JPH01155257A - エンジン用排気ガスセンサの評価方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジンから排出される排気ガス中の酸素、
窒素酸化物、−酸化炭素等特定成分の濃度を検知する排
気ガスセンサの性能評価方法に係わり、特に、排気ガス
センサの性能を簡単かつ高精度に判断できる排気ガスセ
ンサの評価方法に関する。

（従来の技術） 一般に、エンジンにおいては、これより排出される排気
ガスの浄化を図るために、その排気ガス中の特定成分（
酸素、窒素酸化物、−酸化炭素等）の濃度を検知してそ
の濃度を基にしてエンジンに供給する混合気の空燃比を
フィートノ（・ツク制御するようにしたものが広く普及
しており、その特定成分の濃度を検知する排気ガスセン
サとしては、例えば実開昭５７−７２１６２号公報のｏ
２センサ等が公知になっている。

ところで、上記のような空燃比のフィートノ＜・ツク制
御装置を備えたエンジンでは、その排気ガス中に含有さ
れるエミッションの排出量は０２センサ等排気ガスセン
サの性能の影響を多大に受けることになるので、その空
燃比のフィードバック制御装置に採用する排気ガスセン
サの性能は高精度に管理する必要が生じる。

この様な状況下にあって、従来、例えば０２センサは、
第７図（ａ）と同図（ｂ）とに示すような電気特性の静
特性と動特性とが直接的な判断基準にされてその性能を
総合的に評価されていた。

すなわち、同図（ａ）に示すように静特性としては、空
燃比を標準値λＯ（λ０−１）にしたときの出力電圧値
Ｅｓと、空燃比をリッチ側の設定値λｌ　（例えばλ１
−０．９）にしたときの出力電圧値ＥＲと、空燃比をリ
ーン側の設定値λ２（例えばλ２−１．１）にしたとき
の出力電圧値Ｅ−Ｌとがそれぞれ考慮され、また同図（
ｂ）に示すように動特性としては、空燃比を上記リッチ
側の設定値λ１−０．９から上記リーン側の設定値λ２
−１．１に変化させたときに出力電圧値が第１の規定値
Ｅａから第２の規定値Ｅｂに低下するまでの反応時間Ｔ
ＲＬと、逆に空燃比を上記リーン側の設定値λ−１，１
から上記リッチ側の設定値λ−０，９に変化させたとき
に出力電圧値が上記第２の規定値Ｅｂから上記第１の規
定値Ｅａに上昇するまでの反応時間ＴＬＲとがそれぞれ
測定され、両者の差に基いて平均空燃比がリッチ寄りと
なりやすいか、リーン寄りとなりやすいかの度合を評価
している。このとき、リッチ或いはリーンに著しく偏っ
ている場合はエンジンへ取付けないようにされている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、０２センサをフィードバック制御装置に
実際に取付けて空燃比制御を行なわせた場合におけるエ
ンジンからのエミッション排出量に対して、上記３つの
静的な電気特性ＥＳ、ＥＲ。

ＥＬと２つの動的な電気特性ＴＲＬ、　ＴＬＲの差との
基準を満足する０２センサであっても、実際に空燃比制
御を行うとエンジンで発生する排気ガス中の有害成分の
量にばらつきが発生していた。従って、上記した従来の
評価方法では、０２センサの品質管理を高精度に保つこ
とが困難であるという問題があった。

そこで、本発明者らはその相関が取れない原因を解明す
べく種々の実験を行なった結果、その空燃比制御の応答
遅れ期間中の大幅な空燃比の変動に起因するエミッショ
ン排出量と０２センサの反応の速さの電気特性とに相関
関係を見出して、その電気特性から０２センサを空燃比
制御装置に取付けた場合のエミッション排出量を予知し
うる０２センサの性能の評価方法を確立し得、もってこ
こにこれを提案するに至った。

