JPS5967455A

JPS5967455A - 空燃比センサ

Info

Publication number: JPS5967455A
Application number: JP57177368A
Authority: JP
Inventors: Minoru Osuga; 稔大須賀; Mamoru Fujieda; 藤枝　護; Tadashi Kirisawa; 桐沢　規; Takashige Ooyama; 宜茂大山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-10-08
Filing date: 1982-10-08
Publication date: 1984-04-17
Also published as: JPH0447784B2

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】〔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、公知となっている。

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、リッチ領域の空燃比の測定が不
可能であυ、自動車エンジンの空燃比制御用としては不
満足なものであった。壕だ、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だめ
のヒータの容量を小さくできないという欠点があった。

〔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〕

本発明の特徴は、固体電解質と、この固体電解質の排気
側の両側にそれぞれ設けた第１．第２電極と、」二記固
体電解質の排気側と大気側とにそれぞれ設けた第３．第
４電極と、」二記第１．第２電極のうちの排気側の電極
側に設けた排気に開口するオリフィスを有する拡散室と
より構成してあり、上記第１．第２電極よりなる部分を
リッチ・リーン検出センサとして動作させ、上記第３．
第４電極よりなる部分を０２センサとして動作させるよ
うにし、上記第１．第２電極間に流す電流の方向をリッ
チ領域とり一ン領域とで反転させる反転手段と、上記第
１．第２電極間に流す電流の電流値を所定電流値に制御
する電流制御手段と、」二記リッチ・リーン検出センサ
からの出力起電力と上記０□センザからの出力起電力と
をそれぞれ入力して処理し、測定すべき排気の空燃比に
応じた出力を送出する処理手段とを具備させた点にある
。

〔発明の実施例〕

以下本発明を第１図、第２図、第１０図〜第１３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２３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はスロットルチャンバ、２は熱線式吸
入空気量検出器、３は噴射弁、４はスロットルアクチュ
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はマイクロコンピュータ、１１は空燃比セ
ンサ７の制御回路、１２はヒータ制御回路、１３は燃焼
室で、本システムにおいては、空燃比をリッチ領域（λ
く１）からり一ン領域（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である。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
ンピュータ１０で決定されると、それが噴射弁３、スロ
ットアクチュエータ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。

スロットルチャンバ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によって実空燃比を検出し、
その信号をマイクロコンピュータ１０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を設けである。

第２図は第１図のマイクロコンピュータ１０の詳細構成
図である。アナログの人力信号としては、熱線式吸入空
気量検出器２７Ａ）らの空気量信号ＡＦ。

水温センサ６からの水温信号Ｔ’Ｊスロットルアクチュ
エータ４からのスロットル開度信号θなどがちｐｌこれ
らの信号はマルチクプレツサ３０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
、ここでディ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
ツトのディ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、
ディジタル演算処理を行うプロセシングセントラルユニ
ットであり、ＲＯＭ３２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。Ｉ１０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に送ったり、ＣＰＵ３３からの信号を噴射弁
３の駆動回路３６、スロノ１込アクチュエータ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
送ったり、制御回路１１へ制御信号１１ａを送る機能を
持っている。

ここで、空燃比センサ７はリッチ・リーノの両頭域にお
いて空燃比を検出できるようにしであるが、寸ず、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ＩＪ　−ン領域における検出
原理、第３図（１））はリッチ領域における検出原理を
示しである。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３３ａ、３８ｂが設けてあり、さら
に、ガスの拡散抵抗となるオリフィス３９を介して拡散
室４０を設けである。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、図示の方向に電流工を
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を通シ、拡散室４０からくみ出
される。また、リッ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３
８ｂを陽極として上記とは逆の方向に電流工を流すよう
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、オリフィス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。

このようにして、第３図（ａ）、　（ｂ）ともに拡散室
４０内の酸素分圧が極めて少ない状態（１ｏ−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図はり一ン領域での検出原理説明線図である。

