JP2000206082A - Oxygen sensor and its control method - Google Patents

Oxygen sensor and its control method

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JP2000206082A
JP2000206082A JP11005553A JP555399A JP2000206082A JP 2000206082 A JP2000206082 A JP 2000206082A JP 11005553 A JP11005553 A JP 11005553A JP 555399 A JP555399 A JP 555399A JP 2000206082 A JP2000206082 A JP 2000206082A
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JP
Japan
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oxygen sensor
voltage
solid electrolyte
heating element
electrolyte body
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Application number
JP11005553A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshiro Noda
芳朗 野田
Hitoshi Iimi
均 飯見
Akio Mizutani
昭夫 水谷
Yoshinori Kawaguchi
義則 川口
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen sensor shortened in its activating time and capable of controlling the air/fuel ratio of an engine within a short time and a control method thereof. SOLUTION: A control method is adapted to the control of an oxygen sensor 1 equipped with a bottomed cylindrical solid electrolyte having oxygen ion conductivity and a heating element 4 provided to the internal space of the solid electrolyte. When the power supply of the oxygen sensor 1 is closed, the voltage at a time of start higher than the voltage at a time of operation is applied to the heating element 4 and, after the temp. of the oxygen sensor 1 exceeds operation temp., the voltage at a time of operation is applied to the heating element 4. By using this control method, a peak appears in detection voltage and the control of an air/fuel ratio can be more rapidly started.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は酸素センサ及びその
制御方法に関する。更に詳しく言えば、酸素センサの活
性化時間が短く、短時間でエンジンの空燃比制御が可能
とすることができる酸素センサ及びその制御方法に関す
る。
The present invention relates to an oxygen sensor and a control method thereof. More specifically, the present invention relates to an oxygen sensor and a control method thereof, in which the activation time of the oxygen sensor is short and the air-fuel ratio of the engine can be controlled in a short time.

【0002】[0002]

【従来の技術】ジルコニア等のセラミックスを固体電解
質として用いる酸素センサは、自動車等の内燃機関、又
はガス燃焼装置等の排気ガス中に含まれる酸素の濃度を
検出し、内燃機関等の燃焼状態を把握してその空燃比を
制御する用途等に使用されている。また、この酸素セン
サは固体電解質を活性化させるために、排気ガス温度が
約400〜800℃となる部位で通常使用され、また、
温度を一定に保つ必要があるため、酸素センサの内に発
熱体を備えて酸素センサを所定温度に加熱して用いるこ
とが多い。これらの理由のために、電源を入れてから、
酸素センサが活性化して使用できる状態となるまでに1
0秒近く必要となることが多い。
2. Description of the Related Art An oxygen sensor using a ceramic such as zirconia as a solid electrolyte detects the concentration of oxygen contained in an exhaust gas from an internal combustion engine such as an automobile or a gas combustion device, and detects the combustion state of the internal combustion engine or the like. It is used for purposes such as grasping and controlling the air-fuel ratio. In addition, this oxygen sensor is usually used at a portion where the exhaust gas temperature is about 400 to 800 ° C. in order to activate the solid electrolyte.
Since the temperature needs to be kept constant, the oxygen sensor is often used by heating the oxygen sensor to a predetermined temperature by providing a heating element in the oxygen sensor. For these reasons, after turning on,
1 before the oxygen sensor is activated and ready for use
It is often required near 0 seconds.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、酸素センサを
自動車に用いる場合は、エンジンの空燃比を制御するこ
とで、窒素酸化物や一酸化炭素が少ない、より清浄な排
気ガスにするというような用途に用いることが多い。こ
のため、エンジンの起動後できるだけ早くこの酸素セン
サを活性化させて、空燃比制御を行うことができること
が望ましい。本発明は、このような問題点を解決するも
のであり、酸素センサの活性化時間が短く、短時間でエ
ンジンの空燃比制御が可能となる酸素センサ及びその制
御方法を提供することを目的とする。
However, when an oxygen sensor is used in an automobile, the air-fuel ratio of the engine is controlled to produce a cleaner exhaust gas with less nitrogen oxides and carbon monoxide. Often used for applications. For this reason, it is desirable that the oxygen sensor be activated as soon as possible after the start of the engine to perform the air-fuel ratio control. An object of the present invention is to solve such a problem, and it is an object of the present invention to provide an oxygen sensor that has a short activation time of an oxygen sensor and enables air-fuel ratio control of an engine in a short time, and a control method thereof. I do.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本第1発明の酸素センサ
は、酸素イオン伝導性を有する有底筒形状の固体電解質
体と、該固体電解質体の一面に設けられる検出電極と、
該固体電解質体の他面に設けられる基準電極と、該固体
電解質体の内部空間に設けられる発熱体とを備える酸素
センサであって、該酸素センサの電源投入時に、動作時
電圧の105〜150%の範囲の電圧である起動時電圧
を上記発熱体へ印加することで、ピーク電圧が動作時電
圧より高いトリガ波形が該検出電極及び該基準電極間に
得られることを特徴とする。
According to the first aspect of the present invention, there is provided an oxygen sensor having a bottomed cylindrical solid electrolyte having oxygen ion conductivity, a detection electrode provided on one surface of the solid electrolyte,
An oxygen sensor comprising: a reference electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body; and a heating element provided in an internal space of the solid electrolyte body. %, A trigger waveform having a peak voltage higher than the operating voltage is obtained between the detection electrode and the reference electrode by applying a start-up voltage which is a voltage in the range of%.