すなわち、本発明の目的は、０２センサ等の排気ガスセ
ンサを空燃比フィードバック制御装置に取付けてそのフ
ィードバック制御をおこなわせた際の応答遅れ期間中の
大幅な空燃比の変動に基ずくエミッション排出量を、そ
の排気ガスセンサのの反応の速さの電気特性から的確に
予知し得る排気ガスセンサの性能評価方法を提供するこ
とにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記の問題点を解決するために、エンジンから
の排気ガス中の特定成分濃度を検知する排気ガスセンサ
の性能を評価するに際して、空燃比をリッチ側の設定値
からリーン側の設定値まで変化させたときに排気ガスセ
ンサからの出力値が第１の基準値から第２の基準値に変
化するまでの反応時間と、空燃比を上記リーン側の設定
値から上記リッチ側の設定値まで変化させたときに上記
排気ガスセンサからの出力値が上記第２の基準値から上
記第１の基準値に変化するまでの反応時間とをそれぞれ
測定し、 該２つの反応時間の差と和とをそれぞれ求め、該差と和
とに基づいて排気ガスセンサの性能を判断する。

る。

（作　用） 排気ガスセンサの電気的動特性として得られる上記２つ
の反応時間の差は空燃比のフィードバック制御を行なっ
た際の実際の空燃比と排気ガスセンサの出力値とのずれ
（動的ラムダのシフト量）を判断するためのパラメータ
となり、２つの反応時間の和は空燃比のフィードバック
制御を行なった際のハンチング量を判断するためのパラ
メータになる。

（実　施　例） 以下に、本発明に係る排気ガスセンサの評価方法につい
て０２センサを例にして添附図面を参照して詳細に説明
する。

まづ、本発明の評価方法を実施するために必要な、０２
センサの基本的な電気的静特性と動特性とを測定するた
めの装置の概略について説明する。

第１図に示すように、この測定装置２はガス流量制御装
置４と、水分添加装置６と、ラムダ変調装置（空燃比変
調装置）８とを備えていて、これらは中央制御部１０に
よって作動制御されるようになっている。

ガス流量制御装置４はエンジンに供給される実際の混合
気に近似した組成の混合ガスを合成するもので、実際の
混合気中に含まれる１１種のガスの流量を制御して、そ
の組成の割合を空燃比λ−１の混合気の組成にほぼ一致
させるようになっている。

そして、このガス流量制御装置４で合成された混合ガス
は炉１２に導かれるようになっており、その途中で水分
添加装置６から更に水分が混合されるようになっている
。炉１２に導かれた混合ガスはここで燃焼されたのち、
排気通路１４に設けた三元キャタリスト１６で浄化され
て外部に排出されるようになっている。

また、キャタリスト１６と炉１２との間の排気通路１４
にはラムダ変調装置８の噴射ノズル８ａが設けられてい
て、この噴射ノズル８ａからはＨＣ（炭化水素）、Ｃｏ
（−酸化炭素）、Ｈ２（水素）等の成分を噴射供給して
その燃焼後の混合ガスに混入できるようになっている。

すなわち、このラムダ変調装置８は燃焼された後の混合
ガスの組成の割合を調整するもので、燃焼前の混合ガス
の空燃比λ−１，０を基準にして上記噴射ノズル８ａか
ら噴射供給する上記各成分の混入量を適宜可変させるこ
とにより、所定の空燃比でエンジンを運転したときにエ
ンジンから排出される排気ガスの組成割合に近似した混
合ガスを任意に合成してシュミレートし得るようになっ
ている。つまり、燃焼後の混合ガスをリッチ側に変調さ
せるときには、噴射ノズル８ａからリッチ変調ガスとし
てＣ０１Ｈ２等を供給し、リーン側に変調させるときに
は、噴射ノズル８ａからリーン変調ガスとして０２を供
給するようになっている。