ガスの拡散によジオリフイス３９を介して拡散室４０内
に入る酸素の量Ｇ＋ｘは、排気中の酸素の濃度Ｎ　ｔ　
ｅに比例する。すなわち、Ｇ　ＩＫ　＝に’　Ｎ　ｌｅ
　　　　　　　　　・＋・（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）に示しであるように電流
■を流すと、電流１〔第４図（ａ）の１１　。

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、■、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ｐ
　（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ンλ１の領域では、拡散室４０に拡散によって
人っ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って起電力が出
なくなる。つまり、電流■１により、λ＝λ、のときに
起電力の変化が生じる。また、電流１゜では、λ＝λ２
のときに起電力の変化が生じる。

第５図はリッチ領域での検出原理説明図である。

リッチ領域では、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。このどきは、第３図（１
））に示しであるように、拡散室４０内に固体電解質３
７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４
０内に入る一酸化炭素量の方が少１　＜　、（１）式で
示しだ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内の酸素分圧がリッチ領域の排
気中の酸素分圧より高くなシ、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くλｌ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って、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
Ｉ２に変えると、λ２を検出することになる。

以上のように、固体電解質３７に流す電流の方向を変え
ることにより、リーン領域からリッチ領域の広い範囲で
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図はり一ン領域における場合で、Ｉ＝２ｍＡの場
合は、３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、Ｉ　＝　４　ｍ　Ａの場
合は、５曲線のように、Ａ／Ｆ＝１６で起電力が変化す
る。まだ、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。これに対する対応策
については後述する。

第７図はリッチ領域における場合で’ｖ　ｃ＋ｄ曲線の
ように、Ｉ＝２ｍＡの場合はＡ／Ｆ＝１４．３で、Ｉ＝
４ｍＡの場合はＡ／Ｆ’＝１３．６で起動力が変化して
いる。まだ、このときもλ−１，０付近でも起電力が変
化してお晩、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図はり一ン領域にお
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Ｉｏ２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
係の場合を示す。第８図（ｂ）は■二０．５　Ｖ一定に
保っ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Ｉｏ　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　Ｖ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１
を増加し、その増加分た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１ｏ２が増加することになる。

第９図はリッ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
（チ）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係の場合を示し、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である。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＜Ｌ、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（１））に示すように
、−酸化炭素濃度が増加すると限界電流Ｉｃｏ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
リフィス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１は正、通雨方向に切り換
えるようにする。また、第６図、第７図に示すように、
λ＝ｊ、Ｏ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４１．３と排気側の電極４１１〕
を図示のように設ける（回避法については後述する。）
。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」二に印刷する。５８．５９はそ
れぞれ電極３８ａ、３８１）の部分よりなるリッチ・リ
ーン検出センサ、電極４１　ａ、４１ｂの部分よりなる
０２センザを示す。

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は固体型角イ質で
、固体電解質３７には、第１０図に示すように各電極３
８　ａ、３８ｂ、４１　ａ、４１ｂおよびヒータ４２が
付加してあり、センサ部４３を形成している。センサ部
４３はセラミック製のホルダー４４の中心部に挿入しで
ある。４５はキャップで、キャンプ４５にはホルダー４
４の中心の大気室４６に大気を導く通気孔４５ａが設け
である。４７はストッパで、センナ部４３に設ケタ穴５
３（第１２図参照）に差し込んであり、センサ部４３を
固定するだめのものである。ストッパ４ニアはセラミッ
ク製で、セラミック製のホルダー４８内に組み込んであ
る。センサ部４３の先端部（拡散室４０を設けである側
）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、１通気孔５０より排気を排気室
５１に導入するようにしである。なお、カッ・−４９は
、ヒータ４２（第１２図参照）のふく射による放熱を防
止するためセラミック製としである。そして全体は排気
管に取り付けるだめの外部カバー５２で覆ってあり、カ
ッ・−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（ｌ〕）に示すように、リッチ・リーン領域の
空燃比検出のだめの電極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
、リッチ・リーン領域の空燃比検出のだめの電極３８１
〕とλ二１，０における起電力を検出するだめの大気側
電極４１ａと排気側電極４１ｂとが印刷しである。さら
に、センサ部４３を固定するだめの第１１図のストッパ
４７を差し込む穴５３が設けである。なお、ヒータ４２
が印刷しである部分は、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ックコーティング
５４を施しである。

