JPH0291555A

JPH0291555A - 酸素センサの安定化処理方法及び処理雰囲気制御システム

Info

Publication number: JPH0291555A
Application number: JP63244859A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyata; 博宮田; Hiroyuki Maeda; 博之前田; Mineji Nasu; 峰次那須; Makoto Nakamura; 信中村; Noriyuki Maekawa; 前川　典之
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Niterra Co Ltd
Priority date: 1988-09-29
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1990-03-30
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JP2640510B2

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、製造された酸素センサを所定の雰囲気に晒し
て実装時における該酸素センサの初期特性を安定させる
酸素センサの安定化処理方法に関する。

［従来技術及び課題］従来より２例えば内燃機関の制御を行うために排ガス中
の酸素濃度を検出すること等のガス中の酸素ガス検出が
広く行われている。このガス中の酸素ガス検出は、酸素
イオン伝導性固体電解質を用いた酸素センサや酸化物半
導体を用いた酸素センサによって行われる場合が多い。

これらの酸素センサは、酸素イオン伝導性固体電解質中
を酸素イオンが通過したり、酸化物半導体の格子中に酸
素が出入りするために１周囲雰囲気の酸素ガス分圧を起
電力や導電率等の電気的変化として出力する。

ところが、製造された直後のこれら酸素センサにあって
は、センサ素子としての固体電解質や酸化物半導体等の
酸素検出部表面の酸素の吸着状態等が、実際に使用され
るときの酸素検出部表面の状態とは異なる。その結果、
製造された直後の酸素センサを実装すると、使用初期に
おいて酸素検出特性が大きく変化する場合がある。その
ため。

製造直後の酸素センサは、これを大気あるいは不活性ガ
ス等の高温雰囲気に晒し、初期特性安定化処理を行って
いる。

しかし、このような安定化処理が施された酸素センサで
あっても、実装初期において検出特性が未だ大きく変動
する場合がある。

本発明の目的はかかる課題を解決すること、即ち実装初
期から安定な酸素検出特性を維持し。

もつて高精度の検出特性を当初から発揮し得る酸素セン
サを提供するための安定化処理方法を開発することにあ
る。併せて、かかる安定化処理方法を実施するための処
理雰囲気制御システムを開発することにある。

Ｃ：＊題の解決手段］本発明者等はかかる実情下、先に酸素センサの安定化処
理方法を提案した（特願昭６２−１８２７２３）。

本願は、より一層確実に上述の課題を解決すべく鋭意検
討の結果本発明を完成するに至ったものであり２本発明
は上述の課題を下記手段によって解決する。

（１）酸素センサの初期特性を安定させる酸素センサの
処理方法であって。

センサの晒される雰囲気が、リーン・リッチの交互変換
雰囲気であって、平均空気過剰率（Ｔ）、空気過剰率の
変化幅（Δλ）及びリーン・リッチの変換周期（１）に
ついて次の条件：Ｔ　−０，９５〜１．０５ Δλ＝０．０５〜０．５ｔ−０，５〜３００　（Ｓ　）を満たすことを特徴とする酸素センサの安定化処理方法
。

（２）酸素センサ又は酸素センサ素子を配置し、その周
囲を所定の雰囲気に維持する処理空間。

処理空間に雰囲気形成ガスを導入するガス導入手段。

処理空間の雰囲気を検知するセンサ、及びセンサからの
信号に応じてガス導入手段によるガスを調節し、処理空
間の雰囲気を制御する雰囲気制御手段。

を備えていることを特徴とする処理雰囲気制御システム
。

〔作用〕

上記条件を満たす雰囲気は内燃機関駆動初期の排ガスに
よる雰囲気に近似する。そのため、酸素センサ素子の検
出部表面における酸素等のガス吸着状態を、実装したと
同様な状態に変性できる。

リーン・リッチの交互変換雰囲気であるので。

雰囲気ガスと検出部表面に吸着ガスとの交換を迅やく行
い得る。

又、処理雰囲気制御システムによって、処理空間の実際
の雰囲気に応じて、処理空間を上記条件を満たす雰囲気
に自動的に制御できる。従って。

常に所期の雰囲気による安定化処理が可能となる。

［好適な実施態様］本発明によ゛って処理可能な酸素センサとしては、ジル
コニア等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いた酸素セ
ンサ、チタニア、　Ｓ　ｎ　Ｏ２等の酸化物半導体を用
いた酸素センサ等がある。

