JPS6321548A - 空燃比測定装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は例えば内燃機関の排気ガスから混合気の空燃比
を測定する装置に関するものである。

（従来の技術） 酸化ジルコニアは室温では電気的に絶縁体であるが、高
温（約５００℃以上）では伝導体になることが従来がら
知られており、また高温下でのノルフニアは、選択的に
酸素のみを透過する特性（以下、「選択的酸素透過特性
」という）を有することも知られている。

前記選択的酸素透過特性がら、ジルコニア板の両主面側
の酸素濃度の相異に応じた起電圧が得られることも公知
である。したがってこの起電圧と該ジルコニア板の一方
主面側の酸素濃度が既知であれば、反対主面側の酸素濃
度を一定の式（キルンストの式）から算出できるので、
この性質を利用することにより、ジルコニア板を酸素濃
度検出素子として用いることができる。

また、ジルコニア板はその２つの主面間に該板を貫通す
るように電流を通すと、電流の向きとは反対方向へ酸素
を移動させる働きを有する。すなわち、ノルコニ７板は
一方の主面側の酸素を他方の主面側へ汲み出すというポ
ンピング作用を有する。

そこで従来から、このようなジルコニアの酸素濃度検出
作用及びポンピング作用を組み合わせて、理論空燃比よ
りも希薄な混合気の燃焼、あるいは過濃な混合気の燃焼
のいずれに対しても、その燃焼排気ガスから空燃比を測
定できるようにした空燃比検出器が開発されたく例えば
特開昭５９−６７４５５９公１１等参照）。

第５図は、この上うな空燃比検出器を用いて空燃比を測
定する原理を説明するものである。

同図において、１は空燃比検出器（以下、単に検出器と
いう）である。この検出器１は酸素濃度検出の動作を行
う第１のジルコニア２並びにポンピング動作を行う第２
のジルコニア３と、前記第１および第２のジルコニア２
，３の間に設けられた中空室４と、前記ｆｆｉ！及び第
２のジルコニア２゜３のそれぞれの両主面に、例えば白
金等によって形成された′ＦＩＩ膜状の電ｍｓ　（５ａ
−５ｂ、５ｅ、５ｄ）とからなる。

Ｐｔ５２のジルコニア３には小孔６が設けられている。

なお、この小孔６の部分は、該小孔６と等価な特性を有
する多孔質のコーテイング膜としても良い。

また、前記電極５のうち、第１および第２のジルコニア
２，３の内側の電極５ｂ、５ｃは接地されており、ｒｓ
ｉのジルコニア２の外側の電極５ａは差動増幅器７の（
−）入力端子と、また第２のジルコニア３の外側の電極
５ｄは前記差動増幅器７の出力端子とそれぞれ接続され
ている。

差動増幅器７の（＋）入力端子には基準電圧Ｅｒが印加
されている。

例えば内燃機関の排気ガスから、空燃比を検出する場合
、前記ｒ５１のジルコニア２の外側主面（電極５ａ側）
を大気に接しさせ、また第２のジルコニア３の外側主面
（′ｄｉ極５ｄ側）は、濃度拡散により流れて米だ排気
ガス（被測定ガス）と接するようにし、中空室４内には
小孔６を通して被測定ガスを流入させる。

以下、空燃比が大きい希薄燃焼の場合と、空燃比が小さ
い過濃燃焼の場合とに分けて動作を説明する。

（１）希薄燃焼時の動作 希薄燃焼時は、被測定ガス中に比較的多量の残留酸素が
存在する。このような被測定ガスが中空室４内に流入す
ると、該中空室４内の酸素濃度ＣＶと大気中の酸素濃度
Ｃｒとの濃度差は比較的小さくなる。このため、第１の
ジルコニア２で生ずる起電圧、すなわち電極５ａ、Ｓｂ
間（酸素濃度検出型′　　極間）の電圧Ｅは基準電圧Ｅ
ｒよりも小さくなる。

