JP2001318074A - 空燃比センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒータ付き空燃比センサのセンサ素子のイン
ピーダンスを検出してヒータ制御を行う一方、センサ素
子過熱状態での素子破壊等を確実に防止する。 【解決手段】 ネルンストセル部とポンプセル部とを備
える空燃比センサに対し、そのネルンストセル部に交流
電圧を印加し、交流電圧の印加によりネルンストセル部
に流れる電流値よりネルンストセル部のインピーダンス
を計測する。そして、計測されたインピーダンスが目標
インピーダンスとなるようにヒータへの通電量をフィー
ドバック制御する。その一方、計測されたインピーダン
スが所定値未満のセンサ素子過熱状態にて、ヒータへの
通電を停止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気系
に装着され、センサ素子加熱用のヒータを備える空燃比
センサのヒータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の空燃比制御装置として、空燃
比センサにより排気中の酸素濃度などに基づいて実際の
空燃比を検出し、これが目標空燃比となるように、機関
への燃料供給量をフィードバック制御するものが知られ
ている。

【０００３】ところで、上記の空燃比フィードバック制
御を行うためには、空燃比センサが活性化していること
が前提条件となり、空燃比センサは、その素子温度が所
定の活性温度に達することで活性化されるため、空燃比
センサには、センサ素子加熱用のヒータを装備させて、
機関始動開始からヒータへの通電制御を行っている（特
開平１１−２６４８１１号公報参照）。

【０００４】一方、特開昭６１−１２５５６号公報に
は、空燃比センサに備えられるセンサ素子加熱用のヒー
タへの通電量を素子温度に基づいて制御することを目的
として、センサ素子のインピーダンスが素子温度に依存
していることから、センサ素子のインピーダンスを用い
て素子温度を検出することが開示されている。

【０００５】具体的には、空燃比センサのセンサ素子に
高周波の交流電圧を印加し、交流電圧の印加によりセン
サ素子に流れる電流値（振幅）よりセンサ素子のインピ
ーダンスを計測し、計測されたインピーダンスより素子
温度を検出するようにしている。

【０００６】また、特開平１０−２６５９９号公報に
は、センサ素子のインピーダンスが目標インピーダンス
となるようにヒータへの通電量をフィードバック制御す
ることが開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の空燃比センサのヒータ制御装置にあっては、センサ
素子のインピーダンスに基づいてヒータへの通電量をフ
ィードバック制御したとしても、フィードバック制御の
遅れ等に起因して、センサ素子が過熱状態になることが
あり、このような場合にフィードバック制御のみでは、
過熱状態の一時的な継続により、素子破壊を生じたり、
素子破壊に至らないまでも温度特性による感度変化を生
じて空燃比検出精度が悪化するといった問題点があっ
た。

【０００８】本発明は、このような従来の問題点に鑑
み、空燃比センサのヒータ制御に際し、センサ素子過熱
状態での素子破壊等を確実に防止することができる空燃
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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明では、図１に示すように、空燃比センサのセンサ
素子に交流電圧を印加する交流電圧印加手段と、交流電
圧の印加によりセンサ素子に流れる電流値よりセンサ素
子のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段
と、計測されたインピーダンスが所定値未満のセンサ素
子過熱状態にて前記ヒータへの通電を停止するヒータ通
電停止手段とを設けたことを特徴とする。

【００１０】請求項２に係る発明では、前記空燃比セン
サは、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生する
ネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出さ
れる空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧
が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化する
ポンプセル部とを備えてなり、前記交流電圧印加手段
は、前記ネルンストセル部に交流電圧を印加するもので
あり、前記インピーダンス計測手段は、交流電圧の印加
により前記ネルンストセル部に流れる電流値より前記ネ
ルンストセル部のインピーダンスを計測するものである
ことを特徴とする。

【００１１】請求項３に係る発明では、前記インピーダ
ンスが前記所定値以上のときに、前記インピーダンスが
目標インピーダンスとなるように前記ヒータへの通電量
をフィードバック制御するヒータ通電量フィードバック
制御手段を設けたことを特徴とする。

