JP2002014075A - 空燃比センサの活性判定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】空燃比センサの活性を、精度良くかつ遅れなく
判定できるようにする。 【解決手段】空燃比センサに、一定周期の電圧Ｖccを発
生する電源と測定抵抗とを直列に接続し（Ｓ１）、前記
測定抵抗の端子電圧Ｖｓを検出する（Ｓ２）。そして、
前記端子電圧Ｖｓの振幅が基準値以上になるか（Ｓ
４）、又は、電圧Ｖccと端子電圧Ｖｓとの位相差が基準
値以下になったときに、空燃比センサの活性を判定する
（Ｓ６）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの燃焼混
合気の空燃比を排気中の酸素濃度に基づいて検出する空
燃比センサが活性したか否かを判定する活性判定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、エンジンの燃焼混合気の空燃
比を排気中の酸素濃度に基づいて検出する空燃比センサ
を排気通路に備え、該空燃比センサで検出される実際の
空燃比を目標空燃比に一致させるように、燃料噴射量を
フィードバック制御する電子制御燃料噴射装置が知られ
ている。

【０００３】また、前記空燃比センサは所定温度にまで
上昇しないと活性化せず、所期の出力が得られないた
め、空燃比センサが活性化したか否かを判定し、活性判
定がなされてから空燃比フィードバック制御を開始させ
るようになっていた。前記活性判定の方法としては、セ
ンサの出力がリッチ空燃比に見合った出力を発生するか
否かで活性判定を行う方法があった（特開平１−２８０
６５０号公報参照）。

【０００４】また、前記空燃比センサにおいて、電極間
に基準電圧を印加することで、酸素センサの内部抵抗を
測定し、測定した内部抵抗に基づいて酸素センサを加熱
するヒータへの通電を制御する構成が知られている（特
開平８−２７８２７９号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、空燃比センサ
の出力レベルで活性判定を行う構成では、センサ出力が
そのときの燃焼混合気の空燃比に影響されるため、活性
判定に増量制御状態が条件になったりして、活性化の判
定が遅れてしまうという問題があった。

【０００６】また、空燃比センサの内部抵抗はセンサ温
度に相関するが、空燃比センサの内部抵抗と温度との相
関にはばらつきが大きく、内部抵抗値からセンサ温度を
高精度に推定することができないため、内部抵抗から推
定した温度に基づく活性判定にはばらつきを見込んだ判
定が必要になり、結果、活性温度を大きく上回るように
なって初めて活性を判定させることになってしまうとい
う問題があった。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、燃焼混合気の空燃比制御状態に影響されることな
く、然も、活性状態を遅れなくかつ精度良く判定できる
空燃比センサの活性判定装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのため、請求項１記載
の発明は、前記空燃比センサの端子に一定周期の電圧を
印加したときに前記空燃比センサに流れる電流の波形に
基づいて前記空燃比センサの活性判定を行う構成とし
た。

【０００９】かかる構成によると、空燃比センサに電圧
を印加すると、センサの内部抵抗に応じた電流が流れる
ことになるが、前記印加電圧は一定周期で変動するよう
構成されるため、この印加電圧の変動に対応して電流が
変化することになり、この電流変化の様子から活性状態
を判断する。即ち、空燃比センサが活性化していない場
合には、印加電圧のステップ変化に対して電流の過渡応
答に大きな遅れが生じるので、この遅れの様子を判断し
て、活性化しているか否かを判断する。

【００１０】請求項２記載の発明では、空燃比センサの
端子に、一定周期の電圧を発生する電源と測定抵抗とを
直列に接続し、測定抵抗の端子電圧を空燃比センサに流
れる電流に相関する値として検出する構成とした。

【００１１】かかる構成によると、測定抵抗の端子電圧
は、空燃比センサを流れる電流とセンサの内部抵抗に応
じて変化するので、前記端子電圧は、センサを流れる電
流（センサの内部抵抗）を示すことになる。

