JPH0245750A - 酸素センサの特性評価方法 - 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】 （技術分野） 本発明は、酸素センサの特性評価方法に係り、特に酸素
濃淡電池の原理により所定の起電力信号を出力する酸素
センサについて、そのセンサ特性を精度良く且つ簡便に
測定する方法に関するものである。

（背景技術） 従来から、空燃比検出装置として、自動車の内燃機関の
排気ガス（燃焼排ガス）中に含まれる酸素濃度を検知し
、その検出信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を最適に
コントロールすることにより、排気ガスの浄化、燃費の
節減等を行なう、所謂酸素センサが知られている。

ところで、この種の酸素センサに用いられる酸素濃度検
出素子として、代表的には、酸素イオン伝導性の同体電
解質であるジルコニア磁器を用いた、酸素濃淡電池の原
理を利用して酸素濃度を求める構造のものが実用化され
ており、そこでは、同体電解質にそれぞれ設けられた、
被測定ガスに晒される測定電極と基準酸素濃度の基準ガ
スに晒される基準電極との間における酸素濃度差に起因
する起電力を検出して、理論空燃比の状態で燃焼せしめ
て得られる燃焼排ガスの如き中性雰囲気のガスを境にし
て、かかる被測定ガスがリーン雰囲気であるか、或いは
リッチ雰囲気であるかの識別（判別）を行ない、これに
基づいて、そのような被測定ガスとしての燃焼排ガスを
発生するエンジンを制御して、かかる排ガスを浄化する
三元触媒が有効に働く理論空燃比近辺の領域の燃焼排ガ
スとなるようにしている。

このため、かかる酸素センサのセンサ特性を知り、それ
に基づいて、より正確な空燃比制御を行なうことが、三
元触媒による浄化特性を向上せしめる上において有効と
され、従来から、酸素センサの特性を評価するための各
種の手法が紹介されてきている。

例えば、理論空燃比点（λ−１）より低い状態で燃焼し
て得られるリッチ雰囲気と、それよりも高い状態で燃焼
して得られるリーン雰囲気のプロパン燃焼排ガスを用い
て、リッチ雰囲気に対応するリッチ電圧やリーン雰囲気
に対応するリーン電圧を測定したり、或いはそれらのガ
スを周期的に流すことにより、酸素センサのリッチから
リーンへの応答時間やリーンからリッチへの応答時間を
測定したり、それら応答時間の非対称性を測定したりす
る方法がある。しかしながら、これらの方法にあっては
、センサの特性値とエミッション値に殆ど関連性が認め
られず、酸素センサの本来の目的であるエミッション制
御の観点からして、何れも、好ましいものではなかった
のである。

また、エンジン排気系に取り付けられた酸素センサによ
りエンジンをクローズ運転し、排気ガスのＡ／Ｆ値を測
定する、所謂ダイナミックラムダ測定法も知られている
。而して、このような手法によれば、酸素センサの特性
値とエミッション値に関連性は認められるものの、測定
に時間を要したり、Ａ／Ｆを測定するため測定の精度が
それ程高くない等の問題を内在している。これは、Ａ／
Ｆの測定にガス分析系を用いるためであり、このことは
、また、大規模な測定系となってしまったり、測定コス
トが高くなってしまう等という問題を惹起している。

（解決課Ｂ） ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、その解決課題とするところは、大規
模な測定システムを用いることなく、エミッションと関
連性のあるセンサ特性を精度良く測定し、その特性評価
をより正確に行なうことにある。

（解決手段） そして、本発明は、かかる課題解決のために、燃焼排ガ
ス若しくはそれに相当する模擬ガスからなる試験ガス中
に存在する一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等の未燃
成分を浄化する浄化装置の下流側に、酸素濃淡電池の原
理により所定の起電力信号を出力する基準酸素センサを
配して、該基準酸素センサから出力される、前記浄化装
置にて浄化された前記試験ガス中の酸素濃度に対応した
起電力信号に基づいて、該試験ガスを、理論空燃比点を
中心にして、燃料過剰の状態のリッチ雰囲気と空気過剰
の状態のリーン雰囲気に周期的に切り換える一方、前記
浄化装置の上流側に、特性評価されるべき被測定酸素セ
ンサを配し、該被測定酸素センサから、酸素濃淡電池の
原理によって、前記周期的にリッチ雰囲気とリーン雰囲
気に切り換えられる試験ガスに従って出力される起電力
信号に基づいて、該被測定酸素センサのリッチ信号時間
とリーン信号時間の時間比率を測定するようにしたので
ある。

