JPS6275253A - 酸素濃度検出装置 - Google Patents

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】 ＬＩＬ匹丑■ユ１ 本発明は内燃エンジンのｆＪｌ気ガス濃度センサーに関
するらのである。

」χ且ｌ 酸本′ｇｉ度に応じた出力を発生ずる酸素温度センリー
の原即図を第２図に示し説明する。

両面に電極を設りた２枚の板状の酸素イＡン伝導性囚体
電Ｗ？質焼結体をある間隔（スリブ］〜３）をおいて平
行に位置さＩ、一方をＭＡ汲み出し用ポンプ素子１とし
、他方を酸Ａ１１１度比測定用電池素子２ど市る。

ポンプ素子１の両電極に自流電源４から自流（ポンプ電
流）を【り変戚抗５を介して供給すると（外側の電極を
士、内側の電極を−）、−電極０Ｍ系ガスがイオン化さ
れ、該ＭＡイオンが外側の十電（ｉ側に移動し、同→−
電極で１１工び酸系ガスとじて放出される。

したがってポンプ素子１はスリン１〜３内の酸素を外部
雰囲気中に汲み出すポンプの動きをしている。

このポンプ素子１によりスリット３内の酸素ガスが減少
し、雰囲気中の酸素ガス分圧とスリット内の酸素ガス分
圧とに差が生じ、Ｉｌ１県！ＩＪＩ比測定用電池木子２
の両電極間に起電力が発生ずる。

この起電力がある一定値に保たれるように（スなわも雰
囲気中とスリット内のＰＩｉ素分圧比が一定に保たれる
ように）、ポンプ電流を供給すると、このポンプ電流は
雰囲気中の酸素分圧に比例する。

よってこのポンプ電流を８１測することで雰囲気中の酸
素分圧が判明し、排気ガス中においては空燃比を測定す
ることができる。

空燃比Ａ／Ｆとポンプ電流ＩＰとの関係をグラフで表ず
と第３図のようである。

理論空燃比１４．７より空燃比が大ぎくなるにしたがい
比例してポンプ電流１ｒは増加している。

一般に内燃エンジンの燃費改善及び排気ガス浄化のため
、理論空燃比よりも高い空燃比（例えば１８程度）で運
転されるＪ：うにしてＪｊす、そのためにポンプ電流１
ｒの検出がなされ、空燃比制御に供されている。

しかる（第３図に示す空燃比Ａ／１：対ポンプ電流１ｒ
の特性はポンプ素子１の活性状態によって責なり、この
活性状態は温度にＪ：ってｌｌｌ１ｌＦ１１で示Ｊ如く
変化するので結局第２図の特性曲線は温度に依存するこ
とになる。

したがって温度を一定以上として素子をある活性状態に
保つ必要がある。

そこで前記センナ−に加熱素子を付設した例（特開昭５
８−１！１３１！１５円公＋１１）がある。

これは第４図に示ツＪ：うな長方形のアルミナ、スピネ
ルなどの絶縁竹無＋ａ質板状休１０からなり、内部に矩
形の孔１１がＩＩらぬかれでいる。

この孔１１の周囲の板状体１０の表面には発熱抵抗体１
２が波形に敷設され電流を通じることにより板状体１０
全体を発熱さＵる。

この板状体１０を１１ａ記ポンプ木子１に電極が孔１１
に合うようにして添設し、ある適当な電流を供給し加熱
して、素子を活竹状ｆフとする。

ここに発熱抵抗体１２には耐熱金属としてＰ【。

△Ｕ等のベーストが使用され、プリント印刷により板状
体１０上に敷設される。

（１しｍ−と１−る。　− 以上のように発熱抵抗体１２に甲に電流を供給している
だ【」であると、外乱により素子温度が変化し、安定し
たポンプ電流が得られず、正確な空燃比が求められない
問題がある。

例えば中速が素子温度に影響する（第５図参照）。

一般にクルーズ走ｔｊ１１５にはエンジン内でほぼ゛完
全燃焼がなされ、燃焼ガスの温度にＪ：り中速に応じた
素子温度を示１が、クルーズから減速する場合に【ま未
燃焼ガスの排気系内の燃焼等ににり木ｒ渇瓜が上をアシ
、第５図に破線で示すようにクルーズ走行時（実線）よ
りも高い木子渇度特竹となっている。

その他刊気ガス？Ａ　Ｍｌ、加熱素子容［ｎおよびその
供給電圧等によって素子温度は変化する。

一方この素子温度は素子の寿命にも影響づる。

いま索″ｆ温痕（’Ｃ）に対する素子の耐久時間（Ｉｌ
ｒ）の変化を示すと第６図のようであり、素子温度が８
００℃程度まではその耐久１ｋｉ間に差が売られないが
、９００℃を越えると茗しく耐久１１５間が短かくなり
寿命が低下する。

また素子′ｆ；Ａ麻が低すぎると、素子の活性化が不十
分となり、出力が安定しない。

すなわら供給電１−Ｅ　Ｖ　Ｓを４０ｍＶ一定にして素
子一度（℃）に対するポンプ電流１ｒ　　（ｍ△）の変
化を示１ノと、第７図のＪ、うであり、６００℃以十ぐ
あると、ポンプ電流ＩＰの温度変化が大さい。

