JPH02132363A - センサ特性評価法 - 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） 本発明はセンサの特性を評価する方法に関し、特に内燃
機関の排気ガスの空燃比を検出する固体電解質からなる
酸素センサの特性評価法に関するものである。

（従来の技術） 自動車排ガス中で使用される酸素センサの特性評価は、
本来はエンジンに実際に塔載して行なうことが望ましい
。しかしながら、エンジン実機による測定は、対象とな
るエンジンの種類、制御システム、センサ取付位置、稼
働条件、周囲条件（温度、湿度、圧力）により異なり単
一でないこと、測定の安定性、経済性、測定に要する時
間、工数が掛かること等の理由で現実的でなく、他の方
法が良く使用されている。

その測定法は大別して２通りあり、ボンへガス等を用い
て排ガス組成にできるだけ近似させてセンサ及びガスの
加熱を電気加熱などで制御するモデルガス法と、プロパ
ン、都市ガス等の燃料ガスを燃焼させて測定ガスとして
使用する燃焼ガス法が使用されている。

（発明が解決しようとする課題） 上述した測定法のうち、モデルガス法は測定条件の厳密
性、安定性で優れており、主に研究的分野で使用されて
いるが、経済性、処理能力の点で劣り、大量生産におけ
るセンサの特性測定用としては実用的でない問題があっ
た。これに対し、ガスハーナを用いる燃焼ガス法は経済
性があり操作も簡便で処理能力に優れ、大量生産時の特
性測定用にむいていた。

第１０図は従来の燃焼ガス法を実施する装置の一例の構
成を示す図であり、例えばＳＡＥテクニカル・ペーパ・
シリーズのＮｏ．７　９　０１４　３として１９７９年
２月２６〜３月２日デトロイトで開催された学会におい
て”Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＺｒＯｚ
−Ｔｙｐｅ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ｆｏｒ　
Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”の
題名でＣ．Ｔ．ＹｏｕｎｇとＪ．Ｄ．Ｂｏｄｅによって
発表された論文からも公知の構成である。第１０図にお
いて、４１−Ｌ　４１−２は燃料ガス供給装置、４２−
１．　４２−２は空気供給装置、４３−Ｌ　４３−２は
通過するガスの流量を調整するための電磁弁、４４はこ
れらのガスを混合して燃焼させるためのガスハーナ装置
、４５はガスハーナ装置で燃焼させた燃焼排ガスを導く
ための筒状ポー１・、４６は筒状ポー１−４５に取り付
けられた被試験酸素センサ、４７は酸素センサ４６から
の測定データを処理する計測装置、４８は電磁弁４３−
Ｌ　４３−２の駆動を制御するための電磁弁駆動装置で
ある。

上述した構成の装置でぱ、ガスハーナ装置４４におげる
燃焼のみで所定のガスを得ることができるため、簡便な
方法で大量のガスを得ることができる。しかしながら、
測定に使用する燃焼排ガスの成分調整は、ガスハーナ装
置４４に供給する燃料ガスと空気の混合比を変えること
のめによって実施可能であるため、燃焼状態が良好すぎ
未燃ガスが少ない等の理由で実際の内燃機関で排出され
る燃焼排ガスを完全に模擬できない問題があった。また
、」二述した構成の装置では、筒状ポート４５に酸素セ
ンサ４６の検出部がさらされているのみであるため、筒
状ポート４５内を流れる燃焼排ガスが短時間で十分に検
知部と接触できず、その結果正確なセンサ特性の評価が
できない問題もあった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、ガスバーナを
用いる燃焼ガス法の簡便性を有するとともにエンジン実
機における測定値との相関性を向上させることができる
センサ特性評価法を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明のセンサ特性評価法は、内燃機関の排気ガスの空
燃比を検出する酸素センサの特性評価法において、外気
の混入を遮断した反応容器中で燃料ガスと空気又は酸素
を含むガスを燃焼させ所定の空燃比の燃焼排ガスを発生
させた後、この燃焼排ガス中に酸化性および／又は還元
性の添加ガスを添加して非平衡状態の混合ガスとし、こ
の混合ガス中に特性を評価すべきセンサの検出部をさら
してセンサの出力信号を検出することを特徴とするもの
である。

（作　用） 上述した構成において、燃料ガスと空気等を燃？させて
燃焼排ガスを発生させた後、例えばハーナ装置と被試験
酸素センサとの間の筒状ボートに添加ガス注入口を設け
、この注入口から所定の添加ガスを添加混合することに
より、添加ガスの燃焼変化が小さくなるとともに、添加
ガスとして従来の炭化水素ガス、空気の他に、１１■，
　Ｃｏ，　Ｎｏなどの多種のガスを使用することができ
、その結果、従来法と比較してエンジン実機の燃焼排ガ
スと成分の近い混合ガスを得ることができる。また、上
述した構成により、添加ガスの燃焼がなくなり、添加ガ
ス注入口と被試験酸素センサの距離短縮により、添加ガ
スの伝播時間が短くなり、センサの応答性に関する検出
感度が向上する。

