JPS5832655B2 - 酸素センサの性能評価方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、車両のエンジンから排出される未燃焼炭化水
素、−酸化炭素、窒素酸化物の３戒分を触媒との反応に
より処理できる３ウエイシステムにおいて用いられる酸
素センサの性能を評価するための方法およびその装置に
関するものである。

酸素センサは、酸素イオン伝導性を有する特殊な材料か
ら成る固体電解質を用いて酸素濃淡電池を構威し、被測
定ガス部分と基準ガス部分の酸素分圧の相違により発生
する起電力を測定することにより、被測定部分の酸素濃
度を分析するものである。

この酸素センサを理論空燃比近傍で浄化能が高い３ウエ
イシステムに適用する場合、酸素センサの出力に応じて
、たとえば燃料噴射式エンジン等においては燃料噴射量
を制御することにより、排出ガスの空燃比を精密に制御
して、システム全体として排出ガスの有害成分を効果的
に除去することが可能となる。

この場合、システムに用いられる酸素センサの必要性能
としては、酸素センサの製造時および耐久試験後におい
て性能上のばらつきが少ないこと、理論空燃比近傍にお
いて急峻で十分大きな電圧変化があること、使用温度領
域で十分低い内部抵抗をもつこと、排出ガス空燃比の変
動に対して十分な速度で出力電圧が即応すること、など
が挙げられる。

ところで、この酸素センサの性能を評価する方法として
は、従来、実際のエンジンに装着して性能試験を行なっ
たり、また水素、−酸化炭素、空気などを用いたモデル
ガス雰囲気中で試験を行なうなどの方法が用いられてい
た。

しかしながら、前者の実機装着試験では、条件設定にお
いて不確定要素が多いこと、また、後者のモデルガス試
験では使用するガスの条件によって測定値に大きな差異
を生じ、正確な評価が困難となるという欠点があった。

とくに、内部抵抗の測定は、従来一定周波数、たとえば
ＩＫＨｚで行なわれており、この測定値と他の性能との
相関がないという欠点があった。

本発明は、上記欠点を解消した酸素センサの性能評価方
法およびその装置を提供することを目的とするものであ
り、酸素センサの性能を、その雰囲気と無関係に純電気
的に測定し、正確かつ再現性よく評価判定するものであ
る。

以下に、本発明の方法の一実施例を図に従って説明する
。

まず酸素センサ１を一定温度（３００℃〜８００℃）に
加熱して、加熱状態下にある酸素センサ１のインピーダ
ンスを直流（ＯＨｚ）から２００ＫＨｚまでの範囲で測
定する。

そしてこの周波数範囲内で酸素センサ１の抵抗値とりア
クタンスを求め、横軸に抵抗値をとり縦軸にリアクタン
スをとってプロットすることにより、第３図に示すよう
な２個の半円弧状の曲線を得、リアクタンスの極小値に
対応する抵抗値Ｒを求める。

このＲは酸素センサ１の固体電解質体の固有の抵抗に相
当する。

固体電解質の焼結体を増すためのカオリンの混合割合は
、Ｒの値に大きく影響するが、本方法によればカオリン
の割合を種々変えて測定したＲと、カオリンの割合又は
酸素センサの作動温度との間には、良好な対応関係が得
られ、本方法によって酸素センサの性能を評価すること
ができる。

次に、本発明の装置の一実施例を図に従って説明する。

第１図に示すように、酸素センサ１の起電力発生部１ａ
は酸素センサの雰囲気ガスを調整する装置内にセットさ
れる。

この装置は酸素センサ１をセットした状態で外気と遮断
される酸素センサホルダ２から成り、ホルダ２に設けら
れたガス人口３とガス出口４とによって雰囲気ガスを出
し入れすることにより、酸素センサ１の雰囲気は調整可
能となっている。

酸素センサホルダ２の周囲には、炉５などから成る加熱
手段が設けてあり、酸素センサホルダ２を介して酸素セ
ンサ１を一定温度に加熱可能としである。

酸素センサ１の起電力は、起電力発生部１ａを構成する
固体電解質体とその両側面に設けられた金属電極から成
るが、一方の電極はアース６され、他方の電極を以下の
回路に接続することによって出力を取出すようにしであ
る。

この回路は、酸素センサ１とこれに直列に接続された基
準抵抗７とから成り、この回路の酸素センサ１と反対側
の端部はアース８されて、アース６と８とによって、酸
素センサ１と基準抵抗７との直列回路は閉ループを構成
する。

この回路には、電源９の出力が減衰器１０で減衰されて
微少電圧にして印加しである。

基準抵抗７と減衰器１０の間には、酸素センサ１に起電
力が発生する場合に回路に流れる直流電流による酸素セ
ンサの分極を抑制するためにコンデンサ１１が介装しで
ある。