また、本発明は、上記した課題解決のために、燃焼排ガ
ス若しくはそれに相当する模擬ガスからなる試験ガス中
に存在する一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等の未燃
成分を浄化する浄化装置の下流側に、酸素濃淡電池の原
理により所定の起電力信号を出力する基準酸素センサを
配して、該基準酸素センサから出力される、前記浄化装
置にて浄化された前記試験ガス中の酸素濃度に対応した
起電力信号に基づいて、該試験ガスを、理論空燃比点を
中心にして、燃料過剰の状態のリッチ雰囲気と空気過剰
の状態のリーン雰囲気に周期的に切り換える一方、前記
浄化装置の上流側に、特性評価されるべき被測定酸素セ
ンサを配し、該被測定酸素センサから、酸素濃淡電池の
原理によって、前記周期的にリッチ雰囲気とリーン雰囲
気に切り換えられる試験ガスに従って出力される起電力
信号に基づいて、該被測定酸素センサのリーン電圧若し
くは出力振幅を測定することをも、その特徴とするもの
である。

（具体的構成・実施例） 以下、図面を参照しつつ、本発明を更に具体的に明らか
にすることとする。

先ず、第１図は、本発明に従う測定システムの一具体例
を示すものであって、そこにおいて、２は、ガス供給装
置としてのエンジンである。そして、このエンジン２に
おいて発生せしめられる、燃料過剰の状態下に燃焼せし
めて得られる燃焼排ガスに相当するリッチ雰囲気や空気
過剰の状態下に燃焼せしめて得られる燃焼排ガスに相当
するリーン雰囲気が、試験ガスとして、排気マニホール
ド４及び第一の排気管６を通じて、三元触媒装置等の浄
化装置８に導かれるようになっており、そしてこの浄化
装置８において、かかる試験ガス中に存在する一酸化炭
素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ　
”）等の未燃成分が浄化されるようになっている。

なお、ガス供給装置は、上記の如きエンジン２の他に、
そのようなエンジンから排出される排ガス成分を模擬し
た、かかる排ガスに相当する模擬ガスを与える模擬ガス
供給装置であっても良く、例えば空気とプロパンガスの
燃焼排ガスにＣ０２Ｈｚ　、Ｎｏ、Ｃｏｔ等の混合ガス
を組み合わせたガス供給装置であっても何等差支えない
のであり、また浄化装置８としても、よく知られている
三元触媒装置や酸化触媒装置の他に、燃焼排ガス（試験
ガス）の平衡化反応（清浄化反応）を促進させるもので
あるならば、如何なる装置であっても良く、例えば単な
る加熱装置であっても何等差支えないのである。

そして、かかる浄化装置８において浄化された試験ガス
は、第二の排気管１０を通じて大気中に排出されること
となるが、この浄化装置８よりも下流側に位置する第二
の排気管１０には、酸素濃淡電池の原理により所定の起
電力信号を出ノＪする基準酸素センサ１２が設けられて
おり、浄化装置８から流出する浄化された試験ガス中の
酸素濃度に対応した起電力信号を出力するようになって
いる。この基準酸素センサ１２は、酸素イオン伝導性の
固体電解質と測定電極、基準電極とを有する公知の構造
のものであるが、特に本発明にあっては、その酸素検知
部をヒータによって所望の温度に加熱するようにした加
熱型センサ（特開昭５７−１４２５５５号公報、特開昭
５５−１４０１４５号公報等参照）の使用が推奨される
。これは、非加熱型のセンサと比べて、後述する動作点
が、より理論空燃比点に近づくからである。

また、基準酸素センサ１２は、ガス成分制御装置として
の空燃比制御用コンピュータ１４に接続されており、か
かる基準酸素センサ１２から出力される信号に基づいて
、エンジン２の空燃比が、かかるコンピュータ１４によ
って制御され、以てエンジン２から排出される試験ガス
としての燃焼排ガス中のガス成分がリッチとリーンに可
変せしめられるようになっている。つまり、空燃比制御
用コンピュータ１４により、エンジン２の空燃比が制御
され、試験ガスが、理論空燃比点を中心にして、燃焼過
剰の状態下に燃焼せしめて得られるリッチ雰囲気と空気
過剰の状態下に燃焼せしめて得られるリーン雰囲気に周
期的に切り換えられるようになっているのである。従っ
て、このような浄化装置８の後方に取り付けられた基準
酸素センサ１２の信号により、本エンジン２は、クロー
ズ運転されているのである。