以上のように素子温度を変化さける要因は一種々あると
とムに、素子温度が適当な温度に安定して保たれないと
、ズｉＱが低下したり、出力が不安定となる。

木化案はかかる貞に鑑みなされたムのでその目的とする
処は、酸＾ポンプ素子の抵抗値を求め、これを一定にす
るように制御りることで、素子温度を適当な（「１に保
つことができる酸メζ濶度検出装置を供する点にある。

Ｉｊ、を　°−るための　　よ゛、び−［本発明の構成
を第１図に示し説明する。

内燃エンジンの排気ガス通路に突設されて被測定気体中
に配設される一対のＰｌｉ素イオン伝導竹固体ｆｆｉ解
質材を有し、その各表裏１ｍに電極が各々形成されかつ
前記固体電解質材が所定の間隙部を介して対向づるよう
に平行に配ｌされ、前記固体電解資材の一方が酸素ポン
プ素子Ｂとして、他方が酸？４濃度比測定用電池累子Ｃ
として各々作用するＭ木濃度検出手段へと、前記酸素ポ
ンプ素子Ｂの電極間に電流を供給するポンプ電流供給手
段Ｉ）と、供給される電流値に応じで発熱し前記固体電
解資材を加熱する加熱素子Ｅと、同加熱素子Ｅに電流を
供給する加熱電流供給手段ＦとからなるＰａＡ濃度セン
勺−において、Ｇは抵抗検出手段であり、１）０記酸素
ポンプ素子Ｂを流れる電流と同酸素ポンプ素子Ｂの電極
間に印加される電圧とから同Ｆｌ！ｌ′Ｉｋポンプ素子
Ｂの抵抗値を求めるものである。

１」は同抵抗値に基づいて前記加熱素子Ｅを制御Ｊる制
御手段であり、＋”＋Ｆｉ記酎系酸系プ累子Ｂの抵抗値
が一定になるように制御する乙のである。

Ｍ索ポンプ木子Ｉ３の抵抗値は同素ｆの湿度にほぼ反比
例するので、臥抗検出丁段Ｇによって酸素ポンプ素子Ｂ
に流れる電流１　ａ３よび印加される電圧ＶとからＶ／
Ｉの演のを行って求められた抵抗値を一定に保つように
することで、素子温度を一定に保つことができる。

制御手段１−１は、抵抗検出手段Ｇにより求められた抵
抗値を一定に保つよう加熱電流供給手段Ｆに指示して加
熱素子Ｅに供給される電流を制御することができる。

このようにして加熱素子Ｆの発熱量を加減して、素子温
度を適当な値に維持することで固体電解資材の活性状態
を安定化させ、出力を安定させるとともに正確なものと
し、また長寿命化を図ることができる。

笈ＪＩＬＭ 以−ト第８図以降に示した本発明に係る一実施例につい
て説明リ−る。

第８図は本実施例に係る酸素潤度センサーの概略説明図
である。

第２図において前記したと同様にポンプ素子１と酸素濃
度比測定用電池素子２がある幅をもつスリット３を介し
て対面している。

ポンプ素子１の電極にはポンプ電流供給回路２０が接続
されており、酸素濃度比測定用電池素子２にはセンサー
電圧検出回路２１が接続されていて、スリット３内の酸
素分圧と雰囲気中の酸素分圧の比をセンナ−電圧検出回
路２１で検出し、この検出値を一定に保つようポンプ電
流供給回路２０によってポンプ市流を流すことによって
このポンプ電流をもってＭ素淵度を検出する。

ポンプ素子１の外面には加熱り子２２が添設されている
。

加熱素子２２も前記同様長方形の絶縁ｔ／Ｉ無機７１板
状休１０からなり、ポンプ素子１の電極に対応する部分
は矩形の孔１１が穿たれている。

ぞしてその孔１１の周囲をＰ（線２４がプリント印刷さ
れて、その端部電極に加熱電流供給回路２３が接続され
ている。

そしエボンブ電流供給回路２０からポンプ素子１に流れ
る電流と印加される電圧をコンピュータ２５が入力し、
イの演算結束に基づいて制御回路２６に指示を与え、ａ
、ＩＩ　ｔａ１１回路２６はその指示にしたがって加熱
電流供給回路２３を制御して加熱素子２２のｐｔ線２４
に流れる電流を加減する。

以上の回路の概略説明図を第９図に示す。

ポンプ素子１の両電極には可変Ｉ（抗５を介して／ｉ流
雷Ｓ４が接続されている。

そして該雷神間には電圧シ１２７が設置〕られ、またこ
の加熱電流供給回路には１・ｕ流６１２８が設（）られ
で１３　Ｖ）、両針３１１１２７．２８（７）＋ｉｌ　
３１９１／ｌ　Ｖ　、　　Ｉ　＋、ｔ　］　コンピュー
タ２に入力される。

コンピュータ２５はＶ／ｌの演鈴をｔ−ｒ　−３−（１
氏抗１直Ｒ８０出し、同抵抗＋ｆＪ　Ｒに１．ｔづいて
制御伝；Ｊをｉ〜ランジスタ２９０ゲー１一端子に出力
りる。

