JPH02240554A - 被毒素子の識別方法 - 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］ 本発明は被毒した酸素センサー等の電気化学的素子を識
別するための方法に関する。

［従来の技術］ 従来から、空燃比検出装置として、自動車などの内燃機
関の排気ガス中に含まれている酸素濃度を検知し、その
検出信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を最適にコント
ロールすることにより、排気ガスの浄化、燃費の節減な
どを行なう酸素センサーが知られている。

このような酸素センサーに用いられる酸素濃度検出素子
としては、代表的には、ジルコニア磁器などの酸素イオ
ン伝導性の固体電解質を用いた。

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
ものか実用化されている。これは、固体電解質にそれぞ
れ設けられた、被測定ガスに露呈される測定電極と、基
準酸素濃度の基準ガスに露呈される基準電極との間の酸
素濃度差に起因する起電力を検出して、理論空燃比の状
態で燃焼させて得られる燃焼排ガスの如き中性雰囲気の
ガスを境にして、かかる被測定ガスかり−ン（空気過剰
領域）であるかあるいはリッチ（空気不足領域）である
かの識別を行ない、これに基づいて当該内燃機関を制御
し、このような排ガスを浄化する二元触媒か有効に働く
理論空燃比近辺の領域の燃焼排ガスとなるようにしてい
る。

このように、酸素センサーは、燃焼排ガス中の酸素濃度
を管理して内燃機関の空燃比を適正に保つことにより、
燃焼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
する目的で使用されている。

［発明か解決しようとする課題］ しかしながら、酸素センサー等の電気化学的素子は、シ
リコーンゴム、有機シリコーン添加物などの酸化、熱分
解等による生成物によって被毒（シリコーン被毒）した
り、Ｃａ、Ｐ、Ｚｎ、に等、エンジンオイルもしくは燃
料への添加物や、それらの燃焼生成物によって被毒する
と、濃淡起電力か急峻に変化する空燃比点がリーンにシ
フトする。その結果、被毒素子の出力によって内燃機関
等が制御されると、その排気ガスの空燃比は理論空燃比
を中心とした幅の狭いウィンドウから外れ、排気管に取
付けられた触媒によるＮＯｘ等有害成分の浄化率か低下
するため、ＮＯｘ等の増大を招来する。

シリコーン等の被毒物質の発生源は、現在のところ明確
でなく、電気化学的素子の取付けられた機関側々によっ
て被毒の程度が異なり、また、素子毎にその影響もばら
つくので被毒の生ずる条件を見出すことは困難であった
。

また、耐被毒性を有する素子であっても、その耐被毒性
は完全なものではなく、被毒物質の量が増えれば上記と
同様なリーンシフトが生ずることも判明している。

一方、被毒素子はそれを設置した排気ガス浄化装置本来
の機走を損なうため、迅速に新しい未被毒素子と交換す
る必要があるが、被毒の識別には通常大がかりな素子特
性測定装置が必要であって、電気化学的素子をその車両
に取付けたまま迅速に被毒を識別することは不可能であ
った。

［課題を解決するための手段］ 本発明の方法は上記従来技術の問題を解決したもので、
対象となる電気化学的素子を車両に取付けたまま、シリ
コーン等により被毒された素子を識別することかできる
ものである。

即ち、本発明によれば、酸素イオン伝導性の固体電解質
と、該固体電解質に接して設けられた少なくとも一対の
第一および第二の多孔質電極とからなり、該第一の多孔
質電極か被測定ガスに露呈され、第二の多孔質電極が基
準ガスに露呈されてなる電気化学的素子の被毒を識別す
る方法であって、 該電気化学的素子の一対の多孔質電極間の電圧を測定す
る電圧測定手段； 前記電圧測定手段により測定される前記電気化学的素子
の出力電圧を、所定のしきい値電圧と比較することによ
り、被測定ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段： 前記電気化学的素子の一対の多孔質電極間に所定の期間
、所定の電流を通電し、且つ該電流の値が前記第一の多
孔質電極のガス拡散律速電流以下であるである電流印加
手段； を備えた出力回路を用い、前記した所定の電流を印加し
たときに、前記電圧測定手段にて検出される電圧の値に
より電気化学的素子の被毒を識別することを特徴とする
被毒素子の識別方法、が提供される。

