JP2005195368A - 酸素濃度検出制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 過電流による酸素濃度検出素子の損傷を防止し、酸素濃度検出素子における構成の小型化に寄与する酸素濃度検出制御装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 擬似参照電極タイプの酸素濃度検出素子１２の基準極と参照極との間に流し込み電圧を印加し、基準極酸素分圧と参照極酸素分圧との差に対応して生じる起電力に基づいて、被測定雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子の作動を制御し、酸素濃度検出素子１２により酸素濃度を検出するエンジンの機関運転状態に基づいて、基準極に蓄積された酸素イオンの状態を推定し、流し込み電圧を可変設定するマイクロコンピュータ１１１を備えて構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサに用いられる酸素濃度検出素子の作動を制御する酸素濃度検出制御装置に関する。

一般に、自動車用エンジン等では、排気管の途中に酸素センサを配置し、酸素センサで排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出し、燃料と空気との混合比率である空燃比Ａ／Ｆを所定の理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とするように吸引空気量をフィードバック制御している。

従来、この種の酸素センサとしては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された酸素センサは、基準極に大気を用いない擬似参照電極タイプのもので、測定極を測定側通電極と測定側参照極とに分け、基準極と測定側通電極との間に外部電源から流し込み電圧（バイアス電圧）を印加して両電極との間で酸素分圧を制御し、基準極と測定側参照電極との間の電位差に基づいて被測定雰囲気中、例えば排気ガス中の酸素濃度を検出している。このような構成を採用することで、被測定雰囲気の温度変化に対する検出出力（酸素濃度）の変化を抑制している。
特開昭５９−１４８８５７号公報

上記従来の酸素センサは、近年四輪車以外の例えば二輪車に設置され、酸素センサで検出された酸素濃度に基づいてフィードバック制御を行い、二輪車におけるエミッションを向上させる要求が高まってきている。このような要求を実現するためには、二輪車等では四輪車に比べて酸素センサが設置される排気管の径が細いので、四輪車に用いられていたものをそのまま適用するには構成が大きすぎ、二輪車の排気管のサイズに応じて小型化する必要があった。

しかし、構成を小型化するためには、各構成部材の厚さも薄くしなければならなかった。これにより、センサの機械的強度が低下して、機械的強度を十分に保てない可能性があり、センサが損傷するおそれがあった。

また、排気ガスの温度が上昇するため、センサの絶縁性が低下し、同じ流し込み電圧であっても過電流が流れ、センサが損傷するおそれがあった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、過電流による酸素濃度検出素子の損傷を防止し、酸素濃度検出素子における構成の小型化に寄与する酸素濃度検出制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基準極と参照極との間に固体電解質を備え、前記基準極と前記参照極との間に流し込み電圧を印加し、基準極酸素分圧と参照極酸素分圧との差に対応して生じる起電力に基づいて、被測定雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子の作動を制御する酸素濃度検出制御装置において、前記酸素濃度検出素子により酸素濃度を検出する内燃機関の機関運転状態に基づいて、前記基準極に蓄積された酸素イオンの状態を推定し、前記流し込み電圧を可変設定する設定手段を有することを特徴とする。

上記特徴の請求項１記載の発明によれば、基準極の酸素イオンが飽和しないように流し込み電圧を設定することができる。これにより、酸素濃度検出素子に過電流が流れることは回避され、素子の損傷を防止することができる。

請求項２記載の発明は、基準極と参照極との間に固体電解質を備え、前記基準極と前記参照極との間に流し込み電圧を印加し、基準極酸素分圧と参照極酸素分圧との差に対応して生じる起電力に基づいて、被測定雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子の作動を制御する酸素濃度検出制御装置において、前記酸素濃度検出素子の素子状態に基づいて、前記基準極に蓄積された酸素イオンの状態を推定し、前記流し込み電圧を可変設定する設定手段を有することを特徴とする。

上記特徴の請求項２記載の発明によれば、基準極の酸素イオンが飽和しないように流し込み電圧を設定することができる。これにより、酸素濃度検出素子に過電流が流れることは回避され、素子の損傷を防止することができる。

請求項３記載の発明は、基準極と参照極との間に設けられた固体電解質と、前記固体電解質を加熱するヒータとを備え、前記基準極と前記参照極との間に流し込み電圧を印加し、基準極酸素分圧と参照極酸素分圧との差に対応して生じる起電力に基づいて、被測定雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子の作動を制御する酸素濃度検出制御装置において、前記酸素濃度検出素子により酸素濃度を検出する内燃機関の機関運転状態、又は前記酸素濃度検出素子の作動状態に基づいて、前記基準極に蓄積された酸素イオンの状態を推定し、前記ヒータを加熱制御する制御手段を有することを特徴とする。

