JPH0616025B2

JPH0616025B2 - 空燃比検出装置

Info

Publication number: JPH0616025B2
Application number: JP60169841A
Authority: JP
Inventors: 清光鈴木; 政之三木; 隆生笹山; 大須賀　　稔; 宜茂大山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-08-02
Filing date: 1985-08-02
Publication date: 1994-03-02
Anticipated expiration: 2009-03-02
Also published as: JPS6230948A; KR950014742B1; KR870002449A; US4882030A; DE3626162C2; DE3626162A1

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、空燃比検出装置に係り、特に、内燃機関の空
燃比を広範囲を制御するのに用いるのに好適な空燃比検
出装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、内燃機関用の空燃比検出装置としては、理論空燃
比を検出する装置が、広く内燃機関の制御用に用いられ
ている。

しかし、近年、燃料消費率の改善のためにリーンバーン
制御用の空燃比検出装置の開発が進められている。その
一例としては、例えば、米国特許4282080（特開昭55−1
25448号）に記載のように、拡散抵抗体から拡散してく
る酸素を固体電解質セルによりくみ出す時流れる限界電
流値によりリーン空燃比を検出するものが知られてい
る。

また、米国特許4158166（特開昭53−66292号）によつ
て、拡散抵抗体から拡散してくる一酸化炭素等と固体電
解質セルによりくみ入れる酸素とを反応させ、この時固
体電解質セルを流れる限界電流により、リツチ空燃比を
検出するものが知られている。

しかしながら、リーンからリツチまでの幅広い空燃比範
囲の検出の可能なものは知られていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、リーンからリツチまでの空燃比検出の
可能な空燃比検出装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、センサ部分の起電力の測定と、この起電力を
一定するような制御とを交互に行い、この制御時にセン
サ部分に流れる電流により空燃比を検出するものであ
る。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例について、以下図面を用いて説明す
る。

最初に、本発明に用いるセンサ部分の一例について、第
１図を用いて説明する。袋管状の検出部１０は孔１１を
有する保護管１２内に配置され、ネジ１３を有する栓体
１４内に固着されている。そして、排ガスの流動する排
気管１５に装着される。また、１６は電極端子、１７は
ヒータ端子であり、これらの端子を介して検出部は電子
回路と接続される。なお、袋管状の検出部であるジルコ
ニア固体電解質１０の内部には、これを加熱するための
棒状のヒータ（アルミナ棒に形成したＷヒータなど）が
装着される。このヒータは検出部のジルコニア固体電解
質を少なくとも６００℃以上の高温にして、そのインピ
ーダンスを小さくするためである。検出部１０は袋管状
のジルコニア固体電解質の内側と外側にそれぞれ電極
（白金などで構成される）をもうけ、外側の電極上に多
孔質状の拡散抵抗体を形成したものである。そして、固
体電解質の内側には大気が導入され、外側は排ガス雰囲
気中にされされる。

本発明に使用されるセンサ部分の他の一例を第２図に示
す。この図はジルコニア固体電解質が平板、拡散抵抗体
が１個の孔よりなる場合を示している。大気はジルコニ
ア固体電解質２０内の通路３２を介して、第１の電極２
２部へ導入される。排ガス中の残存酸素や未燃ガスは孔
形状の拡散抵抗体２４を介して、拡散室３１内の第２の
電極２３部へ拡散で流入するものである。ジルコニア固
体電解質２０はこれに固着されたアルミナ絶縁層２１１
内のヒータ２１２によつて、高温度に加熱制御される。

いずれにしても、ジルコニア固体電解質は一対の電極を
有し、一方には大気が導入され、他方には拡散抵抗体を
介して排ガスが拡散で流入する構造であれば、どのよう
な形状でも基本的には良い。

次に、本発明の原理について、第３図を用いて説明す
る。

第３図（ａ），（ｂ）においては、１は酸素イオン伝導
性の固体電解質であり、その両面には白金電極３ａ，３
ｂが形成されている。電極３ａは、大気に接し、電極３
ｂは、多孔質の拡散抵抗体２を介して排気に接してい
る。

本検出装置は、同図（ａ）に示したように、固体電解質
１に電圧Ｖを印加して電流Ｉ_Ｐを流し、拡散抵抗体２内
に酸素を出し入れする動作と、同図（ｂ）に示したよう
に、固体電解質１に発生する起電力Ｅのみを測定する動
作を、時分割的に回路を交互にしや断することにより行
うものである。同図（ａ）に示した電流Ｉ_Ｐは、絶対値
や方向が空燃比によつて変化する。これは、同図（ｂ）
に示した期間に測定した起電力Ｅが常に一定値になるよ
うに、電圧Ｖの値を増減し、拡散抵抗体２内の酸素を出
し入れしているためである。同図（ｃ）に示したよう
に、電極３ａの端子電圧を見ると、電流Ｉ_Ｐを流す期間
ｔ_１の電圧は、空燃比により変化する（Ｖ_１，Ｖ_２のよ
うに）。一方、起電力Ｅを測定する期間ｔ_ｅの電圧は、
空燃比が変化しても、Ｅ一定のまま保たれる。つまり、
この起電力Ｅが一定になるように印加電圧Ｖを変化させ
るのである。