【００１２】請求項４に係る発明では、前記インピーダ
ンス計測手段は、計測されたインピーダンスを平滑化処
理する手段を有していることを特徴とする。

【００１３】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、空燃比セ
ンサのセンサ素子に交流電圧を印加して、交流電圧の印
加によりセンサ素子に流れる電流値よりセンサ素子のイ
ンピーダンスを計測することで、各種バラツキに影響さ
れることなく、素子温度を知ることができる一方、計測
されたインピーダンスが所定値未満のセンサ素子過熱状
態にてヒータへの通電を停止することで、過熱状態での
素子破壊や、感度変化による空燃比検出精度の悪化を防
止でき、更に消費電力低減にも寄与することができる。

【００１４】請求項２に係る発明によれば、ネルンスト
セル部とポンプセル部とを備える空燃比センサにおい
て、ネルンストセル部に交流電圧を印加して、ネルンス
トセル部のインピーダンスを計測することにより、ポン
プセル部での空燃比検出に影響を与えることなく、イン
ピーダンスを検出することができる。

【００１５】請求項３に係る発明によれば、通常状態で
は、実インピーダンスが目標インピーダンスとなるよう
にヒータへの通電量をフィードバック制御することで、
素子温度を所望の温度に制御して、早期活性化等を図る
ことができる。

【００１６】請求項４に係る発明によれば、計測された
インピーダンスを平滑化処理して、ヒータ制御に用いる
ことで、制御精度を向上できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。図２は本発明の一実施形態を示す内燃機関
の空燃比フィードバック制御装置のシステム構成を示し
ている。

【００１８】内燃機関（以下エンジンという）１には、
各気筒毎に、吸気通路２又は燃焼室内に臨むように、燃
料噴射弁３が設けられ、各燃料噴射弁３の燃料噴射はコ
ントロールユニット４により制御される。

【００１９】コントロールユニット４は、例えば、エア
フローメータ５からの信号に基づいて検出される吸入空
気量Ｑａと、クランク角センサ６からの信号に基づいて
検出されるエンジン回転数Ｎｅとから、ストイキ（λ＝
１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは
定数）を演算し、これを目標空燃比ｔλの他、排気通路
７に配置した空燃比センサ８からの信号に基づく空燃比
フィードバック補正係数αにより補正して、最終的な燃
料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×（１／ｔλ）×αを演算し、この
Ｔｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルスを、エンジン
回転に同期して、各燃料噴射弁３に出力する。

【００２０】ここで、空燃比センサ８は、排気通路７に
配置されて、排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する
もので、コントロールユニット４は、空燃比センサ８か
らの信号に基づいて、エンジン１に供給されている混合
気の空燃比λを検出し、これが目標空燃比ｔλとなるよ
うに、空燃比フィードバック補正係数αを比例積分制御
などにより増減設定することで、空燃比λを目標空燃比
ｔλにフィードバック制御する。

【００２１】また、空燃比センサ８としては、空燃比を
リニアに検出可能ないわゆる広域型空燃比センサを用い
る。図３はかかる広域型空燃比センサ８のセンサ素子構
造を示し、これについて説明する。

【００２２】センサ素子の本体２０は、酸素イオン導電
性を有するジルコニア等の固体電解質材料で多孔質層に
形成されて、排気通路中に置かれる。本体２０の内部に
は、図で下側から、ヒータ２１、大気室２２、ガス拡散
室２３を備えている。

【００２３】ヒータ２１は、これへの通電により、セン
サ素子を加熱することができる。大気室２２は、排気通
路外で、基準ガスである大気と連通するように形成され
ている。

【００２４】ガス拡散室２３は、本体２０の図で上面側
より形成した排気導入孔２４により、γアルミナ等の保
護層２５を介して、排気と連通するように形成されてい
る。ここで、大気室２２の上壁に設けた電極２６Ａと、
ガス拡散室２３の下壁に設けた電極２６Ｂとで、ネルン
ストセル部２６が構成される。