【００１２】請求項３記載の発明では、電流の振幅に基
づいて空燃比センサが活性したか否かを判定する構成と
した。かかる構成によると、センサに流れる電流（測定
抵抗の端子電圧）の振幅が小さいときには、空燃比セン
サが活性化していないために印加電圧の変化に対する電
流（測定抵抗の端子電圧）の立ち上がり遅れが大きくな
っているものと判断し、電流（測定抵抗の端子電圧）の
振幅が充分に大きくなったときに、空燃比センサの活性
化を判定する。

【００１３】請求項４記載の発明では、電流の波形と印
加電圧の波形との位相差に基づいて前記空燃比センサが
活性したか否かを判定する構成とした。かかる構成によ
ると、印加電圧の波形とセンサに流れる電流（測定抵抗
の端子電圧）の波形との位相差が大きいときには、空燃
比センサが活性化していないために、印加電圧の変化が
電流（測定抵抗の端子電圧）に表れるまでのむだ時間が
長くなっているものと判断し、前記位相差（むだ時間）
が充分に小さくなったときに、空燃比センサの活性化を
判定する。

【００１４】一方、請求項５記載の発明に係る活性判定
装置は、一定周期の電圧Ｖccを発生する電源及び測定抵
抗を、前記空燃比センサの端子に直列に接続する一方、
前記測定抵抗の端子電圧Ｖｓを検出する電圧検出手段
と、前記端子電圧Ｖｓの振幅、及び／又は、前記電圧Ｖ
ccと前記端子電圧Ｖｓとの位相差を計測する遅れ特性計
測手段と、該遅れ特性計測手段で計測された振幅及び／
又は位相差に基づいて前記空燃比センサの活性を判定す
る活性判定手段と、を含んで構成される。

【００１５】かかる構成によると、電圧Ｖccの印加によ
って空燃比センサに流れる電流に相関する測定抵抗の端
子電圧Ｖｓを検出し、該端子電圧Ｖｓの振幅及び／又は
位相差を計測し、これらのパラメータの大小に基づいて
空燃比センサが活性しているか否かを判定する。

【００１６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によると、空燃比セ
ンサに電圧を印加したときにセンサに流れる電流に基づ
いて空燃比センサの活性を判定するので、そのときの空
燃比に影響されることなく活性判定を行うことが可能で
あり、また、印加電圧の変化に対する電流の遅れ特性か
ら活性判定を行うので、内部抵抗のばらつきによって電
流値がシフトしても活性判定に大きな影響を与えること
がなく、高精度にかつ遅れなく活性判定を行えるという
効果がある。

【００１７】請求項２記載の発明によると、空燃比セン
サに流れる電流を、測定抵抗の端子電圧として容易に検
出できるという効果がある。請求項３記載の発明による
と、センサに流れる電流（測定抵抗の端子電圧）の振幅
から遅れ特性を判断して、空燃比や内部抵抗のばらつき
に影響を受けることなく、空燃比センサの活性判定を高
精度にかつ遅れなく行えるという効果がある。

【００１８】請求項４記載の発明によると、印加電圧と
センサに流れる電流（測定抵抗の端子電圧）との位相差
から遅れ特性を判断して、空燃比や内部抵抗のばらつき
に影響を受けることなく、空燃比センサの活性判定を高
精度にかつ遅れなく行えるという効果がある。

【００１９】請求項５記載の発明によると、空燃比セン
サに流れる電流の印加電圧に対する遅れを、測定抵抗の
端子電圧の振幅及び／又は位相差から判断して、空燃比
センサの活性判定を高精度にかつ遅れなく行えるという
効果がある。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。図１は実施の形態におけるエンジンのシステム構
成図である。

【００２１】この図１において、車両に搭載されるエン
ジン１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２，吸気通
路３，モータで開閉駆動される電子制御式スロットル弁
４を介して空気が吸入される。各気筒の燃焼室内に燃料
（ガソリン）を直接噴射する電磁式の燃料噴射弁５が設
けられており、該燃料噴射弁５から噴射される燃料と前
記吸入される空気によって燃焼室内に混合気が形成され
る。