次に、空燃比が変化した場合の拡散抵抗体２内の酸素濃
度分布の変化と、酸素の移動やＩ_Ｐの関係を第４図によ
り説明する。第４図（ａ）は、リーン域の動作を示した
もので、空燃比がλの場合のＩ_Ｐ、Ｏ_２の移動、Ｏ_２濃
度の分布のそれぞれを実線で示し、λ′の場合を点線で
示した。ここで、λ′＞λ＞１の関係と仮定する。空燃
比がλの場合は、排気中の酸素濃度は、Ｐ_Ｏ２となつて
いるため、拡散抵抗体２の排気側の酸素濃度はＰ_Ｏ２と
なつている。ここで、あらかじめ別の期間に測定された
起電力が一定になるように電流Ｉ_Ｐを流すので、拡散抵
抗体２内の酸素は、大気側に引き抜かれ、電極３ｂ近傍
の酸素濃度が常に一定値Ｐ_Ｏになる。ここで例えば、起
電力Ｅを０．５Ｖとすると、Ｐ_Ｏは１０^-12％程度とな
る。次に、空燃比がλ′（λ′＞λ）に変化すると、拡
散抵抗体２の排気側の酸素濃度はＰ_Ｏ２′と大きくなる
が、ここでも起電力Ｅを常に一定にするように、Ｉ_Ｐよ
りも大きな電流Ｉ_Ｐ′を流すため、電極３ｂ近傍の酸素
濃度は、一定値Ｐ_Ｏに保たれる。このように、酸素濃度
がＰ_Ｏ２からＰ_Ｏ２′（Ｐ_Ｏ２′＞Ｐ_Ｏ２）に変化した
場合、Ｐ_Ｏを一定に保つために、多くの酸素量を移動す
る必要がある。すなわち、電圧ＶをＶ′（Ｖ′＞Ｖ）に
変化させて、Ｉ_ＰをＩ_Ｐ′（Ｉ_Ｐ′＞Ｉ_Ｐ）に増加す
る。このため、この時の電流値、すなわち電圧値は、空
燃比に比例するようになる。

第４図（ｂ）は、リツチ域での動作を示している。空燃
比がλ″（λ″＜１）のリツチ域では、ＣＯなどの可燃
性ガスが発生するために、電極３ｂ近傍の酸素濃度をＰ
_Ｏにするには、Ｏ_２を大気側から、排気側に送り込む必
要がある。このため、固体電解質１に加わる電圧を極性
を反転し、電流Ｉ_Ｐ″をリーン域とは逆方向に流す。こ
の動作により、電極３ｂ近傍の酸素濃度はＰ_Ｏに保たれ
る。拡散抵抗体２中に示した実線は、一酸化炭素ＣＯの
濃度分布を示したもので、排気側がＰ_ＣＯで、電極３ｂ
側がほぼ零のＰ_Ｏとなる。空燃比がλ″よりもさらに小
さくなると、多くのＣＯが存在し、拡散抵抗体２内に拡
散してくるため、電極３ｂ近傍の酸素濃度をＰ_Ｏに保つ
ためには、より多くの酸素を送り込む必要がある。この
ため、Ｖ″を増加し、Ｉ_Ｐ″を増加する。すなわち、空
燃比が変化すれば、Ｖ″は変化する。

以上の原理により、リツチからリーン域において空燃比
が測定できるわけであるが、ここで電流の方向を反転す
る必要がある。本発明では、この動作を、λ＝１．０の
点を検出することなく、自動的に行うようにした。以
下、これについて説明する。

第５図（ａ）は、リーン域の動作である。排気側の電極
３ｂは、ある一定の電位Ｖ_ＰＧを持つたポテンシヤルグ
ランド４に接続されている。リーン域ではＩ_Ｐを矢印の
方向に流すため、電極３ａの電圧Ｖ_ＰをＶ_ＰＧよりも大
きくする。つまり、Ｖ_Ｐ＞Ｖ_ＰＧとすれば拡散抵抗体２
内の酸素が大気側に引き抜かれる。次に、第５図（ｂ）
に示したリツチ時には、Ｖ_ＰをＶ_Ｐ＜Ｖ_ＰＧとなるよう
に小さくすると、Ｉ_Ｐはリーン時とは逆に流れ、拡散抵
抗体２内に酸素が送り込まれている。

以上のように、電極３ｂをポテンシヤルグランド４に接
続し、電極３ａ側の電圧を上下することにより、自動的
にＩ_Ｐの方向を反転させることができる。このポテンシ
ヤルグランドの構成については後述する。

