JPH0252918A

JPH0252918A - 空燃比制御方法

Info

Publication number: JPH0252918A
Application number: JP20295288A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Iino; 飯野　惇; Nobuhide Kato; 伸秀加藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-08-15
Filing date: 1988-08-15
Publication date: 1990-02-22
Anticipated expiration: 2012-07-09
Also published as: JP2628704B2

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）本発明は空燃比制御方法に係り、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を用い
て、その得られる起電力信号がら空燃比を制御する方法
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、自動車の内燃機関等
の燃焼装置の排気ガス（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、かかる燃焼装
置の燃焼状態（空燃比）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。

そして、この種の酸素センサ（酸素濃度検出素子）とし
て、代表的には、ジルコニア磁器等の酸素イオン伝導性
の固体電解質体を用いた、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、固体電解質体にそれぞれ設けられた、被測定ガ
スとしての燃焼排ガスに晒される測定電橿と基準酸素濃
度の基準ガスに晒される基準電掻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、空気と燃料とから構
成される混合気の空燃比と相関関係を有する燃焼排ガス
中の酸素濃度を知ることにより、かかる空燃比を検出し
、換言すれば得られた起電力信号を予め設定された基準
電圧と比較して、該燃焼排ガスを与える混合気が燃料過
剰のリッチ雰囲気であるか或いは空気過剰のリーン雰囲
気であるかを判定し、それに基づいて内燃機関等の燃焼
装置に供給される燃料供給量（混合気の空燃比）をフィ
ードバック制御せしめ、以てかかる燃焼排ガスを浄化す
る三元触媒が有効に働く理論空燃比近辺の領域（ウィン
ドウ）の燃焼排ガスが生じるようにしている。

ところで、このような酸素センサを用いた空燃比の制御
システム、即ち燃焼排ガス中の酸素濃度を管理して、そ
のような排ガスを発生せしめる内燃機関等で燃焼させら
れる混合気の空燃比を適正に保つことにより、主として
、該排ガス中の有害成分、例えば窒素酸化物（ＮＯＸ）
、−酸化炭素（ＣＯ）　、炭化水素（ＨＣ）等の量を低
減せしめるシステムにおいて、酸素センサから出力され
る起電力信号に基づくリッチ雰囲気がリーン雰囲気かの
判定のための基準電圧（しきい値）は、一般に、０．４
５　Ｖ程度に設定されている。けだし、酸素センサのリ
ッチ排ガス（リッチ雰囲気の燃焼により生じた燃焼排ガ
ス）に対する起電力が略０．９■であり、またリーンシ
フト（リーン雰囲気の燃焼により生じた燃焼排ガス）に
対する起電力が略０■であるところから、その中央値が
選定されているからである。

しかしながら、かかる従来のりッチ　リーンの判定のし
きい値を０．４５　Ｖとした空燃比制御手法にあっては
、酸素センサの長い間の使用により、以下に述べるよう
に、そのセンサ特性が変化すること（耐久変化）に伴い
、エミッションが大きく変化するという問題を内在して
いたのである。

すなわち、ジルコニア磁器の如き固体電解質体を用いた
酸素センサの空燃比−出力特性は、第１図に示されるよ
うに、一般に理論空燃比点（λ＝１）より僅かにリーン
側（λ〉１）にシフトするようになるのであり、従って
しきい値（０，４５Ｖ）によって決定される空燃比制御
点も、理論空燃比点からリーン側にシフトすることとな
るのである。

なお、このリーンシフトの理由は、先の特願昭６３−１
２５９３９号にも詳細に明らかにしたところであるが、
要するに、被測定ガスたる燃焼排ガスが空気過剰のリー
ン雰囲気から生じたものであっても、該排ガス中にはＨ
Ｃ，Ｃｏ、ＮｏＸ等の未燃成分が残存し、そしてこの未
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。

そして、このリーンシフトの量は、酸素センサの使用過
程における三相界面の増加につれて次第に少なくなるの
であり、例えば自動車のエンジンの空燃比を制御するた
めに設けられた酸素センサにあっては、通常、ＩＯＫマ
イル或いは２０にマイルの走行によって、略理論空燃比
点に一致するようになるのである。その様子が、第２図
に示されている。