【0005】上記「酸素イオン伝導性を有する固体電解
質体」(以下、固体電解質体という。)としては、各種
のセラミックス、特に第2及び第7発明に示すように、
ジルコニアを主成分とするセラミックスが好適である。
この固体電解質体の形状は、通常、有底円筒状である。
また、積層状とすることもできる。更に、例えば酸化ジ
ルコニウム等の原料粉末と、酸化イットリウム、酸化珪
素、酸化マグネシウム等の焼結助剤の粉末とを混合し、
造粒した後、ラバープレス法等の加圧成形法、厚膜法等
の積層法等の方法によって所定形状に成形し、必要であ
れば焼成温度よりも低い温度で仮焼し、次いで、通常の
方法によって焼成することにより固体電解質体とするこ
とができる。
As the "solid electrolyte having oxygen ion conductivity" (hereinafter referred to as "solid electrolyte"), various ceramics, in particular, as shown in the second and seventh inventions,
Ceramics containing zirconia as a main component are preferred.
The shape of the solid electrolyte body is usually a bottomed cylindrical shape.
In addition, it can be in a laminated shape. Furthermore, for example, a raw material powder such as zirconium oxide and yttrium oxide, silicon oxide, and a powder of a sintering aid such as magnesium oxide are mixed,
After granulation, it is molded into a predetermined shape by a method such as a pressure molding method such as a rubber press method, a lamination method such as a thick film method, and if necessary, calcined at a temperature lower than the firing temperature, The solid electrolyte body can be obtained by firing in the method described above.

【0006】上記「検出電極」及び上記「基準電極」
は、触媒作用を有する元素である貴金属元素、例えば白
金、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、
パラジウム等からなるか、これら貴金属元素を主成分と
する導電性材料からなる。また、薄膜状の電極として、
固体電解質体上に形成される。これら電極の形成は、メ
ッキ法、スパッタリング法及び電極金属の塩の熱分解に
よる方法等、通常用いられる手段によって実施すること
ができる。
The above “detection electrode” and the above “reference electrode”
Is a noble metal element that is a catalytic element, for example, platinum, ruthenium, osmium, iridium, rhodium,
It is made of palladium or the like, or a conductive material containing these noble metal elements as main components. Also, as a thin film electrode,
It is formed on a solid electrolyte body. The formation of these electrodes can be carried out by commonly used means such as a plating method, a sputtering method, and a method of thermally decomposing a salt of an electrode metal.

【0007】上記発熱体は、上記固体電解質体の形状等
によって任意の形状や構成を選択することができるが、
例として、碍管、該碍管に巻回され、接合される第1基
材と、該第1基材に接合される第2基材と、該第1基材
と該第2基材の間に介装される板状発熱抵抗体と、を備
える発熱体等を挙げることができる。
The heating element can be selected in any shape and configuration depending on the shape and the like of the solid electrolyte body.
As an example, a porcelain tube, a first base material wound around and joined to the porcelain tube, a second base material bonded to the first base material, and between the first base material and the second base material And a heating element including an interposed plate-shaped heating resistor.

【0008】上記「第1基材」及び上記「第2基材」は
材質としてセラミックスを用いることができ、アルミナ
(Al23)や、ムライト又はスピネル等のアルミナ類
似のセラミックス等の、高温高強度セラミックスを主成
分とすることができる。また、これら例示の中ではアル
ミナを好適とする。このような材質を用いることによっ
て、発熱抵抗体を高温環境下において保護することがで
きる。また、上記各基材の作製方法としては任意の方法
を用いることができ、例として所定形状のグリーンシー
トを焼結することによって作製することを挙げることが
できる。
The "first substrate" and the "second substrate" may be made of ceramics, and may be made of a high-temperature material such as alumina (Al 2 O 3 ) or alumina-like ceramics such as mullite or spinel. High strength ceramics can be the main component. In these examples, alumina is preferred. By using such a material, the heating resistor can be protected in a high-temperature environment. In addition, any method can be used as a method for manufacturing each of the above-described base materials, and examples thereof include manufacturing by sintering a green sheet having a predetermined shape.

【0009】上記「碍管」の形状は任意であって、筒
状、棒状等種々の形状を挙げることができる。また、断
面形状においても円形、楕円形、四角形、六角形等の任
意の形状とすることができる。この碍管も、アルミナ
や、ムライト又はスピネル等のアルミナ類似のセラミッ
クス等の、高温高強度セラミックスを主成分としたセラ
ミックスによって形成することができる。
The shape of the above-mentioned "porcelain tube" is arbitrary, and various shapes such as a cylindrical shape and a rod shape can be exemplified. Also, the cross-sectional shape may be an arbitrary shape such as a circle, an ellipse, a square, and a hexagon. This porcelain tube can also be formed of ceramics mainly composed of high-temperature and high-strength ceramics, such as alumina or ceramics similar to alumina such as mullite or spinel.

