JPH09203720A - 平板型空燃比感知センサ及びその駆動回路 - Google Patents
平板型空燃比感知センサ及びその駆動回路Info
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- JPH09203720A JPH09203720A JP8290579A JP29057996A JPH09203720A JP H09203720 A JPH09203720 A JP H09203720A JP 8290579 A JP8290579 A JP 8290579A JP 29057996 A JP29057996 A JP 29057996A JP H09203720 A JPH09203720 A JP H09203720A
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 平板型空燃比感知センサ及びこの駆動回路を
提供する。 【解決手段】 排気ガス側の電極をポンピングセルとセ
ンシングセルとが共有する構造又は空気側の電極をポン
ピングセルとセンシングセルとが共有する構造からなる
平板型空燃比感知センサを駆動するために、センシング
セルの測定電圧と所定の基準電圧とを比較して、その差
に比例する電圧を所定直流電圧として出力する比較器
と、比較器の出力電圧にポンピングセルの自体起電力補
償用電圧を加算するための加算器と、加算器から出力さ
れるポンピングセルの印加電圧からポンピングセルへと
流れる電流を感知して空燃比を検出する空燃比検出器と
を具備する。
提供する。 【解決手段】 排気ガス側の電極をポンピングセルとセ
ンシングセルとが共有する構造又は空気側の電極をポン
ピングセルとセンシングセルとが共有する構造からなる
平板型空燃比感知センサを駆動するために、センシング
セルの測定電圧と所定の基準電圧とを比較して、その差
に比例する電圧を所定直流電圧として出力する比較器
と、比較器の出力電圧にポンピングセルの自体起電力補
償用電圧を加算するための加算器と、加算器から出力さ
れるポンピングセルの印加電圧からポンピングセルへと
流れる電流を感知して空燃比を検出する空燃比検出器と
を具備する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は平板型空燃比感知セ
ンサに係り、特に燃料混合ガスの燃焼以後発生する排気
ガス中の酸素と還元性ガスを感知して燃料混合ガスの空
燃比(空気と燃料の混合割合)を感知する平板型空燃比感
知センサ及びその駆動回路に関する。
ンサに係り、特に燃料混合ガスの燃焼以後発生する排気
ガス中の酸素と還元性ガスを感知して燃料混合ガスの空
燃比(空気と燃料の混合割合)を感知する平板型空燃比感
知センサ及びその駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】車のエンジンは空燃比に応じてエンジン
の出力、燃料消費量及び排気ガス量が変わるので、空燃
比感知センサを用い空燃比を検出した後、走行条件に応
じて最適の空燃比を合わせることが望ましい。
の出力、燃料消費量及び排気ガス量が変わるので、空燃
比感知センサを用い空燃比を検出した後、走行条件に応
じて最適の空燃比を合わせることが望ましい。
【０００３】空燃比センサを具現するために各種構造を
有するセンサが提案されたが、そのうち体表的なものが
図１に示されたNGKで開発した積層型センサである。し
かしながら、この積層型センサはポンピングセル(pumpi
ng cell)とセンシングセル(sensing cell)を別途に具
現して積層する方式を用いるため、嵩が大きくなり、積
層による工程が複雑になる。かつ、燃料過多領域の排気
ガス雰囲気でポンピングセルは低い酸素分圧下のガスか
ら酸素を拡散室に供しなければならないので、排気ガス
に露出されたポンピングセルの電極が損なわれやすい短
所がある。
有するセンサが提案されたが、そのうち体表的なものが
図１に示されたNGKで開発した積層型センサである。し
かしながら、この積層型センサはポンピングセル(pumpi
ng cell)とセンシングセル(sensing cell)を別途に具
現して積層する方式を用いるため、嵩が大きくなり、積
層による工程が複雑になる。かつ、燃料過多領域の排気
ガス雰囲気でポンピングセルは低い酸素分圧下のガスか
ら酸素を拡散室に供しなければならないので、排気ガス
に露出されたポンピングセルの電極が損なわれやすい短
所がある。
【０００４】かかる問題点を解決するためにNissanでは
図２に示されたような一枚の固体電解質上にポンピング
セルとセンシングセルとを具現したセンサを提案した
(米国特許4,776,943号参照)。このセンサは図１に示し
たセンサとは異なり、燃料過多領域の排気ガス雰囲気で
酸素分圧の高い空気側電極から排気ガス側電極へと酸素
を供するので、ポンピングセルの排気ガス側の電極が損
なわれることを防止できる。かつ、NGKセンサのポンピ
ングセルの両電極は何時も排気ガスと接するように工夫
されている反面、このセンサのポンピングセルは一方の
電極が常に空気に露出されている。
図２に示されたような一枚の固体電解質上にポンピング
セルとセンシングセルとを具現したセンサを提案した
(米国特許4,776,943号参照)。このセンサは図１に示し
たセンサとは異なり、燃料過多領域の排気ガス雰囲気で
酸素分圧の高い空気側電極から排気ガス側電極へと酸素
を供するので、ポンピングセルの排気ガス側の電極が損
なわれることを防止できる。かつ、NGKセンサのポンピ
ングセルの両電極は何時も排気ガスと接するように工夫
