JPS6227258B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、機関に供給する混合気の空燃比を制
御する装置に関する。

機関に供給する混合気の空燃比を精度よく目標
値である理論空燃比に制御するために、排気系に
酸素センサを設けて、空燃比と密接な相関関係を
をもつ排気中の酸素濃度に応じて燃料供給量をフ
イードバツク制御する装置が知られている。

この空燃比制御に用いられる酸素センサは、例
えば第１図に示すように構成されている（特開昭
54−164191号公報参照）。

これは酸素濃度に応じて起電力を発生する一種
の酸素電池の原理を応用したものであつて、アル
ミナ基板１には酸素イオン伝導性の固体電解質５
が膜状に固着され、この固体電解質５の両面に内
側電極３と外側電極４が積層される。

そして、これらを外側から包み込むようにし
て、排気ガスを通過させる保護多孔体６が設けら
れる。

なお、アルミナ基板１の内部には、固体電解質
５の活性化のため、これを加熱するニクロム線な
どのヒーター２が埋め込まれる一方、前記電極４
は端子Ｓ、同じく電極３は端子Ｅ、またヒーター
２は端子ＨとＥ間にそれぞれ結線させる。

このような酸素センサを、排気管の内部に配置
すると、排気ガスは保護多孔体６を通過して固体
電解質５の表面に到達する。固体電解質５はその
両面の酸素濃度差にもとづいて起電力を発生する
もので、この起電力は電極３と４間の電位差とし
て取り出すことができる。

第２図にも示すが、理論空燃比よりも稀薄な混
合気の燃焼にもとづき排気中に余剰酸素が含まれ
ていたとすると、この酸素はまず固体電解質５の
表面（外側電極４）に到達し、次いで固体電解質
５を酸素イオンとして内側へと伝導し、ある時間
遅れをもつて裏面（内側電極３）へと到達する。

したがつて、固体電解質５の両面に酸素濃度差
を生じている間、その内部を酸素イオンが移動
し、電極３と４との間に起電力による電位差が発
生する。

この起電力は固体電解質５の両面の酸素濃度差
がなくなり、酸素イオンの移動が行なわれなくな
ると消滅する。

このような稀薄混合気の状態から濃混合気の状
態へと変わり、排気中に余剰酸素が含まれなくな
ると、固体電解質５を挾んで両面の酸素濃度は逆
転し、すなわち内側電極３側に残存酸素があつ
て、外側電極４側の酸素は保護多孔体６を通して
拡散消失する。

このため、固体電解質５の内部を移動する酸素
イオンの移動方向が逆となり、電極３と４との間
に発生する起電力も反転、つまり負側に立ち上る
起電力が発生する。

これをあらわしたのが第２図であつて、端子Ｅ
の電位を基準にすると、出力となる端子Ｓの電位
は、混合気の稀薄時と過濃時とでは逆方向に変化
するのである。したがつて端子Ｅを接地すると零
電位になるため、出力となる前記端子Ｓの電位は
これを基準に正側と負側に振れることになる。と
ころで、この出力信号は空燃比の制御を行なう制
御回路へと送られるが、このような反転特性を有
する出力信号の処理は、正側、負側の出力に対応
して各々正と負の２種類の電源が必要である。し
かしながら、自動車などでは、通常単一の電源し
か備えていないため、これをそのまま用いた場合
には正負の出力のうち片方のみしか取り出すこと
ができない。

そこで、端子Ｅに対して所定値以上の正のバイ
アス電圧を加え、この電位をもつて酸素濃度判定
の基準電位とし、かつこの基準電位が、ヒーター
を流れる電流の変動にかかわらず常に一定となる
ように保持することにより、空燃比の稀薄側、過
濃側のいずれの出力変化も適正に取り出せるよう
にした空燃比制御装置が第３図である。

酸素センサ１０は固体電解質５並びに両電極
３，４（第１図参照）を含むセンサ部１１と、セ
ンサ部１１を加熱するヒーター２とから構成され
ている。センサ部１１並びにヒーター２のアース
側は端子Ｅに、ヒーター２は端子Ｈを介してバツ
テリ等の電源１４の正端子に、またセンサ部１１
は端子Ｓを介して制御回路１５にそれぞれ接続さ
れる。