【0010】上記「発熱抵抗体」の材料としては、主に
タングステンやモリブデン等を例として挙げることがで
きる。また、これらの成分に白金やロジウム等の高融点
金属成分を混合して用いることもできるし、抵抗特性の
向上のためにこれらを単独で用いることもできる。更
に、第3及び第8発明に示すように、発熱抵抗体にレニ
ウムを含有させることにより、発熱の温度上昇速度を早
くすることができる。尚、悪影響を与えない限りにおい
て、各基材と同様の、或いは同一の酸化物等が若干混在
していてもよい。
Examples of the material of the "heating resistor" include mainly tungsten and molybdenum. In addition, a high melting point metal component such as platinum or rhodium can be used as a mixture with these components, or they can be used alone to improve resistance characteristics. Furthermore, as shown in the third and eighth inventions, the rate of temperature rise of heat generation can be increased by including rhenium in the heat generating resistor. In addition, as long as it does not adversely affect, the same or the same oxide as each base material may be slightly mixed.

【0011】上記発熱体の上記発熱抵抗体に供給する電
力は、脈流、直流、交流等を任意に選択することができ
る。また、この電力は電圧制御やパルス幅変調制御(P
WM制御ともいう)等の、任意の方法で制御することが
できる。これらのうち、PWM制御による制御が容易に
作製できる点で好ましい。
The power supplied to the heating resistor of the heating element can be arbitrarily selected from a pulsating flow, a direct current, an alternating current, and the like. This power is controlled by voltage control or pulse width modulation control (P
The control can be performed by an arbitrary method such as WM control. Among them, it is preferable because control by PWM control can be easily performed.

【0012】上記「起動時電圧」は、上記酸素センサの
上記発熱体に印加する電源投入時の電圧であり、特に、
酸素センサをコールドスタートさせる時の電圧である。
この「コールドスタート」とは次に示す状態から酸素セ
ンサの使用を始めることをいう。つまり、長期に渡り該
酸素センサを使用していない場合等の状況では、該酸素
センサが室温(通常は15〜30℃程度だが、5〜35
℃等とすることもできる)程度まで温度が下がっている
ことが多い。このようなとき、該酸素センサ及び該酸素
センサの上記発熱体に電圧を印加しても、該酸素センサ
の固体電解質の温度が上昇して活性化し、正常な酸素の
検出値(以下、検出電圧とする。)を得られるようにな
るまで時間が掛かる状態となる。
The “start-up voltage” is a power-on voltage applied to the heating element of the oxygen sensor.
This is the voltage for cold starting the oxygen sensor.
This “cold start” means starting to use the oxygen sensor from the following state. That is, in a situation where the oxygen sensor is not used for a long period of time, the oxygen sensor is kept at room temperature (normally about 15 to 30 ° C., but 5 to 35 ° C.).
° C etc.). In such a case, even if a voltage is applied to the oxygen sensor and the heating element of the oxygen sensor, the temperature of the solid electrolyte of the oxygen sensor rises and activates, and a normal oxygen detection value (hereinafter, detection voltage) ).

【0013】上記「起動時電圧」を第1及び第6発明に
示すように、動作時電圧の105〜150%(特に好ま
しくは、107〜140%、更に好ましくは110〜1
30%)とするのが好ましい。例えば、動作時電圧が約
14Vであるとき、起動時電圧が14.7〜21V(特
に好ましくは、15〜19.6V、更に好ましくは1
5.4〜18.2V)とするのが好ましい。このように
起動時電圧の範囲を限定するのは、起動時電圧が動作時
電圧の105%未満である場合は、空燃比制御に必要な
検出電圧のピークが現れにくくなるし、150%を越え
ると発熱体の耐久性の劣化及び酸素センサの各電極の劣
化が激しくなるためである。
As described in the first and sixth aspects of the present invention, the "start-up voltage" is 105 to 150% of the operating voltage (particularly preferably 107 to 140%, more preferably 110 to 1%).
30%). For example, when the operating voltage is about 14 V, the starting voltage is 14.7 to 21 V (particularly preferably, 15 to 19.6 V, more preferably, 1 to 21 V).
5.4 to 18.2 V). The reason for limiting the range of the start-up voltage in this manner is that when the start-up voltage is less than 105% of the operating voltage, the peak of the detection voltage required for the air-fuel ratio control hardly appears and exceeds 150%. This is because deterioration of durability of the heating element and deterioration of each electrode of the oxygen sensor become severe.