されている反面、このセンサのポンピングセルは一方の
電極が常に空気に露出されている。
【０００５】このような差により、図１と図２に示され
た空燃比感知センサの空燃比による電流-電圧特性はそ
れぞれ図３と図４に示されたように相異なる。しかしな
がら、図２に示されたNissanセンサは図１に示されたセ
ンサの駆動回路と同一な原理の駆動回路を用いているの
で、実際センサの駆動で問題が起こり得る。
た空燃比感知センサの空燃比による電流-電圧特性はそ
れぞれ図３と図４に示されたように相異なる。しかしな
がら、図２に示されたNissanセンサは図１に示されたセ
ンサの駆動回路と同一な原理の駆動回路を用いているの
で、実際センサの駆動で問題が起こり得る。
【０００６】一方、空燃比感知センサの動作時ポンピン
グセルは固体電解質を通じて酸素を所望する方向に移動
させることにより拡散室内の酸素分圧を調整する役割を
果たし、センシングセルはポンピングセルの動作により
発生する酸素分圧変化を感知する役割を果たす。故に、
センシングセルがポンピング動作による酸素分圧変化を
即時に感知するためには、両電極間に気体拡散が不可欠
である。ところが、空所での気体拡散は何の苦も無く早
い速度で行われるが、両電極間に気体拡散の邪魔物があ
る場合にはセンシングセルがその変化を感知し難くな
る。従って、図２のセンサは気体拡散のための拡散室を
有しなければならないが、拡散室を有する拡散制御障壁
の製造は大変複雑である。
グセルは固体電解質を通じて酸素を所望する方向に移動
させることにより拡散室内の酸素分圧を調整する役割を
果たし、センシングセルはポンピングセルの動作により
発生する酸素分圧変化を感知する役割を果たす。故に、
センシングセルがポンピング動作による酸素分圧変化を
即時に感知するためには、両電極間に気体拡散が不可欠
である。ところが、空所での気体拡散は何の苦も無く早
い速度で行われるが、両電極間に気体拡散の邪魔物があ
る場合にはセンシングセルがその変化を感知し難くな
る。従って、図２のセンサは気体拡散のための拡散室を
有しなければならないが、拡散室を有する拡散制御障壁
の製造は大変複雑である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前述した従来
の問題点を解決するために案出されたものであり、電極
の損傷を防止し、センシングセルとポンピングセル間の
応答特性を向上させ、気体の拡散制御障壁の制作が簡単
な平板型空燃比感知センサを提供するにその目的があ
る。
の問題点を解決するために案出されたものであり、電極
の損傷を防止し、センシングセルとポンピングセル間の
応答特性を向上させ、気体の拡散制御障壁の制作が簡単
な平板型空燃比感知センサを提供するにその目的があ
る。
【０００８】かつ、本発明の他の目的は前記平板型空燃
比感知センサを駆動するにおいて、燃料過多領域でポン
ピングセルの内部起電力により電流制限領域が、Vpが０
より大きい値の領域に移動することを補うための駆動回
路を提供することである。
比感知センサを駆動するにおいて、燃料過多領域でポン
ピングセルの内部起電力により電流制限領域が、Vpが０
より大きい値の領域に移動することを補うための駆動回
路を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明による平板型空燃比感知センサは、酸素イオン
電導度を有し、第１面は大気中の空気と接し、前記第１
面と反対側の第２面は燃焼排気ガスと接する固体電解質
と、前記固体電解質の第１面には第１及び第２電極が付
着され、前記第２面には第３電極が付着され、前記第１
電極と第３電極は電極間の酸素濃度比に応じて起電力を
発生させるセンシングセルとして用いられ、前記第２電
極と第３電極は電極間に電圧を印加して前記固体電解質
を通じて所望する方向に酸素を移動させるポンピングセ
ルとして用いられる三つの電極と、前記排気ガスが前記
第３電極に流入されることを制限する拡散制御障壁とを
具備することを特徴とする。
に本発明による平板型空燃比感知センサは、酸素イオン
電導度を有し、第１面は大気中の空気と接し、前記第１
面と反対側の第２面は燃焼排気ガスと接する固体電解質
と、前記固体電解質の第１面には第１及び第２電極が付
着され、前記第２面には第３電極が付着され、前記第１
電極と第３電極は電極間の酸素濃度比に応じて起電力を
発生させるセンシングセルとして用いられ、前記第２電
極と第３電極は電極間に電圧を印加して前記固体電解質
を通じて所望する方向に酸素を移動させるポンピングセ
ルとして用いられる三つの電極と、前記排気ガスが前記
第３電極に流入されることを制限する拡散制御障壁とを
具備することを特徴とする。
【００１０】前記拡散制御障壁は内部に前記第３電極が
位置し、気体の拡散を制限する多孔質膜からなるか、内
部に前記第３電極が位置し気体の拡散を制限する多孔質
膜と前記多孔質膜上に位置し気体の拡散を遮る拡散遮断
膜からなることが望ましい。
位置し、気体の拡散を制限する多孔質膜からなるか、内
部に前記第３電極が位置し気体の拡散を制限する多孔質
膜と前記多孔質膜上に位置し気体の拡散を遮る拡散遮断
膜からなることが望ましい。
【００１１】前記他の目的を達成するために本発明によ
る平板型空燃比感知センサ駆動回路は、センシングセル
の測定電圧と所定の基準電圧とを比較して、その差に比
例する電圧を所定の直流電圧として出力するための比較
器と、前記比較器の出力電圧に前記ポンピングセルの自
体起電力補償用電圧を加算するための加算器と、前記加
算器から出力される前記ポンピングセルの印加電圧から