また、本発明によれば、酸素イオン伝導性の固体電解質
と、該固体電解質に接して設けられた少なくとも一対の
第一および第二の多孔質電極とからなり、該第一の多孔
質電極か被測定ガスに露呈され、第二の多孔質電極か基
準ガスに露呈されてなる電気化学的素子の被毒を識別す
る方法でありて 該電気化学的素子の一対の多孔質電極間の電圧を測定す
る電圧測定手段： 前記電圧測定手段により測定される前記電気化学的素子
の出力電圧を、所定のしきい値電圧と比較することによ
り、被測定ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段： 前記空燃比検出手段の出力により、吸入流体の空燃比を
調節する空燃比制御手段： 前記電気化学的素子の一対の多孔質電極間に所定の電流
を通電し、且つ該′電流の値は、該電流により生じる未
被毒電気化学的素子の出力電圧変化か前記所定のしきい
値以下である電流印加手段；を愉えた出力回路を用い、
前記した所定の電流を印加したときの、前記空燃比制御
手段の出力信号値により被毒を識別することを特徴とす
る被毒素子の識別方法、か提供される。

［作用］ 本発明は、被毒してその起電力変化点かり−ンにシフト
した酸素センサー等の電気化学的素子は、被測定ガスに
露呈する第一の多孔質電極と、固体電解質との間の界面
インピーダンスが著しく増加するため、電流印加によっ
て、より容易に出力変化を生ずる性質を見出し、この性
質を利用して被毒素子を識別するものであり、大別して
、次に示す■または■のいずれかの手段を用いることが
てきる。

■印加電流による未被毒の電気化学的素子の電圧変化が
、充分小さい値の電流を外部から印加し、被毒素子に生
じる電極間電圧の顕著な変化を用いて、被毒素子を識別
する。

例えば、所定のしきい値電圧を０．２Ｖ乃至０．７Ｖに
設定したとき、印加電流により生じる電気化学的素子の
出力電圧変化がしきい値電圧以下であれば未被毒と判断
し、一方、電流を印加したときに電圧測定手段にて検出
される電圧が、上記のしきい値以上の所定値に設定した
識別電圧より大きい場合、被毒していると判断する。

また、電流を印加したときに電圧測定手段にて検出され
る電圧が、電流の印加前に電圧測定手段で検出された最
大電圧以上の所定値に設定した識別電圧より大きい場合
、被毒していると判断することもできる。

■電気化学的素子の出力を用いた被測定ガスの空燃比の
フィードバック制御を行いつつ、外部より電流を印加し
、これによって未被毒素子の影響は小であるのに対し、
被毒素子は制御不能に陥るあるいは制御信号に顕著な変
化を生じることな利用して、被毒素子を識別する。

ここで、第一の多孔質電極のガス拡散律速電流とは、未
被毒状態で測定されたガス拡散律速電流を意味する。ガ
ス拡散律速電流は、第一の多孔質電極、および該電極を
被測定ガス中の有害物質から保護する電極保護手段もし
くはガス拡散律速手段のガス拡散律速抵抗を加え合わせ
たものと、被測定ガス中の酸素分圧によって定まり、被
測定ガス温度あるいは電気化学的素子の温度によっても
影響を受ける。

電流印加手段によって印加される電流が、第一の多孔質
電極のガス拡散律速電流以上であれば、未被毒素子にお
いても濃淡起電力による電極間電圧の急増現象が生じ、
被毒素子と識別困難になるため、印加電流の値は、第一
の多孔質電極のガス拡散律速電流以下とする必要がある
のである。

印加電流か生じさせる電気化学的素子の出力電圧変化が
、前記したような所定のしきい値以下であると、センサ
（素子）出力による空燃比制御な１ｎ続したまま被毒素
子の識別を行うことができ。

