JPH01267448A - 内燃機関の酸素センサ劣化防止装置 - 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、内燃機関における空燃比制御装置において排
気中の酸素濃度を検出するために使用される酸素センサ
に関し、特に、その劣化を防止する装置に関する。

〈従来の技術〉 この種の酸素センサとして、例えば第１１図に示すよう
なセンサ素子構造を有したものがある（特開昭５８−２
０４３６５号公報、実開昭５９−３１０５４号公報等参
照）。

即ち、図において、先端部を閉塞した酸化ジルコニウム
（ＺｒＯ□）を主成分とするセラミック管ｌの内表面と
外表面の各一部には、白金（Ｐｔ）ペーストを塗布した
後、セラミック管１を焼成することで、起電力取り出し
用の白金電極２．３を形成しである。セラミック管１の
外表面には、更に白金を蒸着して触媒層４を形成し、そ
の上からマグネシウムスピネル等の金属酸化物を溶射し
て、保護層５を形成しである。

そして、前記セラミック管１の内側に基準気体として大
気が導かれるようにする一方、セラミック管１の外側を
機関排気通路に臨ませて被検出気体である排気と接触さ
せ、内表面に接触する大気中の酸素濃度と外表面に接触
する排気中の酸素濃度どの比に応じた電圧を白金電極２
．３間に発生させることにより、排気中の酸素濃度を検
出するのである。

そして、前記白金触媒層４は、−酸化炭素ｃ。

や炭化水素ＨＣと酸素０２とのｃｏ十′／４ｏ□→ＣＯ
ｚ　、ＨＣ＋　Ｏｚ　−Ｈｚ　Ｏ＋　ＣＯｚなる酸化反
応を促進し、濃混合気で燃焼させた時にその部分に残存
する低濃度の０□をＣＯやＨＣと良好に反応させてｏｗ
？ａ度をゼロ近くにし、セラミック管１内外の０２濃度
比を大きくして、大きな起電力を発生させる。

一方、希薄混合気で燃焼させた時には、排気中に高濃度
の０２と低濃度のＣｏ、ＨＣがあるため、Ｃｏ、ＨＣと
０２とが反応してもまだｏ２が余り、セラミック基材内
外の０□濃度比は小さく殆ど電圧は発生しない。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、このような従来の酸素センサにおいては
、有鉛ガソリンにおける鉛（ｐｂ）、オイルにおける燐
（Ｐ）や硫黄（Ｓ）５機関に使用されるバッキングにお
ける珪素（Ｓｔ）等の被毒物質により白金触媒層４が劣
化して、例えば、排気中の酸素濃度が理論空燃比より小
に転換した時に、白金触媒層４によるＣＯと０□との反
応が充分に促進されず、起電力の立ち上がりに遅れを生
じて、酸素センサからの信号に基づく空燃比のリーンか
らリッチへの切換制御に応答遅れが生じて、機関の燃費
、出力、排気エミッション等に悪影響が与えられる等、
酸素センサ性能の変化を引き起こす。又、白金触媒層４
上のカーボンの析出により保護層５の剥離が生じる。

上記白金触媒層４の劣化や保護層５の剥離は、白金触媒
層４上に前記被毒物質が吸着して発生すると考えられて
いる。特に、被毒物質が吸着するのは、酸素センサ温度
が高温から低温になった場合に起こる。

例えば、走行中は酸素センサ温度が高く、排気ガス量も
多いため被毒物質も多い。このため、アイドル状態にな
って酸素センサ温度が低温となった場合には被毒物質の
吸着が多くなる。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排
気温度が低い時の酸素センサの作動特性及び酸素分圧−
電圧応答性を向上させるために、酸素センサに組み込ま
れたヒータを使用して、被毒物質をガス化させることで
、上記の問題点を解消するようにした内燃機関の酸素セ
ンサ劣化防止装置を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 このため、本発明の内燃機関の酸素センサ劣化防止装置
は、第１図に示すように、排気通路に装着され機関排気
の酸素濃度を積出する酸素センサであってセンサ素子加
熱用のヒータを備えてなる内燃機関の酸素センサにおい
て、機関のアイドル運転を検出するアイドル運転検出手
段と、該手段から出力されるアイドル運転検出信号に基
づいて前記センサ素子加熱用のヒータに印加する電圧を
増加制御するヒータ電圧制御手段と、を備えて構成した
。

