(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性の固体電解質体の両面に多孔性電極が形成された２つの検出素子を、排ガスの流入が制限された測定ガス室に面して配設してなる検出素子部と、
上記検出素子の一方を上記測定ガス室内の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素濃淡電池素子、他方を該検出素子の両面に形成された多孔性電極間で酸素イオンを移動させる酸素ポンプ素子として動作させ、上記酸素濃淡電池素子の出力信号が、上記測定ガス室内の酸素濃度が理論空燃比に対応した酸素濃度であることを示すものとなるように、上記酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流を双方向に制御する電流制御手段と、
上記ポンプ電流の電流経路に配設された検出抵抗と、
該検出抵抗の両端電圧に応じて変化し、且つ排ガスが理論空燃比であるときに所定の電圧となるように設定された第１の空燃比信号を生成する空燃比信号出力手段と、
を備えた空燃比センサであって、
上記検出抵抗の両端電圧の大小を比較し、該比較結果を第２の空燃比信号として出力する比較手段と、
上記第２の空燃比信号が反転するタイミングで、上記第１の空燃比信号を検出し、該検出値を理論空燃比に対応した基準値として設定する基準値設定手段と
を設けたことを特徴とする空燃比センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関等各種燃焼機器に供給される混合気の空燃比を排ガス中の酸素濃度より検出する空燃比センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の空燃比センサの一つとして、板状の酸素イオン伝導性固体電解質の両面に多孔質電極を備えた二個の検出素子を、各検出素子の一方の多孔質電極が排ガスの拡散が制限された測定ガス室に接するように配設すると共に、一方の検出素子の測定ガス室に接しない側の多孔質電極が大気等の基準ガスに接するように配設してなる空燃比センサ（例えば、特開昭６１−１３８１５６号公報、特開昭６１−１８６８４９号公報）が知られている。
【０００３】
この種の空燃比センサでは、基準ガスに接する側の検出素子を酸素濃淡電池素子、他方の検出素子を酸素ポンプ素子として用い、酸素濃淡電池素子両端に生じる電圧が一定となるよう酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流を双方向に制御し、このポンプ電流に応じた信号を取り出すことによって、空燃比のリーン域からリッチ域にかけて連続的に変化する空燃比信号が得られる。
【０００４】
つまり、酸素濃淡電池素子では、基準ガスの酸素分圧と、測定ガス室内の酸素分圧との比に応じた電圧が生じることから、この電圧が一定となるよう、即ち測定ガス室内の酸素分圧が一定となるよう酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流を双方向に制御し、その電流値を検出すれば空燃比に対応した検出信号が得られることになるのである。
【０００５】
ところで、このような空燃比センサの出力は、Ａ／Ｄコンバータを介してＣＰＵ等に取り込まれて、内燃機関の制御等に利用されるのであるが、Ａ／ＤコンバータやＣＰＵは、通常、＋５Ｖ等の単一電源で動作させる場合が多い。
このため、空燃比センサでは、正負の両極性を有するポンプ電流に応じた検出信号を、単極性の信号として取り出す必要があり、通常、ポンプ電流の電流経路に検出抵抗を配設して、その両端電圧を検出して増幅すると共に、増幅された電圧信号が所定の基準電圧（例えば電源電圧の１／２）を中心にして変動するようにレベルシフトしたものを検出信号として出力する出力回路が設けられている。
【０００６】