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
けである。１２はヒータ４２の制御回路、５５は電極３
８ａ、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ッチ領域において
はＶＲを、リーン領域においてはＶＬを出力する制御回
路、５６はλ−１，０のときに電極４１ａ。

４１ｂ間に発生する起電力信号５６ａ（Ｏｚ）とそれを
反転させた信号５６ｂ（０２）を出力する反転回路、５
７は（ＶＬ　＋０２　）、（ＶＲ＋Ｏ□）の演算を行い
、それぞれそれに応じた信号５７ａ。

５７１）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。

次に、第１．４図、第１５図を用いて信号処理の概念に
ついて説明する。第１４図はり一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Ｉ（ｌｌａ）
を制御回路１１に入力した場合のリッチ・リーン検出セ
ンサ５８からの出力信号ＶＬ（１１，１））の波形であ
る。この信号Ｖ　ｒ、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。（１））は反転回路５６より
出力されるλ二１．０で変化している信号５６ａの波形
である。

（Ｃ）は（ａ）の信号Ｖ　１．と（ｂ）の信号５６ａ（
０□）とを加算回路５７で加算した信号５７　ａ　（Ｖ
Ｌ　＋０２　）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　ｒ、は電極３８
　ａ、３８ｂの部分よりなるリッチ・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０２センザ５９より出力される。

第１５図はリッチ領域での信号処理説明線図である。（
ａ）は信号ＶＲの波形で、この場合は、リレー回路５５
により電流Ｉの流れる方向を逆転させて信号ＶＲを得て
いる。（Ｉ））ばｏ２センザ５９からの信号５６ａを反
転回路５６によっ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５７１）
の波形が（ｃ）に示しである。この場合も、上記と同様
２位置問題が解決されている。

第１６図は第１３図のリレー回路５５と制御回路１１の
具体的回路構成図である。制御回路１１はリッチ・リー
ン検出センサ５８に一定の設定電流Ｉｏを供給する回路
１１Ａと、センサ５８がらの信号（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　ａを出力する回路１１Ｂとから構成しである
。回路１７Ａは、ＤＡコンバータより出力されるコンピ
ュータ１゜（第１図参照）からの電流１の設定信号のア
ナログ値１１ａを入力し、これと抵抗器６ｏで発生ずる
電流丁○に比例した電圧どを比較器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である。

回路１１Ｂは、リッチ・リーン検出センサ５８からの出
力信号である起電力を−ｉツバレータ６４ｆＯ，１の信
号１１１）（ＶＬ。

ＶＲ）に変換する。リレー回路５５は、コンピュータ１
０よりの制御信号５５ａによりリッチ制御。

リーン制御に応じてセンサ５８に流す電流の方向を正ま
だは逆に切り換える。

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，Ｑにおける起電力を検出すル０２
　センサ５９ようの信号をコンパＶ　−タロ５に入力し
てスライスレベル■８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、ｌ・ランジスタロ６より０
２信号５６１）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ＶＲと０信号５６１）とを加
算して信号５７１〕を、壕だ、信号ＶＬと０２信号５６
ａとを加算して信号５７１）を出力するもので、第１８
図に示す回路２組より構成しである。

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ュータ１０内に格納され
ており、これをもとに設定電流信号１１ａを回路１１Ａ
に出力する。

第２０同はλ制御処理のフローチャー１・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Ｏｒ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１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　＋
０２　　）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のリッチ領域であれば、これと逆で、（Ｖ
　１１＋０２　）信号５７１〕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図に併記しである噴射
弁３が動作してからリッチ・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１
３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に到達する寸での時間を意味する。第２１
図（２］）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ｔｌが減少する。

