JPH085602A - 触媒の診断方法及びその方法に用いる酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】基準酸素ガスとして大気中の酸素ガスを用い
ず、大気導入孔を持たない簡単な構造で空燃比が検出で
きる酸素ガスセンサを用いて触媒劣化の診断と触媒温度
の警告信号を出すことのできる触媒診断用センサを提供
すること。 【構成】ジルコニア固体電解質板の両側面に陽，陰電極
をそれぞれ形成し陽極側の端部には電極を形成せず他の
セラミック板を接合し対向する陽電極との間には微小隙
間を設けて基準酸素ガスは排気ガス中の酸素ガスを汲み
込み用いることを特徴とする酸素センサを触媒診断用と
して用いる構成である。 【効果】本発明によれば触媒診断用のセンサとして大気
導入孔のない小形，安価な酸素センサが提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は触媒の診断方法及びその
方法に用いる酸素センサに関し、特に内燃機関の排ガス
浄化のための触媒を用いた浄化装置に適用される触媒の
活性度を診断するために改良された診断方法及び診断に
有効に寄与出来る酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の自動車の内燃機関の排ガス浄化の
ために用いられる触媒コンバータによる触媒の診断に
は、例えば特開平3−293544 号公報に示されるように酸
素センサはジルコニア固体電解質の構造が袋管状であ
り、袋管状セルの内側電極に大気中の酸素ガスが基準ガ
スとして導かれる構造であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の触媒コンバータ
に使用されていた酸素センサは、排気ガス濃度を測定す
るための基準ガスとして大気中の酸素を必要としてお
り、ジルコニア固体電解質の隔壁の一方の面に大気を導
入するための基準ガス導入通路が必要であった。この基
準ガス導入通路はセンサの構造を複雑にするばかりでな
く体積を大きくしセンサの排気ガス検出部である高価な
ジルコニア固体電解質の構造を例えば袋管形の如く製作
しにくい構造とし、その体積を大きくせざるを得なかっ
た。

【０００４】また、大気導入通路は途中で孔詰りになら
ないようにある程度広い空間が必要でありかつ、排気ガ
スが回り込みにくく、路面からはね上がった泥や水が容
易に入り込まない位置に開口する必要があった。

【０００５】そのために、排気ガス管へのセンサの取付
け場所は場合によっては水没する可能性があり大気導入
孔はセンサ本体内で開口できない場合があり、センサ本
体に大気導入チューブをつなぎ足して適宜延長した位置
で開口する必要があった。このような大気導入構造はセ
ンサの部品点数を多くすることになった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】検出部としては両側面に
電極を有するジルコニア固体電解質の一方の面(陽極)に
はセラミックの板を張り合わせ、但し張り合わせ部には
電極を形成しない。また、電極形成部とセラミック板と
の間は適宜な微小隙間を形成しておく。他方の面（陰
極）には、マグネシアスピネルなどからなる保護膜また
はガスの拡散膜を形成する。

【０００７】センサとしての基準ガスは大気中の酸素ガ
スを用いないため大気導入孔を形成する必要はない。ジ
ルコニア固体電解質はその適宜な長さで本体支持部に接
着などの手段で固定される。

【０００８】

【作用】検出部を排気ガス中に浸漬し、ジルコニア固体
電解質に形成された陽，陰極に電圧を印加すると排気ガ
ス中の酸素は陰極側電極近傍で酸素イオンとなって陽極
側に移送され、陽極側近傍はやがて酸素ガスが充満し、
一定量に達すると酸素ガスは電極とセラミック板との微
小隙間から漏洩し排気ガス中へ戻され、陽電極付近に
は、常時一定の酸素ガス量が確保でき、大気中の酸素を
用いることなく基準の酸素を導入することができる。従
って、導入された酸素ガス基準で起電力を測定し、排気
ガス中の空燃比をリッチ，リーンとして判定することは
容易である。

【０００９】次に、広域空燃比センサとして適用する場
合には陰極側電極の上に保護膜の替りに拡散膜を形成
し、陽極側から陰極側に電流を流し基準の酸素ガスを確
保することは前述に同様である。リーン領域での空燃比
の検出は陽極側から陰極側に電流を流すのであるが、こ
の時排気ガス中の酸素ガスがイオン化されてジルコニア
電解質を流れる、陰電極の近傍に達するガス量はガス拡
散膜によって律速されて常に一定量のガスしか通り得
ず、通り得た排気ガス中の酸素ガスのみがイオン化して
ジルコニア固体電解質中を流れるので排気ガス中の空燃
比に対応した出力飽和電流を得ることができる。リッチ
領域においては予め基準酸素として陽電極側に蓄えられ
た酸素ガスを用いる。即ち、電圧は陰極側にプラス、陽
極側にマイナスを印加して陰極側から陽極側に電流を流
すと基準酸素ガスはイオンとなって陽極側から陰極側へ
移動する。酸素ガスの移動量は、陰極側において排気ガ
ス側から拡散膜を通って来る排気ガスの拡散律速特性に
よって定まり、一定の量が決まる。即ち、この一定量の
排気ガスの中に含まれるＨＣ，ＣＯ等の未燃成分の濃淡
がジルコニア固体電解質を流れる酸素イオンの量を決定
する。従って、各排気ガス濃度に対応してジルコニア固
体電解質に流れる電流の飽和値が排気ガスの空燃比に対
応した値として検出できる。このような原理に基づき空
燃比の検出が可能であるが基準の酸素ガスを常に検出精
度に影響を及ぼさない程度に維持するために基準酸素ガ
スを作るための時間と空燃比を検出するための時間帯を
マイクロコンピュータを用いてタイムシュアリングで時
分割制御することにより空燃比センサとして高精度を維
持することができる。