【００２５】また、ガス拡散室２３の上壁に設けた電極
２７Ａと、本体２０の上壁に設けて保護層２８で覆った
電極２７Ｂとで、ポンプセル部２７が構成される。ネル
ンストセル部２６は、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃
度（酸素分圧）によって影響されるネルンストセル部電
極２６Ａ，２６Ｂ間の酸素分圧比に応じて、電圧を発生
するようになっている。

【００２６】従って、ネルンストセル部電極２６Ａ，２
６Ｂ間の酸素分圧比によって発生する電圧を検出するこ
とで、空燃比がストイキ（λ＝１）に対してリーンであ
るかリッチであるかを検出することができる。

【００２７】ポンプセル部２７は、これに所定の電圧が
印加されると、これによりガス拡散室２３内の酸素イオ
ンが移動して、ポンプセル部電極２７Ａ，２７Ｂ間に電
流が流れるようになっている。

【００２８】そして、ポンプセル部電極２７Ａ，２７Ｂ
間に所定の電圧を印加したときに、該電極間を流れる電
流値（限界電流値）Ｉｐは、ガス拡散室２３内の酸素イ
オン濃度に影響されるので、電流値Ｉｐを検出すれば、
排気の空燃比を検出することができる。

【００２９】すなわち、図４（Ａ）に示すように、ポン
プセル部２７の電圧−電流特性は、空燃比λに応じて変
化し、所定の電圧Ｖｐを印加したときの電流値Ｉｐより
排気の空燃比λを検出することができる。

【００３０】また、ネルンストセル部２７でのリーン・
リッチの出力に基づいて、ポンプセル部２７に対する電
圧の印加方向を反転させることで、リーン領域とリッチ
領域との両方の空燃比領域において、図４（Ｂ）に示す
ように、ポンプセル部２７を流れる電流値Ｉｐに基づい
て、広範囲な空燃比λの検出が可能となる。

【００３１】上記のような構造と特性とを有するセンサ
素子に対し、本発明では、ヒータ２１への通電制御のた
め、センサ素子の温度を検出すべく、センサ素子（特に
ネルンストセル部２６）に高周波の交流電圧を印加し
て、そのインピーダンスを計測する。

【００３２】図５は空燃比センサのセンサ素子（ネルン
ストセル部及びポンプセル部）及びセンサ素子加熱用の
ヒータに対する制御回路を示している。ネルンストセル
部２６には、インピーダンスの検出のため、マイコン３
０の制御の下に、交流電源３１より、高周波の交流電圧
（周波数ｆ＝３ＫＨｚ、振幅1.75Ｖ）を印加し、これに
よりネルンストセル部２６に流れる電流値Ｉｓを電流検
出用抵抗３２と検出アンプ３３とにより電圧変換する。

【００３３】検出アンプ３３からの信号は、例えばハイ
パスフィルタと積分器とからなるインピーダンス検出回
路３４に入力することで、交流成分のみを取出して、そ
の振幅からインピーダンスＲｉを検出する。これによ
り、ネルンストセル部２６のインピーダンスＲｉを計測
することができる。

【００３４】また、検出アンプ３３からの信号は、ロー
パスフィルタ３５に入力することで、直流成分のみを取
出して、酸素濃度に応じてネルンストセル部２６で発生
する電圧を検出する。これにより、酸素濃度のリーン・
リッチを検出することができるポンプセル部２７には、
マイコン３０の制御の下に、直流電源３６より所定の電
圧Ｖｐを印加するが、印加方向はネルンストセル部２６
により検出される酸素濃度のリーン・リッチに応じて反
転させ、これによりポンプセル部２７に流れる電流Ｉｐ
を電流検出用抵抗３７と検出アンプ３８とにより電圧変
換して検出する。これにより、空燃比λを検出すること
ができる。