【0014】上記「動作時電圧」は、酸素センサを使用
している状態において、酸素センサの温度が安定し、正
常に酸素濃度の検出値が得られる状態において、酸素セ
ンサの発熱体に印加する電圧の平均電圧である。動作時
電圧が平均電圧であるのは、酸素センサの雰囲気温度等
によって変動する酸素センサの温度を一定に保つため
に、発熱体に印加する電圧を変化させる場合があるから
である。
The above-mentioned "operating voltage" is applied to the heating element of the oxygen sensor when the temperature of the oxygen sensor is stable when the oxygen sensor is used and the detected value of the oxygen concentration can be obtained normally. This is the average voltage. The operating voltage is the average voltage because the voltage applied to the heating element may be changed in order to keep the temperature of the oxygen sensor fluctuating depending on the ambient temperature of the oxygen sensor or the like constant.

【0015】上記「トリガ波」は、空燃比制御装置や不
完全燃焼検出装置等へのトリガとなる波形であり、第1
及び第2発明に示すように、この波形のピーク電圧が動
作時電圧より高ければよい。
The "trigger wave" is a waveform that serves as a trigger for an air-fuel ratio control device, an incomplete combustion detection device, and the like.
As shown in the second invention, the peak voltage of this waveform should be higher than the operating voltage.

【0016】発熱体の昇温速度は、第2及び第7発明に
示すように固体電解質体にジルコニアを用いるとき、1
00〜250℃/s(より好ましくは130〜220℃
/s、特に好ましくは150〜200℃/s)が好まし
い。昇温速度が100℃/s未満の場合は空燃比制御に
必要な検出電圧の初期ピークが現れにくくなるし、25
0℃/sを越えると、固体電解質であるジルコニアが耐
熱衝撃温度を超え、熱衝撃によって破損し易くなるため
である。
When the zirconia is used for the solid electrolyte as shown in the second and seventh aspects of the present invention, the heating rate of the heating element is 1
00 to 250 ° C / s (more preferably 130 to 220 ° C
/ S, particularly preferably 150 to 200 ° C./s). If the heating rate is less than 100 ° C./s, the initial peak of the detection voltage required for the air-fuel ratio control becomes difficult to appear, and
If the temperature exceeds 0 ° C./s, zirconia, which is a solid electrolyte, exceeds the thermal shock temperature and is likely to be damaged by thermal shock.

【0017】本酸素センサは、第4及び第1発明に示す
ような、エンジンの空燃比制御の他、炉や暖房器具等の
燃焼制御用、不完全燃焼検出用、金属製錬用、ガス分析
用、排水管理用等の酸素濃度を検出を行う任意の用途の
酸素センサの制御に用いることができる。また、酸素セ
ンサを空燃比制御に用いる場合、酸素センサの出力を受
ける空燃比制御用ECUの入力インピーダンスは、0.
5〜10MΩが好ましい。0.5MΩ以下であると酸素
センサ出力の微小な起電力が検出しにくくなるし、10
MΩ以上であるとノイズの影響が大きくなるからであ
る。
The present oxygen sensor is used for controlling combustion of a furnace or a heating appliance, detecting incomplete combustion, for metal smelting, and for gas analysis, in addition to controlling the air-fuel ratio of an engine as shown in the fourth and first aspects of the present invention. It can be used for controlling an oxygen sensor for any purpose that detects the oxygen concentration, such as for water use and wastewater management. When the oxygen sensor is used for air-fuel ratio control, the input impedance of the air-fuel ratio control ECU that receives the output of the oxygen sensor is 0.1.
5 to 10 MΩ is preferred. If it is less than 0.5 MΩ, it becomes difficult to detect a small electromotive force of the oxygen sensor output.
This is because the influence of noise increases when the value is MΩ or more.

【0018】本第5発明の酸素センサの制御方法は、酸
素イオン伝導性を有する有底筒形状の固体電解質体と、
該固体電解質体の一面に設けられる検出電極と、該固体
電解質体の他面に設けられる基準電極と、該固体電解質
体の内部空間に設けられる発熱体とを備え、該検出電極
及び該基準電極間より得られる出力を空燃比制御に用い
る酸素センサを制御する方法であって、該出力より得ら
れ、ピーク電圧が動作時電圧より高いトリガ波の立ち上
がりを検出することによって空燃比制御を開始すること
を特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for controlling an oxygen sensor, comprising: a bottomed solid electrolyte having oxygen ion conductivity;
A detection electrode provided on one surface of the solid electrolyte body, a reference electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body, and a heating element provided in an internal space of the solid electrolyte body, wherein the detection electrode and the reference electrode are provided. A method for controlling an oxygen sensor using an output obtained from the output for air-fuel ratio control, wherein the air-fuel ratio control is started by detecting a rising edge of a trigger wave obtained from the output and having a peak voltage higher than an operating voltage. It is characterized by the following.

【0019】また、本酸素センサの制御方法はコールド
スタート時に用いるだけではなく、酸素センサの温度が
動作時温度に近いか、略同じ温度からの使用(ホットス
タートともいう)時にも使用することができる。
Further, the control method of the present oxygen sensor may be used not only at the time of a cold start, but also at the time when the temperature of the oxygen sensor is close to the operating temperature or when the oxygen sensor is used from substantially the same temperature (also referred to as a hot start). it can.

