JPH0335155A - 空燃比センサ評価法および装置 - Google Patents

空燃比センサ評価法および装置

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JPH0335155A
JPH0335155A JP1168314A JP16831489A JPH0335155A JP H0335155 A JPH0335155 A JP H0335155A JP 1168314 A JP1168314 A JP 1168314A JP 16831489 A JP16831489 A JP 16831489A JP H0335155 A JPH0335155 A JP H0335155A
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fuel ratio
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紀之 伊奈
Toshio Yamada
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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および装置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、運
転条件、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、ボンベガス等を用い
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、多量のセンサの
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、ガスバ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、多量のセンサの特性測定に
むいていたが、エンジン実機での特性を十分に反映する
ことができなかった。
第14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Nα790143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“Ch
aracteristics of Zr0t−Typ
e Oxygen 5ensorsfor Autoa
+otive 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14図において、5
1−1.51−2は燃料ガス供給装置、52−L 52
−2は空気供給装置、53−1゜53−2は通過するガ
スの流量を調整するためのii電磁弁54はこれらのガ
スを混合して燃焼させるためのガスバーナ装置、55は
ガスバーナ装置で燃焼させた燃焼排ガスを導くための筒
状ボート、56は筒状ボート55に取り付けられた被測
定酸素センサ、57は酸素センサ56からの測定データ
を処理する計測装置、58は計測装置57の信号に基づ
いて電磁弁53−1.53−2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は、ガスバーナ装置54における
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、ガスバーナ装
置54に供給する燃料ガスと空気の混合比を変えること
のみによって行なわれるため、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、上
述した構成の装置では、筒状ボート55に酸素センサ5
6の検出部がさらされているのみであるため、筒状ボー
ト55内を流れる燃焼排ガスが短時間で十分に酸素セン
サ56の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
センサ特性評価法および装置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) 本発明の空燃比センサ評価法は、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、所
定の空気過剰率の燃焼ガスに酸化性および/又は還元性
の添加ガスを供給し、この混合ガスを用いてセンサを評
価する方法であって、該添加ガスの供給を10Hz以上
の周波数で増減せしめ、増供給時間と減供給時間の比を
変えることにより、添加ガスの供給量を変化させ、且つ
、増供給時間と滅供給時間の比を前記周波数より遅い周
期で変化せしめるか、あるいは、ステップ状に変化せし
め、この混合ガス中に被測定センサをさらし、その出力
を検出することを特徴とするものである。
また、本発明の空燃比センサ評価装置は、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装置に
