(57)【要約】【課題】排気により高温になる空燃比センサの検出素子部及び触媒層の劣化を抑制する空燃比センサ劣化抑制装置を提供することを課題とする。【解決手段】空燃比センサ劣化抑制装置１００は、大気側と排気側との間で酸素イオンを移動させる固体電解質層２と、この固体電解質２の大気側及び排気側のそれぞれに着設された正負一対の電極３と、この電極３の排気側に着設された電極の周囲に配設された拡散抵抗層４と、この拡散抵抗層４における排気が導入する面に配設された触媒層１１と、電極３間に電圧を印加する電源１２と、電源１２を制御する制御装置１３と、を備え、空燃比フィードバック制御の要求がない場合に、空燃比の検出時における電圧Ｖ１よりも高電圧Ｖ２を電極３に印加することにより、固体電解質層２や触媒層１１の劣化を抑制することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気側と排気側との間で酸素イオンを移動させる固体電解質と、
当該固体電解質の大気側及び排気側のそれぞれに着設された正負一対の電極と、
当該電極の排気側に着設された電極の周囲に配設された拡散抵抗層と、
当該拡散抵抗層における排気が導入する面に配設された触媒層と、
前記電極間に電圧を印加する電圧制御手段と、を備え、
当該電圧制御手段は、空燃比の検出が行われていないときに、空燃比の検出時における電圧よりも高電圧を前記電極に印加することにより、固体電解質及び／又は触媒層の劣化を抑制することを特徴とした空燃比センサ劣化抑制装置。
【請求項２】
請求項１記載の空燃比センサ劣化抑制装置において、
前記電圧制御手段は、空燃比フィードバック制御が行われていないときに、空燃比の検出時における電圧よりも高電圧を前記電極に印加することにより、固体電解質及び／又は触媒層の劣化を抑制することを特徴とした空燃比センサ劣化抑制装置。
【請求項３】
請求項１記載の空燃比センサ劣化抑制装置において、
前記固体電解質の劣化を判定する素子劣化判定手段を備え、
前記電圧制御手段は、前記素子劣化判定手段が固体電解質の劣化を判断したときに、空燃比の検出時における電圧よりも高電圧を前記電極に印加することを特徴とした空燃比センサ劣化抑制装置。
【請求項４】
請求項１記載の空燃比センサ劣化抑制装置において、
前記触媒層の能力低下を判定する触媒層能力判定手段を備え、
前記電圧制御手段は、前記触媒層能力判定手段が触媒層の能力低下を判断したときに、空燃比の検出時における電圧よりも高電圧を前記電極に印加することを特徴とした空燃比センサ劣化抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空燃比センサの検出素子部及び触媒層の劣化を抑制する劣化抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンは排気通路内に排気の空燃比を検出する空燃比センサを備えている。このような空燃比センサは、排気中の酸素濃度に基づいて排気の空燃比を検出する。ところが、排気中に水素が存在する場合に、水素の影響によりセンサ検出部で検出される酸素濃度は、実際の排気中の酸素濃度と異なった値として検出されることがある。このような検出誤差の原因となる水素は、空燃比センサに備えられた触媒層によって検出排気中から除去することができる。このような触媒層を備えた空燃比センサは、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された空燃比制御装置は、ヒータによってセンサにおける排気ガス側電極の表面を所定の温度以上に保つことにより、水素が自発燃焼して除去され、センサの出力ずれを防ぎ、適正な空燃比制御を行う。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３０１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような空燃比センサは、検出素子部を適切な温度範囲に維持することにより、検出素子部が活性化され、検出出力が安定して得られる。