【００１０】また、触媒コンバータ後に取り付けられる
空燃比センサはセンサに強制的に流す電流と印加電圧の
関係よりマイクロコンピュータがジルコニア固体電解質
の内部抵抗を算定できるため、予め、求めておいたセン
サの検出部の周囲温度とジルコニア固体電解質の内部抵
抗の関係を用いて触媒内の温度を推定でき触媒の温度セ
ンサとしても機能することができる。即ち、従来触媒の
劣化検出と触媒の加熱危険温度の警報のためのセンサは
別々の物であったが一つのセンサで目的を達成すること
ができることになった。従って、大気導入孔を用いるこ
となくコンパクトな空燃比センサを用いて自動車の触媒
の診断と触媒の加熱警報が可能になった。

【００１１】

【実施例】ジルコニア固体電解質の板１の両側面には陽
極２，陰極３のそれぞれ電極が多孔質な白金膜などによ
り形成する。ジルコニア固体電解質の陽極側の端部は電
極は形成せず他のセラミック、例えばセラミックの板４
が張り合わせている。陽電極とジルコニアの板の間は微
小隙間５（図示せず）が形成されている。これは電極の
厚みが大きく多孔質にできれば特に設けなくても良い場
合もある。陰極側の電極上にはマグネシアスピネルなど
からなる保護膜６が形成される。なお、広域空燃比セン
サの場合には拡散膜７として着膜される。

【００１２】陰陽各電極には、電圧印加、又は信号引出
のためのリード線８，８′またはリード線９，９′が固
定されている。

【００１３】このセンサのジルコニア固体電解質は一端
が延長されて排気管に固定するための螺子を有する栓体
（図示せず）の孔に例えば接着固定され他の部品と組み
合わされて酸素センサ、あるいは、広域空燃比センサと
なる。

【００１４】これらの酸素センサ、又は空燃比センサは
自動車の触媒コンバータ２０の前後にそれぞれ一個ずつ
酸素センサ１０，１１と固定され、それぞれの排気ガス
中の空燃比を検出しその信号をマイクロコンピュータ１
２に入力し、他の入力信号１３などと共に例えば演算処
理されて警告信号１４又はエンジン制御信号１５として
各アクチュエータに指令信号を送り自動車の運転動作を
円滑ならしめ、かつ安全確保するのである。酸素センサ
としてその起電力を検出し、触媒の診断を行う場合、図
３に示すようにセンサの時分割制御は先ず、基準の酸素
となる酸素ガスを排気ガス中から汲みだす。この時排気
ガス中の酸素ガスの濃度差によって基準酸素ガスが陽極
側に溜り、やがて余剰酸素ガスが電極端部から排気ガス
中に放出されて陽極側の酸素ガス量が飽和するまでの時
間は図４の如く変化するが予め最も長い時間を決めてお
けば良い。電極部の大きさで左右されるがこの時間は数
十〜数百μｓの範囲で設定が可能である。

【００１５】次の時間で酸素センサは起電力を測定す
る。この動作をマイクロコンピュータが触媒コンバータ
の前後のそれぞれのセンサについて行うことにより図３
の(ｂ)〜（ｅ）のような出力信号を得ることができる。
即ち（ｂ）と（ｃ）の場合は触媒が未だ新しい時の信号
であり、触媒前と触媒後の信号レベルに大きな差が生じ
て触媒の働きが活性であることが分かる。しかし、触媒
が劣化してしまった後の信号は（ｄ）と（ｅ）の如く触
媒前後の信号の差は殆どなくなってしまうことから触媒
の極度の劣化を判別でき、触媒の活性度の診断が可能で
ある。

【００１６】広域空燃比センサとして用いる場合には陰
極電極上に形成された拡散膜が有効である。即ち、酸素
センサとしての動作と同様先ず、基準の酸素ガスを蓄
え、例えば次に起電力を測定する、そして次にリーンで
は両極間に電圧を印加し、排気ガス中の酸素が陰電極近
傍でイオン化して陰極側から陽極側に移送される時、ジ
ルコニア固体電解質に流れる飽和電流を検出することに
より空燃比が検出できることになる。また、リッチで
は、陽極にはマイナス，陰極にはプラスを印加して、基
準酸素ガスが陽電極近傍でイオン化されて陽極側から陰
極側に移送される時、ジルコニア電解質に流れる飽和電
流を検出することにより空燃比が検出できることにな
る。

