JPH053547B2

JPH053547B2 -

Info

Publication number: JPH053547B2
Application number: JP59027138A
Authority: JP
Inventors: Takashige Ooyama; Minoru Oosuga
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-02-17
Filing date: 1984-02-17
Publication date: 1993-01-18
Also published as: US4629535A; DE3563868D1; KR850006895A; JPS60171447A; EP0152940A2; EP0152940B1; KR890000080B1; EP0152940A3

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、空燃比検出装置に係り、特に内燃機
関の空燃比を検出するために好適な空燃比検出装
置に関する。

〔発明の背景〕

従来の空燃比検出装置としては、袋管状の固体
電解質（ジルコニア）の両面に電極を設け、袋管
の内側に大気を導き、外側を測定ガスにさらす形
のものが知られている。この装置の出力は、理論
空燃比（空燃比：14.7）の点で、起電力がステツ
プ状に変化する。したがつて、空燃比が、理論空
燃比よりリーンかリツチかを判別し、自動車の内
燃機関の制御に、現在巾広く採用されている。

そして、近年は、省エネ運転のためのリーンバ
ーン制御をするためのリーン検出のための空燃比
検出器が開発される。

例えば、USP4282080（特開昭55−125548号）
の第４，５図に示されているように、固体電解質
と多孔質拡散抵抗からなり、限界電流を測定して
リーンの空燃比を検出するものが知られている。

また、USP4158166（特開昭53−66292）の第１
Ａ図に示されているように、固体電解質と単孔の
拡散抵抗からなり、単孔から基準室に流れ込む
COと固体電解質ポンプにより基準室に酸素をポ
ンピングインし、両者を反応させてリツチの空燃
比を検出するものが知られている。

また、USP4304652（特開昭55−166039）に示
されているように、固体電解質と多孔性拡散抵抗
からなり、固体電解質に流す電流の方向を逆にす
ることにより、リーン又はリツチの空燃比を検出
するものが知られている。

しかしながら、これらの装置は、いずれもリツ
チからリーンまでの巾広い空燃比を一貫して検出
することはできないものである。

〔発明の目的〕本発明の目的はリツツからリーンまでの巾広い
空燃比を検出することができる空燃比検出装置を
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、拡散抵抗の設けられている電極側に
反対の電極側から酸素を送り込んだ後、逆に酸素
を引き抜き、この時の酸素の移動を示す出力信号
により酸素濃度を測定するようにしたものであ
る。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例について、以下図面を用いて
説明する。

第１図は、本発明の一実施例の全体構成図であ
る。

酸素イオン伝導性の固体電解質１０は、袋管状
であり、ZrO₂が91％、Y₂O₃が９％の固溶体であ
る。その厚さは約２mmである。また、800℃にお
ける電気抵抗は約33Ωである。

固体電解質１０の外側には、多孔質の白金から
なる第１電極１２が被覆されている。また、内側
にも同様に、多孔質の白金からなる第２電極１４
が被覆されている。これらの電極１２，１４は、
電解質１０の表面に白金ペーストを塗布した後、
これを焼付けて約20〜200μmの厚さに形成され
る。白金ペーストは、粒径0.1μmの白金を15％含
んだ有機溶剤からなる。

電極１２の外側には、多孔質の拡散抵抗体１６
が被覆されている。この抵抗体１６は、MgO−
Al₂O₃スピネルからなり、その厚さは、10−
300μm程度である。これ以上の厚さでもよい。気
孔容積は、0.2c.c.／ｇ以下であり、酸素が電極１
２に到達する際の抵抗を与える。

この抵抗体１６の外側には、保護層１８が被覆
されている。保護層１８は、Al₂O₃粉末からな
り、その厚さは50−100μmである。そして、この
気孔容積は、抵抗体１６のそれより大きく、0.2
c.c.／ｇ以上である。

また、電解質１０の一部には白金膜からなるヒ
ータ２０が設けられ、その外側は、密なガラスセ
ラミツク保護層２２で被覆されている。電解質１
０の端に、金具２４が取り付けられ、押え金具２
６とともに電解質１０を固定する。電極１４のリ
ード膜２８は、電解質１０の内側に沿つて端部に
のび、押え金具３０と接触している。押え金具３
０に接続されたリード線３２は、端子３４に接続
されている。金具２４には、カバー３６が固定さ
れ、電解質１０を保護している。カバー３６の一
部に、複数のポート３８が設けられている。ポー
ト３８の近くにデフレクター４０が設けられ、排
気ガスが直接、電解質１０にあたるのを防止して
いる。電極１２は、リード膜４２を介して金具２
４に接続され、端子４４に接続されている。押え
金具３０の孔４６および端子３２の押え金具４８
の孔５０は、大気導入のために設けてある。絶縁
部材５２は、端子３２と４４の導通を防止するも
のである。金具２４は、内燃機関の排気管５４に
固定されている。端子３２および４４は、制御・
測定回路１００に接続されている。この制御・測
定回路１００は、電極１２，１４間に印加する電
圧又は電流を制御し、排気ガスの空燃比を測定す
る回路であり、その詳細な構造、動作については
後述する。なお、ヒータ２０の端子は図示を省略
しているが、電極１２，１４に対する端子と同様
に設けられる。