特に、空燃比センサはエンジンの始動とともに排出される排気の検出を行うために、早期活性化が求められるので、高温の排気が流れる排気管の上流側に配置されることが多い。これにより、高温の排気が空燃比センサ近傍を通過するようになるので、検出素子部が早期に活性化されて排気の空燃比の検出ができるようになる。しかしながら、空燃比センサが排気管の上流側に配置されることにより、空燃比センサは、高温の排気にさらされるため、空燃比センサの検出素子部や触媒層における温度が適切な範囲を超えて上昇することがある。また、検出素子部や触媒層は、このような適切な温度範囲を超える高温状態において劣化が進行するため、センサの検出精度が低下してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、排気により高温になる空燃比センサの検出素子部及び触媒層の劣化を抑制する空燃比センサ劣化抑制装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決する本発明の空燃比センサ劣化抑制装置は、大気側と排気側との間で酸素イオンを移動させる固体電解質と、当該固体電解質の大気側及び排気側のそれぞれに着設された正負一対の電極と、当該電極の排気側に着設された電極の周囲に配設された拡散抵抗層と、当該拡散抵抗層における排気が導入する面に配設された触媒層と、前記電極間に電圧を印加する電圧制御手段と、を備え、当該電圧制御手段は、空燃比の検出が行われていないときに、空燃比の検出時における電圧よりも高電圧を前記電極に印加することにより、固体電解質及び／又は触媒層の劣化を抑制することを特徴とする。（請求項１）。このような構成とすることにより、空燃比センサ内において、大気側から排気側へ強制的に酸素を供給し、検出素子に該当する固体電解質の高温化を抑制し、劣化を防止することができる。また、こうして排気側に移動した酸素は触媒層における余剰な水素を燃焼させて、触媒の能力を回復し、触媒層の劣化を抑制することができる。
【０００７】
このような空燃比センサを搭載するエンジンでは、空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御が行われることがある。空燃比Ｆ／Ｂ制御は、排気の空燃比に基づいて吸入空気量及び燃料噴射量を決定する。このため、空燃比Ｆ／Ｂ制御をするためには、排気の空燃比の正確な情報が必要である。一方、空燃比Ｆ／Ｂ制御を行わない場合、排気の空燃比の情報は必要ない。すなわち、空燃比Ｆ／Ｂ制御を行わない場合には、排気側の酸素濃度が正確な濃度である必要はない。このため、本発明の空燃比センサ劣化抑制装置は、前記電圧制御手段は、空燃比フィードバック制御が行われていないときに、空燃比の検出時における電圧よりも高電圧を前記電極に印加することにより、固体電解質及び／又は触媒層の劣化を抑制することができる（請求項２）。このような構成とすることにより、空燃比センサ劣化抑制装置は空燃比Ｆ／Ｂ制御が行われない場合に、大気側から排気側へ強制的に酸素を供給する。これにより、固体電解質や触媒層の劣化を抑制することができる。
【０００８】
また、このような空燃比センサ劣化抑制装置は、前記固体電解質の劣化を判定する素子劣化判定手段を備え、前記電圧制御手段は、前記素子劣化判定手段が固体電解質の劣化を判断したときに、空燃比の検出時における電圧よりも高電圧を前記電極に印加する構成とすることができる（請求項３）。さらに、空燃比センサ劣化抑制装置は、前記触媒層の能力低下を判定する触媒層能力判定手段を備え、前記電圧制御手段は、前記触媒層能力判定手段が触媒層の能力低下を判断したときに、空燃比の検出時における電圧よりも高電圧を前記電極に印加する構成とすることができる（請求項４）。このように固体電解質や触媒層の状態に応じて、大気側から排気側へ酸素の供給をすることにより、固体電解質や触媒層の劣化を抑制し、空燃比センサの検出精度を維持することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の空燃比センサ劣化抑制装置は、大気側から排気側へ強制的に酸素を供給することにより、固体電解質の高温化や触媒層の劣化を抑制し、空燃比センサの検出精度を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例の空燃比センサ劣化抑制装置１００の概略構成を示し、空燃比センサ劣化抑制装置１００に備えられた空燃比センサ１を断面にして示した説明図である。