つまり、このような空燃比センサを用いる場合、予め設定された所定の電圧を排ガスが理論空燃比である場合に対応する出力電圧とし、その所定の電圧を基準値として、検出信号の出力電圧から空燃比を求めることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、排ガスが理論空燃比であるときに、空燃比センサから所定の電圧が出力されるようにするには、通常、ツェナーダイオードや分圧抵抗を用いて電源電圧を降下させたり分圧したりすることにより、検出回路内部に基準となる電圧（基準電圧）を作成しなければならない。しかし、電源電圧が変動したり、周囲温度の変動によってそれら回路素子の特性が変化すると基準電圧も変化する。即ち、電源電圧や周囲温度が変化すると、予め設定されていた所定の電圧と、理論空燃比の時に実際に空燃比センサから出力される電圧とが対応しなくなり、検出値に誤差が生じてしまうという問題があった。
【０００８】
特に、近年、内燃機関からの排ガスを浄化するために、空燃比が精密に理論空燃比（即ち、空気過剰率λ＝１）近傍となるように、内燃機関を制御する所謂精密λ制御が知られているが、この制御では、λを０．００１単位で検出する必要がある。一方、リーンバーン状態でエンジンを制御する場合には、この種の空燃比センサでは、λ＝３．０の範囲まで空燃比を検出しなければならないため、結局、検出信号を０．００１／３．０＝１／３０００以上の分解能で検出する必要がある。これは、Ａ／Ｄコンバータにおいて１２ビットで符号化することに相当するが、このように高い分解能で出力電圧を検出する必要がある場合、外乱によって上記の基準電圧が少しでも変化すると、精度のよい制御を行うことができなくなってしまうのである。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するために、電源電圧や周囲温度の変動によらず、空燃比を精度よく検出可能な空燃比センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するためになされた本発明は、
酸素イオン伝導性の固体電解質体の両面に多孔性電極が形成された２つの検出素子を、排ガスの流入が制限された測定ガス室に面して配設してなる検出素子部と、
上記検出素子の一方を上記測定ガス室内の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素濃淡電池素子、他方を該検出素子の両面に形成された多孔性電極間で酸素イオンを移動させる酸素ポンプ素子として動作させ、上記酸素濃淡電池素子の出力信号が、上記測定ガス室内の酸素濃度が理論空燃比に対応した酸素濃度であることを示すものとなるように、上記酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流を双方向に制御する電流制御手段と、
上記ポンプ電流の電流経路に配設された検出抵抗と、
該検出抵抗の両端電圧に応じて変化し、且つ排ガスが理論空燃比であるときに所定の電圧となるように設定された第１の空燃比信号を出力する空燃比信号出力手段と、
を備えた空燃比センサであって、
上記検出抵抗の両端電圧の大小を比較し、該比較結果を第２の空燃比信号として出力する比較手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
このように構成された本発明の空燃比センサにおいては、電流制御手段が、酸素濃淡電池素子の出力信号が測定ガス室内の酸素濃度が理論空燃比に対応した酸素濃度にあることを示すものとなるように、酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流を制御することにより、検出抵抗には、排ガス中の酸素濃度、延いては内燃機関に供給される混合気の空燃比に応じたポンプ電流が流れる。
【００１２】
つまり、空燃比がリッチ（理論空燃比より低い：λ＜１）であれば、測定ガス室に酸素を供給する方向のポンプ電流が流れ、一方、空燃比がリーン（理論空燃比より高い：λ＞１）であれば、これとは逆に、測定ガス室から酸素をくみ出す方向のポンプ電流が流れる。
【００１３】
そして、空燃比信号出力手段は、検出抵抗の両端電圧に応じて変化し、且つ排ガスが理論空燃比であるときに所定の電圧となるように設定された第１の空燃比信号を生成する。即ち、第１の空燃比信号は、ポンプ電流に対応し、延いては空燃比に対応したものとなる。
【００１４】
一方、比較手段は、検出抵抗の両端電圧の大小を比較して、その比較結果を第２の空燃比信号として出力する。即ち、第２の空燃比信号は、ポンプ電流の流れる方向が反転すると、信号レベルが反転し、即ち空燃比の状態がリーンかリッチかにより、信号レベルが異なったものとなる。