次に、本発明の動作原理について説明する。

本発明では、最初に、第２電極１４側から第１
電極１２側へ酸素を送り込んだ後、次に、第１電
極１２側から第２電極１４側に酸素を引き抜くこ
とによつて空燃比を測定している。

第２図は、第１図の固体電解質１０の先端の拡
大断面図である。図中の左側は、袋管状の電解質
１０の内側であり、大気が導入されている。大気
中の酸素分圧をP_At．とする。図中の右側は、電
解質１０の外側であり、排気ガスにさらされてい
る。ここで、排気ガス中の酸素分圧をPeとする。
第２図は、電極１２，１４間に電圧も印加せず、
電流も流さない時の各部の酸素分圧を表わしてい
る。すなわち、多孔質の電極１４の中は、大気と
同じ酸素分圧P_Atである。電極１２、拡散抵抗体
１６、および保護層１８の中の酸素分圧は、排気
ガス中の酸素分圧と同じPeである。

次に、電極１２，１４間に一定電流（例えば、
30mA）を流し、大気中の酸素を電極１４と電解
質１０の界面で還元して酸素イオンとし、電解質
１０の中をこの酸素イオンを移送し、電極１２と
の界面で酸素して酸素分子とすることにより、電
極１４側から電極１２側に送り込んでいる。第２
図に示す平衡状態から酸素を送り込み始めると、
電極１２中の酸素分圧が徐々に増加し、拡散抵抗
体１６中の酸素分圧が変化する。

第３図は、拡散抵抗体１６中の酸素分圧の変化
を示している。時刻t₀の実線の状態は酸素送り込
み開始前であり、電極１２、拡散抵抗体１６、保
護層１８とも同じ酸素分圧Peである。その後、
時刻t₁，t₂，t₃と実線で示すように、拡散抵抗体
１６内の酸素分圧が増加する。保護層１８は、大
きな気孔率を有するため、常に、排気ガス中の酸
素濃度Peと同じに維持される。所定時間t_i経過す
ると、拡散抵抗体１６と電極１２の界面の酸素分
圧は、排気ガス中の酸素分圧Peよりも所定量Pc
だけ高い分圧（Pe＋Pc）になつてバランスする。
これ以降は、いくら酸素を送り込んでも、この酸
素は、拡散抵抗体１６および保護層１８を通つて
排気ガス中に排出される。

この界面における酸素分圧の変化を示すと、第
４図のようになる。ここで、所定量Pcは、拡散
抵抗体１６の抵抗ｋと、電極１２，１４間を流す
電流I₀によつて決まる。すなわち、所定量Pcは、
（ｋ・I₀）となる。拡散抵抗体１６の厚さを
100μm、気孔容積を0.1c.c.／ｇとし、流す電流I₀を
30mAとすると、酸素の所定量Pcは、約３％とな
る。そして、バランスするまでの時間t_iは、2mS
である。この時間t_iは、時刻t₀の時の拡散抵抗１
６と電極１２の界面の酸素分圧によつて異る。す
なわち、時間t₀におけるこの界面の酸素分圧が零
であり、酸素分圧Peが３％とすると、界面の酸
素分圧が６％になつた時にバランスするわけであ
るが、この時の時間は4mS程度となる。

さて、以上のように、拡散抵抗体１６と電極１
２の界面の酸素分圧が、排気ガス中の酸素分圧
Peより所定量Pcだけ高くなつてバランスした後、
電極１２側から電極１４側の酸素を引き抜く。そ
のためには、上述の酸素送り込み時の電流供給の
極性とは逆極性の所定電圧を電極１２，１４間に
印加する。すると、拡散抵抗体１６中の酸素分圧
が徐々に減少する。

第５図は、酸素分圧の変化を示している。時刻
T₀の実線の状態は、酸素引き抜き開始前であり、
排気ガス中の酸素分圧Peに対して、これより、
所定量Pcだけ高い状態でバランスしている。そ
の後、時刻T₁，T₂，T₃と実線で示すように、拡
散抵抗体１６内の酸素分圧が減少する。所定時間
T_jが経過すると、拡散抵抗体１６と電極１２の
界面の酸素分圧は零となる。そして、これ以降
は、この界面の酸素分圧は零に保持される。すな
わち、拡散抵抗体１６中を拡散してくる排気ガス
中の酸素は、すべて、電極１２側から電解質１０
を介して電極１４側にくみ出される。この酸素引
き抜き時に、電極１２，１４間に流れる電流Ｉ
は、第６図のように変化する。すなわち、時刻t₀
からT_jまでは電流Ｉは徐々に減少し、T_j以降は、
一定の電流Ieが流れる。この電流Ieは、限界電流
である。

