JPH04224250A - 空燃比制御装置における酸素センサの劣化検出装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの空燃比制御
装置における酸素センサの劣化検出装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】現在のガスエンジンの低ノックス化用シ
ステムは、空燃比制御装置と三元触媒とで構成されてい
る。

【０００３】三元触媒とは、排ガス中に含まれているノ
ックス（ＮＯ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（Ｈ
Ｃ）を同時に除去するという優れた性能を有しており、
すでに自動車の排ガス浄化システムとして普及している
。しかし、三元触媒は空燃比が理論空燃比と近い、極め
て限られた範囲にあったときにはじめて機能する。この
ため空燃比制御装置が、精度よく空燃比を制御しなけれ
ばならない。

【０００４】一般に三元触媒の空燃比制御は、酸素セン
サを用いて排ガス中の酸素濃度を検出し、フィードバッ
クして空燃比を調節するという機構で成り立っている。 ガスエンジンの三元触媒を用いるシステムは、λセンサ
と言われる濃淡電池型の酸素センサを用いてフィードバ
ックを行っている。

【０００５】ところが、このような濃淡電池型の酸素セ
ンサを用いたフィードバック方式の空燃比制御装置では
、酸素センサの劣化が排気ガス中の有害成分の増加を招
く問題を含んでいる。そのため、酸素センサの劣化状態
の診断は、正常な空燃比制御を行う上で重要となってい
る。そのため、このような劣化検出装置が種々発明され
ている。

【０００６】例えば、酸素センサの劣化を検出するため
、劣化による酸素センサの内部抵抗の変化を検出するか
、または、劣化により酸素センサの出力電圧値の振幅の
変化を検出する方法が提案されている（特開昭６２−７
８４４４号）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のような酸素セン
サの劣化検出装置であると、酸素センサの置かれた温度
や雰囲気等の環境により内部抵抗すなわちインピーダン
スが大きく変化し、酸素センサの劣化の判断が難しくな
るという問題点があった。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、上記問題点に鑑み、酸素セン
サの劣化状態を確実に診断することができる空燃比制御
装置における酸素センサ劣化検出装置を提供するもので
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】まず、本発明の前提とな
る濃淡電池型の酸素センサが劣化した場合に、負の出力
が発生する原理について説明する。

【００１０】濃淡電池型の酸素センサの劣化による出力
低下は、空気極近傍の酸素濃度低下による空気極側単極
電位低下と空気極側単極電位の緩和は急速には発生しな
いためと考えられている。そのため、この考えをもとに
すると次の２つのモデルが考えられる。

【００１１】モデル１について図１及び図２に基づいて
説明する。モデル１は空気極に空気が到達することがで
きないような空気極閉鎖モデルである。

【００１２】正常な酸素センサは、両極が空気の状態に
置かれた場合両極の酸素濃度は等しく、単極電位も等し
い（図１（ａ）参照）。即ち出力はＯＶを示す。排ガス
極が排ガス雰囲気に置かれた場合、排ガス極側の酸素濃
度が低下し、排ガス極の単極電位が変化することにより
正常な出力が生じる（図１（ｂ）参照）。ジルコニアは
酸素イオンの輸率がほぼ１であるので、理論上計測器出
力が生じる。ジルコニアは酸素イオンの輸率がほぼ１で
あるので、理論上計測器には酸素イオンの電荷が移動し
ただけの電流が流れていることになる。排ガス極側が再
度空気に戻った場合には初期の状態に戻る（図１（ｃ）
参照）。

【００１３】劣化した酸素センサとして空気極側からの
酸素イオンの供給がたたれた場合を考える。初期に両極
が空気の状態では両方の極近傍の酸素濃度は等しいため
、出力は０Ｖを示す（図２（ａ）参照）。排ガス極が排
ガス環境になると排ガス極の酸素濃度が低下し、正常な
センサと同様な単極電位の差が一瞬現れ、正常な出力を
示す（図２（ｂ）参照）。排ガスの状態が続くと酸素イ
オンは排ガス極側へ流れ、空気極側の酸素イオン濃度が
低下する。空気の拡散が断たれているため、空気極近傍
の酸素イオン濃度も同様に低下する。この状態では徐々
に空気極の単極電位が低下している。これにつれてセン
サ出力も低下する。排ガス極が空気に戻ると酸素濃度の
逆転現象がみられ、酸素イオンが排ガス極側から空気極
側へと流れる。このため逆起電力すなわち負の出力が生
じる（図２（ｃ）参照）。

