JPH0447784B2

JPH0447784B2 -

Info

Publication number: JPH0447784B2
Application number: JP57177368A
Authority: JP
Inventors: Minoru Oosuga; Mamoru Fujeda; Tadashi Kirisawa; Takashige Ooyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-10-08
Filing date: 1982-10-08
Publication date: 1992-08-04
Also published as: JPS5967455A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は空燃比センサに係り、特に酸素イオン
伝導性固体電解質を用いた自動車エンジンの空燃
比制御に好適な空燃比センサに関するものであ
る。

〔従来技術〕

酸素イオン伝導性固体電解質を用いた酸素濃度
検出器については、すでにSAE paper 810433に
示されており、公知となつている。

しかし、従来のこの種の空燃比センサは、リー
ン領域の空燃比しか測定できず、リツチ領域の空
燃比の測定が不可能であり、自動車エンジンの空
燃比制御用としては不満足なものであつた。ま
た、基準酸素濃度を大気の酸素濃度としているた
め、固体電解質を高温に保持するためのヒータの
容量を小さくできないという欠点があつた。

〔発明の目的〕

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、空気過剰率λがλ＞１でもλ
＜１でも空燃比を検出することができ、すべての
空燃比制御を可能とすることができる空燃比セン
サを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴を、説明の便宜のための実施例た
る第１０図の符号を引用しつつ説明すると、 (イ) 酸素イオン伝導性を有する固体電解質３７に
第１、第２の電極対を設け、 (ロ) 第１の電極対３８ａ，３８ｂは、排気中にあ
つてその片方の電極側３８ｂに排気に接触する
拡散抵抗体４０が設けられ、少なくとも、この
第１の電極対３８ａ，３８ｂと、その両電極間
に流す所定電流の向きを空燃比のリーン領域
検出とリツチ領域検出とで反対にする手段と、
電流を流した際に第１の電極対３８ａ，３８
ｂに生じる起電力を出力させる手段とでリツ
チ・リーン検出センサ部５８を構成し、 (ハ) 一方、第２の電極対４１ａ，４１ｂは、その
一方の電極４１ａが基準ガス雰囲気（大気を含
む）に、他方の電極４１ｂが排気に触れ、少な
くとも、この第２の電極対４１ａ，４１ｂと、
その電極間に生じる起電力Ｅを出力させる手段
とでO₂センサ部５９を構成し、 (ニ) リーン領域の空燃比検出の場合には、リツ
チ・リーン検出センサ部５８の出力V_RとO₂セ
ンサ部５９の出力O₂との組合せで、リツチ領
域の空燃比検出の場合は、リーン・リツチ検出
センサ部５８の出力V_LとO₂センサ部の反転出
力₂との組合せでその空燃比を検出するよう
設定した。

なお、本発明の動作原理は、実施例の項で、第
３図〜第７図、第１０図、第１３図〜第１５図に
基づき詳述し、ここでの説明は省略する。

〔発明の実施例〕

以下本発明を第１図、第２図、第１０図〜第１
３図、第１６図〜第１８図、第２０図、第２４
図、第２７図、第２９図、第３３図、第３６図〜
第３８図に示した実施例および第３図〜第９図、
第１４図、第１５図、第１９図、第２１図〜第２
３図、第２５図、第２６図、第２８図、第３０図
〜第３２図、第３４図、第３５図を用いて詳細に
説明する。

第１図は本発明に係る空燃比センサを備えた自
動車エンジンの制御システムの一実施例を示す構
成図である。第１図において、１はスロツトルチ
ヤンバ、２は熱線式吸入空気量検出器、３は噴射
弁、４はスロツトルアクチユエータ、５は点火プ
ラグ、６は水温センサ、７は本発明に係る空燃比
センサ、８はクランク角センサ、９は感応コイ
ル、１０はマイクロコンピユータ、１１は空燃比
センサ７の制御回路、１２はヒータ制御回路、１
３は燃焼室で、本システムにおいては、空燃比を
リツチ領域（λ＜１）からリーン領域（λ＞１）
の広い範囲において空燃比を検出可能の空燃比セ
ンサ７を用いて空燃比を検出して空燃比制御を行
うようにしてある。すなわち、回転数、負荷、水
温等により制御したい空燃比がマイクロコンピユ
ータ１０で決定されると、それが噴射弁３、スロ
ツトアクチユエータ４に出力され、吸入空気量は
吸入空気量検出器２で検出されて閉ループ制御さ
れる。スロツトルチヤンバ１において形成された
混合気は、燃焼室１３に入り、点火プラグ５によ
り点火され、その後、排気ガスが排気管１４に流
れる。このとき、空燃比センサ７によつて実空燃
比を検出し、その信号をマイクロコンピユータ１
０に入力して閉ループ制御を行う。なお、空燃比
センサ７は、使用している固体電解質の特性上、
高温に加熱しなければならないので、ヒータ駆動
回路１２を設けてある。