おいて、所定の空気過剰率の燃焼ガスに酸化性および/
又は還元性の添加ガスを供給し、この混合ガスを用いて
センサを評価する装置であって、燃料および支燃性ガス
と所定の割合で混合し、燃焼せしめる燃焼ガス生成部と
、被測定酸素センサが装着された測定部と、燃焼ガス生
成部で生成したガスを測定部へ導く連結部と、酸化性お
よび/又は還元性の添加ガスを上記連結部および/又は
測定部に導入する導入部と、該添加ガスの流量を高速パ
ルス幅制御により制御するガス流量制御部と、前記高速
パルス幅制御を周期的あるいはステップ状に変化せしめ
るパルス幅制御部を備えた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、添加ガスの供給を高速で増減し
、その増供給時間と減供給時間の時間比を変えることに
より、供給量を制御できるように構成したため、添加ガ
ス供給量を10回/秒以上に細かく変えることができ、
繊細な空気過剰率(以下λと記す)の制御が可能となり
、よりエンジン実機に近いセンサ特性を評価することが
できる。
ここで空気過剰率λとは、燃料を燃焼するとき供給され
る空気量をその燃料が完全燃焼するのに必要な空気量で
割ったものであり、λ=1のときその燃料は完全燃焼す
る。また、λ〈lのとき空気不足であり(以下リッチと
もいう)、λ〉1のとき空気過剰(以下リーンともいう
)である。
ここで、増減周波数を10Hz以上としたのは、電子燃
料噴射式エンジンのガソリン注入の最小変化単位の燃料
噴射回数を、添加ガスの増減周波数とほぼ同じくしたこ
とによる。すなわち、多くのエンジンにおいて、エンジ
ン燃焼噴射回数は1噴射/回転であり、通常回転数範囲
の650rpra〜6000rpmでは噴射周波数が1
0.8H2〜100 H2となるためである。
又、添加ガス増減周波数を10Hz以上としたことで、
酸化性ガスと還元性ガスを10回/秒以上増減すること
が可能となるため、試験ガス混合後、λ値が相殺され、
添加ガスの流量が大きくても、λ振幅を小さくすること
ができ、測定λ範囲をエンジン排ガスλに近く精度良く
設定でき、エンジン特性値と相関の高い測定ができる。
(実施例) 第1図は本発明の空燃比センサ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、ガスバー
ナ装置1には、−次ガス供給装置2を構成する燃料ガス
供給装置3と空気供給装置4から、燃焼ベースガスとし
て燃料ガスおよび空気を供給して燃焼させ、所定の空燃
比の燃焼排ガスを発生させる。ガスバーナ装置1で得ら
れた燃焼ガスは、筒状ボート6内を介して被測定センサ
7に達する。
ガスバーナ装置1と被測定センサ7との間の筒状ボート
6には、添加ガス供給装置8を構成する酸化ガス供給装
置9、還元ガス供給装置10から、所定量の酸化ガスま
たは還元ガスを電磁弁11−1゜12−1の制御により
供給している。さらに本実施例では、これらの供給量制
御用の電磁弁11−1.12−1と並列に、電磁弁11
−1.12−1が流量減のとき流量増、流量増のとき流
1減となる逃がし弁11−2.12−2を設け、添加ガ
ス供給量が変化しても管内圧力を一定に保つように外部
へガスを放出している。
また、被測定センサ7の検出した出力をフィードバック
制御装置13へ供給して、所定の信号処理後、電磁弁駆
動装置14に供給し、電磁弁11−1.11−2.12
−1.12−2の開閉を制御して、所定m戒の混合ガス
が得られるよう構成している。同時に被測定センサ7の
出力をデータ処理装置15に供給し、筒状ボート6の先
端の雰囲気をλ検出器16により測定した結果とともに
データ処理して、被測定センサ7の特性を評価している
上述した各装置のうち、ガスバーナ装置1および一次ガ
ス供給装置2が燃焼ガス生成部を、筒状ポート6の一部
が測定部を、筒状ポート6の一部が連結部を、添加ガス
供給装置8および電磁弁11L 12−1が導入部を、
フィードバック制御装置13の一部および電磁弁駆動装
置14がガス流量制御部を、フィードバック制御装置1
3の一部がパルス幅制御部をそれぞれ構成している。
第2図は本発明におけるフィードバック制御装置13の
一構成を各部の信号波形とともに示すブロック図である
。第2図において、被測定センサ7の出力信号を、まず
コンパレータ21に供給する。
被測定センサが正常なジルコニア固体電解質酸素センサ
のとき、その出力電圧は雰囲気がリーンのとき200m
V以下(以下リーン電圧)であり、リッチのとき700
mV以上(以下リッチ電圧)である。
ここで、リッチ電圧とリーン電圧の中間の電圧(例えば
450mV )を基準電圧としてセンサ出力電圧をコン
パレータ21で図中(a)で示すパルス状の波形に変換
する。次に、パルス信号を積分動作調整器22に供給し
て図中(b)で示す鋸歯状の波形に変換した後、さらに
スキップ動作調整器23に供給して図中(C)で示す形
状の波形に変換している。また、並行して、パルス発振
器24により10Hz以上の一定周波数のパルス信号を
