JPS6142224B2

JPS6142224B2 -

Info

Publication number: JPS6142224B2
Application number: JP52123922A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Saji; Takashi Takeuchi; Rokuji Ookubo
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1977-10-15
Filing date: 1977-10-15
Publication date: 1986-09-19
Also published as: JPS5456891A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、エンジンの理論空燃比における排気
ガス成分に対するO₂センサの出力偏移を評価す
るO₂センサ評価装置に関するものである。

一般に、排気浄化触媒コンバータが設けられた
エンジンは、空燃比が理論空燃比の時に、この排
気浄化触媒コンバータで再燃焼される排気ガスが
完全燃焼され、有害ガスは殆んど排出されないの
で、このようなエンジンは良好な特性を持つもの
として評価され、またこの特性は実際にエンジン
を駆動して特性を記録した場合にも良く一致する
ものである。例えば、第１図はエンジンを一定負
荷で運転した場合の空燃比と排気ガスの関係を示
したもので、実線で示したように、空燃比が理論
空燃比の値14.6（空気過剰率λ＝１に相当）の時
に、無害な炭酸ガス（CO₂）が最高になり、他の
有害なガスおよび酸素量は、化学量論の含有量に
なるので、この排気ガスを排気浄化触媒コンバー
タによつて酸化あるいは還元させれば、その排気
ガスにはCOあるいはNOx等の有害ガスが殆んど
含まれなくなるので、このような特性を持つたエ
ンジンは排気ガス規制法の基準に合格するもので
ある。

この排気ガス浄化システムの空燃比を理論空燃
比に設定制御するための空燃検出器としては、一
般にO₂センサが使われている。このO₂センサ
は、ジルコニヤ酸素濃淡電池の原理を使用したも
ので、その出力起電力は第２図に示したように、
空燃比がリツチの場合に約1vの起電力を発生
し、空燃比がリーンの場合に約0.1vの起電力を発
生し、この空燃比のリツチとリーンの境界点、即
ち理論空燃比に近いある空燃比において急激に変
化する特性を持つている。従つて、エンジンを運
転し、その排気ポートにO₂センサを挿入した場
合に、このO₂センサの出力が急激に変化する空
燃比にエンジンの燃料流量を調節すれば、エンジ
ンの空燃比はO₂センサの起電力の急変する空燃
比に一定に制御することができる。この場合、
O₂センサの出力が理論空燃比、即ちλ＝１で急
変する特性を持つているのであれば、このエンジ
ンは３元触媒を組合わせることにより、第１図の
点線で示したように有害ガスを殆んど発生しない
無公害エンジンとすることができる。

しかしながら、このO₂センサは同一構造のも
のを同一の製造条件で作つても、必ずしも全く同
じ起電力特性を持つものとは限らないので、仮え
エンジンの排気ポートに挿入されたO₂センサの
出力が急変したとしても、このO₂センサの出力
がλ＝１以外で急変するものであれば、エンジン
の排気ガス成分が理論空燃比の状態からずれる
と、化学量論的状態（λ＝１）にならなくなり、
排気ガスを３元触媒で酸化あるいは還元させても
完全処理できず、第１図の点線で示したように
NOx、COの排出量が多くなり、排気ガスに有害
ガスが含まれることになる。

この点を考慮して、従来から行なわれている
O₂センサの特性の評価方法は、実際のエンジン
の排気ポートにO₂センサを挿入し、エンジンの
空燃比とO₂センサの起電力との関係をプロツト
して行なうものであるが、エンジンの空燃比およ
び駆動状態は燃料の供給量の少しの変化で大きく
変動するため、この空燃比を定常的に一定に設定
することができず、従つてこの被試験O₂センサ
の出力急変空燃比が理論空燃比からどの程度ずれ
ているかを正確に把握することができないという
欠点があつた。

