(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス側の電極と空気側の電極とを有するセンシングセル及びポンピングセルを備え、排気ガス側のポンピングセルの電極とセンシングセルの電極とが共有されるか、又は、空気側のポンピングセルの電極とセンシングセルの電極とが共有される平板型空燃比感知センサを駆動するために、
前記センシングセルの測定電圧と制限電流範囲内で前記センシングセルが感知する所定の基準電圧とを比較して、その差に比例する電圧を出力するための比較器と、
燃料希薄領域から燃料過多領域にかけて空燃比による前記ポンピングセルの印加電圧が前記電流制限範囲内に位置するように予め選択された電圧を前記比較器の出力電圧に加算するための加算器と、
前記加算器から出力される前記ポンピングセルの印加電圧から前記ポンピングセルへと流れる電流を感知して空燃比を検出するための空燃比検出器とを具備することを特徴とする平板型空燃比感知センサ駆動回路。
【請求項２】
前記比較器はセンシングセルの測定電圧と所定の基準電圧とを比較して、その差に比例する電圧を出力する電圧比較器と、
前記電圧比較器の出力を積分して前記電圧比較器の出力が０になっても一定な直流電圧を出力する積分器とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の平板型空燃比感知センサ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は平板型空燃比感知センサに係り、特に燃料混合ガスの燃焼以後発生する排気ガス中の酸素と還元性ガスを感知して燃料混合ガスの空燃比(空気と燃料の混合割合)を感知する平板型空燃比感知センサ及びその駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車のエンジンは空燃比に応じてエンジンの出力、燃料消費量及び排気ガス量が変わるので、空燃比感知センサを用い空燃比を検出した後、走行条件に応じて最適の空燃比を合わせることが望ましい。
【０００３】
空燃比センサを具現するために各種構造を有するセンサが提案されたが、そのうち体表的なものが図１に示されたNGKで開発した積層型センサである。しかしながら、この積層型センサはポンピングセル(pumping  cell)とセンシングセル(sensing  cell)を別途に具現して積層する方式を用いるため、嵩が大きくなり、積層による工程が複雑になる。かつ、燃料過多領域の排気ガス雰囲気でポンピングセルは低い酸素分圧下のガスから酸素を拡散室に供しなければならないので、排気ガスに露出されたポンピングセルの電極が損なわれやすい短所がある。
【０００４】
かかる問題点を解決するためにNissanでは図２に示されたような一枚の固体電解質上にポンピングセルとセンシングセルとを具現したセンサを提案した(米国特許4,776,943号参照)。このセンサは図１に示したセンサとは異なり、燃料過多領域の排気ガス雰囲気で酸素分圧の高い空気側電極から排気ガス側電極へと酸素を供するので、ポンピングセルの排気ガス側の電極が損なわれることを防止できる。かつ、NGKセンサのポンピングセルの両電極は何時も排気ガスと接するように工夫されている反面、このセンサのポンピングセルは一方の電極が常に空気に露出されている。
【０００５】
このような差により、図１と図２に示された空燃比感知センサの空燃比による電流-電圧特性はそれぞれ図３と図４に示されたように相異なる。しかしながら、図２に示されたNissanセンサは図１に示されたセンサの駆動回路と同一な原理の駆動回路を用いているので、実際センサの駆動で問題が起こり得る。
【０００６】
