JP3656453B2 - Heater control device for air-fuel ratio sensor - Google Patents

Heater control device for air-fuel ratio sensor Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は空燃比センサのヒータ制御装置に関し、特に、冷間始動時の空燃比センサの素子割れを防止する空燃比センサのヒータ制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の機関の空燃比制御においては、機関の排気系に空燃比センサと触媒とを配設し、触媒により排気ガス中の有害成分(HC、CO、NOx 等)を最大限浄化するため、空燃比センサにより検出される機関の排気空燃比が目標空燃比、例えば理論空燃比になるようにフィードバック制御されている。この空燃比センサとして、機関から排出される排気ガス中に含まれる酸素濃度に比例して限界電流を出力する限界電流式の酸素濃度検出素子(酸素センサ)が用いられている。限界電流式酸素濃度検出素子は、酸素濃度から機関の排気空燃比を広域かつリニアに検出するものであり、空燃比制御精度を向上させたり、リッチ〜理論空燃比(ストイキ)〜リーンの広域空燃比の間で機関の排気空燃比を目標空燃比にするよう制御するために有用である。
【0003】
上記酸素濃度検出素子は、空燃比の検出精度を維持するため活性状態に保たれることが不可欠であり、通常、機関始動時から同素子に付設されたヒータを通電することにより同素子を加熱し、早期活性化させてその活性状態を維持するようヒータの通電制御を行っている。
特開平8−278279号公報開示の酸素センサのヒータ制御装置は、ヒータへの通電初期にセンサ素子の早期活性化のためヒータ温度が所定温度に達するまでは全電力をヒータに供給し、ヒータ温度が所定温度に達するとヒータ温度に応じた電力をヒータに供給し、センサ素子の温度が所定温度温度に達すると酸素センサの素子温度に応じた電力をヒータに供給する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平8−278279号公報開示の酸素センサのヒータ制御装置は、特に機関の冷間始動時に、ヒータへの通電初期に酸素センサの素子を早期活性化するため、ヒータへ電力供給するバッテリの電圧を考慮せずに全電力、すなわち100%デューティ比でヒータに電力供給するので、ヒータに大電流が流れてヒータを急激に加熱し、急上昇したヒータ温度と酸素センサの素子温度との温度差が急激に増大し、所謂サーマルショックによる酸素センサ(空燃比センサと称する)の素子割れが発生するという問題がある。
【0005】
それゆえ、本発明は上記問題を解決し、機関の冷間始動時に、サーマルショックによる空燃比センサの素子割れを防止する空燃比センサのヒータ制御装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記問題を解決する本発明による第1形態の空燃比センサのヒータ制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサを加熱するヒータと、該空燃比センサが活性化温度になるように該ヒータに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、を備えた空燃比センサのヒータ制御装置において、前記ヒータに電力を供給するバッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、前記ヒータの温度を検出するヒータ温検出手段と、前記内燃機関の始動に際し、前記ヒータに電力供給を開始してから前記ヒータ温検出手段により検出されたヒータ温度が前記ヒータの耐熱限界温度を超えないようなヒータ抵抗に相当する温度に達するまでの間、前記バッテリ電圧検出手段により検出されたバッテリ電圧が所定電圧より低い場合には前記ヒータへ連続的に電力を供給するよう設定し、前記バッテリ電圧が前記所定電圧より高いか等しい場合には前記バッテリ電圧の高さに応じたセンサ素子割れを生じない所定最大電力を供給する周期で電力を供給するよう設定する電力設定手段と、を備えたことを特徴とする。
【0007】
上記構成により、冷間始動時におけるヒータへの電力供給に際し、バッテリの電圧に応じてヒータに電力供給するので、ヒータが急激に加熱されず、サーマルショックによる空燃比センサの素子割れが防止される。
前記問題を解決する本発明による第2形態の空燃比センサのヒータ制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサを加熱するヒータと、該空燃比センサが活性化温度になるように該ヒータに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、を備えた空燃比センサのヒータ制御装置において、前記ヒータに電力を供給するバッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、前記ヒータの温度を検出するヒータ温検出手段と、前記ヒータを流れる電流を検出するヒータ電流検出手段と、前記空燃比センサの素子温度を検出する素子温検出手段と、前記内燃機関の始動に際し、前記ヒータに電力供給を開始してから前記ヒータ温検出手段により検出されたヒータ温度が前記ヒータの耐熱限界温度を超えないようなヒータ抵抗に相当する温度に達するまでの間、前記バッテリ電圧検出手段により検出されたバッテリ電圧と前記ヒータ電流検出手段により検出されたヒータ電流とから算出された前記ヒータへの供給電力が、センサ素子割れを生じないヒータ最大供給電力となるように、前記ヒータへの供給電力を設定するヒータ電力設定手段と、
を備えたことを特徴とする。
【0008】
上記構成により、バッテリ電圧とヒータ電流とから算出されたヒータへの供給電力が、センサ素子割れを生じないヒータ最大電力となるようにヒータに供給する電力を設定するので、サーマルショックによる空燃比センサの素子割れが防止される。
前記問題を解決する本発明による第2形態の他の実施形態に係る空燃比センサのヒータ制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサを加熱するヒータと、該空燃比センサが活性化温度になるように該ヒータに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、を備えた空燃比センサのヒータ制御装置において、前記ヒータに電力を供給するバッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、前記ヒータの温度を検出するヒータ温検出手段と、前記空燃比センサの素子温度を検出する素子温検出手段と、前記内燃機関の始動に際し、前記ヒータに電力供給を開始してから前記ヒータ温検出手段により検出されたヒータ温度が前記ヒータの耐熱限界温度を超えないようなヒータ抵抗に相当する温度に達するまでの間、前記ヒータ温度と前記素子温検出手段により検出された素子温度との温度差が所定値より大きい場合、センサ素子割れを生じない所定電力となるように前記ヒータへの供給電力を設定し、前記温度差が所定値より小さいか等しい場合、前記バッテリ電圧の高さに応じたセンサ素子割れを生じない所定最大電力を供給する周期で電力を供給するよう設定するか、またはセンサ素子割れを生じないヒータ最大供給電力となるように前記ヒータへの供給電力を設定するヒータ電力設定手段と、を備えたことを特徴とする。
上記構成により、冷間始動時におけるヒータ温と空燃比センサの素子温との温度差から空燃比センサの素子割れを予測して、その温度差に基づいてヒータに供給する電力を設定するので、サーマルショックによる空燃比センサの素子割れが防止される。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は本発明による空燃比センサのヒータ制御装置の一実施形態の概略構成図である。図1以降、同一のものは同一符号で示す。図示しない内燃機関の排気通路に配設され機関の排気空燃比を検出する空燃比センサ1は、空燃比センサ素子(以下、センサ素子と記す)2とヒータ4とからなり、センサ素子2には空燃比センサ回路(以下、センサ回路と記す)3から電圧が印加され、ヒータ2にはバッテリ5からヒータ制御回路6を介して電力が供給される。センサ回路3はマイクロコンピュータからなる空燃比制御ユニット(A/FCU)10からアナログの印加電圧をローパスフィルタ(LPF)7を介して受けセンサ素子2に印加する。
【0010】
A/FCU10は、センサ回路3、ヒータ制御回路6およびLPF7と共に電子制御ユニット(ECU)100の一部をなし、デジタルデータを内部に設けられたD/A変換器により矩形状のアナログ電圧に変換した後LPF7を介してセンサ回路3へ出力する。LPF7は矩形状のアナログ電圧信号の高周波成分を除去したなまし信号を出力し、高周波ノイズによるセンサ素子2の出力電流の検出エラーを防止している。このなまし信号の電圧のセンサ素子2への印加に伴いA/FCU10は被検出ガス中、すなわち排気ガス中の酸素濃度に比例して変化するセンサ素子2を流れる電流およびその時のセンサ素子2への印加電圧を検出する。A/FCU10はこれらの電流および電圧を検出するため内部にA/D変換器を設けており、これらのA/D変換器はセンサ回路3からセンサ素子2を流れる電流に相当するアナログ電圧およびセンサ素子2への印加電圧を受けデジタルデータに変換する。
【0011】
空燃比センサ1はセンサ素子2が活性状態にならないとその出力を空燃比制御に使用できない。このため、A/FCU10は機関始動時にバッテリ5からセンサ素子2に内蔵されたヒータ4へ電力供給してヒータ4を通電し、センサ素子2を早期活性化し、センサ素子2が活性化された後はその活性状態を維持するようヒータ4へ電力供給する。バッテリ5の電圧はA/FCU10の内部に設けられたA/D変換器によりデジタルデータに変換される。