本発明は、上記従来の欠点を解消し、O₂セン
サの特性を簡単な装置構成により、精度高く評価
することのできるO₂センサ評価装置を提供する
ことを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明のO₂セン
サ評価装置は、被試験O₂センサを装着したセン
サ室１と、前記センサ室に被試験O₂センサを試
験するためのエンジンの排気ガスを模擬した試験
用ガスを供給する試験用ガス供給装置５，６と、
前記センサ室に装着された被試験O₂センサの出
力とエンジンの理論空燃比における標準O₂セン
サの出力基準電圧とを比較する比較回路１２と、
前記試験用ガス供給装置とセンサ室との間におい
て、その試験用ガス供給装置から供給される試験
用ガスの各成分の少なくとも１つの流量を前記比
較回路の出力によつて変化させることにより試験
用ガスの流量のフイードバツク制御を行ない、セ
ンサ室の被試験O₂センサの特性を反映した試験
用ガス成分の流量を確立する試験用ガス流量制御
装置７〜１０，１４，１５と、前記比較回路の出
力を表示し、その出力の変化から前記被試験O₂
センサの応答特性を評価するための表示装置１３
とを備えたことを特徴とするものである。

本発明における前記試験用ガス供給装置は、一
実施の態様によれば、前記センサ室にエンジンの
理論空燃比の排気ガスの成分またはその一部の成
分にほぼ対応した基準ガスを供給する基準ガス供
給装置５と、酸素を供給する酸素供給装置６から
なる。

また、本発明における前記試験用ガス流量制御
装置は、一実施の態様によれば、前記酸素供給装
置からの酸素の供給、停止を制御してそれらの流
量に脈動を与える電磁弁９，１０と、前記電磁弁
を前記比較回路１２の出力によつて開閉制御する
電磁弁駆動装置１４とを有する。

前記試験用ガス流量制御装置は、他の態様によ
れば、更に前記脈動を与える前の酸素の流量を前
記比較回路の出力に基づき制御することにより、
センサ室へ供給される脈動する酸素流量の平均値
が被試験O₂センサの特性を反映した一定値に落
着くよう制御する酸素流量制御装置７を有する。

また、他の態様では、前記試験用ガス流量制御
装置は、一定成分とそれに重畳された脈動成分と
からなる酸素流量を前記センサ室へ供給するもの
であり、前記酸素流量の一定成分の流量を、前記
比較回路の出力に基づいて変化させることによ
り、前記一定成分と脈動成分からなる酸素流量の
平均値が被試験O₂センサの特性を反映した一定
値に落着くように酸素の流量を設定制御する酸素
流量制御装置７と、その酸素流量制御装置の酸素
流路に並列に接続されその酸素流量制御装置の酸
素流に合流する前記脈動成分の酸素流のための並
列酸素流路と、その並列酸素流路における酸素の
供給、停止を制御して、前記酸素流量制御装置に
よる酸素流に合流する前記脈動成分の酸素流を発
生する電磁弁９，１０と、その電磁弁を前記比較
回路の出力によつて開閉制御する電磁弁駆動装置
１４とを有する。

以上の態様においては、酸素の流量を制御する
ものであつたが、本発明の更に他の態様では、基
準ガスの流量を制御するように構成することがで
きる。即ち、前記試験用ガス流量制御装置が、前
記基準ガスの一部または複数の成分の供給、停止
を制御してそれらの流量に脈動を与える電磁弁
と、前記電磁弁を前記比較回路の出力によつて開
閉制御する電磁弁駆動装置とを有する。

更に本発明の他の具体的態様によれば、前記試
験用ガス流量制御装置は前記比較回路の出力を積
分する積分回路１５を有し、その積分回路の出力
によつて前記酸素流量制御装置の酸素流量あるい
は基準ガス流量の少なくとも一方を変更するよう
に構成される。