一方、特性評価の為されるべき被測定酸素センサ１６は
、それが通常に自動車の排気系に取り付けられる部位、
つまり、浄化装置８の前方（上流側）となる第一の排気
管６の部位に取り付けられて、エンジン２から導かれる
試験ガス、換言すれば周期的に切り換えられるリッチ雰
囲気とリーン雰囲気に従って、酸素濃淡電池の原理によ
り所定の起電力信号を出力し、それが、記録計１８にお
いて記録されるようになっている。そして、この記録計
１８にて記録された波形より、被測定酸素センサ１６の
リッチ信号とリーン信号の時間比率が求められるように
なっている。

ところで、この測定システムにおいて、エンジン２から
浄化装置８に導かれる試験ガスは、基準酸素センサ１２
からの出力信号に基づく空燃比制御用コンピュータ１４
の制御下において、理論空燃比点を中心にして、燃料過
剰の状態下に燃焼せしめて得られるリッチ雰囲気と空気
過剰の状態下に燃焼せしめて得られるリーン雰囲気に周
期的に切り換えられる。第２図（ａ）及び（ｂ）には、
そのような基準酸素センサ１２の信号及びそれに基づい
て空燃比制御用コンピュータ１４から出力される空燃比
制御信号が示されている。それらの図において、基準酸
素センサ１２からの信号は、空燃比制御用コンピュータ
１４に設定されたリッチ雰囲気からリーン雰囲気或いは
リーン雰囲気からリッチ雰囲気への反転のためのしきい
値に従って処理され、第２図（ｂ）に示される如き、反
転点：Ｓｌ、Ｓｔ、Ｓｚ、３４　　”　’を有する空燃
比制御信号が空燃比制御用コンピュータ１４がら出力さ
れて、エンジン２の空燃比が切換、制御されるのである
。即ち、反転点：Ｓ、がらＳｚの間、Ｓ、からＳ４の間
では、空燃比がリッチ側からリーン側に移行するような
制御が為され、一方、反転点：３２とＳ、の間では、空
燃比がリーン側からリッチ側に移行するような制御が行
なわれることとなるのである。なお、かかるリッチ／リ
ーンの反転のためのしきい値は適宜に決定されることと
なるが、ここでは、第２図（ａ）に示されるように、基
準酸素センサ１２のリッチ時間：Ｔ＊＋＋リーン時間：
　ＴＬＩの比率が１：１となるように空燃比制御が行な
われるようになっている。

このように、エンジン２の空燃比の変化に従って、その
燃焼排ガスである試験ガスをリッチ雰囲気とリーン雰囲
気に周期的に切り換えてなる状態下において、第一の排
気管６に設けられた被測定酸素センサ１６の信号は、そ
のような変化する試験ガスのガス成分によって、例えば
第２図（ｃ）に示される如き波形を与え、所定の判定レ
ベル、−船釣にはエミッションに最も関係するとして予
め定められた所定のレベルにおいて、より長いリッチ信
号時間：ＴＲ□と短いリーン信号時間：ＴＬ□を与える
波形となるのである。なお、かかる被測定酸素センサ１
６のリッチ信号時間：ＴＲｚとリーン信号時間：ＴＬＺ
の時間比率は、Ｔ　ＲＺ　／　（Ｔ　Ｒ２＋Ｔ　Ｌ　Ｚ
　）にて表わして、ここでは６５％となっており、リッ
チ信号時間の割合が多くなっている。そして、ここでは
、かかる比率：ＴＲ□／（ＴＲ□＋ＴＬｚ）をデユーテ
ィ比と呼ぶこととする。

本発明は、このようなデユーティ比を用いて、被測定酸
素センサ１６のセンサ特性を評価するものである。即ち
、空燃比と酸素センサの出力の関係を示す第３図におい
て、センサの取付は位置を浄化装置８の前にした場合と
後にした場合では、酸素センサの出力特性が大きく異な
るものであって、例えばセンサの取付は位置を浄化装置
８の前にした場合、センサの出力特性、換言すれば被測
定酸素センサ１６の出力特性は、破線で示されるように
太き（リーン側にシフトし、リッチ／リーンの判定のし
きい電圧になる空燃比（動作点■）は、理論空燃比点か
ら大きくリーン側にシフトする一方、センサの取付は位
置を浄化装置８の後にした場合、センサの出力特性、換
言すれば基準酸素センサ１２の出力特性は、実線で示さ
れる如く、略理論的なλカーブとなって、かかるセンサ
１２の動作点■は理論空燃比点と完全に一致するように
なる。

なお、かかるセンサの出力特性のリーンシフトの理由は
、排気ガス（試験ガス）がリーンであっても、排気ガス
中にはＨＣ，Ｃｏ、ＮｏＸ等の未燃成分が残存し、この
未燃成分が三相界面で局部的に起電力を発生させるもの
であるところから、リーン雰囲気であっても起電力を生
じることによるものである。しかしながら、浄化装置８
を通過した排気ガス（試験ガス）には、そのような未燃
成分の残存が殆どないものであるところから、上記の如
きリーンシフトは惹起されず、理論的なλカーブが得ら
れるのである。

