JPH01458A - 内燃機関用酸素センサ - 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〉 本発明は内燃機関用酸素センサに関し、特に内燃機関の
排気管に装着して該機関に供給される混合気の空燃比と
密接な関係にある排気中の酸素濃度を測定し、空燃比フ
ィードバック制御におけるフィードバック信号の提供に
用いる酸素センサに関するものである。

〈従来の技術〉 従来、この種の酸素センサとしては、例えば、７１ＩＪ
９図に示すようなセンサ部構造を有したものがある（特
開昭５８−２０４３６５号公報、実開昭５９−３１０５
４号公報等参照）。

即ち、先端部を閉塞した酸化ジルコニウム（ＺｒＯｔ）
を主成分とするセラミック管（セラミンク基材）１の内
表面と外表面の各一部に白金（ｐｔ）ペーストを塗布し
た後、セラミック管ｌを焼成することで、起電力取り出
し用の電極２．３を形成しである。セラミック管ｌの外
表面には、更に白金を蒸着して白金触媒層４を形成し、
その上からマグネシウムスピネル等の酸化金属を溶射し
て、白金触媒Ｎ４を保護するための保護層６を形成しで
ある。

かかる構成におい゛て、セラミック管１の内側空洞に基
準気体として大気が導かれるようにする一方、セラミッ
ク管ｌの外側を機関排気通路に臨ませて機関排気と接触
させ、内表面に接触する大気中の酸素濃度と外表面に接
触する排気中の酸素濃度との比に応じた電圧を電極２，
３間に発生させることにより、排気中の酸素濃度を検出
するものである。

尚、白金触媒層４は、−酸化炭素ＣＯや炭化水素ＨＣと
酸素Ｏ１とのＣＯ士ｙ２０　ｚ→ＣＯ□、ＨＣ＋０□→
Ｈ２ｏ＋ｃｏｚなる酸化反応を促進し、濃混合気で燃焼
させたときにその部分に残存する低濃度の０２をＣＯや
ＨＣと良好に反応させてＯ７濃度をゼロ近くにし、セラ
ミック管１内外の０□濃度比を大きくして、大きな起電
力を発生させる。

一方、希薄混合気で燃焼させたときには、排気中に高濃
度の０２と低濃度のＣｏ、ＨＣがあるため、Ｃｏ、ＨＣ
と０□とが反応してもまだ０２があまり、セラミック管
１内外の０□濃度比は小さく殆ど電圧は発生しない。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、前記従来の酸素センサでは、上記のように白
金触媒層４によって一酸化炭素ＣＯや炭化水素ＨＣの酸
化反応は促進されるが、白金触媒層４が窒素酸化物Ｎ　
Ｏｘの還元反応にあまり効果がないため、窒素酸化物Ｎ
ＯＸの濃度とは無関係に排気中の酸素濃度を検出するも
のであって、ＮＯｘ対策に何ら寄与するものではなかっ
た。

このため、従来は機関排気の一部を吸気中に還流して燃
焼温度を低下させることにより窒素酸化物ＮＯＫ低減を
図るといういわゆる排気還流（ＥＧＲ）制御を行ってい
る。かかるＥＧＲ１ＩＪ？Ｄシステムにあっては、ＥＧ
Ｒ通路や、それに介装されるＥ　Ｇ　Ｒｆｒｉｌ！御弁
等を要するため構成が複雑となってコスト高につき、４
排気導入による燃焼効率の低下も大きく燃費を太き（悪
化させる要因となっていた。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、酸素セ
ンサ構造を改良して排気中の窒素酸化物ＮＯつ濃度に応
じて特性を変化させる構成とし、窒素酸化′＃ｊＮＯｘ
対策に寄与できる内燃機関用酸素センサを提供すること
を目的とする。

〈問題点を解決するための手段〉 そのため本発明では、セラミック基材の内外表面の各一
部に電極を形成すると共に、外表面に白金触媒層を形成
し、大気に接触させた内表面側の電極と、機関排気に接
触させた外表面側の電極との間に発生する起電力により
機関排気の酸素濃度を検出するようにした内燃機関用酸
素センサにおいて、窒素酸化物の還元反応を促進させる
窒素酸化物還元触媒層を前記白金触媒層の外表面に設け
るようにした。