【００１５】
従って、本発明の空燃比センサによれば、第２の空燃比信号が反転するタイミングで第１の空燃比信号を検出する基準値設定手段等を設ければ、理論空燃比に対応する第１の空燃比信号の値を実測して、該実測値を第１の空燃比信号から空燃比を求める際の基準値として設定することができるため、電源電圧や周囲温度の変動によって空燃比センサ内部で作成された基準電圧が変化しても、精度よく空燃比を求めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施例を図面と共に説明する。
図１は、本発明が適用された実施例の空燃比センサ及びその周辺装置を表す概略構成図、図２は空燃比センサの検出素子部の断面図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施例の空燃比センサ２は、内燃機関の排気管に設けられる検出素子部２ａと、検出素子部２ａを制御して排ガス中の酸素濃度に対応した後述する第１及び第２の空燃比信号を出力する検出回路部２ｂとにより構成されている。
【００１８】
ここでまず検出素子部２ａは、図２に示すように、固体電解質基板４の両側に多孔質電極５，６を形成した第１のセンサ素子（ポンプ素子）７と、同じく固体電解質基板８の両側に多孔質電極９，１０を形成した第２のセンサ素子（電池素子）１１と、これら両素子７，１１の間に積層されて測定ガス室ａを形成するスペーサ１２とを備えている。そして、電池素子１１の測定ガス室ａとは反対側には、多孔質電極１０を大気に接触させるため、セラミックス等の耐熱性で気密な部材からなる壁面１３により形成された空気室ｂが設けられている。
【００１９】
また、ポンプ素子７の一方の多孔質電極５にはポンプ素子制御端子Ａ、電池素子１１の一方の多孔質電極１０には電池素子制御端子Ｂ、ポンプ素子７及び電池素子１１の残りの多孔質電極６，９には共通端子Ｃが接続されている。
更に、ポンプ素子７，電池素子１１及び壁面１３の下部周縁部には、排気管への取付用ネジ部１４が刻設された支持台１５が、耐熱かつ絶縁性の接着部材１６を介して取り付けられている。つまり、検出素子部２ａは、支持台１５のネジ部１４を、排気管１に形成された検出素子部取付用のネジ部１７に螺合し、締め付けることによって、排気管１に取り付けられるようにされている。
【００２０】
なお、ポンプ素子７及び電池素子１１を構成する固体電解質基板４，８の材料としては、イットリア−ジルコニア固溶体，カルシア−ジルコニア固溶体が知られており、その他に二酸化セリウム，二酸化トリウム，二酸化ハフニウムの各固溶体、ペロブスカイト型固溶体、３価金属酸化物固溶体等が使用できる。また、固体電解質基板４，８の両面に設けられる多孔質電極としては、酸化反応の触媒作用を有する白金やロジウム等が用いられ、更に、スペーサ１２の材料としては、アルミナ，スピネル，フォルステライト，ステアタイト，ジルコニア等が用いられる。
【００２１】
次に、検出回路部２ｂは、図１に示すように、端子Ｂ，Ｃ間、即ち電池素子１１の出力電圧Ｖｓが、測定ガス室ａが理論空燃比である場合に対応した所定値（本実施例では４５０ｍＶ）となるように、端子Ａ，Ｃ間、即ちポンプ素子７に流れるポンプ電流Ｉｐを双方向に制御する電流制御回路２０と、演算増幅器ＯＰ３及び抵抗Ｒ１１〜Ｒ１７により構成され、後述する検出抵抗Ｒｄの両端電圧に対応した第１の空燃比信号Ｖｏを出力する第１出力回路２２と、演算増幅器ＯＰ４，抵抗Ｒ２１〜Ｒ２５，及びトランジスタＴＲにより構成され、検出抵抗Ｒｄの両端電圧の大小関係、即ち検出抵抗Ｒｄを通ってポンプ電流Ｉｐが流れるその電流方向に従ってレベルが変化する第２の空燃比信号Ｄｏを出力する第２出力回路２４とを備えている。
【００２２】
このうち電流制御回路２０は、出力がポンプ素子制御端子Ａに接続されると共に、非反転入力に所定電圧Ｖｂ（本実施例では４Ｖ）が印加され、抵抗Ｒｘを介して共通端子Ｃに接続された反転入力の電位を所定電圧Ｖｂに保持するように動作する演算増幅器ＯＰ１と、電池素子制御端子Ｂから得られる電圧信号に基づいて、電池素子１１の出力電圧Ｖｓが理論空燃比に対応した所定値となるようにＰＩＤ制御を行うＰＩＤ回路２１と、一端が演算増幅器ＯＰ１の反転入力に接続され、他端がＰＩＤ回路２１の出力に接続された検出抵抗Ｒｄと、検出抵抗Ｒｄの演算増幅器ＯＰ１側端の電位を、ポンプ電流Ｉｐに影響を与えることなく取り出すためのバッファ回路として設けられた演算増幅器ＯＰ２とにより構成されている。