リーン争リッチの交互変換雰囲気としては例えば第１．
２図に示すようなλ（空気過剰率）のＳｉｎ曲線にする
とよい。例えばリーンガスとしてはλｌ、０２〜１．３
０．　　リッチガスとしてはλ０．７０〜０．９８の範
囲内に設定するとよい。

このＳｉｎ曲線はリーンとリッチとの正確な対称曲線で
あることが好ましい。但し、リーン側の保持時間とリッ
チ側のそれとを若干具ならせた非対称モードであっても
差支えない。例えば９両保持時間の比をに３〜３：１（
リーン・リッチ比）の範囲に設定し得る。又、リーンと
リッチとの切換速度についても、一定範囲に設定すると
よい。

例えば、０．９Δλの範囲から外れる高リーン領域又は
高リッチ領域の一の保持時間（第２図。

ｔｍ）を２次式：％式％（）の範囲内にするとよい。

リーン又はリッチ雰囲気は、Ｈ，Ｃｏ。

ＨＣ，Ｏ及びＮ２等の混合ガス、又は燃料（例えばプロ
パン、ブタン）と空気との燃焼ガスによって形成される
。特に、燃焼ガスによるものは、リッチ雰囲気とリーン
雰囲気との間の変更が容易であると共に、コスト上好ま
しい。

又、この雰囲気に晒される酸素センサ素子の検出部表面
を高温（例えば７００〜１３００℃、好ましくは９００
〜１２００℃）に維持するとよい。効率的に安定化処理
を行うことができる。加熱は、上述した雰囲気を形成す
るための燃焼ガスの熱を利用したり、ヒータ付酸素セン
サであればそのヒータを利用して行い得る。ヒータ加熱
の場合、素子検出部以外はほとんど加熱されない。従っ
て、安定化処理時においてリード線やシール材等が劣化
しない。また、別途設けられたヒータないしは加熱炉を
利用してもよい。この場合、酸素センサを主体金具等に
組み付ける前の酸素センサ素子の段階で安定化処理を行
うことができ、又多数の酸素センサを一括処理できる。

従って、より効率的な安定化処理が可能となる。

［実施例］以下１本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第３図は本発明の処理雰囲気制御システムの一実施例を
示したものであり、このシステムは、大略、雰囲気形成
管１．ガス導入手段２．雰囲気制御手段３．及び加熱炉
４からなる。なお、Ａが安定化処理すべき酸素センサ（
ここでは素子）である。

雰囲気形成管１の所定位置に処理台５が配置され、処理
台５上に複数のセンサ素子Ａ・・・が載置されている。

雰囲気形成管１の一端（第３図左側）にはバーナ６が取
付けられており、このバーナ６によってガス導入手段２
から供給される空気及び燃料が燃焼ガスとなる。そして
、この燃焼ガスが管１内に導入されて管１内において所
定のリッチ・リーン雰囲気を形成する。又、処理台５よ
りもバーナ６側にはハニカム状の整流管７が備えられて
おり、センサ素子Ａがより均一な燃焼ガスに晒される。

なお、処理台５が下流側へ向って高く傾斜され、センサ
素子Ａが燃焼ガスに十分に晒されるようになっている。

ガス導入手段２は、コンプレッサ（図示せず）からの空
気を供給する主、副空気供給管８，９゜及びガスボンベ
（図示せず）からの主、副燃料（プロパンガス）供給管
１０．１１を有し、各供給管８、　９．１０．１１がバ
ーナ６へ接続されている。

又、各供給管８．　９．１０．１１には開度調整弁ｇａ
、９ａ、ｌＯａ、ｌｌａが備えられると共に、更に副供
給管９．１１には夫々開閉弁（電磁三方弁）９ｂ、ｌｌ
ｂも備えられている。三方弁である゛ので、バーナ６ヘ
ガスを供給しないときは、停滞ガスを大気へ放出でき、
開となったときその負荷による特性変動を防止できる。

なお、開閉弁９ｂ。

１１ｂはタイマ１２に接続されており、所定時間毎に弁
９ｂ、ｌｌｂが交互に開閉されてリーン会リッチ変換す
ることになる。

雰囲気制御手段３は、コンピュータユニット（ＣＰＵ）
１Ｂを有し、その−側（入力側）は雰囲気形成管１に取
付けられたＡ／Ｆセンサ１４に接続され、その他側（出
力側）は前記各調整弁３ａ。