く作用〉 かかる内燃機関用酸素センサによると、白金触媒層の外
表面に設けられる窒素酸化物還元触媒層によって窒素酸
化物ＮＯｘの還元反応が促進されるため、この還元反応
によってセラミック基材外表面側の酸素濃度が変化する
。即ち、従来排気中の未燃成分Ｃｏ、ＨＣの酸化反応に
消費された酸素０□の他に窒素酸化物ＮＯ１の還元によ
って酸素０２が得られるため、相対的に大気側０□濃度
と排気側０□濃度との濃度差が減少して酸素センサの起
電力が低下し、リーン検出がなされるようになる。

従って、窒素酸化物ＮＯＸ濃度が高いほど、よりリッチ
側でリーン検出がなされるようになり、この酸素センサ
の検出結果に基づいて空燃比フィードバック制御を行う
と空燃比がリッチ側に制御されることになり、これによ
り窒素酸化物ＮＯ８低減を図れる。

〈実施例〉 以下に本発明の実施例を凹面に基づいて説明する。

本発明にかかるセンサ部構造を有した酸素センサの一実
施例を示す第１回において、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ
りを主成分とする閉塞先端部を有するセラミック基材と
してのセラミック管Ｉの内表面及び外表面の一部に、そ
れぞれ白金からなる内側電極２及び外側電極３を形成し
てあり、更に、セラミック管１の外表面には、白金を葎
着して白金触媒層４を形成しである。

前記白金触媒層４の外表面に、酸化チタンＴｉＯ□や酸
化ランタンＬａ、０．等を担体とし、ロジウムＲｈやル
テニウムＲｕ等の窒素酸化物ＮＯｘの還元反応を促進さ
せる触媒の粒子をこの担体に混在（例えば１％〜１０％
）させてＮ　Ｏｘ還元触媒層５（例えば膜厚０．１〜５
μｍ）を形成しである。

そして、このＮｏや還元触媒層５の外表面にマグネシウ
ムスピネル等の酸化金属を溶射して、前記白金触媒層４
及びＮＯｘ還元触媒層５を保護する保護層６を形成しで
ある。

尚、前記ロジウムＲｈやルテニウムＲｕは、窒素酸化物
Ｎ　Ｏｘの還元触媒として一般に知られているものであ
り、その担体として酸化チタンＴｉＯ□や酸化ランタン
Ｌａ、Ｏ，を用いることによりγ−アルミナ等を用いた
場合に比べてＮ　ＯＸ還元反応が極めて効率良く行われ
ることが実験により確かめられている。また、第１図に
示す酸素センサでは、ＮＯｘ還元触媒層５の外表面に保
護層６を形成しであるが、第２図に示すように白金触媒
層４とＮＯｘ還元触媒層５との間に保護層６を設けるよ
うにしても良い。

かかる構成によれば、排気中に含まれる窒素酸化物Ｎｏ
、がＮ０１１還元触媒層５に達すると、ＮＯｘ還元触媒
層５はＮＯＸと排気中の未燃成分であるＣＯ，ＨＣとの
次式に示す反応を促進させる。

ＮｏＸ＋ＣＯ→Ｎ２　＋ＣＯ□ Ｎｏ、＋ＨＣ→Ｎ　ｚ　＋　Ｈｔ　Ｏ＋　ＣＯｚこの結
果、Ｎｏや還元触媒層５より内側にある白金触媒層４に
達した０、と反応する未燃成分ＣＯ，ＨＣが前記ＮＯｘ
還元触媒層５における反応によって減少しているため、
その分０□濃度が増大することなる。

従って、大気と接触するセラミンク管１内側の０□濃度
と排気側の０２濃度との濃度差が減少し、第３図に示す
ように理論空燃比（λ−１）よりもリッチ側で酸素セン
サの起電力がスライスレ〜・ル以下に低下し、リーン検
出がなされることとなる。

排気中のＮｏＸＦａ度が高いほどＮＯｘと反応する未燃
成分Ｃｏ、ＨＣの濃度は増大し、０□との反応が減少す
るため、よりリッチ側でリーン検出がなされる。

このため、この酸素センサの検出結果（吸入混合気のリ
ッチ・リーン判定）に基づいて空燃比フィードバック制
御を行うと、空燃比はＮｏＸｆＡ度が高いほどリッチ側
に制御されることとなる。第４図に示すようにＮＯｘ排
出量は、空燃比が理論空燃比よりもリッチ化すると減少
する傾向にあるため、上記空燃比制御によりＮｏ、排出
量の増加を抑止できるのである。

尚、ＮＯｘ還元触媒層５は未燃成分Ｃｏ、ＨＣとＯｌと
の反応を促進する機能も併せもっているのであるが、こ
れは、白金触媒層４の機能を代用しているだけであるか
ら、これによって排気側の０□濃度が減少することには
ならない。