したがって、希薄燃焼時には、差動増幅器７の出力は正
となり、基準電圧Ｅ「と前記起電圧Ｅの差に応じた矢印
入方向（正方向）のポンピング電流が電極５ｄを介して
第２のジルコニア３に供給される。

この結果、中空室４内の酸素は、ジルコニアのポンピン
グ作用により、第２のジルコニア３を貫通してその外方
主面側へ汲み出される。そして、前記正方向のポンピン
グ電流により汲み出される酸素量と、中空室４内に流入
される酸素量とがバランスするようになると、前記ポン
ピング電流はある一定値に安定する。

（２）過濃燃焼時の動作 過濃燃焼時は、被測定ガス中に比較的多量の水素及び−
酸化炭素が存在する。このような被測定ガスが小孔６か
ら中空室４内に流入すると、該中空室４内の酸素と化合
して水及び二酸化炭素となる。この結果、中空室４内の
酸素濃度Ｃｖは大幅に減少し、大気中の酸素濃度Ｃ「と
の濃度差が大きくなる。

このために、差動増幅器７の（−）入力端子に印加され
る電圧（ｆ５１のジルコニア２で生ずる起電圧）Ｅは基
準電圧Ｅ「よりも大きくなる。したがって、過濃燃焼時
には、差動増幅器７の出力は負となり、基準電圧Ｅｒと
起電圧Ｅの差に応じた矢印Ｂ方向（負方向）のポンピン
グ電流が第２のジルコニア３に供給される。

この結果、第２のジルコニア３の外方主面側の酸素（被
測定ガス中の酸素）が、ジルコニアのポンピング作用に
よって中空室４内に取り込まれる６そして、前記負方向
のポンピング電流によって取り込まれる酸素量と、水素
または一酸化炭素と化合する酸素量とがバランスすると
、前記ポンピング電流はある値に落ち着く。

）前記のような構成および動作の回路によって正負のポ
ンピング電流が得られた場合には、空燃比は、前記ポン
ピング電流と、前記被測定ガス中の各ガス成分（酸素、
水素、−酸化炭素）のａ度に対する検出器１の感度係数
と、水炭比とに基づいて既知の演算により求めることが
できる。

なお、前記検出器１の各ガス成分の濃度に対する感度係
数は、検出器１の機械的構造（例えば小孔６の寸法など
）によって決定される定数であり、特定ガス成分に対す
る感度係数が決定されれば、残りのガス成分に対する感
度係数も周知の方法により決定されるものである。

また、前記水炭比は、内燃機関が消費している燃料中に
含まれる水素原子と炭素原子との比であり、燃料のＳ類
が決まればこれに応じて決定される定数である。

（発明が解決しようとする問題、１、χ）しかしながら
、天際の燃焼においては燃料が完全に燃焼しきれずに、
各種の炭化水素が排出される。この炭化水素の排出量に
応じてｅ、索、水素、−酸化炭素の量が変化する。この
炭化水素はその組成により、メタン（ＣＨ、）からメチ
ルプロピルベンゼン＜　ｃ　Ｈ＊　Ｃ３Ｈ７Ｃ８Ｈｓ　
）まで１００種類程度あり、これらが！２素と共に電極
に向けて拡散する速度はそれぞれ大きく異なる。したが
って、センサ４出力の空燃比検出精度はこれら炭化水素
の拡散速度（拡散係数）に依存し、拡散速度の遅い分子
量の大きい炭化水素が多く含まれる場合には、応答よく
正しい空燃比を測定できず、空燃比の検出誤差も大きく
なる。このような炭化水素を予め触媒を用いて酸化し、
−酸化炭素に変換しておけば、空燃比の検出精度は向上
するが、触媒をもつ処理装置を備える分だけ空燃比検出
器が大型化し、かつコスト高となる。