【００２２】燃料噴射弁５は、コントロールユニット２
０から出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通
電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射す
る。そして、噴射された燃料は、吸気行程噴射の場合は
燃焼室内に拡散して均質な混合気を形成し、また圧縮行
程噴射の場合は点火栓６回りに集中的に層状の混合気を
形成する。燃焼室内に形成される混合気は、点火栓６に
より着火燃焼する。

【００２３】但し、エンジン１を上記の直接噴射式ガソ
リンエンジンに限定するものではなく、吸気ポートに燃
料を噴射する構成のエンジンであっても良い。エンジン
１からの排気は排気通路７より排出される。前記排気通
路７には排気浄化用の触媒８が介装されている。

【００２４】また、燃料タンク９にて発生した蒸発燃料
を燃焼処理する蒸発燃料処理装置が設けられている。キ
ャニスタ１０は、密閉容器内に活性炭などの吸着剤１１
を充填したもので、燃料タンク９から延設される蒸発燃
料導入管１２が接続されている。従って、燃料タンク９
にて発生した蒸発燃料は、前記蒸発燃料導入管１２を通
って、キャニスタ１０に導かれ吸着捕集される。

【００２５】また、キャニスタ１０には、新気導入口１
３が形成されると共に、パージ配管１４が導出され、前
記パージ配管１４には、コントロールユニット２０から
の制御信号によって開閉が制御されるパージ制御弁１５
が介装される。

【００２６】上記構成において、パージ制御弁１５が開
制御されると、エンジン１の吸入負圧がキャニスタ１０
に作用する結果、新気導入口１３から導入される空気に
よってキャニスタ１０の吸着剤１１に吸着されていた蒸
発燃料がパージされ、パージエアがパージ配管１４を通
って吸気通路３のスロットル弁４下流に吸入され、その
後、エンジン１の燃焼室内で燃焼処理される。

【００２７】コントロールユニット２０は、ＣＰＵ，Ｒ
ＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイ
ス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、
各種センサからの入力信号を受け、これらに基づいて演
算処理して、燃料噴射弁５，点火栓６及びパージ制御弁
１５などの作動を制御する。

【００２８】前記各種センサとして、エンジン１のクラ
ンク角を検出するクランク角センサ２１、カム軸から気
筒判別信号を取り出すカムセンサ２２が設けられてお
り、前記クランク角センサ２１からの信号に基づきエン
ジンの回転速度が算出される。

【００２９】この他、吸気通路３のスロットル弁４上流
で吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ２３、
アクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）ＡＰＳを検
出するアクセルセンサ２４、スロットル弁４の開度ＴＶ
Ｏを検出するスロットルセンサ２５、エンジン１の冷却
水温Ｔｗを検出する水温センサ２６、排気中の酸素濃度
に応じて排気空燃比を検出する空燃比センサ２７、車速
ＶＳＰを検出する車速センサ２８などが設けられてい
る。

【００３０】ここで、前記空燃比センサ２７の構造を、
図２に基づいて説明する。ジルコニア（ＺｒＯ2）等の
固体電解質部材からなる基板３１上に、エンジン排気に
晒される＋電極３２が設けられている。また、基板３１
には大気が導入される大気導入孔３３が開設され、前記
＋電極３２に対向する大気導入孔３３側に−電極３４が
取り付けられ、エンジン排気に晒される＋電極３２と、
大気に晒される−電極３４とが基板３１を挟んで対抗す
るようにしてある。

【００３１】上記構成において、大気導入孔３３内の大
気（基準大気）中の酸素と排気中の酸素との濃度比に応
じて基板３１内を酸素イオン電流が流れ、これに伴っ
て、電極間に排気中の酸素濃度に対応する起電力が発生
する。