【００２３】
なお、演算増幅器ＯＰ１及び検出抵抗Ｒｄと共通端子Ｃとの間に接続された抵抗Ｒｘの抵抗値は、ポンプ電流Ｉｐによる電圧降下が十分に小さいように選ばれる。また、ＰＩＤ回路２１が行うＰＩＤ制御とは、非制御信号（制御端子Ｂからの電圧信号）の偏差信号に比例した信号，偏差信号を積分した信号，及び偏差信号を微分した信号の夫々に、適当な重みをつけて加え合わせた値を出力として制御を行う周知の制御である。
【００２４】
このように構成された電流制御回路２０では、電池素子１１の出力電圧Ｖｓが、測定ガス室ａ内の酸素濃度が理論空燃比に対応した酸素濃度であることを示すものとなるように動作するだけでなく、電源電圧ＶDD（本実施例では８Ｖ）の変動等により所定電圧Ｖｂが変動したとしても、常に、出力電圧Ｖｓが、測定ガス室ａ内の酸素濃度が理論空燃比に対応した酸素濃度であることを示すものとなった時にポンプ電流Ｉｐ＝０となるように動作する。
【００２５】
なお、ポンプ電流Ｉｐは、検出すべき空燃比がリーン（λ＞１）である場合、測定ガス室ａから酸素をくみ出すために、ポンプ素子制御端子Ａから共通端子Ｃに向け、即ち検出抵抗Ｒｄを演算増幅器ＯＰ１側からＰＩＤ回路２１側に向けて流れ、リッチ（λ＜１）である場合、測定ガス室ａに酸素を供給するために、共通端子Ｃからポンプ素子制御端子Ａに向け、即ち検出抵抗ＲｄをＰＩＤ回路２１側から演算増幅器ＯＰ１側に向けて流れる。
【００２６】
つまり、リーンであれば、検出抵抗Ｒｄの演算増幅器ＯＰ１側端の電位が高くなり、リッチであれば、逆に検出抵抗ＲｄのＰＩＤ回路２１側端の電位が高くなる。
そして、第１出力回路２２は、演算増幅器ＯＰ３を中心にした周知の差動増幅回路として構成されており、抵抗Ｒ１５，Ｒ１６による電源電圧ＶDDの分圧値を基準電圧Ｖｃ（本実施例では４Ｖ）として、図３（ａ）に示すように、空燃比がリーンであるほど基準電圧Ｖｃより大きく、リッチであるほど基準電圧Ｖｃより小さくなり、理論空燃比（λ＝１）の時に基準電圧Ｖｃに等しくなる第１の空燃比信号Ｖｏを出力する。
【００２７】
一方、第２出力回路２４は、コンパレータとして用いられる演算増幅器ＯＰ４と、この演算増幅器ＯＰ４の出力を反転し所定の信号レベルに変換する反転出力回路として構成された抵抗Ｒ２１〜Ｒ２５及びトランジスタＴＲとにより、図３（ｂ）に示すように、空燃比がリーンの時にHighレベル、リッチの時にLow レベルとなり、理論空燃比の時に信号レベルが反転する第２の空燃比信号Ｄｏを出力する。
【００２８】
このように構成された空燃比センサ２は、例えば、車両用の内燃機関を制御するＥＣＵ２６とともに用いられる。
なお、ＥＣＵ２６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭからなるマイクロコンピュータを中心に構成されており、内燃機関の始動と共に、空燃比センサ２を動作させ、Ａ／Ｄ変換器を介して入力される第１の空燃比信号Ｖｏと、理論空燃比に対応させた基準値Ｖｆとから内燃機関に供給される混合気の空燃比を求め、この求めた空燃比に基づいて内燃機関の運転制御を行うものである。
【００２９】
ここで、図５は、ＥＣＵ２６において、上記運転制御の空き時間を利用して、繰り返し実行される基準値設定処理を表すフローチャートである。
本処理が開始される前に、ＥＣＵ２６への電源投入直後に実行される初期化処理により、基準値Ｖｆは、電源電圧ＶDD、及び抵抗Ｒ１５，Ｒ１６の抵抗値に基づいて予め求められる基準電圧Ｖｃに初期設定されると共に、第２の空燃比信号Ｄｏが読み込まれ、その信号レベルが後述する比較値Ｄｐとして設定されている。
【００３０】
本処理が起動されると、まずＳ１１０にて、第２の空燃比信号Ｄｏを読み込み、続くＳ１２０では、その信号レベルが、前回の本処理が実行された時の第２の空燃比信号Ｄｏの信号レベルを表す比較値Ｄｐに等しいか否かを判断し、比較値Ｄｐに等しければ、即ち、空燃比がリーンのまま、或はリッチのまま継続しているのであれば、そのまま本処理を終了する。
