JPH0545183B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は空燃比測定装置に関するものであり、
特に、該測定装置を構成するセンサ（空燃比検出
器）を損傷の危険から十分に保護することができ
る空燃比測定装置に関するものである。

（従来の技術） 従来から、セラミツクとしたジルコニアは室温
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知られている。また
高温下でのジルコニアは、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からジルコニア板の両
主面側の酸素濃度の相違に応じた起電圧が得られ
る。すなわち、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（ネルンストの式）から算出で
きるので、ジルコニアは酸素濃度検出素子として
用いられることができる。

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、ジルコニア板の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。

従来から、前記のジルコニアの酸素濃度検出作
用およびポンピング作用を組み合せてなる空燃比
検出器が知られている。

第２図は、前記空燃比検出器を用いた従来の空
燃比測定装置の一例を示す回路図である。

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
度検出の動作を行なう第１のジルコニア２とポン
ピング動作を行なう第２のジルコニア３と、前記
第１および第２のジルコニア間に設けられた中空
室４と、前記第１および第２のジルコニア２，３
のそれぞれの両主面に、例えば白金等によつて形
成された薄膜状の電極５とからなる。

第２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
よい。

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、第１のジルコニア２の外側の電極５ａ
は駆動増幅器７の（−）入力端子と、また第２の
ジルコニア３の外側電極５ｄは前記駆動増幅器７
の出力端子とそれぞれ接続されている。

駆動増幅器７の（＋）入力端子には基準電圧
Erが印加されている。なお、検出器１は、第２
図の回路に対して着脱可能となつている。

前記構成からなる空燃比測定装置では、例えば
内燃機関の排気ガスから、空燃比を検出すること
ができる。空燃比検出の際には、前記第１のジル
コニア２の外側主面（電極５ａ側）は大気に接
し、また第２のジルコニア３の外側主面（電極５
ｄ側）は濃度拡散により流れて来た排気ガスと接
するようにされる。故に、中空室４内には小孔６
を介して排気ガスが流入する。

以下、空燃比が大きい希薄燃焼時の場合と、空
燃比が小さい過濃燃焼時の場合とに分けて、第２
図の動作を説明する。

(1) 希薄燃焼時の動作 希薄燃焼時は、排気ガス中に比較的多量の残留
酸素が存在する。このような排気ガスが中空室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。この為に、第１のジルコニア２で生ずる起
電圧、すなわち電極５ａ，５ｂ間（酸素濃度検出
電極間）の電圧Ｅは基準電圧Erよりも小さくな
る。

したがつて、希薄燃焼時には、駆動増幅器７の
出力は正となり、基準電圧Erと前記起電圧Ｅの
差に応じた矢印Ａ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 過濃燃焼時には、排気ガス中に比較的多量の水
素および一酸化炭素が存在する。このような排気
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および二酸化炭素と
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Crとの濃度差が
大きくなる。

この為に、駆動増幅器７の（−）入力端子に印
加される電圧（第１のジルコニア２で生ずる起電
圧）Ｅは基準電圧Erよりも大きくなる。したが
つて、過濃燃焼時には、駆動増幅器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（排気ガス中の酸素）が、ジルコニアのポン
ピング作用によつて中空室４内に取り込まれる。
そして、前記負方向のポンピング電流によつて取
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空燃比測定装置
において、空燃比は、前記(1)，(2)の動作時でのポ
ンピング電流に基づいて、周知の式より、排気ガ
ス中の酸素濃度または水素、一酸化炭素濃度を算
出し、該算出値より演算により求めることができ
る。

ところで、検出器１の使用に際しては、第２の
ジルコニア３に過大な電力を供給してはならない
という制限がある。その理由は、過大な電力を供
給した場合には、第２のジルコニア３が加熱さ
れ、電極５ｄ、したがつて検出器１が熱損傷する
ことになるからである。

第２のジルコニア３での消費電力は、ポンピン
グ電流と、電極５ｄ，５ｃ間（ポンピング電流供
給電極間）の電圧の積で決定される。

前記ポンピング電流は、第２図の動作説明から
明らかなように、排気ガス（被測定ガス）の酸素
濃度または水素、一酸化炭素濃度に比例して決定
される正または負の値を有する。また、電極５
ｄ，５ｃ間の電圧は、主に前記ポンピング電流と
該電極５ｄ，５ｃ間の内部抵抗の積で決定され
る。

ところで、電極５ｄ，５ｃ間の内部抵抗は、主
に検出器１の温度に依存し、検出器１の温度が低
い時（約600℃以下）には内部抵抗が非常に大き
く、特に室温では数10MΩとなる。