【００３２】具体的には、排気空燃比が理論空燃比より
もリッチであるときには、前記濃度比が大きくなって起
電力が発生するが、排気空燃比が理論空燃比よりもリー
ンであるときには、前記濃度比が小さくなって起電力が
殆ど発生せず、起電力の発生の有無によって排気空燃比
が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかを
検出できるものである。

【００３３】また、前記空燃比センサ２７の基板３１に
は、基板３１（センサ素子）を加熱するためのヒータ４
４を埋設させてある。尚、本実施の形態では、空燃比セ
ンサ２７を図２に示すようなプレート型としたが、公知
のチューブ型の酸素センサであっても良い。

【００３４】また、図２に示したような酸素濃淡電池型
の空燃比センサと、ジルコニア（ＺｒＯ2）等の固体電
解質部材からなる基板を挟んで設けられた電極間に電圧
を印加することで酸素イオンを強制的に移動させ、酸素
濃淡電池型酸素センサの検出雰囲気中の酸素濃度を制御
する酸素ポンプ部とを備えてなる所謂広域空燃比センサ
であっても良い。

【００３５】前記コントロールユニット２０は、所定の
空燃比フィードバック制御条件が成立するときに、前記
空燃比センサ２７で検出される排気空燃比のリッチ・リ
ーンに基づいて、排気空燃比を理論空燃比に近づけるよ
うに、燃料噴射弁５による噴射量を比例・積分制御等に
よって補正する空燃比フィードバック制御を行う。

【００３６】ここで、前記空燃比フィードバック制御条
件には、空燃比センサ２７が活性化していることが含ま
れており、コントロールユニット２０は後述するように
して空燃比センサ２７の活性判定を行う。

【００３７】図３は、空燃比センサ２７の制御回路を示
す。空燃比センサ２７からの起電力は、コントロールユ
ニット２０に入力され、フィルタ（平滑回路）２０１で
平滑処理された後、電圧検出手段としてのＡ／Ｄ変換器
２０２でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ２０３に読み
込まれる。

【００３８】また、空燃比センサ２７には、一定周期で
変動する電圧Ｖccを発生する電源がスイッチング素子２
０４及び測定抵抗Ｒ０を介して直列に接続されている。
ヒータ４４には、バッテリ電圧ＶＢが印加されるが、通
電回路中にスイッチング素子２０５を設けてある。

【００３９】前記ＣＰＵ２０３は、前記スイッチング素
子２０４のＯＮ・ＯＦＦを制御することで、排気空燃比
の検出と、活性判定状態とを切り換えるようになってお
り、排気空燃比を検出するときには、スイッチング素子
２０４をＯＦＦとして、酸素濃度比に応じて発生する起
電力が読み込まれるようにする。そして、前記起電力と
予め記憶された判定レベルとを比較することで、排気空
燃比が理論空燃比よりもリッチであるかリーンであるか
を判別し、該判別結果に基づき空燃比フィードバック補
正係数を演算し、該空燃比フィードバック補正係数によ
って燃料噴射量を補正することで、排気空燃比を理論空
燃比に一致させるようにする。

【００４０】また、空燃比センサ２７の活性判定を行う
ときには、スイッチング素子２０４をＯＮとして、空燃
比センサ２７に一定周期で変動する電圧Ｖccを印加し、
このときに読み込まれる測定抵抗Ｒ０の端子電圧Ｖｓに
基づいてセンサ活性を判定する。

【００４１】ここで、空燃比センサ２７に流れる電流を
ｉ、空燃比センサ２７の内部抵抗をＲｓとすると、 Ｖｓ＝ｉ×Ｒｓ Ｖcc−Ｖｓ＝ｉ×Ｒ０ であるので、両式より、 Ｒｓ＝Ｖｓ／〔（Ｖcc−Ｖｓ）／Ｒ０〕 となり、前記電圧Ｖccは一定周期で変動するから、電圧
Ｖｓは電圧Ｖccと同じ周期で変動すると共に、そのレベ
ルが空燃比センサ２７に流れる電流ｉ（内部抵抗Ｒｓ）
に応じて変化することになる。