また、キャタリスト１６の上流側と下流側とにはそれぞ
れサンプリングガスを取出す導入路１８ａ、１８ｂが設
けられていて、この導入路１８ａ。

１８ｂから取出された燃焼ガスは排ガス分析計２０に導
かれてその組成が分析されるようになっている。

そして、この排ガス分析計２０と上記ラムダ変調装置８
、水分添加装置６、ガス流量制御装置４とは互いに中央
制御部１０を介してつながれていて、ラムダ変調装置８
と水分添加装置６、及びガス流量制御装置４はその作動
がフィードフォワード乃至フィードバックで総合的に制
御されるようになっている。

一方、排気通路１４にはラムダ変調装置８の噴射ノズル
８ａよ゛り下流側でかっキャタリスト１６の上流側に、
被測定物たる０２センサ２２の取付部が設けられていて
、この取付部に取付けられた０２センサ２２からの出力
信号は上記中央制御部１０に入力されるようになってい
る。そして、中央制御部１０にはデータ処理装置２４が
接続されていて、０２センサ２２からの出力信号はその
データ処理装置１０で記録されるようになっている。

なお、このデータ処理装置１０は上記排ガス分析計２０
、ラムダ変調装置８、水分添加装置６、及びガス流量制
御装置４等から中央制御装置部１゜に入力される各種情
報信号の処理も行うようになっている。

ところで、０２センサ２２は上記のようにしてなる測定
装置２によって、その電気特性の静特性ＥＳ、ＥＲ，Ｅ
Ｌと動特性ＴＲＬ、　ＴＬＲとが計測される。なおこの
際、静特性ＥＳを測定するときには、排気通路１４内の
合成ガスは、その組成が混合気の濃度を空燃比λ−１に
してエンジンを運転している時にエンジンから排出され
る排出ガスの組成に近似され、また静特性ＥＲを測定す
るときには、空燃比λをリッチ側の設定値（本実施例で
はλ−０，９）にして運転している時のエンジンからの
排出ガスの組成に近似され、また静特性ＥＬを測定する
ときには、空燃比をリーン側の設定値（本実施例ではλ
−１，１）にして運転している時のエンジンからの排出
ガスの組成に近似される。他方、動特性ＴＩ？Ｌを測定
するときには上記空燃比をリッチ側の設定値λ−０，９
がらリーン側ノ設定値λ−１，１に変化させた状態をシ
ュミレートして合成ガスの組成を変化させ、また動特性
ＴＬＲを測定するときには上記空燃比をリーン側の設定
値λ−１，１からリッチ側の設定値λ−０゜９に変化さ
せた状態をシュミレートして合成ガスの組成を変化させ
る。

次に、このようにして得られたｏ２センサの電気特性Ｅ
Ｓ　、　ＥＲ、ＥＬ　、　ＴＲＬ、　ＴＬＲとから、そ
の０２センサを空燃比制御装置に取付けて空燃比のフィ
ードバック制御を行なわせた場合に、実際にエンジンか
ら排出されるであろうエミッションの排出量を予知する
ことができる０２センサの性能評価方法に付いて説明す
る。

まづ、上記０２センサの５つの電気特性ＥＳ。

ＥＲ、ＥＬ　、　ＴＲＬ、　ＴＬＲはその各測定値が所
定の許容範囲内にあることが前提になるが、それら５つ
の電気特性のうち実際のエミション排出量に多大な影響
を及ぼすのは動特性のＴＲＬとＴＬＲとであることが想
定でき、これらの測定値から実際のエミッション排出量
との相関関係を導き出し得ると考えられる。

すなわち、第２図のグラフは、フィードバック制御によ
って実際にエンジンに供給される混合気の空燃比の変化
（破線）と、そのエンジンから排出された排気ガス中の
酸素濃度を実際に０２センサで検知して得た見掛上の空
燃比（０′２センサの出力値）の変化（実線）とを横軸
に時間を取って比較したものであるが、このグラフに示
すように、実際の空燃比の変化と見掛けの空燃比の変化
とには時間的にずれがあり、このずれの大きさがエミッ
ションの排出量に密接に関係する。