そこで、第２のジルコニア３への過大電力の供
給をなくし、検出器１の熱損傷を避ける為に、検
出器１を、空燃比測定装置の電源投入と同時に、
検出器自体に内蔵されているか、または外付けさ
れているヒータにより、動作温度（通常700℃位）
にまで加熱している。

しかし、次のような場合は、電極５ｄ，５ｃ間
の内部抵抗が大きく、第２のジルコニア３に過大
な電力が供給されることとなるので、ポンピング
電流の供給を阻止し、検出器１が熱損傷すること
を予防する必要がある。

(a) 空燃比測定装置への電源投入後、検出器１が
前記した動作温度に達していない場合。

(b) 空燃比測定装置の使用中に新たな検出器１に
交換し、いまだ該検出器１が前記した動作温度
に達していない場合。

(c) 検出器１を加熱するヒータが断線した場合。

(d) 被測定ガスにより検出器１が過度に冷却され
た場合。

なお、以上の場合には、検出器１が正しい動
作をせず、したがつて正確な空燃比を算出する
こともできない。

また次の場合は、ポンピング電流が過大とな
るのでこれを制限し、検出器１が熱損傷するこ
とを予防する必要がある。

(e) 被測定ガス中の酸素濃度または水素、一酸化
炭素濃度が過濃な場合。

第３図は前記した検出器１が熱損傷する場合を
考慮して、これをできるだけ予防する為に案出さ
れた従来の空燃比測定装置の一例を示す回路図で
ある。図において、第２図と同一の符号は、同一
または同等部分をあらわしている。

第３図の特徴は、駆動増幅器７の出力端子と電
極５ｄとの間に、ポンピング電流制限回路８およ
び、タイマ９の出力信号により開閉するスイツチ
回路１０を設けるようにした点にある。

タイマ９は、空燃比測定装置の電源投入に応じ
て既知の適宜の手段により計数を開始し、予定時
間が経過するとスイツチ回路１０にカウントアツ
プ信号を出力する。この結果、スイツチ回路１０
は、電源投入から検出器１が動作温度に達するで
あろう予定時間経過（通常、10〜30秒）後に、閉
状態になる。これにより第２のジルコニア３にポ
ンピング電流が供給される。

また、前記ポンピング電流は、その正負の電流
が予定値よりも過大となつた時にはポンピング電
流制限回路８により予定値に制限されることにな
る。

したがつて、第３図の回路によれば、前記ａの
場合には、ポンピング電流の供給を阻止すること
ができ、またポンピング電流が過大となるｅの場
合にも、該ポンピング電流を予定値に制限するこ
とができる。故に、これらに起因する検出器１の
熱損傷は予防される。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、第３図の回路では、ポンピング
電流を阻止しなければならない前記ｂ、ｃ、ｄの
場合において、ポンピング電流の供給を阻止でき
ず、したがつてこれらの場合には検出器１を熱損
傷させてしまうという問題点があつた。

本発明は、前述の問題点を解決するためになさ
れたものである。

（問題点を解決するための手段および作用） 前記の問題点を解決するために、本発明は、駆
動増幅器の出力側とポンピング電流供給電極の一
方との間に配され、前記ポンピング電流供給電極
の一方を駆動増幅器の出力側または定電流回路と
選択的に接続する切り換え手段と、前記切り換え
手段を、計数待機状態および時間計数状態では前
記定電流回路に、カウントアツプ後は検出器の出
力側にそれぞれ切り換えるタイマと、前記切り換
え手段の出力側とタイマとの間に設けられ、前記
タイマを計数待機状態または時間計数状態とする
電圧比較器とを設けるようにし、前記電圧比較器
は、ポンピング電流供給電極間の電圧がポンピン
グ電流供給電極を損傷する虞れがある予定の上限
電圧および下限電圧の範囲外にある時は前記タイ
マを計数待機状態にし、前記上限電圧および下限
電圧の範囲内にある時は前記タイマを時間計数状
態にし、また前記タイマは空燃比測定装置の電源
投入と同時に計数待機状態になるようにした点に
特徴がある。

（実施例） 以下に図面を参照して、本発明を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の一実施例の回路図である。図
において、第３図と同一の符号は、同一または同
等部分をあらわしている。

第１図において、切り換えスイツチ１１は電極
５ｄと駆動増幅器７との間に設けられ、タイマ１
２の出力信号により、可動接点１１ａが固定接点
１１ｂ，１１ｃのいずれか一方に切り換わる。