【0012】
しかるに、センサ素子2の抵抗がセンサ素子2の温度に依存すること、すなわちセンサ素子温度の増大に連れて減衰することに着目し、センサ素子2の抵抗がセンサ素子2の活性状態を維持する温度に相当する抵抗値、例えば30Ωとなるようヒータ4へ電力供給することによりセンサ素子2の温度を目標温度、例えば700°Cに維持する制御が行われている。また、空燃比制御ユニット(A/FCU)10は、センサ素子2を加熱するヒータ制御回路6からヒータ4の電圧と電流に相当するアナログ電圧を受けデジタルデータに変換するA/D変換器を内部に設けている。これらのデジタルデータを用いて、例えばヒータ4の抵抗値を算出し、算出した抵抗値に基づき機関の運転状態に応じた電力供給をヒータ4に行うとともにヒータ4の過昇温(OT)を防止するようヒータ4の温度制御を行う。本発明の実施形態では、空燃比センサ1として限界電流式酸素濃度検出素子(酸素センサ)を使用する。しかしながら、本発明はこれに限定するものでなく、空燃比センサ1として、空燃比がリッチかリーンを判定するZ特性を有するλ型酸素センサ(O2 センサと称する)を用いた場合にも適用できる。
【0013】
空燃比制御ユニット(A/FCU)10は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続されたCPU、ROM、RAM、B(バッテリバックアップ).RAM、入力ポート、出力ポート、A/D変換器およびD/A変換器を具備し、後述する本発明の空燃比センサ1のヒータ制御を行う。
ここで、冷間始動時に空燃比センサの素子割れが生ずる理由を説明する。
【0014】
図2は図1に示す空燃比センサの断面図である。空燃比センサのセンサ本体20は、断面カップ状の拡散抵抗層21を有しており、この拡散抵抗層21はその開口端21aにて機関の排気管27の取付け穴部内に嵌め込まれて固定されている。拡散抵抗層21はZrO2 等のプラズマ溶射法等により形成されている。またセンサ本体20は固体電解質層22を有しており、この固体電解質層22は酸素イオン伝導性酸化物焼結体により断面カップ状の排気ガス側電極層23を介し抵抗拡散層21の内周壁に一様に嵌め込まれて固定されている。この固体電解質層22の内表面には、大気側電極層24が断面カップ状に一様に固着されている。かかる場合、排気側電極層23および大気側電極層24は、共に白金(Pt)等の触媒活性の高い貴金属を化学メッキ等により十分浸透性(porous)を有するように形成されている。また、排気ガス側電極層23の面積および厚さは10〜100mm2 および0.5〜2.0μm程度となっている。一方大気側電極層24の面積および厚さは10mm2 以上および0.5〜2.0μm程度となっている。また、センサ本体20は保護カバー28により囲まれている。保護カバー28はセンサ本体20の排気ガスとの直接接触を防止しつつ、センサ本体20の保温を確保するために設けられている。保護カバー28にはカバーの内部と外部とを連通するため多数の小穴が設けられている。
【0015】
機関の冷間始動時にはセンサ本体20を早期加熱するためヒータ26に大電力を供給する必要があるので、従来技術によれば、バッテリ5からヒータ26にデューティ比100%で電力供給をしている。すると、ヒータ26に大電流が流れてヒータ26を急激に加熱し、ヒータ26の温度が急上昇し、ヒータ26の温度とセンサ本体20の温度との温度差が急激に増大し、空燃比センサの素子割れが生ずる。この素子割れには拡散層のマイクロクラックも含まれている。本発明は、機関の冷間始動時の空燃比センサの素子割れを防止するため、以下に説明するように冷間始動時にヒータ26に過大な電力を供給しないようヒータ制御を行う。
【0016】
図3はヒータ制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンおよび図4、図6、図7および図8に示すフローチャートの処理は所定の処理周期、例えば64ms毎に実行される。先ず、ステップ301では、図示しないイグニッションスイッチIGSWがオンかオフかを判別し、IGSWがオンのときはステップ302に進み、IGSWがオンのときは本ルーチンを終了する。
【0017】
ステップ302〜312の処理を簡単に説明すると、空燃比センサ1の早期活性化のため、バッテリ5からヒータ4への電力供給を開始し、ヒータ温度が所定温度に達するまでは始動時のデューティ制御にしたがって設定された電力をヒータ4に供給し(始動時DUTY制御)、ヒータ温度が所定温度に達するとヒータ温度に応じた電力をヒータ4に供給し(ヒータ上限抵抗F/B制御)、空燃比センサ1の温度が所定温度温度に達すると空燃比センサ1の素子温度に応じてセンサ素子2を活性状態に維持するための電力をヒータ4に供給する(素子温F/B制御)。
【0018】
ステップ302では、空燃比センサ1の素子直流インピーダンスZdcを算出する。このインピーダンスZdcは、センサ素子2に負の電圧Vneg を印加し、その時の電流Ineg を検出し、Zdc=Vneg /Ineg を算出して求める。一般に素子温が上昇するにつれて素子直流インピーダンスは減衰するという相関関係があり、例えばセンサ素子2が活性化温度700°Cのとき素子直流インピーダンスは30Ωである。
【0019】
ステップ303では、空燃比センサ1の活性フラグF1がセットされたか否かを判別し、F1=1のときはステップ304に進み、ステップ304で素子温F/B制御を実行し、F1=0のときはステップ305に進む。
ステップ305では、センサ素子2の活性判定を素子直流インピーダンスに基づいて行う。すなわち、Zdc>30のときセンサ素子2が活性化されたと判断しステップ306で空燃比センサ1の活性フラグF1を1にセットし、次いでステップ304で素子温F/B制御を実行し、Zdc≦30のときセンサ素子2は非活性状態であると判断しステップ307に進み、センサ素子2を活性化させるためのヒータ制御を行う。フラグF1はイグニッションスイッチIGSWがオフからオンに切換えられるときワンショットパルス信号でリセットされる。
【0020】
ステップ307では、ヒータ4への印加電圧Vn および電流In を検出する。ステップ308では、ヒータ4の抵抗Rh をRh =Vn /In から算出する。
ステップ309では、ヒータ4の耐熱限界温度1200°Cより所定温度だけ低いヒータ上限温度1020°Cに到達していないか否かを判定し、その判定結果がYESのときはステップ310に進み、ヒータ4にできるだけ大電力を供給するDUTY制御を実行し、その判定結果がNOのときはステップ311に進み、ヒータ4をヒータ上限温度1020°Cに維持する制御を行う。ステップ310、311については、図4〜図8を用いて後で詳細に説明する。ここで、ヒータ上限温度をヒータ4の耐熱限界温度に設定しないのはヒータ4の抵抗温度特性にばらつきがあるからである。ばらつきの中央値を用いるとヒータ上限温度1020°Cに相当するヒータ抵抗Rh は2.1Ωであり、ヒータ抵抗Rh が2.1Ωになるようにヒータ制御したとき、ヒータ温度のばらつきは870〜1200°Cの範囲内に収まり、ヒータ4の耐熱限界温度を越えない。
【0021】
ステップ312では、ステップ310、311で設定されたDUTY比に応じてヒータにバッテリ5の電圧を印加する。ここで、DUTY制御とは、ヒータ4にバッテリ5の電圧をオンオフする周期を、例えば100msとしたとき、DUTY比が20%のときはオン時間20msオフ時間80ms、DUTY比が50%のときはオン時間50msオフ時間50ms、DUTY比が100%のときはオン時間100msの各周期でヒータ4にバッテリ5の電圧を印加する制御を言う。次に、図3のステップ311について、図4を用いて詳細に説明する。
【0022】
図4はヒータ上限抵抗に基づくヒータ制御を示す。先ず、ステップ401では、ヒータ電力制御実行中を示すヒータ電力制御フラグF2がセットされているか否かを判別し、F2=1のときはステップ402に進み、F1=0のときはステップ403に進み、ステップ403ではヒータ電力制御の初期デューティ比として20%を設定する。この20%はヒータ電圧制御から電力制御に移行した時に急激なヒータ温度変化が抑制されるように選択された値である。次いでステップ404ではF2をセットする。フラグF2はイグニッションスイッチIGSWがオフからオンに切換えられるときワンショットパルス信号でリセットされる。
【0023】
ステップ402では、機関運転条件の急変に伴う排気温の上昇等によりヒータ4が異常加熱されないように保護するための制御を行うため、ヒータ抵抗Rh が2.5Ωより大か否かを判別し、Rh >2.5Ωのときはステップ405に進み、Rh ≦2.5Ωのときはステップ406に進む。ステップ406ではDUTY=DUTY−10を計算し、計算値を新たなDUTY比に設定する。DUTYが負の値になったときはDUTY=0に設定される。
【0024】
ステップ405では、ヒータ電力Wh を次式から算出する。
Wh =Vn ×In ×DUTY/100
ここで、Vn 、In は図3のステップ307で検出した電圧値、電流値を示しDUTYは前回処理周期にステップ403、406、408または409で設定されたDUTY比を示す。
【0025】
ステップ407では、今回処理周期のヒータ電力Wh とヒータ4の耐熱限界温度1200°Cに対応するヒータ供給電力21Wとを比較し、Wh ≦21のときはヒータ4への供給電力が目標電力より低いと判定してステップ408に進みステップ408でデューティ比を3%加算(DUTY=DUTY+3を算出)してヒータ4への供給電力を増大し、Wh >21のときはヒータ4への供給電力が目標電力より高いと判定してステップ409に進みステップ409でデューティ比を3%減算(DUTY=DUTY−3を算出)してヒータ4への供給電力を減少する。