【００４２】尚、電圧Ｖccは、酸素センサ２７の起電力
よりも大きな値に設定され、電圧Ｖｓに対する起電力の
影響が無視できる程度に小さいものとする。ここで、Ｃ
ＰＵ２０３は、前記電圧Ｖｓに基づき、図４のフローチ
ャートに示すようにして、空燃比センサ２７の活性状態
を判定する。

【００４３】図４のフローチャートにおいて、まず、ス
テップＳ１では、スイッチング素子２０４をＯＮとして
空燃比センサ２７に一定周期で変動する電圧Ｖccを印加
させる。

【００４４】ステップＳ２では、一定周期で変動する電
圧Ｖccを印加させた状態での電圧Ｖｓを読み込む。ステ
ップＳ３（遅れ特性計測手段）では、前記電圧Ｖｓの検
出波形における振幅を計測する。

【００４５】ステップＳ４では、前記計測した振幅と予
め記憶された基準振幅値とを比較する。そして、計測し
た振幅が基準振幅値よりも小さい場合には、ステップＳ
５へ進んで、空燃比センサ２７が活性化していないと判
定し、計測した振幅が基準振幅値以上であるときには、
ステップＳ６へ進んで、空燃比センサ２７が活性化した
と判定する。上記ステップＳ４〜６の部分が、活性判定
手段に相当する。

【００４６】空燃比センサ２７が活性化していない状態
では、印加電圧の変化に対する電流立ち上がりに大きな
遅れを生じるため、図５に示すように、電圧Ｖｓの振幅
が小さくなる。そして、空燃比センサ２７の温度が上昇
し活性化するに従って前記遅れが小さくなって、図６に
示すように、前記電圧Ｖｓの振幅が印加電圧の振幅に見
合う大きさになる。

【００４７】そこで、予め活性・未活性の境界とする振
幅を基準振幅値として設定し、この基準振幅値よりも実
際の振幅が大きいか否かによって、空燃比センサ２７の
活性判定を行わせるようにしている。

【００４８】上記では、電圧Ｖｓの振幅に基づいて空燃
比センサ２７の活性を判定させる構成としたが、一定周
期で変動する電圧Ｖccと電圧Ｖｓとの位相差から活性判
定を行わせることができる。

【００４９】図７のフローチャートは、上記の位相差に
基づく活性判定の様子を示すものであり、ステップＳ１
１では、スイッチング素子２０４をＯＮとして空燃比セ
ンサ２７に一定周期で変動する電圧Ｖccを印加させる。

【００５０】ステップＳ１２では、一定周期で変動する
電圧Ｖccを印加させた状態での電圧Ｖｓを読み込む。ス
テップＳ１３（遅れ特性計測手段）では、電圧Ｖccの波
形と電圧Ｖｓの検出波形との位相差を計測する。

【００５１】ステップＳ１４では、前記計測した位相差
と予め記憶された基準位相差とを比較する。そして、計
測した位相差が基準位相差よりも大きい場合には、ステ
ップＳ１５へ進んで、空燃比センサ２７が活性化してい
ないと判定し、計測した位相差が基準位相差以下である
ときには、ステップＳ１６へ進んで、空燃比センサ２７
が活性化したと判定する。上記ステップＳ１４〜１６の
部分が、活性判定手段に相当する。

【００５２】空燃比センサ２７が活性化していない状態
では、印加電圧の変化に対して電流に変化が生じるまで
のむだ時間が大きく、図８に示すように、印加電圧に対
する電圧Ｖｓの位相遅れが大きくなる。そして、空燃比
センサ２７の温度が上昇し活性化するに従って前記位相
遅れが小さくなって、図９に示すように、印加電圧の変
動に大きく遅れることなく、前記電圧Ｖｓが変化するこ
とになる。