【0020】[0020]

【作用】一般に酸素センサをエンジンの空燃比制御に用
いる場合、酸素センサの検出電圧が特定の値(しきい値
という。)を越えるかどうかで判断することが多い。ま
た、通常のコールドスタート時の検出電圧は例えば図8
に示すように、徐々に上昇してしきい値を越えることが
多い。しかし、本酸素センサ及びその制御方法に示すよ
うに、酸素センサの温度を急激に動作温度まで上げる
と、例えば図6等に示すように、通常制御方法より短い
時間で検出電圧が上昇して一旦ピーク(図6におけるP
)を迎え、その後、谷(図6におけるP)となる波
形(トリガ波)が現れた後、通常の制御方法と同じ変化
を示す。
In general, when an oxygen sensor is used for controlling the air-fuel ratio of an engine, it is often determined whether or not the detected voltage of the oxygen sensor exceeds a specific value (referred to as a threshold value). The detection voltage at the time of normal cold start is, for example, as shown in FIG.
As shown in the figure, the temperature often gradually rises above a threshold value. However, as shown in the present oxygen sensor and its control method, when the temperature of the oxygen sensor is rapidly raised to the operating temperature, the detection voltage rises in a shorter time than in the normal control method, as shown in FIG. Peak (P in FIG. 6)
1 ), and after that, a waveform (trigger wave) which becomes a valley (P 2 in FIG. 6) appears, and then shows the same change as in the normal control method.

【0021】このように本酸素センサ及びその制御方法
によって、酸素センサの活性化時間が短縮し、トリガ波
が現れるのは次の理由と考えられる。通常、図1及び図
2に示すような、ジルコニア等の固体電解質体を用いた
濃淡電池型酸素センサにおける起電力は、次に示すネル
ンストの式で表わすことができる。 E=E0+RT/4F×ln(PO2濃/PO2薄) しかし、上記式はどちらの電極も温度が同じであること
を前提としている。
The reason why the activation time of the oxygen sensor is reduced and the trigger wave appears by the present oxygen sensor and the control method thereof is considered as follows. Normally, the electromotive force in a concentration cell type oxygen sensor using a solid electrolyte such as zirconia as shown in FIGS. 1 and 2 can be expressed by the following Nernst equation. E = E 0 + RT / 4F × ln (PO 2 concentration / PO 2 thin ) However, the above equation assumes that both electrodes have the same temperature.

【0022】ここで、酸素センサの固体電解質体内に設
けられている発熱体に、通常より大きな電力を供給し、
固体電解質体の伝熱速度以上の速さで酸素センサ内を急
激に温度上昇させると、固体電解質体の表裏面に設けら
れている検出電極と基準電極間に大きな温度差が発生す
る。このとき、固体電解質体の内側で三相(つまり、電
極と固体電解質体と酸素)の界面での反応が急激に生じ
ると考えられる。この結果、濃淡電池による電位差の他
に、上記反応による電位差が生じ、トリガ波が現れると
考えられる。
Here, a power larger than usual is supplied to the heating element provided in the solid electrolyte body of the oxygen sensor,
If the temperature inside the oxygen sensor is rapidly increased at a speed higher than the heat transfer rate of the solid electrolyte body, a large temperature difference occurs between the detection electrode and the reference electrode provided on the front and back surfaces of the solid electrolyte body. At this time, it is considered that a reaction at the interface of the three phases (that is, the electrode, the solid electrolyte body, and oxygen) occurs rapidly inside the solid electrolyte body. As a result, it is considered that a potential difference due to the above reaction occurs in addition to the potential difference due to the concentration cell, and a trigger wave appears.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、本発明の酸素センサ及びそ
の制御方法を実施例によって具体的に説明する。 (1)酸素センサの構成 本発明の酸素センサ及びその制御方法に用いる酸素セン
サ1を図1及び図2に示す。図1は酸素センサ1の正面
図、図3は酸素センサ1の縦断面図である。図1に示す
ように酸素センサ1は、酸素センサ2と保護層3を備え
る。更に、酸素センサ2は図2に示すように、酸素セン
サ本体21と、検出電極22と、基準電極23と、発熱
体4とを備える。この酸素センサ本体21はジルコニア
製で有底円筒形状の固体電解質体である。また、検出電
極22及び基準電極23は、それぞれ酸素センサ本体2
1の底部外周面及び底部内周面に設けられた白金電極で
ある。更に、保護層3は検出電極22を覆うように設け
られた多孔質体である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, an oxygen sensor and a control method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to examples. (1) Configuration of Oxygen Sensor FIGS. 1 and 2 show an oxygen sensor 1 used in the oxygen sensor of the present invention and its control method. FIG. 1 is a front view of the oxygen sensor 1, and FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the oxygen sensor 1. As shown in FIG. 1, the oxygen sensor 1 includes an oxygen sensor 2 and a protective layer 3. Further, the oxygen sensor 2 includes an oxygen sensor main body 21, a detection electrode 22, a reference electrode 23, and the heating element 4, as shown in FIG. The oxygen sensor main body 21 is a solid electrolyte body made of zirconia and having a cylindrical shape with a bottom. The detection electrode 22 and the reference electrode 23 are respectively connected to the oxygen sensor body 2
1 is a platinum electrode provided on the bottom outer peripheral surface and the bottom inner peripheral surface. Further, the protective layer 3 is a porous body provided so as to cover the detection electrode 22.