好ましい。

本発明の識別方法には、電気化学的素子の温度もしくは
被測定ガスの温度を検出する温度検出手段を使用するこ
とが好ましい、なぜならば、外部から印加する電流と電
気化学的素子の内部抵抗により生ずる抵抗分極の大きさ
は素子温度により異なり、第一の多孔質電極のガス拡散
律速電流、ならびに被毒素子の起電力が急峻に増加する
電流の値も、素子温度か変わると実質的な電極の面積が
変化することにより変わるからである。第５図に示すよ
うに、素子温度（被測定ガス温度）の上昇によって、未
被毒素子を誤検出してしまう最大印加電流と、被毒素子
を検出できなくなる最小印加電流は、共に増加するので
ある。このような場合、温度検出手段の出力によって、
印加電流の値を制御したり、特定の検出温度範囲内にあ
るときに、被毒の識別を行うようにすれば、上記の誤検
出を防止することができる。

また温度検出手段を設ける代わりに、予め、例えば内燃
機関の運転条性等のように被測定ガスの温度に与える影
響か明らかになっているパラメータかあるなら、そのパ
ラメータの所定のモードの時に被毒の識別を行うように
することもできる。

［実施例］ 次に、本発明を実施例に従って更に詳細に説明する。

第１図は、本発明において被毒素子の識別方法に用いる
出力回路を機略的に示すものである。第１図において、
電気化学的素子たる＃素センサー１０は、内部抵抗１１
および起電力（Ｅ８）発生部１２を有しており、ここで
発生した起電力Ｅ８は電圧測定手段１３にて測定される
。電圧測定手段１３で測定された酸素センサーｌｏの出
力電圧（起電力）は、空燃比検出手段１４により所定の
しきい値電圧Ｅと比較され、それに基づいて、自動車の
内燃機関等から排出される排気ガス等の被測定ガスの空
燃比を検出する。また、電流印加手段１５は、酸素セン
サー１ｏに所定の値の電流を通電するもので、この電流
印加手段１５は電流源１６からなり、スイッチ１７によ
り酸素センサー１０に対して電流を印加している。

第２図は本発明の被毒素子の識別方法の構成図であり、
２０は試験管状の酸素イオン固体電解質からなる酸素セ
ンサー素子を示しており、この素子２０の外側の測定電
極（第一の多孔質電極）２１を被測定ガスであるプロパ
ン燃焼排ガスＡに露呈させ、一方、素子２０の内側基準
電極（第二の多孔質電極）２２を基準ガスとしての空気
Ｂに露呈させる。両電極間の電圧を電圧測定手段たる電
圧計２３で測定すると同時に、両電極間に内部抵抗の高
い可変電流源２４を接続し、内側電極２２から外側電極
２１に向って電流を流す。またセンサー２０は図示しな
いヒータで加熱され、素子温度が５００℃に保たれてい
る。プロパン燃焼排ガスＡの空燃比（λＤ）は１．０４
で、被測定ガスと基準ガスとの酸素濃淡起電力は５０ｍ
Ｖ以下と小さく、殆ど無視できる。

以上の条件において３印加電流を徐々に増加すると、未
被毒センサーの場合、センサー素子２０の両端の電圧は
、第３図のグラフに示すように、■印加電流が小さいと
き（第３図では０．８ｍＡ）は、素子の内部抵抗によっ
て定まる所定の比率で増加し、 ■被測定ガス中の酸素分圧と、該被測定ガスに露呈する
測定電極、該測定電極を被測定ガス中の有害物質から保
護する電極保護手段、もしくはガス拡散律速手段のガス
拡散律速抵抗とによって定まる印加電流（第一の電極の
ガス拡散律速電流；第３図では０．８ｍＡから１．０ｍ
Ａ以上）以上では、測定電極雰囲気中の酸素分圧低下に
よる濃淡起電力の発生により、上記■の比率よりもさら
に急激に増加する。

一方、被毒センサー素子の場合、外側電極２１と、固体
電解質２０との界面インピーダンスの増加のため、その
両端電圧はより少ない印加電流（第３図では０．１ｍＡ
未満）で、顕著な電圧増加を示す。