上記特徴の請求項３記載の発明によれば、素子の温度上昇にともなって低下する絶縁性能の低下を防止することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る酸素濃度検出制御装置の構成を示す図である。図１に示す実施例１の酸素濃度検出制御装置は、酸素濃度を検出する被測定雰囲気中、例えば二輪車等の排気管内に設置され、後述する擬似参照電極タイプの酸素濃度検出素子（酸素センサ）１２の作動を制御する装置として構成され、車両のエンジを制御するＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）１１内に設けられて、エンジン制御ならびに酸素濃度検出素子１２の作動を制御する制御中枢として機能するマイクロコンピュータ１１１と、流し込み電圧出力部１１２ならびにヒータ駆動電圧出力部１１３を備えて構成されている。

マイクロコンピュータ１１１は、空燃比検出＆補正値算出部１１１１、燃料噴射量算出部１１１２、運転条件判別機能部１１１３、素子状態判別機能部１１１４、流し込み電圧補正判定部１１１５、流し込み電圧算出部１１１６、ならびにヒータ電圧算出部１１１７を備えて構成されている。

空燃比検出＆補正値算出部１１１１は、流し込み電圧出力部１１２から出力された流し込み電圧ならびに酸素濃度検出素子１２で検出された酸素濃度を受けて、空燃比を検出すると共に、検出した空燃比の補正値を算出し、算出した補正値を燃料噴射量算出部１１１２に与える。

燃料噴射量算出部１１１２は、空燃比検出＆補正値算出部１１１１から与えられた補正値に基づいて燃料噴射量を算出し、算出した燃料噴射量に基づいて燃料噴射装置（Ｆ／ＩＮＪ）１３を制御する。

運転条件判別機能部１１１３は、車両の運転状態として、例えばエンジンの回転数、燃料噴射量、吸気管圧力（吸気圧）、車速、Ａ／Ｆ（空燃比）、排気ガス温度等を入力し、入力した情報に基づいて車両の運転状態を判別する。酸素濃度検出素子１２の基準極の酸素イオンの状態は、判別された運転状態に基づいて推定される。判別結果は、流し込み電圧補正判定部１１１５に与えられる。

素子状態判別機能部１１１４は、酸素濃度検出素子１２の素子状態として、例えば素子温度、素子インピーダンス、素子内部応力等の実測値を入力し、入力した情報に基づいて酸素濃度検出素子の状態を判別する。酸素濃度検出素子１２の基準極の酸素イオンの状態は、判別された素子状態に基づいて推定される。判別結果は、流し込み電圧補正判定部１１１５に与えられる。

なお、素子温度、素子インピーダンス、素子内部応力等の実測値に代えて、素子温度、素子インピーダンス、素子内部応力の推定値を用いてもよい。素子温度は、排気ガス温度に基づいて推定することが可能であり、素子インピーダンスは、酸素濃度検出素子を加熱するヒータのインピーダンスに基づいて推定することができる。

流し込み電圧補正判定部１１１５は、運転条件判別機能部１１１３から与えられる判別結果、ならびに素子状態判別機能部１１１４から与えられる判別結果に基づいて、酸素濃度検出素子１２に与えられる流し込み電圧（バイアス電圧）を変更補正するか否かを判定する。流し込み電圧補正判定部１１１５は、運転条件判別機能部１１１３で判別されたエンジンの回転数、燃料噴射量、吸気管圧力（吸気圧）、車速、Ａ／Ｆ（空燃比）、排気ガス温度等を単独又は組み合わせたものに基づいて、酸素濃度検出素子１２の流し込み電圧を変更するか否かを判定する。

例えば、流し込み電圧補正判定部１１１５は、Ａ／Ｆ≧１４．７、素子温度≧６５０℃の何れかが所定の時間継続して成立した場合には、流し込み電圧を変更するように判別する。判別結果は、流し込み電圧算出部１１１６に与えられる。

流し込み電圧算出部１１１６は、流し込み電圧補正判定部１１１５が流し込み電圧を変更すると判定した場合には、予め用意された、上記運転状態、素子状態のパラメータと流し込み電圧との関係を表した演算式、複数のパラメータと流し込み電圧との関係を表したマップ、もしくは１つのパラメータと流し込み電圧との関係を表したテーブルに基づいて、変更後の流し込み電圧を算出する。