第２図は第１図のマイクロコンピユータ１０の
詳細構成図である。アナログの入力信号として
は、熱線式吸入空気量検出器２からの空気量信号
AF、水温センサ６からの水温信号TW、スロツ
トルアクチユエータ４からのスロツトル開度信号
θなどがあり、これらの信号はマルチプレクサ３
０に入力され、時分割的に各信号がセレクトさ
れ、ADコンバータ３１に送られ、ここでデイジ
タル信号に変換される。また、オン−オフ信号と
して入力される情報としては、空燃比センサ７の
制御回路１１からの信号１１ｂがあり、これらは
１ビツトのデイジタル信号として扱う。さらに、
クランク角センサ８からのパルス列信号CRP、
CPPも入力される。３２はROM、３３はCPU
で、CPU３３は、デイジタル演算処理を行うプ
ロセシングセントラルユニツトであり、ROM３
２は、制御プログラムおよび固定データを格納す
る記憶素子である。RAM３４は、読み出しおよ
び書き込み可能の記憶素子である。I/O回路３５
はADコンバータ３１および各センサからの信号
をCPU３３に送つたり、CPU３３からの信号を
噴射弁３の駆動回路３６、スロツトルアクチユエ
ータ４、点火コイル９および空燃比センサ７のヒ
ータ駆動回路１２に送つたり、制御回路１１へ制
御信号１１ａを送る機能を持つている。

ここで、空燃比センサ７はリツチ・リーンの両
領域において空燃比を検出できるようにしてある
が、まず、その原理について説明する。第３図は
空燃比センサ７の原理説明図で、第３図ａはリー
ン領域における検出原理、第３図ｂはリツチ領域
における検出原理を示してある。第３図に示すよ
うに、固体電解質３７の両面に陽、陰極の電極３
８ａ，３８ｂ（本発明の第１の電極対に相当が設
けてあり、さらに、ガスの拡散抵抗となるオリフ
イス３９を介して拡散室４０を設けてある。リー
ン領域における空燃比を検出する場合は、第３図
ａに示すように、電極３８ａを陽極、電極３８ｂ
を陰極として、図示の方向に電流を流すように
電圧を印加する。このとき、電流に比例した酸
素が固体電解質３７を通り、拡散室４０からくみ
出される。また、リツチ領域の空燃比を検出する
場合は、第３図ｂに示すように、電極３８ａを陰
極、電極３８ｂを陽極として上記とは逆の方向に
電流を流すように電圧を印加する。このときに
は、酸素は排気側より拡散室４０内に流入する。
その後、オリフイス３９を介して流入してきた一
酸化炭酸（CO）と拡散室４０内で次式のように
反応する。

CO＋１／２O₂→CO₂ …(1) このようにして、第３図ａ，ｂともに拡散室４
０内の酸素分圧が極めて少ない状態（10^-12気圧）
を作り出し、拡散室４０内を常にストイキオ（λ
＝1.0の排気状態）に保つと、起電力の変化が生
じる。

以下第４図、第５図を用いて原理をさらに詳し
く説明する。第４図はリーン領域での検出原理説
明線図である。ガスの拡散によりオリフイス３９
を介して拡散室４０内に入る酸素の量G_fKは、排
気中の酸素の濃度N_feに比例する。すなわち、 G_fK＝Ｋ・N_fe …(2) ここに、Ｋ；常数このため、第４図ａに示すように、拡散室４０
内に拡散により入る酸素量は、空気過剰率λの増
加とともに多くなる。また、第３図ａに示してあ
るように電流を流すと、電流〔第４図ａの
_１，₂〕に比例した量の酸素が拡散室４０よりく
み出される。すなわち、₁の電流を流した場合
は、λ＜λ₁ではくみ出される酸素の量の方が多く
なり、第４図ｃに示すように、拡散室４０内の酸
素分圧が小さくなり（10^-12気圧）、通常の酸素セ
ンサと同じように、第４図ｂの如く、起電力が
1V程度出力される。また、λ＞λ₁の領域では、
拡散室４０に拡散によつて入つてくる酸素の量が
くみ出される酸素の量より多くなるため、拡散室
４０内の酸素分圧が大きくなり、固体電解質３７
の両側の酸素分圧に差がなくなつて起電力が出な
くなる。つまり、電流₁により、λ＝λ₁のとき
に起電力の変化が生じる。また、電流₂では、
λ＝λ₂のときに起電力の変化が生じる。この起電
力変化点（例えばλ₁，λ₂）がリーン領域で空燃比
制御を行う場合の制御点となり、電流（例えば
₁，₂）を設定することで任意に定めることが
できる。

第５図はリツチ領域での検出原理説明図であ
る。リツチ領域では、拡散室４０内に拡散により
入る一酸化炭素の量によりλを検出する。このと
きは、第３図ｂに示してあるように、拡散室４０
内に固体電解質３７を介して酸素を送り込む。
_１に比例した酸素量を拡散室４０内に送り込んだ
場合、λ＞λ₁では、拡散室４０内に入る一酸化炭
素量の方が少なく、(1)式で示した反応により消費
される酸素量の方が少なくなり、第５図ｄに示す
ように、多量の酸素が拡散室４０内に保持され、
拡散室４０内の酸素分圧がリツチ領域の排気中の
酸素分圧より高くなり、固体電解質３７の両側に
酸素分圧差が生じ、第５図ｂに示すように、起電
力が発生する。また、λ＜λ₁では、拡散室４０内
に入る一酸化炭素量が多くなり、(1)式の反応によ
り拡散室４０内に送り込まれた酸素がほとんど消
費され、第５図ｃに示すように、拡散室４０内の
酸素分圧が小さくなり、排気中の酸素分圧と等し
くなつて、第５図ｂに示すように、起電力が生じ
なくなる。また、電流値を₂に変えると、λ₂を
検出することになる。このλ₁，λ₂がリツチ領域の
空燃比制御点となり、電流₁，₂等の値により
任意に設定できる。