〈作用〉 走行状態からアイドル状態となった時等において、セン
サ素子加熱用のヒータに印加する電圧を増加させること
により、被毒物質がガス化され、センサ素子外部へと出
る。従って、白金触媒層上等に被毒物質が吸着するのが
極力防止され、例えば白金触媒層の劣化や保護層の剥離
が防止できるようになる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は、ＺｒＯ，チューブ型の酸素センサ６の構造を
示す図で、ホルダ７の先端部に、第１Ｉ図に示すような
センサ素子としてのセラミック管（以下、ジルコニアチ
ューブという）８を保持させ、これをスリット９ａ付の
プロテクタ９によって覆っである。そして、ジルコニア
チューブ８内には、排気温度が低い時の酸素センサ６の
作動特性及び酸素分圧−電圧応答性を向上させるために
ジルコニアチューブ８を加熱する棒状のセラミックヒー
タ１０を配置しである。尚、１１は金属製コンタクトプ
レート、１２はアイソレーションブツシュ、１３はキャ
ップである。

かかる構成の酸素センサ６におけるセラミックヒータ１
０は、機関のアイドル運転を検出するアイドル運転検出
手段から出力されるアイドル運転検出信号に基づいてヒ
ータ電圧制御手段により印加される電圧が増加制御され
るようになっている。

かかる制御は第３図に示すように、コントロールユニッ
ト１４で行う。このコントロールユニット１４には、ア
イドル運転検出手段としてのアイドルスイッチ１５から
の出力が人力され、該コントロールユニット１４に内蔵
されたヒータ電圧制御手段から出力される印加電圧増加
信号がセラミックヒータ１０の制御回路１６へ入力され
る。

次に、かかる制御を第４図のフローチャートに基づいて
説明する。

機関をスタートさせると、ステップ（以下、図と共にＳ
と記す）１で、アイドルスイッチがＯＮ、Ｓ２で機関の
水温Ｔ、が検出される。Ｓ３では、酸素センサ６によっ
て検出された排気中酸素濃度に基づいて機関に供給され
る混合気の空燃比と目標空燃比との偏差に応じたフィー
ドバック補正量を設定し、該フィードバック補正量に基
づいて混合気の空燃比をフィードバック制御するクロー
ズド制御が実行される。その後、ステップ４において、
上記クローズド制御を停止して通常の燃料噴射を実行す
るべくクランプ機構が働き、アイドルクランプが実行さ
れる。そして、Ｓ５において、ヒータの印加電圧を増加
させる制御を実行し、Ｓ６で、上記アイドルクランプを
解除する制御を実行し、Ｓ７で再びクローズド制御を継
続する。

ここで、セラミックヒータ１０即ち、センサ素子加熱用
のヒータの印加電圧とジルコニアチューブ８即ち、セン
サ素子温度との関係を第５図のグラフに示す。

セラミックヒータ１０の通常使用条件では、印加電圧は
１２Ｖ、センサ素子温度は約５７０°Ｃである。

そして、上記のように、アイドル運転時にセラミックヒ
ータ１０の印加電圧を例えば１４Ｖに増加して、ジルコ
ニアチューブ８温度を約７００°Ｃ迄上昇させることに
より、有鉛ガソリンにおける鉛（ｐｂ）、オイルにおけ
る燐（Ｐ）や硫黄（Ｓ）。

機関に使用されるバッキングにおける珪素（Ｓｔ）等の
被毒物質がガス化され、ジルコニアチューブ８外部へと
出る。

ここで、第６図のグラフにヒータの印加電圧とヒータの
寿命との関係を示す。

このグラフから明らかなように、ヒータの印加電圧を高
くするに従ってヒータの寿命は減じられる。従って、ヒ
ータの印加電圧を高める時間は短い方が良く、センサ素
子の劣化が生じ易いアイドル運転時のみにセラミックヒ
ータ１０の印加電圧を高めることで、セラミックヒータ
１０の寿命減少は極力抑えられる。

尚、アイドル時にセラミックヒータ１０の印加電圧を高
める回路としては、コンデンサ等を使用し、このコンデ
ンサ等からアイドル時が検出された時に電流を流すよう
な回路構成とすれば良い。

このようにすると、特に、ヒータ容量の小さい後述する
ＺｒＯ□プレート型の酸素センサや同じく後述するＴ、
０□型の酸素センサでは、コンデンサ等の容量も小さく
できるのでコスト的に有利である。

かかる構成によると、ジルコニアチューブ８の白金触媒
層上等に被毒物質が吸着するのを極力防止でき、白金触
媒層の劣化や保護層の剥離が防止できるようになる。

以上の実施例においては、本発明をＺｒＯ□チューブ型
の酸素センサに適用した例について説明したが、本発明
はＺｒ０ｚプレート型の酸素センサやＴ、Ｏ□型の酸素
センサにも適用できる。