流し込み電圧算出部１１１６は、例えばＡ／Ｆ値が１６程度のリーン状態になった場合には、流し込み電圧を既定値よりも下げて設定し、例えば既定値が１．３Ｖ程度であった場合には、変更後の流し込み電圧を１．０Ｖ程度に減少させる。また、流し込み電圧算出部１１１６は、酸素濃度検出素子１２の素子温度が例えば６５０℃以上になった場合には、流し込み電圧を既定値よりも下げて設定し、例えば既定値が１．３Ｖ程度であった場合には、変更後の流し込み電圧を１．０Ｖ程度に減少させる。算出された流し込み電圧は、流し込み電圧出力部１１２に与えられる。

ヒータ電圧算出部１１１７は、上記運転状態ならびに素子状態を入力し、これらの情報に基づいて酸素濃度検出素子１２のヒータ部１２２に印加される目標電圧を算出する。ヒータ電圧算出部１１１７は、例えば素子温度が予め設定した所定の温度に達した場合には、ヒータ部１２２による加熱を停止又は加熱温度を低下させて素子の温度を下げるべく、ヒータ部１２２の目標電圧を低下させ、もしくは目標電圧の供給を停止する。算出された目標電圧は、ヒータ駆動電圧出力部１１３に与えられる。

流し込み電圧出力部１１２は、流し込み電圧算出で算出された流し込み電圧を酸素濃度検出素子１２に与える。

ヒータ駆動電圧出力部１１３は、ヒータ駆動電圧算出部１１１７で算出された目標電圧が固定電源１４からスイッチング部１５を介してヒータ部１２２に印加されるように、スイッチング部１５のオン／オフをデューティ制御する。すなわち、ヒータ駆動電圧出力部１１３は、ヒータ電圧算出部１１１７から与えられた目標電圧に基づいて、スイッチング部１５をオン／オフするデューティ信号をスイッチング部１５に出力する。

スイッチング部１５は、例えばトランジスタから構成されて、ヒータ駆動電圧出力部１１３から出力されるデューティ信号に基づいてスイッチング制御され、固定電源１４からヒータ部１２２に供給されるヒータ電圧の平均が目標電圧となるようにスイッチング制御される。

また、スイッチング部１５は、固定電源１４から酸素濃度検出素子１２に供給されるヒータ駆動電流を、ヒータ部１２２の上流側（ヒータ駆動電流の流れに対してヒータ部１２２の手前側）で遮断制御する。

ヒータ部１２２に供給されるヒータ駆動電流をヒータの下流側、すなわちヒータ部１２２と接地電位との間に設けられた手段により遮断制御した場合には、電流が遮断される前にヒータ部１２２自体に電位が生じているため、ヒータ部１２２から酸素濃度検出素子１２の基準極に酸素イオンが流れ込み、素子が損傷するおそれがあった。これに対して、上述したようにスイッチング手段１５を設けることで、ヒータ部１２２の停止時にヒータ部１２２に電位が生じないので、ヒータ部１２２の停止時に基準極に酸素イオンが流れ込むことは回避され、素子の損傷を防止することが可能となる。

酸素濃度検出素子１２は、流し込み電圧出力部１１２から与えられる流し込み電圧に基づいて、被測定雰囲気中の酸素濃度を検出する信号部１２１と、ヒータ駆動電圧出力部１１３から与えられるヒータ駆動電圧に基づいて、検出精度を安定させるために酸素濃度検出素子１２の固体電解質を加熱するヒータ部１２２とを備えて構成されている。

図２は図１に示す、基準極に大気を用いない擬似参照極タイプの酸素濃度検出素子１２の具体的な一構成を示す断面図である。

図２において、酸素濃度検出素子２１は、ベース部材２２と、このベース部材２２の外面側に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質層２３と、この固体電解質層２３の内面とベース部材２２の外面との間に設けられ、多孔質材料によって形成された多孔体層２４と、固体電解質層２３の内面に形成された内側電極２５と、固体電解質層２３の外面に形成され、電極用窓部２６ａを有する内側緻密層２６と、この内側緻密層２６の外面及び電極用窓部２６ａより露出された固体電解質層２３の外面に形成された外側電極２７と、この外側電極２７の外面に形成され、電極用窓部２６ａと同じ位置に酸素導入用窓部２８ａを有する外側緻密層２８と、外側緻密層２８の外面及び酸素導入用窓部２８ａより露出された外側電極２７の外面に形成された保護層２９とから構成されている。外側緻密層２８及び保護層２９の外側が測定ガス（例えば排気管内の排気ガス）が導かれる状態で配置される。