以上のように、固体電解質３７に流す電流の
方向を変えつつ、その所定の電流値のレベルを
可変設定すれば、リーン領域からリツチ領域の広
い範囲で空燃比制御点を設定できひいては空燃比
を検出することができる。

以上のようにして測定した結果を第６図、第７
図に示す。第６図はリーン領域における場合で、
＝2mAの場合は、ａ曲線のように、A/F＝15
（Ａ；空気量、Ｆ；燃料量）で起電力が変化し、
＝4mAの場合は、ｂ曲線のように、A/F＝16
で起電力が変化する。また、酸素分圧差により、
λ＝1.0においても起電力が変化し、２位置変化
となる。２位置変化は空燃比制御点が２つ生じて
しまうため、その回避を必要とする。これに対す
る対応策については後述する。

第７図はリツチ領域における場合で、ｃ，ｄ曲
線のように、＝2mAの場合はA/F＝14.3で、
＝4mAの場合はA/F＝13.6で起電力が変化してい
る。また、このときもλ＝1.0付近でも起電力が
変化しており、これに対する対応策については後
述する。

上記は電流を一定にして起電力の変化を見る
方法であるが、印加電圧を一定にして電流の
変化よりA/Fを検出するようにしてもよい。第８
図、第９図はその場合の測定例を示す線図であ
る。第８図はリーン領域における場合で、電圧
を変化させると、酸素濃度（％）に比例した限界
電流₀₂が得られる。第８図ａは電圧と限界電流
との関係を酸素濃度をパラメータとして示してあ
り、曲線ｅ〜ｇはそれぞれ酸素濃度２、４、６％
の場合を示す。第８図ｂはＶ＝0.5V一定に保つ
たときの酸素濃度と限界電流を示してあり、酸素
濃度に比例した電流₀₂が出力されることがわか
る。ここで、固体電解質３７に印加する電圧を
0.5に保つということは、常に拡散室４０内の
酸素分圧を10^-12気圧（ストイキオ、λ＝1.0の排
気状態）に保つように制御することである。つま
り、酸素濃度が増加して、拡散室４０内に入る酸
素量が増加すると、電流を増加し、その増加分
だけの酸素量をくみ出し、酸素分圧を10^-12気圧
に保つ。すなわち、排気中の酸素濃度が増加する
と、電流₀₂が増加することになる。

第９図はリツチ領域における場合の測定結果で
ある。第９図ａは電圧と限界電流との関係を一酸
化炭素濃度（％）をパラメータとして示してあ
り、曲線ｈ〜ｊはそれぞれ一酸化炭素濃度２、
３、４％の場合を示し、第９図ｂはＶ＝0.5V一
定とした場合の一酸化炭素濃度と限界電流との関
係を示してある。ここでは、排気中の酸素濃度が
ストイキオ状態であるため、(1)式で消費されるよ
りも多くの酸素を拡散室４０内に送り込んで、酸
素分圧を高くし、Ｖ＝0.5Vとなる分圧差を常に
保とうとする。このため、第９図ｂに示すよう
に、一酸化炭素濃度が増加すると限界電流_cpも
増加する。

第１０図は以上説明した原理を実用化するため
の空燃比センサの構成の基本概念図である。固体
電解質３７の両側に白金電極３８ａ，３８ｂを設
け、電極３８ｂ側にオリフイス３９を有する拡散
室４０を設ける。そして電極３８ａ，３８ｂ間に
流す電流は正、逆両方向に切り換えるようにす
る。また、第６図、第７図に示すように、λ＝
1.0のときに起電力変化が生ずるのを回避するた
めに、λ＝1.0で起電力が変化する通常の酸素セ
ンサにさらに大気側の電極４１ａと排気側の電極
４１ｂを図示のように設ける（回避法については
後述する）。電極４１ａ，４１ｂが本発明の第２
の電極対に相当する。また、固体電解質３７を高
温に加熱するためのヒータ４２を固体電解質３７
上に印刷する。５８，５９はそれぞれ電極３８
ａ，３８ｂの部分よりなるリツチ・リーン検出セ
ンサ、電極４１ａ，４１ｂの部分よりなるO₂セ
ンサを示す。

第１１図は本発明の空燃比センサの一実施例を
示す縦断面図である。第１１図において、３７は
固体電解質で、固体電解質３７には、第１０図に
示すように各電極３８ａ，３８ｂ，４１ａ，４１
ｂおよびヒータ４２が付加してあり、センサ部４
３を形成している。センサ部４３はセラミツク製
のホルダー４４の中心部に挿入してある。４５は
キヤツプで、キヤツプ４５にはホルダー４４の中
心の大気室４６に大気を導く通気孔４５ａが設け
てある。４７はストツパで、センサ部４３に設け
た穴５３（第１２図参照）に差し込んであり、セ
ンサ部４３を固定するためのものである。ストツ
パ４７はセラミツク製で、セラミツク製のホルダ
ー４８内に組み込んである。センサ部４３の先端
部（拡散室４０を設けてある側）はカバー４９に
より保護してあり、カバー４９には通気孔５０が
設けてあり、通気孔５０より排気を排気室５１に
導入するようにしてある。なお、カバー４９は、
ヒータ４２（第１２図参照）のふく射による放熱
を防止するためセラミツク製としてある。そして
全体は排気管に取り付けるための外部カバー５２
で覆つてあり、カバー５２はかしめ部５３でホル
ダー４４に固定してある。