また、上述した構成において、さらにセンサ装着箇所の
通気面積を小さくすることでセンサ周囲の通気抵抗を上
昇させ、センサ検出部内の試験ガスの置換速度を高め、
エンジン値近似の応答性の関係を得ることが好ましい。

なお、例として上げたバーナー装置以外に触媒コンハー
夕等を含む自己発熱により、燃焼反応が持続する燃焼装
置を使用しても良い。

（実施例） 第１図は本発明のセンサ特性評価法を実施する装置の一
例の構成を示す図である。第１図において、ガスパーナ
装置１には一次ガス供給装置２を構成する燃焼ガス供給
装置３と空気供給装置４から、燃焼ヘースガスとして燃
料ガスおよび空気を供給して燃焼させ、ガス燃焼室５内
で所定の空燃比の燃焼排ガスを発生させる。ガス燃焼室
５内で得られた燃焼排ガスは、筒状ボー１・６内を介し
て被試験酸素センサ７に達する。ガス燃焼室５と被試験
酸素センサ７との間の筒状ボート６には、添加ガス供給
装置８を構成する所定組成の連続供給ガス供給装置９、
酸化ガス供給装置１０、還元ガス供給装置１１から、連
続供給ガスを連続して供給するとともに、所定量の酸化
ガスまたは還元ガスを電磁弁１２−１．　１２−２の制
御により供給している。被試験酸素センサ７の検出した
出力は計測装置１３へ供給され、各種のデータ処理後必
要に応じて電磁弁制御信号を電磁弁駆動装置１４へ供給
し、電磁弁１２−１．　１２−２の開度を調整して、所
定組成の混合ガスを得ている。

上述した構成の装置では、一定空燃比の燃焼排ガスに添
加ガスを電磁弁１２−Ｌ　１２−２で選択的に注入する
ことで、空燃比により多様なガス成分濃度変化するエン
シン排ガスの異なる２点以上の空燃比の排ガス成分を、
従来法に比し忠実に再現できるようになる。例えば、燃
焼ヘースガスと連続供給ガスの合成ガスをリンチにし酸
化ガス供給量を電磁弁１２−１の開閉により制御する方
法、同様に合成ガスをリーンにし還元ガス供給量を電磁
弁１２−２の開閉により制御する方法、同様に合成ガス
を中間にしリッチ時には電磁弁１２−１を閉、１２−２
を開として還元ガスを供給するとともに、リーン時には
電磁弁１２−１を開、１２−２を閉として酸化ガスを供
給して制御する方法等が考えられる。

第２図は第１図に示す装置のセンサ装着部の断面を示す
部分断面図である。第２図において、被試験酸素センサ
７の検出部２１の周囲の筒状ポー１・６内に絞り治具２
２を挿入し、センサ装着部のガス流路の断面を局部的に
小さくしている。測定に用いるガスバーナからの燃焼排
ガスは、エンジン排ガスに比し吐出ガス量、吐出ガス圧
力が小さく、被試験酸素センサ７の検出部２１の形状、
先端通気機構による応答性差がエンシン排ガス測定値と
異なっていたため、これをセンサ装着箇所の通気面積を
小さくすることで周囲の通気抵抗を上げセンサ内の試験
ガスの置換速度を高め、エンジン値近似の応答性の関係
を得ている。

以下、実際の例について説明する。

実施炭 第３図に示す構成の装置を使用して、本発明のセンサ特
性評価法を実施した。第３図に示す実施例のうち第１図
に示す実施例と同−の部材には同一の符号を付し、その
説明を省略する。第３図に示す実施例では、各ガス供給
装置としてマスフローコントローラを使用し、第１表に
示す組成で所定の流量のガスを所望の流量にして使用す
るとともに、計測装置１３をプログラマ２５とデータ処
理装置２６とより構成し、プログラマ２５の制御に基き
１秒毎に電磁弁駆動装置１４により電磁弁１２−１と１
２−２を交互に開閉することにより、所定組成の混合ガ
スを得ている。また、センサ装着部のガス流路の断面は
局部的に小さくした状態すなわち第２図に示す状態で試
験を実施した。

上述した本実施例のガス成分制御の結果を４０ｋｍ／１
１で走行するときのエンジン排ガスの実際の測定値と、
第１０図に示した従来の装置により調整したガス成分制
御後の結果とともに第２表に示す。