第６図に、本発明の一実施例の検出装置の駆動回路の全
体の構成を示す。５はＡ端子とＢ端子にＯＮ−ＯＦＦ信
号を交互に出力するマイクロコンピュータであるが、通
常のコンデンサーと抵抗を用いた発振回路でも良い。Ａ
端子にＯＮ信号が出力されると、スイツチＳＷ_１はＯＮ
（導通）し、この期間Ｂ端子にＯＦＦ信号が出力され、
スイツチＳＷ_２はＯＦＦ（非導通）となる。スイツチＳ
Ｗ_１がＯＮになると、固体電解質１に電流Ｉ_Ｐが流れ
る。次の期間に、Ａ，Ｂ端子のＯＮ−ＯＦＦ状態が逆転
し、スイツチＳＷ_２がＯＮ，スイツチＳＷ_１がＯＦＦと
なる。このスイツチＳＷ_２がＯＮとなる期間は起電力Ｅ
を測定する期間である。この期間に検出された起電力Ｅ
は、ホールド回路６によりホールドされ、スイツチＳＷ
_２がＯＦＦした時でも起電力Ｅの値は維持される。次
に、差動積分回路７により、起電力Ｅとリフアレンス値
Ｅ_refが比較され、Ｅ＜Ｅ_refの場合は差動積分回路７の
出力Ｖ_PHが増加し続ける。ここで、固体電解質１には、
スイツチＳＷ_１がＯＮしたときに、この出力Ｖ_Ｐが印加
される。またＥ＞Ｅ_refの場合は、差動積分器７の出力
Ｖ_Ｐは減少し続ける。以上のように、起電力ＥがＥ_ref
になるように、出力Ｖ_PHを上下して電流Ｉ_Ｐを制御す
る。なお、前述したように、リツチ域では、出力Ｖ_Ｐが
Ｖ_PGよりも小さくなるように、出力Ｖ_Ｐを減少させる。

また、回路の出力としては、ポテンシヤルグランド４と
電極３ｂの間に固定抵抗Ｒ_１を設けて、その端子電圧を
ホールド回路８によりホールドし、出力Ｖ_outとする。
出力_outは、抵抗Ｒ_１が固定抵抗のため、電流値Ｉ_Ｐに
比例した値となる。

第７図には、空燃比がリツチからリーンまで変化した場
合の各部の信号レベルと、スイツチＳＷ_１，ＳＷ_２の動
作を示した。（ａ）は実際の空燃比の変化であり、λ＜
１からλ＞１まで変化している。（ｂ）はスイツチＳＷ
_１を介して電極３ａに印加される電圧Ｖ_Ｐ′、（ｃ）
は、差動積分回路７に入力される起電力Ｅを示した。空
燃比が、急にリーン側に変化すると、拡散抵抗体２内の
酸素量が増加するため、起電力ＥはＥ_refよりも小さく
なる。このため差動積分回路１７の出力Ｖ_Ｐは、増加し
続ける。やがて、空燃比が一定値におちつくと、出力Ｖ
_Ｐも一定値に収束する。このとき、起電力Ｅは、Ｅ_ref
に収束している。（ｄ）と（ｅ）は、スイツチＳＷ_１と
ＳＷ_２のＯＮする期間であり、ＯＮ−ＯＦＦの周期は、
通常の空燃比の変化時間より十分に小さくしておけば良
い。また、（ｆ）は、Ｖ_outを示し、リツチ域ではＶ_out
＜Ｖ_PGとなつているが、リーン域に変化すると、Ｖ_out
＞Ｖ_PGとなる。

以上のように回路は、起電力ＥがＥ_refになるように出
力Ｖ_Ｐを上下する。また、リーンからリツチ域に空燃比
が変化した場合は、出力Ｖ_Ｐは減少し、出力Ｖ_outも減
少する。

第８図には、空燃比（空気過剰率）λに対するＶ_outの
関係を示した、λ＝１．０では、理論的に、Ｉ_Ｐ＝０と
なるために、Ｖ_out＝Ｖ_PGとなる。λ＜１では、Ｖ_out＜
Ｖ_PGで、λ＞１では、Ｖ_out＞Ｖ_PGとなる。つまり、λ
＝１．０を境として、電流Ｉ_Ｐの方向が自動的に反転
し、リツチからリーンまでの空燃比が連続的に測定でき
る。

次に、この検出装置の動作の物理的な意味を説明する。
第９図では、固体電解質に印加する電圧Ｖを増加させて
いつた場合の、電流値Ｉを示した特性である。電圧Ｖを
零から増加していくと、（ａ）の範囲では、酸素イオン
伝導により、電圧Ｖに比例して電流Ｉが増加する。さら
に電圧Ｖを増加すると拡散抵抗体２の作用で酸素の流れ
が律せられ、電圧Ｖを増加しても電流Ｉが変化しなくな
る（（ｂ）の範囲）。この時の電流Ｉは限界電流値と呼
ばれる値である。

今、空燃比がある一定の値となつているときの第６図の
回路の動作原理を、第９図の実線の特性により示す。差
動積分回路７の出力Ｖ_Ｐが、今、（ａ）の範囲の電圧だ
つたとすると、この時端子間に発生する起電力Ｅはほぼ
零となつている。このため、差動積分回路７は出力Ｖ_Ｐ
を増加させる。やがて、出力Ｖが（ｂ）の範囲に入つて
くると端子間には起電力が発生し始め、起電力がＥ_ref
になつた時に出力Ｖ_Ｐの増加は停止し、Ｖ_Ｃに収束す
る。この時、固体電解質１には、電流Ｉ_Ｐが流れる。こ
の電流Ｉ_Ｐは、前述した限界電流値と等しく、空燃比に
比例した値となる。

また、第９図の点線で示した特性は、固体電解質１の温
度が低くなつた場合のものである。ここで、出力Ｖ_Ｐが
Ｖ_Ｃのままでは、電流値はＩ_Ｌとなり限界電流値を示さ
ないが、本発明の回路では、Ｖ_Ｐ＝Ｖ_Ｃの状態では、Ｅ
≒０と判定するために、出力Ｖ_Ｐをさらに増加し続け、
起電力ＥがＥ_refになる値Ｖ_Ｃ′に収束する。このた
め、この時固体電解質１に流れる電流値は、やはり限界
電流値となる。このように、本発明による検出装置は、
固体電解質１の温度が変化しても常に限界電流値に相当
する電流値を固体電解質１に流す。