以下、図面により本発明の実施例を詳細に説明
する。

第３図は、本発明の一実施例を示したもので、
センサ室１はヒータ２で一定温度に加熱され、被
試験O₂センサ３が装着されている。このセンサ
室１に基準ガス供給装置５からエンジンの理論空
燃比の排気ガス成分と同じ濃度のH₂、CO、
HC、NOx及びこの成分ガスの増量ガスとしての
N₂を加えた基準ガスと、酸素供給装置６から酸
素流量制御装置７を介して、理論空燃比の排気ガ
スに含まれる酸素濃度の平均値よりも少ない濃度
に対応した量の酸素（O₂）が混合され、予熱室４
でエンジンの運転時の排気ガス温度400℃〜600℃
に予熱され、センサ室１に送られる。この酸素流
量制御装置７は積分回路１５の出力によりO₂の
供給量を設定制御する。また酸素供給装置６は流
量計８を介して供給電磁弁９、排出電磁弁１０に
接続され、この供給電磁弁９は酸素流量制御装置
７の出口に接続され、排出電磁弁１０は排出口に
接続されている。

一方、センサ室１に装着された被試験O₂セン
サ３に発生した起電力は、バツフアアンプ１１を
介して比較回路１２に入力される。この比較回路
１２には、基準電圧として空燃比リツチの出力電
圧と空燃比リーンの出力電圧のほぼ中央の電圧が
設定してある。従つて、センサ室１にエンジンの
理論空燃比の状態における排気ガス成分を有する
基準ガスと、理論空燃比の状態における排気ガス
成分に含まれた酸素濃度より少ない酸素が流され
た場合に、被試験センサ３がこのセンサ室１に流
されたガス中の酸素濃度が低いと検出すれば、こ
の被試験センサ３の起電力は基準電圧より高くな
り、またセンサ室１に流されたガス中の酸素濃度
が高いと検出すれば、このO₂センサ３の出力は
基準電圧より低くなる。比較回路１２はO₂セン
サ３の出力起電力が基準電圧より高いときは、正
の一定電圧を出力し、O₂センサ３の出力起電力
が基準電圧より低いときに負の一定電圧を出力す
る。この比較回路１２の出力は電磁弁駆動回路１
４に入力される。この電磁弁駆動回路１４は比較
回路１２の出力が正であれば、O₂センサ３がセ
ンサ室１に送られたガス中の酸素濃度を低いと検
出しているので、供給電磁弁９を開いて酸素供給
装置６から流量計８を介して酸素をλ＝１に相当
する量より多く供給し、また比較回路１２の出力
が負の時は、O₂センサ３はセンサ室１に送られ
るガス中の酸素濃度を高いと検出しているので、
供給電磁弁９を閉じ、排出電磁弁１０を開いて酸
素供給装置６から供給される酸素を放出し、基準
ガスに加える酸素量を減少させ、センサ室１に送
られるガスの酸素濃度に変化を与えるようにして
いる。更に、比較回路１２の出力を積分回路１５
で積分し、この出力を酸素流量制御装置７に加
え、この積分回路１５の出力の増減に応じて、酸
素流量を増減させるようにする。

本実施例は以上のように構成されているので、
例えば酸素流量制御装置７の酸素流量と流量計８
を通る酸素の流量の1/2との合計を基準ガスのλ
＝１に相当する酸素量に設定したとすれば、比較
回路１２の出力が正の時に、即ち被試験O₂セン
サ３の起電力が基準電圧より高い時に、供給電磁
弁９を開いて、酸素を基準ガスのλ＝１に相当す
る酸素濃度より流量計８の流量の1/2だけ酸素を
多く供給し、この酸素の供給量が多くなると、
O₂センサの出力が基準電圧より低くなるので、
比較回路１２の出力は負となり、電磁弁９が閉じ
られ、排出弁１０が開いて酸素を放出し、再び
O₂センサ３の出力が上昇することを繰返すよう
にする。このO₂センサ３の出力をバツフアアン
プ１１の出力側に接続した記録装置１３で記録す
ると、第４図に示した記録が得られる。