一方、空燃比感知センサの動作時ポンピングセルは固体電解質を通じて酸素を所望する方向に移動させることにより拡散室内の酸素分圧を調整する役割を果たし、センシングセルはポンピングセルの動作により発生する酸素分圧変化を感知する役割を果たす。故に、センシングセルがポンピング動作による酸素分圧変化を即時に感知するためには、両電極間に気体拡散が不可欠である。ところが、空所での気体拡散は何の苦も無く早い速度で行われるが、両電極間に気体拡散の邪魔物がある場合にはセンシングセルがその変化を感知し難くなる。従って、図２のセンサは気体拡散のための拡散室を有しなければならないが、拡散室を有する拡散制御障壁の製造は大変複雑である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述した従来の問題点を解決するために案出されたものであり、電極の損傷を防止し、センシングセルとポンピングセル間の応答特性を向上させ、気体の拡散制御障壁の制作が簡単な平板型空燃比感知センサを提供するにその目的がある。
【０００８】
かつ、本発明の他の目的は前記平板型空燃比感知センサを駆動するにおいて、燃料過多領域でポンピングセルの内部起電力により電流制限領域が、Vpが０より大きい値の領域に移動することを補うための駆動回路を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明による平板型空燃比感知センサは、酸素イオン電導度を有し、第１面は大気中の空気と接し、前記第１面と反対側の第２面は燃焼排気ガスと接する固体電解質と、前記固体電解質の第１面には第１及び第２電極が付着され、前記第２面には第３電極が付着され、前記第１電極と第３電極は電極間の酸素濃度比に応じて起電力を発生させるセンシングセルとして用いられ、前記第２電極と第３電極は電極間に電圧を印加して前記固体電解質を通じて所望する方向に酸素を移動させるポンピングセルとして用いられる三つの電極と、前記排気ガスが前記第３電極に流入されることを制限する拡散制御障壁とを具備することを特徴とする。
【００１０】
前記拡散制御障壁は内部に前記第３電極が位置し、気体の拡散を制限する多孔質膜からなるか、内部に前記第３電極が位置し気体の拡散を制限する多孔質膜と前記多孔質膜上に位置し気体の拡散を遮る拡散遮断膜からなることが望ましい。
【００１１】
前記他の目的を達成するために本発明による平板型空燃比感知センサ駆動回路は、センシングセルの測定電圧と所定の基準電圧とを比較して、その差に比例する電圧を所定の直流電圧として出力するための比較器と、前記比較器の出力電圧に前記ポンピングセルの自体起電力補償用電圧を加算するための加算器と、前記加算器から出力される前記ポンピングセルの印加電圧から前記ポンピングセルへと流れる電流を感知して空燃比を検出するための空燃比検出器とを具備することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付した図面に基づき更に詳細に説明する。
図５は図２に示された空燃比感知センサを駆動するための本発明によるセンサ駆動回路を示した回路図である。
【００１３】
図５に示した駆動回路は、空燃比感知センサ51のセンシングセルで測定した電圧Vsと設定電圧VO(約450mV)とを比較してその差に比例する電圧を発生する比較器52と、比較器52の出力電圧を積分する積分器53と、積分器53の出力電圧に所定の電圧Vpoを加算した電圧Vpを出力する加算器54と、ポンピングセルに印加される加算器54の出力電圧Vpに応じる電流から空燃比を検出する空燃比検出器55、例えば抵抗Rdとから構成される。ここで、比較器52は演算増幅器(OP11)と、抵抗(R11)と、基準電圧Vo供給源とから構成され、積分器53は抵抗(R12)と、キャパシター(C11)と、演算増幅器(OP12)とから構成され、加算器54は抵抗(R13)と、抵抗(R14)と、設定電圧Vpo供給源と、抵抗(R15)と、演算増幅器(OP13)とから構成され
る。
【００１４】
図６は本発明による平板型空燃比感知センサによる構造図である。