前記ポンピングセルへと流れる電流を感知して空燃比を
検出するための空燃比検出器とを具備することを特徴と
する。
る平板型空燃比感知センサ駆動回路は、センシングセル
の測定電圧と所定の基準電圧とを比較して、その差に比
例する電圧を所定の直流電圧として出力するための比較
器と、前記比較器の出力電圧に前記ポンピングセルの自
体起電力補償用電圧を加算するための加算器と、前記加
算器から出力される前記ポンピングセルの印加電圧から
前記ポンピングセルへと流れる電流を感知して空燃比を
検出するための空燃比検出器とを具備することを特徴と
する。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を添付した
図面に基づき更に詳細に説明する。図５は図２に示され
た空燃比感知センサを駆動するための本発明によるセン
サ駆動回路を示した回路図である。
図面に基づき更に詳細に説明する。図５は図２に示され
た空燃比感知センサを駆動するための本発明によるセン
サ駆動回路を示した回路図である。
【００１３】図５に示した駆動回路は、空燃比感知セン
サ51のセンシングセルで測定した電圧Vsと設定電圧VO
(約450mV)とを比較してその差に比例する電圧を発生す
る比較器52と、比較器52の出力電圧を積分する積分器53
と、積分器53の出力電圧に所定の電圧Vpoを加算した電
圧Vpを出力する加算器54と、ポンピングセルに印加され
る加算器54の出力電圧Vpに応じる電流から空燃比を検出
する空燃比検出器55、例えば抵抗Rdとから構成される。
ここで、比較器52は演算増幅器(OP11)と、抵抗(R11)
と、基準電圧Vo供給源とから構成され、積分器53は抵抗
(R12)と、キャパシター(C11)と、演算増幅器(OP12)とか
ら構成され、加算器54は抵抗(R13)と、抵抗(R14)と、設
定電圧Vpo供給源と、抵抗(R15)と、演算増幅器(OP13)と
から構成される。
サ51のセンシングセルで測定した電圧Vsと設定電圧VO
(約450mV)とを比較してその差に比例する電圧を発生す
る比較器52と、比較器52の出力電圧を積分する積分器53
と、積分器53の出力電圧に所定の電圧Vpoを加算した電
圧Vpを出力する加算器54と、ポンピングセルに印加され
る加算器54の出力電圧Vpに応じる電流から空燃比を検出
する空燃比検出器55、例えば抵抗Rdとから構成される。
ここで、比較器52は演算増幅器(OP11)と、抵抗(R11)
と、基準電圧Vo供給源とから構成され、積分器53は抵抗
(R12)と、キャパシター(C11)と、演算増幅器(OP12)とか
ら構成され、加算器54は抵抗(R13)と、抵抗(R14)と、設
定電圧Vpo供給源と、抵抗(R15)と、演算増幅器(OP13)と
から構成される。
【００１４】図６は本発明による平板型空燃比感知セン
サによる構造図である。図６に示したセンサは酸素イオ
ン電導度を有する固体電解質31を有し、固体電解質31の
両面には第１乃至第３電極32a,32b,33が塗布されてい
る。固体電解質31の下面(第１面)の第１及び第２電極32
a,32bは一側が閉鎖されたエアダクト(図示せず)を通し
て大気中の空気と接する。この内、第１電極32aは排気
ガスと空気中の酸素分圧との差に応じて起電力を発生す
るセンシングセル用の電極であり、第２電極32bは電圧
を印加して酸素を所望する方向にポンピングさせるポン
ピングセル用の電極である。一方、固体電解質31の上面
(第２面)の第３電極33は第１電極32aと共にセンシング
セルを形成すると同時に第２電極32bと共にポンピング
セルを形成する。この際、排気ガス側の第３電極33を共
通で用いるので、ポンピングセル動作に応じる変化が即
時にセンシングセルに感知されて拡散室が要らなくな
る。一方、拡散制御用の多孔質膜35を第３電極33上に塗
布して拡散制御障壁として用いることもできる。
サによる構造図である。図６に示したセンサは酸素イオ
ン電導度を有する固体電解質31を有し、固体電解質31の
両面には第１乃至第３電極32a,32b,33が塗布されてい
る。固体電解質31の下面(第１面)の第１及び第２電極32
a,32bは一側が閉鎖されたエアダクト(図示せず)を通し
て大気中の空気と接する。この内、第１電極32aは排気
ガスと空気中の酸素分圧との差に応じて起電力を発生す
るセンシングセル用の電極であり、第２電極32bは電圧
を印加して酸素を所望する方向にポンピングさせるポン
ピングセル用の電極である。一方、固体電解質31の上面
(第２面)の第３電極33は第１電極32aと共にセンシング
セルを形成すると同時に第２電極32bと共にポンピング
セルを形成する。この際、排気ガス側の第３電極33を共
通で用いるので、ポンピングセル動作に応じる変化が即
時にセンシングセルに感知されて拡散室が要らなくな
る。一方、拡散制御用の多孔質膜35を第３電極33上に塗
布して拡散制御障壁として用いることもできる。
【００１５】かつ、拡散制御用の多孔質膜35の上端に気
体の拡散を遮る拡散遮断膜36を設けることもできる。
体の拡散を遮る拡散遮断膜36を設けることもできる。
【００１６】図７は図６に示された空燃比感知センサの
駆動回路を示した回路図であり、比較器72を構成する演
算増幅器(OP21)と加算器74を構成する演算増幅器(0P23)
の反転入力端子と非反転入力端子とが反対に連結された
ことと、設定電圧Voが450mVであることを除くと、図５
に示された駆動回路と同一である。
駆動回路を示した回路図であり、比較器72を構成する演
算増幅器(OP21)と加算器74を構成する演算増幅器(0P23)