【0026】
以上により設定されたDUTYに基づきヒータ制御することで、ヒータ4への実供給電力を目標電力21(W)に制御できる。
次に、ステップ304の素子温F/B制御について説明する。ステップ303で検出した素子直流インピーダンスZdcをもとに、素子直流インピーダンスZdcが素子温700°Cに相当する30(Ω)になるようにヒータ4へ印加する電圧のデューティ比を下記の方程式に基づき演算する。
【0027】
DUTY=GP+GI+c
GP =a(Zdc−30) … 比例項
GI =GI+b(Zdc−30) … 積分項
ここで、a、b、cは、例えばa=4.2、b=0.2、c=20の定数である。以上演算されたデューティ比でヒータ4を制御することで、素子直流インピーダンスZdcを30(Ω)付近に制御でき、センサ素子を常に良好な活性状態に維持でき、異常加熱によるセンサ素子の破損を防止できる。次に、図3のステップ310について、第1実施例を図5を用いて以下に説明する。
【0028】
図5は機関始動時の第1実施例のヒータ制御を示すフローチャートである。図3のステップ309でヒータ温度がヒータ上限温度1020°Cに到達していないと判定されたとき、ステップ501、502を実行し、ヒータ4にできるだけ大電力を供給するDUTY制御を行う。ステップ501では、バッテリ5の電圧を読込む。ステップ502では、図6に示すマップにより、ステップ501で読込んだバッテリ電圧からヒータ供給電力のDUTY比を算出する。
【0029】
この第1実施例のヒータ制御によれば、機関始動時にバッテリ電圧VB が12Vより高いときでも、デューティ比を100%より低く設定するので、ヒータ温度が急上昇されず、それゆえサーマルショックによるセンサ素子の素子割れを防止できる。
図6に示すマップは、バッテリ電圧VB が12VのときDUTY=100とすると、ヒータ抵抗Rh=2.1(Ω)に12Vの電圧が連続的に印加され、ヒータ4への平均供給電力は、(VB 2 /Rで算出され、約69(W)となる。このときのヒータ4への平均供給電力を上限値に定めることによりセンサ素子割れを生じることなくヒータ4への電力供給が可能となる。バッテリ電圧VB が12Vを越えたときは、ヒータ4への平均電力供給が69(W)を越えないようにDUTY比を算出する。例えば、バッテリ電圧VB が14Vのとき、このまま100%デューティで電力供給すると、平均供給電力は、(VB 2 /R=93(W)となってしまうので、これを69(W)にするためには、DUTY比を69/93=74(%)にすればよい。マップにおいて12Vを越えるバッテリ電圧VB に対するDUTY比はこのように算出される。なお、12V以下のバッテリ電圧VB に対するDUTY比は、100%デューティで電力供給しても平均供給電力は69(W)以下なのでセンサ素子2の早期活性化のため100%に設定される。次に、図3のステップ310について、第2実施例を図7を用いて以下に説明する。
【0030】
図7は機関始動時の第2実施例のヒータ制御を示すフローチャートである。図3のステップ309でヒータ温度がヒータ上限温度1020°Cに到達していないと判定されたRh <2.1(Ω)とき、ステップ701、702を実行し、ヒータ4にできるだけ大電力を供給するDUTY制御を行う。ステップ701では、今回処理周期のDUTY=100(%)でのヒータ4へのヒータ供給電力Wa を図3のステップ307で検出したヒータ電圧Vn とヒータ電流In から算出する(Wa =Vn ×In )。ここで、注目すべきことはヒータ電圧Vn がバッテリ電圧VB に相当することであり、Wa はVB に応じて算出されることである。
【0031】
ステップ702では、ヒータ最大供給電力Whmとステップ701で算出した今回処理周期のヒータ供給電力Wa とを用い次式からDUTY比を算出する。
DUTY=(Whm/Wa )×100=(144/Wa )×100
ここで、ヒータ最大供給電力Whmとは、ヒータ抵抗Rh が1.0(Ω)、バッテリ電圧VB が12(V)のときにセンサ素子割れを生じることなくヒータ4へ供給可能な平均供給電力144(W)を言う。上式の計算結果、DUTY>100のときはDUTY=100に設定する。
【0032】
この第2実施例のヒータ制御によれば、機関始動時にヒータ抵抗Rh が2.1(Ω)に至る前の小さな抵抗値のときに、バッテリ電圧VB によってはヒータ供給電力Wa が上記ヒータ最大供給電力Whm(=144(W))を越えてヒータ温度を急上昇し、サーマルショックによるセンサ素子割れを引き起こす恐れがあるので、このときヒータ供給電力Wa の上限をヒータ最大供給電力Whmとするようにヒータ4へ印加する電圧のDUTY比が設定される。
【0033】
図8は機関始動時の第3実施例のヒータ制御を示すフローチャートである。図3のステップ309でヒータ温度がヒータ上限温度1020°Cに到達していないと判定されたとき、ステップ801〜806を実行し、ヒータ4にできるだけ大電力を供給するDUTY制御を行う。ステップ801では、図3のステップ308で算出したヒータ抵抗Rh からヒータの温度を算出する。ステップ802では、図3のステップ302で算出した素子直流インピーダンスZdcからセンサ素子2の温度を算出する。ステップ803では、ステップ801で算出したヒータ温とステップ802で算出したセンサ素子温との温度差を計算する。ステップ804では、上記温度差が所定値、例えば500℃を越えるか否かを判別し、その判別結果がYESのときはステップ805に進み、ステップ805ではヒータ温度を急上昇し、サーマルショックによるセンサ素子の素子割れを引き起こさないDUTY比、例えば20%に設定する。ステップ804の判別結果がNOのときは、バッテリ5の電圧に応じたDUTY比を算出する。具体的には、前述した図5のフローチャート(第1実施例)または図7のフローチャート(第2実施例)の処理を実行する。上記所定値500℃は、実験的に求めた値である。ヒータ上限温度は1020℃、センサ活性温度は700℃であるので、その差320℃程度ではサーマルショックは生じない。センサ素子2が活性化されるまでの間、通常温度差が500℃を越えることは少なく、この設定でセンサ素子2の早期活性化に及ぼす影響は少ない。
【0034】
また、ステップ802ではセンサ素子2の温度を素子直流インピーダンスZdcから算出したが、これに代えてセンサ素子2の温度を素子交流インピーダンスZacから算出してもよい。通常、センサ素子2には、例えば0.3(V)が印加されており、所定の周期毎に限界電流を検出し排気空燃比が算出されている。交流インピーダンスZacは、所定の周期毎、例えば64ms毎にセンサ素子2に0.3±0.2(V)のパルス電圧を印加し、その時のセンサ素子2の電圧Vacと電流Iacを検出し、Zac=Vac/Iacを算出して求める。一般に素子交流インピーダンスは素子直流インピーダンスと同様に素子温が上昇するにつれて減衰するという相関関係がある。素子交流インピーダンスを検出する場合は、素子直流インピーダンスを検出する場合のようにセンサ素子2に負極性の電圧を印加する必要がないので、制御回路を簡素化できるという利点がある。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷間始動時におけるヒータへの電力供給に際し、バッテリの電圧に応じてヒータに電力供給するので、ヒータが急激に加熱されず、サーマルショックによる空燃比センサの素子割れが防止される。
以上説明したように、本発明によれば、冷間始動時におけるヒータの温度とセンサ素子の温度との温度差から空燃比センサの素子割れを予測して、その温度差に基づいてヒータに供給する電力を設定するので、サーマルショックによる空燃比センサの素子割れが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による空燃比センサのヒータ制御装置の一実施形態の概略構成図である。
【図2】図1に示す空燃比センサの断面図である。
【図3】ヒータ制御ルーチンのフローチャートである。
【図4】ヒータ上限抵抗に基づくヒータ制御を示すフローチャートである。
【図5】機関始動時の第1実施例のヒータ制御を示すフローチャートである。
【図6】ヒータ供給電力のDUTY比をバッテリ電圧から算出するマップである。
【図7】機関始動時の第2実施例のヒータ制御を示すフローチャートである。
【図8】機関始動時の第3実施例のヒータ制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1…A/Fセンサ
2…センサ素子
3…A/Fセンサ回路
4…ヒータ
5…バッテリ
6…ヒータ制御回路
7…LPF
10…A/F制御ユニット
100…電子制御ユニット(ECU)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heater control device for an air-fuel ratio sensor, and more particularly to a heater control device for an air-fuel ratio sensor for preventing element cracking of the air-fuel ratio sensor during cold start.
[0002]
[Prior art]