【００３５】ヒータ２１には、バッテリよりバッテリ電
圧ＶＢを印加するが、通電回路中にスイッチング素子３
９を設けてある。従って、このスイッチング素子３９の
ＯＮ・ＯＦＦをマイコン３０によりデューティ制御する
ことにより、ヒータ２１への通電量を制御することがで
きる。

【００３６】図６はマイコン３０により所定時間毎に実
行されるインピーダンス計測及びヒータ制御のフローチ
ャートである。ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同
様）では、交流電源３１をＯＮにして、ネルンストセル
部２６に高周波の交流電圧（周波数ｆ＝３ＫＨｚ、振幅
1.75Ｖ）を印加する。この部分が交流電圧印加手段に相
当する。

【００３７】ステップ２では、交流電圧の印加によりネ
ルンストセル部２６に流れる電流値（振幅）に基づき、
インピーダンス検出回路３４等を介して、ネルンストセ
ル部２６のインピーダンスＲｉを計測する。ここで、イ
ンピーダンスＲｉは低温時ほど大きく、高温になるほど
小さく計測される。この部分がインピーダンス計測手段
に相当する。

【００３８】ステップ３では、計測されたインピーダン
スＲｉを平滑化処理する。この部分が平滑化処理手段に
相当する。具体的には、次の（ａ）又は（ｂ）の方法
で、平滑化処理する。

【００３９】（ａ）例えば２０ｍｓ毎にインピーダンス
Ｒｉを計測している場合、最新に計測したＲｉをＲｉ(n
ew) 、２００ｍｓ前に計測したＲｉをＲｉ(old) とする
と、これらの２つのＲｉのデータに基づき、 ＡＶＧＲｉ＝〔Ｒｉ(new) ＋Ｒｉ(old) 〕／２ により、平均値ＡＶＧＲｉを算出することで、平滑化処
理する。

【００４０】（ｂ）例えば２０ｍｓ毎にインピーダンス
Ｒｉを計測している場合、最新の例えば１０個のＲｉの
データに基づき、 ＡＶＧＲｉ＝ΣＲｉ／１０ （但し、ΣＲｉは１０個
のＲｉの合計値） により、平均値ＡＶＧＲｉを算出することで、平滑化処
理する。

【００４１】ステップ４では、所定のヒータ制御許可条
件が成立しているか否かを判定する。ここで、ヒータ制
御許可条件とは、例えば、エンジン回転中で、バッテリ
電圧が所定値以上であり、かつ、空燃比センサ及びその
ヒータが故障なしと診断されているときとする。

【００４２】ヒータ制御許可条件が成立している場合
は、ステップ５へ進む。ステップ５では、実インピーダ
ンスＡＶＧＲｉをセンサ素子の限界温度（例えば９００
℃）に相当する所定値ＬＴＲｉ（例えば５０Ω）と比較
し、ＡＶＧＲｉ＜ＬＴＲｉ（センサ素子過熱状態）とな
ったか否かを判定する。

【００４３】ＡＶＧＲｉ≧ＬＴＲｉ（正常状態）の場合
は、ステップ６へ進む。ステップ６では、実インピーダ
ンスＡＶＧＲｉが目標温度（例えば８００℃）相当の目
標インピーダンスＴＧＲｉとなるように、ヒータデュー
ティＨＤＵＴＹに対するフィードバック補正係数ＫＲｉ
をＰＩＤ制御により算出する。具体的には、次の〔１〕
〜〔５〕の手順で算出する。尚、図７にはフィードバッ
ク補正係数ＫＲｉ算出のブロック図を示してある。

【００４４】〔１〕実インピーダンスＡＶＧＲｉと、目
標インピーダンスＴＧＲｉとに基づいて、次式より、Ｐ
分を算出する。 Ｐ分＝ＧＰ×（ＡＶＧＲｉ−ＴＧＲｉ）／ＡＶＧＲｉ ここで、ＧＰは所定のＰ分ゲインである。

