、異なる拡散抵抗を得るために
連通孔6,7の径を等しくしかつ第１気体滞留室２内の２
つの第１電極対間及び第２気体滞留室３内の２つの第２
電極対間のギャップを各々形成しそのギャップ幅を異な
らしても良く、また第６図に示すようにアルミナ（Al₂O
₃）等の多孔質体38,39,40を導入孔５及び連通孔6,7に充
填し多孔質拡散層を形成しても良いのである。

また、上記した本発明の実施例においては、第１又は第
２センサの出力に応じて２次空気を供給することにより
供給混合気の空燃比を目標空燃比に制御しているが、こ
れに限らず、第１又は第２センサの出力に応じて燃料供
給量を調整することにより空燃比を制御しても良い。

発明の効果 以上の如く、本発明の酸素濃度検出装置においては、排
気ガス等の被測定気体が第１気体拡散制限手段を介して
流入する気体導入室と、該気体導入室に第２又は第３気
体拡散制限手段を介して連通しかつ流入気体に対する拡
散抵抗が異なる第１及び第２気体滞留室とを設け、第１
及び第２気体滞留室各々の電解質壁部の内外壁面上にこ
れを挟んで対向するが如く第１及び第２電極対を設けて
例えば、各気体拡散制限手段による拡散抵抗を調整する
ことにより互いに異なる酸素濃度検出特性を有する第１
及び第２センサを得たので、リーン及びリッチの広い領
域において被測定気体中の酸素濃度に比例したリニアリ
ティの良好な酸素濃度検出出力特性を得ることができ
る。よって、酸素濃度検出出力を補正する必要がなく空
燃比制御が容易となり、空燃比制御精度の向上が図れる
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明による酸素濃度検出装置の実施例
を示す平面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のI b−I b
部分の断面図、第２図は空燃比制御装置を含む電流供給
回路を示す回路図、第３図は第１図の装置の出力特性を
示す図、第４図は拡散抵抗とポンプ電流値との関係を示
す特性図、第５図は空燃比制御回路の動作を示すフロー
図、第６図（ａ）は本発明の他の実施例を示す平面図、
第６図（ｂ）は第６図（ａ）のVI b−VI b部分の断面図
である。 主要部分の符号の説明 １……酸素イオン伝導性固体電解質部材 2,3……気体滞留室 ４……気体導入室 ５……導入孔 6,7……連通孔 ８……気体参照室 15,17……酸素ポンプ素子 16,18……電池素子 19,20……ヒータ素子 21……電流供給回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各々が酸素イオン伝導性固体電解質壁部を
   有する第１及び第２気体滞留室並びに気体導入室を形成
   する基体と、 前記第１気体滞留室の電解質壁部の内外壁面上にこれを
   挟んで対向するが如く設けられて第１センサを形成する
   ２つの第１電極対と、 前記第２気体滞留室の電解質壁部の内外壁面上にこれを
   挟んで対向するが如く設けられて前記第１センサとは異
   なる酸素濃度検出特性を有する第２センサを形成する２
   つの第２電極対と、 前記２つの第１電極対の一方の電極対間に発生した電圧
   と第１基準電圧との差電圧に応じた値の電流を前記２つ
   の第１電極対の他方の電極対間に供給しかつ前記２つの
   第２電極対の一方の電極対間に発生した電圧と第２基準
   電圧との差電圧に応じた値の電流を前記２つの第２電極
   対の他方の電極対間に供給する電流供給手段とを含み、 前記気体導入室が第１気体拡散制限手段を介して外部に
   連通し前記第１気体滞留室に第２気体拡散制限手段を介
   して連通しかつ前記第２気体滞留室に第３気体拡散制限
   手段を介して連通し、前記電流供給手段による供給電流
   値に応じた酸素濃度検出値を得ることを特徴とする酸素
   濃度検出装置。
2. 【請求項２】前記第２気体拡散制限手段は第１連通孔か
   らなり、前記第３気体拡散制限手段は前記第１連通孔と
   大きさが異なる第２連通孔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。
3. 【請求項３】前記第１気体滞留室内の２つの第１電極対
   間のギャップ幅と前記第２気体滞留室内の２つの第２電
   極対間のギャップ幅とが異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。
4. 【請求項４】前記電流供給手段は前記酸素濃度検出値に
   応じて前記他方の第１電極対間及び他方の第２電極対間
   のいづれか一方に選択的に電流を供給してその供給電流
   値に応じた酸素濃度検出値を出力す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。