第１０図は、固体電解質１の温度が一定で、空燃比λが
変化した場合の特性を、それぞれの空燃比λ₁，λ₂，λ
₃，λ₄について示した（λ₁＞λ₂＞λ₃＞λ₄）。空燃比
がλ_１の場合は、端子間の起電力がＥ_refとなるには、
固体電解質１にＶ_P1の電圧を印加する必要があるため、
出力Ｖ_PHはＶ_P1まで上昇し、Ｖ_P1に収束する。このとき
の電流値はＩ_P1で、空燃比λ_１における限界電流値に一
致している。また、空燃比がλ_２となつた場合は、出力
Ｖ_PHは減少しＶ_P2に収束し、電流値はＩ_P2となる。以
下、空燃比がλ_３，λ_４の場合も同様に、それぞれの限
界電流値Ｉ_P3，Ｉ_P4を固体電解質１に流す。第６図に示
した回路は、この電流値に比例した出力を出すため、常
に限界電流値がモニターできる。

第１１図は、固体電解質１の温度Ｔを変化させた場合の
出力の変化を示した。なお、ここでは空燃比は一定であ
る。第１図の（ｂ）は、第９図に示したように常に、一
定の電圧Ｖ_Ｃを固体電解質１に印加した場合の特性であ
り、（ａ）は本発明による検出装置の出力特性である。
前述したように、温度Ｔが変化しても、常に限界電流値
をモニターできるために、出力の温度依存性は少ない。

第１２図は、温度Ｔを一定とした空燃比λを変化させた
場合の、出力特性である。（ｂ）は、固体電解質に印加
する電圧を一定とした場合の特性である。第１０図から
わかるように、例えば、電圧をＶ_P3一定となると、空燃
比λが大きくなるのにつれて、限界電流値が測定できな
くなり、第１２図（ｂ）に示したように、大きな空燃比
λで、空燃比λに対するゲインが低くなる。また、
（ａ）の特性は、本発明の検出装置によるもので、空燃
比λが変化しても、電圧Ｖ_Ｐを変化させて常に限界電流
値を測定するために、λが大きくなつても、λに対する
出力値のゲインは変わらない。

第１３図は、本発明の一実施例による検出装置の回路の
具体的な構成の一例である。５は、マイクロコンピュー
タか、または発振器である。ホールド回路６は、コンデ
ンサＣ_１とバツフアアンプＡ_１から成つている。ホール
ド回路６でホールドされた起電力Ｅは、差動積分回路７
に入力される。この差動積分回路７で、起電力Ｅと基準
電圧Ｅ_refが比較され、Ｅ＜Ｅ_refの場合、電圧Ｖ_Ｐは増
加し続け、Ｅ＞Ｅ_refの時、電圧Ｖ_Ｐは減少し続ける。
この積分動作は、起電力ＥがＥ_refに収束するまで続け
られ、収束すれば、電圧Ｖ_Ｐもある一定値に収束する。
この電圧Ｖ_Ｐは、バツフアアンプＡ_２とスイツチＳＷ_１
を介して、電極３ａに印加される。一方、ポテンシヤル
グランド４は、バツフアアンプＡ_３より成つており、電
圧Ｖ_ＰＧ一定の値を出力している。ここで、スイツチＳ
Ｗ_１がＯＮして、電圧Ｖ_Ｐが固体電解質１に印加される
場合に、Ｖ_Ｐ＞Ｖ_PGの場合は、電流が、バツフアアンプ
Ａ_２、固体電解質１を通り、バツフアアンプＡ_３内でグ
ランドに落される。しかし、ポテンシヤルグランドは、
Ｖ_PG一定のまま保たれる。また、Ｖ_Ｐ＜Ｖ_PGの場合は、
電流はバツフアアンプＡ_３、固体電解質１を通り、バツ
フアアンプＡ_２内でグランドに落される。しかし、バツ
フアアンプＡ_２の出力はＶ_Ｐ一定のまま保たれている。
また、出力回路８は、スイツチＳＷ_１がＯＮした時の抵
抗Ｒ_１の端子電圧をコンデンサＣ_１とバツフアアンプＡ
_４によりホールドし、出力（Ｖ_out）する。以上の回路
により、本発明による空燃比の検出が可能となる。

第１４図は、エンジンの実排気を本発明の上述の一実施
例により測定した結果を示した。検出装置のセンサ部分
はエンジンの排気マニホールドに取り付け、エンジンは
回転数1250ｒｐｍ、トルク３kg・ｍ一定で運転した。第
１４図の横軸が空燃比λで、縦軸は出力である。第１４
図からわかるように、λ＜１からλ＞１までの広い範囲
の空燃比が実測できるが、λ＝１を境として出力値のゲ
インが変化している。これは、λ＞１では限界電流Ｉ_Ｐ
は、排気中の酸素濃度に依存しているが、λ＜１では、
電流Ｉ_Ｐは、排気中の可燃性ガスＣＯ，ＨＣ，Ｈ_２に依
存するためである。特に、可燃性ガス中で、Ｈ_２の拡散
速度が非常に速いため（ＣＯ，Ｏ_２の約４倍）、多くの
電流値が必要となり、出力が大きく傾斜してしまう。