第１２図は第１１図のセンサ部４３の一実施例
を示す詳細構造説明図で、ａは断面図、ｂはａの
左側面図、ｃはａの右側面図、ｄはａのＡ−Ａ線
断面図である。センサ部４３は長方形の固体電解
質３７を主体として構成してあり、一方の片面に
は第１２図ｂに示すように、リツチ・リーン領域
の空燃比検出のための電極３８ａとヒータ４２と
が図示のように印刷してあり、他方の片面はｃに
示すように、リツチ・リーン領域の空燃比検出の
ための電極３８ｂとλ＝1.0における起電力を検
出するための大気側電極４１ａと排気側電極４１
ｂとが印刷してある。さらに、センサ部４３を固
定するための第１１図のストツパ４７を差し込む
穴５３が設けてある。なお、ヒータ４２が印刷し
てある部分は、第１２図ｄに示すように、ヒータ
４２がはがれないようにセラミツクコーテイング
５４を施してある。

第１３図は本発明の空燃比センサの制御回路と
信号処理回路を含めた全体構成の一実施例を示す
構成図である。１４は排気管で、排気管１４に空
燃比センサ７が取り付けてある。１２はヒータ４
２の制御回路、５５は電極３８ａ，３８ｂ間に流
す電流の方向を逆転させるリレー回路、１１は電
極３８ａ，３８ｂ間に流す電流を定電流とすると
ともに、出力信号を処理してリツチ領域において
はV_Rを、リーン領域においてはV_Lを出力する制
御回路、５６はλ＝1.0のときに電極４１ａ，４
１ｂ間に発生する起電力信号５６ａ（O₂）とそれ
を反転させた信号５６ｂ（₂）を出力する反転回
路、５７は（V_L＋O₂）、（V_R＋₂）の演算を行
い、それぞれそれに応じた信号５７ａ，５７ｂを
出力する加算回路である。これにより、第６図、
第７図で説明した２位置問題を回避することがで
きる。

ここで２位置問題回避を含めた本実施例の信号
処理の概念を説明する。第１４図はリーン領域で
の信号処理説明線図である。ａはある値の設定電
流１１ａを制御回路１１に入力した場合のリツ
チ・リーン検出センサ５８からの出力信号V_L１
１ｂの波形である。この信号V_Lは前述したよう
にリーン領域でのある空燃比のときに大きさが変
化するが、さらにλ＝1.0のところでも変化する。
ｂは反転回路５６より出力されるλ＝1.0で変化
している信号５６ａの波形である。ｃはａの信号
V_Lとｂの信号５６ａ（O₂）とを加算回路５７で加
算した信号５７ａ（V_L＋O₂）の波形である。この
ようにして得られた信号５７ａはリーン領域での
空燃比以外のところにおいては変化がなくなり、
これにより上記した２位置問題を解決することが
できる。なお、信号V_Lは電極３８ａ，３８ｂの
部分よりなるリツチ・リーン検出センサ５８より
出力され、信号５６ａは電極４１ａ，４１ｂの部
分よりなるO₂センサ５９より出力される。

第１５図はリツチ領域での信号処理説明線図で
ある。ａは信号V_Rの波形で、この場合は、リレ
ー回路５５により電流の流れる方向を逆転させ
て信号V_Rを得ている。ｂはO₂センサ５９からの
信号５６ａを反転回路５６によつてスライスレベ
ルで反転させて得た信号５６ｂの波形である。こ
の２つの信号を加算回路５７で加算した信号５７
ｂの波形がｃに示してある。この場合も、上記と
同様２位置問題が解決されている。

すなわち、加算回路５７によつて、リーン領域
の空燃比検出の場合には、リツチ・リーン検出セ
ンサ部５８の出力V_LとO₂センサ部５９の出力O₂
とを組合せ、リツチ領域の空燃比検出の場合は、
リツチ・リーン検出センサ部５８の出力V_RとO₂
センサ部５９の反転出力₂とを組合せることで、
その空燃比検出を可能にする。

第１６図は第１３図のリレー回路５５と制御回
路１１の具体的的回路構成図である。制御回路１
１はリツチ・リーン検出センサ５８に一定の設定
電流ｏを供給する回路１１Ａと、センサ５８か
らの信号（起電力）をスライスレベルで変化する
オン・オフ信号に処理して信号V_L，V_Rを出力す
る回路１１Ｂとから構成してある。回路１１Ａ
は、DAコンバータより出力されるコンピユータ
１０（第１図参照）からの電流の設定信号のア
ナログ値１１ａを入力し、これと抵抗器６０で発
生する電流ｏに比例した電圧とを比較器６１に
入力し、比較器６１の出力でトランジスタ６２を
動作させ、それによりトランジスタ６３で電流を
制御するようにしてある。回路１１Ｂは、リツ
チ・リーン検出センサ５８からの出力信号である
起電力をコンパレータ６４で０，１の信号１１ｂ
（V_L，V_R）に変換する。リレー回路５５は、コン
ピユータ１０よりの制御信号５５ａによりリツチ
制御、リーン制御に応じてセンサ５８に流す電流
の方向を正または逆に切り換える。