前記端子Ｅとアース間にはダイオード１３が介
装され、端子Ｅの電位が少なくともセンサ部１１
の出力（センサ出力）の基準値からの振幅値より
も高くなるように、端子Ｅの電位はダイオード１
３の両端にかかる電圧分だけかさ上げされ、正の
バイアス電圧が加えられている。

以上の構成において、センサ出力が混合気の稀
薄側と過濃側とで上下に振れることは、第１図並
びに第２図で説明した通りであるが、ダイオード
１３の電圧電流特性は第６図のＡに示すように、
ダイオード１３は順方向阻止電圧（例えば
0.7V）以上の電圧がかかると導通し、導通後は
ある範囲内ならば電流が多少変動しても、電圧は
ほぼ一定レベルに保持される（同図では約
0.9V）ので、この電圧分だけ、端子Ｅの電位が
相対的にかさ上げされ、かつこの基準電位は、ヒ
ーター２を流れる電流の変動にかかわらず常に一
定となる。

したがつて、センサ出力はこの基準電位を中心
に上下に振れることになり、混合気が稀薄側から
過濃側へ変化し、これに伴なつて端子ＳとＥ間の
起電力が基準電位から減少しても常に正の電圧と
なり、またこの基準電位は常に一定値に保たれる
ので、制御回路１５はこの出力変化を精度よくと
らえることができる。

ところが、ヒーター２のアース線等が断線して
ヒーター電流が零となつたような場合、ダイオー
ド１３による基準電位を一定に保つ作用は失われ
てしまうが、このときでもセンサ部１１の起電力
あるいは制御回路１５からの微少な電流が存在し
ており、ダイオード１３には順方向阻止電圧以下
であつてもごくわずかながら電流が流れるため、
端子Ｅの電位は零とならず、この断線を端子Ｅの
電位から検出することは容易ではない。

この時のセンサ出力の様子を第４図に示すと、
ヒーター２のアース線等が断線したＴ時点以降、
センサ出力が不安定となり、この領域では最早酸
素濃度差に比例した出力変化とはいえず、誤つた
空燃比制御が行なわれるという問題があつた。

本発明は、バイアス電圧を印加するダイオード
に抵抗を並列接続し、この並列接続によるバイア
ス電圧を比較器により基準値と比較させ、バイア
ス電圧が基準値よりも低い、すなわちヒーターの
アース線等に断線がある場合は、センサ出力によ
る空燃比フイードバツク制御を停止してオープン
ループ制御に切り換えることにより上記問題点を
解決することを目的とする。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明
するが、第３図と同一構成要素には同一符号を付
して示す。

第５図で１０はセンサ部１１とヒーター２から
構成される酸素センサ、１４はバツテリ等の電
源、１３はダイオードである。

抵抗１６をダイオード１３と並列に接続し、こ
の並列接続によるバイアス電圧（端子Ｅの電位）
を比較器１７に入力する。

比較器１７は基準値（基準電圧）とバイアス電
圧とを比較し、バイアス電圧が基準値よりも高い
ときはハイレベル信号を、バイアス電圧が基準値
よりも低いときはローレベル信号をそれぞれ出力
する。この基準値は、ヒーター２に電流が流れて
いる時の端子Ｅの電圧値と流れていない時の端子
Ｅの電圧値との中間の電圧値、例えばダイオード
１３と抵抗１６の並列接続による電圧電流特性
が、第６図のＢに示されるような特性である場合
では0.6V程度とすればよい。

制御回路１５は比較器１７からの信号を入力
し、比較器１７からの信号がハイレベルのときは
センサ部１１からの出力（センサ出力）に基づい
て空燃比のフイードバツク制御を行ない、比較器
１７からの信号がローレベルの時はフイードバツ
ク制御を停止してオープンループ制御に切換える
ようにしてある。