第１２図（１））は負荷とｔｌ　との関係を示しだ線図
で、負荷が増加するにしたがって１１が減少する。つま
り、ｔｌ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
響ど補正法について説明する。もし、λをコンピュータ
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）　Ｉ　１の変
化を同時に行ったとすると、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１ａ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
から工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）に示しであるように、設定電流（２
）　Ｉ　２のような排気遅れによるむだ時間ｔ８だけ遅
れて工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ｔｂだけ遅れて１２
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
によって変わるから、第２１図に応じて補正を加える。

また、むだ時間ｔ１　をセッサ出力とクロックカウンタ
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゛をはかることかできる。

まだ、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）はリッチ・リーン検出セッサ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　−ｒηはそれぞれセンサ温度Ｔｌ、Ｔ２．Ｔ３
（ただしＴｌ＞Ｔ２＞’丁、）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１１が流れるようになる。制御信号は、温度
Ｔ３の場合にはＶＰ（Ｔ３）をピーク値としてΔＶＴ３
の間で変化する。この様子を第２３図（ｌ〕）に示しで
ある。第２３図（１））かられかるように、センサ温度
Ｔ＋　１　’］、’２１　’１．”３により制御信号の
ピーク値ＶＰ（Ｔｌ　）、　ＶＰ（Ｔ２）、　ＶＰ（Ｔ
３　）が変化する。つまり＼このＶｐを読んでいれば適
切な温度かどうかがわかる。例えは、Ｔ２が最適温度だ
とすると、Ｔ１は高すぎてＶｐが下がり、Ｔ３は低すぎ
てＶｐが上ってしまう。このＶｐは電流Ｔによっても変
化するので、ＶＰは設定電流１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
ヘルは、（ｖｐ　＋Ｖｎ　）／２　ＣへｌＢは第２３図
（１））参傅）により決定するようにずれは、Ｖｐ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Ｖｐと最適Ｖｐと
をコンパレータ６７で比較し、その偏差量に応じたオン
−オフのデユーティ信号をトランジスタ６８に供給し、
このｌ・ランジスタロ８の出力Ｉ　Ｈによシヒータ電源
回路をオン、オフさせるリレースイッチ６９を制御する
構成としである。

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。

０曲線はそれぞれ水温がＴｌ、Ｔ２の場合の関係を示す
。始動直後は混合気濃度をこぐして、時間が経過するに
つれて、つ捷り、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ば、リッチ領域でも作動
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２５図（ｂ）に示す水温とＡ／Ｆとの関係をコンピュ
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
きの制御ブロック図である。水温センサ６の信号をコン
ピュータ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に出力させる
。空燃比セッサ７は、実空燃比を検出して、この出力と
コンピュータ１０からのＡ／Ｆを示す出力とを比較して
閉ループ十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。

まだ、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２
６図ば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、火炎伝搬遅れが太きいため、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４１ａも包含した拡散室Ａが設
けである。拡散室Ａ、Ｂの酸素分圧Ｐ　Ａ　＋　Ｐ　Ｂ
は、　−Ｐ　Ａ　−Ｐ　Ｍ＋β■９−βＩＢ　　　　　
　・・・（３）ＰＲ＝ＰＡ−βＩＢ　　　　　　　　　
　・・・（４）ここに、β　；定数 ■Ａ；電極４１ａ、４Ｌｂ間を流れる電流１Ｂ　；電極３８ａ、３８ｂ間を流れる電流ＰＭ；排気中の酸素分圧となる。（３）、　（４）式からＰ　Ｂ　＝　Ｐ　Ｍ＋βＩＡ−２βＴ−Ｂ　　　　　　
・・・（５）が成立する。したがって、ＰＢ−０となる
ＩＢは、となり、ＰＭご０１すなわら、空気過剰率λ−
１でも、１人〉０の場合は、第２８図に示すように、Ｉ
Ｂ二〇とならない。λ〈１のリンチ領域では、Ｃ０２二
ＣＯ＋１／２０２　　　　　　・・・（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
酸素は一酸化炭酸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って拡散室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０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、Ｉ　Ｔｌを一定と
してＰＲが零になるように１３を制御するようにしても
よい。この場合は、（５）式から、が得られ、ＰＭが増
大するとＩＡ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
示しである。第２９図においては、第１０図の拡散室４
０を電極３８ａと４１ａを含む拡散室４０　ａ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である。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ＩＱ−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。−酸化炭素の存在下の平衡酸素濃度は
、−酸化炭素によって左右されるので、−酸化炭素を零
近くになるまで酸素を供給すればよい。オリフィス３９
を通って拡散室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■、は、ここに、Ｐｃｏ　；−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１０は
、Ｔｏ−βＰＯ３・・・叫ここに、Ｐｏ　　；酸素の分圧となる。−酸化炭素を酸化するだめの酸素量は、第３１
図に示すように、−酸化炭素量の１／２であるので、■
１ば１０の１／２である。した７５二つて、第３２図に
示すように、Ｉ　ｉ　＋　Ｔ、　Ｏは空燃比（Ａ／Ｉｉ
”）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４Ｏａ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って、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１０−１
２気圧になっているかどうかの判断は、第２センサ８１
によって行う。

