JPS62129751A - 酸素濃度検出装置の調整方法 - 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】 １五公１ 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の調ａｈ法に関する。

１且且Ｉ 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Ｅ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生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ずるようにし
た限界電流方式の酸素濃度検出装置が特開’ｌＡ３２−
７２２８６号公報に開示されている。この酸累澗度検出
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、９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部名々が気体？Ｉｉｌ留全の一部を
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至に面
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４５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
対側の電極に向って移動するように電流を供給すること
、すなわち電池素子の電極間の発生電圧か基準電圧に等
しくな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供給電流値は酸素濃度に比例
するのである。しかしながら、このような酸素濃度比例
出力型の酸素濃度検出装置においては、酸素ポンプ素子
及び電池素子からなる酸素濃度検出器自体の製造上のば
らつきが生じ易くそのばらつきを減少させるためには生
産上のコストアップは避けられないので生産コストを押
えようとすると酸素濃度検出器自体のばらつきにより同
一空燃比でも酸素濃度検出器によって酸素ポンプ素子へ
の供給電流値が異なり排気ガス中の酸素濃度から供給混
合気の空燃比を正確に判別できなくなるという問題点が
あった。

ｌ且皇且１ そこで、本発明の目的は、酸素濃度検出器にばらつきが
生じても常に同一の出力特性を得ることが可能な酸素濃
度検出装置の調整方法を提供することである。

本発明の酸素濃度検出装置の調整方法は、酸素ポンプ素
子の電極間に流れる電流値を検出するための抵抗器の抵
抗値が基準値のときの抵抗器の両ｆｉ電圧変化特慴に応
じて抵抗器の抵抗値を設定することを特徴としている。

夫−ＩＩＷ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図ないし第３図は本発明の調整方法による酸素濃度
検出ｖｉ、置を用いた空燃比制御Ｉ表装置示している。

本装置において、酸素濃度検出器４１は内燃エンジン排
気管内に配設され、′Ｐｌｉ素濃度検出器４１の入出力
がコネクタ４２を介してＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）　２１に接続されている。

コネクタ４２には可変抵抗器２４．２５が設けられてい
る。

酸素濃度検出器４１の保護ケース４３内には第２図（ａ
）、（ｂ）に示すように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内には間隙部をなす第１及び第２気
体滞留室２．３が形成されている。第１気体滞留卒２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４に連通し、導入孔４は内燃エンジンのす１
気管（図示せず）内において排気ガスが第１気体浦留空
２内に流入し易いように位置される。第１気体ｊ；ｉ留
室２と第２気体滞留室３との間の壁部には連通孔５が形
成され、第２気体Ｒｒｊ留至３内に排気ガスが導入孔４
、第１気体滞留室３、そして）１通孔５を介して導入さ
れるようになっている。また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６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及び第２気体滞留室２．３の参照気体室６とは
反対側の壁部内には電極保護孔７が形成されている。

第１気体滞留室２と参照気体室６との間の壁部及び第１
気体滞留室２と電極保護孔７との間の壁部には７１ｆｆ
ｉ対１１ａ、ｌｌｂ、１２ａ、１２ｂが各々形成され、
また第２気体滞留室３と参照気体室６との間の壁部及び
第２気体滞留室３と電極保護孔７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。固体電解質部材１及び電極対１１８．１１ｂ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′Ｉｆ、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酸素ポンプ素ｆ１７として、固体電解質部
材１及び電極対１４ａ、１４ｂが第２゛七池素子１８と
して各々作用する。また参照気体室６の外壁面及び電極
保護孔７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酸素ポンプ素了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としてはＰｔ（白金）が用いられる。

第３図に示すようにＥＣＵ２１は差動増幅回路２２．２
３．電流検出用の可変抵抗器２４．２５゜基準電圧源２
６．２７及び切替回路２８からなる。

第１酸素ポンプ素子１５の外側電極１１ａはコネクタ４
２内の可変抵抗器２４、そして切替回路２８のスイッチ
２８ａ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はアースされている。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はアースされている。同様に第
１酸素ポンプ素子１５の外側電極１３ａはコネクタ４２
内の可変抵抗器２５、そして切替回路２８のスイッチ２
８ｂ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はアースされている。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Ｗｂはアースされている。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のノ１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。

可変抵抗器２４の両端間が第１センサの出力をなし、可
変抵抗器２５の両端間が第２セン勺の出力をなしている
。可変抵抗器２４．２５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、可
変抵抗器２４゜２５を流れるポンプ電流値１ｐ　（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３
４はエンジン気化器絞り弁下流の吸気マニホールド内に
連通ずる吸気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３５から供給されてヒータ素子１９゜２０が発熱し
て！’ｌ！２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４
から第１気体滞留室２内に流入し拡散する。また第１気
体滞留室２内の排気ガスは連通孔５から第２気体滞留室
３内に流入し拡散する。