この電流Ｉは、排気ガス中の酸素分圧によつて
異る。すなわち、第７図に示すように、酸素分圧
Pe₁，Pe₂，Pe₃に応じて、流れ始めの電流が、I₁，
I₂，I₃のように変化する。また、限界電流も、そ
れぞれ、Ie₁，Ie₂，Ie₃のように異る。また、限界
電流が表われるまでの時間も、それぞれTe₁，
Te₂，Te₃のように異る。

さて、酸素引き抜き時の電極と拡散抵抗体の界
面の酸素分圧は、第８図Ａに示すように、徐々に
減少し、時刻T₁に零となる。そして、この間の
電極１２，１４間の起電力Ｅを測定すると、時刻
t₁において、0Vから約1Vに急激に変化する。し
たがつて、この起電力Ｅの変化により、時刻t₁を
測定できる。そして、排気ガス中の酸素分圧、す
なわち、空燃比（Ａ／Ｆ）と時刻t₁の関係につい
て調べてみると、第９図に示すように、理論空燃
比（Ａ／Ｆ：14.7）より小さいリツチサイドか
ら、これより大きいリーンサイドまで、Ａ／Ｆと
Ｔの間に直線関係が得られる。すなわち、この時
間Ｔを測定することにより、空燃比を測定するこ
とができる。

ここで、リツチ領域では、排気ガス中に酸素は
存在せず、一酸化炭素が存在する。そして、一酸
化炭素の分圧は、空燃比の減少とともに直線的に
増加する。したがつて、一酸化炭素の分圧を測定
することにより、空燃比を測定することができ
る。排気ガス中の一酸化炭素の分圧をPe（CO）
とし、電極１２側に酸素を送り込むと、第１０図
に示すように、電極１２と拡散抵抗体１６の界面
では酸素分圧がPe（CO）＋Pc（O₂）でバランスす
る。例えば、Pe（CO）を２％とし、Pc（O₂）を３
％とすると、酸素と一酸化炭素は下式で反応する
ので、 CO＋１／2O₂＝CO₂ 界面の酸素分圧は２％となる。この酸素を引き
抜くと、拡散抵抗体１６中の酸素分圧は第１０図
の実線T₀，T₁，T₂のように変化する。したがつ
て、この界面での酸素分圧が零となるまでの時間
が、一酸化炭素の分圧、ひいては、空燃比を示す
ことになる。リツチサイドにおける一酸化炭素の
分圧の単位空燃比あたりの変化は、リーンサイド
における酸素分圧の単位空燃比あたりの変化の２
倍であるので、時間Ｔと空燃比Ａ／Ｆの間には、
第９図に示すように、直線関係が存在することに
なる。

次に、上述の時間Ｔを測定するための、第１図
に示す制御・測定回路１００の具体的構成につい
て、第１１図を用いて説明する。

固体電解質１０、拡散抵抗体１６からなり、第
１図に示す構造を有するセンサ部は、内燃機関等
の燃焼器５６に下流に接続されたガス通路５４内
に設置されている。センサ部の端子３２，４４は
制御・測定回路１００に接続されている。回路１
００の主要部は、マイクロプロセツサ１０２から
なり、このプロセツサ１０２は、その内部に記憶
され、第１２図のフローチヤーウに示すプログラ
ムに従つて、制御する。マイクロプロセツサ１０
２は、クロツク１０４からの信号に同期して、プ
ログラムを実行する。

プロセツサ１０２は、端子１０６に出力する信
号により、リレー１０８の上方のスイツチを閉と
するか、下方のスイツチを閉とするかを切換え
る。

リレー１０８の下方のスイツチが閉となつてい
る時は、電解質１０の両側の電極間に一定電流I₀
を流し、酸素送り込みを行える。トランジスタ１
１０は、プロセツサ１０２の端子１１２の電圧
V₄で動作する。トランジスタ１１０が導通する
と、電源１１４から電流が供給され、検出抵抗１
１６によつて電圧V₂として、端子１１８からプ
ロセツサ１０２内に取り込まれる。

リレー１０８のスイツチの上方が閉となると、
酸素引き抜きのための電圧印加が可能となる。ト
ランジスタ１２０は、プロセツサ１０２の端子１
２２の電圧V₃で動作する。トランジスタ１２０
が導通すると、電源１２４から電圧が印加され
る。酸素引き抜き時に流れる電流Ｉは、検出抵抗
１２６によつて検出され、端子１２８から電圧
V₁として検出される。また、この電圧V₁は、電
極間の起電力の検出にも用いられる。