つまり、実際の空燃比のリッチ側からリーン側への変化
に対するＯｚセンサの出力値の追随性。

すなわち動特性ＴＲＬの応答性が遅いと、その０２セン
サからの出力値に応じてフィードバック制御される実際
の空燃比はリーン側に大きくオーバーシュートされてし
まい、これによりオーバーリーン域Ａが拡大されてＮＯ
ｘの排出量が増大されてしまう。

他方、実際の空燃比のリーン側からリッチ側への変化に
対する０２センサの出力値の追随性、すなわち動特性Ｔ
ＬＲの応答性が遅いと、リッチ側にオーバーシュートさ
れてしまい、これによりオーバーリッチ域Ｂが拡大され
てＣｏ、ＨＣの排出量が増大されてしまう。

従って、その空燃比の実際の値と見掛上の値との時間的
なずれ（動的ラムダのシフト量）を考慮２　　　　すれ
ばエミッションの排出量をある程度予知することができ
ると考えられる。

そこで本発明者らは種々の実験に基づいて考察を重ねた
結果、０２センサの２つの動特性子ＲＬとＴＬＲとの差
（Ｔ　ＲＬ−Ｔ　ＬＲ）によって平均空燃比を的確に捕
え得る点に加えて、その和（Ｔ　ＲＬ＋　Ｔ　ＬＲ）と
エミッション排出量との間に相関関係を導き出した理論
を打ちたてた。

すなわち、エミッション排出量と２つの動特性の差（Ｔ
　ＲＬ−Ｔ　ＬＲ）との相関については第３図のグラフ
に示すような結果が得られる。これは無作為に抽出した
６本の０２センサＳ１〜Ｓ６を使用して、その各センサ
Ｓ１〜Ｓ６の各々の動特性ＴＲＬとＴＬＲとの差（Ｔ　
ＲＬ−Ｔ　ＬＲ）に対するエミッション（この場合では
ＮＯｘ　）の排出ｆｆ１Ｑ−Ｆ　（ＥＭ）との関係をプ
ロットしたものであるが、その６本中の４本はほぼ理論
通りの線分上に乗ることが確認された。しかしながら、
残りの２本（Ｓ２゜Ｓ３）はその理論上の線分から大き
く外れてしまった。

そこで、本発明者らは更に種々の実験を重ねて考察した
結果、上記平均空燃比の影響の他に、更に実際の空燃比
変化と見掛けの空燃比変化との振幅のずれ量も影響して
おり、０２センサでフィードパツク制御を行なったとき
のリミットサイクル周波数がエミッション排出量に直接
的に影響を及ぼしていることを知得した。つまり、第４
図（ａ）、（ｂ）のグラフはそれぞれ０２センサの出力
値の波形とその整形波形及び燃料の噴射指令信号のＶＦ
波形との関係を示しているが、このグラフ（ａ）、（ｂ
）に示すように、２つの動特性ＴＲＬとＴＬＲとの差が
許容限界内にあってもそれらの値が共に大きいと（グラ
フ（ｂ））　、それら動特性ＴＲＬとＴＬＲとが共に小
さい場合（グラフ（ａ））に比較して、ＶＦ波形の振幅
すなわち空燃比制御のハンチング′ｍＩがＩｂ＞Ｉａと
大きくなり、これによりＮＯＸ、Ｃｏ、ＨＣ等の排出量
が多くなることが判明した。