次に作用を説明する。

ダイオード１３と抵抗１６の並列接続による電
圧電流特性は第６図のＢのようになり、ヒーター
２に電流が流れている状態（曲線のうち立ち上が
つている領域）では、ヒーター電流の変動にかか
わらず安定したバイアス電圧が得られており、こ
のバイアス電圧は基準値よりも高いため、比較器
１７はハイレベルの信号を出力し、制御回路１５
ではセンサ出力に基づき空燃比のフイードバツク
制御を行なつている。

この状態でヒーター２のアース線等の断線によ
りヒーター２に電流が流れなくなり、ダイオード
１３と抵抗１６の並列接続に流れ込む電流がセン
サ部１１、あるいは制御回路１５からの微少電流
のみとなると、第６図のＢに示すような、ダイオ
ード１３と抵抗１６の並列接続のもつ電圧電源特
性により、バイアス電圧はほとんど零になる。

このため、比較器１７が、このほとんど零のバ
イアス電圧と基準値を比較し、ローレベル信号を
出力する。制御回路１５はこのローレベル信号に
基づきフイードバツク制御をやめ、オープンルー
プ制御に切り換える。

従つて、断線による誤つた空燃比制御の状態は
回避される。

第７図は、比較器１７からの信号を直接制御回
路１５に入力する代わりに、端子Ｓと制御回路１
５の間にアナログスイツチ１８を接続し、これに
比較器１７からの信号を入力し、バイアス電圧が
基準値よりも高いときはスイツチ１８をオフに、
バイアス電圧が基準値よりも低いときはオンにし
てセンサ出力をアースするようにした他の実施例
で、第５図と同一構成要素には同一符号を付して
示す。

なお、制御回路１５は、センサ出力が零のとき
はフイードバツク制御をオープンループ制御に切
り換えるようにしている。

この場合は、ヒーター２のアース線等の断線に
よりバイアス電圧が基準値よりも低くなり、比較
器１７がスイツチ１８をオンにすると、センサ出
力は第８図のようにスイツチ１８をオンされたＴ
時点からアースされるため零となり、この信号に
基づき制御回路１５はフイードバツク制御をオー
プンループ制御に切り換える。

以上のように本発明によれば、バイアス電圧を
印加するダイオードと並列に接続する抵抗と、こ
の並列接続によるバイアス電圧と基準値を比較す
る比較器とを設け、バイアス電圧が基準値より低
い場合は酸素センサによる空燃比フイードバツク
制御をオープンループ制御に切り換えるようにし
たので、ヒーターのアース線等の断線による誤つ
た空燃比制御を回避できるとともに、比較器から
の信号をパイロツトランプに表示するなどするこ
とにより、ヒーターのアース線等の断線を検出で
きるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素センサの断面図、第２図はその出
力特性を示す説明図、第３図は従来の空燃比制御
装置の回路図、第４図はセンサ出力の作用説明
図、第５図は本発明の一実施例を示す空燃比制御
装置の回路図、第６図はダイオード単体の場合と
抵抗を並列接続した場合のそれぞれの電圧電流特
性を示す図、第７図は本発明の他の実施例を示す
空燃比制御装置の回路図、第８図はセンサ出力の
作用説明図である。 ２……ヒーター、１０……酸素センサ、１１…
…センサ部、１３……ダイオード、１５……制御
回路、１６……抵抗、１７……比較器、１８……
アナログスイツチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 酸素イオン伝導性の固体電解質とその両面に
   形成した電極と前記固体電解質を加熱するヒータ
   ーとを備え固体電解質の両面の酸素濃度差に基づ
   いて発生する起電力を電極間から取り出す酸素セ
   ンサと、この酸素センサの出力によつて検出され
   る排気中の酸素濃度に応じて空燃比をフイードバ
   ツク制御する制御回路と、前記電極のうち接地側
   の電極に所定値以上の正のバイアス電圧を印加す
   るダイオードとを備えた空燃比制御装置におい
   て、前記ダイオードと並列に接続する抵抗と、こ
   の並列接続によるバイアス電圧と基準値を比較す
   る比較器とを設け、バイアス電圧が基準値より低
   い場合は酸素センサによる空燃比フイードバツク
   制御をオープンループ制御に切り換えるようにし
   たことを特徴とする空燃比制御装置。