ベース部材２２は、中実円柱の芯ロッド２１０と、この外周に形成されたヒータパターン２１１と、このヒータパターン２１１を被覆するよう芯ロッド２１０の外周に形成された絶縁性材料のヒータ被覆層２１２とから構成されている。芯ロッド２１０は、例えばアルミナ等のセラミック材料より形成される。ヒータパターン２１１は、タングステンや白金などの発熱性導体材料より形成される。ヒータパターン２１１の発熱によって固体電解質層２３等を昇温して活性化させる。

固体電解質層２３は、例えばジルコニアの粉体中に所定重量％のイットリアの粉体を混合してペースト状物より形成される。そして、固体電解質層２３は、後述の内側電極２５と外側電極２７との間で、周囲の酸素濃度差に応じた起電力を発生させ、その厚さ方向に酸素イオンを輸送できるようになっている。

多孔体層２４は、アルミナ等のセラミックス材料によって形成され、固体電解質層２３を通じて内側電極２５へ輸送されてくる酸素を、図示しない経路によって逃散させるガス逃散路を構成している。

内側電極２５及び外側電極２７は、共に白金等からなる導電性で、且つ、酸素が透過できる材料より形成されている。そして、内側電極２５及び外側電極２７にはそれぞれリード線部２５ａ，２７ａが一体的に延設されており、リード線部２５ａ，２７ａを用いて内側電極２５と外側電極２７との間に現れる出力電圧を検出できるようになっている。

内側緻密層２６は、測定ガス中の酸素が内面側に透過できない材料、例えばアルミナ等のセラミック材料より形成されている。内側緻密層２６は、固体電解質層２３の外面の全域を全て覆い、電極用窓部２６ａは、固体電解質層２３の端部ではない中央部位に内側緻密層２６の一部を切欠くことにより形成されている。電極用窓部２６ａは、例えば方形形状を有し、内側電極２５の面積に対して軸方向及び円周方向ともに小さい寸法で小面積に設定されている。

外側緻密層２８は、内側緻密層２６と同様に、測定ガス中の酸素が内面側に通過できない材料、例えばアルミナ等のセラミック材料より形成され、酸素導入用窓部２８ａは、電極用窓部２６ａと同じ位置で、外側緻密層２８の一部を切欠くことにより形成されている。

保護層２９は、外側緻密層２８の酸素導入用窓部２８ａを介して外部に露出される外側電極２７を外側から覆い、測定ガス中の有害ガス、ダスト等は内面側に通過できないが、測定ガス中の酸素は通過できる材質、例えばアルミナと酸化マグネシウムの混合物の多孔質構造体にて形成されている。

次に、図３に示すフローチャートを参照して、酸素濃度検出素子１２に印加される流し込み電圧の設定手順を説明する。

先ず、酸素濃度検出素子１２の駆動を開始し、上述した運転状態、素子状態の各種情報を入力し、運転条件判別機能部１１１３、素子状態判別機能部１１１４で運転状態、素子状態を判別する（ステップＳ３１）。次に、判別結果に基づいて、流し込み電圧補正判定部１１１５で流し込み電圧を変更するか否かを判定する（ステップＳ３２）。例えば、流し込み電圧を変更する条件として、Ａ／Ｆ≧１４．７、もしくは素子温度≧６５０℃の状態が所定時間継続して検出されたか否かを判定する。

判定の結果、上記判定条件が成立しない場合には（ステップＳ３３）、それまで酸素濃度検出素子１２に印加されていた既定値、例えば１．３Ｖ〜１．４Ｖ程度の流し込み電圧を継続して印加し、流し込み電圧は変更されない（ステップＳ３４）。

一方、判定の結果、上記判定条件が成立した場合、例えばＡ／Ｆ＝１６程度のリーン状態である場合には、流し込み電圧を既定値の１．３Ｖ〜１．４Ｖ程度から例えば１．０Ｖ程度に下げる。あるいは、素子温度が６５０℃以上である場合には、Ａ／Ｆの場合と同様に、流し込み電圧を既定値の１．３Ｖ〜１．４Ｖ程度から例えば１．０Ｖ程度に下げる（ステップＳ３５）。