In recent air-fuel ratio control of an engine, an air-fuel ratio sensor and a catalyst are disposed in the exhaust system of the engine, and the exhaust gas is exhausted to the maximum extent by the catalyst. Feedback control is performed so that the exhaust air-fuel ratio of the engine detected by the fuel ratio sensor becomes a target air-fuel ratio, for example, the stoichiometric air-fuel ratio. As this air-fuel ratio sensor, a limiting current type oxygen concentration detecting element (oxygen sensor) that outputs a limiting current in proportion to the oxygen concentration contained in exhaust gas discharged from the engine is used. The limiting current type oxygen concentration detection element detects the exhaust air / fuel ratio of the engine in a wide area and linearly from the oxygen concentration, and improves the air / fuel ratio control accuracy, or the rich / theoretical air / fuel ratio (stoichi) / lean wide area sky. This is useful for controlling the exhaust air-fuel ratio of the engine to the target air-fuel ratio between the fuel ratios.
[0003]
It is essential that the oxygen concentration detection element be kept in an active state in order to maintain air-fuel ratio detection accuracy. Normally, the element is heated by energizing a heater attached to the element from the start of the engine. Then, energization control of the heater is performed so as to be activated early and maintain the activated state.
The heater control device for an oxygen sensor disclosed in JP-A-8-278279 supplies all power to the heater until the heater temperature reaches a predetermined temperature for early activation of the sensor element at the initial stage of energization of the heater. When the temperature reaches a predetermined temperature, electric power corresponding to the heater temperature is supplied to the heater, and when the temperature of the sensor element reaches the predetermined temperature temperature, electric power corresponding to the element temperature of the oxygen sensor is supplied to the heater.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the oxygen sensor heater control device disclosed in the above-mentioned JP-A-8-278279 supplies power to the heater in order to activate the oxygen sensor element early in the initial stage of energization of the heater, particularly at the cold start of the engine. Since power is supplied to the heater at full power, that is, 100% duty ratio without considering the voltage of the battery, a large current flows through the heater to rapidly heat the heater, and the heater temperature rapidly rising and the element temperature of the oxygen sensor There is a problem that the temperature difference increases rapidly, and so-called thermal shock causes an element crack of an oxygen sensor (referred to as an air-fuel ratio sensor).
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a heater control device for an air-fuel ratio sensor that solves the above problems and prevents cracking of the air-fuel ratio sensor due to a thermal shock when the engine is cold started.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A heater control device for an air-fuel ratio sensor according to a first aspect of the present invention that solves the above problems includes an air-fuel ratio sensor provided in an exhaust passage of an internal combustion engine, a heater that heats the air-fuel ratio sensor, and the air-fuel ratio sensor. A heater control unit for controlling an electric power supplied to the heater so as to reach an activation temperature, and a battery voltage detecting unit for detecting a voltage of a battery for supplying electric power to the heater. Heater temperature detecting means for detecting the temperature of the heater, and when the internal combustion engine is started , the heater temperature detected by the heater temperature detecting means after the start of power supply to the heater is the heat resistant limit temperature of the heater until it reaches a temperature corresponding to the heater resistor that does not exceed the battery voltage detected by the battery voltage detecting means is lower than a predetermined voltage If the battery voltage is higher than or equal to the predetermined voltage, a predetermined maximum power that does not cause a sensor element crack according to the battery voltage level is set. And a power setting unit configured to supply power at a supply cycle .