供給する。上述した、図中(C)に示すスキップ変換後
の信号で、図中(d)で示すパルス信号をパルス幅変調
器26でパルス幅変調することにより、図中(e)に示
す形状の周期は変えずデユーティ比が変化したフィード
バック制御用のパルス信号を得る。このフィードバック
制御用のパルス信号を電磁弁駆動装置14へ供給して、
例えばパルス信号の正のときに増、負のときに減となる
よう制御することにより、添加ガスの筒状ポート6内へ
の供給を制御している。
この制御の際、酸化性および還元性ガスを断続供給する
電磁弁11−1.12−1が、酸化性ガスが増のとき還
元性ガスは滅、酸化性ガスが城のとき還元性ガスは増と
動作し、そのガスを同一の供給口より供給するよう制御
すると、複数の添加ガスの増減時期が固定され、λ値ビ
ークのずれや増減切り換え時のずれを解消することがで
きるため好ましい。また、フィードバック制御信号に積
分動作、スキップ動作を加味し、積分動作とスキップ動
作がそれぞれ任意に設定できるよう構成しているため、
これらを調整することで容易に各種エンジンのフィード
バック特性に合わせることができる。
第3図は第1図に示す装置のセンサ測定部の断面を示す
部分断面図である。第3図において、被測定センサ7の
検出部31の周囲の筒状ポート6内に絞り治具32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。測定に用いる燃焼ガス生成部からの燃焼ガス
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、被測定センサ7の検出部31の形状、先端通気
機構による応答性差がエンジ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ると
同時に、使用ガス量を減らすことができ経済的である。
第4図は本発明の空燃比センサ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4図に示す実施例にお
いて、第1図に示す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4図に示す例においては、第1図に示す例と異なり、
空気供給装置4を空気供給部4−1とマスフローコント
ローラ4−2(以下、MFCと記す)とにより構成する
とともに、燃料ガス供給装置3を燃料ガス供給部3−1
とMFC3−2とにより構成している。そして、ガスバ
ーナ装置1の下流に広範囲空燃比センサ35を設け、こ
の出力を一次ガスλ制御装置36に供給して、この出力
に応じてMFC3−2を制御することにより、精度よく
λ値を一定にすることができる。また、添加ガス供給装
置8内に還元ガス供給装置36を設け、空気を供給する
酸化ガス供給装置9およびCOガスを供給する還元ガス
供給装置10と同様、電磁弁37−1.37−2の制御
により、H2ガスを同一の供給口より供給できるよう構
成して、より排気ガスに近い燃焼ガスが得られるよう構
成している。さらに、第工図におけるλ検出器16の代
わりに、広範囲空燃比センサ38を設け、この出力から
センサ特性を求めている。なお、本実施例のフィードバ
ック制御装置13の構成も、第2図に示す例と同一の構
成のものを使用している。
上述した第4図に示した各装置のうち、ガスバーナ装置
lおよび一部ガス供給装置2が燃焼ガス生成部を、筒状
ボート6の一部が測定部を、筒状ボート6の一部が連結
部を、添加ガス供給装置8および電磁弁11−1.12
−1および37−1が導入部を、フィードバック制御装
置13の一部および電磁弁駆動装置14がガス流量制御
部を、フィードバック制御装置13の一部がパルス幅制
御部をそれぞれ構成している。
第4図に示す装置において、第1表に示すガス流量で、
電磁弁の開閉周波数を20112として被測定センサが
所定値(例えば450mV )となるように添加ガスの
増減をフィードバック制御したときの空気過剰率λ、、
r、とフィードバック周波数F、を測定するとともに、
実際のエンジンを回転数115Orpmで駆動させ被測
定センサでフィードバック制御させたときの空気過剰率
λ^VGとフィードバック周波数ptcを測定した。第
5図に空気過剰率の相関を示すとともに、第6図にフィ
ードバック周波数の相関を示す、第5図および第6図の
結果から、本発明の評価法において、エンジン実機とほ
ぼ同じ状態を模擬できることがわかる。
第1表 さらに、被測定センサ取り付は位置における試験ガスの
レイノルズ数R,(=4mv/ν;ここでm=(測定部
断面積)/(測定部断面積における周長)、V:測定ガ
スの測定部における平均流速、シ:測定ガスの動粘性係
数)の影響を調べるため、センサの種類をその検出部形
状の異なるA、B。
Cと変えたときの空気過剰率λAVGを調べたところ、
レイノルズ数R,=3000のときは第7図に示すよう
にセンサの種類に関係なく高い相関が得られるのに対し
、レイノルズ数R,=1000のときは第8図に示すよ