つまり、第２センサ８１は、レファ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１ｏ−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
うにしである。第３４図は第３セ／す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４
Ｏａ内が常にｔｏ−１２気圧になるように電流１を制御
し、酸素を拡散室４０ａ内に送ったり、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、フローチャー
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、リッチ・リーン検出センサ５８と０２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である。すなわち、リッチ・リー
ン検出センサ５８の出力のリレー回路５５、制御回路１
１を経て得られた信号１１ｔ）（ＶＬ、ＶＲ）と０□セ
ンサ５９の出力の処理回路９０を経て得られた信号９０
ａ■を用いるようにしである。

なお、第３６図にＥ、ＶＬ　、ＶＲのλに応じた変化状
態を併記しである。

第３７図はり−ン領域の場合の処理のフローチャートで
ある。ステップ１０６の１の計算までは第２０図と同様
である。制御しだい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＞Ｅｏ’（ステップ１１
６）、つまりリッチ領域の場合は、補正量ＷをＷ−ΔＷ
と減らして（ステップ１１８）、Ｕに加える（ステップ
１１４）。

寸だ、ＩＥ（Ｅ、、つまりリーン領域の場合は、Ｖ　Ｌ
　、ｌ！：’Ｖ　ｏ比較１７て（ステップ１２０）、Ｖ
＋、）Ｖｏのときは、ＷをＷ−ΔＷと減らして（ステッ
プ１２２）、Ｕに加える（ステップ１２Ｇ）。また、Ｖ
［、＜ＶＯの場合は、ＷをＷ＋ΔＷとふやして（ステッ
プ１２４）、ｕに加える（ステップ１２６）。また、ス
テップ１０８で、制御したいλがλ〈１の場合は、リッ
チ制御に移行する。

第３８図はリッチ領域の場合の処理のフローチャートで
ある。ステップ１０６の１の計算までは上記と同様であ
り、λ〈１で、Ｅ＜Ｅ。（ステップ２０８，２１６）、
つまり、リーン領域の場合は、ＷをＷ＋ΔＷに増量して
（ステップ２１８）、Ｕに加える（ステップ２１４）。

Ｅ＞Ｅｏ、つまり、リッチ領域の場合は、ＶＲとＶｏと
を比較する（ステップ２２ｏ）、ここで、Ｖ　Ｒ（Ｖ　
ｏＯ場合は、ＷをＷ−ΔＷと減らして（ステップ２２２
）、Ｕに加える（ステップ２２６）。また、、ＶＲ＞Ｖ
ｏの場合は、ＷをＷ＋ΔＷとふやして（ステップ２２４
）、ｕに加えて出力する（ステップ２２６）。