の反転入力端子と非反転入力端子とが反対に連結された
ことと、設定電圧Voが450mVであることを除くと、図５
に示された駆動回路と同一である。
【００１７】そこで、本発明の平板型空燃比感知センサ
及びその駆動回路の動作を図２と図５乃至図７を参照し
て説明すると次の通りである。
及びその駆動回路の動作を図２と図５乃至図７を参照し
て説明すると次の通りである。
【００１８】空気と燃料ガスの混合比を空燃比(λ)とい
うが、理論的に空気中の酸素と燃料ガスが完全燃焼され
得る比をλ=1とし、これに比べて燃料量が酸素より少な
いとλ>1、燃料量が酸素より多いとλ<1の値を有する。
λ>1の燃料希薄領域ではλ値が大きい程空気が多いた
め、燃焼後酸素の分圧が高まり、一酸化炭素(CO)や水素
(H2)等の還元性ガスの分圧は無視してもよい程度に低く
なる。反対に、λ<1の燃料過多領域ではλ値が小さい程
酸素分圧が無視してもよい程度に低くなり、還元性ガス
の分圧は高まる。従って、燃料過多領域では還元性ガス
の分圧を、燃料希薄領域では酸素の分圧を測定すると空
燃比を検出し得る。
うが、理論的に空気中の酸素と燃料ガスが完全燃焼され
得る比をλ=1とし、これに比べて燃料量が酸素より少な
いとλ>1、燃料量が酸素より多いとλ<1の値を有する。
λ>1の燃料希薄領域ではλ値が大きい程空気が多いた
め、燃焼後酸素の分圧が高まり、一酸化炭素(CO)や水素
(H2)等の還元性ガスの分圧は無視してもよい程度に低く
なる。反対に、λ<1の燃料過多領域ではλ値が小さい程
酸素分圧が無視してもよい程度に低くなり、還元性ガス
の分圧は高まる。従って、燃料過多領域では還元性ガス
の分圧を、燃料希薄領域では酸素の分圧を測定すると空
燃比を検出し得る。
【００１９】燃料希薄領域でポンピングセルに電圧Vpを
図２に示したような極性にて印加すると第３電極33の周
囲の酸素が第２電極33bを通して固体電解質31に移動す
る。すると、第３電極33の周囲の酸素濃度が低くなり、
従って排気ガス中の酸素が拡散制御障壁35を通して第３
電極33側に拡散してくる。この際、酸素の拡散量Q(O2)
は次の(1)式のように示される。
図２に示したような極性にて印加すると第３電極33の周
囲の酸素が第２電極33bを通して固体電解質31に移動す
る。すると、第３電極33の周囲の酸素濃度が低くなり、
従って排気ガス中の酸素が拡散制御障壁35を通して第３
電極33側に拡散してくる。この際、酸素の拡散量Q(O2)
は次の(1)式のように示される。
【００２０】[式１] Q(O2) = K(O2)(P(O2,exhaust) - P(O2,electrode) (1)式で、K(O2)は酸素の拡散関連係数、P(O2,exhaust)
は排気ガス中の酸素分圧、P(O2,electrode)は第３電極3
3の周囲の酸素分圧を示している。
は排気ガス中の酸素分圧、P(O2,electrode)は第３電極3
3の周囲の酸素分圧を示している。
【００２１】固体電解質31に流れるポンピング電流Ipは
正常状態で酸素の拡散量に比例するので次の(2)式のよ
うに示される。
正常状態で酸素の拡散量に比例するので次の(2)式のよ
うに示される。
【００２２】[式2] Ip = 4FQ(O2) (2)式で、Fはファラデー(Faraday)定数を示す。
【００２３】一方、ポンピングセルに印加される電圧Vp
がやや大きくなると、第３電極33の周囲のP(O2,electro
de)は無視してもよい程度になる。一方、適切な印加電
圧範囲内では固体電解質31に流れる電流量が拡散孔を通
して拡散室に入る酸素の拡散量により限られるようにな
る。この際、制限電流Ip(lim)は次の(3)式のように示さ
れる。
がやや大きくなると、第３電極33の周囲のP(O2,electro
de)は無視してもよい程度になる。一方、適切な印加電
圧範囲内では固体電解質31に流れる電流量が拡散孔を通
して拡散室に入る酸素の拡散量により限られるようにな
る。この際、制限電流Ip(lim)は次の(3)式のように示さ
れる。
【００２４】[式3] Ip(lim) = 4FK(O2)P(O2,exhaust) 一方、燃料過多領域では酸素の分圧が約10-20atm程度で
非常に低いため、酸素分圧差に起因するセルの内部起電
力が約1V程度で非常に高い。従って、たとえ電圧Vp(<1
V)を印加してもセルの内部起電力により固体電解質での
電流の流れが燃料希薄領域とは反対となり空気側の酸素
が拡散室側に移動する。そして、排気ガス中のCOのよう
な還元性ガスが第３電極33で固体電解質を通して移動し
た酸素と反応して二酸化炭素(CO2)を生成する。する
と、第３電極33の周囲のC0分圧が低くなり、排気ガスか
ら拡散制御障壁を通してCOが拡散してくる。この際、CO
の拡散量Q(CO)は次の(4)式のように示される。
非常に低いため、酸素分圧差に起因するセルの内部起電
力が約1V程度で非常に高い。従って、たとえ電圧Vp(<1
V)を印加してもセルの内部起電力により固体電解質での
電流の流れが燃料希薄領域とは反対となり空気側の酸素
が拡散室側に移動する。そして、排気ガス中のCOのよう
な還元性ガスが第３電極33で固体電解質を通して移動し
た酸素と反応して二酸化炭素(CO2)を生成する。する
と、第３電極33の周囲のC0分圧が低くなり、排気ガスか
ら拡散制御障壁を通してCOが拡散してくる。この際、CO
の拡散量Q(CO)は次の(4)式のように示される。
【００２５】[式4] Q(C0) = K(CO)P(CO,exhaust)-P(CO,electrode) 前記(4)式でK(CO)はCOの拡散関連係数である。正常状態