【００５３】そこで、予め活性・非活性の境界とする位
相差を基準位相差として設定し、この基準位相差よりも
実際の位相差が小さいか否かによって、空燃比センサ２
７の活性判定を行わせるようにしている。

【００５４】尚、上記振幅に基づく活性判定と、位相差
に基づく活性判定とを組み合わせ、電圧Ｖｓの振幅が基
準振幅値以上であり、かつ、印加電圧に対する電圧Ｖｓ
の位相差が基準位相差以下であるときに、空燃比センサ
２７の活性を判定させるようにしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態におけるエンジンのシステム構成
図。

【図２】実施の形態における酸素センサを示す断面図。

【図３】実施の形態における酸素センサの起電力読み込
み回路及び電圧印加回路を示す回路図。

【図４】実施の形態における振幅に基づく活性判定の様
子を示すフローチャート。

【図５】活性前の端子電圧Ｖｓの振幅特性を示すタイム
チャート。

【図６】活性後の端子電圧Ｖｓの振幅特性を示すタイム
チャート。

【図７】実施の形態における位相差に基づく活性判定の
様子を示すフローチャート。

【図８】活性前の端子電圧Ｖｓの位相差特性を示すタイ
ムチャート。

【図９】活性後の端子電圧Ｖｓの位相差特性を示すタイ
ムチャート。

【符号の説明】

１…エンジン ５…燃料噴射弁 ６…点火栓 ７…排気通路 ２０…コントロールユニット ２７…空燃比センサ ２０１…フィルタ ２０２…Ａ／Ｄ変換器 ２０３…ＣＰＵ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G004 BB07 BD05 BJ03 BL04 BL09 BL16 BL19 BM09 3G084 AA03 BA05 BA09 BA15 BA27 DA05 EA05 EA11 EB06 EB11 EB14 EB15 EC02 EC03 FA00 FA05 FA07 FA10 FA20 FA26 FA29 FA33 FA39 3G301 HA01 HA04 HA06 HA14 JA13 LA03 LB04 LC03 MA01 MA12 MA19 NA03 NA04 NA08 NB03 NC01 ND01 PA01Z PA11Z PD00 PD06Z PE01Z PE04Z PE05Z PE08Z PF01Z PF03Z

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジン排気中の酸素濃度を検出する空燃
   比センサの活性判定装置であって、 前記空燃比センサの端子に一定周期の電圧を印加したと
   きに前記空燃比センサに流れる電流の波形に基づいて前
   記空燃比センサの活性判定を行うことを特徴とする空燃
   比センサの活性判定装置。
2. 【請求項２】前記空燃比センサの端子に、一定周期の電
   圧を発生する電源と測定抵抗とを直列に接続し、前記測
   定抵抗の端子電圧を前記空燃比センサに流れる電流に相
   関する値として検出することを特徴とする請求項１記載
   の空燃比センサの活性判定装置。
3. 【請求項３】前記電流の振幅に基づいて前記空燃比セン
   サが活性したか否かを判定することを特徴とする請求項
   １又は２記載の空燃比センサの活性判定装置。
4. 【請求項４】前記電流の波形と前記印加電圧の波形との
   位相差に基づいて前記空燃比センサが活性したか否かを
   判定することを特徴とする請求項１又は２記載の空燃比
   センサの活性判定装置。
5. 【請求項５】エンジン排気中の酸素濃度を検出する空燃
   比センサの活性判定装置であって、 一定周期の電圧Ｖccを発生する電源及び測定抵抗を、前
   記空燃比センサの端子に直列に接続する一方、 前記測定抵抗の端子電圧Ｖｓを検出する電圧検出手段
   と、 前記端子電圧Ｖｓの振幅、及び／又は、前記電圧Ｖccと
   前記端子電圧Ｖｓとの位相差を計測する遅れ特性計測手
   段と、 該遅れ特性計測手段で計測された振幅及び／又は位相差
   に基づいて前記空燃比センサの活性を判定する活性判定
   手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする空燃比センサの活
   性判定装置。