うにセンサの種類により相関が大きく変化した。この結
果より、被測定センサ取り付は位置における試験ガスの
レイノルズ数R1が2500以上であると好ましいこと
がfiIvQできた。
また、被測定センサ取り付は位置の影響を調べるため、
第4図において、被測定センサ取り付は位置の添加ガス
混合部からの距離りが筒状ボート6の内径dに対し10
dと3dの場合について空気過剰率λのバラツキを測定
したところ、第9図に示す結果を得た。第9図の結果か
ら、Lが10dのときはLが3dのときに比較してバラ
ツキが少なくなり、これよりLが10d以上であるとよ
り実際のエンジンの排ガスに近い状態が得られることが
確認できた。
さらに、第4図に示す装置において、逃がし弁の影響を
調べるため、逃がし弁のある構成とない構成の装置にお
いて、燃焼ガス中にCOのみを添加して、電磁弁の開弁
制御電圧との関係を測定したところ、第10図に示す結
果を得た。第10図の結果から、逃がし弁があることに
より、より精度の高いガス流量制御を実施できることが
わかる。また、他の添加要素である空気および11□に
対しても同様な結果が得られている。
第11図は本発明の空燃比センサ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り、これまでに説明
したフィードバック制御を使用した例と異なり、オーブ
ンループ測定の場合に本発明を適用した例を示している
。第11図に示す実施例において、第1図に示す例と同
一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
第11図に示す例においては、被測定センサ7の出力を
直接データ処理装置15に供給して処理するとともに、
フィードバック制御装置とは異なる制御装置41を設け
、プログラマ42と協動して電磁弁駆動装置14を制御
して、添加ガスの供給を高速で増減できるよう構成して
いる。
上述した第11図に示した各装置のうち、ガスバ−ナ装
置lおよび一部ガス供給装W2が燃焼ガス生成部を、筒
状ボート6の一部が測定部を、筒状ポート6の一部が連
結部を、添加ガス供給装置8および電磁弁11−1.1
2−1が導入部を、制御装置41の一部および電磁弁駆
動装置14がガス流量制御部を、制御装置41の一部が
パルス幅制御部をそれぞれ構成している。
すなわち、第12図に制御装置41の一構成を各部の信
号波形とともに示すように、まずプログラマ42から被
測定センサ7の出力を模擬してパルス状の信号(図中(
a))を発生する。同時に、パルス発振器43によりL
oll z以上の一定周波数のパルス信号(図中(b)
)を発生し、上述した、図中(a)で示すプログラマ4
2からの信号と、図中(b)で示すパルス状の信号とを
パルス幅変調器45に供給して変調することにより、図
中(C)で示す制御用のパルス信号を得る。このとき、
プログラマ42からの図中(a)に示すパルス状の信号
がAであるときは、図中(C)に示す制御用のパルス信
号は数個の、パルス信号毎にそのデユーティ比が変化す
るとともに、プログラマ42からのパルス状の信号がB
のようにエンジンのλ変化に合わせたように変化すると
きは、図中(d)に示す制御用のパルス信号はパルス信
号毎にデユーティ比の異なる信号となる。
第13図(a)、 (b)は、それぞれ上述した実施例
におけるスイッチング動作毎のセンサ起電力の変化を示
すグラフである。第13図(a)、 (b)において、
T□。
TL!はそれぞれ電磁弁開閉信号が発せられてからセン
サ起電力が所定値(この例ではQ、45V )になるま
での応答時間を表わし、Tl+!iはセンサ起電力がリ
ッチ側から所定値に変化する時間を、TL、はセンサ起
電力かり−ン側から所定値へ変化するまでの時間をそれ
ぞれ示している。これらT*s+ Ttsを使用してデ
ータ処理装置15では、1/(T□+Tts)。
Tas/Tts等を特性評価の指標として被測定センサ
7の特性を評価することができる。その−例を第13図
(C)および(d)に示すが、エンジン実機における測
定値と本発明による評価装置の結果とは、良く相関がと
れていること力くわかる。
第11図〜第13図に示すオープンループ型のtl或に
おいては、サーマル型マスフローコントローラに比しガ
ス制御応答が良く、流量を連続的に変えることができる
とともに、供給fL量が大きくても小さなλ変化を精度
良く設定できる利点をもつ。
本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく
、幾多の変形、変更が可能である。例えば、上述した実
施例では、ガスの有毒性、経済性から添加ガスとして、
Co、 82.空気の3種類を使用したが、さらに排ガ
ス組成に近づけるため、添加ガスの種類をさらに増やし
たりあるいはNO9あるいはC,Hz−、CC−1hf
i−で表わされるCJa、 C3118などのガスを加
えても良好な結果が得られる。また、広範囲空燃比セン
サの代わりに、ガス分析計や酸素センサを用いそのデユ