このように、上記実施例においては、酸素濃度検出素子１２が酸素濃度を検出する排気ガスを排出するエンジンの運転状態、又は酸素濃度検出素子１２の素子状態に基づいて、素子の基準極に蓄積された酸素イオンの状態を推定し、酸素濃度検出素子１２に印加される流し込み電圧を可変して設定するようにしたので、酸素濃度検出素子１２における酸素イオンが飽和しないように流し込み電圧を設定することが可能となる。これにより、素子の小型化で絶縁性能が低下した場合であっても、酸素濃度検出素子１２に過電流が流れることは回避され、素子の損傷を防止することができる。

また、酸素濃度検出素子１２が酸素濃度を検出する排気ガスを排出するエンジンの運転状態、又は酸素濃度検出素子１２の素子状態に基づいて、素子の基準極に蓄積された酸素イオンの状態を推定し、ヒータ部１２２による酸素濃度検出素子１２の加熱を制御するようにしたので、素子の温度上昇にともなって低下する絶縁性能の低下を防止することが可能となる。

さらに、上記実施例から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。

（イ）請求項３記載の酸素濃度検出制御装置において、前記ヒータの上流側で通電を停止するスイッチング手段を備えていることを特徴とする酸素濃度検出制御装置。

上記特徴の酸素濃度検出制御装置によれば、ヒータ下流側で通電を遮断した場合には、ヒータ自体に電位差が生じているため、ヒータから基準極に酸素イオンが流れ、酸素濃度検出素子が損傷するおそれがある。これに対して、ヒータの上流側で通電を遮断することで、ヒータ停止時にはヒータに電位差が生じないので、ヒータ停止時に基準極に酸素イオンが流れることが確実に回避され、素子の損傷を防止することができる。

本発明の実施例１に係る酸素濃度検出制御装置の構成を示す図である。 酸素濃度検出素子の構成を示す断面図である。 流し込み電圧の設定手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１１…ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）
１２，２１…酸素濃度検出素子
１４…固定電源
１５…スイッチング部
２２…ベース部材
２３…固体電解質層
２４…多孔体層
２５…内側電極
２５ａ，２７ａ…リード線部
２６…内側緻密層
２６ａ…電極用窓部
２７…外側電極
２８…外側緻密層
２８ａ…酸素導入用窓部
２９…保護層
１１１…マイクロコンピュータ
１１２…流し込み電圧出力部
１１３…ヒータ駆動電圧出力部
１１４…スイッチング部
１２１…信号部
１２２…ヒータ部
２１０…芯ロッド
２１１…ヒータパターン
２１２…ヒータ被覆層
１１１１…空燃比検出＆補正値算出部
１１１２…燃料噴射量算出部
１１１３…運転条件判別機能部
１１１４…素子状態判別機能部
１１１５…流し込み電圧補正判定部
１１１６…流し込み電圧算出部
１１１７…ヒータ電圧算出部

Claims (3)

1. 基準極と参照極との間に固体電解質を備え、
   前記基準極と前記参照極との間に流し込み電圧を印加し、基準極酸素分圧と参照極酸素分圧との差に対応して生じる起電力に基づいて、被測定雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子の作動を制御する酸素濃度検出制御装置において、
   前記酸素濃度検出素子により酸素濃度を検出する内燃機関の機関運転状態に基づいて、前記基準極に蓄積された酸素イオンの状態を推定し、前記流し込み電圧を可変設定する設定手段
   を有することを特徴とする酸素濃度検出制御装置。
2. 基準極と参照極との間に固体電解質を備え、
   前記基準極と前記参照極との間に流し込み電圧を印加し、基準極酸素分圧と参照極酸素分圧との差に対応して生じる起電力に基づいて、被測定雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子の作動を制御する酸素濃度検出制御装置において、
   前記酸素濃度検出素子の素子状態に基づいて、前記基準極に蓄積された酸素イオンの状態を推定し、前記流し込み電圧を可変設定する設定手段
   を有することを特徴とする酸素濃度検出制御装置。
3. 基準極と参照極との間に設けられた固体電解質と、
   前記固体電解質を加熱するヒータとを備え、
   前記基準極と前記参照極との間に流し込み電圧を印加し、基準極酸素分圧と参照極酸素分圧との差に対応して生じる起電力に基づいて、被測定雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子の作動を制御する酸素濃度検出制御装置において、
   前記酸素濃度検出素子により酸素濃度を検出する内燃機関の機関運転状態、又は前記酸素濃度検出素子の作動状態に基づいて、前記基準極に蓄積された酸素イオンの状態を推定し、前記ヒータを加熱制御する制御手段
   を有することを特徴とする酸素濃度検出制御装置。

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