そこで、この条件下で、未被毒センサー素子と被毒セン
サー素子の両者に第一の電極のガス拡散律速電流以下の
０．１５ｍＡの電流を印加すると、未被毒センサーでは
０．０７Ｖの電圧変化か生ずるが、被毒センサーては、
１．ＩＶを超える電圧変化を発生し、両者の間にはＩＶ
以上の発生電圧の違いを生しるので、この発生電圧の違
いによって被毒センサーを識別することができる。なお
第３図の例では、発生電圧０．１ｖ乃至ＩＶ以上のセン
サーを被毒センサーと云うことができる。

さらに、本発明における他の被毒素子の識別方法として
、センサーを用いて、被測定ガスの空燃比をフィードバ
ック制御した状態で外部より所定値の電流を印加し、未
被毒センサーと被毒センサーとを識別する方法がある。

この識別方法は、センサー出力を用いた被測定ガスの空
燃比のフィードバック制御を行いつつ、外部より電流を
印加し、これによって第４図に示すグラフの如く、未被
毒素子の影響は小であるのに対し、被毒素子は制御不能
に陥る、あるいは制御信号に顕著な変化を生じることを
利用して、被毒素子を識別するものである。

第４図において、電流として３０．Ａの電流を印加する
と、未被毒センサー（入。＝１．０Ｏ１）（第４図（ａ
））ては、内部抵抗による抵抗分極分だけセンサーの出
力がかさ上げされているが、その値は小さく、制御系に
はそれ以上の影響はない。しかし、他の２本の被毒セン
サーの場合（第４図（ｂ）及び（Ｃ））は電流印加によ
る出力電圧の増加が大きいため、これと異なる。即ち、
被毒センサーでは、電流印加によりセンサー出力電圧が
空燃比制御に用いられるしきい値を越えて増加すること
から、制御手段は空燃比がリッチに寄っていると判断し
てその制御点（空燃比）を徐々にリーンに移す。しかし
ながら、制御点かリーンに変更されようと、゛センサー
出力は依然高いままであるので安定状態にはならない。

最終的には、センサー出力の異常（しきい値電圧よりも
常に高い電圧か検出される）、あるいは制御信号の異常
（燃料減少命令が出たままとなる）等を制御手段が検出
し、フィードバック制御を停止するのである（即ち、オ
ーブンループ制御に切り替える）。

この場合、印加電流は上記のようにセンサー出力電圧、
もしくは空燃比制御信号の異常を検出できるまでの一定
期間通電し続けなければならない。

第４図の例では、被毒センサーが電流印加からフィード
バック制御停止に至るまて、約８〜ｌＯ秒かかっている
。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、次の効果が奏せ
られる。

請求項１〜５記載の方法では、未被毒の電気化学的素子
の場合には印加電流による出力電圧変化が極めて小さい
値である電流を外部から印加することにより被毒素子を
識別できるため、素子を車両に取付けたまま迅速に被毒
素子の識別を行なうことができる。