即ち、丁度理論空燃比（λ＝１）のときに起電
力が急変する特性を持つている被試験O₂センサ
であれば、第４図イに示したように、この被試験
O₂センサの起電力は基準ガスに混入される酸素
の濃度変化に対応して、基準電圧を中心に上下に
変化し、基準電圧を横切る時間間隔は等しくな
る。従つて、比較回路１２の出力は第５図イに示
したように正負等間隔の波形となり、この平均電
圧は零であるので、比較回路１２の出力を積分回
路１５で積分しても、その出力は時間的に一定で
あり、これによつて酸素流量制御装置７を制御し
ているので、これによる酸素流量は最初の流量か
ら変更を受けないものとなる。

しかしながら、起電力の変化点が第２図に示し
た特性より右側（リーン側）になるような特性を
持つ被試験O₂センサでは、基準ガスにおける酸
素量をλ＝１における酸素量より少ないと検出す
るので、この被試験O₂センサの出力は第４図ロ
に示したように、供給電磁弁９を開いて酸素を多
く供給しても、起電力がすぐに低くならず、また
起電力が基準電圧より低くなつた時に、排出電磁
弁１０を開いて酸素の供給量を少なくするとすぐ
に起電力が上昇するので、記録された波形は上の
山が大きく、下の山が小さい特性になり、これに
応じて比較回路１２の出力は第５図ロに示したよ
うになるので、平均出力は正となる。従つて、こ
の場合に比較回路１２の出力を積分回路１５で積
分すれば、その出力は時間的に増加するものとな
り、これによつて酸素流量制御装置７で流される
酸素流量は増加し、センサ室１には基準ガスのλ
＝１に相当する酸素濃度よりも酸素の濃いガスが
供給され、その結果、被試験O₂センサの起電力
の平均レベルは下方に移動し、最終的には第４図
イと同じ形の起電力波形に落着くものとなる。即
ち、被試験O₂センサがλ＞１の起電力急変特性
を有する場合はこのO₂センサの出力により酸素
流量制御装置７の酸素流量が変更されるので、こ
の変化量は被試験センサのλ＝１からの偏差を表
わし、λ表示装置１６で表示される。また記録装
置１３によつてバツフアアンプ１１の出力を記録
すれば、その波形の周期より被試験O₂センサの
応答の速さが得られる。また起電力の変化点が第
２図に示したO₂センサの特性より左側（リツチ
側）になるような特性をもつた被試験O₂センサ
では、基準ガスにおける酸素量をλ＝１となる酸
素量より多いと検出するので、このような特性の
O₂センサの出力起電力は第４図ハに示したよう
になり、また比較回路の出力は第５図ハの様にな
り、前記被試験O₂センサの特性がλ＞１の場合
と同様に、積分回路１５の出力により酸素流量制
御装置７が制御され、酸素流量が低減され、その
結果、λ＜１の特性を持つた被試験O₂センサの
起電力波形は第４図イに示したものとなり、比較
回路１２の出力は第５図イに示したものとなる。
前記と同様に、酸素流量制御装置７における酸素
流量の減少量は被試験センサの特性を表わしてお
り、λ表示装置１６での指示はλ＝１からの偏差
を表示している。

上記実施例においては、被試験O₂センサの出
力によつて基準ガスに混合する平均酸素量を制御
し、酸素量の基準値からの偏差でO₂センサを評
価するものであるが、これ以外の方法によつても
O₂センサの特性を知ることができる。即ち、λ
＝１の起電力急変特性を持つO₂センサの起電力
波形が、第４図イに示した形になるように酸素流
量制御装置７の酸素流量を一定に設定した場合
は、λ＞１の特性を持つ被試験O₂センサの出力
起電力は第４図ロの波形を示し、またλ＜１の特
性を持つ被試験O₂センサの起電力は第４図ハの
波形を示す。従つて、比較回路１２の出力側に記
録装置１３を設ければ、第５図ロ，ハに示した記
録が得られる。この記録は、被試験O₂センサの
特性がλ＝１から空燃比リーン側に大きくずれて
いればいる程、比較回路１２の出力の平均値は正
の側に大きくなり、また被試験O₂センサの特性
がリツチ側に大きくずれる程、比較回路１２の平
均電圧は負の側に大きくなることにより、この被
試験O₂センサの特性を知ることができる。