ＺｒＯ□プレート型の酸素センサは、第７図に示すよう
に構成され、１７がセンサ素子である。

このセンサ素子１７は、第８図に示すように、アルミナ
等の絶縁材上１８に、絶縁シー）１９により挟持された
ヒータ２０と、固体電解質のグリーンシート２１と、触
媒としての作用を併せ持つ白金型の内側電極２２及び外
側電極２３の間に介装されたジルコニア（ＺｒＯｚ）か
らなる基板２４と、を順次積層して構成される。

グリーンシート２１には、内側電極２２の端部が臨み、
大気側と連通ずる大気導入孔２１ａが設けられている。

Ｔ、Ｏ□型の酸素センサは、第９図に示すように構成さ
れ、２５　がセンサ素子である。

このセンサ素子２５は、第１０図に示すように、ヒータ
３０が埋め込まれたアルミナ基板２６の一側に白金製の
電極２７．２８を印刷し、これを約１５００°Ｃで焼成
する。更に、前記電極２７．２８を包覆するように酸化
チタン（Ｔｉ　Ｏｘ）を塗布焼結して酸化チタン層２９
を形成し、前記電極の間に多孔性の酸化チタンが介在す
るようにする。

そして、電極２７．２８の間に介在する多孔性酸化チタ
ンの抵抗値が酸素濃度によって変化するので、この抵抗
値変化（電圧変化）を測定することによって排気ガス中
の酸素濃度を検出することができる。

一方、第２図に示すＺｒＯ□チューブ型の酸素センサに
おいてはジルコニアチューブ８の保護層上に、第７図に
示すＺｒ０ｚプレート型の酸素センサにおいてはセンサ
素子１７の基板２４上に、第９図に示すＴ、０□型の酸
素センサにおいてはセンサ素子２５の酸化チタン層２９
上に、白金、ロジウム（Ｒｈ）、ルテウム（Ｒｕ）を含
んで構成される触媒層を設けたものが知られている。

このようなセンサ素子を有する酸素センサでは、上述の
ようにアイドル時にセンサ素子温度を上昇させると、触
媒層の作用によって被毒物質を処理し易く、より効果的
に被毒物質の吸着を防止できる。

即ち、これは、ガス化した被毒物質を酸素と反応させて
（例えば、Ｐｂ＋＋Ａ０２→Ｐｂ０）、安定な状態にす
るので、白金触媒層等に被毒物質が吸着し難くなるから
である。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、酸素センサにお
いて、排気温度が低い時の作動特性及び酸素分圧−電圧
応答性を向上させるために設けたヒータの印加電圧をア
イドル時に増加制御するようにしたから、被毒物質をガ
ス化させてせンサ素子外部へと排出できるので、白金触
媒層上等に被毒物質が吸着するのが極力防止され、例え
ば白金触媒層の劣化や保護層の剥離が防止できる等、酸
素センサの劣化を効果的に防止できる。特に、ヒータの
印加電圧増加を被毒物質の発生量の多いアイドル時のみ
にしたから、ヒータ寿命を短縮させてしまうこともない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる内燃機関の酸素センサ劣化防止
装置のクレーム対応図、第２図は同上装置における酸素
センサの一実施例を示す断面図、第３図は同上装置の一
実施例を示すシステム図、第４図はその作用を説明する
フローチャート、第５図はセンサ素子加熱用のヒータの
印加電圧とセンサ素子温度との関係を表すグラフ、第６
図はセンサ素子加熱用のヒータの印加電圧とヒータの寿
命との関係を表すグラフ、第７図及び第８図は夫々酸素
センサの他の実施例を示す断面図、第９図及び第１０図
は夫々第７図及び第８図に示した酸素センサのセンサ素
子の断面図、第１１図はＺｒＯ２チューブ型の酸素セン
サにおけるセンサ素子の構造を示す断面図である。 ６・・・酸素センサ　　８・・・ジルコニアチューブ１
０・・・セラミックヒータ　　１４・・・コントロール
ユニット　　１５・・・アイドルスイッチ　　１６・・
・制御回路　　１７．２５・・・センサ素子特許出願人
　　　　　日本電子機器株式会社代　理　人　　　弁理
士　　笹　島　冨二雄第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 排気通路に装着され機関排気の酸素濃度を検出する酸素
   センサであってセンサ素子加熱用のヒータを備えてなる
   内燃機関の酸素センサにおいて、機関のアイドル運転を
   検出するアイドル運転検出手段と、該手段から出力され
   るアイドル運転検出信号に基づいて前記センサ素子加熱
   用のヒータに印加する電圧を増加制御するヒータ電圧制
   御手段と、を備えて構成したことを特徴とする内燃機関
   の酸素センサ劣化防止装置。