トランジスタ２９１よ、加熱水ｆ−２２のｌ）を線２４
ｄ３よび電源３０と直列に１ｇ続きれ又いてスイッチン
グ制御をｔｓう。

コンピュータ２５から出力される制御信号は第１０図に
示す如くデｌ−ティパルス信号でデユーティ比を変える
ことでトランジスタ２９のＯＮ、　ＯＦＦ　ＩＩＡ間を
加減し、Ｐｔ線２４に流れる平均電流値を変え、発熱ｉ
ｆｉをコントロールする。

本実施例においては、水子温度として６５０℃から７０
０℃の聞の温度が最適であり、この温度に対応した抵抗
値Ｒｒａｔがコンピュータ２５内に設定されており、〕
コンピュータ２は、測定電圧値Ｖ、電流値Ｉから口出さ
れた抵抗値Ｒを設定抵抗値ＲｒＯｒと比較してその差に
応じて設定抵抗値Ｒ２゜「になるようにデユーティ比を
決定する。

１／、にわら低温時にはコンピュータ２５が演口した結
果の抵抗値Ｒは設定抵抗値Ｒｒａｔより大きく、その差
に応じてデユーディ比を大きくし、１〜ランジスタ２９
のＯＮ時間を長く覆る。

するとＰｌ！３２４を流れる平均電流は多くなり加熱素
子２２の発熱量は増し、酸素ポンプ素子１の素子温度を
上界さＶる。

所定温度より水子温度が高いときはコンピュータ２５か
らの制御信号の−ｊ゛ニーティ比を小さくし、トランジ
スタ２つのＯＮ時間を短くして加熱素子２２の発熱量を
減少させる。

εのようにして素子湿度を所定温度に（よぼ一定に保つ
ことができる。

水子温度が、６５０℃から１００℃の間の所定温度で安
定状態にあれば、木ｒ自体の寿命も長く保つことができ
（第６図参照）、また素子を安定した活性状態とするこ
とで出力（ポンプ電流１ｒ）のバラツキをなくシ（第７
図参照）、空燃比制御２０の精度を高くＨ持することが
できる。

ｌ用五み」 本発明はｌＩ！２木ポンプ素子に流れる電流ａ３Ｊ−び
印加される電圧から抵抗＋ｔｆｉを口出し、同抵抗値が
所定の抵抗値になるように制御することで素子温度を所
定湿度に保ら外乱による湿度変化を回避して、素子を常
に安定した活性状態として正確な出力値を得ることがで
きる。

したがって正確な出力（ｎをｂとに１！ｌｌＩ度の高い
空燃比制御が可能である。

また素子の温度を適当な値に保つことにＪ：す、素子の
長寿命化を図ることができる。

さらに本発明は酸素ポンプ素子自体を温度ヒン篭ナーと
して用いるので特別に温度検出用のけンリーを別個に設
ける必要がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のクレーム対応図、第２図は酸素濃度セ
ンサーの原狸図、第３図は空燃比Δ／Ｆとポンプ電流１
ｒとの関係を示ず図、第４図は加熱素子の斜視図、第５
図は中速と素子温度の関係を示１図、第６図は水子温度
と耐久時開の関係を示す図、第７図は水子温度とポンプ
電流の関係を示１図、第８図は本発明に係る実施例の酸
素濃１αセンサーの説明図、第９図は本実施例に係る回
路の概略説明図、第１０図は］ンビュータから出力され
るυ１１１１信号を示す図である。 １・・・ポンプ素子、２・・・ｌｌｉ！２素漣度比測定
用雷池素了、３・・・スリット・、４・・・直流電源、
５・・・可変抵抗、１０・・・絶縁性無ｔ１１質板状体
、１１・・・孔、１２・・・発熱抵抗体、 ２０・・・ポンプ電流供給回路、２１・・・加熱電流検
出回路、２２・・・加熱素子、２３・・・加熱電流供給
回路、２４・・・ＰＥ線、２５・・・］］ンビコータ２
Ｇ・・・制御回路、２７・・・電几計、２８・・・電流
計、２９・・・トランジスタ、３０・・・電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内燃エンジンの排気ガス通路に突設されて被測定気体中
   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、その各表裏面に電極が各々形成されかつ前記固体電
   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、前記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
   る酸素濃度検出手段と、前記酸素ポンプ素子の電極間に
   電流を供給するポンプ電流供給手段と、供給される電流
   値に応じて発熱し前記固体電解質材を加熱する加熱素子
   と、同加熱素子に電流を供給する加熱電流供給手段とか
   らなる酸素濃度センサーにおいて、前記酸素ポンプ素子
   を流れる電流と同酸素ポンプ素子の電極間に印加される
   電圧とから同酸素ポンプ素子の抵抗値を求める抵抗検出
   手段と、同抵抗値に基づいて前記加熱素子を制御する制
   御手段とを備え、同制御手段は前記酸素ポンプ素子の抵
   抗値が一定になるように制御することを特徴とする酸素
   濃度検出装置。