で固体電解質を通過する酸素の量は拡散制御障壁を通し
て入るCOの量に比例する。従って、この際流れる電流Ip
と制限電流Ip(lim)は次の(5)式と(6)式のように示され
る。
で固体電解質を通過する酸素の量は拡散制御障壁を通し
て入るCOの量に比例する。従って、この際流れる電流Ip
と制限電流Ip(lim)は次の(5)式と(6)式のように示され
る。
【００２６】[式5] Ip = -2FQ(CO) [式6] Ip(lim) = -2FK(CO)P(CO,exhaust) (3)式と(6)式で制限電流Ip(lim)はそれぞれ排気ガスの
酸素分圧とCO分圧に比例する。この際、H2もCOと同様に
示され得る。従って、制限電流Ip(lim)を測定すると空
燃比(λ)が掴められる。制限電流Ip(lim)は燃料過多及
び燃料希薄領域での排気ガス側電極周囲の酸素分圧やCO
等の還元性ガスの分圧が全部無視できる程度の場合に測
定される。前記のような条件で酸素と還元性ガスとは平
衡を保たせる。この際、空気側にある電極を基準電極と
して用いるセンシングセルは約300-600mVのVsを有す
る。従って、Vsが300-600mVの値を有するようにポンピ
ングセルを通して酸素の移動を制御すると、この際流れ
る電流Ipを通して空燃比が掴められる。
酸素分圧とCO分圧に比例する。この際、H2もCOと同様に
示され得る。従って、制限電流Ip(lim)を測定すると空
燃比(λ)が掴められる。制限電流Ip(lim)は燃料過多及
び燃料希薄領域での排気ガス側電極周囲の酸素分圧やCO
等の還元性ガスの分圧が全部無視できる程度の場合に測
定される。前記のような条件で酸素と還元性ガスとは平
衡を保たせる。この際、空気側にある電極を基準電極と
して用いるセンシングセルは約300-600mVのVsを有す
る。従って、Vsが300-600mVの値を有するようにポンピ
ングセルを通して酸素の移動を制御すると、この際流れ
る電流Ipを通して空燃比が掴められる。
【００２７】図４は図２に示された空燃比感知センサに
おける空燃比によるポンピングセルの電流-電圧特性を
示したものであり、燃料希薄領域と燃料過多領域との電
流の流れが反対であり、制限電流量は空燃比が増加する
に伴い増加する。制限電流範囲内でセンシングセルが感
知する電圧Vsは300-600mV程度であるので、このVsをそ
の間の値、例えば450mVを保たせるようにポンピングセ
ルを動作すると、空燃比に比例する制限電流Ip(lim)が
得られる。ポンピングセルが動作しない時、Vs値は燃料
希薄領域で0-100mV程度の値を有し、燃料過多領域では
約1V程度、そして完全燃焼点(λ=1)では約300-600mV程
度の値を有する。従って、ポンピングセルを動作させて
拡散室に酸素を供したり、取り除くことにより、Vs値が
300-600mVの値を有するように回路を工夫すると、いつ
も制限電流を得ることができる。
おける空燃比によるポンピングセルの電流-電圧特性を
示したものであり、燃料希薄領域と燃料過多領域との電
流の流れが反対であり、制限電流量は空燃比が増加する
に伴い増加する。制限電流範囲内でセンシングセルが感
知する電圧Vsは300-600mV程度であるので、このVsをそ
の間の値、例えば450mVを保たせるようにポンピングセ
ルを動作すると、空燃比に比例する制限電流Ip(lim)が
得られる。ポンピングセルが動作しない時、Vs値は燃料
希薄領域で0-100mV程度の値を有し、燃料過多領域では
約1V程度、そして完全燃焼点(λ=1)では約300-600mV程
度の値を有する。従って、ポンピングセルを動作させて
拡散室に酸素を供したり、取り除くことにより、Vs値が
300-600mVの値を有するように回路を工夫すると、いつ
も制限電流を得ることができる。
【００２８】このような図２に示された空燃比感知セン
サを駆動するための本発明で提案した駆動回路を、図５
を参照して説明すると次の通りである。
サを駆動するための本発明で提案した駆動回路を、図５
を参照して説明すると次の通りである。
【００２９】図５において、比較器52の演算増幅器(OP1
1)では反転(-)入力端子に印加される空燃比感知センサ5
1のセンシングセルの測定電圧Vsと非反転(+)入力端子に
印加される基準電圧(Vo=-450mV)とを比較してその差に
比例する電圧を出力する。この際、基準電圧は制限電流
範囲内でセンシングセルが感知する電圧を示す。
1)では反転(-)入力端子に印加される空燃比感知センサ5
1のセンシングセルの測定電圧Vsと非反転(+)入力端子に
印加される基準電圧(Vo=-450mV)とを比較してその差に
比例する電圧を出力する。この際、基準電圧は制限電流
範囲内でセンシングセルが感知する電圧を示す。
【００３０】積分器53の演算増幅器(OP12)では反転(-)
入力端子に印加される比較器52の出力電圧を所定の時定
数にて積分して加算器54に出力する。この際、たとえポ
ンピングセルの動作によりVsとVoの値が同じになっても
一定な積分値が出力される。
入力端子に印加される比較器52の出力電圧を所定の時定
数にて積分して加算器54に出力する。この際、たとえポ
ンピングセルの動作によりVsとVoの値が同じになっても
一定な積分値が出力される。
【００３１】加算器54の演算増幅器(OP13)では反転(-)
入力端子に印加される積分器53の出力電圧に所定の電圧
Vpoを加えた後、抵抗Rdを通じてポンピングセルに印加
する。加算器54の出力電圧VpはVsとVoとの差を減らす方
向にポンピングセルに印加される。ここで、加算される
所定の電圧Vpoはポンピングセルの電流-電圧特性に応じ
