JPH0580616B2 - - 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イードバツク制御する空燃比
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（特開昭58−
153155号）。かかる酸素濃度検出装置においては、
一対の平板状の酸素イオン伝導性固体電解質材を
有する酸素濃度検出器が設けられている。その固
体電解質材は被測定気体中に配置されるようにな
され、固体電解質材の各表裏面には電極が各々形
成されかつ固体電解質材が所定の間隙部を介して
対向するように平行に配置されている。固体電解
質材の一方が酸素ポンプ素子として、他方が酸素
濃度比測定用電池素子として作用するようになつ
ている。被測定気体中において間隙部側電極が負
極になるように酸素ポンプ素子の電極間に電流を
供給すると、酸素ポンプ素子の負極面側にて間隙
部内気体中の酸素ガスがイオン化して酸素ポンプ
素子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、間隙部中の酸素ガス
の減少により間隙部内の気体と電池素子外側の気
体との間に酸素濃度差が生ずるのでその電圧を一
定値にするように酸素ポンプ素子に供給する電流
値を変化させると、定温においてその電流値が被
測定気体中の酸素濃度にほぼ直線的に比例するこ
とになる。

かかる酸素濃度検出装置においては、酸素ポン
プ素子に過剰の電流を供給すると、固体電解質材
から酸素を奪うブラツクニング現象が発生する。
例えば、固体電解質材としてZrO₂（二酸化ジルコ
ニウム）が用いられた場合、酸素ポンプ素子への
過剰電流供給によりZrO₂から酸素O₂が奪われて
ジルコニウムZrが析出される。このブラツクニ
ング現象は酸素ポンプ素子の劣化を急速に進め酸
素濃度検出器としての性能を悪化させる原因とな
る。

かかる酸素濃度検出装置を用いた空燃比制御装
置においては、酸素ポンプ素子への供給電流値は
ブラツクニング現象を防止するためにブラツクニ
ング現象発生境界値以下の値に設定されており、
酸素ボンプ素子への供給電流値と基準値とを比較
することにより供給混合気の空燃比が目標空燃比
よりリツチ及びリーンのいずれであるか判別され
る。空燃比を２次空気によつて制御する方式の場
合、リツチと判別されたならば、２次空気をエン
ジンに供給し、リーンと判別されたならば２次空
気の供給を停止することにより空燃比が目標空燃
比に制御される。しかしながら、第１図に示すよ
うに酸素濃度が小さくなるほど、すなわち空燃比
がリツチになるほど酸素ポンプ素子への供給電流
値I_Pのブラツクニング現象発生境界値は小さくな
るので絞り弁の変動のために供給混合気の空燃比
が急に目標空燃比付近から大きくリツチとなつた
場合には２次空気等が直ちに供給されてもその制
御結果が排気側に現われるまでの時間遅れにより
酸素ポンプ素子への供給電流値からはリツチと判
別される状態がしばらく継続して酸素ポンプ素子
への供給電流値がそのときのブラツクニング現象
発生境界値以上となつてブラツクニング現象を発
生することがあるという問題点があった。

発明の概要 そこで、本発明の目的はブラツクニング現象を
確実に防止す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検出装置は検出した酸素
濃度に応じた電流値以下に酸素ポンプ素子への供
給電流を制限するリミツタ手段を有することを特
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、互いに平行な一対の平板状素子の酸素ポンプ
素子１及び電池素子２からなる酸素濃度検出器は
排気管（図示せず）内に配設される。酸素ポンプ
素子１及び電池素子２の主体は酸素イオン伝導性
固体電解質材からなり、その一端部間には間隙部
３が形成され、他端部はスペーサ４を介して互い
に結合されている。また酸素ポンプ素子１及び電
池素子２の一端部の表裏面に多孔質の耐熱金属か
らなる方形状の電極板５ないし８が設けられ、他
端部面には電極板５ないし８の引き出し線５ａな
いし８ａが形成されている。