すなわち、、タイマ１２が計数待機状態または
時間計数状態にあるときは可動接点１１ａが固定
接点１１ｃ側に接し、、抵抗Ｒ１および電源１３
からなる定電流回路１５と電極５ｄとが接続され
る。

また、タイマ１２が予定時間の計数を完了（カ
ウントアツプ）してカウントアツプ信号を出力す
ると、可動接点１１ａが固定接点１１ｂ側に接す
るので、ポンピング電流制限回路８を通して駆動
増幅器７の出力端子と電極５ｄとが接続される。

電源１３から第２のジルコニア３に供給される
電流は、ポンピング電流制限回路８から出力され
る電流（数mA程度の正負の電流）よりも十分に
小さな値（数μA以内）となるように抵抗Ｒ１に
より規制される。

電源１３の電圧Eoは、後記する電圧比較器１
４の上限電圧（正電圧）Vpよりも十分高く設定
されている。なお、タイマ１２は、空燃比測定装
置の電源投入と同時に既知の適宜の手段により計
数待機状態になる。

電圧比較器１４は、第２のジルコニア３に印加
される電圧が予定の上限電圧Vpを越えるか、ま
たは下限（負電圧）Vmよりも小さい時に、前記
タイマ１２を計数待期状態にし、前記上下限の電
圧Vp、Vmの範囲内にある時はタイマ１２を時
計計数状態とするように動作する。

前記上下限の電圧Vp、Vmの絶対値は、検出
器１の正常な動作状態における第２のジルコニア
３に生じ得る電圧の絶対値（2v程度）よりも大
きく、かつポンピング電流制限回路８の最大出力
電流と、この時に第２のジルコニア３に生じる電
圧の積で決定される電力が、検出器１を損傷させ
ない最大電力と等しくなる時の電圧以下となるよ
うに設定される。本発明者の実験によれば、通常
３〜6V程度である。

また、駆動増幅器７の（−）入力端子側は抵抗
Ｒ２を通して接地されている。この抵抗Ｒ２の値
は検出器１の酸素濃度検出電極間（電極５ａ，５
ｂ間）の室温時における内部抵抗の値（数10M
Ω）よりも小さく、かつ加熱時（600℃以上）の
値（数ＫΩ）よりも十分大きな値に設定されてい
る。通常は1MΩ程度に設定することができる。

次に本実施例の動作について説明する。

(1) 空燃比測定装置に電源を投入すると、タイマ
１２が計数待期状態とされ、切り換えスイツチ
１１が図示の状態となるので、電極５ｄは定電
流回路１５と接続される。この電源投入直後に
おいては、検出器１はほぼ室温に近いので、電
極５ｄ，５Cc間の内部抵抗は非常に高くなつ
ている。

この結果、抵抗Ｒ１を通つて電源１３から供
給される微小電流によつて電極５ｄ，５ｃ間に
生じる電圧は、電圧比較器１４の上限電圧Vp
よりも高い値となる。この結果、前記タイマ１
２は計数待期状態を保持し、計数動作を開始し
ない。

(2) 空燃比測定装置に電流が投入されると、検出
器１に内蔵されているか、または外付けされて
いるヒータ（図示せず）が検出器１の加熱を開
始する。これにより検出器１の温度は上昇し、
これに伴い電極５ｄ，５ｃ間の内部抵抗は急速
に降下する。

電極５ｄ，５ｃ間の内部抵抗がある値（例え
ば10KΩ）となり、該電極５ｄ，５ｃ間の電圧
が前記上限電圧Vp以下になると、電圧比較器
１４はタイマ１２を計数待機状態から時間計数
状態にする。これによりタイマ１２は計数動作
を開始する。

(3) 検出器１が動作温度になるであろう予定時間
が経過すると、タイマ１２はカウントアツプ信
号を出力する。この結果、切り換えスイツチ１
１の可動接点１１ａは固定接点１１ｂ側に切り
換わる。

これにより、電極５ｄはポンピング電流制限回
路８を通して駆動増幅器７の出力端子と接続さ
れ、空燃比測定装置の正規の動作が開始する。な
お、動作温度における電極５ｄ，５ｃ間の内部抵
抗は、通常10Ω程度である。

次に、空燃比測定装置の使用中すなわち該測定
装置に電源が投入されている状態において、検出
器１を交換する際の動作について述べる。

検出器１が交換等の為に第１図の回路から切断
されると、駆動増幅器７の（−）入力端子側は抵
抗Ｒ２により接地電位となる為に、（＋）入力端
子側の基準電圧Erよりも低くなる。