本発明はこのような問題に対し、炭化水素の排出特性が
空燃比に応じて変化する点に着目し、この炭化水素排出
特性に応じで空燃比の値を補正演算することにより、空
燃比の測定精度を向上させるようにした空燃比測定装置
を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手１！ｉ） 本発明は、２つの固体電解質の各両主面に電極を配して
形成した酸素濃度検出部並びにポンプ部とを備える空燃
比検出器と、酸素濃度検出部と基準電極との電圧差に応
じて正負のポンピング電流をｉｆｆ記ポンプ部に供給す
る駆動手段と、被測定ガス中の特定成分に対応する感度
係数を設定する感度係数設定手段と、被測定ガスの燃焼
燃料の種類に応じて決定される水炭比を設定する水炭比
設定手段と、炭化水素の排出特性に応じて設定される炭
化水素排出係数設定手段と、これら各設定値と前記ポン
ピング電流値に応じて所定の演算式に基づいて空燃比を
算出する演算手段とを備えるようにした。

（作用） このようにして、排気ガス中に含まれる炭化水素の排出
特性に応じて、その空燃比演算値を補正するので、触媒
等により炭化水素を前処理する必要がなく、このため炭
化水素の拡散速度のｆ＃管を受けずに、応答よく正しい
空燃比を測定することができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例のブロック図である。

図において、電流電圧変換回路２１は、ポンピング電流
Ｉｐを予定の変換ゲインで電圧信号に変換する。Ａ／Ｄ
変換回路２２は、電流電圧変換回路２１から出力された
アナログの電圧信号をディジタル信号に変換する。

第１のディジタル信号・？チ２３は、予め決められてい
る検出器１のＮ酸素濃度感度係数を、ディノタル値で設
定する感度係数設定用ディジタルスイッチである。第２
のゲインタルスイッチ２４は、内燃機関が消費している
燃料の種類に応じて予め決まる水炭比を、設定する木炭
比設定用ディノタルスイッチである。

なお、本実施例では、第２のディジタルスイッチ２４と
して、３桁のディジタルスイッチを使用しているので、
０．０１刻みで各水炭比を設定することができる。

第３のディジタルスイッチ３２は炭化水素（以下１”Ｈ
ＣＪという）の排出係数を設定するＨＣＣ排出係数設定
用ディグタルスイッチある。

演算回路２５は、入出力用のインターフェース２９、中
火演算装置（ＣＰＵ）３０およびメモリ３１から構成さ
れており、後述する演算処理を実行する。表示器２６は
、演算回路２５で算出された空燃比をディノタル表示す
る。

第１のディジタルスイッチ２３を、検出器１の既知対酸
素濃度感度係数に設定することにより、検出器１の対酸
素濃度感度係数は、インターフェース２９を介して、メ
モリ３１内のＲＡＭに記憶される。

なお、このようにＲＡＭに検出器１の対酸素濃度感度係
数が記憶されると、ＣＰＵ３０は周知の方法により検出
器１の対水素濃度感度係数、対−酸化炭素濃度感度係数
、及び対炭化水素濃度感度係数を算出する。そして、算
出されたこれらの感度係数は、メモリ３１内のＲＡ　Ｍ
に記憶される。

つメいて、第２のディジタルスイッチ２４を、燃料の種
類に応じて決定される水炭比に設定する。

これにより水炭比は、インターフェース２９を介してメ
モリ３１内のＲＡ　Ｍに記憶される。

さらに、第３のディジタルスイッチ３２を後述のＨＣ排
出特性に応じて求まるＨＣ排出係数に設定する。これに
より、ＨＣ排出係数はインターフェース２９を介してメ
モリ３１内のＲＡ　Ｍに記憶される。

このように、ディジタルスイッチにより水炭比あるいは
検出器１の対酸素濃度感度係数またはＩ］Ｃ排出係数が
新たに設定された時、メモリ３１内の１＜　Ａ　Ｍに、
第１及び第２．第３のディジタルスイッチ２３．２４．
３２の数値に対応した検出器１のすべての感度係数、水
炭比、及びＨＣ排出係数が記！！される。

演算回路２５はメモリ３１内のＲＡＭに新たな水炭比ま
たは検出器１の対酸素濃度感度係数、ＨＣ排出係数が記
憶された場合には、これらに基づいて所定の演算式によ
り空燃比を算出するのであるが、理論空燃比よりも過濃
燃焼側と希薄燃焼側とではそれぞれ後述するように演算
式が異なるので、まず過濃燃焼側について説明する。