第１表 以上の結果から、本発明の方法による試験ガスの方が、
従来の方法と比較して、実際のエンジン排ガスの組成に
近いガスが得られることがわかる。

次に、上述した実施例における木発明のセン１ノ出力の
評価について第４図（ａ）　．　（ｂ）〜第６図を参照
して説明する。

第４図（ａ）　，　（ｂ）は、それぞれ上述した実施例
における１秒毎のスイッチング動作におげるセンサ起電
力の変化を示すグラフと電磁弁の状態を示すグラフであ
る。第４図（ａ）において、ＴＲＳ．　ＴＩ．Ｓはそれ
ぞれ電磁弁開閉信号が発せられてがらセンサ起電力が０
．４５Ｖになるまでの応答時間を表わし、ＴＲＳはリッ
チ側からリーン側へ変化する時間を、ＴＬＳはリーン側
からリッチ側へ変化する時間をそれぞれ示している。

第５図は本発明による測定値から１／　（ＴＲＳ　＋Ｔ
ＬＳ）を特性評価の指標とし、この値と酸素センサを実
機に組み込んだときのエンジンフィードバック周波数と
の関係を示すグラフである。ここでエンジンフィードバ
ック周波数とは、酸素センサをエンＩ１ Ｊ２ ジンシステムに取付け、フィードバック制御していると
きの周波数をいう。第５図の結果から、本発明における
所定のガスを使用して酸素センサから得た特性評価の指
標は実機におりるエンジンフィードバック周波数と良好
な相関関係にあり、良好なセンサ特性評価ができること
がわかる。

第６図は本発明による測定値からＴ＋＋ｓ／Ｔｔｓを特
性評価の指標とし、この値と酸素センサを実機に組み込
んだときのエンジン制御点の空気過剰率との関係を示す
グラフである。ここでエンジン制御点の空気過剰率とは
、上記状態で制御された排ガスの平均空気過剰率をいう
。第６図の結果からも、この特性評価の指標は実機にお
けるエンジン制御点の空気過剰率と良好な相関関係にあ
り、良好なセンサ特性評価ができることがわかる。

次に、上述した実施例における本発明のセンサ装着箇所
の通気面積を小さくすることの効果について、第７図（
ａ）　，　（ｂ）を参照して説明する。第７図（ａ）は
筒状の酸素センサ素子で絞り治具の形状を変えて通気状
態を異ならせた通気形状Ａ，　Ｂと板状の酸素センサ素
子を使用した通気形状Ｃとに対して実機に塔載してエン
ジンフィードハック周波数を測定した結果を示すグラフ
、第７図（ｂ）は同じ通気形状Ａ〜Ｃのものに対して本
発明のようにガス通過面積を絞った場合と従来例のよう
に絞らないものについて、本発明の特性評価値１／（Ｔ
ＲＳ＋ＴＬＳ）を測定した結果を示すグラフである。第
７図（ａ）　，　（ｂ）の結果から、センサ装着箇所の
通気面積を絞ったものはどのような通気形状においても
実機におけるデータとほぼ対応する関係が得られるのに
対し、ガス通過面積を絞らない場合は通気形状によって
は例えば通気形状Ｃのときのように実機のデータと対応
しない場合があることがわかる。

最後に、本発明のセンサ特性評価法の他の例について、
異なる特性評価値とともに第８図（ａ）〜（ｃ）および
第９図（ａ）　，　（ｂ）を参照して説明する。

第８図（ａ）は本発明のセンサ特性評価法を実施する装
置の他の例の構成を示す図である。第８図（ａ）におい
て、第３図に示す実施例と同一の部材には同一の符号を
付し、その説明を省略する。第８図（ａ）に示す実施例
で第３図に示す例と異なる点は、計測装置１３をコンパ
レータ３１とデータ処理装置３２とで構成した点である
。このように構成することにより、第３図に示す実施例
におげるＮＫｆ弁１２−１１２−２の切り替えを１秒毎
に制御する例と異なり、データ処理装置３２でセンサ７
の出力を受けコンバレーク３１で常時予じめ設定したス
レッシュボールド値と比較することにより、スレッシュ
ホールｌ−値よりリッチ側の場合は電磁弁１２−１を開
き、スレッシュホールト値よりリーン側の場合は電磁弁
１２２を開くように制御することにより、センサの特性
評価値をフィートハック特性より求めている。