て決められるが、普通0.2V-0.4Vの値を有する。
入力端子に印加される積分器53の出力電圧に所定の電圧
Vpoを加えた後、抵抗Rdを通じてポンピングセルに印加
する。加算器54の出力電圧VpはVsとVoとの差を減らす方
向にポンピングセルに印加される。ここで、加算される
所定の電圧Vpoはポンピングセルの電流-電圧特性に応じ
て決められるが、普通0.2V-0.4Vの値を有する。
【００３２】図４の電流-電圧特性グラフを見ると、燃
料希薄領域から燃料過多領域へと空燃比が変わる時、電
流の方向は変わるが、印加電圧Vpの方向は変わらない。
その反面、比較器52はλ=1に基づきVsとVoを比較するの
で、その出力電圧は空燃比が燃料希薄領域から燃料過多
領域へと変わりながら方向が変る。従って、比較器52の
出力に所定の電圧Vpoを加算しないと、印加電圧Vpの極
性が(+)から(-)へと変わりながら制限電流領域から外れ
るようになる。即ち、燃料希薄領域から燃料過多領域に
かけて空燃比に応じてポンピングセルに印加される電圧
Vpを制限電流領域内に位置させるには加算器54の役割が
不可欠である。図４で点線Vpoutは空燃比に応じる印加
電圧Vpの変化を示したものである。
料希薄領域から燃料過多領域へと空燃比が変わる時、電
流の方向は変わるが、印加電圧Vpの方向は変わらない。
その反面、比較器52はλ=1に基づきVsとVoを比較するの
で、その出力電圧は空燃比が燃料希薄領域から燃料過多
領域へと変わりながら方向が変る。従って、比較器52の
出力に所定の電圧Vpoを加算しないと、印加電圧Vpの極
性が(+)から(-)へと変わりながら制限電流領域から外れ
るようになる。即ち、燃料希薄領域から燃料過多領域に
かけて空燃比に応じてポンピングセルに印加される電圧
Vpを制限電流領域内に位置させるには加算器54の役割が
不可欠である。図４で点線Vpoutは空燃比に応じる印加
電圧Vpの変化を示したものである。
【００３３】空燃比検出器55はポンピングセルに流れる
電流Ipを検出するためのものであり、このIp値により空
燃比が検出される。
電流Ipを検出するためのものであり、このIp値により空
燃比が検出される。
【００３４】次に、図６に示した本発明による空燃比感
知センサは、図２に示されたセンサが空気側電極をポン
ピングセルとセンシングセルとを形成する際に共用で用
いるに対して、排気ガス側電極を共通で用いる。基本動
作は図２に示された空燃比感知センサと同一であるが、
排気ガス側電極を共用するので、ポンピングセルの動作
時発生する酸素分圧の変化をセンシングセルが即時に感
知できて、別途の拡散室が要らなくなる。従って、図６
に示されたように、拡散制御用の多孔質膜35を第３電極
33上に塗布して拡散制御障壁として用いる。一方、多孔
質膜35上に拡散遮断膜(図示せず)を覆うことにより、垂
直方向の拡散を禁じ、拡散遮断膜と平行した方向の拡散
を導くことができる。多孔質膜35上に拡散遮断膜を覆っ
た拡散制御障壁は弱い多孔質膜35を拡散制御膜にて保護
するので、安定性が向上される。
知センサは、図２に示されたセンサが空気側電極をポン
ピングセルとセンシングセルとを形成する際に共用で用
いるに対して、排気ガス側電極を共通で用いる。基本動
作は図２に示された空燃比感知センサと同一であるが、
排気ガス側電極を共用するので、ポンピングセルの動作
時発生する酸素分圧の変化をセンシングセルが即時に感
知できて、別途の拡散室が要らなくなる。従って、図６
に示されたように、拡散制御用の多孔質膜35を第３電極
33上に塗布して拡散制御障壁として用いる。一方、多孔
質膜35上に拡散遮断膜(図示せず)を覆うことにより、垂
直方向の拡散を禁じ、拡散遮断膜と平行した方向の拡散
を導くことができる。多孔質膜35上に拡散遮断膜を覆っ
た拡散制御障壁は弱い多孔質膜35を拡散制御膜にて保護
するので、安定性が向上される。
【００３５】一方、図７に示された回路は図５に示され
た空燃比感知センサを駆動するためのものであり、比較
器72の演算増幅器(OP21)では非反転(+)入力端子に印加
される空燃比感知センサ71のセンシングセルの測定電圧
Vsと反転(-)入力端子に印加される基準電圧(Vo=450mV)
とを比較してその差に比例する電圧を出力する。
た空燃比感知センサを駆動するためのものであり、比較
器72の演算増幅器(OP21)では非反転(+)入力端子に印加
される空燃比感知センサ71のセンシングセルの測定電圧
Vsと反転(-)入力端子に印加される基準電圧(Vo=450mV)
とを比較してその差に比例する電圧を出力する。
【００３６】積分器73の演算増幅器(OP22)では反転(-)
入力端子に印加される比較器72の出力電圧を所定の時定
数にて積分して加算器74に出力する。
入力端子に印加される比較器72の出力電圧を所定の時定
数にて積分して加算器74に出力する。
【００３７】加算器74の演算増幅器(OP23)では非反転
(+)入力端子に印加される積分器73の出力電圧に所定の
電圧Vpoを加えた後、抵抗Rdを通してポンピングセルに
印加する。
(+)入力端子に印加される積分器73の出力電圧に所定の
電圧Vpoを加えた後、抵抗Rdを通してポンピングセルに
印加する。
【００３８】
【発明の効果】本発明による平板型空燃比感知センサで
は、電極が直接に強還元性排気ガスに露出されることを
防止して電極の損傷を抑制することができる。かつ、排
気ガス側の電極をポンピングセルとセンシングセルとが
共有するようにして、ポンピングセルの動作に応じる酸
素分圧変化が即時にセンシングセルに感知させることに
より、センサの応答特性が改善され、拡散室の要らない