以上の実施例では、酸素を一定流量で流し、こ
の酸素の一定流量に更に別系統で酸素を供給、停
止して酸素流量の脈動を得ているが、酸素の流量
を理論空燃比の排気ガス成分に含まれる酸素量よ
りも多い量を流すように設定し、この酸素流量を
供給、停止するようにしても、同様にO₂センサ
の特性を制御することができる。即ち、第６図
は、本発明の他の実施例を示したもので、第３図
と同一符号のものは同一のものを示しているが、
この実施例では、酸素流量制御装置７は理論空燃
比における酸素量より多い量に設定すると共に、
この酸素流量制御装置７の予熱室側に酸素の供給
停止を制御する電磁弁９を設けた点が異なつてい
る。

この実施例の動作も前記実施例と同様であり、
電磁弁９を比較回路１２の出力でオン、オフする
ことにより、酸素の流量が供給、停止されるが、
酸素流量制御装置７を流れる酸素量を理論空燃比
の排気ガス成分に含まれる酸素量より多くしてお
くことにより、被試験O₂センサ３の出力は第４
図、第５図に示したものと同様に指示される。

以上の説明においては、基準ガスとしてエンジ
ンの理論空燃比における排気ガス成分に基づいて
H₂、CO、TC、NOxおよび増量ガスとしてN₂を
混合した基準ガスを用いたが、この基準ガスとし
ては、H₂、CO、HCのそれぞれの単独ガスまた
は複数のガスとN₂との混合ガスを用いることも
可能であり、またO₂センサの起電力の変化波形
を生じさせるために酸素濃度を変化させたが、こ
れはH₂、CO、HCのそれぞれ単独ガスまたは複
数のガスを変化させても同様な作用を与えること
ができる。この基準ガスの成分を変更するには、
理論空燃比における排気ガス成分の一部または複
数成分からなるガスをそれぞれ別の系統で供給す
るようにし、一方のガスを一定流量で供給し、他
方のガス流量を可変するようにしてもよい。ま
た、H₂、CO、HCの単独または複数のガスと酸
素の両方を電磁弁によつて交互に供給、停止し、
両ガスの濃度を変化させるようにしても同様の効
果を得ることができる。また前記実施例では、ガ
ス予熱器４で予熱されてセンサ室に供給している
が、センサ室の被試験O₂センサが低温度に基準
ガスによつて冷されることがなければ予熱器は必
要としない。更に、酸素流量に変化を与える電磁
弁の駆動信号を、0.1Hz〜10Hzの一定周波数の起
電力を発生する信号発生器によつて作成しても、
前記実施例と同様のO₂センサの評価が可能であ
る。但し、この場合は被試験O₂センサの応答速
さ（起電力波形の周期）は知ることができない。

以上説明したように、本発明によれば、エンジ
ンの理論空燃比の排気ガス成分に対応した基準ガ
スに酸素の供給量を変更に、この変更によるO₂
センサの出力起電力がλ＝１の起電力に対するず
れによつて酸素の平均供給量を変更し、記録する
ことによつてO₂センサを評価するものであるか
ら、装置が簡単になると共に、基準ガスと酸素の
共存状態におけるO₂センサの動的な特性を評価
できるようにしたので、精度の高いO₂センサ評
価装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、エンジンの空燃と排気組成の関係を
示した図であり、第２図は、O₂センサの空燃比
起電力特性を示した図であり、第３図は、本発明
の一実施例のブロツク図であり、第４図は、被試
験O₂センサの記録波形図であり、第５図は、比
較回路の出力波形であり、第６図は、本発明の他
の実施例のブロツク図である。１……センサ室、２……ヒータ、３……被試験
O₂センサ、４……予熱室、５……基準ガス供給
装置、６……酸素供給装置、７……酸素流量制御
装置、８……流量計、９，１０……電磁弁、１１
……バツフアアンプ、１２……比較回路、１３…
…記録装置、１４……電磁弁駆動装置、１５……
積分回路、１６……λ表示装置。