燃焼器５６には、燃料調節弁５８が設けられて
おり、この弁５８は、マイクロプロセツサ１０２
によつて、開閉の制御が可能である。

第１２図に示すフローチヤートを用いて、動作
を説明する。

ステツプS10で、V₄＝V₀，V₃＝０を出力する。
したがつて、トランジスタ１２０は遮断され、ト
ランジスタ１１０は導通する。ステツプS12でV₂
の信号が取り込まれる。そして、この信号V₂が
一定となるように、すなわち、電流I₀が一定（例
えば、30mA）となるように、ステツプS14でV₄
が修正される。ステツプS16の判断において、時
間ｔが、所定時間t₀（例えば、10mS）以下の場合
は、ステツプS10〜S14をくり返す。すなわち、
10mSの間、一定電流I₀を流し、抵抗体内に酸素
を送り込む。25mSを越えると、ステツプS18に
て、カウンタ内にカウントされた時間ｔを零にク
リアする。そして、ステツプS20にて、V₄＝０、
V₃＝Vcにセツトする。すなわち、トランジスタ
１１０が遮断され、トランジスタ１２０が導通す
る。ステツプS22でV₁を測定する。そして、信号
V₁が一定になるように、すなわち、電流Ｉが一
定になるように、ステツプS24において、V₃が修
正される。ステツプS26において、（V₁−rI）の
演算により、電極間の起電力Ｅを求める。ｒは、
固体電解質の内部抵抗であり、あらかじめわかつ
ている値である。ステツプS28の判断において、
起電力Ｅが0.5Vをこえたか否かが判断され、こ
えていない場合にはステツプS20〜S26を継続す
る。起電力Ｅが0.5Vを越えると、ステツプS30に
おいて、ｔの値を記憶し、時間ｔを零にクリア
し、ステツプS10に戻る。

また、マイクロプロセツサ１０２には、第１３
図のフローチヤートに示したプログラムが内蔵さ
れている。ステツプS40で、エアフローセンサ
（図示せず）によつて検出された吸入空気量Qaお
よびクランク角センサ（図示せず）によつて検出
された回転速度ｎによつて、燃料の基本噴射量
Tpを求める。ステツプS42において、あらかじめ
RAMに記憶されていた空気過剰率λ₀（空燃比
（Ａ／Ｆ）。）のマツプの中から、回転速度ｎ、空
気量Qa、吸入空気温などの運転状態によつて定
まる空気過剰率λ₀を読み出す。次に、ステツプ
S44において、先にステツプS30で一時記憶して
おいて時間ｔから、実際の空気過剰率λ（空燃比
（Ａ／Ｆ））を求める。そして、ステツプS46で、
目標空気過剰率λ₀（空燃比（Ａ／Ｆ）。）と、実測
空気過剰率λ（空燃比（Ａ／Ｆ））を比較し、偏差
Δεを求める。この偏差Δεを用いて、ステツプ
S48で、燃料噴射量Tpを修正する。ここで、θは
比例定数である。

さて、以上説明したように、本発明によれば、
リツチからリーン領域までの空燃比を測定するこ
とができる。

本発明の他の実施例について第１４図乃至第１
６図を用いて説明する。拡散抵抗体内に酸素を送
りこみ、拡散抵抗体と電極の界面の酸素分圧を排
気ガス中の酸素分圧より所定値高い状態でバラン
スした後、この酸素を引き抜いた時流れる電流
は、第７図又は第１４図に示すように変化する。
ここで、酸素引き抜き開始後、所定時間t₁（例え
ば5mS）の間の平均値を測定すると、この電流
の平均値と空燃比Ａ／Ｆの間には、第１５図に
示す直線関係が存在する。ここでいう平均値と
は、第１４図にハツチングを施して示した時間t₁
までの電流Ｉの積分値でも良いし、時間t₀からt₁
までの間の実際の平均値のいずれでも同じであ
る。

本実施例の動作について、第１６図のフローチ
ヤートを用いて説明する。制御・測定回路１００
の構成は、第１１図に示すものと同じである。ス
テツプS50では、第１２図のステツプS10からS18
までの酸素送り込みのステツプを実施する。送り
込み終了後、ステツプＳ５２において、V₄＝０、
V₃＝Vcにセツトする。ここで、Vcは、0.5V一定
である。次に、ステツプS54において、V₁を測定
する。この時、起電力Ｅは零であるため、この
V₁によつて、酸素引き抜き電流Ｉが測定できる。
そして、ステツプS56において、この電流値Ｉの
積分を行う。ステツプS58の判断において、時間
ｔが、所定時間t₁（例えば5mS）以下の場合は、
ステツプS52〜S56をくり返す。5mSを越えると、
それまでの電流Ｉの積分値を平均値として、ス
テツプS60で記憶する。この平均値は、第１３
図のステツプS44に示す実測空気過剰率λの演算
に用いられる。

本発明のその他の実施例について、第１７図を
用いて説明する。本実施例は、酸素引き抜き時の
電流の変化分に着目したものである。すなわち、
酸素引き抜き時の電流Ｉは、第１７図のように変
化する。そして、引き抜き開始後の電流Ｉの時間
微分値dI／dt、すなわち、電流の変化分につい
て、種々の空燃比Ａ／Ｆに対して測定してみる
と、第１８図のように直線関係がある。