拡散制御障壁を適用できるようになるので、センサの制
作工程を省くことができる。
は、電極が直接に強還元性排気ガスに露出されることを
防止して電極の損傷を抑制することができる。かつ、排
気ガス側の電極をポンピングセルとセンシングセルとが
共有するようにして、ポンピングセルの動作に応じる酸
素分圧変化が即時にセンシングセルに感知させることに
より、センサの応答特性が改善され、拡散室の要らない
拡散制御障壁を適用できるようになるので、センサの制
作工程を省くことができる。
【００３９】本発明による平板型空燃比感知センサ駆動
回路では、加算器を通して所定の電圧(Vpo)を比較器の
出力電圧に加えることにより、ポンピングセルの内部起
電力により電流制限領域が、Vpが０より大きい値に移動
することを適切に補い得る。従って、燃料希薄領域と燃
料過多領域にかけて制限電流値を得られる印加電圧(Vp)
を出力し得るので、より広い領域にかけて空燃比値を正
確に感知することができる。
回路では、加算器を通して所定の電圧(Vpo)を比較器の
出力電圧に加えることにより、ポンピングセルの内部起
電力により電流制限領域が、Vpが０より大きい値に移動
することを適切に補い得る。従って、燃料希薄領域と燃
料過多領域にかけて制限電流値を得られる印加電圧(Vp)
を出力し得るので、より広い領域にかけて空燃比値を正
確に感知することができる。
【図１】ポンピングセルとセンシングセルとを分離して
積層した従来の空燃比感知センサの構造図である。
積層した従来の空燃比感知センサの構造図である。
【図２】Nissanで提案した従来の空燃比感知センサの構
造図である。
造図である。
【図３】図１に示された空燃比感知センサにおいてポン
ピングセルの空燃比に応じる電流-電圧特性グラフであ
る。
ピングセルの空燃比に応じる電流-電圧特性グラフであ
る。
【図４】図２に示された空燃比感知センサにいてポンピ
ングセルの空燃比に応じる電流-電圧特性グラフであ
る。
ングセルの空燃比に応じる電流-電圧特性グラフであ
る。
【図５】図２に示された空燃比感知センサを駆動するた
めの本発明による駆動回路図である。
めの本発明による駆動回路図である。
【図６】本発明による排気ガス側の電極をポンピングセ
ルとセンシングセルとを形成するに共通で用いる平板型
空燃比感知センサの構造図である。
ルとセンシングセルとを形成するに共通で用いる平板型
空燃比感知センサの構造図である。
【図７】図６に示された空燃比感知センサを駆動するた
めの本発明による駆動回路図である。
めの本発明による駆動回路図である。
３１ 固体電解質 ３２ａ 第１電極 ３２ｂ 第２電極 ３３ 第３電極 ３５ 拡散制御障壁 ５１・７１ 空燃比検出器 ５２・７２ 比較器 ５４・７４ 加算器
Claims (5)
- 【請求項１】 酸素イオン電導度を有し、第１面は大気
中の空気と接し、前記第１面と反対側の第２面は燃焼排
気ガスと接する固体電解質と、 前記固体電解質の第１面には第１及び第２電極が付着さ
れ、前記第２面には第３電極が付着され、前記第１電極
と第３電極は電極間の酸素濃度比に応じて起電力を発生
させるセンシングセルとして用いられ、前記第２電極と
第３電極は電極間に電圧を印加して前記固体電解質を通
じて所望する方向に酸素を移動させるポンピングセルと
して用いられる三つの電極と、 前記排気ガスが前記第３電極に流入されることを制限す
る拡散制御障壁とを具備することを特徴とする平板型空
燃比感知センサ。 - 【請求項２】 前記拡散制御障壁は内部に前記第３電極
が位置し、気体の拡散を制限する多孔質膜からなること
を特徴とする請求項１に記載の平板型空燃比感知セン
サ。 - 【請求項３】 前記拡散制御障壁は内部に前記第３電極
が位置し気体の拡散を制限する多孔質膜と、前記多孔質
膜上に位置し気体の拡散を遮る拡散遮断膜とからなるこ
とを特徴とする請求項２に記載の平板型空燃比感知セン
サ。 - 【請求項４】 排気ガス側の電極をポンピングセルとセ
ンシングセルとが共有する構造又は空気側の電極をポン
ピングセルとセンシングセルとが共有する構造からなる
平板型空燃比感知センサを駆動するために、 前記センシングセルの測定電圧と制限電流範囲内で前記
センシングセルが感知する所定の基準電圧とを比較し
て、その差に比例する電圧を出力するための比較器と、 前記比較器の出力電圧に前記ポンピングセルの自体起電
力補償用電圧を加算するための加算器と、 前記加算器から出力される前記ポンピングセルの印加電
圧から前記ポンピングセルへと流れる電流を感知して空
燃比を検出するための空燃比検出器とを具備することを
特徴とする平板型空燃比感知センサ駆動回路。 - 【請求項５】 前記比較器はセンシングセルの測定電圧
と所定の基準電圧とを比較して、その差に比例する電圧
を出力する電圧比較器と、 前記電圧比較器の出力を積分して前記電圧比較器の出力
が０になっても一定な直流電圧を出力する積分器とから
構成されることを特徴とする請求項４に記載の平板型空
燃比感知センサ駆動回路。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR199539058 | 1995-10-31 | ||
| KR1019950039058A KR100331440B1 (ko) | 1995-10-31 | 1995-10-31 | 평판형공연비감지센서및그구동회로 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09203720A true JPH09203720A (ja) | 1997-08-05 |