空燃比センサ１は、内燃機関の排気通路（図示しない）内に配置され、排気ガスの空燃比を検出するために用いられるものである。空燃比センサ１は、固体電解質層２、電極３、拡散抵抗層４を備えている。固体電解質層２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニア焼結体から形成されている。
【００１２】
電極３は、正負一対の正電極３ａ及び負電極３ｂから成り、固体電解質層２の大気側面２ａに正電極３ａが着設され、正電極３ａに対向するように負電極３ｂが固体電解質層２の排気側面２ｂに着設されている。これらの正電極３ａ及び負電極３ｂは、高い電子導電性、化学的安定性、触媒活性度を有する白金を材料として形成されている。
【００１３】
拡散抵抗層４は、固体電解質層２の排気側面２ｂで負電極３ｂの周囲に配設されている。拡散抵抗層４は、多孔構造をしており、流入前の排気中の成分濃度に応じて、拡散抵抗層４を通過する排気中の成分濃度を減少させる。すなわち、拡散抵抗層４へ導入する前の排気中の成分濃度が高いほど、拡散抵抗層４を通過した排気中の成分濃度は高く、拡散抵抗層４へ導入する前の排気中の成分濃度が低いほど、拡散抵抗層４を通過した排気中の成分濃度は低くなる。
【００１４】
また、空燃比センサ１は、支持体５、６を備えている。支持体５は、拡散抵抗層４の固体電解質層２の反対側に重ねられて配置される。支持体６は、固体電解質層２の大気側面２ａ側に、正電極３ａを包囲する区画７を形成するように配置されている。支持体６は、熱伝導性の良い材料、例えば、アルミナから形成されている。さらに、この支持体６内にはヒータ８が設けられている。このヒータ８は、空燃比の検出が安定して行われる所定の温度、例えば、６００℃以上に空燃比センサ１を昇温するためのものである。
【００１５】
空燃比センサ１は、このように積層された構成要素全体を被覆する保護層９を備えている。図２は図１における矢示１６が指す拡散抵抗層４付近の保護層９の断面を拡大して示した説明図である。保護層９は外側のトラップ層１０と内側の触媒層１１とが積層された構成となっており、特に、触媒層１１は、拡散抵抗層４における排気の導入する面に配設されている。トラップ層１０は、多孔質のアルミナであり、触媒層１１は、触媒担体としての多孔質のアルミナに白金、ロジウムなどの触媒成分が担持されて形成されている。排気ガスは、図２の矢示１７、１８のようにトラップ層１０、触媒層１１を通過して、拡散抵抗層４へ導入する。このとき、トラップ層１０は、排気ガス中に含まれる鉛などの被毒物質を吸着し、固体電解質層２、電極３を保護する。さらに、触媒１１は、排気ガス中に含まれる水素の燃焼を促進させ、排気ガス中の水素を除去する。
【００１６】
また、図１に示すように空燃比センサ劣化抑制装置１００は、電極３の電極間に電圧を印加する電源１２と、電源１２により印加される電圧を測定する電圧計１４と、電極３を流れる電流を測定する電流計１５とを備えている。さらに、電源１２、電圧計１４及び電流計１５は制御装置１３と電気的に接続されている。この制御装置１３は、本発明の電圧制御手段に相当する。
【００１７】
次に、このような空燃比センサ１による酸素濃度の検出方法について説明する。空燃比センサ１の外部を流れる排気は、トラップ層１０、触媒層１１、拡散抵抗層４を順に通過して負電極３ｂまで到達する。すなわち、負電極３ｂは、排気と接触するように構成されている。このように負電極３ｂへ到達する排気ガスは、トラップ層１０において被毒物質が除去され、触媒層１１において水素が除去されて、拡散抵抗層４に導入される。これにより、検出する排気中における水素の影響を抑制し、より正確な酸素濃度の検出を行うことができる。一方、支持体６と固体電解質層２によって形成された区画７は、大気と連通するように構成されている。すなわち、正電極３ａは大気と接触するように構成されている。