そして、そのハンチング量は動特性ＴＲＬとＴＬＲとの
和（Ｔ　ＲＬ＋　Ｔ　ＬＲ）で判断できることがわかり
、従って、動的ラムダのシフト量と空燃比制御のハンチ
ング量、つまり動特性ＴＲＬ、　　ＴＬＲの差（ＴＲＬ
−Ｔ　ＬＲ）と和（Ｔ　ＲＬ十Ｔ　ＬＲ）とを考慮する
ことで、０２センサを空燃比制御装置に取付けてフィー
ドバック制御を行なわせた際にエンジンから実際に排出
されるであろうエミッションの排出量をそれらの動特性
ＴＲＬとＴＬＲとの和と差とから、予知しうる理論を確
立し得た。

そして、上記６本の０２センサＳ１〜Ｓ６のエミッショ
ン排出量と上記ＴＲＬ、　ＴＬＲの差と和との積とに対
する相関調査を行なったところ、第５図のグラフに示す
ように、６本の０２センサＳ１〜Ｓ６のすべてが理論通
りの線分上に乗ることが確認できた。なお、このグラフ
は縦軸がエミッション排出ｆｆ１Ｑ−Ｆ　（ＥＭ）を示
しく第３図のスケールに等しい）、横軸が２つの動特性
ＴＲＬ、　ＴＬＲの差（Ｔ　ＲＬ−Ｔ　ＬＲ）と和（Ｔ
　ＲＬ＋　Ｔ　ＬＲ）との積（ＴＲＬ−Ｔ　ＬＲ）　・
（Ｔ　ＲＬ＋　Ｔ　ＬＲ）を示しており（第３図のスケ
ールとは異なる）、そのグラフ中に示される理論上の線
分はＦ　（ＥＭ）　ｃｘ−ａ　（ＴＲＬ−ＴＬＲ）−（
ＴＲＬ＋ＴＬＲ）の関係式で表せるものである。

従って、以上の説明から明らかな如く、本実施例のよう
に０２センサの２つの動特性ＴＲＬとＴＬＲとの差（Ｔ
　ＲＬ−Ｔ　ＬＲ）及び和（Ｔ　ＲＬ＋　Ｔ　ＬＲ）と
をそれぞれ求めて、それらの差（Ｔ　ＲＬ−Ｔ　ＬＲ）
と和（Ｔ　ＲＬ＋　Ｔ　ＬＲ）とを積算すると、０２セ
ンサを空燃比制御装置に取付けてフィードバック制御を
行なわせた際に実際にエンジンから排出されるエミッシ
ョンの排出量と上記積算値との間に相関関係が得られ、
これによりその２つの動特性ＴＲＬ、ＴＬＲからエミッ
ション排出量を予知することができるようになる。この
ため、０２センサの性能を高精度にかつ簡単に評価でき
るようになり、この結果、０２センサの品質管理を容易
に行なえるようになる。

なお、上述した実施例では、０２センサ個々の製品の２
つの動特性ＴＲＬ、　ＴＬＲとから直接的にそれらの和
（Ｔ　ＲＬ＋　Ｔ　ＬＲ）と差（Ｔ　ＲＬ−Ｔ　ＬＲ）
とを求めて、それら和と差の値を基にして０２センサの
性能を評価するようにしているが、リファレンス用とし
て別途に基準０２センサを設定し、この基準０２センサ
の２つの動特性ＴＢ−ＲＬ、　ＴＢ−ＬＲと各製品側々
の動特性ＴＲＬ、　ＴＬＲとからそれらの偏差ＴＳＲＬ
　（−ＴＢ−１？Ｌ−ＴＩ？Ｌ）　、　ＴＳＬＲ（−Ｔ
Ｂ−ＬＲ−Ｔ　ＬＲ）を求め、コノ偏差ＴＳＲＬ　、　
ＴＳＬＲがらそれらの差（ＴＳＲＬ　−ＴＳＬＲ）と和
（ＴＳＲＬ＋ＴＳＬＲ）とを計算して、コノ差（ＴＳＲ
Ｌ　−ＴＳＬＲ）と和（ＴＳＲＬ　＋ＴＳＬＲ）とを基
にしてｏ２センサの性能を評価するようにしてもよく、
このようにすれば更に高精度に０２センサの性能を評価
できるようにになる。また、このようにする場合には、
基準０２センサはそのプロテクタ一部を外すなどしてそ
の感知部のみを使用するようにしたほうが良く、更に第
６図に示すようにこの基準ｏ２センサ２６は被ｎ１定体
たる製品としてのｏ２センサ２２に対向させて測定装置
の排気通路１４に取付けるようにしたほうが良い。