第１７図は第１３図の反転回路５６の一実施例
を示す回路図である。λ＝1.0における起電力を
検出するO₂センサ５９よりの信号をコンパレー
タ６５に入力してスライスレベルV_sと比較して、
オン、オフ信号であるO₂信号５６ａを出力し、
さらに、この信号はトランジスタ６６により反転
され、トランジスタ６６より₂信号５６ｂをも
出力する。

第１８図は第１図の加算回路５７の一実施例を
示す回路図である。この回路は信号V_Rと信号
５６ｂとを加算して信号５７ｂを、また、信号
V_LとO₂信号５６ａとを加算して信号５７ｂを出
力するもので、第１８図に示す回路２組より構成
してある。

ところで、自動車エンジンにおいては、回転数
と負荷によりλを第１９図に示すように制御す
る。第１９図に示すマツプはコンピユータ１０内
に格納されており、これをもとに設定電流信号１
１ａを回路１１Ａに出力する。

第２０図はλ制御処理のフローチヤートであ
る。初めに回転数や負荷信号等の動作パラメータ
を読み込み、第１９図に示したマツプからλを決
定する。次に、燃料量G₁を計算し、噴射弁３
（第１図参照）の開弁時間ｕを計算する。次に、
設定電流を求める。制御しようとするλがλ＞
１のリーン領域であれば、（V_L＋O₂）信号５７ａ
がオンかオフかを調べ、オンならば、補正量ｗを
減らして、（ｗ−Δw）をｕに加える。また、オ
フならばｗを増やして（ｗ＋Δw）をｕに加え
る。一方、λ＜１のリツチ領域であれば、これと
逆で、（V_R＋₂）信号５７ｂがオンかオフかを
調べ、オンならばｗを増やし、オフならばｗを減
らしてｕに加える。

次に、第２１図、第２２図を用いて排気遅れに
よるむだ時間を補正する方法について説明する。
ここでいうむだ時間とは、第２１図に併記してあ
る噴射弁３が動作してからリツチ・リーン検出セ
ンサ５８が応答するまでの時間t₁である。これは
混合気が燃焼室１３に入り、燃焼された排気ガス
が排気管１４を通り、空燃比センサ７に到達する
までの時間を意味する。第２１図ａは回転数とむ
だ時間t₁との関係を示した線図で、回転数が増加
するとむだ時間t₁が減少する。第１２図ｂは負荷
とt₁との関係を示した線図で、負荷が増加するに
したがつてt₁が減少する。つまり、t₁は回転数と
負荷により２次元的に変化する。

次に、第２２図により、むだ時間t₁が制御に与
える影響と補正法について説明する。もし、λを
コンピユータ１０の指示により変化させようとし
たときに、第２２図ａに示すような噴射弁３の動
作による燃料の減量と、同図ｂに示すような設定
電流(1)₁の変化を同時に行つたとすると、リー
ン領域の場合は、電流が増加したことにより拡
散室４０より酸素をくみ出す能力が大きくなり、
排気中の酸素濃度の変化がないのに拡散室４０内
の酸素分圧が下がり、拡散室４０内がストイキオ
の状態より酸素希薄の状態になり、排ガスがセン
サ７に到達するまでの時間t_aの間、第２２図ｃに
示すようにセンサ７から高い起電力が発生し、制
御不能の時間帯を生ずる。しかし、排気がセンサ
７に到達してからを変化させるようにすれば、
このようなことは生じない。同図ｄに示してある
ように、設定電流(2)₂のような排気遅れによる
むだ時間t_aだけ遅れて₂を変化させれば、上記
の問題は解決する。燃料を増量する場合も同様
で、むだ時間t_bだけ遅れて₂を変化させるよう
にして問題が起きないようにする。なお、このむ
だ時間は第２１図に示すように回転数、負荷によ
つて変わるから、第２１図に応じて補正を加え
る。また、むだ時間t₁をセンサ出力とクロツクカ
ウンタにより測定して修正するようにしてもよい
ことはいうまでもない。以上により設定空燃比の
変化にともなう制御不能時間の問題の解決をはか
ることができる。

また、センサ温度が変化すると、出力が変化す
る。そこで、次にセンサ温度を制御する方法につ
いて説明する。第２３図ａはリツチ・リーン検出
センサ５８の電圧と電流の関係を温度をパラメー
タとして示した線図で、曲線ｋ〜ｍはそれぞれセ
ンサ温度T₁，T₂，T₃（ただしT₁＞T₂＞T₃）の場
合の関係である。センサ温度が変化すると、固体
電解質３７の比抵抗が減少するため、酸素が流れ
やすくなる。このため、第２３図ａに示すよう
に、センサ温度が高い方が、低い電圧で限界電流
₁が流れるようになる。制御信号は、温度T₃の
場合にはV_P(T3)をピーク値としてΔV_T3の間で変化
する。この様子を第２３図ｂに示してある。第２
３図ｂからわかるように、センサ温度T₁，T₂，
T₃により制御信号のピーク値V_P(T1)，V_P(T2)，
V_P(T3)が変化する。つまり、このV_Pを読んでいれ
ば適切な温度かどうかがわかる。例えば、T₂が
最適温度だとすると、T₁は高すぎてV_Pが下がり、
T₃は低すぎてV_Pが上つてしまう。このV_Pは電流
によつても変化するので、V_Pは設定電流に
よりマツピングするようにしなければならない。
なお、このときのスライスレベルは、（V_P＋
V_B）／２〔V_Bは第２３図ｂ参照）により決定する
ようにすれば、V_Pの変化に対応できる。