[0007]
With the above configuration, when power is supplied to the heater at the time of cold start, power is supplied to the heater according to the voltage of the battery, so the heater is not heated suddenly, and element cracking of the air-fuel ratio sensor due to thermal shock is prevented. .
A heater control apparatus for an air-fuel ratio sensor according to a second embodiment of the present invention that solves the above problems includes an air-fuel ratio sensor provided in an exhaust passage of an internal combustion engine, a heater that heats the air-fuel ratio sensor, and the air-fuel ratio sensor. A heater control unit for controlling an electric power supplied to the heater so as to reach an activation temperature, and a battery voltage detecting unit for detecting a voltage of a battery for supplying electric power to the heater. When the heater temperature detecting means for detecting a temperature of said heater, and the heater current detection means for detecting a current flowing through the heater, and the element temperature detection means for detecting the element temperature of the air-fuel ratio sensor, the starting of the internal combustion engine upon, such as a heater temperature detected by the heater temperature detection means from the start of power supply to the heater does not exceed the heat resistance limit temperature of the heater heating Until it reaches a temperature corresponding to the resistance, the supply power to the battery voltage the heater calculated from the detected heater current by battery voltage and detected by the detection means and the heater current detection means, the sensor element crack Heater power setting means for setting the power supplied to the heater so that the heater maximum supply power does not cause
It is provided with.
[0008]
With the above configuration, the power supplied to the heater is set so that the power supplied to the heater calculated from the battery voltage and the heater current is the maximum heater power that does not cause sensor element cracking. The element cracking is prevented.
A heater control device for an air-fuel ratio sensor according to another embodiment of the second embodiment according to the present invention that solves the above-described problem includes an air-fuel ratio sensor provided in an exhaust passage of an internal combustion engine, a heater that heats the air-fuel ratio sensor, And a heater control unit for controlling the electric power supplied to the heater so that the air-fuel ratio sensor reaches an activation temperature. Battery voltage detection means for detecting, heater temperature detection means for detecting the temperature of the heater, element temperature detection means for detecting the element temperature of the air-fuel ratio sensor, and power supply to the heater when the internal combustion engine is started From the start until the heater temperature detected by the heater temperature detecting means reaches a temperature corresponding to the heater resistance that does not exceed the heat resistance limit temperature of the heater When the temperature difference between the heater temperature and the element temperature detected by the element temperature detecting means is larger than a predetermined value, the supply power to the heater is set to a predetermined power that does not cause a sensor element crack, and the temperature When the difference is less than or equal to a predetermined value, the heater is set to supply power at a cycle for supplying a predetermined maximum power that does not cause the sensor element cracking according to the battery voltage height, or does not cause the sensor element cracking. Heater power setting means for setting the power supplied to the heater so as to obtain the maximum power supply.
With the above configuration, since the element crack of the air-fuel ratio sensor is predicted from the temperature difference between the heater temperature at the cold start and the element temperature of the air-fuel ratio sensor, the power supplied to the heater is set based on the temperature difference. Element breakage of the air-fuel ratio sensor due to thermal shock is prevented.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a heater control apparatus for an air-fuel ratio sensor according to the present invention. In FIG. 1 and subsequent figures, the same components are denoted by the same reference numerals. An air-fuel ratio sensor 1 that is disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine (not shown) and detects an exhaust air-fuel ratio of the engine includes an air-fuel ratio sensor element (hereinafter referred to as a sensor element) 2 and a heater 4. A voltage is applied from an air-fuel ratio sensor circuit (hereinafter referred to as a sensor circuit) 3, and electric power is supplied to the heater 2 from the battery 5 via the heater control circuit 6. The sensor circuit 3 receives an analog applied voltage from an air-fuel ratio control unit (A / FCU) 10 formed of a microcomputer via a low-pass filter (LPF) 7 and applies it to the sensor element 2.
[0010]
The A / FCU 10 forms part of the electronic control unit (ECU) 100 together with the sensor circuit 3, the heater control circuit 6 and the LPF 7, and converts digital data into a rectangular analog voltage by a D / A converter provided therein. After that, it outputs to the sensor circuit 3 through the LPF 7. The LPF 7 outputs a smoothed signal from which a high-frequency component of the rectangular analog voltage signal is removed, and prevents an error in detecting the output current of the sensor element 2 due to high-frequency noise. As the voltage of the annealing signal is applied to the sensor element 2, the A / FCU 10 supplies the current flowing through the sensor element 2 that changes in proportion to the oxygen concentration in the gas to be detected, that is, to the sensor element 2 at that time. The applied voltage is detected. The A / FCU 10 is provided with an A / D converter in order to detect these currents and voltages, and these A / D converters are analog voltages and sensors corresponding to the current flowing from the sensor circuit 3 to the sensor element 2. The voltage applied to the element 2 is received and converted into digital data.
[0011]
The air-fuel ratio sensor 1 cannot use its output for air-fuel ratio control unless the sensor element 2 is activated. For this reason, the A / FCU 10 supplies power from the battery 5 to the heater 4 built in the sensor element 2 when the engine is started to energize the heater 4, activates the sensor element 2 early, and activates the sensor element 2. Supplies power to the heater 4 to maintain its active state. The voltage of the battery 5 is converted into digital data by an A / D converter provided in the A / FCU 10.
[0012]
However, focusing on the fact that the resistance of the sensor element 2 depends on the temperature of the sensor element 2, that is, the resistance of the sensor element 2 attenuates as the sensor element temperature increases, the temperature at which the resistance of the sensor element 2 maintains the active state of the sensor element 2 Control is performed to maintain the temperature of the sensor element 2 at a target temperature, for example, 700 ° C., by supplying electric power to the heater 4 so that the resistance value corresponds to, for example, 30Ω. The air-fuel ratio control unit (A / FCU) 10 includes an A / D converter that receives analog voltage corresponding to the voltage and current of the heater 4 from the heater control circuit 6 that heats the sensor element 2 and converts the analog voltage into digital data. Provided. Using these digital data, for example, the resistance value of the heater 4 is calculated, power is supplied to the heater 4 according to the operating state of the engine based on the calculated resistance value, and overheating (OT) of the heater 4 is prevented. Thus, the temperature of the heater 4 is controlled. In the embodiment of the present invention, a limiting current type oxygen concentration detection element (oxygen sensor) is used as the air-fuel ratio sensor 1. However, the present invention is not limited to this, and is also applicable to the case where a λ-type oxygen sensor (referred to as an O 2 sensor) having a Z characteristic for determining whether the air-fuel ratio is rich or lean is used as the air-fuel ratio sensor 1. it can.
[0013]
The air-fuel ratio control unit (A / FCU) 10 includes, for example, a CPU, ROM, RAM, B (battery backup). A RAM, an input port, an output port, an A / D converter, and a D / A converter are provided to perform heater control of an air-fuel ratio sensor 1 of the present invention described later.
Here, the reason why element cracking of the air-fuel ratio sensor occurs during cold start will be described.