９　ａ、　１０ａ、　ｌｌａに接続されている。なお、
１５はＡ／Ｆメータである。

加熱炉４は、複数のヒータｔｅと断熱材１７とからなり
、雰囲気形成管１を介してセンサ素子Ａを所定の温度ま
で加熱する。１８は熱雷対であり、この熱電対１Ｂに接
続された温度調節器Ｌ９によってセンサ素子Ａが７００
〜１３００℃に加熱制御される。尚。

雰囲気形成管１と加熱炉４が一体となっているので、コ
ンパクト化に寄与している。

こうした処理雰囲気制御システムについて。

λ、Δλ、ｔ、ｔｍ等の雰囲気条件の設定及びその制御
は１例えば次のように行われる。

（１）雰囲気条件の設定等先ず、開閉弁９ｂ、ｌｌｂをともに閉としたときバーナ
６からの燃焼ガスがλ−１になるように各主供給管８．
ｌＯのガス供給量を設定する。又、開閉弁９ｂを開とし
たときλが１．１００±０．０７の範囲のリーンガスと
なるように副空気供給管９の空気供給量を設定する一方
、開閉弁１１ｂを開としたときλが０．９０±０．０７
の範囲内のりッチガスとなるように副燃料供給管１１の
燃料供給量を設定する。

次に、各供給管８〜１１に空気又は燃料を供給し、バー
ナ６に点火する。そして、タイマ１２により開閉弁９ｂ
、ｌｌｂを交互にオンオフ制御して。

バーナ６からの燃焼ガスを１０秒間に５〜２０回の割合
でリーン９リツチ変換させる。

又、加熱炉４による加熱温度は１０００℃とする。

（２）雰囲気条件の制御上記設定条件でリーン９リツチ変換されている形成管１
内の実際の雰囲気をＡ／Ｆセンサ１４で監視すると共に
、Ａ／Ｆメータ１５で一定時間Ｔ（例えばＴ。−１０秒
）の間λを測定し続ける。これらのλ値はＣＰ［７１３
に入力され、その平均値Ｘを算出する。このＴの目標値
λ。（例えば−１）からのズレに応じて、開度調整弁ｇ
ａ、１０ａに出力し、その開度を調節する。それによっ
て、主供給管８，１０のガス供給量を調節し、Ｔを目標
値λ。

に補正する。この場°合９ｍ整量は実測Ｔのｌ／１００
以内に押え徐々に調整するとよい。ハンチングの発生を
抑制できる。尚、Ｔの制御手順をフローチャートとして
第４図に示す。

更に、Ａ／Ｆセンサ１４に基づくλについての情報に応
じて、ＣＰＵ１３は開度調整弁９ａ、１１ａに出力し、
その開度を調節する。それによって、副供給管９．１１
のガス供給量を調節し、Δλを補正する。又、タイマ１
２によってリーン・リッチ切換周期（ｔ）、前記保持時
間（ｔｍ）を調整する。

こうして所定条件に設定、補正された雰囲気において、
センサ素子Ａ・・・は、２時間安定化処理に供される。

尚２本例にあっては、センサ素子Ａ・・・の存在位置と
Ａ／Ｆセンサ１４の取付位置とが異なるので。

両位置において雰囲気条件も若干具なる。よって、その
差を予め把握しておき、その差を考慮した補正信号をＡ
／ＦセンサＩ４からＣＰＵ１３に出力するとよい。

［試験例］試験例１第１図２第１表に示す雰囲気条件で安定化処理された特
開昭８２−２１７１５２記載の酸素センサ素子を、同出
願記載の酸素センサに組立て、三元触媒システムを装着
した６気筒エンジンで自己フィードバック制御を行い、
その制御空燃比（Ａ／Ｆ）を測定した。又、１０時間耐
久後の制御空燃比（Ａ／Ｆ）も測定し１両者の差（ΔＡ
／Ｆ）を調べた。その結果を第１表に示す。

（以下余白）第　　１表上記表から明らかなように、前記所期の条件で安定化処
理されたものは、ΔＡ　／　Ｆ　Ｏ，０８以下という優
れた自己フィードバック制御を示す。

試験例２雰囲気条件を第２図、第２表に示すように設定して、上
記試験例１と同様に特性変動値（ΔＡ／Ｆ）を調べた。

その結果を第２表に示す。

第　　２　　表各試料について、ｔｍ−〇本請求項（１）の範囲外上記表から明らかなように、同様に優れた自己フィード
バック制御を示す。

［他の実施例］（１）センサ１４はＡ／Ｆセンサでなくてもよい。即ち
、λを直接検知するのではなく、雰囲気のガス成分２例
えばＨＣ，ＣＯ，Ｏ□等を検知したり。

又その特定成分のみを検知してλとの相関を考慮して２
間接的に検知するものであってもよい。

その取付数は複数としてもよい。例えば、検知すべき位
置に２個のセンサ１４．１４’を取付け、一のセンサ１
４によってλの最大値、他のセンサ１４’によってλの
最小値を検知することにより、Ｔ及びΔλを補正する信
号を出力してもよい。