【００１４】モデル２について図３に基づいて説明する
。モデル２は、空気極雰囲気変化による単極電位変動モ
デルである。

【００１５】酸素センサの空気極はステンレスケースで
覆われ、空気が通りにくい状態にある。ここで酸素セン
サの構成材であるジルコニアに、熱衝撃等によるクラッ
クが入った場合を考える。

【００１６】両極が空気中では、出力電圧は０Ｖである
（図３（ａ）参照）。排ガス極に排ガスがくると、いっ
たん出力はでるが、構成材内部を排ガスが空気極側に移
動し、空気極側の酸素濃度を低下させてしまう。このた
め空気極側の単極電位の変動が生じる（図３（ｂ）参照
）。排ガス極側が空気に戻ると、空気極側に移動してい
る排ガスのため、逆出力が発生する。空気極側の排ガス
がなくなるまでこの逆出力は続くので緩和時間は長くな
る（図３（ｃ）参照）。

【００１７】本発明は、以上の原理のモデルが示すよう
に酸素センサが劣化した場合に、負の出力が発生する点
に着目して発明されたものである。

【００１８】本発明の請求項１の空燃比制御装置におけ
る酸素センサの劣化検出装置は、図４のブロック図に示
すように、エンジン（１）　の排気系に設けられた濃淡
電池型の酸素センサ（２）　と、酸素センサ（２）　の
出力値に基づいてエンジン（１）　に燃料を供給する燃
料供給手段（３）　と、燃料供給手段（３）　を制御し
て空燃比λを制御する空燃比制御手段（４）　とを備え
たフィ―ドバック方式の空燃比制御装置において、空燃
比λをλ＞１からλ＜１へパルス状に変化するように空
燃比制御手段（４）　を制御する第１制御手段（５）　
と、第１制御手段（５）　が空燃比λをパルス状に変化
させている時に酸素センサ（２）　の負の出力を検出す
る検出手段（６）　と、検出手段（６）　が酸素センサ
（２）　の負の出力を検出した時にそれを報知する報知
手段（７）　とを有するものである。

【００１９】請求項２の空燃比制御装置における酸素セ
ンサの劣化検出装置は、請求項１の劣化検出装置におい
て、第１制御手段（５）　が空燃比λをλ＜１に制御し
ている時に酸素センサ（２）　の出力を零にするように
した第２制御手段（８）　を設けたものである。

【００２０】

【作用】請求項１の空燃比制御装置における酸素センサ
の劣化検出装置の作動状態を説明する。

【００２１】酸素センサ２　が劣化していない正常な状
態であると、空燃比λをλ＜１からλ＞１すなわちリッ
チ状態からリ―ン状態に変化させる。酸素センサ２　は
正常な状態であるため、正の出力を行ない、検出手段６
　は負の出力を検出できない。したげって、報知手段７
　は作動しない。

【００２２】酸素センサ２　が劣化状態にあると、空燃
比λをλ＜１からλ＞１へパルス状に変化させた際に、
酸素センサ２　が負の出力を検出する。そのため、検出
手段６　はその負の出力を検出し、その検出した際に報
知手段７　が検出したことを、使用者に報知する。すな
わち、酸素センサ２　が正常な状態であると、負の出力
が出力されないため、検出手段６　は作動しないが、酸
素センサ２　が劣化状態にあると検出手段６　が負の出
力を検出し、報知手段７　がこれを報知する。

【００２３】請求項２の酸素センサの劣化検出装置であ
ると、前記したように酸素センサ２　が劣化状態におい
て負の出力を出す場合に、それをより明確に検出するた
めに第２制御手段が空燃比λがλ＜１の場合に酸素セン
サ２　の正の出力を零にし、負の出力が強調されるよう
にしている。これにより、より確実に検出手段６　が酸
素センサ２　の負の出力を検出することができる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。

【００２５】第５図は、本発明の一実施例を示す５０ｋ
ｗ型のガスエンジン１０であって、燃料供給管１２から
都市ガス１３Ａが供給され、空気供給管１４から空気が
供給される。符号１６はスロットルである。符号１８は
バイパス弁であって、このバイパス弁１８は、モジュト
ロールモータ２０によって動作する。