過濃燃焼側では空燃比の演算式が極めて複雑となり、し
たがって低コストで小型な演算回路を用いて実時間で空
燃比を演算することは事実上困難であるのに対し、空燃
比と水炭比、ＨＣ排出係数からポンピング電流を算出す
ることは容易であることから、水炭比、ＨＣ排出係数を
パラメータとして空燃比とポンピング電流との関係を示
す数値対応表（マツプ）を作成し、これに基づいて空燃
比を算出するようにする。

そこでＣ１）　Ｕ　３０において、前記した各設定値に
対応した、過濃燃焼側での空燃比算出用の数値対応表を
大ぎのようにして作成する。

すなわち、例えばメモリ３１内のバッテリーバックアッ
プされているＩ＜　ＯＭから数値の異なる複数の子め設
定した空燃比を読み出すと共に、メモリ３１内のＩ＜　
Ａ　Ｍから萌述したようにして設定された木炭比、検出
器１の対水素濃度感度係数、対−酸化炭素濃度感度係数
、対炭化水素濃度感度係数を読み出し、つぎの（１）式
ないしく７）式から、前記各空燃比ＡＰＲに対応するポ
ンピング電流Ｉｐを算出する。

ＡＰＲ＝１３８人（１＋ｎ／　４　）／　（１２＋ｎ）
＝１１）Ｉｐ＝−（Ｂη十Ｃζ＋Ｄθ）／Ａ　　　　　
・・・（２）Ａ＝（１＋ｎ／　２）（１−（ＮＯ ＋３．７８人（１＋ｎ／４）十α１鳴　　・・ベニ））
Ｂ＝（１＋ｎ／４）（１−αＲ−λ）＋（ｏ／　４　＋
　Ｋ　／　２　）　（１−αＩ？）／（Ｋ　−１）−Ｑ
・・・（４）Ｃ＝　２　（１＋ｎ／　４　）（１−αＲ
−λ）−Ｂ　　　・（５）Ｑ”（（１＋ｎ／４　）（１
−Ｏｎ−人）＋（＋＋／　４　＋　Ｋ／２）（１ｆｆＲ
）／（Ｋ　　１）１２−２Ｋ（１＋ｎ／４）（１−αＲ
−λ）（１−ａｌｌ）／（Ｋ　−１）　　　　＝（６）
Ｄ＝αＲ・・・（７） ただし、上記（１）ないしく７）式において、Ａ　ｌ”
　Ｒは空燃比、ｎは水炭比、λは当量比と呼ばれる変数
、Ｉｐはポンピング電流、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｑは中間変
数、ｌは検出器１の対−酸化炭素濃度感度係数、ζは検
出器１の対水素濃度感度係数、θは検出器１の対炭化水
素濃度感度係数、Ｋは水性ガス反応定数を示している。

ここで、ａＢは過濃燃焼側でのＨＣ補正係数で、犬の（
８）式で求めることができる。

ａＲ＝ｆ（１＋ｎ／２）＋３．７８λ（１＋ｎ／４）１
／（１／ρ＋ｎ／２）　・・・（８） ここに、ρが＠３ディジタルスイッチ３２で設定された
ＨＣ排出係数である。

演算回路２５は、過濃燃焼においで、前述のようにして
算出された各ポンピング電流を、メモリ３１内のＲＡ　
Ｍに記憶する。すなわち、メモリ３１内のＲＡ　Ｍには
、ある特定値の水炭比ｎに対応する数値対応表が記憶さ
れることになる。