（効　果） 以上要するに本発明によれば、排気ガスセンサを空燃比
制御装置に取付けてフィードバック制御を行なわせた際
に実際にエンジンがら排出されるエミッションの排出量
とその排気ガスセンサの２つの動特性（反応時間ＴＲＬ
、　ＴＬＲ）の差および和との間の相関関係からエミッ
ション排出量を予知することができるようになる。この
ため、排気ガスセンサの性能を高精度にかつ簡単に評価
できるようになり、もって排気ガスセンサの品質管理を
容易に行なえるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は０２センサの電気特性を測定する測定装置の概
略構成図、第２図はフィードバック制御された実際の空
燃比の変化と０２センサで検知した見掛上の空燃比変化
とのずれを示すグラフ、第３図は２つの動特性ＴＲＬ、
　ＴＬＲの差とエミッション排出量との関係を示すグラ
フ、第４図は０２セ、　　ンサからの出力値波形とコン
パレータによって整形された波形と燃料の噴射指令信号
のＶＦ波形との関係を示すグラフで、同図（ａ）は動特
性Ｔ　ＲＬ。 ＴＬＲとが共に応答性の早い０２センサの場合を示す図
、同図（ｂ）は動特性ＴＲＬ、　ＴＬＲとが共に応答性
の遅い０２センサの場合を示す図、第５図は本発明の評
価方法に係わるグラフで０２センサの２つの動特性ＴＲ
Ｌ、　ＴＬＲの差と和とに基づくエミッション排出量の
関係を示す図、第６図は本発明の変形実施例を実施する
場合に適した測定装置の測定部の概略図、第７図（ａ）
は０２センサの電気特性の静特性を説明する図、同図（
ｂ）はその動特性を説明する図である。 ２２・・・・・・排気ガスセンサ（０２センサ）λ１・
・・空燃比のリッチ側の設定値 λ２・・・空燃比のリーン側の設定値 ＥＲ・・・・・・センサ出力の第１の基準値ＥＬ・・・
・・・センサ出力の第２の基準値ＴＲＬ・・・・・・リ
ッチ側からリーン側への反応時間’ｉ’ｌｌζ・・・・
・・リーン側からリッチ側への反応時間待　　許　　出
　　願　　人　　　　　マ　　ツ　　ダ　　株式会社代
　理　人　　　　　弁理士　−色　健　輪間　　　　　
　　弁理士　松　本　雅　利第２図 （ＮＯＸ埠） 第５図 （ＴＦＬ−ＴＬＲ）・（ＴＲＬ＋ＴＬＲ）　　（ｍｓ勺
第６図 ＮＯｘ　（（Ｊ／ｍｉｌｅ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 エンジンからの排気ガス中の特定成分濃度を検知する排
   気ガスセンサの性能を評価するに際して、空燃比をリッ
   チ側の設定値からリーン側の設定値まで変化させたとき
   に排気ガスセンサからの出力値が第１の基準値から第２
   の基準値に変化するまでの反応時間と、空燃比を上記リ
   ーン側の設定値から上記リッチ側の設定値まで変化させ
   たときに上記排気ガスセンサからの出力値が上記第２の
   基準値から上記第１の基準値に変化するまでの反応時間
   とをそれぞれ測定し、 該２つの反応時間の差と和とをそれぞれ求め、該差と和
   とに基づいて排気ガスセンサの性能を判断することを特
   徴とする排気ガスセンサの評価方法。