而して、本発明では、エンジン２を制御するための基準
酸素センサ１２は、上述の如く浄化装置８の後に取り付
けられており、このために、エンジン２の空燃比は、理
論空燃比点を中心にしてリッチとリーンに周期的に振ら
れるようになっているのであり、そしてそのような状態
下において、浄化袋Ｗ８の前に取り付けられた被、測定
酸素センサ１６は、センサの出力特性がリーン側にシフ
トしているために、リッチからリーンへの応答時間が長
くなり、上述したようにデユーティ比が大きくなること
となるのである。そして、このデユーティ比は、被測定
酸素センサ１６の出力特性（第３図における破線で示さ
れる出力カーブ）に対応して変化することとなるのであ
る。なお、基準酸素センサ１２が浄化装置８の後に配さ
れていると、試験ガスのガス温が変わっても、測定系は
常に理論空燃比点（λ＝１）で動作して、都合がよい。

けだし、浄化装置８の前に取り付けられた場合には、ガ
ス温によりλポイントがずれ、データの一貫性を失って
しまうからである。

このように、本発明にあっては、理想的な状態で動作し
ている基準酸素センサ１２の信号に基づいて、試験ガス
としての燃焼排ガスを、理論空燃比点を中心にして、正
確にリッチ雰囲気とリーン雰囲気に周期的に変化せしめ
た状態下において、被測定酸素センサ１６の信号を測定
するものであるところから、かかる被測定酸素センサ１
６の理想状態からのセンサ特性のずれを明確に捉えるこ
とが出来るのである。

因みに、第４図（ａ）、（ｂ）及び（Ｃ）には、被測定
酸素センサ１６を種々交換して、上記した本発明に従う
測定手法によって求めたデユーティ比と、そのような被
測定酸素センサ１６を取り付けた自動車から排出された
エミッション（ＣＯｌＨＣ，Ｎｏ、）との関係が示され
ている。なお、そこにおいて、エミッション測定時の自
動車の運転モードは、ＬＡ−４モードとした。そして、
第４図のそれぞれの関係から明らかなように、本発明に
従う測定手法によって求められたデユーティ比とエミッ
ション（Ｃｏ、ＨＣ，ＮＯｘ　）との間には、強い相関
関係が認められ、デユーティ比を測定することによって
エミッションを容易に推測することが出来、酸素センサ
の評価方法として橿めて有効であることが認識されるの
である。

なお、上記の具体例においては、被測定酸素センサ１６
からの出力波形におけるリッチ信号時間とリーン信号時
間との時間比率を、デユーティ比〔Ｔ、Ｉ２／（Ｔ、ｌ
□＋Ｔｔｚ）　）において求めているが、このデユーテ
ィ比に限られるものではなく、それらの比率を表すもの
であれば、如何なる形態のものであっても同等差支えな
く、例えばＴ　＊　ｚ　／　Ｔ　Ｌ　ｚ、Ｔ　Ｌｍ／　
（Ｔ　Ｒ２＋　Ｔ　Ｌ２　）或いはこれらの逆数であっ
ても良いのであり、更にはそのようなデユーティ比等の
時間比率に代えて、第５図に示される如く、被測定酸素
センサ１６の出力波形におけるリーン電圧（リーン起電
力）やその出力振幅を測定し、その特性評価を行なうこ
とも可能である。

すなわち、第５図に示されるように、基準酸素センサ１
２からの出力に基づいて、試験ガスとしての排気ガスの
空燃比は、理論空燃比点を中心に矢印の範囲で振れてお
り、そしてそのような変化する排気ガスの空燃比に対し
て、浄化装置８の前に取り付けられた被測定酸素センナ
１６の出力波形において、そのリーン電圧は、前記した
リーンシフトのために理想状態から持ち上がり、またそ
の出力振幅も小さくなるのである。そして、この振幅幅
或いはリーン電圧とエミッションとの間にも、前記のデ
ユーティ比等の時間比率と同様に、強い相関関係が認め
られるのであり、それ故酸素センサの評価方法として有
利に採用され得るものである。

ところで、上記に例示の本発明に従う具体的手法におい
ては、浄化装置８の上流側の第一の排気管６には、特性
評価されるべき被測定酸素センサ１６の１本のみが取り
付けられているが、そのような被測定酸素センサ１６の
複数本を取り付けて、それぞれの酸素センサの特性評価
を同時に行なうようにすることも可能である。