【００４５】〔２〕実インピーダンスＡＶＧＲｉと、目
標インピーダンスＴＧＲｉとに基づいて、次式より、Ｉ
分を算出する。 Ｉ分＝前回のＩ分＋ＧＩ×（ＡＶＧＲｉ−ＴＧＲｉ）／
ＡＶＧＲｉ ここで、ＧＩは所定のＩ分ゲインである。

【００４６】〔３〕実インピーダンスＡＶＧＲｉと、前
回の実インピーダンスＡＶＧＲｉold とに基づいて、次
式より、Ｄ分を算出する。 Ｄ分＝ＧＤ×（ＡＶＧＲｉ−ＡＶＧＲｉold ） ここで、ＧＤは所定のＤ分ゲインである。

【００４７】〔４〕これらのＰ分、Ｉ分、Ｄ分を加算し
て、次式のごとく、エラー量ｅｒｒを算出する。 エラー量ｅｒｒ＝Ｐ分＋Ｉ分＋Ｄ分 尚、算出したエラー量ｅｒｒは適宜リミッタ処理する。

【００４８】〔５〕エラー量ｅｒｒに基づいて、所定の
テーブルを参照して、フィードバック補正係数ＫＲｉを
算出する。ここで、エラー量ｅｒｒ＝０のとき、フィー
ドバック補正係数ＫＲｉ＝１とし、エラー量ｅｒｒがプ
ラス側に大きくなるに従って、フィードバック補正係数
ＫＲｉを１より小さくし、エラー量ｅｒｒがマイナス側
に大きくなるに従って、フィードバック補正係数ＫＲｉ
を１より大きくする。

【００４９】尚、ＰＩＤ制御におけるＰ分ゲイン（Ｇ
Ｐ）、Ｉ分ゲイン（ＧＩ）及びＤ分ゲイン（ＧＤ）は、
吸入空気量Ｑａに基づいてテーブル参照により、又は、
エンジン回転数Ｎｅと基本燃料噴射量Ｔｐとに基づいて
マップ参照により、可変設定するとよい。

【００５０】ステップ７では、フィードバック補正係数
ＫＲｉにより補正して、ヒータデューティＨＤＵＴＹを
算出し、これを出力して、本ルーチンを終了する。ここ
で、ヒータデューティＨＤＵＴＹは、フィードバック補
正係数ＫＲｉを用いて、次式により算出する。

【００５１】ＨＤＵＴＹ＝１００（％）×ＫＶＢ×ＫＡ
ＦＣＵＴ×ＫＲｉ 尚、ＫＶＢはバッテリ電圧補正係数、ＫＡＦＣＵＴは燃
料カット補正係数である。

【００５２】このようなステップ６，７でのヒータデュ
ーティ制御により、素子温度を目標温度にフィードバッ
ク制御することができ、この部分がヒータ通電量フィー
ドバック制御手段に相当する。

【００５３】一方、ステップ４での判定で、ヒータ制御
許可条件が成立していない場合は、ステップ８へ進ん
で、ヒータデューティＨＤＵＴＹ＝０として、本ルーチ
ンを終了する。従って、この場合はヒータ２１への通電
は行わない。

【００５４】また、ステップ５での判定で、実インピー
ダンスＡＶＧＲｉが所定値ＬＴＲｉ未満となった場合
（ＡＶＧＲｉ＜ＬＴＲｉの場合）も、ステップ８へ進ん
で、ヒータデューティＨＤＵＴＹ＝０として、本ルーチ
ンを終了する。従って、この場合もヒータ２１への通電
は行わない。この部分がセンサ素子過熱状態でのヒータ
通電停止手段に相当する。

【００５５】図８は始動後のインピーダンス変化を示し
たもので、始動後のヒータ制御及び排気温度上昇によ
り、時間経過と共に、空燃比センサの素子温度が上昇す
ることで、実インピーダンスＡＶＧＲｉが次第に低下し
て、実線に示すように目標インピーダンスＴＧＲｉに収
束していくが、何らかの原因で、点線に示すように実イ
ンピーダンスＡＶＧＲｉが所定値ＬＴＲｉ未満のセンサ
素子過熱状態になったときは、ヒータ２１への通電を停
止して、センサ素子を保護するのである。