図６に示したセンサは酸素イオン電導度を有する固体電解質31を有し、固体電解質31の両面には第１乃至第３電極32a,32b,33が塗布されている。固体電解質31の下面(第１面)の第１及び第２電極32a,32bは一側が閉鎖されたエアダクト(図示せず)を通して大気中の空気と接する。この内、第１電極32aは排気ガスと空気中の酸素分圧との差に応じて起電力を発生するセンシングセル用の電極であり、第２電極32bは電圧を印加して酸素を所望する方向にポンピングさせるポンピングセル用の電極である。一方、固体電解質31の上面(第２面)の第３電極33は第１電極32aと共にセンシングセルを形成すると同時に第２電極32bと共にポンピングセルを形成する。この際、排気ガス側の第３電極33を共通で用いるので、ポンピングセル動作に応じる変化が即時にセンシングセルに感知されて拡散室が要らなくなる。一方、拡散制御用の多孔質膜35を第３電極33上に塗布して拡散制御障壁として用いることもできる。
【００１５】
かつ、拡散制御用の多孔質膜35の上端に気体の拡散を遮る拡散遮断膜36を設けることもできる。
【００１６】
図７は図６に示された空燃比感知センサの駆動回路を示した回路図であり、比較器72を構成する演算増幅器(OP21)と加算器74を構成する演算増幅器(0P23)の反転入力端子と非反転入力端子とが反対に連結されたことと、設定電圧Voが450mVであることを除くと、図５に示された駆動回路と同一である。
【００１７】
そこで、本発明の平板型空燃比感知センサ及びその駆動回路の動作を図２と図５乃至図７を参照して説明すると次の通りである。
【００１８】
空気と燃料ガスの混合比を空燃比(λ)というが、理論的に空気中の酸素と燃料ガスが完全燃焼され得る比をλ=1とし、これに比べて燃料量が酸素より少ないとλ>1、燃料量が酸素より多いとλ<1の値を有する。λ>1の燃料希薄領域ではλ値が大きい程空気が多いため、燃焼後酸素の分圧が高まり、一酸化炭素(CO)や水素(H2)等の還元性ガスの分圧は無視してもよい程度に低くなる。反対に、λ<1の燃料過多領域ではλ値が小さい程酸素分圧が無視してもよい程度に低くなり、還元性ガスの分圧は高まる。従って、燃料過多領域では還元性ガスの分圧を、燃料希薄領域では酸素の分圧を測定すると空燃比を検出し得る。
【００１９】
燃料希薄領域でポンピングセルに電圧Vpを図２に示したような極性にて印加すると第３電極33の周囲の酸素が第２電極33bを通して固体電解質31に移動する。すると、第３電極33の周囲の酸素濃度が低くなり、従って排気ガス中の酸素が拡散制御障壁35を通して第３電極33側に拡散してくる。この際、酸素の拡散量Q(O2)は次の(1)式のように示される。
【００２０】
[式１]
Q(O2)  =  K(O2)(P(O2,exhaust)  -  P(O2,electrode)
(1)式で、K(O2)は酸素の拡散関連係数、P(O2,exhaust)は排気ガス中の酸素分圧、P(O2,electrode)は第３電極33の周囲の酸素分圧を示している。
【００２１】
固体電解質31に流れるポンピング電流Ipは正常状態で酸素の拡散量に比例するので次の(2)式のように示される。
【００２２】
[式2]
Ip  =  4FQ(O2)
(2)式で、Fはファラデー(Faraday)定数を示す。
【００２３】
一方、ポンピングセルに印加される電圧Vpがやや大きくなると、第３電極33の周囲のP(O2,electrode)は無視してもよい程度になる。一方、適切な印加電圧範囲内では固体電解質31に流れる電流量が拡散孔を通して拡散室に入る酸素の拡散量により限られるようになる。この際、制限電流Ip(lim)は次の(3)式のように示される。
【００２４】
[式3]
Ip(lim)  =  4FK(O2)P(O2,exhaust)
一方、燃料過多領域では酸素の分圧が約10-20atm程度で非常に低いため、酸素分圧差に起因するセルの内部起電力が約1V程度で非常に高い。従って、たとえ電圧Vp(<1V)を印加してもセルの内部起電力により固体電解質での電流の流れが燃料希薄領域とは反対となり空気側の酸素が拡散室側に移動する。そして、排気ガス中のCOのような還元性ガスが第３電極33で固体電解質を通して移動した酸素と反応して二酸化炭素(CO2)を生成する。すると、第３電極33の周囲のC0分圧が低くなり、排気ガスから拡散制御障壁を通してCOが拡散してくる。この際、COの拡散量Q(CO)は次の(4)式のように示される。
【００２５】
[式4]
Q(C0)  =  K(CO)P(CO,exhaust)-P(CO,electrode)