上記回路には、更に酸素センサ１と基準抵抗７にかかる
電圧を個別に取り出すスイッチ手段１２が接続されてい
る。

この子インチ手段１２は、上記電圧を個別に取り出すこ
とができるものであれば任意のものでよいが、たとえば
第１図に示すように、前記回路側に接続されたｇ１１ｇ
２９ｇ３接点と、後述の測定器側に接続されたｇ４２ｇ
５接点から成る。

この中、ｇ３接点はアース１３されている。

今ｇ１接点とｇ４接点を接続しｇ２接点とｇ５接点を接
続すれば基準抵抗７にかかる電圧が取出され、ｇ４接点
とｇ４接点を接続しｇ３接点とｇ５接点を接続すれば酸
素センサ１にかかる電圧が取り出される。

スイッチ手段１２のｇ４＋ ｇ５接点には測定器１４が
接続されている。

この測定器１４は、電圧の絶対値と位相が測定できるも
のであればよく、たとえば、交流ブリッジ、ロックイン
アンプ、オシロスコープ、Ｘ−Ｙレコーダなどが使用で
きる。

以上は基本的な構成であるが、電源９の周波数の変化に
ともない回路は次の具体的構成をとる。

すなわち、第１図の装置の電気回路は第２図に示す通り
となる。

ただし、図中Ａは電源９に相当する部分であり、Ｂはス
イッチ手段１２と測定器１４の増巾部とを合せた部分に
相当する部分であり、Ｃは測定器１４の測定部分に相当
する部分を示している。

周波数が３Ｈｚから２００ＫＨｚ迄の間の測定において
は、Ａには交流電源９′を用い、Ｂにはスイッチ手段１
２に相当するスイッチ１５と増巾器１６とを用いる。

今スイッチ１５を上げて増巾器１６とｃ、ｄ接点を接続
すると基準抵抗７の電圧が増巾器１６にかかり、増巾さ
れて接点ｆに出て測定部Ｃに送られる。

測定部Ｃにおいては、電圧信号は特定の周波数域の信号
のみを通すアクティブフィルタ１７を通り、ロックイン
アンプ１８に送られて電圧信号の絶対値と位相が直流電
圧に変換されて出力される。

また圧力電圧は直流電圧計１９によって測定される。

周波数が３Ｈｚ以下の領域では、電源Ａには交流電源９
′を用い、Ｂにはスイッチ手段１２として固定回路を用
い、ｃ、ｄ接点とｄ ＋ ｅ接点を別々の増巾器２０．
２０’に接続し、その出力端ｆ 、 ｆ’に基準抵抗７
と酸素センサ１の電圧信号の増巾信号を取り出す。

測定部ＣにはＸ−Ｙレコーダ２１を用いる。

周波数が直流では、電源９には直流電源９“を用い、Ｂ
には３Ｈ２〜２００ＫＨ２のＢと同構成のものを用い、
Ｃには、位相のずれがないので電圧の比較だけでよいた
め、直流電圧計１９を用いる。

上記の構成を有する酸素センサの性能評価装置を用いて
、電源の周波数を０Ｈｚ（直流）から２００ＫＨｚ迄変
化させて、酸素センサ１の抵抗値とりアクタンスを測定
する試験を行なった。

使用した酸素センサ１は、固体電解質焼結体としてＺｒ
Ｏ２と１０ｍｏ１％の￥２０３および第１表に示した割
合のカオリンを混合し、ガス炉中１７００℃、１時間熱
処理して焼結したものを用い、その内外両表面に約１．
０μｍの白金電極を形成したものを用いた。

酸素センサ１を酸素センサホルダ２に装着し、炉で一定
温度５００℃に加熱した。

基準抵抗７は酸素センサ１と同程度の抵抗値をもつもの
を選び、酸素センサ１に印加される電圧を１０ミリボル
ト程度にした。

測定においては、基準抵抗７と酸素センサ１に印加され
る電圧信号を測定し、両者の測定値を比較することによ
って酸素センサ１の抵抗値およびリアクタンスを求めた
。

上記の条件で測定して得た酸素センサ１の抵抗値を横軸
にとり、リアクタンスを縦軸にとって図示し、第３図に
示す２個の半円弧状から成る曲線を得た。

そしてリアクタンスの極小値に対応する抵抗値Ｒを求め
た。

第１表に示したＡ、Ｂ、Ｃ。Ｄ、Ｂの各供試料に対して
上記の試験を行ない、各試料に対して夫々のＲ値を求め
た。

この結果より、各試料Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅの抵抗値Ｒと
カオリンの割合をグラフに示すと第４図のようになる。