第２４図は第１３図のヒータの制御回路１２の
一実施例を示す回路図である。前述の実測した
V_Pと最適V_Pとをコンパレータ６７で比較し、そ
の偏差量に応じたオン−オフのデユーテイ信号を
トランジスタ６８に供給し、このトランジスタ６
８の出力_Hによりヒータ電源回路をオン、オフ
させるリレースイツチ６９を制御する構成として
ある。

次に、始動暖機時に上記した本発明に係る空燃
比センサを用いた場合の利点について説明する。
第２５図ａは始動直後の時間と混合気濃度との関
係を水温をパラメータとして示した線図で、ｎ，
ｏ曲線はそれぞれ水温がT₁，T₂の場合の関係を
示す。始動直後は混合気濃度をこくして、時間が
経過するにつれて、つまり、水温が高くなるにつ
れて薄くして行く。すなわち、暖機運転状態では
冷却水温により適切なA/Fが与えられれば、むだ
なく運転ができる。ところで、本発明に係る空燃
比センサ７は、リツチ領域でも作動可能であるか
ら、始動直後の濃混合気制御を可能とする。第２
５図ｂに示す水温とA/Fとの関係をコンピユータ
１０内に記録させておけば、暖機時にはこの関数
により運転することができる。第２５図ｃは、こ
のときの制御ブロツク図である。水温センサ６の
信号をコンピユータ１０に入力させ、第２５図ｂ
の関係を示す関数よりA/Fを決定し、エンジン系
７０に出力される。空燃比センサ７は、実空燃比
を検出して、この出力とコンピユータ１０からの
Ａ／Ｆを示す出力とを比較して閉ループ制御するこ
とにより、暖機時のA/Fを最適制御することがで
きる。

また、空燃比の変化により点火時期の制御も行
わなければならないが、それにも役立たせること
ができる。第２６図はA/Fと点火時期との関係を
回転数をパラメータとして示した線図である。
Ａ／Ｆが大きい方では、火炎伝搬遅れが大きいた
め、点火時期を進めなければならない。このほ
か、点火時期は負荷もパラメータとするので、
Ａ／Ｆ、回転数、負荷の３次元マツプにより点火時
期を制御しなければならないが、そのうちA/Fに
よる制御を容易に実現させることができる。

第２７図は本発明の他の実施例を示す断面図で
あり、第１０図と同一部分は同じ符号で示し、説
明を省略する。第２７図においては、第１０図の
拡散室４０に相当する拡散室Ｂのほかに、電極４
１ｂも包含した拡散室Ａが設けてある。拡散室
Ａ，Ｂの酸素分圧P_A，P_Bは、 P_A＝P_M＋β_A−β_B …(3) P_B＝P_A−β_B …(4) ここに、β ；定数 _A；電極４１ａ，４１ｂ間を流れる
電流 _B；電極３８ａ，３８ｂ間を流れる
電流 P_M；排気中の酸素分圧となる。(3)、(4)式から P_B＝P_M＋β_A−2β_B …(5) が成立する。したがつて、P_B＝０となる_Bは、 _B＝P_M＋β_A／2β …(6) となり、P_M＝０、すなわち、空気過剰率λ＝１
でも、_A＞０の場合は、第２８図に示すように、
_B＝０とならない。λ＜１のリツチ領域では、 CO₂CO＋1/2O₂ …(7) の反応が進行し、拡散室Ａでこの反応が平衡すれ
ば、拡散室Ａ内の酸素は一酸化炭素の酸化に消費
される。排ガス中の一酸化炭素が多いほど拡散に
よつて拡散室Ａ内に入る一酸化炭素量が増大する
ので、拡散室Ａ内の酸素量が減少する。すなわ
ち、第２８図のｃ点で酸素が零となり、λに対応
した信号を得ることができる。

また、第２７図に示す構成において、_Bを一
定としてP_Bが零になるように_Aを制御するよう
にしてもよい。この場合は、(5)式から、 _A＝2β_B−P_M／β …(8) が得られ、P_Mが増大すると_Aは減少する。

第２９図は本発明のさらに他の実施例を示す第
１０図に相当する基本構成図であり、同一作用部
分は同じ符号で示してある。第２９図において
は、第１０図の拡散室４０を電極３８ａと４１ａ
を含む拡散室４０ａとして、拡散室４０ａ内の酸
素分圧を正確に制御してA/Fに比例した出力を得
るようにしてある。８０は第１センサ、８１は第
２センサを示す。第３０図は第２センサ８１の出
力特性線図である。拡散室４０ａの酸素を10^-12
気圧に維持するためには、拡散室４０ａ内に酸素
を供給する必要がある。一酸化炭素の存在下の平
衡酸素濃度は、一酸化炭素によつて左右されるの
で、一酸化炭素を零近くになるまで酸素を供給す
ればよい。オリフイス３９を通つて拡散室４０ａ
内に入る一酸化炭素は、拡散抵抗の影響を受ける
ので、供給電流_iは、 _i＝β／２P_cp …(9) ここに、P_cp；一酸化炭素の分圧でバランスする。酸素を零近くにする場合の電流
_Oは、 _O＝βP_p2 …(10) ここに、P_p2；酸素の分圧となる。一酸化炭素を酸化するための酸素量は、
第３１図に示すように、一酸化炭素量の1/2であ
るので、_iはI_Oの1/2である。したがつて、第３
２図に示すように、_i，I_Oは空燃比(A/F)に比例
する。