以」二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のり一ン領域でも、λ〈１のリッチ領域でも空燃
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減
を達成させることができ、１だ、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因、第２図は
第１図のマイクロコンピュータの詳細構成図、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ッ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
領域とリッ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
丞す構成図、第１４図、第１５図はそれぞれリーン領域
とリッ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２反転回路、加算回路の一実施例を示す回路図、第１
９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ャート、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９説明線図、第２３図はリッチ・
ＩＪ−ン検出セ／ザ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
を示す線区、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ＩＢとの関係線図
、第２９図、第３３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Ｃ
ｏ、０２％との関係線図、第３２図は第２９図における
Ａ／Ｆと１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１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
、フローチャー１−１第３８図はリッチ領域の場合の第
３７図に相当するフローチャートである。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
ンピュータ、３７　・・・固体電解質、３８　ａ　、　
３８　ｂ　。４１ａ、４１ｂ、４２・・・電極、３９・・・オリノィ
ス、４０．４０計・・拡散室、４２・・・ヒータ、４３
・・・センサ部、４４・・・ホルダー、４５・・・キャ
ップ、４６・・・大気室、４７・・・ストッパ、４８・
・・ポルター、４９・・・カバー、５０・・・通気孔、
５１・・・排気室、５２・・・カバー、５３・・・穴、
５４・・・セラミックコーティング、５５・・・リレー
回路、５６・・・反転回路、５７・・加算回路、５８．
８０・・・リッチ・リーフ検出センザ、５９，８１．８
２・・・０２センザ、９０・・・処理回路。３３６化２図第３　図（久）Ｃ久９ θつ基８目 θｚ　　　（’／−）第　７　目供給電圧　Ｔ　＜Ｖ）ＣＯ（ｙ−ジ半１０図不用図７芋　／Ｚ　日（ｄ−、）第７４　　固）ｉｃ）＜　　　１．０　　　　／ｅａ−ｎ第　ｔｓ　
口Ｐ−Ｋ　Ｉｔ　　　７，０　　　／ｅＬｘ察２０（￥１第　２４図礪擾患？第２５図（ａ、）乙　　（砕肉）第　２６図Ａ／Ｆ第２７図第２８図入半２’ｌ　図阻紗三、Ｏ−＋２訴＄３１図ご１１＄３３０笠３４図　　　　　　済３５圀第３６図Ｉ第３ｑ口第３ｚ図

Claims

【特許請求の範囲】１、固体電解質と、該固体電解質の排気側の両面にそれ
ぞれ設けた第１．第２電極と、前記固体電解質の排気側
と大気側とにそれぞれ設けた第３゜第４電極と、前記第
１．第２電極のうちの一方の電極側に設けた排気に開口
するオリフィスを有する拡散室とより構成してなり、前
記第１．第２電極よりなる部分をリッチ・リーン検出セ
ンサとして動作させ、前記第３．第４電極よりなる部分
を０２センサとして動作させるようになし、前記第１、
第２電極間に流す電流の方向をリッチ領域とり一ン領域
とで反転させる反転手段と、前記第１゜第２電極間に流
す電流の電流値を所定電流値に制御する電流制御手段と
、前記リッチ・リーン検出センサからの出力起電力と前
記０２センサからの出力起電力とをそれぞれ入力して処
理し、測定すべき排気の空燃比に応じた出力を送出する
処理手段とを具備する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カ；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
零と々るように通電電流をオン・メーフ制御されている
特許請求の範囲第１項記載の空燃比センサ。３、前記反転手段は、リッチ領域制御、リーン領域制御
に応じて電流の方向を正または逆にす〕り換えるように
構成しで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゜前記電流制御手段は、前記第１．第２電極間に流す
電流の電流値がコンピュ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
する構成としである特許請求の範囲第１項または第２項
または第３項記載の空燃比センサ。５、前記処理手段は、前記リッチ・リーン検出センサか
らの出力起電力を０．１の信号に変換する変換手段と、
前記０□センサ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、す“−ン領域にお
いてはその信号をそのまま出力し、リッチ領域において
は前記信号を反転して出力する反転回路と、前記変換手
段の出力と前記反転回路の出力とを加算する加算回路と
より構成しで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。