また、第５図に示すように、ＮＯｘ還元触媒層５の外表
面に更に白金触媒層４°　（γ−アルミナ等の担体に白
金粒子を混在させたものでも良い）を設け、この白金触
媒層４″で未燃成分Ｃｏ、ｉ（Ｃを０２と反応させた後
にＮ　ＯＸを還元して、ＮＯＸの還元（Ｎｏ、→Ｎｚ　
＋Ｏｚ　）により０２濃度を増大させるようにしても良
い。即ち、第１図及び第２図に示したセンサ部構造では
、従来白金触媒層４で排気中の酸素０□と反応するＣＯ
，ＨＣをその外側のＮ　ＯＸ還元触媒層５で反応させる
ことにより、セラミック管１外表面側の酸素０２濃度を
増大させるものであるが、第５図に示すものでは、白金
触媒層４″で排気中の０２とＣ０１ＨＣとを反応させる
ことにより、ＮＯｘの還元によって得られるＯｔがＣｏ
、ＨＣと反応することがないようにしてセラミック管１
外表面側の酸素Ｑ２２度を増大させるものである。

次に上記に説明した窒素酸化物ＮｏＸ１度に応じて特性
が変化する酸素センサを用いた内燃機関の空燃比制御装
置の一例を説明する。

第６図において、機関１１の吸気通路１２には、吸入空
気流量Ｑを検出するエアフローメータ１３及びアクセル
ペダルと連動して吸入空気流量Ｑを制御する絞り弁１４
が設けられ、下流のマニホールド部には気筒毎に電磁式
の燃料噴射弁１５が設けられる。

燃料噴射弁１５は、マイクロコンピュータを内蔵したコ
ントロールユニット１６からの噴射パルス信号によって
開弁駆動し、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレ
ッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を
噴射供給する。更に、機関１１の冷却ジャケット内の冷
却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１７が設けられると
共に、排気通路１８内の排気酸素濃度を検出することに
よって吸入混合気の空燃比を検出する酸素センサ１９（
センサ部構造は第１〜２図参照）が設けられ、更に、下
流側に排気中のＣｏ、ＨＣの酸化とＮＯｘの還元を行っ
て浄化する三元触媒２０が設けられる。また、図示しな
いディストリビュータには、クランク角センサ２１が内
蔵されており、該クランク角センサ２１から機関回転と
同期して出力されるクランク単位角度信号を一定時間カ
ウントして、又は、クランク基準角度信号の周期を計測
して機関回転数Ｎが検出される。

次に、コントロールユニット１６による燃料噴射量演算
ルーチンを第７図に示したフローチャートに従って説明
する。

ステップ（図ではＳと記す）■では、エアフローメータ
１３によって検出された吸入空気流ｆｆ１Ｑとクランク
角センサ２１からの信号によって算出した機関回転数Ｎ
とに基づき、単位回転当たりの吸入空気流ＩＱに相当す
る基本燃料噴射ｍＴｐを次式により算出する。

Ｔｐ＝ＫＸＱ／Ｎ　　　（Ｋは定数） ステップ２では、水温センサ１７によって検出された冷
却水温度Ｔｗ等に基づいて各種補正係数Ｃ０ＥＦを設定
する。

ステップ３では、酸素センサ１９からの信号に基づいて
フィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡを次のように設定
する。

即ち、酸素センサ１９の出力電圧■。２を読み込み、所
定のスライスレベル電圧Ｖ　ｒ＊ｆと比較することによ
り吸入混合気の空燃比のリッチ・リーンを判定する。

空燃比がリーン（リッチ）のときは、リッチ（リーン）
からリーン（リッチ）への反転時（反転直後）であるか
否かを判定し、反転時にはフィードバック補正係数ＬＡ
ＭＢＤＡを前回値に対して所定の比例定数２分増大（減
少）させる。反転時以外はフィードバック補正係数ＬＡ
ＭＢＤＡを前回値に対し所定の積分定数１分増大（減少
）させ、こうしてフィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡ
を一定の傾きで増大（′＄ｉ少）させる。尚、Ｉ＜＜Ｐ
である。