酸素ポンプ素子１の電極板５，６間には電流供
給回路１１によつて電流が供給される。電流供給
回路１１はオペアンプ１２，NPNトランジスタ
１３及び抵抗１４，１５からなる。オペアンプ１
２の出力端は抵抗１４を介してトランジスタ１３
のベースに接続されている。またトランジスタ１
３のエミツタは抵抗１５を介してアースされてい
る。抵抗１５は酸素ポンプ素子１の電極板５，６
間に流れるポンプ電流値I_Pを検出するために設け
られており、その端子電圧がポンプ電流値I_Pとし
て制御回路３１のI_P入力端に供給される。トラン
ジスタ１３のコレクタは酸素ポンプ素子１の内側
電極板６に引き出し線６ａを介して接続され、外
側電極板５には電圧V_Bが引き出し線５ａを介し
て供給されるようになつている。

一方、電池素子２の内側電極板７は引き出し線
７ａを介してアースされ、外側電極板８は引き出
し線８ａを介してフイルタ回路１９に接続されて
いる。フイルタ回路１９は抵抗２０，コンデンサ
２１からなり、電池素子２の電極板７，８間に発
生した電圧信号のノイズ成分を除去するようにな
つている。フイルタ回路１９の出力端にはオペア
ンプ２６、抵抗２７ないし２９からなる非反転増
幅器３０を介してオペアンプ１２の反転入力端に
接続されている。制御回路３１のI_C制御出力端に
はＤ／Ａ変換器３２が接続され、Ｄ／Ａ変換器３
２は制御回路３１のI_C制御出力端から出力される
デイジタル信号に応じた電圧を発生する。Ｄ／Ａ
変換器３２の出力端はオペアンプからなる電圧ホ
ロワ回路３３、そして抵抗３４を介してオペアン
プ１２の非反転入力端に接続されている。

制御回路３１は好ましくはマイクロコンピユー
タからなり、上記したI_C出力端、I_P入力端の他に
Ａ／Ｆ駆動端を有し、Ａ／Ｆ駆動端には２次空気
供給調整用の電磁弁４４に接続されている。電磁
弁４４はエンジンの気化器絞り弁下流の吸気通路
に連通する吸気２次空気供給通路に設けられてい
る。

かかる構成においては、制御回路３１のI_C出力
端からデイジタル信号がＤ／Ａ変換器３２に出力
されると、Ｄ／Ａ変換器３２によつてデイジタル
信号が電圧に変換され、そして電圧ホロワ回路３
３に供給される。電圧ホロワ回路３３の出力電圧
は基準電圧Vr₁として抵抗３４を介してオペアン
プ１２の非反転入力端に供給される。このとき、
オペアンプ１２の反転入力端の電圧レベルは基準
電圧Vr₁より小であるのでオペアンプ１２の出力
レベルは高レベルとなりトランジスタ１３がオン
となる。トランジスタ１３のオンにより酸素ポン
プ素子１の電極板５，６間にポンプ電流が流れ
る。

ポンプ電流が流れると、電池素子２の電極板
７，８間には電圧V_Sが発生し、電圧V_Sはフイル
タ回路１９を介して非反転増幅器３０に供給され
る。非反転増幅器３０はフイルタ回路１９の出力
電圧を電圧増幅してオペアンプ１２の反転入力端
に供給する。電圧V_Sが上昇すると、非反転増幅
器３０の出力電圧V_S′も上昇する。出力電圧V_S′
が基準電圧Vr₁を越えるとオペアンプ１２の出力
レベルが低レベルに反転し、トランジスタ１３が
オフとなる。トランジスタ１３のオフによりポン
プ電流が減少するので電池素子２の電極板７，８
間の発生電圧V_Sが低下し、非反転増幅器３０か
らオペアンプ１２の反転入力端に供給される電圧
V_S′も低下する。電圧V_S′が基準電圧Vr₁を下回る
と再びオペアンプ１２の出力レベルが高レベルと
なり、ポンプ電流を増加せしめる。この動作が高
速にて繰り返されるので電圧V_Sは一定値に制御
されると共にデイジタル制御信号が表わす値に応
じた電圧となる。

基準電圧Vr₁のオペアンプ１２への供給時に酸
素ポンプ素子１の電極板５，６間を流れるポンプ
電流値I_Pは抵抗１５の端子電圧V_Pによつて検出さ
れ、その端子電圧V_Pは制御回路３１のI_P入力端に
供給される。