本実施例の動作について、第１９図のフローチ
ヤートを用いて説明する。制御・測定回路１００
の構成は、第１１図に示すものと同じである。ス
テツプS70では、第１２図のステツプS10からS18
までの酸素送り込みのステツプを実施する。送り
込み終了後、ステツプS72において、V₄＝０、
V₃＝Vcにセツトする。そして、酸素引き抜きを
開始する。ここで、Vcは、0.5V一定である。次
に、ステツプS74において、酸素引き抜き開始時
t₀に流れる電流Ｉ（t₀）を測定する。その後、ス
テツプS76において、時間ｔが、所定時間t₁（例え
ば、1mS）経過するのを監視する。所定時間t₁経
過後、ステツプS78において、その時間t₁に流れ
る電流Ｉ（t₁）を測定する。そして、次に、ステ
ツプS80において、dI／dtの演算を行う。この演
算は、（Ｉ（t₀）−Ｉ（t₁））／（t₁−t₀）によつて行
なわれる。そして、ステツプＳ８２において、こ
の求められたdI／dtを記憶する。その後、時間ｔ
が、所定時間t₂（例えば、5mS）になるまで、酸
素の引き抜きを継続する。時間t₂経過後、もとの
ステツプS70に戻る。

ここで、第９図の時間Ｔの測定、第１５図の平
均値の測定、第１８図の電流変化率dI／dtの測
定について、酸素送り込み時間および、酸素引き
抜き時間について説明する。

例えば、第５図において、酸素引き抜き時間
は、最大T_jまでである。第９図の時間Ｔの測定
の場合、このT_jを測定する。内燃機関の制御の
場合、制御空燃比を最大20とすると、この時の酸
素濃度は約６％である。すなわち、Peが６％で
ある。そして、Pcを３％とし、上述の例で酸素
引き抜きを行う場合、それに要する時間は約6mS
である。そして、この値は、Pcの値、すなわち、
拡散抵抗ｋ（気孔率、厚さによつて決まる）およ
び送り込み電流Ｉによつて異り、また、引き抜き
電流Ｉによつて異る。すなわち、Tjは10mS前後
の時間となる。そして、このように、Tjを測定
する場合、固体電解質１６の表面のゴミの付着の
影響を受けやすい。すなわち、第５図において、
時間Tjまで測定よるよりは、T₄程度までの電極
１２に近い側の拡散抵抗体１６を用いる方がよ
い。その点、平均値を測定するものであれば、
約半分の5mS程度の測定を可能とする。なお、
dI／dtの測定であれば、もつて短時間にはできる
が、この場合でも、5mS程度の酸素引き抜きを行
つた方がよい。これは、排気ガス中の酸素分圧の
低下を考慮してのことである。

次に、酸素送り込み時間について、Tj測定の
場合、電極界面での酸素分圧は、零であり、Pe
を６％とすると、バランスさせるには９％の酸素
分圧とする必要がある。それに要する時間は6mS
である。ここで、測定において、引き抜き時間
を5mSとすると、電極面での酸素分圧は零より大
きいので、送り込みに要する時間はさらに短くで
きる。

すなわち、酸素送り込み、引き抜きともにそれ
ぞれ10mS程度あればよく、合計20mSは内燃機関
の制御に用いるのに十分な短かさである。

また、従来のように、限界電流を測定する場合
に比べて、本発明では、ゴミの影響を受けにくい
のは上述したとおりであるが、それ以外に、次の
メリツトがある。すなわち、限界電流の値は、せ
いぜい数mAであるのに対し、本発明では酸素引
き抜き時の初期電流は数十mAにおよぶ。したが
つて、、dI／dtなどの測定にあたつても、その
精度を高めることができる。

第２０図は、空燃比検出装置の出力信号の経時
変化を示している。出力信号Ａは、従来の、例え
ば、USP4282080などに示されている装置のもの
である。出力信号Ｂは、本発明による装置のもの
である。

従来の装置は、拡散抵抗体の中を拡散してくる
排気ガス中の酸素を、固体電解質により引き抜く
だけのものである。そして、この引き抜き時に流
れる限界電流により排気ガス中の酸素濃度を測定
するものである。ここで、限界電流の値は、拡散
抵抗の抵抗値によつて変化する。拡散抵抗体の排
気ガスと接触する面に排気ガス中のゴミなどが付
着すると、この付着部分の抵抗値が増加する。拡
散抵抗体内部の抵抗値は変化なく、しかも、ゴミ
付着部分の抵抗値より小さい。したがつて、限界
電流値は、ゴミ付着部分の抵抗値によつて決定さ
れる。ちなみに、拡散抵抗体の表面にゴミが付着
し、抵抗値が２倍になると、限界電流値は1/2に
なる。