[0014]
2 is a cross-sectional view of the air-fuel ratio sensor shown in FIG. The sensor body 20 of the air-fuel ratio sensor has a diffusion resistance layer 21 having a cup-shaped cross section, and this diffusion resistance layer 21 is fitted into a mounting hole portion of an engine exhaust pipe 27 at its opening end 21a and fixed. ing. The diffusion resistance layer 21 is formed by a plasma spraying method such as ZrO2. The sensor body 20 has a solid electrolyte layer 22, and the solid electrolyte layer 22 is formed of an oxygen ion conductive oxide sintered body and an inner peripheral wall of the resistance diffusion layer 21 through an exhaust gas side electrode layer 23 having a cup-shaped cross section. It is fitted and fixed uniformly. On the inner surface of the solid electrolyte layer 22, an atmosphere-side electrode layer 24 is uniformly fixed in a cross-sectional cup shape. In this case, both the exhaust-side electrode layer 23 and the atmosphere-side electrode layer 24 are formed so as to be sufficiently porous by chemical plating or the like with a noble metal having high catalytic activity such as platinum (Pt). The area and thickness of the exhaust gas side electrode layer 23 are about 10 to 100 mm 2 and about 0.5 to 2.0 μm. On the other hand, the area and thickness of the atmosphere-side electrode layer 24 are 10 mm 2 or more and about 0.5 to 2.0 μm. The sensor body 20 is surrounded by a protective cover 28. The protective cover 28 is provided in order to ensure the heat insulation of the sensor body 20 while preventing direct contact with the exhaust gas of the sensor body 20. The protective cover 28 is provided with a large number of small holes for communicating the inside and outside of the cover.
[0015]
Since it is necessary to supply a large amount of power to the heater 26 in order to heat the sensor body 20 early when the engine is cold-started, according to the prior art, power is supplied from the battery 5 to the heater 26 at a duty ratio of 100%. . Then, a large current flows through the heater 26 to heat the heater 26 abruptly, the temperature of the heater 26 rises rapidly, the temperature difference between the temperature of the heater 26 and the temperature of the sensor body 20 increases abruptly, and the air-fuel ratio sensor. Element cracking occurs. This element crack includes a microcrack of the diffusion layer. In the present invention, in order to prevent element cracking of the air-fuel ratio sensor during cold start of the engine, heater control is performed so as not to supply excessive power to the heater 26 during cold start as will be described below.
[0016]
FIG. 3 is a flowchart of the heater control routine. The processing of this routine and the flowcharts shown in FIGS. 4, 6, 7 and 8 are executed at predetermined processing cycles, for example, every 64 ms. First, at step 301, it is determined whether an ignition switch IGSW (not shown) is on or off. When the IGSW is on, the routine proceeds to step 302, and when the IGSW is on, this routine is terminated.
[0017]
Briefly explaining the processing in steps 302 to 312, for the early activation of the air-fuel ratio sensor 1, the power supply from the battery 5 to the heater 4 is started, and until the heater temperature reaches a predetermined temperature, duty control at the time of start-up is performed. Is supplied to the heater 4 (duty control at start-up), and when the heater temperature reaches a predetermined temperature, the electric power corresponding to the heater temperature is supplied to the heater 4 (heater upper limit resistance F / B control). When the temperature of the fuel ratio sensor 1 reaches a predetermined temperature, electric power for maintaining the sensor element 2 in the active state is supplied to the heater 4 according to the element temperature of the air fuel ratio sensor 1 (element temperature F / B control).
[0018]
In step 302, the element DC impedance Zdc of the air-fuel ratio sensor 1 is calculated. The impedance Zdc is obtained by applying a negative voltage Vneg to the sensor element 2, detecting the current Ineg, and calculating Zdc = Vneg / Ineg. In general, there is a correlation that the element DC impedance decreases as the element temperature rises. For example, when the sensor element 2 has an activation temperature of 700 ° C., the element DC impedance is 30Ω.
[0019]
In step 303, it is determined whether or not the activation flag F1 of the air-fuel ratio sensor 1 is set. If F1 = 1, the process proceeds to step 304. In step 304, element temperature F / B control is executed, and F1 = 0. If so, go to Step 305.
In step 305, the activation of the sensor element 2 is determined based on the element DC impedance. That is, when Zdc> 30, it is determined that the sensor element 2 has been activated, the activation flag F1 of the air-fuel ratio sensor 1 is set to 1 at step 306, and then element temperature F / B control is executed at step 304, Zdc ≦ If it is 30, it is determined that the sensor element 2 is in an inactive state, and the process proceeds to step 307 to perform heater control for activating the sensor element 2. The flag F1 is reset by a one-shot pulse signal when the ignition switch IGSW is switched from OFF to ON.
[0020]
In step 307, the applied voltage Vn and current In to the heater 4 are detected. In step 308, the resistance Rh of the heater 4 is calculated from Rh = Vn / In.
In step 309, it is determined whether or not the heater upper limit temperature 1020 ° C., which is lower than the heat-resistant limit temperature 1200 ° C. of the heater 4 by a predetermined temperature, has been reached. DUTY control for supplying as much power as possible to 4 is executed. If the determination result is NO, the process proceeds to step 311 to perform control to maintain the heater 4 at the heater upper limit temperature of 1020 ° C. Steps 310 and 311 will be described in detail later with reference to FIGS. Here, the reason why the upper limit temperature of the heater is not set to the heat resistant limit temperature of the heater 4 is that the resistance temperature characteristic of the heater 4 varies. When the median value of the variation is used, the heater resistance Rh corresponding to the heater upper limit temperature of 1020 ° C. is 2.1Ω, and when the heater control is performed so that the heater resistance Rh is 2.1Ω, the heater temperature variation is 870 to 1200. It falls within the range of ° C and does not exceed the heat resistance limit temperature of the heater 4.
[0021]
In step 312, the voltage of the battery 5 is applied to the heater according to the DUTY ratio set in steps 310 and 311. Here, DUTY control means that when the cycle of turning on and off the voltage of the battery 5 to the heater 4 is 100 ms, for example, when the DUTY ratio is 20%, the on time is 20 ms, the off time is 80 ms, and the DUTY ratio is 50%. When the ON time is 50 ms, the OFF time is 50 ms, and the DUTY ratio is 100%, the control means that the voltage of the battery 5 is applied to the heater 4 in each cycle of the ON time of 100 ms. Next, step 311 in FIG. 3 will be described in detail with reference to FIG.
[0022]
FIG. 4 shows heater control based on the heater upper limit resistance. First, in step 401, it is determined whether or not the heater power control flag F2 indicating that the heater power control is being executed is set. If F2 = 1, the process proceeds to step 402. If F1 = 0, the process proceeds to step 403. In step 403, 20% is set as the initial duty ratio of the heater power control. This 20% is a value selected so that a sudden change in the heater temperature is suppressed when the heater voltage control is shifted to the power control. Next, at step 404, F2 is set. The flag F2 is reset by a one-shot pulse signal when the ignition switch IGSW is switched from OFF to ON.
[0023]
In step 402, it is determined whether or not the heater resistance Rh is greater than 2.5Ω in order to perform control for protecting the heater 4 from being abnormally heated due to a rise in exhaust temperature caused by a sudden change in engine operating conditions. When Rh> 2.5Ω, the process proceeds to step 405, and when Rh ≦ 2.5Ω, the process proceeds to step 406. In step 406, DUTY = DUTY-10 is calculated, and the calculated value is set to a new DUTY ratio. When DUTY becomes a negative value, DUTY = 0 is set.
[0024]
In step 405, the heater power Wh is calculated from the following equation.
Wh = Vn.times.In.times.DUTY / 100
Here, Vn and In indicate the voltage value and current value detected in step 307 in FIG. 3, and DUTY indicates the DUTY ratio set in step 403, 406, 408 or 409 in the previous processing cycle.