また、このようなリーンシフトのために、燃焼排ガスを
、それを浄化する三元触媒が有効に働く理論空燃比近辺
の領域の排ガスとなるように、制御しようとしても、排
ガス成分（エミッション）は、センサの使用初期におい
てＮＯＸが太き（、Ｃｏ、ＨＣが少ないレベルとなり、
その使用が進む過程においてＮ　Ｏｘが次第に減少し、
逆にＣ０９ＨＣが増大することとなる。従って、センサ
の使用初期から長い間の使用の後においても、それらＮ
Ｏｘ、Ｃｏ、ＨＣの三成分とも低いレベルに抑えようと
するには、三元触媒の触媒担持量を多くしたり、触媒の
大きさを大きくしたりする必要があるが、それは必然的
にコストアップに繋がるものであった。

なお、ここで、三元触媒とは、ＮｏＸ、Ｃｏ。

ＨＣを同時に浄化する触媒であり、自動車エンジンの排
ガス浄化用触媒として広く利用されているが、この三元
触媒を有効に機能せしめるためには、ＮＯｘ　　Ｃｏ、
ＨＣ共に浄化効率の高い、理論空燃比点を中心とした狭
い空燃比範囲（ウィンドウ）で空燃比を制御する必要が
あり、使用過程において、この空燃比の制御点が変化し
たりすると、かかる好ましい空燃比範囲（ウィンドウ）
から外れ、エミッション規制値から外れてしまうことが
あるのである。一般に、酸素センサの空燃比制御点は、
リーン→リンチへと変化するために、ＣＯやＨＣが外れ
ることとなる。

（解決課題）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、上記
の如き酸素センサを用いた空燃比制御方法において、酸
素センサが、そのセンサ特性に耐久変化を起こしても、
安定的な空燃比制御を実現することにあり、また酸素セ
ンサの使用過程における空燃比制御点の変化幅を小さく
して、制御点がウィンドウから外れてしまうことがない
ようにすることにある。

（解決手段）そして、本発明は、かかる課題解決のために、酸素イオ
ン伝導性の固体電解質体と、該固体電解質体にそれぞれ
接して設けられた、燃焼排ガスに接触せしめられる測定
電極及び基準ガスに接触せしめられる基準電極とを有す
る酸素センサを用いて、酸素濃淡電池の原理により、そ
れら燃焼排ガスと基準ガスとの間の酸素濃度差に起因す
る起電力信号を出力せしめ、そしてその起電力信号を予
め設定された基準電圧と比較して、該燃焼排ガスを与え
る混合気が燃料過剰のリッチ雰囲気であるか或いは空気
過剰のリーン雰囲気であるかを判定し、それに基づいて
該混合気の空燃比を制御するようにした空燃比制御方法
において、前記基準電圧の値を、０．５５　Ｖから０．
８５　Ｖの範囲としたのである。

また、本発明は、酸素センサとして、その測定電極が少
なくとも白金を含むサーメット電極であり、且つ酸素イ
オン伝導性の固体電解質体と同時に焼成されて、該固体
電解質体上に一体的に形成されてなる構成のセンサにお
いて、有利に実施されるものである。

（作用・具体的構成）ところで、かかる本発明に従う空燃比制御手法の信号処
理系統の要部の一例が第３図に示されているが、そこに
おいて、酸素センサ２は、例えば厚膜製法で製作された
センサ素子（酸素濃度検知素子）にて構成されており、
またそのようなセンサ素子内には、公知の如くヒータ手
段が一体的に設けられており、それによって、かかるセ
ンサ素子が所定の温度に加熱せしめられるようになって
いる。そして、このような酸素センサを用いて、よく知
られているように、酸素濃淡電池の原理により、被測定
ガスとしての燃焼排ガスと基準ガスとの間の酸素濃度差
に起因する起電力信号が出力せしめられ、更にこの酸素
センサ２からのセンサ出力は比較器４に導かれて、比較
電源６にて与えられる比較電圧（しきい値）と比較され
、以てかかる燃焼排ガスを与える混合気が燃料過剰のリ
ッチ雰囲気であるか或いは空気過剰のリーン雰囲気であ
るかが判定されるのであり、そしてその結果に基づいて
、該混合気の空燃比が制御されることとなるのである。