すなわち、第８図（ｃ）に示すように電磁弁１２−１１
２−２の開閉を実施することにより第８図（ｂ）に示す
ようにセンサ起電力が変化し、ここでＴＦ一ＴＲ＋ＴＬ
　，　Ｄ，ｌ＝　｛　ＴＲ　／（　ＴＲ＋ＴＩ．　）ｌ
　ＸＩＯＯ（％）を特性評価値として使用し、ＴＦが小
さくまたＤ８が適正範囲にあるものを選択している。

第９図（ａ）は本発明のセンサ特性評価法を実施する装
置のさらに他の例の構成を示す図である。

第９図（ａ）においても、第３図に示す実施例と同一の
部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。第９
図（ａ）に示す実施例で第３図に示す例と異なる点は、
計測装置１３を発振器３３とデータ処理装置３４とによ
り構成した点である。このように構成することにより、
発振器３３よりＴＲ＋ＴＬの一周期よりも速い周期の発
振周波数で電磁弁１２−Ｌ１２−２の開閉動作を制御し
てセンサの特性評価を実施している。すなわち、リッチ
側、リーン側の空気過剰率λを固定し、デューティ比一
定で発振周波数を上げてセンサ起電力の追従性を設定す
ることにより、振幅が第９図（ｂ）におけるＡのように
大きいときは応答性が速く、Ｃのように小さいときは応
答性が遅いものと評価するとともに、Ｂのように振幅の
中心がスレソシュボールド値からズレているときはＴＲ
とＴＬの比がアンハランスであると評価している。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明のセンサ特性評
価法によれば、燃料ガスと空気等を燃焼させた燃料排ガ
スに所定の添加ガスを供給するよう構成することにより
、従来方法と比較して排ガスの組成をより実機に近くす
ることができ、その結果エンシン実機との相関性の高い
センサ特性の評価を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセンサ特性評価法を実施する装置の一
例の構成を示ず図、 第２図は第１図に示す装置のセンサ装着部を示す部分断
面図、 第３図は本発明を実際に実施した装置の一例の構成を示
す図、 第４図（ａ）　，　（ｂ）はそれぞれ本発明におけるセ
ンサ起電力の変化を示すグラフおよび電磁弁の状態を示
すグラフ、 第５図は本発明による測定値から１／（ＴＲＳ＋ＴＬＳ
）を特性評価の指標としエンジンフィート′パック周波
数との関係を示すグラフ、 第６図は本発明による測定値からＴＲＳ／ＴＬＳを特性
評価の指標としエンジン制御点の空気過剰率との関係を
示すグラフ、 第７図（ａ）　，　（ｂ）はそれぞれセンサ取付位置の
通気形状を変化させたときのエンジンフィードバック制
御周波数との関係を示すグラフおよび１／（ＴＲＳ＋Ｔ
ＬＳ）との関係を示すグラフ、第８図（ａ）〜（ｃ）は
それぞれ本発明を実際に実施した装置の他の例の構成を
示す図、そのセンサ起電力の変化を示すグラフおよび電
磁弁の状態を示すグラフ、 第９図（ａ）　，　（ｂ）はそれぞれ本発明を実際に実
施した装置のさらに他の例の構成を示ず図およびそのセ
ンサ起電力の変化を示すグラフ、第１０図は従来のセン
サ特性評価法を実施する装置の一例の構成を示す図であ
る。 １・・・ガスハーナ装置　　２・・・一次ガス供給装置
３・・・燃焼ガス供給装置　４・・・空気供給装置５・
・・ガス燃焼室　　　　６・・・筒状ポート７・・・被
試験酸素センサ　８・・・添加ガス供給装置９・・・連
続供給ガス供給装置 １０・・・酸化ガス供給装置 １２−１．　１２−２・・・電磁弁 １４・・・電磁弁駆動装置 ２２・・・絞り治具 ２６・・・データ処理装置 ３２・・・テータ処理装置 １１・・・還元ガス供給装置 １３・・・計測装置 ２１・・・検出部 ２５・・・プログラマ ３１・・・コンバレータ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する酸素センサ
   の特性評価法において、外気の混入を遮断した反応容器
   中で燃料ガスと空気又は酸素を含むガスを燃焼させ所定
   の空燃比の燃焼排ガスを発生させた後、この燃焼排ガス
   中に酸化性および／又は還元性の添加ガスを添加して非
   平衡状態の混合ガスとし、この混合ガス中に特性を評価
   すべきセンサの検出部をさらしてセンサの出力信号を検
   出することを特徴とするセンサの特性評価法。 ２、前記添加ガスの一部又は全部を断続して供給するこ
   とにより、センサの応答特性あるいは動特性を検出する
   請求項１記載のセンサの特性評価法。 ３、前記センサ装着部のガス流路の断面を局部的に小さ
   くした状態で特性を評価する請求項１または２記載のセ
   ンサの特性評価法。