次に、固体電解質１の温度を一定に保つためにその内部
抵抗ｒを一定に保つための温度制御法について述べる。
第１５図（ａ）には、λ＞１における動作を示した。こ
の場合、電流Ｉ_Ｐは図中の矢印の方向に流れ、電極３ａ
側の電圧をＶ_Ｐ、３ｂ側をＶ_Ｈ、抵抗Ｒ_１のポテンシヤ
ルグランド４側をＧ_PGとすると、Ｖ_Ｐ＞Ｖ_Ｈ＞Ｖ_PGの関
係となる。この場合、Ｖ_Ｐ，Ｖ_Ｈ，Ｖ_PGの間には次の関
係がある。

Ｖ_P−Ｖ_H＝Ｅ＋ｒＩ_P …（１）Ｖ_H−Ｖ_PG＝ｒ_ｃ・Ｉ_P …（２）ここで、Ｅ：起電力、ｒｃ：抵抗Ｒ_１の抵抗値（１）式
より、内部抵抗ｒは、ここで、Ｖ_Ｈは出力として常に測定しているので既知で
あり、Ｅは常に一定値になるように制御しているので既
知である。ここでＶ＝Ｖ_H＋Ｅ（４）とすると、（３）式は、また、（２）式により、Ｉ_Ｐは、となるために、Ｖ_Ｈ，Ｖ_PG，ｒ_Ｃが既知なのでＩ_Ｐも既
知となる。このため、（６）式と（５）式より固体電解
質１の内部抵抗ｒが計算される。

次にλ＜１における動作を、第１５図（ｂ）に示す。こ
こでは、電流Ｉ_Ｐは（ａ）とは反対向きに流れるので、
各部の電圧は、Ｖ_Ｐ＜Ｖ_Ｈ＜Ｖ_PGとなる。ここでも、
（１）〜（６）式のような計算を行うと、次のようにな
る。Ｖ_PとＶ_HとＶ_PGの関係は、Ｖ_P−Ｖ_H＝Ｅ−ｒＩ_P …（７）Ｖ_PG−Ｖ_H＝ｒ_Ｃ・Ｉ_P …（８）ここで、（７）式を（４）式の関係を用いて書き換える
と、となる。またＩ_Ｐは、（８）式よりとなる。ここで、Ｖ_PG，Ｖ_Ｈ，ｒ_Ｃ，Ｖ^＊は既知なの
で、（９），（１０）式より内部抵抗ｒは求まる。この
内部抵抗ｒを計算して、ヒーターを制御し、内部抵抗ｒ
を常に一定に保つようにする。第１６図に、ヒーター制
御のフローを示した。この計算は、λ＞１とλ＜１では
異なるので、始めにこの判断をする。電流Ｉ_Ｐの方向に
よりＶ_ＨとＶ_PGの大小関係は変わるので、これにより判
断する（ステツプ１０１）。λ＞１では、Ｖ_Ｈ＞Ｖ_PGと
なるので、（６）式により電流Ｉ_Ｐを計算する（ステツ
プ102）。次に、この電流Ｉ_Ｐと（５）式により内部抵
抗ｒを計算する（ステツプ１０３）。この内部抵抗ｒ
を、制御しようとする抵抗値ｒ_refと比較する（ステツ
プ１０４）。ここで、ｒ＞ｒ_refならば、固体電解質１
の温度Ｔは，設定値より低くなつているのでヒーターを
ＯＮさせるＨｉの信号を出力し、固体電解質１を加熱す
る（ステツプ１０５）。また、ｒ＜ｒ_refの場合は、Ｔ
が設定温度より高くなつているので、ヒーターをＯＦＦ
させるＬ_Ｏ信号を出力する（ステツプ１０６）。その
後、ステツプ１０１に戻る。

一方、Ｖ_Ｈ＜Ｖ_PGの場合は、λ＜１．０となつているの
で、電流Ｉ_Ｐは（１０）式により計算する（ステツプ１
０７）。このＩ_Ｐと（９）式より内部抵抗を計算する
（ステツプ１０８）。以上により、内部抵抗ｒを求めた
後は、ステツプ４に進み以下先ほどと同様のフローによ
りヒーターを制御する。以上のフローは、アナログ回路
でも処理できるが、Ａ／Ｄ変換してマイクロコンピュー
タ５に入力し、デジタル的に処理する方が有利である。

第１７図は、ヒーター制御するための回路の結線図であ
る。検出装置の駆動回路４１より前述した出力Ｖ_PH，Ｖ
_ＨをＡ−Ｄ変換起４２に入力する。Ｖ_PH，Ｖ_Ｈに対応し
たデジタル値をマイクロコンピュータ５に入力する。マ
イクロコンピュータ５内では、第１６図に示したフロー
が実行され、コンパレータ４３に、Ｈｉ，Ｌ_Ｏ信号が出
力される。Ｈｉ信号が出力されると、コンパレータ４３
はトランジスタＴ_r1のベースにＬ_Ｏが信号され、トラン
ジスタＴ_r1は導通状態になり、ヒーター４０に電流が流
れ、固体電解質１が加熱される。