また、従来の装置では、経時変化によつて、出
力信号は減少するので、この装置を内燃機関の制
御に使用した場合、失火の問題が発生する。その
理由について説明する。ここで、従来の装置の出
力特性が、第２１図の実線で示すものであつたと
する。そして、この特性が、経時変化によつて、
点線で示すように、減少する方向に変化したとす
る。制御装置により、空燃比Ａ／Ｆが18になるよ
うに制御する場合、検出装置の出力は本来O₁で
あるべきものが、O₂に減少したとする。すると、
制御装置は、この時の空燃比が17であると判断
し、空燃比を18とするために、供給燃料を減少さ
せる。その結果、混合気が薄くなりすぎ、失火す
ることになる。そして、内燃機関が停止する。

一方、本発明では、拡散抵抗体の表面のゴミの
付着による影響は、第２０図の出力信号Ｂに示す
ように、従来装置に比べて、極めて軽微である。
また、このゴミの影響は、出力信号を増加させる
ので、失火の問題も発生しない。その理由につい
て、以下に説明する。第２２図は、経時変化の影
響の説明図である。図中、実線は、第３図の時間
t_iにおいて、酸素分圧がバランスした場合とおな
じであつて、拡散抵抗の経時変化がない場合であ
る。それに対して、点線のものが、経時変化があ
つた場合の酸素分圧のバランス状態を示してい
る。すなわち、拡散抵抗体１６−１は、抵抗値の
変化はなく、拡散抵抗体１６−２の部分は、ゴミ
付着等により、抵抗値が増加している。ゴミ付着
により、抵抗値が２倍になつたとすると、図中の
角度θ₂が、角度θ₁の２倍になる。ゴミ付着がない
場合の、バランスする所定量Pcは、前述したよ
うに、ｋ・I₀である。ｋは、抵抗値であり、I₀は
電流値である。それに対して、ゴミ付着があつた
場合、ゴミ付着により拡散抵抗１６の抵抗値が変
化した部分１６−２の抵抗値が2kであり、この
部分１６−２の拡散抵抗体１６の全体に占める割
合をｘとすると、バランスする所定量Pc′は、下
式で表わされる。

Pc′＝ｋ・（１−ｘ）・I₀＋2k・ｘ・I₀ ＝ｋ・（１＋ｘ）・I₀ ここで、拡散抵抗体１６の厚さを100μmとする
と、ゴミ付着により抵抗変化する部分は、1μm乃
至5μmである。そして、1μmとすると、上記ｘ
は、0.01となり、Pc′はPcに比べてわずか１％増
加するだけである。また、5μmとしても、Pc′は
Pcに比べて５％増加するだけである。すなわち、
従来の装置では、拡散抵抗が２倍になると、出力
信号は50％減少する。に対して、本発明では、わ
ずかに、１〜５％程度増加するだけであり、本発
明の優位性は明らかである。また、この経時変化
により、出力信号は増加するので、上述の従来装
置とは逆に、失火の問題は発生しない。

上述の経時変化は、下記の方法で較正すること
ができる。すなわち、第１１図に示す燃焼器５６
の燃料調節弁５８の動作をマイクロプロセツサ１
０２の信号により一時遮断し、ガス通路５４の中
を空気のみとする。この時の酸素分圧は21％一定
であるので、この状態になつたときの出力信号
ｃを測定し、この値を基に経時変化を較正するも
のである。ここで、出力信号は、次式であらわ
され、ｋが変化する。

＝I₀＋Pe／ｋそして、Peが0.21のときの信号をｃとする
と、ｋは、下式であらわされる。

ｋ＝0.21／（ｃ−I₀）すなわち、ｃを求めることにより、ｋを求め
られる。

この経時変化の較正は、第２３図に示すフロー
チヤートに従つてなされる。ステツプS90におい
て、燃料調節弁５８を遮断し、ステツプS92で、
一定時間経過するのを待ち、電解質１０のまわり
を空気で充満する。この状態で、ステツプS94に
おいて、信号を測定する。この信号の測定
は、第１６図に示すフローに従つてなされる。そ
して、このをｃとする。ステツプS96におい
て、上式に従つて変化した拡散抵抗ｋを演算す
る。そして、ステツプS98において、λ＝（）
の関係、すなわち、第１５図空燃比Ａ／Ｆ（空気
過剰率λ）の関係を修正する。

この経時変化の較正は、信号だけでなく、信
号ｔ又はdI／dtを用いても同様に行える。

尚、上述の実施例の説明から明らかなように、
保護層１８がなくても、経時変化の影響は少い。
しかし、この保護層１８をゴミ等のトラツプに用
いることにより、その影響はさらに少くなるので
あつた方がよりよくなる。

本発明に用いるセンサ部としては、第１図に図
示されたものに限られない。すなわち、第２４図
乃至第２８図のように、種々の実施例が考えられ
る。ここで、第２４図乃至第２６図のものは、一
方の電極を大気にさらすことなく、両方の電極を
排気ガスにさらすようにしている。また、第２７
図および第２８図のものは、多孔性の拡散抵抗体
に変えて、単孔質の拡散抵抗体を用いているもの
である。