【００１８】
このような電極３間に電源１２によって電圧が印加されると、電極近傍の酸素分子がイオン化され、固体電解質層２内を酸素イオンが移動することとなる。このような酸素イオンの移動により、電子が運ばれ、電流が流れることになる。なお、空燃比センサ１がヒータ８によって暖機され、または、排気により所定の温度以上に昇温されるとセンサの出力が安定する。
【００１９】
固体電解質層２内を流れる電流は、電極間に印加する電圧の上昇とともに増加するが、負極３ｂ側に到達する排気が拡散抵抗層４により通過を制限されて、イオン化する酸素の量が飽和する。このような酸素のイオン化が飽和した状態では、印加電圧を上昇させても、イオン化する酸素分子数が変わらないため、電流値が一定となる。このときの電流を限界電流といい、限界電流の値は、排気中の酸素濃度により決定される。制御装置１３は、このような限界電流が発生する電圧Ｖ１を電極３間に印加し、このときの限界電流の値を電流計１５によって取得する。制御装置１３は、このように取得された限界電流の値と、予め取得されている限界電流の値に対する酸素濃度の情報と照合することにより、排気ガス中の酸素濃度を算出し、空燃比を検出する。
【００２０】
さらに、制御装置１３は、このように検出された空燃比に基づいて、空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を行う。空燃比Ｆ／Ｂ制御は、排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように、燃料噴射弁（図示しない）による燃料の噴射量を制御することや、スロットルバルブ（図示しない）の制御をすることにより空気吸入量を調整することである。制御装置１３は、空燃比センサ１から検出された排気ガスの空燃比が理論空燃比でなければ、Ｆ／Ｂ制御を要求する。
【００２１】
次に、制御装置１３が行う制御について説明する。図３は、制御装置１３によって行われる制御のフローを示したものである。制御装置１３は、ステップＳ１で、Ｆ／Ｂ制御の要求があるか否かを判断する。ステップＳ１の判断結果がＹＥＳである場合、すなわち、Ｆ／Ｂ制御の要求がある場合、制御装置１３は、ステップＳ２に進む。
【００２２】
制御装置１３はステップＳ２で、電極３間に印加する電圧をＶ１とする。この印加電圧Ｖ１は、限界電流が発生する電圧であり、例えば、０．４（Ｖ）程度である。電極３間に電圧Ｖ１を印加することにより、限界電流が発生し、このときの限界電流の値から排気の空燃比が検出される。このように検出された空燃比の情報はＦ／Ｂ制御に用いられる。ステップＳ２における処理が終了すると、制御装置１３は、リターンする。
【００２３】
一方、ステップＳ１の判断結果がＮＯである場合、すなわち、Ｆ／Ｂ制御の要求がない場合、制御装置１３は、ステップＳ３に進む。
【００２４】
制御装置１３はステップＳ３で、電極３間に印加する電圧をＶ２とする。この印加電圧Ｖ２は、限界電流が発生する電圧Ｖ１よりも高電圧であり、例えば、０．８〜３（Ｖ）である。このような電圧Ｖ２が印加されることにより、一旦、飽和した酸素分子のイオン化が再開され、大気側の酸素を強制的に排気側へ供給する。すなわち、正電極３ａ付近の酸素が負電極３ｂ側へ移動することになる。このとき、固体電解質層２の温度が低下し、固体電解質層２の劣化を抑制することができる。また、このように負電極３ｂ側へ移動した酸素は、触媒層１１まで到達し、触媒層１１において水素の燃焼に寄与し、運転時間経過とともに低下する触媒の平衡化能力を回復することができ、触媒層の劣化を抑制することができる。
【００２５】
制御装置１３はステップＳ３の次に、ステップＳ２へ進む。制御装置１３は電源１２によって電極３間に印加する電圧をＶ１とする。これにより、空燃比センサ１は、空燃比検出の状態へ戻り、ここで検出された空燃比に基づいて、Ｆ／Ｂ制御が行われる。
【００２６】