一方、マイクロコンピュータ５からＬ_Ｏ信号が出力され
ると、コンパレーター４３はＨｉ信号を出力し、トラン
ジスタＴ_r1は非導通状態となり、ヒーター４０には、電
流が流れない。以上のようなハードによりヒーターの制
御が実行され、固体電解質１の温度は常に一定に制御さ
れる。

第１８図には、ヒーターを制御する別の方法を示してい
る。この方法は、第１８図（ａ）に示したように、電流
Ｉ_Ｐを流す期間ｔ_１と、起電力Ｅを測定する期間ｔ_ｅの
他に、固体電解質１の内部抵抗ｒを一定値の電流値を流
すことにより測定するための期間ｔ_ｈを新らたに設ける
方法である。第１８図（ｂ）に示したように、期間ｔ_ｈ
には、定電流Ｉ_Ｈを流しこの時の端子電圧Ｖ_HCを検出す
ることにより、内部抵抗ｒを測定する。この時、第１８
図（ｃ）に示したように、電流Ｉ_Ｈは、酸素を拡散抵抗
体２内に送り込むような方向に流す。このため、端子電
圧Ｖ_HCは、次のように表わされる。

Ｖ_HC＝ｒＩ_Ｈ−Ｅ …（１１）Ｖ_HC∝ｒ …（１２）（１２）式からわかるように、電圧Ｖ_HCは、Ｉ_Ｈ，Ｅが
既知のために、内部抵抗ｒの関数となる。すなわち、こ
の電圧Ｖ_HCを測定して一定値になるようにヒーターを制
御すれば、精度の高い温調が可能となる。なお、第１８
図（ａ），（ｂ）に示した実線の特性は、λ＞１の場合
のもので、一点鎖線の特性は、λ＜１のものである。第
１８図（ｂ）に示したように、λ＜１の場合は、電流Ｉ
_Ｐの方向はλ＞１とは反対方向なので負の値で示した。

なお、期間ｔ_ｈにおいて、電流Ｉ_Ｈを第１８図（ｃ）の
方向に流すことは、排気側に酸素を送り込む方向なの
で、リツチ域において、固体電解質１を保護する意味に
もなる。

第１９図は、第１８図の動作を実現するための回路構成
である。マイクロコンピューター５のＡ端子からは、ｔ
_１間だけＯＮする信号が出力され、Ｂ端子からは、ｔ_ｅ
間だけＯＮする信号が出力され、Ｃ端子からはｔ_ｈ間だ
けＯＮする信号が出力される。このため、ｔ_ｈ間は、ス
イツチＳＷ_３のみが導通状態となる。このスイツチＳＷ
_３が導通すると、定電流源４４から固体電解質１に定電
流Ｉ_Ｈが流れる。この時の端子電圧Ｖ_HCを、コンデンサ
Ｃ_３とバツフアアンプＡ_５によりサンプルホールドす
る。このためスイツチＳＷ_３が非導通となつた場合で
も、バツフアアンプＡ_５の出力はＶ_HCのまま保持され
る。この出力Ｖ_HCは、基準電圧Ｖ_refと比較され、Ｖ_HC
＞Ｖ_refの場合は、コンパレータ４５がＯＦＦ信号をト
ランジスタＴｒ₂のベースに出力し、トランジスタＴｒ
_２を導通状態として、ヒーター４０に電流を流し、固体
電解質１を加熱する。一方、Ｖ_HC＜Ｖ_refの場合は、コ
ンパレータ４５がＯＮ信号を出力するので、トランジス
タＴｒ_２は非導通となり、ヒーター４０に電流は流れな
くなる。なお、このＶ_refは、（１１）式により、設定
したい内部抵抗ｒに対応する値を、あらかじめ決定して
おく。以上の方法により、固体電解質１の内部抵抗ｒを
モニターしながら、精度の高い温調が可能となる。

本発明の他の実施例の全体構成を第２０図により説明す
る。電位Ｖ_PGの電圧源６４とバツフア・アンプ６５によ
りなるポテンシヤルグランド回路８４により、アンプ６
５の出力電圧は回路グランドよりポテンシヤルＶ_PGだけ
高い一定値に保持される。この結果、多孔質状の拡散抵
抗体５４を介して、排ガス雰囲気と接触する電極５３部
の電位は常に回路グランドより高い値である故、ジルコ
ニア固体電解質５０中を動く正・負のポンプ電流Ｉ_Ｐの
計測が可能になる。抵抗６６はポンプ電流Ｉ_Ｐの検出抵
抗であり、Ｉ_Ｐを出力電圧ｅ_０に変換して、バツフア・
アンプ６７およびコンデンサ６２からなる出力回路８８
よりエンジン制御用のマイコンへ送信する。