【００３１】
一方、Ｓ１２０にて、先に読み込んだ第２の空燃比信号Ｄｏが比較値Ｄｐに等しくないのであれば、即ち、空燃比がリーンからリッチ、あるいはリッチからリーンに状態が変化しているのであれば、Ｓ１３０に移行する。
そして、Ｓ１３０では、第１の空燃比信号Ｖｏを読み込み、続くＳ１４０にて、その読み込んだ値Ｖｏを、新たな基準値Ｖｆとして設定し、続くＳ１５０では、先のＳ１１０にて読み込んだ第２の空燃比信号Ｄｏの信号レベルを、新たな比較値Ｄｐとして設定した後、本処理を終了する。
【００３２】
以上説明したように、本実施例の空燃比センサ２によれば、空燃比に対応した第１の空燃比信号Ｖｏだけでなく、理論空燃比の時に、信号レベルが反転する第２の空燃比信号Ｄｏを出力するように構成されているので、第２の空燃比信号Ｄｏの信号レベルが反転するタイミングで、第１の空燃比信号Ｖｏを検出することにより、理論空燃比（λ＝１）に対応する第１の空燃比信号Ｖｏの信号レベル、即ち基準電圧Ｖｃを実測することができる。
【００３３】
そして、この空燃比センサ２の出力を用いて制御を行うＥＣＵ２６によれば、第２の空燃比信号Ｄｏの信号レベルが変化するタイミングで検出される第１の空燃比信号Ｖｏにより、基準値Ｖｆを再設定するようにされている。従って、電源電圧が変動したり、周囲温度の影響により分圧抵抗Ｒ１５，Ｒ１６の抵抗値が変化することにより基準電圧Ｖｃが変化し、ＥＣＵ２６に設定された基準値Ｖｆが理論空燃比に対応しなくなったとしても、第２の空燃比信号Ｄｏの信号レベルが反転すれば、基準値Ｖｆは理論空燃比に正しく対応したものに速やかに再設定されるため、この基準値Ｖｆに基づいて第１の空燃比信号Ｖｏから精度よく空燃比を求めることができ、延いては内燃機関の運転制御を精度よく行うことができる。
【００３４】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様で実施することができる。
例えば、上記実施例では、検出素子部２ａとして、電池素子１１の測定ガス室ａとは反対側の面に形成された多孔質電極１０が、大気と接するように構成したものを用いたが、電池素子に微小なポンピング電流を流して基準酸素源を作るもの等を用いてもよい。
【００３５】
また、上記実施例では、ＥＣＵ２６が制御プログラムに従って第２の空燃比信号Ｄｏの信号レベルの変化を検出してから、第１の空燃比信号Ｖｏを読み取るように構成したが、第２の空燃比信号Ｄｏで第１の空燃比信号Ｖｏの信号レベルをラッチする回路を設けるようにしてもよい。
【００３６】
更に、上記実施例では、第１及び第２の空燃比信号Ｖｏ，Ｄｏを別々にＥＣＵ２６に入力しているが、第１及び第２の空燃比信号Ｖｏ，Ｄｏを加算する加算回路を設けて、加算結果がＥＣＵ２６のＡ／Ｄコンバータに入力されるように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例の空燃比センサの概略構成図である。
【図２】  検出素子部の構成及び取付状態を表す断面図である。
【図３】  第１及び第２の空燃比信号の特性を表すグラフである。
【図４】  第１及び第２の空燃比信号の波形を表す説明図である。
【図５】  ＥＣＵが実行する基準値設定処理を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１…排気管      ２…空燃比センサ      ２ａ…検出素子部
２ｂ…検出回路部      ４，８…固体電解質基板
５，６，９，１０…多孔質電極      ７…ポンプ素子    １１…電池素子
１２…スペーサ    １３…壁面    １４…ネジ部    １５…支持台
１６…接着部材    １７…ネジ部    ２０…電流制御回路
２１…ＰＩＤ回路    ２２…第１出力回路    ２４…第２出力回路
２６…ＥＣＵ    ＯＰ１〜ＯＰ４…演算増幅器    ＴＲ…トランジスタ
Ｒ１１〜Ｒ１７，Ｒ２１〜Ｒ２５…抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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