なお、かかる酸素センサ２の最も簡単な構造の一例が、
第５図に示されている。そこにおいて、酸素センサを構
成するセンサ素子は、狭幅な板状の長手形状を為してお
り、その先端部に酸素濃淡電池の原理を利用した酸素濃
度検知部が形成されている。そして、このセンサ素子は
積層構造とされており、高温において酸素イオン伝導性
を示す安定化ジルコニア等からなる板状の固体電解質体
１２と、同様な固体電解質体材料から形成されたスペー
サ部材１４と、同じく固体電解質材料から形成された二
枚の板状のヒータプレート１６．１８とが積層せしめら
れて、一体的な構造とされていると共に、スペーサ部材
１４の切欠部によって、それら固体電解質体１２と一枚
のヒータプレート１６との間に、大気に連通せしめられ
る空気通路２０が形成されているのである。また、固体
電解質体１２の外側面には、被測定ガスたる燃焼排ガス
に接触せしめられる測定電極２２が設けられており、そ
してこの測定電極２２に対向するように、固体電解質体
１２の空気通路２０に面する内側面には基準電極２４が
設けられて、空気通路２０を通じて導かれる基準ガスと
しての空気が、かかる基準電極２４に接触せしめられる
ようになっている。更に、かかる測定電極２２及び基準
電極２４は、ここでは、白金とジルコニアのサーメット
にて構成され、その厚みが約６μｍのコファイヤ電極と
されている。即ち、それらの電極２２．２４の焼成が固
体電解質体１２の焼成と同時に行なわれることによって
、目的とする電極が形成されているのである。

また、ヒータプレート１６．１８の間には、白金を導体
としたヒータエレメント２６が配置されて、一体的なヒ
ータ層（加熱手段）が構成されるようになっている。な
お、ヒータプレート１６゜１８のヒータエレメント２６
に接する部分には、電気絶縁性のセラミック材料からな
る絶縁層が印刷付与されている（図示せず）。このヒー
タエレメント２６に対する外部電源からの給電によって
、酸素濃度検知部を構成する測定電極２２．基準電極２
４及びそれら電極の配置された固体電解質体１２部分が
所定の温度に加熱せしめられ得るようになっているので
ある。なお、このようなヒータ層（１６，１８，２６）
も、前記固体電解質体１２や測定電極２２．基準電極２
４と一体焼成されて形成されている。

そして、本発明にあっては、このような酸素センサを用
いた、第３図に示される如き空燃比制御システムにおい
て、センサ出力と比較せしめられる基準電圧たる比較電
圧（しきい値）を０．５５　Ｖ〜０．８５　Ｖの範囲内
、例えば０．７■としたものであり、これによって、第
２図に示される如（、酸素センサの使用初期からその使
用過程における空燃比制御点の変化幅をΔλ（しきい値
が０．４５　Ｖの場合）からΔλ′（シきい値が０．７
　Ｖ　）と大きく減少せしめ得て、安定した空燃比制御
を可能と為し得たのであり、以て空燃比制御点が三元触
媒のウィンドウから外れてしまうことを効果的に防止し
得たのである。

因みに、第４図は、しきい値と空燃比制御点の変化幅の
関係を示しているが、この第４図から明らかなように、
しきい値を従来の０．４５　Ｖから増大せしめることに
より、変化幅は次第に減少することとなるのである。し
かしながら、かかるしきい値を０．８５　Ｖ近辺より更
に増大せしめると、変化幅は象、激にマイナスの方向へ
大きくなる。これは、酸素センサの使用過程により、起
電力が僅かに減少すると、０．８５　Ｖを越えるような
しきい値では、空燃比制御点が大きくリッチ側へ移動し
てしまうためである。このため、本発明では、しきい値
を０．５５　Ｖ〜０．８５　Ｖの範囲内に設定して、そ
の変化幅を低下せしめるようにしたのである。

なお、本発明において、かかるしきい値の好ましい範囲
は０．６５〜０．７５　Ｖであり、その領域において、
起電力の低下という減少に対する余裕と本発明の効果が
充分に発揮され得るのである。