時分割信号発生器８５のパルス列Ａがオフ、Ｂがオンで
あるものとする。このとき、ＣＭＯＳなどからなるスイ
ツチ６８と６９はＯＦＦの状態になる。スイツチ６９が
ＯＦＦになると、積分回路８７から電極５２へ供給され
る励起電圧はなくなる故、ジルコニア固体電解質５０中
を流れるポンプ電流Ｉ_Ｐは強制的に零にされる。この
時、電極間の差電圧は起電力ｅλの成分のみである故、
これを抵抗７１〜７４及びアンプ７５からなる差動増幅
回路８９で検出する。この結果、オーム損過電圧の影響
を受けることなく、起電力ｅλを高い精度で検出でき
る。スイツチ７６はＯＮ状態にあるので、差動増幅回路
８９で検出されたｅλ値はすばやくコンデンサ７７とア
ンプ７８からなるホールド回路８６へ転送される。この
ｅλ値は、積分回路８７へ入力され基準電圧Ｅ_refと比
較される。積分器回路８７の時定数τは抵抗７９とコン
デンサ８０の値から決まり、数〜数十ｍｓの値に設定さ
れる。また、基準電圧Ｅ_refは０．３〜０．６ボルトの
値に設定される。ｅλ＜Ｅ_refのとき、電極５２へ印加
される励起電圧が大きくなるように作用する。これに対
して、ｅλ＞Ｅ_refのとき、励起電圧が小さくなるよう
に作用する。

次に、時分割信号発生器８５のパルス列Ａ及びＢが反転
すると、スイツチ６９はＯＮ状態になり、励起電圧が積
分回路８７より電極５２へ印される。ｅλ＜Ｅ_refのと
き、励起電圧が大きくなる故、リーン状態のとき電極５
３部の酸素を多く引き抜き、リツチ状態のとき電極５３
部へ供給する酸素を少なくするように作用し、ｅλがＥ
_refになるように励起電圧がフイードバツク制御され
る。

逆に、ｅλ＞Ｅ_refのとき、励起電圧が小さくなる故、
リーン状態のとき電極５３部の酸素を少なく引き抜き、
リツチ状態のとき電極５３部へ多くの酸素を供給するよ
うに作用し、同様にｅλがＥ_refになるように励起電圧
がフイードバツク制御される。これらは、電気化学的な
Ｏ_２ポンプ作用によつて平衡状態にフイードバツク制御
される。なお、励起電圧がサンプルされないように、ス
イツチ７６はＯＦＦ状態になる。逆に、スイツチ６８は
ＯＮ状態になつており、検出抵抗６６によつて検出され
たポンプ電流Ｉ_Ｐに対応した電圧がサンプルされて、コ
ンデンサ６２と、バツフア・アンプ６７からなる出力回
路８８より出力電圧Ｖ_outとして出力される。

このように、交互な繰返えすことによつて、リツチ、理
論空燃比及びリーン領域の空燃比を連続的に検出するこ
とができる。

なお、起電力検出の時間は拡散抵抗体５４部におけるガ
スの拡散によつて、起電力ｅλは少しずつ変化する故、
数ｍｓ以下にしなければならない。

また、限界電流値Ｉ_Ｐが大きい値になるように、拡散抵
抗体５４を製作した場合、スイツチ６９がＣＭＯＳなど
で構成されるとき、その内部抵抗によつて生ずる電圧降
下が大きくなるので、トランジスタの如きスイツチが望
しい。このとき、両方向（正，負）の電流を流す必要が
あり、２つのトランジスタをペアに用い双方向の電流移
動を可能にしなければならない。

また、積分回路８７はゲインを適当に選んだ差動増幅器
で構成しても良い。

いずれにしても、第２０図の構成により両電極間に作用
する励起電圧は器電力ｅλより数倍大きくなつても、空
気過剰率λを高い精度で検出できた。

この結果、ジルコニア固体電解質５０の温度が低くても
（実験では６００℃以上）動作することにより、ヒータ
の電力が低減し、その耐久性が向上した。

なお、リツチ状態の環境に数十分から数時間と長い間、
連続的に本センサをおいた場合、電極５３部近傍のジリ
コニア固体電解質５０が局所的に電子伝導に移行するた
めか、出力特性にヒステリシスが発生した。このような
評価結果の一例を第２１図に示す。これは合成ガスを用
い、λ＝１．５から空気過剰率λを一様な速度で小さく
し、約１０分でλ＝０．７３まで低下させた。そして、
λ＝０．７３のリツチ雰囲気に約７０分間、連続的に放
置し、その後一様な速度でλを大きくし、約１０分でλ
＝１．５まで上昇させたときのヒステリシス特性を示し
たものである。図に示すように、出力電圧特性にヒステ
リシス現象が生じた。ヒステリシスの大きさは、リツチ
雰囲気に放置する時間が長い程、また放置するときのλ
値が小さいほど、ヒステリシスが大きくなりやすい傾向
があつた。

実エンジンでも、運転状態によつてはリツチ雰囲気に長
い間さらされることがあり得るので、このようにヒステ
リシス現象の発生は制御上、好ましくないことは言うま
でもない。

実験的なこのような傾向から基本的には、リツチ雰囲気
でジリコニア固体電解質５０に印加する励起電圧の時間
を少なくすれば良いことが予想される。この対策方法を
第２０図に示した回路構へを適用することにした。

この対策方法を第２２図に示す。時分割信号発生器８５
を出力電圧Ｖ_outの大きさに応じて制御し、パルス列Ａ
及びＢを時々、区間Ｚで示すように休止させる方法であ
る。この結果、第２０図中のスイツチ６９が区間Ｚに応
じて比較的長い間（数十〜数百ｍｓ）ＯＦＦになり、こ
の間ジルコニア固体電解質５０への励起電圧の印加が停
止される。区間Ｚの長さはＶ_outが小さいほど、即ちλ
値が小さい程長くまた、そのひんどを多くするのが効果
的である。時々刻々の瞬時空気過剰率の測定はある程
度、ぎせいになるが、これは制御上のアルゴリズムに工
夫を施すことにより、実使用上問題がない程度まで制御
精度を改善することが可能である。