【0024】上記発熱体4は円棒形状であり、図3及び
図4に示すように、アルミナを主成分とするグリーンシ
ートを焼成されてなるセラミック製の基体41a、41
bと、これらのセラミック基体の間に配設されるタング
ステン及びレニウムを含有する発熱抵抗体42と、基体
41a、41bが一体に巻回されているアルミナ製の碍
管43とを備える。
The heating element 4 has a cylindrical shape, and as shown in FIGS. 3 and 4, ceramic bases 41a and 41 formed by firing green sheets containing alumina as a main component.
b, a heating resistor 42 containing tungsten and rhenium disposed between these ceramic bases, and an alumina insulator 43 in which the bases 41a and 41b are integrally wound.

【0025】(2)コールドスタート時の活性化時間の
測定 上記に示すような酸素センサを用いて制御を行い、コー
ルドスタート時の活性化時間の測定を行った。使用した
酸素センサは、内径が約3.0mm、厚みが約0.8m
mのジルコニアを固体電解質体として用い、発熱体の発
熱抵抗体の材質がレニウムを含んだタングステンであ
り、発熱抵抗体の電気抵抗が約3.5Ωである。また、
この酸素センサは、排気温が300℃になるよう調節し
た、測定用バーナ試験機に取付け、起動時の排気ダクト
及び酸素センサの温度を約28℃とした。また、発熱抵
抗体に印加する電圧は、動作時電圧が平均値を約14V
とし、起動時電圧は18V、24V、26Vとした。更
に、発熱抵抗体に接続する電源は、PMV制御によって
24Vから降圧して得たものである。また、固体電解質
体の活性化の終了は、検出電圧が約450mV以上とな
ったときとした。
(2) Measurement of Activation Time at Cold Start The control was performed using the oxygen sensor as described above, and the activation time at the cold start was measured. The oxygen sensor used has an inner diameter of about 3.0 mm and a thickness of about 0.8 m
m of zirconia is used as a solid electrolyte body, the material of the heating resistor of the heating element is tungsten containing rhenium, and the electrical resistance of the heating resistor is about 3.5Ω. Also,
This oxygen sensor was attached to a burner tester for measurement adjusted to an exhaust temperature of 300 ° C., and the temperature of the exhaust duct and the oxygen sensor at the time of startup was about 28 ° C. The voltage applied to the heating resistor is such that the operating voltage has an average value of about 14V.
And the start-up voltages were 18 V, 24 V, and 26 V. Further, the power supply connected to the heating resistor is obtained by stepping down from 24 V by PMV control. The activation of the solid electrolyte was terminated when the detection voltage became about 450 mV or more.

【0026】上記試験条件で本酸素センサの制御方法を
行った結果を図5〜7に示す。また、起動時電圧を14
Vとした従来と同様の制御方法を用いた結果を図8に示
す。図5〜7に示すように、本制御方法を用いることに
より起動時より約5秒後(起動時電圧が18V、図5参
照)、約2.5秒後(起動時電圧が24V、図6参
照)、約3秒後(起動時電圧が26V、図7参照)にし
きい値を越えるピークを持つトリガ波が現れ、このピー
クより空燃比制御を開始することができた。一方、従来
の制御方法を用いた場合は図8に示すように、約7秒後
にしきい値を超えてから空燃比制御を開始した。
FIGS. 5 to 7 show the results of performing the control method of the present oxygen sensor under the above test conditions. In addition, the starting voltage is 14
FIG. 8 shows a result obtained by using a control method similar to the conventional method with V. As shown in FIGS. 5 to 7, by using this control method, about 5 seconds after start-up (voltage at start-up is 18 V, see FIG. 5) and about 2.5 seconds after (start-up voltage is 24 V, After about 3 seconds (start-up voltage: 26 V, see FIG. 7), a trigger wave having a peak exceeding the threshold appeared, and air-fuel ratio control could be started from this peak. On the other hand, when the conventional control method was used, as shown in FIG. 8, the air-fuel ratio control was started after the threshold value was exceeded after about 7 seconds.

【0027】このように、本制御方法を用いることによ
って、空燃比制御をより早く開始することができる。
尚、本制御方法を用いた場合、図5〜7に示すようにト
リガ波が現れたあとに谷が生ずる等、従来とは異なる波
形となるが、空燃比制御はしきい値による判断を行うた
めに、空燃比制御に支障を生じない。
As described above, by using this control method, the air-fuel ratio control can be started earlier.
When this control method is used, the waveform becomes different from the conventional one, such as the occurrence of a valley after the appearance of a trigger wave as shown in FIGS. 5 to 7, but the air-fuel ratio control makes a judgment based on a threshold value. Therefore, no trouble occurs in the air-fuel ratio control.