第２４図において、厚400μmのジルコニア基板
２００（ZrO₂：92wt％、Y₂O₃：8wt％）の両面
に白金ペーストを塗布後、焼成して電極２０２，
２０４が形成されている。電極２０２の上には、
拡散抵抗体２０６が被覆されている。この抵抗体
は、MgO−Al₂O₃スピネルからなり、その厚さは
200μmである。気孔容積は、0.1c.c.／ｇである。
拡散抵抗体２０６は、保護層２０８が被覆されて
いる。また、電極２０４も、保護層２１０が被覆
されている。それぞれの保護層２０８，２１０の
細孔容積は、0.2c.c.／ｇ以上である。そして、電
極２０４の多孔度も、保護層２０８，２１０と同
程度の多孔度が必要である。

その理由について、次に説明する。第２４図の
実施例の動作は、電極２０４から電極２０２側へ
の酸素の送り込みおよびその後の電極２０２から
電極２０４側への酸素引き抜きにより行なわれ
る。そして、このセンサは、すべて排気ガス中に
さらされ、大気などの基準酸素源は用いていな
い。しかしながら、排気ガス中に酸素があり、ま
た、理論空燃比以下の空燃比においてもわずかな
がら酸素が存在するため、この酸素を酸素源とし
て用いることができる。酸素引き抜き時には、電
極２０４、保護層２１０の中に酸素がたまる。そ
して、排気ガス中の酸素濃度が小さいほど、その
たまる量も少い。したがつて、次の期間に電極２
０２側に送り込む酸素も少なくなり、電子伝導に
入りやすい。そこで、電極２０４、保護層２１０
などの拡散抵抗を、拡散抵抗体２０６の拡散抵抗
に比べて小さくしておくことにより、排気ガス中
の酸素を送り込みやすくしておく必要がある。

本発明の他の実施例について、第２５図を用い
て説明する。この例では、厚さ１mmのアルミナ基
板２１２の上に、白金ペーストを用いて電極２１
８が形成される。その上には、ZrO₂90〜94wt％
およびYb₂O₃6〜10wt％からなる電解質２１６が
プラズマ溶射により、100〜300μmの厚さに形成
されている。電解質２１６の上には、白金ペース
トにより電極２１４が設けられ、その外は保護層
２２０により被覆されている。電解質２１６は、
多孔性であり、拡散抵抗体を兼ねている。また、
アルミナ基板２１２の中には、ヒータ２２２が埋
設されている。本実施例の動作は前述のものと同
じである。

第２６図は、本発明の他の実施例を示したもの
である。直径３mm、厚さ1.9mm程度のペレツト状
の多孔性電解質２２４の中に、直径0.4mmの白金
電極２２６，２２８を２mmの間隔で並列に埋設し
ている。電解質２２４は、Y₂O₃で安定化した
ZrO₂でみかけの気孔率は22％である。電極２２
８から電極２２６にむけて酸素を送り込み、電極
２２６のまわりの酸素濃度を排気ガス中の酸素濃
度より高い状態でバランスさせる。次に、電流の
流す方向を逆にして、酸素を引き抜く。ここで、
電極２２８のまわりに、金２３０を被覆し、一酸
化炭素と酸素の反応を防止することによつて、理
論空燃比以下の空燃比の領域でも、電極２２８の
近傍の酸素の低下を防止することができる。すな
わち、理論空燃比以下の空燃比の領域でも、電極
２２６のまわりに充分な酸素を供給することがで
きる。

第２７図は、本発明の他の実施例を示したもの
である。ZrO₂−Y₂O₃の７枚のグリーンシート２
３２〜２４４を積層して構成されている。グリー
ンシート２３４は、溝２４６を有しており、大気
連通孔を構成している。この溝２４６を形成する
には、この溝部分にあらかじめ有機バインダを埋
めておき、グリーンシートの焼結時に、有機バイ
ンダを燃やすことにより、形成される。グリーン
シート２３６の両側には、印刷により、電極２４
８，２５０が設けられている。グリーンシート２
３８は、第１のチヤンバ２５２を構成するための
ものである。グリーンシート２４０には、拡散抵
抗体となる第１のオリフイス２５４が設けられて
いる。グリーンシート２４２は、第２のチヤンバ
２５６を構成するためのものである。グリーンシ
ート２４４には、拡散抵抗体となる第２のオリフ
イス２５８が設けられている。チヤンバ２５２の
容積は３mm³、チヤンバ２５６の容積は６mm³であ
る。オリフイス２５４，２５８の径は、0.3mmで
ある。グリーンシートの厚さは100〜400μmであ
る。

チヤンバ２５２および２５６に酸素を供給し、
チヤンバ２５６の酸素分圧を排気ガス中の酸素分
圧Peよりk₁・I₀高い値でバランスさせ、チヤンバ
２５２の酸素分圧をチヤンバ２５６の酸素分圧よ
りk₂・I₀高い値でバランスさせる。k₁，k₂は、そ
れぞれオリフイス２５８，２５４の拡散抵抗であ
る。そして、チヤンバ２５２内の酸素を引き抜い
て、排気ガス中の酸素分圧を測定する。