したがって、過濃燃焼側における空燃比の測定は次ぎの
ようにして行なわれる。

過濃燃焼側では前述したように、検出器１に供給される
ポンピング電流工ｐは負（Ｉ　ｐ＜　０　）となる。

この負のポンピング電流ｘｐは、電流電圧変換回路２１
において予定の変換ゲインで電圧信号に変換されＡ／Ｄ
変換回路２２に供給される。

Ａ／Ｄ変換回路２２に供給された電圧信号は、ここでデ
ィジタル信号に変換されて演算回路２５へ供給される。

演算回路２５は、インターフェース２９を介して前記デ
ィジタルの電圧信号をＣＰＵ３０に取り込む。

そして、この電圧信号、すなわちポンピング電流Ｉｐに
基づいて、内挿法により、前記したように予めメモリ３
１内のＲＡＭに記！されている数値対応表から、該ポン
ピング電流工ｐに対応する空燃比を算出するに のように算出された空燃比は、インターフェース２９を
介して表示器２６へ供給されるので、ゲインタル表示さ
れることになる。

これに対して希薄燃焼側での空燃比の測定動作は次ぎの
ようにして行なわれる。

＠薄燃焼側では、前述したように、検出器１に供給され
るポンピング電流Ｉｐは正（Ｉｐ≧０）となる。この正
のポンピング電流工ｐは、前記した過濃燃焼側と同様に
して演算口Ｖｒ２５へ供給される。

演算回路２５は、インターフェース２９を介して前記ポ
ンピング電流をＣＰＵ３０に取り込む。

そして、このポンピング電流Ｉｐと、前記したようにメ
モリ３１内のＲＡＭに記憶されている水炭比ｎ及び検出
器１の除酸素濃度感度係数γとＨＣ補正係数αＬとに基
づいて、前記した（１）式及び次の（９）式がら空燃比
を露出する。

λ＝（１−αＬ）＋　Ｉ　ｐｋ／γ（０，２０９−Ｉ　
ｐｋ／γ）（（１−αＬ）＋０，２０９αＩ、十〇　、
２０９　ｎ／（４＋ｎ）ｌ　　　　　　　　　　−（９
）Ｉ　ｐｋ＝　Ｉ　ｐ十ρθ（１−φ）　　　　　　　
　・・・（１０）αＬ＝　ｆｎ／　４　＋４　、７８人
（１＋ｎ／　４　）ｌ／　ｉ　１　／ρ−（ｉ　　ｎ／
４））　　　　　　　　　　　　　・・・（１１）ここ
で、Ｉｐｋｉ、ｔＨＣ排出係数で補正したポンピング電
流。φはＨＣの検出率、αＬは希薄燃焼側でのＨＣの補
正係数である。

このようにして算出された空燃比は、インターフェース
２９を介して表示器２６へ供給され、ゲインタル表示さ
れる。

尚、過濃燃焼側、希薄燃焼側のＨＣ補正係数ａＲＷ（７
ＬはＰＪＳ３のディジタルスイッチ３２で設定されるＨ
Ｃ排出係数ρからそれぞれ（８）式、（１１）式で求め
られるが、このＨＣ４ＰＦ出係数ρは第２図で示すよう
に理論空燃比点（λ＝１）での設定値としている。しか
しながら、このＩ−Ｉ　Ｃの排出特性はｄ線のごとく一
定ではなく空燃比に応じて変化する。

そこでＨＣ排出濃度が、一般にほぼ理論空燃比点を基点
（Ｐ点）に過濃側はと、また若干＠薄側まで低く、それ
以」二は希薄側はど高いという特性から、ｔｊＳ３のデ
ィジタルスイッチ３２で設定した理論空燃比点でのＨＣ
排出係数ρを過濃側、希薄側は次の（１２）式を用いて
補正することにより、広い範囲で比較的：Ａ差の少ない
空燃比測定が可゛能となる。

ρ゛＝ρ・ＫＨＣ・・・（１２） ここで、ＫＩＩＣはＩ−Ｉ　Ｃ排出特性に応じた補正係
数で、所定の空燃比時のＫＩＩＣを設定し、所定の空燃
比時のＨＣ排出係数ρ゛を求めて使用する。なおその間
は、補間計算で求めた値を使用する。