Claims

【特許請求の範囲】１被試験O₂センサを装着したセンサ室と、前記センサ室に被試験O₂センサを試験するた
めのエンジンの排気ガスを模擬した試験用ガスを
供給する試験用ガス供給装置と、前記センサ室に装着された被試験O₂センサの
出力とエンジンの理論空燃比における標準O₂セ
ンサの出力基準電圧とを比較する比較回路と、前記試験用ガス供給装置とセンサ室との間にお
いて、その試験用ガス供給装置から供給される試
験用ガスの各成分の少なくとも１つの流量を前記
比較回路の出力によつて変化させることにより試
験用ガスの流量のフイードバツク制御を行ない、
センサ室の被試験O₂センサの特性を反映した試
験用ガス成分の流量を確立する試験用ガス流量制
御装置と、前記比較回路の出力を表示し、その出力の変化
から前記被試験O₂センサの応答特性を評価する
するための表示装置と、を備えたことを特徴とするO₂センサ評価装置。２前記試験用ガス供給装置が、該センサ室にエ
ンジンの理論空燃比の排気ガスの成分またはその
一部の成分にほぼ対応した基準ガスを供給する基
準ガス供給装置と、酸素を供給する酸素供給装置
とからなることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載のO₂センサ評価装置。３前記試験用ガス流量制御装置が、前記酸素供給装置からの酸素の供給、停止を制
御してそれらの流量に脈動を与える電磁弁と、前
記電磁弁を前記比較回路の出力によつて開閉制御
する電磁弁駆動装置とを有することを特徴とする特許請求の範囲第２項
記載のO₂センサ評価装置。４前記試験用ガス流量制御装置が、前記脈動を与える前の酸素の流量を前記比較回
路の出力に基づき制御することにより、センサ室
へ供給される脈動する酸素流量の平均値が被試験
O₂センサの特性を反映した一定値に落着くよう
制御する酸素流量制御装置を有することを特徴と
する特許請求の範囲第３項記載のO₂センサ評価
装置。５前記試験用ガス流量制御装置は、一定成分と
それに重畳された脈動成分とからなる酸素流量を
前記センサ室へ供給するものであり、前記酸素流量の一定成分の流量を、前記比較回
路の出力に基づいて変化させることにより、前記
一定成分と脈動成分からなる酸素流量の平均値が
被試験O₂センサの特性を反映した一定値に落着
くように酸素の流量を設定制御する酸素流量制御
装置と、前記酸素流量制御装置の酸素流路に並列に接続
されその酸素流量制御装置の酸素流に合流する前
記脈動成分の酸素流のための並列酸素流路と、そ
の並列酸素流路における酸素の供給、停止を制御
して、前記酸素流量制御装置による酸素流に合流
する前記脈動成分の酸素流を発生する電磁弁と、
該電磁弁を前記比較回路の出力によつて開閉制御
する電磁弁駆動装置とを有することを特徴とする特許請求の範囲第２項
記載のO₂センサ評価装置。６前記試験用ガス流量制御装置が、前記基準ガ
スの一部または複数の成分の供給、停止を制御し
てそれらの流量に脈動を与える電磁弁と、前記電
磁弁を前記比較回路の出力によつて開閉制御する
電磁弁駆動装置とを有することを特徴とする特許
請求の範囲第２項記載のO₂センサ評価装置。７前記試験用ガス流量制御装置は前記比較回路
の出力を積分する積分回路を有し、その積分回路
の出力によつて前記酸素流量制御装置の酸素流量
あるいは基準ガス流量の少なくとも一方を制御す
るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第
３項、第４項、第５項および第６項のいずれか１
項記載のO₂センサ評価装置。