Ｒの値は固体電解質の部分の抵抗に対応するが、固体電
解質の焼結助剤として用いられるカオリンの割合は、固
体電解質の抵抗特性、すなわち酸素センサの抵抗特性に
大きな影響を与える。

図から明きらかなようにカオリンの割合と抵抗値Ｒとの
間には良好な対応関係があることが分かり、抵抗値Ｒを
測定することによって固体電解質の原料を評価すること
ができる。

次に酸素センサ１を酸素センサホルダ２に装着し、混合
ガス人口３から１容量係のＮ２を含むＮ２ガスを流速２
０００ＴＬｌ／ ｍｉ ｎで起電力発生部１ａに供給し
、炉５を用いて１０ ’Ｃ／ ｍ ｉ ｎの速度で酸素
センサ１を加熱した。

酸素センサ１に直流電圧計１９を接続して酸素センサ１
の起電力を読みとり、それが０．５ボルトになる温度を
酸素センサ１の作動温度とした。

試験結果として、各酸素センサＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅの作
動温度と前記の抵抗値Ｒの関係を、第５図に示した。

また、比較例として５００℃に加熱した酸素センサ１に
市販の交流ブリッジを接続し、ｌＫＨ２での酸素センサ
１の抵抗値を求めた。

各酸素センサＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｂの作動温度と測定値と
の関係を第５図に比較のために示した。

第５図から明きらかなように、比較例においては抵抗値
Ｒと作動温度との間に何の相関も見られないのに対し、
本発明の実施例による抵抗値Ｒと作動温度との間には良
好な相関が認められる。

これによって本発明の方法によって、抵抗値Ｒを測定す
ることによって酸素センサ１の作動温度を評価できるこ
とが分かる。

したがって、本発明に係る酸素センサの性能評価方法お
よびその装置によるときは、酸素センサのインピーダン
ス、固体電解質の原料、酸素センサの作動温度を高精度
に評価できる。

また本発明は純電気的な測定方法および装置であるから
、正確かつ再現性よく酸素センサの性能を評価判定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いる装置及び電気回路の系統図、
第２図は、第１図のモデル電気回路図、第３図は酸素セ
ンサの抵抗とりアクタンスとの関係を示す抵抗特性図、
第４図は酸素センサの固体電解質中のカオリンと酸素セ
ンサの抵抗値との関係図、第５図は酸素センサの作動温
度と酸素センサの抵抗値との関係図、である。 図中の記号の意味は次の通りである。 １・・・・・・酸素センサ、２・・・・・・酸素センサ
ホルダ、５・・・・・・炉、７・・・・・・基準抵抗、
９・・・・・・電源、１０・・・・・・減衰器、１１・
・・・・・コンデンサ、１２・・・・・・スイッチ手段
、１４・・・・・・測定器、Ｒ・・・・・・抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素イオン伝導性を有する特殊な材料から成る固体
   電解質を用いて酸素濃淡電池を構成し、被測定ガス部分
   と基準ガス部分の酸素分圧の相違により発生する起電力
   を測定することにより、被測定部分の酸素濃度が分析さ
   れる酸素センサを、加熱し、加熱状態にある酸素センサ
   のインピーダンスの直流すなわちＯＨｚから２００ Ｋ
   Ｈｚまでの範囲で測定し、前記周波数範囲内でリアクタ
   ンスの極小値に対応する抵抗値を求めることにより酸素
   センサの固体電解質のインピーダンスを評価することを
   特徴とする酸素センサの性能評価方法。 ２ 酸素イオン伝導性を有する特殊な材料から成る固体
   電解質を用いて酸素濃淡電池を構成し、被測定ガス部分
   と基準ガス部分の酸素分圧の相違により発生する起電力
   を測定することにより、被測定部分の酸素濃度が分析さ
   れる酸素センサの雰囲気ガスを調整する装置と、前記酸
   素センサを一定温度に加熱する加熱手段と、前記酸素セ
   ンサに直列に接続された基準抵抗と、前記酸素センサと
   基準抵抗で構成された回路にＯヘルツから２００キロヘ
   ルツまで変化する電圧を印加するための電源と、該電源
   の出力電圧を微少電圧にして前記回路に印加する減衰器
   と、前記回路に接続され前記酸素センサと基準抵抗とに
   かかる電圧を個別に取り出すスイッチ手段と、該スイッ
   チ手段に接続され前記酸素センサ及び基準抵抗にかかる
   電圧の大きさ及び位相を測定する測定手段とから成る酸
   素センサ性能評価装置。