【００２６】符号２２は、濃淡電池型の酸素センサの一
つであるジルコニア系の酸素センサである。この酸素セ
ンサ２２は、安定化ジルコニアを固体電解質とし、電極
として白金を用いたものである。この酸素センサ２２か
ら出力電圧Ｖが、排気ガス中の酸素濃度に応じて出力さ
れる。

【００２７】符号２４はマイコンであって、このマイコ
ン２４は、特許請求の範囲において第１制御手段及び検
出手段に相当するもであり、下記のような構成となって
いる。

【００２８】符号２６は、モジュトロールモータ２０の
制御手段であって、酸素センサ２２から入力した電圧Ｖ
に応じて制御手段２６がモジュトロールモータ２０を動
作させ、空燃比λを調整する。

【００２９】符号２８は、酸素センサ２２の出力電圧Ｖ
の検出手段である。この検出手段２８と、酸素センサ２
２との間には抵抗切換器３０が設けられている。この抵
抗切換器３０は、スイッチ３２と抵抗値１００（Ω）の
抵抗器３４とが直列に接続され、抵抗器３４の一端は接
地されている。この抵抗切換器３０は、制御手段２６が
空燃比λをλ＜１、すなわちリッチ状態にある場合にお
いて、スイッチ３２をＯＮする。この場合に、抵抗器３
４の一端が接地されているため、検出手段２８に酸素セ
ンサ２２の出力電圧Ｖがかからない。

【００３０】符号３６は、判断手段である。この判断手
段３６は、制御手段２６が、空燃比λをλ＜１からλ＞
１にパルス状に変化させる時、すなわちリッチ状態から
リ―ン状態に変化させている時に、検出手段２８が酸素
センサ２２の負の出力を検出した場合に、酸素センサ２
２が劣化しているものと判断する。

【００３１】符号３８は、判断手段３６に接続された電
球等の表示手段である。この表示手段３８は、判断手段
３６が酸素センサ２２が劣化しているものと判断した際
に点灯するものである。

【００３２】符号４０は、検出手段２８が検出した酸素
センサ２２の出力電圧Ｖを記録するためのレコーダであ
る。

【００３３】上記構成の酸素センサの劣化検出装置の作
動状態について以下説明する。

【００３４】まず、正常な酸素センサ２２を用いた場合
について、図３と図４に基づいて説明する。図６は縦軸
が空燃比λであり、横軸が時間軸ｔ（秒）となっている
。 図７は、レコーダ４０で記録した酸素センサ２２の出力
電圧Ｖの波形図であって、縦軸が酸素センサ２２の出力
電圧Ｖ（Ｖ）　であり、横軸が時間軸ｔ（秒）となって
いる。

【００３５】図３に示すように、空燃比λをリッチ側か
らリ―ン側にパルス状に１０秒ごとに変化させる。する
と酸素センサ２２の出力電圧Ｖは、図７に示すように、
ほぼ矩形状に、空燃比λの変化と共にパルス状に変化し
、負の出力を行なわない。したがって、判断手段３６は
、酸素センサ２２が劣化していないと判断する。

【００３６】次に、１５００時間使用した酸素センサ２
２、いわゆる劣化した酸素センサ２２を使用した場合を
、図６と図８に基づいて説明する。図８は、レコーダ４
０で記録した劣化した酸素センサ２２の出力電圧Ｖの波
形図であって、縦軸が劣化した酸素センサ２２の出力電
圧Ｖ（Ｖ）　であり、横軸が時間軸ｔ（秒）となってい
る。

【００３７】前記と同じように、図６に示すように空燃
比λをリッチ側からリ―ン側にパルス状に変化させる。 すると、劣化した酸素センサ２２の出力は、図５に示す
ようにリーン側からリッチ側及びリッチ側からリーン側
に反転する際に、サグが発生する。そして、λ＞１のｔ
＝２０秒〜３０秒の間に、酸素センサ２　の劣化による
負の出力、特にｔ＝２０秒の時に負の出力のサグが現わ
れている。

【００３８】判断手段３６は、この負の出力を検出し、
その検出したことを表示手段３８を通じて、使用者に報
知する。使用者はこれにより容易に酸素センサ２２が劣
化したことがわかる。

【００３９】したがって、三元触媒法における空燃比異
常による排ガス浄化能力低下を防ぐことができる。また
、空燃比異常によるガスエンジン１０の劣化を防止する
ことができる。