切替回路２８において、第３図の如くスイッチ２８ａが
差動増幅回路２２の出力端を可変抵抗器２４に接続し、
スイッチ２８ｂが差動増幅回路２３の出力端と可変抵抗
器２５と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ぎには差動増幅回路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６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気体捕留
室２内の酸素が電極１１ｂ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＃Ａ１１ａがら酸素ガスと
して放出され、第１気体滞留宇２内の酸素が汲み出され
る。

第１気体滞留空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６内の気体の間に酸素
′ｉＩＡ度差が生ずる。この酸系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Ｖｒ＋　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２
６の出力電圧ＶｒＩを越える。よって、差動増幅回路２
２の出力レベルが正レベルから負レベルに反転する。こ
の低レベルにより第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。寸なわら、ポンプ電流は電極１１ｂから電ｌｌ
１１１ａ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ｔ
ｉ１ｉｂ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Ｉｐ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Ｒ索濃度に各々比例するのである。第４図の実
線ａはそのポンプ電流値１ｐを示している。

ポンプ電流値１ｐは電荷をｅ、導入孔４による排気ガス
に対する拡散係数をσ０、排気ガス中の酸素濃度をｐ□
ｅｘｈ、第１気体滞留室２内の酸素濃度をＰｏｖとする
と、次式の如くで表わすことができる。

Ｉｐ　＝４ｅｃｙ（、（Ｐｏｅｘｈ　−ＰｏＶ　）　−
（１）ここで、拡散係数σ０は導入孔４の面積をＡ、ボ
ルツマン定数をｋ、絶対温度を王、導入孔４の長さを９
、拡散定数をＤとすると、次式の如く表わすことができ
る。

σｏ＝Ｄ−Ａ／ｋＴＱ　・・・・・・（２＞次に、スイ
ッチ２８ａが差動増幅回路２２と可変抵抗器２４との接
続ラインを開放し、スイッチ２８ｂが差動増幅回路２３
と可変抵抗器２５とを接続する選択位置にされると、第
２センリの選択状態となる。

この第２センサの選択状態には上記した第１センリの選
択状態と同様の動作により第２気体浦留室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２Ｆｉ！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【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センザ選択状態のポンプ電流値Ｉｐは上記した
式（１）において拡散係数σ０を導入孔４及び連通孔５
によるものとし、またＰｏＶを第２気体浦留室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Ｉｐ
の大きさは空燃比のリーン及びリッチ領域において拡散
係数σ０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４図の破線すの如くポンプ電流値Ｉｐ
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５の大きさ及び長さを調整することにより第４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
領域のポンプ電流値特性に■ρ＝Ｏ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３゜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レンリの選択状
（原を表わすフラグＦｓが１°°であるか否かを判別す
るくステップ５１）。Ｆｓ　＝Ｏの場合、第１センリ選
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１ｐ（１）を読み込んでそのポ
ンプ電流値１ｐ（１）に対応する酸素濃度検出出力値り
。

２が差動増幅回路２２の出力型Ｊ）Ｖｓ＋のＯＣＶ］に
対応する基準値１　ｒｃｆｏ以上であるか否かを判別す
る〈ステップ５２）、１．０２ン［ｒｅ［０（Ｖｓ１≧
０）ならば、リーン領域であるので第１センザ選択状態
が継続され、ｔ、ｏ２＜１ｒｅｆｏ（Ｖｓ＋　＜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に対して発生しくステップ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レ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１　ｐ　（２）を
読み込んでそのポンプ電流値Ｉｐ（２）に対応する酸素
濃度検出出力値ＬＯ２が差動増幅回路２３の出力電圧Ｖ
Ｓ２の０（Ｖ）に対応する基準値Ｌ　ｒｅｆｏ以下であ
るか否かを判別する（ステップ５５）。１．０２≦１ｒ
ｅｆＯ（Ｖｓ２≦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、］ｏ２〉１−ｒｅｆＯ（
Ｖｓ　２　＞ｏ＞ならば、リーン領域であるので第１セ
ンナ選択指令を駆動回路３０に対して発生しくステップ
５６）、第１センサが選択されたことを表わすために７
ラグＦｓにＯ″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２８
ａ、２８ｂ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センづを選択すると、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ＬＯ２が目標空燃比
に対応する目標値１．ｒｅｌ’より人であるか否かを判
別する（ステップ５８）。Ｌｏ２≦しｒｅｆ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くステップ５９
）　、Ｌ、０２　＞Ｉ−ｒｅｆ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３
４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を聞か駆
動して２次空気をエンジン吸気？二ボールド内に供給す
ることにより空燃比をリーン化させ、開か駆動停止指令
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！ｒ！ＩＪ伯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１　ｒｅｒｏ、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Ｖｓ＋の判別基準電Ｂ
をＯ（Ｖ）より若干小さく設定し、ＶＳ２の判別基準電
圧をＯ（Ｖ）より若干大きく設定しても良い。