勿論、その取付位置はセンサ素子Ａ・・・直近であ７て
もよい。

（２）ガス導入手段３において、副燃料供給管１１はこ
れを省略してもよい。この場合２例えば主供給管８．■
０のガス供給量をＴが０．９５になるように設定し、副
空気供給管９によって１．０５まで調整し得るようにす
るとよい。

又、副供給管９．１１は、これらをいずれも省略しても
よい。又、開閉弁９ｂ、Ｉｌｂを省略して開度調整弁ｇ
　ａ、　　９　ａ、　１０ａ、　ｌｌａによってり一ン
ーリッチの切換をも行うようにしてもよい。但し、これ
らの態様にあっては、タイムラグを生じて所期の滑かな
λのＳｉｎ曲線特性を得られない場合がある。

（３）タイマ１２は、これをＣＰ　Ｕ　１Ｈに接続し。

Ａ／Ｆセンサ１４からの信号に基づき連動制御してもよ
い。

又、タイマ１２はＣＰ　Ｕ　１３に組込んでもよい。

（４）処理台５は適宜多段とし、又、傾斜状態を変更す
る等、安定化処理すべきセンサ（素子）Ａ・・・が所期
の雰囲気に確実に晒される限り２いかなる態様でもよい
。

（５）試験例では、処理されるセンサ（素子）Ａ・・・
とじて特開昭８２−２１７１５２のチクニア系のものを
使用したが、他の種々の酸素センサに適用可能である。

（８）その他１本発明の要旨を変更しない限りにおいて
、更に種々の他の実施例を包含する。

［発明の効果］以上の如く本発明によれば、酸素センサ（素子）を、内
燃機関の排ガスの疑似雰囲気によって安定化でき、従っ
て空燃比制御の初期特性を極めＣ高水準に維持できる。

又、実際の処理雰囲気が所期の雰囲気条件から外れた場
合であっても、これを自動的に制御してその条件に雰囲
気を復元できるので、一定レベルの安定化処理を確実に
維持できる。従って、酸素センサの品質のバラツキを極
力防止できる。

更に、酸素センサの用途等に応じた雰囲気条件に設定、
制御することも極めて容易である。

【図面の簡単な説明】

第１，２図は試験例１．２の雰囲気条件を示すλの特性
Ｓｌｎ曲線を示す図。第３図は処理雰囲気制御システムの一実施例を示す図、
及び第４図はτの制御手順の一例を示すフローチャート。を表す。Ａ・・・処理すべき酸素センサ（素子）１・・・雰囲気
形成管　　２・・・ガス導入手段第図第２図３・・・雰囲気制御手段４・・・加熱炉

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸素センサの初期特性を安定させる酸素センサの
処理方法であって、センサの晒される雰囲気が、リーン・リッチの交互変換
雰囲気であって、平均空気過剰率（＠λ＠）、空気過剰
率の変化幅（Δλ）及びリーン・リッチの変換周期（ｔ
）について次の条件：＠λ＠＝０．９５〜１．０５ Δλ＝０．０５〜０．５ｔ＝０．５〜３００（ｓ）を満たすことを特徴とする酸素センサの安定化処理方法
。
（２）センサの晒される雰囲気が、０．９Δλの範囲か
ら外れる高リーン領域又は高リッチ領域の一の保持時間
（ｔｍ）について、次の条件：ｔｍ＝０〜１００（ｓ）を満たす請求項１記載の方法。
（３）酸素センサ又は酸素センサ素子を配置し、その周
囲を所定の雰囲気に維持する処理空間、処理空間に雰囲
気形成ガスを導入するガス導入手段、処理空間の雰囲気を検知するセンサ、及びセンサからの信号に応じてガス導入手段によるガスを調
節し、処理空間の雰囲気を制御する雰囲気制御手段、を備えていることを特徴とする処理雰囲気制御システム
。
（４）雰囲気制御手段によって処理空間の雰囲気を請求
項１又は２記載の条件に制御する、請求項３記載の制御
システム。