【００４０】次に同じく１５００時間経過した酸素セン
サ２２を用い、かつ、抵抗切換器３０を使用した場合を
、図６と図９に基づいて説明する。図６は、レコーダ４
０で記録した劣化した酸素センサ２２の出力電圧Ｖの波
形図であって、縦軸が劣化した酸素センサ２２の出力電
圧Ｖ（Ｖ）　であり、横軸が時間軸ｔ（秒）となってい
る。

【００４１】この抵抗器３０は、制御手段２６が、空燃
比λをλ＜１と制御している時はスイッチ３２をＯＮし
、酸素センサ２２の出力電圧Ｖが、検出手段２８にかか
らないようにしている。

【００４２】このような状態において、同じく図６に示
すように、空燃比λをリッチ側からリ―ン側にパルス状
に変化させた場合に、酸素センサ２２の出力電圧Ｖは、
図６に示すように、λ＞１のｔ＝２０秒〜３０秒の間に
おける酸素センサ２　の劣化による負の出力、特にｔ＝
２０秒の時の負の出力のサグが、抵抗切換器３０を使用
しなかった場合よりも明確に現われている。

【００４３】これにより、酸素センサ２２が劣化した場
合に、抵抗切換器３０を使用しない場合より明確に判断
手段３６によってその劣化を検出することができる。

【００４４】

【発明の効果】上記により、本発明の請求項１の空燃比
制御装置における酸素センサの劣化検出装置は、酸素セ
ンサが劣化している場合には、空燃比λをパルス状に変
化させると負の出力を生じる。そのため、この負の出力
を検出手段が検出し、これを報知手段によって報知する
ことによって、酸素センサの劣化が使用者に容易に判断
できる。

【００４５】これにより、三元触媒法における空燃比異
常による排ガス浄化能力低下を防ぎ、空燃比異常による
エンジンの劣化を防止することができる。

【００４６】請求項２の酸素センサの劣化検出装置であ
ると、第２制御手段が空燃比λがλ＞１の時に酸素セン
サの出力を零にしているため、もし、酸素センサが劣化
している場合に出力される負の出力がより明確に検出手
段によって検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】モデル１における正常な酸素センサの説明図で
ある。

【図２】モデル１における劣化した酸素センサの説明図
である。

【図３】モデル２における劣化した酸素センサの説明図
である。

【図４】本発明の構成を示すブロック図である。

【図５】本発明の一実施例を示すエンジンのブロック図
である。

【図６】空燃比の変化を示すグラフである。

【図７】正常な酸素センサ２２の出力電圧Ｖの波形図で
ある。

【図８】劣化した酸素センサ２２の出力電圧Ｖの波形図
である。

【図９】抵抗切換器を使用した場合の劣化した酸素セン
サ２２の出力電圧Ｖの波形図である。

【符号の説明】

１　　　　エンジン ２　　　　酸素センサ ３　　　　燃料供給手段 ４　　　　空燃比制御手段 ５　　　　第１制御手段 ６　　　　検出手段 ７　　　　報知手段 ８　　　　第２制御手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジン（１）　の排気系に設けられた濃
   淡電池型の酸素センサ（２）　と、酸素センサ（２）　
   の出力値に基づいてエンジン（１）　に燃料を供給する
   燃料供給手段（３）　と、燃料供給手段（３）　を制御
   して空燃比λを制御する空燃比制御手段（４）　とを備
   えたフィ―ドバック方式の空燃比制御装置において、空
   燃比λをλ＞１からλ＜１へパルス状に変化するように
   空燃比制御手段（４）　を制御する第１制御手段（５）
   　と、第１制御手段（５）　が空燃比λをパルス状に変
   化させている時に酸素センサ（２）　の負の出力を検出
   する検出手段（６）　と、検出手段（６）　が酸素セン
   サ（２）　の負の出力を検出した時にそれを報知する報
   知手段（７）　とを有することを特徴とする空燃比制御
   装置における酸素センサの劣化検出装置。
2. 【請求項２】第１制御手段（５）　が空燃比λをλ＜１
   に制御している時に酸素センサ（２）　の出力を零にす
   るようにした第２制御手段（８）　を有することを特徴
   とする請求項１記載の空燃比制御装置における酸素セン
   サの劣化検出装置。