また、かかるしきい値は、０．５５〜０．８５　Ｖの一
点に固定する必要はなく、例えばフィードバック制御下
でのリッチ電圧ＥＲとリーン電圧ＥＬを測定し、Ｋ　（
Ｅ＋＋　＋ＥＬ）になるように可変とすることが出来る
。そして、このＫの値は、しきい値の値が０．５５〜０
．８５　Ｖの範囲に入るように設定すれば良いのである
。また、かかるＥ、ｌの例えば０．９倍のしきい値にす
るという設定のやり方でも、何等差支えないのである。

ところで、かかる本発明において、酸素センサの電極、
特にその測定電極は、少なくとも白金を含むサーメット
電極であることが望ましく、またその厚みとしては、３
μｍ以上とすることが推奨される。この理由は、酸素セ
ンサの電極としてよく知られているメツキ電極やスパッ
タリング電極では、使用過程におけるリッチ電力の低下
が大きいためである。また、それらの電極は、一般にそ
の厚みが１μｍ程度のものであって、高温のリッチ燃焼
排ガスに晒されると、白金等の電極導体が減耗、飛散し
て、電極としての機能を奏し得なくなるためでもあり、
更にはジルコニア等の固体電解質への付着力も充分に高
（ないために、電極が剥がれてしまう等の問題も惹起す
るようになるからである。これに対して、サーメット電
極で同時焼成して製作された酸素センサの電極は、付着
力が高く、またその厚みが３μｍ以上とされることによ
り、上記の如き欠点が有利に解消され得るのである。な
お、このサーメット電極は、白金等の導体金属とジルコ
ニア、アルミナ等のセラミックスとから構成されるもの
であって、例えばＰＣとＺｒ０ｔの組合せや、またＰｔ
とＲｈ、ＺｒＣ）ｚとの組合せ、Ｐｔと八〇２０．との
組合せ、ＰｔＲｈ、Ａ１２ｏ３．Ｚ　ｒＯ，の組合せ、
Ｐｔ、Ｒｈ。

ＡｆｆｉＺＯ，の組合せ、更にはＲｈに代えてＰｄを用
いた組合せ等、通常のサーメット電極の何れもが使用可
能である。

また、本発明にて用いられる酸素センサは、有利には、
ヒータ手段が一体的に或いは別体に設けられていること
が望ましいが、またそのようなヒータ手段を設けない構
造の酸素センサであっても、同様に使用可能であり、更
にそのような酸素センサを構成するセンサ素子の形状に
あっても、例示の如き板状形状の他、有底円筒形状乃至
は試験管形状等のよく知られた形状のものであっても、
同等差支えないのである。

（実施例）以下に、本発明の一実施例を示し、本発明の優れた効果
を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明がそ
のような実施例の記載によって同等限定的に解釈される
ものでないことは、言うまでもないところである。

先ず、下記２種の酸素センサＡ、Ｂを、公知の製造手法
に従って準備した。

酸素センサＡ：第５図に示される酸素センサ素子と同様な板状の酸素セ
ンサ素子を、幅：４．０ＩＩＩ１１、厚さ：１．２ｍｍ
、長さ＝６０値の大きさにおいて用意した。この板状酸
素センサ素子は、Ｐｔ／ＺｒＯ□の比率が６／４で、厚
さが６μｍの測定電極を有するものであった。また、Ｚ
ｒ０□からなる固体電解質体に接して形成される測定電
極と基準電極は、センサ素子の先端部に２．５　ｍｍ　
Ｘ　９　ｍｍの大きさで設けられており、更にこの部分
を加熱するためのヒータが設けられており、そしてそれ
ら電極、ヒータ、センサ素子本体（固体電解質体、測定
電極、基準電極）が一体焼成されて、電極中のＺｒＯ２
と本体のＺｒ０ｚは完全に一体化された構造となってい
る。

酸素センサＢ：先端部が３Ｒ１長さが４０ｍｍ、内径が３．０画の試験
管形状のＺｒＯ□固体電解質体の内外面に、１μｍの厚
さのＰｔメツキ電極を形成することにより、外面に測定
電極、内面に基準電極を有する酸素センサを準備した。