[0025]
In step 407, the heater power Wh in the current processing cycle is compared with the heater power supply 21W corresponding to the heat-resistant limit temperature 1200 ° C of the heater 4, and when Wh ≦ 21, the power supplied to the heater 4 is lower than the target power. In step 408, the duty ratio is increased by 3% (DUTY = DUTY + 3 is calculated) to increase the power supplied to the heater 4. If Wh> 21, the power supplied to the heater 4 is the target. It is determined that the electric power is higher than the electric power, and the process proceeds to step 409. In step 409, the duty ratio is subtracted by 3% (DUTY = DUTY-3 is calculated), and the electric power supplied to the heater 4 is decreased.
[0026]
By controlling the heater based on the DUTY set as described above, the actual power supplied to the heater 4 can be controlled to the target power 21 (W).
Next, the element temperature F / B control in step 304 will be described. Based on the element DC impedance Zdc detected in step 303, the duty ratio of the voltage applied to the heater 4 is set based on the following equation so that the element DC impedance Zdc is 30 (Ω) corresponding to an element temperature of 700 ° C. Calculate.
[0027]
DUTY = GP + GI + c
GP = a (Zdc-30)... Proportional term GI = GI + b (Zdc-30)... Integral term where a, b and c are constants such as a = 4.2, b = 0.2 and c = 20, for example. It is. By controlling the heater 4 with the calculated duty ratio, the element DC impedance Zdc can be controlled in the vicinity of 30 (Ω), the sensor element can always be maintained in a good active state, and damage to the sensor element due to abnormal heating can be prevented. it can. Next, step 310 in FIG. 3 will be described below with reference to FIG.
[0028]
FIG. 5 is a flowchart showing the heater control of the first embodiment when the engine is started. When it is determined in step 309 in FIG. 3 that the heater temperature has not reached the heater upper limit temperature of 1020 ° C., steps 501 and 502 are executed, and DUTY control for supplying as much power as possible to the heater 4 is performed. In step 501, the voltage of the battery 5 is read. In step 502, the DUTY ratio of the heater supply power is calculated from the battery voltage read in step 501 using the map shown in FIG.
[0029]
According to the heater control of the first embodiment, even when the battery voltage VB is higher than 12V when the engine is started, the duty ratio is set lower than 100%. Can be prevented.
In the map shown in FIG. 6, when the battery voltage V B is 12V and DUTY = 100, a voltage of 12V is continuously applied to the heater resistance Rh = 2.1 (Ω), and the average supply power to the heater 4 is , (V B ) 2 / R, which is about 69 (W). By setting the average supply power to the heater 4 at this time to an upper limit value, it is possible to supply power to the heater 4 without causing a sensor element crack. When the battery voltage V B exceeds 12 V, the DUTY ratio is calculated so that the average power supply to the heater 4 does not exceed 69 (W). For example, when the battery voltage V B is 14 V and the power is supplied with 100% duty as it is, the average supply power becomes (V B ) 2 / R = 93 (W), and this is reduced to 69 (W). In order to achieve this, the DUTY ratio may be 69/93 = 74 (%). The DUTY ratio for the battery voltage V B exceeding 12V in the map is thus calculated. Note that the DUTY ratio for the battery voltage V B of 12 V or less is set to 100% for early activation of the sensor element 2 because the average supply power is 69 (W) or less even when power is supplied at 100% duty. Next, step 310 of FIG. 3 will be described below with reference to FIG.
[0030]
FIG. 7 is a flowchart showing the heater control of the second embodiment when the engine is started. When it is determined in step 309 in FIG. 3 that the heater temperature has not reached the heater upper limit temperature of 1020 ° C., Rh <2.1 (Ω), steps 701 and 702 are executed to supply as much power as possible to the heater 4. DUTY control is performed. In step 701, the heater supply power Wa to the heater 4 at the current processing cycle DUTY = 100 (%) is calculated from the heater voltage Vn and heater current In detected in step 307 in FIG. 3 (Wa = Vn × In). . Here, it should be noted that the heater voltage Vn corresponds to the battery voltage VB, and Wa is calculated according to VB.
[0031]
In step 702, the DUTY ratio is calculated from the following equation using the heater maximum supply power Whm and the heater supply power Wa calculated in step 701 for the current processing cycle.
DUTY = (Whm / Wa) × 100 = (144 / Wa) × 100
Here, the heater maximum supply power Whm is the average supply power 144 that can be supplied to the heater 4 without cracking the sensor element when the heater resistance Rh is 1.0 (Ω) and the battery voltage VB is 12 (V). Say (W). When DUTY> 100 as a result of the above calculation, DUTY = 100 is set.
[0032]
According to the heater control of the second embodiment, the heater supply power Wa is the maximum heater supply depending on the battery voltage VB when the heater resistance Rh is a small resistance value before reaching 2.1 (Ω) when the engine is started. Since there is a possibility that the heater temperature rapidly rises beyond the electric power Whm (= 144 (W)) and the sensor element breaks due to thermal shock, the heater is set so that the upper limit of the heater supply electric power Wa is set to the heater maximum supply electric power Whm. The DUTY ratio of the voltage applied to 4 is set.
[0033]
FIG. 8 is a flowchart showing the heater control of the third embodiment when the engine is started. When it is determined in step 309 in FIG. 3 that the heater temperature has not reached the heater upper limit temperature of 1020 ° C., steps 801 to 806 are executed, and DUTY control for supplying as much power as possible to the heater 4 is performed. In step 801, the heater temperature is calculated from the heater resistance Rh calculated in step 308 of FIG. In step 802, the temperature of the sensor element 2 is calculated from the element DC impedance Zdc calculated in step 302 of FIG. In step 803, the temperature difference between the heater temperature calculated in step 801 and the sensor element temperature calculated in step 802 is calculated. In step 804, it is determined whether or not the temperature difference exceeds a predetermined value, for example, 500 ° C., and if the determination result is YES, the process proceeds to step 805, and in step 805, the heater temperature is rapidly increased and a sensor element caused by thermal shock is detected. DUTY ratio that does not cause element cracking of, for example, 20% is set. When the determination result in step 804 is NO, a DUTY ratio corresponding to the voltage of the battery 5 is calculated. Specifically, the processing of the above-described flowchart of FIG. 5 (first embodiment) or the flowchart of FIG. 7 (second embodiment) is executed. The predetermined value 500 ° C. is a value obtained experimentally. Since the heater upper limit temperature is 1020 ° C. and the sensor activation temperature is 700 ° C., a thermal shock does not occur at a difference of about 320 ° C. Until the sensor element 2 is activated, the normal temperature difference rarely exceeds 500 ° C., and this setting has little effect on the early activation of the sensor element 2.
[0034]
In step 802, the temperature of the sensor element 2 is calculated from the element DC impedance Zdc. Alternatively, the temperature of the sensor element 2 may be calculated from the element AC impedance Zac. Normally, 0.3 (V), for example, is applied to the sensor element 2, and the exhaust current is calculated by detecting the limit current every predetermined period. The AC impedance Zac applies a pulse voltage of 0.3 ± 0.2 (V) to the sensor element 2 every predetermined period, for example, every 64 ms, and detects the voltage Vac and current Iac of the sensor element 2 at that time, Calculate Zac = Vac / Iac. In general, there is a correlation that the element AC impedance is attenuated as the element temperature rises, similarly to the element DC impedance. In the case of detecting the element AC impedance, there is no need to apply a negative voltage to the sensor element 2 as in the case of detecting the element DC impedance, so that there is an advantage that the control circuit can be simplified.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when power is supplied to the heater at the time of cold start, power is supplied to the heater in accordance with the voltage of the battery. Element breakage of the sensor is prevented.