この結果、電圧比較器１４に加わる電圧は上限
電圧Vpよりも高くなり、タイマ１２は計数待期
状態とされ、切り換えスイツチ１１が図示の状態
となる。電源１３の電圧Eoは、前記したように
上限電圧Vpよりも十分高く設定されているので、
この状態は保持される。

そして、交換された新たな検出器１が接続され
ると、空燃比測定装置は前記した(2)、(3)の動作を
経て正規の動作を開始するようになる。

なお、抵抗Ｒ２は、空燃比測定装置の正規の動
作時の電極５ａ，５ｂ間の内部抵抗よりも十分大
きく設定されているので、該測定装置の正規の動
作時における動作には何らの影響も与えない。

次に、被測定ガスにより検出器１が過度に冷却
された場合の動作について説明する。

前述したように、被測定ガスにより検出器１が
過度に冷却されると、検出器１の温度の下降に従
つて電極５ｄ，５ｃ間の内部抵抗は増大する。

この時、駆動増幅器７から出力されるポンピン
グ電流が変化しないとすると、この内部抵抗の増
大に伴なつて電極５ｄ，５ｃ間の電圧は上昇し、
電圧比較器１４の上下限の電圧Vp、Vmを越え
るようになると、タイマ１２は計数待期状態とさ
れ、切り換えスイツチ１１が図示の状態になる。
すなわち、空燃比測定装置の正規の動作状態は中
断される。

この状態から、第２のジルコニア３の温度が上
昇して電極５ｄ，５ｃ間の電圧が電圧比較器１４
の上下限の電圧Vp、Vmの範囲内になると、タ
イマ１２はただちに計数動作状態に移行する。そ
の後、予定時間が経過してタイマ１２からカウン
トアツプ信号が出力され、可動接点１１ａが固定
接点１１ｂの側へ切り換わると空燃比測定装置は
正規の動作状態となる。

この時、検出器１の温度が空燃比測定装置の正
規の動作状態を維持できるまでに復帰していない
場合は、タイマ１２の計数待期状態→可動接点１
１ａの固定接点１１ｃ側への切り換え→タイマ１
２の計算動作開始→タイマ１２からのカウントア
ツプ信号出力→可動接点１１ａの固定接点１１ｂ
側への切り換え→タイマ１２の計数待期状態とい
う循環動作を繰り返えすことになる。

なお、被測定ガスにより検出器１が過冷却の状
態にあり、かつ被測定ガスの酸素濃度または水
素、一酸化炭素濃度が過濃な状態にあつては、そ
れ以外の過冷却の場合に比べて、検出器１の温度
降下による電極５ｄ，５ｃ間の内部抵抗の増大が
小さくても、電極５ｄ，５ｃ間の電圧は、上限電
圧Vpまたは下限電圧Vmを越えることとなるの
で、タイマ１２はより一層早く計数待期状態とな
ることは容易に理解できるであろう。

次に、検出器１を加熱するヒータが断線した場
合の動作について説明する。

ヒータが断線すると、検出器１の温度が下降
し、これに応じて電極５ｄ，５ｃ間の内部抵抗は
増大する。この内部抵抗の増大に伴つて電極５
ｄ，５ｃ間の電圧が上昇し、電圧比較器１４の上
限電圧Vpまたは下限電圧Vmを越えるようにな
ると、タイマ１２は計数待期状態にされ、切り換
えスイツチ１１が図示の状態となる。

ヒータが断線の場合には、前記内部抵抗が減少
することはないので、その後もこの状態を継続す
る。なお、空燃比測定装置の電源投入の際に、ヒ
ータが断線しているような場合にあつては、電源
投入と同時にタイマ１２が計数待機状態にされ、
この状態のまま継続するようになる。

以上の説明では、駆動増幅器７の（−）入力端
子側を、抵抗Ｒ２を通して接地するようにした
が、該抵抗Ｒ２は必ずしも必要ではない。

すなわち、抵抗Ｒ２がなくても検出器１を切断
した状態では、駆動増幅器７から電圧比較器１４
へ印加される電圧は、上限電圧Vpを越えるかま
たは下限電圧Vmよりも小さい値であるのが通常
であり、したがつて前記検出器の交換時の動作は
正常に行なわれるからである。