制御回路３１はエンジン回転に同期して次の如
く動作する。第３図に示すように先ず、制御回路
３１はポンプ電流値I_Pとして端子電圧V_Pを読み込
み（ステツプ51）、そのときの電圧V_Sに対応する
ポンプ電流I_Pの制限電流値I_PLを算出する（ステツ
プ52）。電圧V_SはI_C制御出力端から出力されるデ
イジタル信号、すなわち基準電圧Vr₁に応じて予
め設定される。制限電流値I_PLはブラツクニング
現象発生領域の値より若干小さい値でかつ酸素濃
度が小なるほど小さく設定される。制限電流値
I_PLの算出後、ポンプ電流I_Pが制限電流値I_PLより
大であるか否かを判別する（ステツプ53）。I_P＞
I_PLならば、ブラツクニング現象の発生の可能性
があるのでポンプ電流の供給を停止すべく基準電
圧Vr₁を０〔Ｖ〕にするようにI_C制御出力端から出
力されるデイジタル信号の内容が例えば、４ビツ
トのデイジタル信号の場合、“0000”に変更され
る（ステツプ54）。基準電圧Vr₁を０〔Ｖ〕にする
とオペアンプ１２の出力レベルが低レベルとなる
のでトランジスタ１３がオフになり、酸素ポンプ
素子１の電極板５，６間にポンプ電流が流れなく
なる。制御回路３１はステツプ55の実行後、２次
空気のエンジンへの供給を停止するために電磁弁
４４の開弁駆動を停止する（ステツプ55）。一方、
I_P≦I_PLならば、ポンプ電流を供給するためにデイ
ジタル信号を予め定められた酸素濃度検出用の値
にし（ステツプ56）、読み込んだポンプ電流値I_P
が目標空燃比に対応する基準値Ir₁より小である
か否かを判別する（ステツプ57）。I_P＜Ir₁ならば、
エンジンに供給された混合気の空燃比がリツチで
あるとして制御回路３１は電磁弁４４を開弁駆動
して２次空気をエンジンに供給せしめる（ステツ
プ58）。I_P≧Ir₁ならば、供給混合気の空燃比がリ
ーンであるとしてステツプ55を実行して２次空気
のエンジンへの供給を停止させる。

なお、上記した本発明の実施例においては、I_P
＞I_PLのときにはデイジタル信号の内容を変更す
ることによりポンプ電流の供給が停止されるが、
これに限らず、例えばオペアンプ１２の非反転入
力端の電圧を強制的に０〔Ｖ〕にするようにして
もよいのである。

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、検出された酸素濃度に応じた電流値以下に
酸素ポンプ素子への供給電流値を制限するのでブ
ラツクニング現象の発生を確実に防止することが
できる。また電圧V_Sを一定値に制御するために
ポンプ電流を過剰に供給することも防止すること
ができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素濃度−ポンプ電流特性及びブラツ
クニング現象発生領域を示す図、第２図は本発明
による酸素濃度検出装置を適用した空燃比制御装
置を示す回路図、第３図は第２図の装置中の制御
回路の動作を示すフロー図である。 主要部分の符号の説明、１……酸素ポンプ素
子、２……電池素子、３……間隙部、４……スペ
ーサ、５ないし８……電極板、１１……電流供給
回路、３０……非反転増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定気体中に配設される一対の酸素イオン
   伝導性固体電解質材を有しその各固体電解質材に
   一対の電極が形成されかつ前記一対の固体電解質
   材が所定の間隙部を介して対向するように配置さ
   れ前記一対の固体電解質材の一方が酸素ポンプ素
   子として他方が酸素濃度比測定用電池素子として
   各々作用する酸素濃度検出器と、前記酸素ポンプ
   素子の電極間に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供給電流
   値を変化させ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
   素濃度検出装置であつて、前記電流供給手段は検
   出酸素濃度に応じた電流値以下に前記酸素ポンプ
   素子への供給電流を制限するリミツタ手段を有す
   ることを特徴とする酸素濃度検出装置。 ２ 前記リミツタ手段は被測定気体中の酸素濃度
   が小なるほど制限電流値を小さく設定することを
   特徴する特許請求の範囲第１項記載の酸素濃度検
   出装置。