このようにＦ／Ｂ制御の要求がない場合には、排気の空燃比を検出しなくて良いため、排気側の電極、すなわち、負電極３ｂにおける酸素濃度が実際の排気中の酸素濃度と一致する必要がない。このような理由から、Ｆ／Ｂ制御の要求がない場合に、大気側の正電極３ａから排気側の負電極３ｂ側へ酸素を供給することができる。これにより、固体電解質層２の温度を低下させて劣化を抑制するとともに、触媒層１１の平衡化能力を回復させて劣化を抑制することができる。
【実施例２】
【００２７】
次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例の空燃比センサ劣化抑制装置は、実施例１の空燃比センサ劣化抑制装置１００と同様の構成をしている。そのため、本実施例の空燃比センサは、実施例１の空燃比センサ劣化抑制装置１００と同一の参照番号を用いて説明する。本実施例は、制御装置１３が行う制御の内容が実施例１と異なる点で実施例１と相違している。
【００２８】
本実施例の制御装置１３が行う制御について説明する。図４は本実施例の制御装置１３が行う制御のフローについて示したものである。制御装置１３は、ステップＳ１０で、電圧変更要求があるか否かを判断する。ここで、電圧変更要求とは、電源１２による電極３間の印加電圧の変更要求であり、この変更要求は素子劣化判定結果に基づいて判断される。
【００２９】
素子劣化判定は、固体電解質層２が劣化しているか否かを判断するものである。この素子劣化判定は、制御装置１３によって行われる。固体電解質層２は、劣化が進行した場合、同一温度におけるインピーダンスが劣化前と比較して増大する。このような性質に基づいて、制御装置１３は、インピーダンスの変化から固体電解質層２の劣化を判断している。制御装置１３は、このような素子劣化判定において、固体電解質層２が劣化していると判断する場合、電圧変更要求をする。制御装置１３はステップＳ１０の判断結果がＹＥＳである場合、すなわち、電圧変更要求がある場合、ステップＳ１１に進む。一方、制御装置１３はステップＳ１０の判断結果がＮＯである場合、すなわち、電圧変更要求がない場合には、ステップＳ１２に進む。
【００３０】
ステップＳ１１は、図３に示した実施例１のステップＳ１と同一である。また、ステップＳ１２はステップＳ２と同一であり、ステップＳ１３はステップＳ３と同一である。このため、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３の説明は省略する。
【００３１】
また、ステップＳ１０における電圧変更要求は、触媒層能力判定結果に基づいて、電圧変更要求を行うこともできる。触媒層能力判定は、触媒層１１における触媒が所定の水素除去能力を有しているか否かを判断するものである。この触媒層能力判定は制御装置１３によって行われる。制御装置１３は、触媒層１１の水素除去能力が低下していると判断する場合、電圧変更要求をする。
【００３２】
このような電圧変更要求に従って印加電圧Ｖ２が付加されることにより、固体電解質層２の劣化や触媒層１１の劣化が抑制されるため、空燃比センサの検出精度を維持することができる。
【００３３】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】空燃比センサを断面にして空燃比センサ劣化抑制装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】拡散抵抗層付近の保護層の断面を拡大して示した説明図である。
【図３】実施例１において制御装置によって行われる制御フローである。
【図４】実施例２において制御装置によって行われる制御フローである。
【符号の説明】
【００３５】
１  空燃比センサ
２  固体電解質層
３  電極
４  拡散抵抗層
９  保護層
１０  トラップ層
１１  触媒層
１２  電源
１３  制御装置
１００  空燃比センサ劣化抑制装置
【図１】
2009075012.tif 000003
【図２】
2009075012.tif 000004
【図３】
2009075012.tif 000005
【図４】
2009075012.tif 000006