前記(4)式でK(CO)はCOの拡散関連係数である。
正常状態で固体電解質を通過する酸素の量は拡散制御障壁を通して入るCOの量に比例する。従って、この際流れる電流Ipと制限電流Ip(lim)は次の(5)式と(6)式のように示される。
【００２６】
[式5]
Ip  =  -2FQ(CO)
[式6]
Ip(lim)  =  -2FK(CO)P(CO,exhaust)
(3)式と(6)式で制限電流Ip(lim)はそれぞれ排気ガスの酸素分圧とCO分圧に比例する。この際、H2もCOと同様に示され得る。従って、制限電流Ip(lim)を測定すると空燃比(λ)が掴められる。制限電流Ip(lim)は燃料過多及び燃料希薄領域での排気ガス側電極周囲の酸素分圧やCO等の還元性ガスの分圧が全部無視できる程度の場合に測定される。前記のような条件で酸素と還元性ガスとは平衡を保たせる。この際、空気側にある電極を基準電極として用いるセンシングセルは約300-600mVのVsを有する。従って、Vsが300-600mVの値を有するようにポンピングセルを通して酸素の移動を制御すると、この際流れる電流Ipを通して空燃比が掴められる。
【００２７】
図４は図２に示された空燃比感知センサにおける空燃比によるポンピングセルの電流-電圧特性を示したものであり、燃料希薄領域と燃料過多領域との電流の流れが反対であり、制限電流量は空燃比が増加するに伴い増加する。制限電流範囲内でセンシングセルが感知する電圧Vsは300-600mV程度であるので、このVsをその間の値、例えば450mVを保たせるようにポンピングセルを動作すると、空燃比に比例する制限電流Ip(lim)が得られる。ポンピングセルが動作しない時、Vs値は燃料希薄領域で0-100mV程度の値を有し、燃料過多領域では約1V程度、そして完全燃焼点(λ=1)では約300-600mV程度の値を有する。従って、ポンピングセルを動作させて拡散室に酸素を供したり、取り除くことにより、Vs値が300-600mVの値を有するように回路を工夫すると、いつも制限電流を得ることができる。
【００２８】
このような図２に示された空燃比感知センサを駆動するための本発明で提案した駆動回路を、図５を参照して説明すると次の通りである。
【００２９】
図５において、比較器52の演算増幅器(OP11)では反転(-)入力端子に印加される空燃比感知センサ51のセンシングセルの測定電圧Vsと非反転(+)入力端子に印加される基準電圧(Vo=-450mV)とを比較してその差に比例する電圧を出力する。この際、基準電圧は制限電流範囲内でセンシングセルが感知する電圧を示す。
【００３０】
積分器53の演算増幅器(OP12)では反転(-)入力端子に印加される比較器52の出力電圧を所定の時定数にて積分して加算器54に出力する。この際、たとえポンピングセルの動作によりVsとVoの値が同じになっても一定な積分値が出力される。
【００３１】
加算器54の演算増幅器(OP13)では反転(-)入力端子に印加される積分器53の出力電圧に所定の電圧Vpoを加えた後、抵抗Rdを通じてポンピングセルに印加する。加算器54の出力電圧VpはVsとVoとの差を減らす方向にポンピングセルに印加される。ここで、加算される所定の電圧Vpoはポンピングセルの電流-電圧特性に応じて決められるが、普通0.2V-0.4Vの値を有する。
【００３２】
図４の電流-電圧特性グラフを見ると、燃料希薄領域から燃料過多領域へと空燃比が変わる時、電流の方向は変わるが、印加電圧Vpの方向は変わらない。その反面、比較器52はλ=1に基づきVsとVoを比較するので、その出力電圧は空燃比が燃料希薄領域から燃料過多領域へと変わりながら方向が変る。従って、比較器52の出力に所定の電圧Vpoを加算しないと、印加電圧Vpの極性が(+)から(-)へと変わりながら制限電流領域から外れるようになる。即ち、燃料希薄領域から燃料過多領域にかけて空燃比に応じてポンピングセルに印加される電圧Vpを制限電流領域内に位置させるには加算器54の役割が不可欠である。図４で点線Vpoutは空燃比に応じる印加電圧Vpの変化を示したものである。
【００３３】
空燃比検出器55はポンピングセルに流れる電流Ipを検出するためのものであり、このIp値により空燃比が検出される。