次に、本検出装置をエンジンの空燃比制御を用いた場合
の、応用上の利点について説明する。

本検出装置は、拡散抵抗体２が目づまり等の原因によ
り、経時変化した場合には、出力も経時変化する。しか
し、λ＝１．０においては、Ｉ_Ｐ＝０となるために、出
力Ｖ_outは、Ｖ_PGとなる。つまり、この時は、Ｉ_Ｐを流
していないために、拡散抵抗体２の状態に関係なく、出
力は常にＶ_PGとなる。つまり、λ＝１では、Ｉ_Ｐを流し
酸素を移動させなくても、拡散抵抗体２内の酸素濃度分
布は常にＰ_Ｏ（Ｐ_Ｏ≒０）一定となる。これは、排気中
の酸素濃度がすでにＰ_Ｏとなつているためである。以上
のように、λ＝１．０では、酸素の移動や拡散がないた
めに、拡散等抗体２が経時変化してもＶ_outは常にＶ_PG
一定となる。

ここで、出力が経時変化したとしても、λ＝１．０にお
ける出力はＶ_PGのままである。つまり、本検出装置にお
いては、λ＝１．０の空燃比は、従来の理論空燃比を検
出する酸素センサと同様の精度で測定できる。このた
め、エンジンの制御空燃比を負荷によつて変化させる場
合、λ＝１．０に制御するときに、燃料噴射弁の噴射量
に加える補正量を決定する。

ここで噴射幅Ｔ_Ｐは、Ｔ_P＝Ｔ_B（１＋Ｋ₁＋Ｋ₂……） …（１３）ここで、Ｋ_１：空燃比検出器による補正係数Ｋ_２以降：空燃比検出以外による補正係数（例えば水温補正など）となる。λ＝１．０において、Ｋ_１を決定し、他の空燃
比へ制御する場合もこの補正係数Ｋ_１を利用する。

以上により、精度の高い空燃比補正が可能となる。

以上説明した本発明の各実施例によれば、以下のような
効果がある。

（１）リーンからリツチまでの巾広い空燃比範囲にわた
つて検出が可能となる。

（２）起電力Ｅλを検出し、このＥλが一定となるよう
に、励起電圧Ｖ_Ｐを制御している。したがつて、第９
図，第１１図で説明したように、固体電解質の温度が低
く（約６００℃）、内部インピーダンスが比較的大きい
場合でも、測定が可能である。したがつて、ヒータの所
要電力を低下させることができ、センサ部分の耐久性も
向上する。

（３）また、第１２図で説明したように、励起電圧Ｖ_Ｐ
を可変するため、空燃比が大きくなつても出力のゲイン
はかわることはない。

（４）リツチ領域で長く使用されると、固体電解質が電
子伝導性を帯び、出力特性にヒステリシスを生じるよう
になるが、このような場合にも、時分割タイプにあつて
は、固体電解質中を流れる電流を零とすることにより、
電子伝導化を防止できる。

（５）固体電解質の内部抵抗値を用いて、ヒータへの通
電を制御することにより、固体電解質の温度を一定に保
ち、検出精度を上げられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、リーンからリツチまでの広範囲の空燃
比の検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いるセンサ部の一例の部分断面図
である。第２図は、本発明に用いるセンサ部の他の例の
部分断面図である。第３，４，５図は、本発明の原理説
明図である。第６図は、本発明の一実施例の概念図であ
り、第７〜１２図は、本発明の一実施例の動作および特
性説明図である。第１３図は、本発明の一実施例の構成
図であり、第１４図は、その実験結果図である。第１５
〜１７図は、本発明の他の実施例の説明図である。第１
８，１９図は、本発明のその他の実施例の説明図であ
る。第２０，２１図は、本発明のさらにその他の実施例
の説明図である。第２２図は、本発明のさらに、また、
その他の実施例の説明図である。１，１０，２０，５０……固体電解質、３ａ，３ｂ，２
２，２３，５２，５３……電極、２，２４，５４……拡
散抵抗体、５……マイクロコンピュータ、６……サンプ
ルホールド回路、７……差動積分回路、８……出力回
路、４……ポテンシヤルグランド回路、４０……ヒー
タ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 7363−2Ｊ３２７Ｎ (72)発明者大須賀稔茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者大山宜茂茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質と、前記固体電解質の一方の面
に形成された第１の電極と、前記固体電解質の他方の面
に形成され、大気雰囲気に接触する第２の電極と、前記
第１の電極上に形成され、前記第１の電極へのガスの拡
散を律する拡散抵抗体とを備えた空燃比検出装置におい
て、前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生する
起電力を測定する第１の期間と、前記起電力が所定の値
となるように前記第１の電極と前記第２の電極との間に
印加する電圧を制御し、その時に流れる電流を空燃比を
あらわす信号として検出する第２の期間とを交互に繰り
返す検出回路を備えたことを特徴とする空燃比検出装
置。