次に、本発明の酸素濃度検出装置の調整１ノ法について
説明する。この調整にはエンジンの供給混合気の空燃比
を所定の範囲において任意の値に設定することが可能な
試験機が用いられる。調整手順としては、先ず、調整す
べき酸素濃度検出装置の酸素濃度検出器４１を試験機の
排気管内にセットーシ、可変抵抗器２４．２５の抵抗値
を基準値に設定する。そして試験機の空燃比を所定値（
例えば、１８）に設定して第１及び第２ポンプ木子１５
．１７の各ポンプ電流値、すなわち可変抵抗器２４．２
５の各両端電圧を測定する。その測定した可変抵抗器２
４の両端電圧が予め定められた第１センリの出力特性に
おいて空燃比が所定値のときの電圧に一致しなければ、
可変抵抗器２４の調整子を操竹して一致させる。すなわ
ち可変抵抗器２／Ｉの調整子を操作することにより可変
抵抗器２４０両端電圧特竹がほぼ平行移動するのである
。

同様に、測定した可変抵抗器２５の両端電圧が予め定め
られた第２センサの出力特性において空燃比が所定値の
ときの電圧に一致しなければ、可変抵抗器２５の調整子
を操作して一致させる。

なお、上記した本発明の実施例においては、ポンプ電流
検出用抵抗器として可変抵抗器２４．２５が用いられて
いるが、これに限らず、コネクタ等の着脱自在にされた
固定抵抗器を用いても良い。

この場合、空燃比を所定値に設定して基準値の固定抵抗
器によって測定したときの固定抵抗器の両端電圧が予め
定められたセンづの出力特性において空燃比が所定値の
ときの電圧に一致しなければ、その電圧差に応じて実験
的の定められた値の固定抵抗器に取り換えることにより
出力特性調整が行なわれる。

１亘五盈」 以上の如く、本発明の酸素濃度検出装置の調整方法にお
いては、ポンプ電流検出用の抵抗器の抵抗値が基準値の
ときの抵抗器の両端電圧変化特性に応じて抵抗器の抵抗
値を設定するので酸素濃度検出器にばらつきが生じても
常に同一の出力特性を得ることができる。よって、酸素
濃度検出精度が向上し、排気ガス中の酸素ａｒｘから供
給混合気の空燃比を正確に判別することができる。また
酸素ポンプ素子に直列に接続されたポンプ電流検出用の
可変抵抗器の抵抗値を調整するようにした簡単な構成で
可能であるので低コストであるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の調整方法による酸素濃度検出装置を適
用した空燃圧制＠装置を示す概略図、第２図（ａ）は第
１図のＳ訝のＲ液温度検出器内を示す平面図、第２図（
ｂ）は第２図（ａ）のＩｂ−Ｉｂ部分の断面図、第３図
は空燃比制御装置を含むＥＣ１Ｊを示す回路図、第４図
は第１図の装置の出力特性を示す図、第５図は本発明の
酸素濃度検出装置の調整方法を示すフロー図である。 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Ｔ ４・・・・・・導入孔 ５・・・・・・連通孔 ６・・・・・・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・・・・・・ＥＣＵ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定の間隙部を介して対向する２つの酸素イオン伝導性
   固体電解質壁部を有し前記２つの固体電解質壁部各々の
   内外壁面上にこれを挟んで対向するが如く電極対を設け
   て前記２つの固体電解質壁部の一方が酸素ポンプ素子と
   して他方が電池素子として各々作用するようにした酸素
   濃度検出器と、前記酸素ポンプ素子の電極間に抵抗器を
   介して電流を供給し前記電池素子の電極間に発生した電
   圧を一定値にするように前記酸素ポンプ素子への供給電
   流値を変化せしめる電流供給手段とを含み、前記電流供
   給手段の供給電流値を酸素濃度検出値とする酸素濃度検
   出装置の調整方法であって、前記抵抗器の抵抗値が基準
   値のときの前記抵抗器の両端電圧変化特性に応じて前記
   抵抗器の抵抗値を設定することを特徴とする酸素濃度検
   出装置の調整方法。