このように、λ＜１の場合は、拡散室４０ａ内
に酸素を供給し、λ＞１の場合は、拡散室４０ａ
内から酸素をすい出し、拡散室４０ａ内の酸素が
10^-12気圧になるように電流を制御することによ
つて、λを検出することができる。なお、拡散室
４０ａ内の酸素分圧が10^-12気圧になつているか
どうかの判断は、第２センサ８１によつて行う。
つまり、第２センサ８１は、レフアレンスを排気
としているため、第３０図に示したように、拡散
室４０ａ内の酸素分圧が10^-12気圧になると、起
電力が急激に低下するので、これを検知して拡散
室４０ａ内の酸素分圧を常に10^-12気圧に保つよ
うにする。

第３３図は本発明の他の実施例を示す第１０図
に相当する基本構成図で、第３３図は第２９図の
変形例である。同一作用部分は同じ符号で示して
あり、第３３図においては、固体電解質３７にさ
らに大気中に置く電極４２を設け、電極４１ａと
４２とで第３センサ８２を形成し、電極４１ａと
４２間に発生する起電力変化を測定するようにし
てある。第３４図は第３センサ８２の出力を示
す。Ａ点（酸素分圧10^-12気圧）を検出して、拡
散室４０ａ内が常に10^-12気圧になるように電流
を制御し、酸素を拡散室４０ａ内に送つたり、
くみ出したりすれば、第３５図に示す出力が得ら
れる。

第３６図、第３７図はそれぞれ本発明の他の実
施例を示す第１３図、第２０図に相当する構成
図、フローチヤートである。なお、第３６図にお
いて、第１３図と同一部分は同じ符号で示し、こ
こでは説明を省略する。第３６図においては、リ
ツチ・リーン検出センサ５８とO₂センサ５９と
の信号は加算せずに独自に処理して制御信号とし
て用いるようにしてある。すなわち、リツチ・リ
ーン検出センサ５８の出力のリレー回路５５、制
御回路１１を経て得られた信号１１ｂ（V_L，V_R）
とO₂センサ５９の出力の処理回路９０を経て得
られた信号９０ａ，Ｅを用いるようにしてある。

なお、第３６図にＥ，V_L，V_Rのλに応じた変
化状態を併記してある。。

第３７図はリーン領域の場合の処理のフローチ
ヤートである。ステツプ１０６のの計算までは
第２０図と同様である。制御したいλがλ＞１の
リーン領域の場合は、センサ５９の出力Ｅを見
て、Ｅ＞E₀（ステツプ１１６）、つまりリツチ領
域の場合は、補正量ｗをｗ−Δwと減らして（ス
テツプ１１８）、ｕに加える（ステツプ１１４）。
また、Ｅ＜E₀、つまりリーン領域の場合は、V_L
とV_O比較して（ステツプ１２０）、V_L＞V_Oのと
きは、ｗをｗ−Δwと減らして（ステツプ１２
２）、ｕに加える（ステツプ１２６）。また、V_L
＜V_Oの場合は、ｗをｗ＋Δwとふやして（ステツ
プ１２４）、ｕに加える（ステツプ１２６）。ま
た、ステツプ１０８で、制御したいλがλ＜１の
場合は、リツチ制御に移行する。