【0028】(3)本制御方法の検証 また、実際にエンジンの排気ガスが通る排気ダクト中に
本酸素センサを配置し、排気温を100℃として酸素セ
ンサの検出電圧を測定した。使用した酸素センサは、
(2)コールドスタート時の活性化時間の測定で用いた
酸素センサと同様の酸素センサを用いた。また、起動時
の排気ダクト及び酸素センサの温度を約28℃とした。
また、発熱抵抗体に印加する電圧は、動作時電圧が平均
値を約14Vとし、起動時電圧は16V、18Vとし
た。更に、発熱抵抗体に接続する電源は、PMV制御に
よって24Vから降圧して得たものである。また、固体
電解質体の活性化の終了は、検出電圧が約450mV以
上となったときとした。更に、酸素センサの出力は、入
力インピーダンスが1MΩの空燃比制御用ECUに接続
した。
(3) Verification of the present control method In addition, the present oxygen sensor was disposed in an exhaust duct through which the exhaust gas of the engine actually passed, and the detection temperature of the oxygen sensor was measured at an exhaust temperature of 100 ° C. The oxygen sensor used is
(2) An oxygen sensor similar to the oxygen sensor used for measuring the activation time at the time of cold start was used. Further, the temperature of the exhaust duct and the oxygen sensor at the time of startup was set to about 28 ° C.
As for the voltage applied to the heating resistor, the operating voltage was set to an average value of about 14 V, and the starting voltage was set to 16 V and 18 V. Further, the power supply connected to the heating resistor is obtained by stepping down from 24 V by PMV control. The activation of the solid electrolyte was terminated when the detection voltage became about 450 mV or more. Further, the output of the oxygen sensor was connected to an air-fuel ratio control ECU having an input impedance of 1 MΩ.

【0029】上記条件で本酸素センサの制御方法を行っ
た結果を図9及び10に示す。起動時電圧が16Vの場
合は図9に示すように、約5秒後にしきい値を超え、
1.52Vのピークが得られ、空燃比制御を開始するこ
とができた。また、起動時電圧が18Vの場合は図10
に示すように、約4秒後にしきい値を超え、3.09V
のピークが得られ、空燃比制御を開始することができ
た。これらの試験により、本酸素センサの制御方法を用
いることによって、より短い時間で空燃比制御を開始で
きることが確認できた。
FIGS. 9 and 10 show the results of performing the control method of the present oxygen sensor under the above conditions. When the start-up voltage is 16 V, as shown in FIG.
A peak of 1.52 V was obtained, and air-fuel ratio control could be started. When the starting voltage is 18 V, FIG.
As shown in the figure, the threshold value is exceeded after about 4 seconds and 3.09 V
Was obtained, and the air-fuel ratio control could be started. From these tests, it was confirmed that the air-fuel ratio control can be started in a shorter time by using the control method of the present oxygen sensor.

【0030】[0030]

【発明の効果】本各発明による酸素センサ及びその制御
方法によれば、酸素センサの温度を動作温度まで急速に
上昇させることによって、起動直後後から短時間で酸素
濃度を検出することができるトリガ波を出力させ、空燃
比制御を行うことができる。
According to the oxygen sensor and the control method thereof according to the present invention, the temperature of the oxygen sensor is rapidly raised to the operating temperature, so that the oxygen concentration can be detected in a short time immediately after the start-up. Waves can be output to perform air-fuel ratio control.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例に用いた酸素センサの外観を説明するた
めの正面図である。
FIG. 1 is a front view for explaining the appearance of an oxygen sensor used in an embodiment.

【図2】実施例に用いた酸素センサを説明するための断
面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an oxygen sensor used in an example.

【図3】実施例に用いた酸素センサの発熱体を説明する
ための説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a heating element of the oxygen sensor used in the embodiment.

【図4】実施例に用いた酸素センサの発熱体を展開した
状態を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view showing a state in which a heating element of the oxygen sensor used in the embodiment is developed.

【図5】起動時電圧が16Vである起動直後からの検出
電圧のグラフである。
FIG. 5 is a graph of the detected voltage immediately after the start-up when the start-up voltage is 16V.

【図6】起動時電圧が18Vである起動直後からの検出
電圧のグラフである。
FIG. 6 is a graph of the detected voltage immediately after the start-up when the start-up voltage is 18V.

【図7】起動時電圧が24Vである起動直後からの検出
電圧のグラフである。
FIG. 7 is a graph of the detected voltage immediately after the start-up when the start-up voltage is 24V.

【図8】起動時電圧が14Vである従来の制御方法によ
る検出電圧のグラフである。
FIG. 8 is a graph of a detected voltage according to a conventional control method in which a start-up voltage is 14V.

【図9】起動時電圧が16Vである起動直後からの検出
電圧のグラフである。
FIG. 9 is a graph of a detection voltage immediately after the start-up when the start-up voltage is 16V.