【００５６】以上説明したように本発明によれば、空燃
比センサのセンサ素子（ネルンストセル部２６）に交流
電圧を印加して、交流電圧の印加によりセンサ素子に流
れる電流値（振幅）よりセンサ素子のインピーダンスを
計測することで、各種バラツキに影響されることなく、
素子温度を知ることができる一方、計測されたインピー
ダンスが所定値未満のセンサ素子過熱状態にてヒータ２
１への通電を停止することで、過熱状態での素子破壊
や、感度変化による空燃比検出精度の悪化を防止でき、
更に消費電力低減にも寄与することができる。

【００５７】尚、本実施形態では説明を省略したが、実
インピーダンスＡＶＧＲｉが目標温度相当の目標インピ
ーダンスＴＧＲｉに収束していく過程で、実インピーダ
ンスＡＶＧＲｉがセンサ素子の活性温度（例えば７５０
℃）に相当する所定値以下になったときは、活性判定
（活性判定フラグのセット）を行い、これにより、空燃
比センサからの信号に基づく空燃比フィードバック制御
を開始させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の構成を示す機能ブロック図

【図２】 本発明の一実施形態を示す内燃機関の空燃比
フィードバック制御装置のシステム図

【図３】 空燃比センサのセンサ素子構造を示す図

【図４】 空燃比センサのセンサ素子の特性図

【図５】 空燃比センサのセンサ素子及びヒータに対す
る制御回路図

【図６】 インピーダンス計測及びヒータ制御のフロー
チャート

【図７】 フィードバック補正係数算出のブロック図

【図８】 始動後のインピーダンス変化を示す図

【符号の説明】

１ エンジン ３ 燃料噴射弁 ４ コントロールユニット ８ 空燃比センサ ２０ センサ素子本体 ２１ ヒータ ２２ 大気室 ２３ ガス拡散室 ２４ 排気導入孔 ２５ 保護層 ２６ ネルンストセル部 ２７ ポンプセル部 ２８ 保護層 ３０ マイコン ３１ 交流電源 ３４ インピーダンス検出回路 ３６ 直流電源 ３９ スイッチング素子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気系に装着され、センサ素子
   加熱用のヒータを備える空燃比センサのヒータ制御装置
   であって、 空燃比センサのセンサ素子に交流電圧を印加する交流電
   圧印加手段と、交流電圧の印加によりセンサ素子に流れ
   る電流値よりセンサ素子のインピーダンスを計測するイ
   ンピーダンス計測手段と、計測されたインピーダンスが
   所定値未満のセンサ素子過熱状態にて前記ヒータへの通
   電を停止するヒータ通電停止手段とを設けたことを特徴
   とする空燃比センサのヒータ制御装置。
2. 【請求項２】前記空燃比センサは、空燃比のリーン・リ
   ッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネ
   ルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッ
   チに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じ
   て電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備えてな
   り、 前記交流電圧印加手段は、前記ネルンストセル部に交流
   電圧を印加するものであり、前記インピーダンス計測手
   段は、交流電圧の印加により前記ネルンストセル部に流
   れる電流値より前記ネルンストセル部のインピーダンス
   を計測するものであることを特徴とする請求項１記載の
   空燃比センサのヒータ制御装置。
3. 【請求項３】前記インピーダンスが前記所定値以上のと
   きに、前記インピーダンスが目標インピーダンスとなる
   ように前記ヒータへの通電量をフィードバック制御する
   ヒータ通電量フィードバック制御手段を設けたことを特
   徴とする請求項１又は請求項２記載の空燃比センサのヒ
   ータ制御装置。
4. 【請求項４】前記インピーダンス計測手段は、計測され
   たインピーダンスを平滑化処理する手段を有しているこ
   とを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記
   載の空燃比センサのヒータ制御装置。