第３８図はリツチ領域の場合の処理のフローチ
ヤートである。ステツプ１０６のの計算までは
上記と同様であり、λ＜１で、Ｅ＜E₀（ステツプ
２０８，２１６）、つまり、リーン領域の場合は、
ｗをｗ＋Δwに増量して（ステツプ２１８）、ｕ
に加える（ステツプ２１４）。Ｅ＞E₀、つまり、
リツチ領域の場合は、V_RとV_Oとを比較する（ス
テツプ２２０）、ここで、V_R＜V_Oの場合は、ｗを
ｗ−Δwと減らして（ステツプ２２２）、ｕに加
える（ステツプ２２６）。また、V_R＞V_Oの場合
は、ｗをｗ＋Δwとふやして（ステツプ２２４）、
ｕに加えて出力する（ステツプ２２６）。以上の
ようにすることにより、処理回路を減らすことが
できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、空気過
剰率λがλ＞１のリーン領域でも、λ＜１のリツ
チ領域でも空燃比を検出することができ、すべて
の空燃比制御を可能とし、また、希薄燃焼制御を
可能として燃費の大幅な低域を達成させることが
でき、また、パワーゾーンでの閉ループ制御に用
いてパワーの増大や燃費低減をはかるのに有用で
あり、さらに、始動直後の暖機運転においても適
切な空燃比制御をはかるのに用いて燃費低減をは
かるのに有用であるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る空燃比センサを備えた自
動車エンジンの制御システムの一実施例を示す構
成図、第２図は第１図のマイクロコンピユータの
詳細構成図、第３図は第１図の空燃比センサの原
理説明図、第４図、第５図は第１図の空燃比セン
サの原理説明線図、第６図、第７図はそれぞれリ
ーン領域とリツチ領域における空燃比と出力電圧
との関係線図、第８図、第９図はそれぞれリーン
領域とリツチ領域における限界電流特性線図、第
１０図は本発明の空燃比センサの一実施例を示す
基本構成図、第１１図は本発明の空燃比センサの
一実施例を示す縦断面図、第１２図は第１１図の
センサ部の一実施例を示す詳細構造説明図、第１
３図は本発明の空燃比センサの制御回路と信号処
理回路を含めた全体構成の一実施例を示す構成
図、第１４図、第１５図はそれぞれリーン領域と
リツチ領域での信号処理説明線図、第１６図、第
１７図、第１８図はそれぞれ第１３図のリレー回
路と制御回路、反転回路、加算回路の一実施例を
示す回路図、第１９図は自動車エンジンにおける
λのマツプ、第２０図はλ制御処理のフローチヤ
ート、第２１図は排気おくれによるむだ時間の説
明線図、第２２図はむだ時間が制御に与える影響
と補正法との説明線図、第２３図はリツチ・リー
ン検出センサの電圧と電流との関係を示す線図、
第２４図は第１３図のヒータの制御回路の一実施
例を示す回路図、第２５図は始動直後の時間と混
合気濃度との関係を示す線図、第２６図はA/Fと
点火時期との関係を示す線図、第２７図は本発明
の他の実施例を示す断面図、第２８図は第２７図
の場合のλと_Bとの関係線図、第２９図、第３
３図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す第１０
図に相当する基本構成図、第３０図は第２９図の
第２センサの出力特性線図、第３１図は空燃比と
CO，O₂％との関係線図、第３２図は第２９図に
おけるA/Fととの関係線図、第３４図、第３５
図はそれぞれ第３３図における第３０図に相当す
る線図、λととの関係線図、第３６図、第３７
図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す第１３
図、第２０図に相当する構成図、フローチヤー
ト、第３８図はリツチ領域の場合の第３７図に相
当するフローチヤートである。７…空燃比センサ、１１…空燃比センサの制御
回路、１２…ヒータ制御回路、１０…マイクロコ
ンピユータ、３７…固体電解質、３８ａ，３８
ｂ，４１ａ，４１ｂ，４２…電極、３９…オリフ
イス、４０，４０ａ…拡散室、４２…ヒータ、４
３…センサ部、４４…ホルダー、４５…キヤツ
プ、４６…大気室、４７…ストツパ、４８…ホル
ダー、４９…カバー、５０…通気孔、５１…排気
室、５２…カバー、５３…穴、５４…セラミツク
コーテイング、５５…リレー回路、５６…反転回
路、５７…加算回路、５８，８０…リツチ・リー
ン検出センサ、５９，８１，８２…O₂センサ、
９０…処理回路。

Claims

【特許請求の範囲】１酸素イオン伝導性を有する固体電解質に第
１、第２の電極対を設け、前記第１の電極対は、排気中にあつてその片方
の電極側に排気に接触する拡散抵抗体が設けら
れ、少なくとも、該第１の電極対と、その両電極
間に流す所定の電流の向きを空燃比のリーン領
域検出とリツチ領域検出とで反対にする手段と、
前記電極を流した際に第１の電極対に生じる起
電力を出力させる手段とでリツチ・リーン検出セ
ンサ部を構成し、一方、前記第２の電極対は、その一方の電極が
基準ガス雰囲気（大気を含む）に、他方の電極が
排気に触れ、少なくとも、該第２の電極対と、そ
の電極間に生じる起電力を出力させる手段とで
O₂センサ部を構成し、リーン領域の空燃比検出の場合には、前記リツ
チ・リーン検出センサ部の出力と前記O₂センサ
部の出力との組合せで、リツチ領域の空燃比検出
の場合は、前記リツチ・リーン検出センサ部の出
力と前記O₂センサ部の反転出力との組合せでそ
の空燃比を検出する信号処理系を備えたことを特
徴とする空燃比センサ。２前記固体電解質は表面に加熱用のヒータが印
刷してあり、該ヒータは実測した温度と最適温度
との偏差が零となるように通電電流をオン・オフ
制御されている特許請求の範囲第１項記載の空燃
比センサ。３前記拡散抵抗体は排気導入用のオリフイスを
有する拡散室により構成してある特許請求の範囲
第１項または第２項記載の空燃比センサ。４前記第１の電極対に流す所定電流は、電流
制御手段によりその電流値を可変とし、この電流
制御手段は、前記第１の電極対の両電極間に流す
電流値がコンピユータから出力される制御すべき
空気過剰率に応じた電流の設定値に一致するよう
に制御する構成としてある特許請求の範囲第１項
または第２項または３項記載の空燃比センサ。５前記信号処理系は、前記リツチ・リーン検出
センサ部からの出力起電力を０、１の信号に変換
する変換回路と、前記O₂センサ部からの出力起
電力を所定のスライスレベルと比較して０、１の
信号に変換しつつ、リーン領域の空燃比検出の場
合は、その信号をそのまま出力し、リツチ領域の
空燃比検出の場合は、前記O₂センサ部の出力信
号０、１を反転して出力する反転回路と、前記変
換回路の出力と前記反転回路の出力とを加算する
加算回路とより構成してある特許請求の範囲第１
項または第２項または第３項または第４項記載の
空燃比センサ。