【図10】起動時電圧が18Vである起動直後からの検
出電圧のグラフである。
FIG. 10 is a graph of a detected voltage immediately after the start-up when the start-up voltage is 18V.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1;酸素センサ、21;酸素センサ本体、22;検出電
極、23;基準電極、3;保護層、4;発熱体、41、
41a、42b;基体、42;発熱抵抗体、43;碍
管。
1; oxygen sensor 21; oxygen sensor main body 22; detection electrode 23; reference electrode 3; protective layer 4;
41a, 42b; base, 42; heating resistor, 43;

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水谷 昭夫 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 川口 義則 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Fターム(参考) 2G004 BB01 BJ02 BL08 BM07 3G301 MA01 NA08 ND13 PD02Z PG01Z  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Akio Mizutani 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture Inside Japan Specialty Ceramics Co., Ltd. (72) Inventor Yoshinori Kawaguchi 14th Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi No. 18 F-term in Japan Special Ceramics Co., Ltd. (reference) 2G004 BB01 BJ02 BL08 BM07 3G301 MA01 NA08 ND13 PD02Z PG01Z

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸素イオン伝導性を有する有底筒形状の
固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられる検
出電極と、該固体電解質体の他面に設けられる基準電極
と、該固体電解質体の内部空間に設けられる発熱体とを
備える酸素センサであって、 該酸素センサの電源投入時に、動作時電圧の105〜1
50%の範囲の電圧である起動時電圧を上記発熱体へ印
加することで、ピーク電圧が動作時電圧より高いトリガ
波形が該検出電極及び該基準電極間に得られることを特
徴とする酸素センサ。
A bottomed cylindrical solid electrolyte body having oxygen ion conductivity; a detection electrode provided on one surface of the solid electrolyte body; a reference electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body; An oxygen sensor comprising: a heating element provided in an internal space of the electrolyte body;
An oxygen sensor characterized in that a trigger waveform having a peak voltage higher than an operating voltage is obtained between the detection electrode and the reference electrode by applying a start-up voltage that is a voltage in a range of 50% to the heating element. .
【請求項2】 上記固体電解質体の材質がジルコニアで
あるとき、上記酸素センサの温度上昇速度を100〜2
50℃/sの範囲とする請求項1記載の酸素センサ。
2. When the material of the solid electrolyte body is zirconia, the temperature rise rate of the oxygen sensor is set to 100 to 2
The oxygen sensor according to claim 1, wherein the temperature is in a range of 50 ° C / s.
【請求項3】 上記発熱体はレニウムを含有する発熱抵
抗体を備える請求項1記載の酸素センサ。
3. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the heating element includes a heating resistor containing rhenium.
【請求項4】 上記酸素センサを空燃比制御に用いる請
求項1記載の酸素センサ。
4. The oxygen sensor according to claim 1, wherein said oxygen sensor is used for air-fuel ratio control.
【請求項5】 酸素イオン伝導性を有する有底筒形状の
固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられる検
出電極と、該固体電解質体の他面に設けられる基準電極
と、該固体電解質体の内部空間に設けられる発熱体とを
備え、該検出電極及び該基準電極間より得られる出力を
空燃比制御に用いる酸素センサを制御する方法であっ
て、 該出力より得られ、ピーク電圧が動作時電圧より高いト
リガ波の立ち上がりを検出することによって空燃比制御
を開始することを特徴とする酸素センサの制御方法。
5. A bottomed solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, a detection electrode provided on one surface of the solid electrolyte body, a reference electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body, and A heating element provided in an internal space of the electrolyte body, the method comprising: controlling an oxygen sensor using an output obtained between the detection electrode and the reference electrode for air-fuel ratio control, wherein a peak voltage obtained from the output is obtained. Detecting the rising of a trigger wave higher than the operating voltage to start the air-fuel ratio control.
【請求項6】 上記トリガ波は該酸素センサの電源投入
時に、動作時電圧の105〜150%の範囲の電圧であ
る起動時電圧を上記発熱体へ印加することで得られる請
求項5記載の酸素センサの制御方法。
6. The method according to claim 5, wherein the trigger wave is obtained by applying a start-up voltage, which is a voltage in a range of 105 to 150% of an operating voltage, to the heating element when the oxygen sensor is turned on. Control method of oxygen sensor.
【請求項7】 上記固体電解質体の材質がジルコニアで
あるとき、上記酸素センサの温度上昇速度を100〜2
50℃/sの範囲とする請求項5記載の酸素センサの制
御方法。
7. When the material of the solid electrolyte body is zirconia, the temperature rise rate of the oxygen sensor is set to 100 to 2
6. The control method for an oxygen sensor according to claim 5, wherein the temperature is in a range of 50 ° C./s.
【請求項8】 上記発熱体はレニウムを含有する発熱抵
抗体を備える請求項5記載の酸素センサの制御方法。
8. The method for controlling an oxygen sensor according to claim 5, wherein said heating element includes a heating resistor containing rhenium.
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