ーティ比を測定し、被測定センサの特性を評価すること
もできる。
(発明の効果) 以上の説明から明らかなように、本発明の空燃比センサ
評−価法によれば、添加ガスの供給を高速で増減し、そ
の増減各供給時間の時間比を変えることにより供給量を
制御できるよう構成したため、エンジン排ガスなみの細
かなλ制御が可能となり、より実機に近いセンサ特性評
価を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の空燃比センサ評価法を実施する装置の
一例の構成を示す図、 第2図は本発明におけるフィードバック制御装置の一構
成を各部の信号波形とともに示すブロック図、 第3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4図は本発明の空燃比センサ評価法を実施する装置の
他の例の構成を示す図、 第5図は本発明における空気過剰率と実際のエンジンに
おける空気過剰率との関係を示すグラフ、第6図は本発
明におけるフィードバック周波数と実際のエンジンにお
けるフィードバック周波数との関係を示すグラフ、 第7図および第8図はそれぞれセンサ測定部におけるレ
イノルズ数を変えたときの本発明における空気過剰率と
実際のエンジンにおける空気過剰率との関係を示すグラ
フ、 第9図はセンサ測定部の位置を変えたときの空気過剰率
のバラツキを示すグラフ、 第1O図は逃がし弁のある構成とない構成の装置におけ
るCOガス濃度と電磁弁の開弁制御電圧との関係を示す
グラフ、 第11図は本発明の空燃比センサ評価法を実施する装置
のさらに他の例の構成を示す図、第12図は本発明にお
ける制御装置の一構成を各部の信号波形とともに示すブ
ロック図、第13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図、 第13図(c)、 (d)はそれぞれエンジン実機にお
ける測定値と本発明による評価装置の結果との関係を示
す図、 第14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。 l・・・ガスバーナ装置 2・・・−次ガス供給装置 6・・・筒状ボート 7・・・被測定センサ 8・・・添加ガス供給装置 11−1.11−2.12−1.12−2・・・電磁弁
13・・・フィードバック制御装置 15・・・データ処理装置 第1図 第2図 Co) (b) (C) 第5図 工ンシ1ン空気過、粂1牢 入AV(lr 第6図 エンシ゛ゝンプイーF)でツク思うR@Ft、c  (
)Iz)第7図 エンン“ンゼ籠渦−剰率 入 第8図 エノン1ンq1α起剰率 入 第9図 ! くE会tあC−乗り各年) λ 電姐弁聞弁¥F、lIイ卸電圧(V) 第11図 第12図 Ca> 第13図 (a) (b) <C) エンノ°′;/ゼtiL過、棄11午 入AV冴 第13図 (d)

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、所定の空気過剰率の燃焼ガスに
    酸化性および/又は還元性の添加ガスを供給し、この混
    合ガスを用いてセンサを評価する方法であって、該添加
    ガスの供給を10Hz以上の周波数で増減せしめ、増供
    給時間と減供給時間の比を変えることにより、添加ガス
    の供給量を変化させ、且つ、増供給時間と減供給時間の
    比を前記周波数より遅い周期で変化せしめるか、あるい
    は、ステップ状に変化せしめ、この混合ガス中に被測定
    センサをさらし、その出力を検出することを特徴とする
    空燃比センサ評価法。 2、前記被測定センサの出力により添加ガスの量をフィ
    ードバック制御せしめ、そのフィードバック特性から、
    センサ特性を評価する請求項1記載の空燃比センサ評価
    法。 3、内燃機関の排気ガスの空燃比を検出する酸素センサ
    の特性評価装置において、所定の空気過剰率の燃焼ガス
    に酸化性および/又は還元性の添加ガスを供給し、この
    混合ガスを用いてセンサを評価する装置であって、燃料
    および支燃性ガスと所定の割合で混合し、燃焼せしめる
    燃焼ガス生成部と、被測定酸素センサが装着された測定
    部と、燃焼ガス生成部で生成したガスを測定部へ導く連
    結部と、酸化性および/又は還元性の添加ガスを上記連
    結部および/又は測定部に導入する導入部と、該添加ガ
    スの流量を高速パルス幅制御により制御するガス流量制
    御部と、前記高速パルス幅制御を周期的あるいはステッ
    プ状に変化せしめるパルス幅制御部を備えたことを特徴
    とする空燃比センサ評価装置。 4、添加ガス流量制御部にその管内圧力が一定圧力を保
    つように逃がし弁を設けたことを特徴とする請求項3記
    載の空燃比センサ評価装置。
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