【００１７】なお、触媒後の酸素センサまたは広域空燃
比センサが、酸素ガスをイオン化して移送する時に印加
する電圧と電流を検出してジルコニア固体電解質の内部
抵抗をマイクロコンピュータにより算出し、予め求めら
れているセンサ検出部温度とセンサの内部抵抗との関係
から触媒の温度を推定することによって危険温度以上で
の触媒異常加熱の警報を出すことが可能である。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、 １）大気導入孔が不要でありジルコニア固体電解質の体
積を小さくでき、低価格で触媒診断用の酸素センサを製
作できる。

【００１９】２）大気を導入するための部品が不要であ
り、酸素センサの構造が簡単になり、小形，軽量（凡そ
５０％以上の軽減）化が可能となり、安価にできる。

【００２０】３）一つのセンサで空燃比と温度の検出が
可能である。

【００２１】４）一つのセンサで起電力と広域空燃比と
温度の検出が可能である。

【００２２】本発明によれば触媒診断用のセンサとして
大気導入孔のない小形，安価な酸素センサが提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】触媒コンバータへの酸素センサの取付け説明図
である。

【図２】ジルコニア固体電解質を用いた酸素センサの検
出部の断面構造図である。

【図３】（ａ）酸素センサを時分割で動作させるための
動作タイミング説明図、（ｂ),（ｃ）触媒前後の信号の
比較説明図（新触媒）、（ｄ)，(ｅ）触媒前後の信号の
比較説明図（古触媒）である。

【図４】基準酸素ガスの飽和に達するまでの時間を表す
説明図である。

【図５】広域空燃比センサの場合の時分割動作の動作タ
イミングの説明図である。

【符号の説明】

１…ジルコニア固体電解質の板、２…陽電極、３…陰電
極、４…セラミックの板、５…微小隙間、６…保護膜、
７…拡散膜、８，８′，９，９′…リード線、１０，１
１…酸素センサ、１２…マイクロコンピュータ、１３…
他の入力信号、１４…警告信号、１５…エンジン制御信
号。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ジルコニア固体電解質の隔壁の両側面に電
   極を有し、陰電極は自動車の排気ガスに曝し、陽電極は
   一端をジルコニア固体電解質に固定されたセラミック板
   との間に微小隙間を形成し、排気ガス中の酸素ガスを陰
   電極側から陽電極側に移送し陽電極周辺の微小空間に所
   定の基準酸素ガス濃度を維持し、前記、基準酸素ガスを
   基準に排気ガス中の空燃比を検出できる酸素センサを自
   動車の触媒コンバータの前と後に配置して触媒の診断を
   行うことのできることを特徴とする触媒の診断方法。
2. 【請求項２】請求項１において、排気ガス側から基準酸
   素ガス側への酸素ガスの移送と排気ガス中の空燃比の測
   定はマイクロコンピュータを用いた電子回路により時分
   割で行うことができることを特徴とする触媒の診断方
   法。
3. 【請求項３】ジルコニア固体電解質の隔壁の両側面に電
   極を有し、陰電極を自動車の排気ガスに曝し、陽電極は
   一端をジルコニア固体電解質に固定されたセラミック板
   との間に微小隙間を形成し、排気ガス中の酸素ガスを陰
   電極側から陽電極側に移送し、電極周辺の微小空間に所
   定の基準酸素ガス濃度を維持し、前記、基準酸素ガスを
   基準に排気ガス中の空燃比を検出できることを特徴とす
   る触媒の診断方法に用いる酸素センサ。
4. 【請求項４】請求項１において、排気ガス側から基準酸
   素ガス側への酸素ガスの移送の際にジルコニア固体電解
   質に強制的に流す電流の大きさと印加電圧の関係から求
   められる前記ジルコニア固体電解質の内部抵抗を求め予
   め求めておいた内部抵抗と温度の関係から触媒の温度を
   測定し加熱警報ができることを特徴とする触媒の診断方
   法。
5. 【請求項５】請求項１において、排気ガス側電極の表面
   にはガスの拡散律速膜を形成し、排気ガスから基準酸素
   側へ酸素を移送し、前記基準酸素ガスを基準に排気ガス
   中の空燃比の濃淡を起電力を測定することによって測定
   し、更にジルコニア固体電解質に強制的に電流を流し拡
   散膜のガスの拡散律速特性を基にガスの流れが一定値で
   飽和することから排気ガス中の空気過剰率を測定できる
   ことを特徴とする酸素センサを用いた触媒の診断方法。