As described above, according to the present invention, the element crack of the air-fuel ratio sensor is predicted from the temperature difference between the heater temperature and the sensor element temperature during cold start, and the heater is supplied based on the temperature difference. Since the electric power to be set is set, the element breakage of the air-fuel ratio sensor due to the thermal shock is prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a heater control device for an air-fuel ratio sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the air-fuel ratio sensor shown in FIG.
FIG. 3 is a flowchart of a heater control routine.
FIG. 4 is a flowchart showing heater control based on a heater upper limit resistance.
FIG. 5 is a flowchart showing heater control of the first embodiment at the time of engine start.
FIG. 6 is a map for calculating a DUTY ratio of heater supply power from a battery voltage.
FIG. 7 is a flowchart showing heater control of the second embodiment at the time of engine start.
FIG. 8 is a flowchart showing heater control of a third embodiment at the time of engine start.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... A / F sensor 2 ... Sensor element 3 ... A / F sensor circuit 4 ... Heater 5 ... Battery 6 ... Heater control circuit 7 ... LPF
10 ... A / F control unit 100 ... Electronic control unit (ECU)

Claims (3)

内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサを加熱するヒータと、該空燃比センサが活性化温度になるように該ヒータに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、を備えた空燃比センサのヒータ制御装置において、
前記ヒータに電力を供給するバッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、
前記ヒータの温度を検出するヒータ温検出手段と、
前記内燃機関の始動に際し、前記ヒータに電力供給を開始してから前記ヒータ温検出手段により検出されたヒータ温度が前記ヒータの耐熱限界温度を超えないようなヒータ抵抗に相当する温度に達するまでの間、前記バッテリ電圧検出手段により検出されたバッテリ電圧が所定電圧より低い場合には前記ヒータへ連続的に電力を供給するよう設定し、前記バッテリ電圧が前記所定電圧より高いか等しい場合には前記バッテリ電圧の高さに応じたセンサ素子割れを生じない所定最大電力を供給する周期で電力を供給するよう設定する電力設定手段と、
を備えたことを特徴とする空燃比センサのヒータ制御装置。
An air-fuel ratio sensor provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, a heater for heating the air-fuel ratio sensor, heater control means for controlling electric power supplied to the heater so that the air-fuel ratio sensor becomes an activation temperature, In the air-fuel ratio sensor heater control device comprising:
Battery voltage detecting means for detecting a voltage of a battery for supplying power to the heater;
Heater temperature detecting means for detecting the temperature of the heater;
When starting the internal combustion engine, from the start of power supply to the heater until the heater temperature detected by the heater temperature detecting means reaches a temperature corresponding to the heater resistance that does not exceed the heat resistance limit temperature of the heater. In the meantime, when the battery voltage detected by the battery voltage detecting means is lower than a predetermined voltage, it is set to continuously supply power to the heater, and when the battery voltage is higher than or equal to the predetermined voltage, Power setting means for setting power to be supplied at a cycle for supplying a predetermined maximum power that does not cause the sensor element cracking according to the height of the battery voltage ;
A heater control device for an air-fuel ratio sensor.
内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサを加熱するヒータと、該空燃比センサが活性化温度になるように該ヒータに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、を備えた空燃比センサのヒータ制御装置において、
前記ヒータに電力を供給するバッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、
前記ヒータの温度を検出するヒータ温検出手段と、
前記ヒータを流れる電流を検出するヒータ電流検出手段と、
前記空燃比センサの素子温度を検出する素子温検出手段と、
前記内燃機関の始動に際し、前記ヒータに電力供給を開始してから前記ヒータ温検出手段により検出されたヒータ温度が前記ヒータの耐熱限界温度を超えないようなヒータ抵抗に相当する温度に達するまでの間、前記バッテリ電圧検出手段により検出されたバッテリ電圧と前記ヒータ電流検出手段により検出されたヒータ電流とから算出された前記ヒータへの供給電力が、センサ素子割れを生じないヒータ最大供給電力となるように、前記ヒータへの供給電力を設定するヒータ電力設定手段と、
を備えたことを特徴とする空燃比センサのヒータ制御装置。
An air-fuel ratio sensor provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, a heater for heating the air-fuel ratio sensor, heater control means for controlling electric power supplied to the heater so that the air-fuel ratio sensor becomes an activation temperature, In the air-fuel ratio sensor heater control device comprising:
Battery voltage detecting means for detecting a voltage of a battery for supplying power to the heater;
Heater temperature detecting means for detecting the temperature of the heater;
Heater current detecting means for detecting a current flowing through the heater;
An element temperature detecting means for detecting an element temperature of the air-fuel ratio sensor;
When starting the internal combustion engine, from the start of power supply to the heater until the heater temperature detected by the heater temperature detecting means reaches a temperature corresponding to the heater resistance that does not exceed the heat resistance limit temperature of the heater. During this time, the power supplied to the heater calculated from the battery voltage detected by the battery voltage detection means and the heater current detected by the heater current detection means becomes the heater maximum supply power that does not cause sensor element cracking. A heater power setting means for setting the power supplied to the heater,
A heater control device for an air-fuel ratio sensor.
内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、該空燃比センサを加熱するヒータと、該空燃比センサが活性化温度になるように該ヒータに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、を備えた空燃比センサのヒータ制御装置において、
前記ヒータに電力を供給するバッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、
前記ヒータの温度を検出するヒータ温検出手段と、
前記空燃比センサの素子温度を検出する素子温検出手段と、
前記内燃機関の始動に際し、前記ヒータに電力供給を開始してから前記ヒータ温検出手段により検出されたヒータ温度が前記ヒータの耐熱限界温度を超えないようなヒータ抵抗に相当する温度に達するまでの間、前記ヒータ温度と前記素子温検出手段により検出された素子温度との温度差が所定値より大きい場合、センサ素子割れを生じない所定電力となるように前記ヒータへの供給電力を設定し、前記温度差が所定値より小さいか等しい場合、前記バッテリ電圧の高さに応じたセンサ素子割れを生じない所定最大電力を供給する周期で電力を供給するよう設定するか、またはセンサ素子割れを生じないヒータ最大供給電力となるように前記ヒータへの供給電力を設定するヒータ電力設定手段と、
を備えたことを特徴とする空燃比センサのヒータ制御装置。
An air-fuel ratio sensor provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, a heater for heating the air-fuel ratio sensor, heater control means for controlling electric power supplied to the heater so that the air-fuel ratio sensor becomes an activation temperature, In the air-fuel ratio sensor heater control device comprising:
Battery voltage detecting means for detecting a voltage of a battery for supplying power to the heater;
Heater temperature detecting means for detecting the temperature of the heater;
An element temperature detecting means for detecting an element temperature of the air-fuel ratio sensor;
When starting the internal combustion engine, from the start of power supply to the heater until the heater temperature detected by the heater temperature detecting means reaches a temperature corresponding to the heater resistance that does not exceed the heat resistance limit temperature of the heater. Meanwhile, when the temperature difference between the heater temperature and the element temperature detected by the element temperature detecting means is larger than a predetermined value, the power supplied to the heater is set to be a predetermined power that does not cause a sensor element crack, When the temperature difference is smaller than or equal to a predetermined value, the sensor element is set to be supplied at a cycle for supplying a predetermined maximum power that does not cause the sensor element cracking according to the battery voltage level, or the sensor element cracking occurs. Heater power setting means for setting the supply power to the heater so as not to have a heater maximum supply power;
A heater control device for an air-fuel ratio sensor.
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