請求項６〜７記載の方法では、被測定ガスの温度検出手
段を設けたのて、被毒素子の誤検出を防止することかて
きる。

請求項８記佐の方法では、素子をフィードバック制御し
た状態で外部より電流を印加し、被毒素子を識別するの
で、素子を車両に取付けたまま迅速に被毒素子の識別を
行なうことかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明において被毒素子の識別方法に用いる出
力回路の概略図、第２図は本発明の被毒素子の識別方法
の構成図、第３図は印加電流に対するセンサー出力電圧
を示すグラフ、第４図はセンサーをフィードバック制御
した状態でのセンサー出力電圧を示すグラフて、第４図
（ａ）は未被毒センサーの場合、第４図（ｂ）は被毒が
軽微なセンサーの場合、第４図（Ｃ）は被毒が重度なセ
ンサーの場合を夫々示す、第５図は空燃比に対する印加
電流が被測定ガス温度によって変動することを示すグラ
フである。 ｌＯ・・・酸素センサー、１１・・・内部抵抗、１２・
・・起電力発生部、１３・・・電圧測定手段、１４・・
・空燃比検出手段、１５・・・電流印加手段、１６・・
・電流源１７・・・スイッチ、２０・・・酸素イオン固
体電解質２１・・・外側測定電極（第一の多孔質電極）
、２２・・・内側基準電極（第二の多孔質電極）、２３
・・・電圧計、２４・「・可変電流源、２０−・・セン
サー第３図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸素イオン伝導性の固体電解質と、該固体電解質
   に接して設けられた少なくとも一対の第一および第二の
   多孔質電極とからなり、該第一の多孔質電極が被測定ガ
   スに露呈され、第二の多孔質電極が基準ガスに露呈され
   てなる電気化学的素子の被毒を識別する方法であって、 該電気化学的素子の一対の多孔質電極間の電圧を測定す
   る電圧測定手段； 前記電圧測定手段により測定される前記電気化学的素子
   の出力電圧を、所定のしきい値電圧と比較することによ
   り、被測定ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段； 前記電気化学的素子の一対の多孔質電極間に所定の電流
   を通電し、且つ該電流の値が前記第一の多孔質電極のガ
   ス拡散律速電流以下である電流印加手段； を備えた出力回路を用い、前記した所定の電流を印加し
   たときに、前記電圧測定手段にて検出される電圧の値に
   より電気化学的素子の被毒を識別することを特徴とする
   被毒素子の識別方法。
2. （２）前記電流印加手段によって印加される電流により
   生じる未被毒電気化学的素子の出力電圧変化が、前記所
   定のしきい値以下である請求項１記載の被毒素子の識別
   方法。
3. （３）前記電流印加手段により前記電流を印加したとき
   に、前記電圧測定手段にて検出される電圧の値が、前記
   所定のしきい値以上である所定の識別電圧より大きい場
   合、被毒していると判断する請求項１または２記載の被
   毒素子の識別方法。
4. （４）前記電流印加手段により前記電流を印加したとき
   に、前記電圧測定手段にて検出される電圧の値が、前記
   電流の印加前に前記電圧測定手段にて検出された最大電
   圧以上である所定の識別電圧より大きい場合、被毒して
   いると判断する請求項１または２記載の被毒素子の識別
   方法。
5. （５）前記所定のしきい値電圧が０．２Ｖ乃至０．７Ｖ
   である請求項１乃至４のいずれかに記載の被毒素子の識
   別方法。
6. （６）前記電気化学的素子の温度もしくは該電気化学的
   素子が露呈せしめられる被測定ガスの温度を検出する温
   度検出手段をさらに有し、該温度検出手段の出力によっ
   て前記印加電流の値を調整する請求項１乃至５のいずれ
   かに記載の被毒素子の識別方法。
7. （７）前記電気化学的素子の温度もしくは該電気化学的
   素子が露呈せしめられる被測定ガスの温度を検出する温
   度検出手段をさらに有し、該検出温度が所定の範囲内に
   あるとき、前記印加電流を流して被毒素子の識別を行う
   請求項１乃至５のいずれかに記載の被毒素子の識別方法
   。
8. （８）酸素イオン伝導性の固体電解質と、該固体電解質
   に接して設けられた少なくとも一対の第一および第二の
   多孔質電極とからなり、該第一の多孔質電極が被測定ガ
   スに露呈され、第二の多孔質電極が基準ガスに露呈され
   てなる電気化学的素子の被毒を識別する方法であって、 該電気化学的素子の一対の一多孔質電極間の電圧を測定
   する電圧測定手段； 前記電圧測定手段により測定される前記電気化学的素子
   の出力電圧を、所定のしきい値電圧と比較することによ
   り、被測定ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段； 前記空燃比検出手段の出力により、吸入流体の空燃比を
   調節する空燃比制御手段； 前記電気化学的素子の一対の多孔質電極間に所定の電流
   を通電し、且つ該電流の値は、該電流により生じる未被
   毒電気化学的素子の出力電圧変化が前記所定のしきい値
   以下である電流印加手段；を備えた出力回路を用い、前
   記した所定の電流を印加したときの、前記空燃比制御手
   段の出力信号値により被毒を識別することを特徴とする
   被毒素子の識別方法。