ｆｔ５３図には第２図の実施例を示す。

この実施例はｌ＠３のディジタルスイッチ３２を２ヶ設
け、１つが過濃燃焼側用ディジタルスイッチ３２ａで、
もう一つが希薄燃焼側用ディジタルスイッチ３２ｂであ
るに れは例えば検出器１を酸化触媒（図示しない）の後流位
置に取り付けたとき、希薄燃焼側では残留酸素と未燃Ｈ
Ｃが反応し、ＨＣ排出濃度はほぼＯとなる。したがって
、この場合には、ＨＣ排出係数ρを希薄燃焼側全域Ｏと
する必要がある。

よって、過濃燃焼側と＠薄燃焼側ρを別々に設定できる
構成とし、検出器１の取付位置く触媒の前と後）に対応
できるようにした。

第４図には、第３の実施例を示す。この実施例は、ＨＣ
排出係数ρを設定する第３のゲイノタル３２の他に１４
のディジタルスイッチ３３、及びメモリリードスイッチ
３４を設けたものである。

この第４のディジタルスイッチ３３は空燃比（またはλ
）を設定するものである。

この動作について説明する。第４のディジタルスイッチ
３３で所定の空燃比を設定し、その空燃比ＩＬ？のＨＣ
排出係数を第３のディジタルスイッチ３２で設定し、メ
モリモードスイッチ３４によって所定の空燃比時のＨｅ
排出係数が、インターフェース２９を介してメモリ３１
内のＥ＜　Ａ　Ｍに記憶される。

このｆＢ４のディジタルスイッチ３３は２桁のスイッチ
を使用しており、空燃比が「１」刻みで設定できる。す
なわち、空燃比と）−Ｉ　Ｃ排出特性の関係が明らかな
場合は、その特性に応じてＩＩＣ排出係数をを設定する
ことがでさ、空燃比測定制度をよリー層向上させること
ができる。

尚、過濃燃焼側では、このＨｅ排出係数に代えて、−酸
化炭素の排出補正係数及び水素の排出補正係数を付与し
ても同様の効果が得られる。

以上のようにこの発明によれば、被測定ガス中の特定ガ
スに対応する検出器の感度係数を設定する感度係数設定
手段と、燃料の８１類に応じて決定される水炭比設定手
段と、ＨＣの排出特性に応じて設定するＨｅ排出係数設
定手段とを備え、これらの各設定値と検出器の出力から
所定の演算式に基づいて空燃比を算出するようにしたた
め、被測定ガス中に拡散速度の遅い炭化水素を含んでい
る場合でも、炭化水素の排出特性をｉｆ厘して補正演算
するので、特別に炭化水素を酸化するための触媒などを
設けなくても、応答良く正確に空燃比を測定できるとい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示すブロック薗である
。第２図は空燃比と排出ＨＣ濃度特性を示す説明図であ
る。第３図、第４図はそれぞれ第２ｆ第３実施例を示す
ブロック図である６第５図は空燃比を検出する原理を説
明するための回路図である。 １・・・検出器、７・・・差動増幅器、２１・・・電流
電圧変換回路、２２・・・Δ／Ｄ変換回路、２３・・・
第１のディジタルスイッチ、２４・・・ｆＪＳ２のディ
ジタルスイッチ、２５・・・演算回路、２９・・・イン
ター７二−ス、３０・・・ＣＰＵ、３１・・・メモリ、
３２・・・第３のディジタルスイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　２つの固体電解質の各両主面に電極を配して形成した
   酸素濃度検出部並びにポンプ部とを備える空燃比検出器
   と、酸素濃度検出部と基準電極との電圧差に応じて正負
   のポンピング電流を前記ポンプ部に供給する駆動手段と
   、被測定ガス中の特定成分に対応する感度係数を設定す
   る感度係数設定手段と、被測定ガスの燃焼燃料の種類に
   応じて決定される水炭比を設定する水炭比設定手段と、
   炭化水素の排出特性に応じて設定される炭化水素排出係
   数設定手段と、これら各設定値と前記ポンピング電流値
   に応じて所定の演算式に基づいて空燃比を算出する演算
   手段とを備えたことを特徴とする空燃比測定装置。