| JP3814031B2 JP3814031B2 (ja) | 2006-08-23 |
Family
ID=19432552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29057996A Expired - Lifetime JP3814031B2 (ja) | 1995-10-31 | 1996-10-31 | 平板型空燃比感知センサ及びその駆動回路 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5720863A (ja) |
| JP (1) | JP3814031B2 (ja) |
| KR (1) | KR100331440B1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3664558B2 (ja) * | 1996-12-20 | 2005-06-29 | 日本碍子株式会社 | ガスセンサ |
| US9377435B2 (en) * | 2011-10-11 | 2016-06-28 | Honeywell International Inc. | Auxiliary gas diffusion electrodes for diagnostics of electrochemical gas sensors |
| US9689833B2 (en) | 2011-10-11 | 2017-06-27 | Life Safety Distribution Ag | Auxiliary micro-electrodes for diagnostics of electrochemical gas sensors |
| EP2952722B1 (en) * | 2013-01-29 | 2018-03-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Control device for internal combustion engine |
| RU2617423C2 (ru) * | 2013-01-29 | 2017-04-25 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Система управления двигателем внутреннего сгорания |
| US10746118B1 (en) * | 2019-07-02 | 2020-08-18 | Delphi Technologies Ip Limited | Compensator circuitry and method for an oxygen sensor |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57192850A (en) * | 1981-05-25 | 1982-11-27 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Detecting device for limit current system oxygen concentration performing internal resistance compensation |
| JPS60173461A (ja) * | 1984-02-20 | 1985-09-06 | Nissan Motor Co Ltd | 酸素センサ |
| US4658790A (en) * | 1984-05-01 | 1987-04-21 | Nissan Motor Co., Ltd. | Air/fuel ratio detecting device and control system using same |
| JPS6147553A (ja) * | 1984-08-13 | 1986-03-08 | Hitachi Ltd | 空燃比センサ |
| JPS61155751A (ja) * | 1984-12-28 | 1986-07-15 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 空燃比センサおよび装置 |
| JPS61180427A (ja) * | 1985-02-06 | 1986-08-13 | Canon Inc | 集積回路基板 |
| JPH0635955B2 (ja) * | 1986-07-30 | 1994-05-11 | 三菱自動車工業株式会社 | 空燃比検出装置 |
-
1995
- 1995-10-31 KR KR1019950039058A patent/KR100331440B1/ko not_active Expired - Lifetime
-
1996
- 1996-10-29 US US08/739,422 patent/US5720863A/en not_active Expired - Lifetime
- 1996-10-31 JP JP29057996A patent/JP3814031B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR970022307A (ko) | 1997-05-28 |
| JP3814031B2 (ja) | 2006-08-23 |
| KR100331440B1 (ko) | 2002-11-27 |
| US5720863A (en) | 1998-02-24 |
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