ステップ４では、バッテリの電圧値に基づいて電圧補正
分子ｓを設定する。これはバッテリ電圧変動による燃料
噴射弁１５の噴射流量変化を補正するためのものである
。

ステップ５では、最終的な燃料噴射１１Ｔｉを次式に従
って演算する。

Ｔｉ＝ＴｐＸＣＯＥＦＸＬＡＭＢＤＡ＋Ｔｓステップ６
では、演算された燃料噴射量Ｔｉを出力用レジスタにセ
ットする。

これにより、予め定められた機関回転周期の燃料噴射タ
イミングになると、演算した燃料噴射量Ｔｉのパルス巾
のもつ駆動パルス信号が燃料噴射弁１５に与えられて燃
料噴射が行われる。

かかる空燃比フィードバック制御において空燃比は、フ
ィードバック補正係数ＬＡＭＢＤＡの変化に伴って周期
的に変化するが、その場合の制御中心は酸素センサ１９
の起電力が反転するときの値となる。

ここで、前記したように酸素センサ１９は排気中のＮ　
ＯＸ濃度が高いほど、理論空燃比よりリッチ側で起電力
が反転する。

従って、かかる酸素センサ１９の検出結果に基づく前記
空燃比フィードバック制御を行うと、空燃比は、ＮＯ１
濃度が高いほどリッチ側に制御されることとなる。

第４図に示すように、燃焼排気中のＮＯｘ濃度は空燃比
が理論空燃比よりリッチ化すると減少する傾向にあり、
また、第８７図に示すように、三元触媒２０のＮｏ８浄
化効率も理論空燃比より僅かにリッチ化するだけで著し
く増大する。

従って、ＮＯｘ発生量が増大しようとするほど空燃比を
リッチ化することによって、ＮＯＸ排出量を効率良く低
減できるものである。

そして、かかる制御方式によれば、従来のようにＮ　Ｏ
Ｘ低減対策としてのＥＧＲ装置等が不要となり、大幅な
コスト低減を図れると共に、ＥＧＲによるような燃焼効
率の大きな低下を伴うことがなく、ＮＯｘ濃度に応じた
分だけリンチ化されるため燃費も向上する。

尚、上記のように空燃比フィードバック制御時に常にＮ
Ｏｘ濃度に応じた空燃比制御を行っても良いが、例えば
Ｎ　ＯＸ低減を図る運転領域を機関の回転数、負荷等に
よって設定し、この領域でＮＯｘ濃度に応じた前記空燃
比フィードバック制御を行い、その他の領域では前記制
御を停止し、ＮＯｘ低減を図る必要のない領域ではＮＯ
Ｘ還元触媒層５を含まない従来の酸素センサ（第９図参
照）を用いて理論空燃比に制御するようにしても良い。

（発明の効果〉 以上説明したように、本発明にかかる酸素センサによれ
ば、窒素酸化物ＮＯｘ濃度に応じて空燃比を実際よりも
リーン側で検出する特性を有するため、空燃比がリッチ
側で制御されることとなり、ＥＧＲ装置等を設けること
なく、窒素酸化物ＮＯｘ低減を図れ、大幅なコスト低減
を図れるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる酸素センサの第１の実施例を示
す断面図、第２図は本発明にかかる酸素センナの第２の
実施例を示す断面図、第３図は本発明にかかる酸素セン
サの出力特性を示すグラフ、第４図は各種排気成分と空
燃比との関係を示すグラフ、第５図は本発明にかかる酸
素センサの第３の実施例を示す断面図、第６図は本発明
にががる酸素センサを用いた内燃機関の空燃比制御装置
の一例を示すシステム図、第７図は同上空燃比制御装置
における燃料噴射量演算ルーチンを示すフローチャート
、第８図は三元触媒によるＮＯつ浄化効率と空燃比との
関係を示すグラフ、第９図は酸素センサの従来例を示す
断面図である。 ■・・・セラミンク管　　２・・・内側電極　　３・・
・外側電極　　４・・・白金触媒層　　５・・・Ｎ　Ｏ
ｘ還元触媒層 特許出願人　　日本電子機器株式会社 代理人　　弁理士　　笹　島　冨二雄 第１図 第３図 理 論 １九チ　　空爪に　　リーン 第４図 リッチ　　　　空燃比　　　　　リーノ第５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　セラミック基材の内外表面の各一部に電極を形成する
   と共に、外表面に白金触媒層を形成し、大気に接触させ
   た内表面側の電極と、機関排気に接触させた外表面側の
   電極との間に発生する起電力により機関排気の酸素濃度
   を検出するようにした内燃機関用酸素センサにおいて、
   窒素酸化物の還元反応を促進させる窒素酸化物還元触媒
   層を前記白金触媒層の外表面に設けたことを特徴とする
   内燃機関用酸素センサ。