【００３４】
次に、図６に示した本発明による空燃比感知センサは、図２に示されたセンサが空気側電極をポンピングセルとセンシングセルとを形成する際に共用で用いるに対して、排気ガス側電極を共通で用いる。基本動作は図２に示された空燃比感知センサと同一であるが、排気ガス側電極を共用するので、ポンピングセルの動作時発生する酸素分圧の変化をセンシングセルが即時に感知できて、別途の拡散室が要らなくなる。従って、図６に示されたように、拡散制御用の多孔質膜35を第３電極33上に塗布して拡散制御障壁として用いる。一方、多孔質膜35上に拡散遮断膜(図示せず)を覆うことにより、垂直方向の拡散を禁じ、拡散遮断膜と平行した方向の拡散を導くことができる。多孔質膜35上に拡散遮断膜を覆った拡散制御障壁は弱い多孔質膜35を拡散制御膜にて保護するので、安定性が向上される。
【００３５】
一方、図７に示された回路は図５に示された空燃比感知センサを駆動するためのものであり、比較器72の演算増幅器(OP21)では非反転(+)入力端子に印加される空燃比感知センサ71のセンシングセルの測定電圧Vsと反転(-)入力端子に印加される基準電圧(Vo=450mV)とを比較してその差に比例する電圧を出力する。
【００３６】
積分器73の演算増幅器(OP22)では反転(-)入力端子に印加される比較器72の出力電圧を所定の時定数にて積分して加算器74に出力する。
【００３７】
加算器74の演算増幅器(OP23)では非反転(+)入力端子に印加される積分器73の出力電圧に所定の電圧Vpoを加えた後、抵抗Rdを通してポンピングセルに印加する。
【００３８】
【発明の効果】
本発明による平板型空燃比感知センサでは、電極が直接に強還元性排気ガスに露出されることを防止して電極の損傷を抑制することができる。かつ、排気ガス側の電極をポンピングセルとセンシングセルとが共有するようにして、ポンピングセルの動作に応じる酸素分圧変化が即時にセンシングセルに感知させることにより、センサの応答特性が改善され、拡散室の要らない拡散制御障壁を適用できるようになるので、センサの制作工程を省くことができる。
【００３９】
本発明による平板型空燃比感知センサ駆動回路では、加算器を通して所定の電圧(Vpo)を比較器の出力電圧に加えることにより、ポンピングセルの内部起電力により電流制限領域が、Vpが０より大きい値に移動することを適切に補い得る。従って、燃料希薄領域と燃料過多領域にかけて制限電流値を得られる印加電圧(Vp)を出力し得るので、より広い領域にかけて空燃比値を正確に感知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポンピングセルとセンシングセルとを分離して積層した従来の空燃比感知センサの構造図である。
【図２】  Nissanで提案した従来の空燃比感知センサの構造図である。
【図３】図１に示された空燃比感知センサにおいてポンピングセルの空燃比に応じる電流-電圧特性グラフである。
【図４】図２に示された空燃比感知センサにいてポンピングセルの空燃比に応じる電流-電圧特性グラフである。
【図５】図２に示された空燃比感知センサを駆動するための本発明による駆動回路図である。
【図６】本発明による排気ガス側の電極をポンピングセルとセンシングセルとを形成するに共通で用いる平板型空燃比感知センサの構造図である。
【図７】図６に示された空燃比感知センサを駆動するための本発明による駆動回路図である。
【符号の説明】
３１  固体電解質
３２ａ  第１電極
３２ｂ  第２電極
３３  第３電極
３５  拡散制御障壁
５１・７１  空燃比検出器
５２・７２  比較器
５４・７４  加算器
【図１】
0003814031.tif 000002
【図２】
0003814031.tif 000003
【図３】
0003814031.tif 000004
【図４】
0003814031.tif 000005
【図５】
0003814031.tif 000006
【図６】
0003814031.tif 000007
【図７】
0003814031.tif 000008