次いで、この２種の酸素センサＡ、Ｂを用いて、空燃比
制御試験を行なった。即ち、それらセンサＡ、Ｂを２．
０１の４シリンダ自動車用エンジンに取り付け、当該車
両の５０にマイル走行過程における空燃比制御点の測定
を行なった。この空燃比制御点の測定には、別の車両（
同じ＜　２．　Ｏｆの４シリンダエンジンを備えている
）を準備し、耐久用の車両と測定用の車両とを区別した
。これは、耐久によって、車両の劣化により空燃比制御
点の変化があるためであり、酸素センサの変化のみを検
出出来るようにするためである。空燃比制御点の測定条
件は、ガス塩：３５０°Ｃとし、フィードバック制御下
での空燃比の平均値を求めた。即ち、測定センサで車両
をクローズループ運転すると、排ガスはりッチーリーン
を周期的に繰り返すが、この排ガスの空燃比を全領域型
センサで読み取り、コンピューターを用いて平均値を算
出するものである。また、５０にマイル走行後には、エ
ミッション測定を行なった。なお、このエミッション測
定は、米国排ガス測定基準に従った。また、耐久の走行
モードは米国ＡＭＡモードとした。得られた結果を、下
記第１表及び第２表に示す。

第１表注）数値はλ値第２表かかる第１表及び第２表の結果から明らかなように、本
発明に従うしきい値（０，７Ｖ）を採用して空燃比制御
を行なった、酸素センサＡを用いた試験においては、０
〜５０にマイルの空燃比（λ）の変化量は０．００２で
あったのに対して、従来のしきい値（０，４５Ｖ）を採
用する、酸素センサＢを用いた試験においては、空燃比
（λ）の変化量はＯ，ＯＯ５となり、酸素センサの使用
過程において空燃比値（λ値）が大きく変化することが
認められ、またエミッション値に関しても、本発明に従
うしきい値（Ｑ、７Ｖ）を採用した場合にあっては、そ
の変化量が圧倒的に小さく為され得るのである。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明は、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
サを用いて、その得られる起電力信号がら空燃比を制御
するようにしたシステムにおいて、かかる起電力信号と
比較されて、被測定ガスとしての燃焼排ガスが、リッチ
状態のものか或いはリーン状態のものか判定される基準
電圧（しきい値）の値を０．５５〜０．８５　Ｖの範囲
内とするようにしたものであり、これによって酸素セン
サが耐久変化を起こしても、その使用過程における空燃
比制御点の変化幅を効果的に小さく為し得、かかる制御
点が三元触媒に有効なウィンドウから外れてしまうよう
なことも有利に防止され得ることとなったのであり、以
て安定的な空燃比制御が可能となったのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、酸素センサのセンサ出力と空燃比の関係を示
すグラフであり、第２図は、酸素センサを取り付けた車
両の走行距離に対する空燃比制御点の変化を示すグラフ
である。第３図は、酸素センサを用いた空燃比制御シス
テムの要部を示す系統図であり、第４図は、空燃比制御
点の変化幅としきい値との関係を示すグラフであり、第
５図は、本発明にて用いられる酸素センサの最も簡単な
構造の一例を示す分解図である。２：酸素センサ　　　４：比較器６；比較電源　　　Ｉ２：固体電解質体Ｉ４ニスペーサ
部材１６．１８：ヒータプレート２０：空気通路　　　２２：測定電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸素イオン伝導性の固体電解質体と、該固体電解
質体にそれぞれ接して設けられた、燃焼排ガスに接触せ
しめられる測定電極及び基準ガスに接触せしめられる基
準電極とを有する酸素センサを用いて、酸素濃淡電池の
原理により、それら燃焼排ガスと基準ガスとの間の酸素
濃度差に起因する起電力信号を出力せしめ、そしてその
起電力信号を予め設定された基準電圧と比較して、該燃
焼排ガスを与える混合気が燃料過剰のリッチ雰囲気であ
るか或いは空気過剰のリーン雰囲気であるかを判定し、
それに基づいて該混合気の空燃比を制御するようにした
空燃比制御方法において、前記基準電圧の値を、０．５
５Ｖから０．８５Ｖの範囲としたことを特徴とする空燃
比制御方法。
（２）前記測定電極が少なくとも白金を含むサーメット
電極であり、且つ前記酸素イオン伝導性の固体電解質体
と同時焼成されていることを特徴とする請求項（１）記
載の空燃比制御方法。