他の実施例について、第２８図を用いて説明す
る。ZrO₂−Y₂O₃の３枚のグリーンシート２６０
〜２６４O₃を積層して構成されている。溝２６
６は、第２７図の溝２４６と同じように作られ
る。グリーンシート２６０の両側には、電極２６
８，２７０が形成されている。電極２７０は、保
護層２７２により被覆されている。溝２６６の高
さｈは、200μm、巾は１mm、長かｌは20mmであ
る。溝２６６の一端２７４は、排気に開口してお
り、溝２６６が拡散抵抗体として機能する。

第１１図に示した制御検出回路１００の他の実
施例について第２９図を用いて説明する。この回
路は、端子e₁に入力が入らないときは、抵抗R₂
とR₃の比だけ、オペアンプOPの非反転入力端子
へ出力端子から正帰還がかかつており、出力電圧
e_iはダイオードD₁，D₂でクリツプされた正の電位
を保つている。この均衡状態のところで、第２９
図Ｂに示したように、端子e₁にパルス信号が入力
すると、出力電圧e_iの極性は反転し、負の電位を
保つ。この場合、入力端子e₁に入力する信号は、
方形波、パルス、正弧波のいずれでもよい。出力
電圧e_iが負の状態のところで、再び入力端子e₁に
パルス信号が印加されれば、初めの正の状態に戻
る。つまり、マイクロプロセツサ１０２からのト
リガ信号により、センサ部での酸素の送り込み、
引き抜きを制御できる。そして引き抜き時の電流
ｉは、検出抵抗R₃により検出され、マイクロプ
ロセツサ１０２に取り込まれる。そして、ｔ、
dI／dt、などがもとめられる。

制御・検出回路１００の他の実施例について、
第３０図を用いて説明する。入力端子e₁にパルス
信号が入力されると、出力信号e_iとして±V_Eの増
巾器OPの飽和電圧が印加される。センサに電圧
e_iが印加された時流れる電流I₀が電圧e₀として検
出し、積分器３００により平均値e_Sが求められ、
マイクロプロセツサ１０２に取り込まれる。

e_S＝−１／C₂R₄∫e_idt このe_Sは、空気過剰率λ（空燃比Ａ／Ｆ）に比
例した値となる。

第３１図において、回路３０２は、トランジス
タQ₁，Q₂，Q₃を利用した正、負のパルス発生回
路である。正の直流電源＋V_BBから正、負の出力
パルススe₁，e₂を作る。トランジスタQ₁は、正の
パルスe₁を作り、トランジスタQ₂，Q₃は逆相の
負のパルスe₂を作る。e₃は、負のパルスe₂を時間
ｔだけ遅らせる遅延回路にe₂を入力した場合の出
力である。第３２図に各部の波形を示すように、
加算器３０４により信号e₁とe₃の合成出力e_iを得
る。ここで、e_iの波形において、期間T₁は、酸素
送り込みに、期間T₃は、酸素引き抜きに用いら
れる。期間T₃において、印加電圧は零であり、
この期間では、電極間に生じる起電力により、理
論空燃比より希薄か、過濃かが判別される。希薄
の場合は、トランジスタQ₄の電圧e_cを加え、電圧
e₃を流さないようにする。過濃の場合は、e₃を流
し、酸素送り込みを行い、電子伝導域に入ること
を防止する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、リツチからリーンまでの空燃
比を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図であり、第
２図乃至第７図は本発明の原理説明図であり、第
８図乃至第１３図は本発明の第一実施例の動作説
明図であり、第１４図乃至第１６図は本発明の第
二実施例の動作説明図であり、第１７図乃至第１
９図は本発明の第三実施例の動作説明図であり、
第２０図乃至第２３図は本発明の一実施例の効果
の説明図であり、第２４図乃至第２８図は本発明
の他の実施例の構成図であり、第２９図乃至第３
２図は本発明の制御・検出回路の変形例の構成図
である。１０……電解質、１２，１４……電極、１６…
…拡散抵抗体、１００……制御・測定回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１酸素イオン伝導性の固体電解質と、前記固体
電解質の両面に設けられた第１の電極及び第２の
電極と、前記第１の電極の上に設けられるととも
に測定ガスにさらされる拡散抵抗体とを備えた空
燃比検出装置を用いて前記測定ガスの空燃比を検
出する空燃比検出方法において、前記第２の電極
側より前記固体電解質を介して前記第１の電極側
に酸素を送り込み、その後前記第１の電極から前
記固体電解質を介して前記第２の電極側へ酸素を
引き抜き、この酸素引き抜きの際の測定ガス中の
酸素濃度に対応した酸素の移動を示す信号を出力
し、その出力された信号から測定ガス中の酸素濃
度を測定することを特徴とする空燃比検出方法。