また、被測定酸素センサ１６の出力波形から求められる
デユーティ比等の時間比率や出力振幅、リーン電圧は、
コンピュータ等の適当な演算装置を用いて、同時に処理
するようにすることも可能であり、更にはデユーティ比
等の時間比率、出力振幅、或いはリーン電圧は、成る一
定の時間、例えば１０秒以上１０分以内の時間での平均
値として表わすのが好ましい。なお、この測定時間は、
測定精度との関係において適宜に選択されることとなる
。

その他、−々例示はしないが、本発明が、本発明の趣旨
を逸脱しない限りにおいて、種々なる形態において実施
され得るものであることは、言うまでもないところであ
り、そのような実施形態のものが、何れも本発明の範晴
に属するものであることが、理解されるべきである。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明は、理想的な状
態で動作している基準酸素センサの出力信号に基づいて
、周期的にリッチ雰囲気とリーン雰囲気に変化せしめら
れる試験ガスによって、被測定酸素センサからの出力（
起電力信号）を取り出し、そしてそれより、デユーティ
比等の時間比率、出力振幅或いはリーン電圧を求めるよ
うにしたものであって、従来の如きガス分析系等の装置
も必要でないところから、大規模な測定システムとする
ことなく、従って測定コストの上昇を大幅に惹起するこ
となく、エミッションと関連性のあるセンサ特性を精度
良く測定することが可能となったのであり、そこに、本
発明の大きな工業的意義が存するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う測定システムの一例を示す系統
図であり、第２図（ａ）、（ｂ）及び（Ｃ）は、それぞ
れ、基準酸素センサの信号、空燃比制御信号及び被測定
酸素センサの信号の一例を示す説明図であり、第３図は
、酸素センサの異なる配置に基づく空燃比−センサ出力
の関係を示すグラフであり、第４図（ａ）、（ｂ）及び
（ｃ）は、それぞれ、エミッション（Ｃｏ、ＨＣ，Ｎｏ
、）とデユーティ比との関係の一例を示すグラフであり
、第５図は、被測定酸素センサの空燃比−出力特性及び
被測定酸素センサの出力波形の一例を示すグラフである
。 ２：エンジン　　　　４：排気マニホールド６：第一の
排気管　　８：浄化装置 １０：第二の排気管　１２：基準酸素センサ１４：空燃
比制御用コンピュータ １６：被測定酸素センサ １８：記録計

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃焼排ガス若しくはそれに相当する模擬ガスから
   なる試験ガス中に存在する一酸化炭素、炭化水素、窒素
   酸化物等の未燃成分を浄化する浄化装置の下流側に、酸
   素濃淡電池の原理により所定の起電力信号を出力する基
   準酸素センサを配して、該基準酸素センサから出力され
   る、前記浄化装置にて浄化された前記試験ガス中の酸素
   濃度に対応した起電力信号に基づいて、該試験ガスを、
   理論空燃比点を中心にして、燃料過剰の状態のリッチ雰
   囲気と空気過剰の状態のリーン雰囲気に周期的に切り換
   える一方、 前記浄化装置の上流側に、特性評価されるべき被測定酸
   素センサを配し、該被測定酸素センサから、酸素濃淡電
   池の原理によって、前記周期的にリッチ雰囲気とリーン
   雰囲気に切り換えられる試験ガスに従って出力される起
   電力信号に基づいて、該被測定酸素センサのリッチ信号
   時間とリーン信号時間の時間比率を測定することを特徴
   とする酸素センサの特性評価方法。
2. （２）燃焼排ガス若しくはそれに相当する模擬ガスから
   なる試験ガス中に存在する一酸化炭素、炭化水素、窒素
   酸化物等の未燃成分を浄化する浄化装置の下流側に、酸
   素濃淡電池の原理により所定の起電力信号を出力する基
   準酸素センサを配して、該基準酸素センサから出力され
   る、前記浄化装置にて浄化された前記試験ガス中の酸素
   濃度に対応した起電力信号に基づいて、該試験ガスを、
   理論空燃比点を中心にして、燃料過剰の状態のリッチ雰
   囲気と空気過剰の状態のリーン雰囲気に周期的に切り換
   える一方、 前記浄化装置の上流側に、特性評価されるべき被測定酸
   素センサを配し、該被測定酸素センサから、酸素濃淡電
   池の原理によって、前記周期的にリッチ雰囲気とリーン
   雰囲気に切り換えられる試験ガスに従って出力される起
   電力信号に基づいて、該被測定酸素センサのリーン電圧
   若しくは出力振幅を測定することを特徴とする酸素セン
   サの特性評価方法。