ただし、抵抗Ｒ２を設けた場合には、駆動増幅
器７の（−）入力端子側が浮動状態とならないの
で、検出器の交換時における駆動増幅器７の動作
は安定するようになる。

また、電圧比較器１４によつてタイマ１２が強
制的に計数待機状態にされる時には、その旨を示
す表示器を設けるようにすれば、検出器１の無接
続状態か、またはヒータの断線かを容易に判別で
きると共に、比較的短い時間内に、例えば表示器
であるランプが点灯および消灯を繰り返えす場合
には、被測定ガスの温度が低すぎる状態であるこ
とを容易に検知できる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、つぎのような効果が達成される。

(1) 空燃比測定装置の使用中に新たな検出器を交
換接続した場合、検出器を加熱するヒータが断
線した場合、または被測定ガスにより検出器が
過度に冷却された場合においてもポンピング電
流供給電極に過大な電力が供給されない為に、
検出器の完全な保護が図れる。

(2) また、電圧比較器によつてタイマが強制的に
リセツトされる時には、その旨を示す表示器を
設けるようにすれば、検出器の無接続状態およ
びヒータの断線のいずれか一方であることを容
易に判別できると共に、被測定ガスの温度が低
すぎる状態であることも容易に検知できる。

(3) また、本発明では検出器が正常な動作状態で
ない時には空燃比測定を行なわないようになる
ので、本発明を実際の車に搭載した場合にも誤
つた計数値に基づく制御動作がなされることな
く、該車の信頼性の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図である。第
２図は従来の空燃比測定装置の一例を示す回路図
である。第３図は従来の空燃比測定装置の他の例
を示す回路図である。 １…検出器、２…第１のジルコニア、３…第２
のジルコニア、４…中空室、５，５ａ〜５ｄ…電
極、６…小孔、７…駆動増幅器、８…ポンピング
電流制限回路、１１…切り換えスイツチ、１２…
タイマ、１３…電源、１４…電圧比較器、１５…
定電流回路、Ｒ１，Ｒ２…抵抗、Er…基準電圧。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素濃度検出用ジルコニア板、ポンピング用
   ジルコニア板、前記酸素濃度検出用ジルコニア板
   の両主面に形成された酸素濃度検出電極、前記ポ
   ンピング用ジルコニア板の両主面に形成されたポ
   ンピング電流供給電極、前記両ジルコニア板の対
   向面間に形成されている中空室、前記ポンピング
   用ジルコニア板の外方主面側の被測定ガスを前記
   中空室内に導入させる為に前記ポンピング用ジル
   コニア板に形成された被測定ガス導入手段からな
   る空燃比検出器と、一入力端子が酸素濃度検出電
   極の一方に接続され、他入力端子が基準電圧に接
   続されており、酸素濃度検出電極間の電圧と基準
   電圧との差に応じた正負のポンピング電流を前記
   ポンピング用ジルコニア板に出力する駆動手段と
   を有する空燃比測定装置において、 前記駆動手段の出力側とポンピング電流供給電
   極の一方との間に設けられ、ポンピング電流供給
   電極の一方を駆動手段の出力側および定電流回路
   の一方に選択的に接続する切り換え手段と、前記
   切り換え手段を計数待機状態および時間計数状態
   では前記定電流回路に、カウントアツプ後は駆動
   手段の出力側に切り換え制御を行なうタイマと、
   前記切り換え手段の出力側と前記タイマとの間に
   設けられ、前記タイマを計数待期状態または時間
   計数状態にする電圧比較器とを具備し、前記電圧
   比較器は、ポンピング電流供給電極間の電圧が予
   定の上限電圧および下限電圧の範囲外にある時は
   前記タイマを計数待機状態にし、前記上限電圧お
   よび下限電圧の範囲内にある時は前記タイマを時
   間計数状態にし、また前記タイマは空燃比測定装
   置の電源投入と同時に計数待期状態になることを
   特徴とする空燃比測定装置。 ２ 前記駆動手段の正負のポンピング電流の絶対
   値が、予定値よりも大となつた時には、これを予
   定値に制限するポンピング電流制限手段を設けた
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載
   の空燃比測定装置。 ３ 前記駆動手段の一入力端子側を抵抗を介して
   接地すると共に、該抵抗の値を室温時における酸
   素濃度検出電極間の内部抵抗の値よりも小さく、
   かつ加熱時の前記内部抵抗の値よりも大きく設定
   したことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項
   または第２項記載の空燃比測定装置。 ４ 前記タイマが電圧比較器によつて強制的に計
   数待期状態にされた旨を表示する表示手段を設け
   たことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項、
   第２項または第３項記載の空燃比測定装置。