JP2014134453A - 酸素濃度センサの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃度センサの出力電圧に基づいて排気空燃比に関する情報を得る間に酸素濃度センサの素子インピーダンスを検出しながら、適合により作成される戻し掃引時間を決定するためのマップデータを必要とせずに酸素濃度センサの端子電圧を素子インピーダンス検出処理前の状態に早期に復帰させることができるようにした酸素濃度センサの制御装置を提供する。
【解決手段】制御回路４は、スイッチ１１をオン制御して酸素濃度センサ２の端子電圧を戻し掃引するときに、Ａ／Ｄ変換部１４により酸素濃度センサ２の端子電圧をＡ／Ｄ変換して複数点モニタする。制御回路４は酸素濃度センサ２の端子電圧が初期状態（初期値Ｖ１）に達した時点において、電圧比較部１７がスイッチ１１をオフ制御することで酸素濃度センサ２の端子電圧を初期値Ｖ１に早期に戻すことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素濃度センサの制御装置に関するものであり、特に、内燃機関の排気通路に設置される酸素濃度センサを制御するための制御装置に関する。

従来、酸素濃度センサが内燃機関の排気通路に設置されており、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）は当該酸素濃度センサの信号に基づいて排気空燃比に関する情報を取得する（例えば、特許文献１参照）。この種の酸素濃度センサの制御装置は、このような排気空燃比に関する情報を得る間に、酸素濃度センサの印加電圧を基準電圧から掃引電圧に電圧を変化させることにより酸素濃度センサの素子インピーダンスを検出している。特許文献１記載の技術では、掃引開始直前の酸素濃度センサの端子電圧と前回のインピーダンス検出値とを変数として作成された放電時間のマップデータ（２次元マップ）を参照し酸素濃度センサへ印加した電圧の放電時間を決定している。

特開２００４−３４０９１４号公報

この酸素濃度センサの出力はエンジン制御に利用されるため、素子インピーダンスを検出した後には、酸素濃度センサの印加電圧を基準電圧に早期に復帰させる必要がある。従来方式ではチップセット毎に放電時間のマップデータを適合する必要を生じてしまい、当該適合に時間を要してしまっていた。

本発明の目的は、酸素濃度センサの出力電圧に基づいて排気空燃比に関する情報を得る間に酸素濃度センサの素子インピーダンスを検出しながら、マップデータの適合を行うことなく酸素濃度センサの端子電圧を素子インピーダンス検出処理前の状態に早期に復帰させることができるようにした酸素濃度センサの制御装置を提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、酸素濃度センサの出力電圧に基いて排気空燃比に関する情報を取得する間のインピーダンス検出処理期間において、電圧掃引部は該インピーダンス検出処理期間中に酸素濃度センサへ所定時間電圧を印加する。掃引直前電圧記憶部は電圧掃引部により掃引させる直前の酸素濃度センサの端子電圧を記憶する。インピーダンス検出部は、電圧掃引部により印加した電圧値に応じて流れた電流を検出し素子インピーダンスを検出する。これにより、排気空燃比に関する情報を得ている途中に酸素濃度センサの素子インピーダンスを検出できる。

電圧戻し掃引部は、所定時間経過後に酸素濃度センサの端子電圧を初期状態に戻すように制御するが、この間、モニタ部は当該電圧を戻し掃引する途中の酸素濃度センサの端子電圧をモニタする。そして、判定部はモニタ部のモニタ電圧が掃引直前電圧記憶部の記憶電圧に達したか判定し、この達したと判定された時点において電圧戻し掃引部による戻し動作を停止することで、酸素濃度センサの端子電圧を安定化させる。これにより、マップデータの適合処理を行うことなく、酸素濃度センサの端子電圧を素子インピーダンス検出処理前の初期状態に早期に復帰させることができる。

本発明の第１実施形態について概略的に示す回路構成図 酸素濃度センサの端子電圧の時間的変化を示すタイミングチャート サンプリングタイミングおよびサンプリング電圧を詳細に示すタイミングチャート 本発明の第２実施形態について概略的に示す図１相当図 図３相当図

（第１実施形態）
以下、酸素濃度センサの制御装置の第１実施形態について図１〜図３を参照しながら説明する。
この図１に示すシステム１は、酸素濃度センサ２と制御装置（ＥＣＵ）３を備える。酸素濃度センサ２は、図示しない内燃機関の排気通路に配置されており、主に抵抗成分のインピーダンスと起電力成分（その他に少量の容量成分含む）とを直列接続した回路として概ね等価的に表すことができる。この酸素濃度センサ２は、排気空燃比がリッチであるかリーンであるかを判定するために設けられ、排気空燃比のリッチ状態又はリーン状態に応じた電圧を出力する起電力式センサである。

本実施形態では、制御装置３は、端子３ａ側が高圧側となり端子３ｂ側が低圧側となるように酸素濃度センサ２が接続されており、これらの端子３ａ−３ｂ間に生じる電圧を検出することにより排気空燃比がリッチ状態であるかリーン状態であるか判定できる。

制御装置３は、排気空燃比がリッチ又はリーンであるか判定する間に例えば定期的に酸素濃度センサ２の素子インピーダンスＲｓを検出する機能を備えている。したがって、この制御装置３は、酸素濃度センサ２の端子電圧に基いて排気空燃比に関する情報を得る機能と、酸素濃度センサ２の素子インピーダンスＲｓを検出する機能とを備える。

以下、制御装置３の内部構成を説明する。制御装置３は、例えばＣＰＵ、メモリを備えたマイクロコンピュータ（何れも図示せず）による制御回路４を主として構成され、さらに、酸素濃度センサ２に電圧を印加する掃引電圧印加回路５、当該端子に印加した電圧を放電する戻し掃引回路６を備える。これらの掃引電圧印加回路５及び戻し掃引回路６は例えばディスクリート部品を用いて構成される。

掃引電圧印加回路５は、例えばＰＮＰトランジスタによるスイッチ７を備えると共に、抵抗８，９及びコンデンサ１０を組み合わせて構成されるもので、制御回路４によりスイッチ７がオンされることにより、コンデンサ１０に通電し酸素濃度センサ２に電圧を印加する。

戻し掃引回路６は、例えばＮＰＮトランジスタによるスイッチ１１を備えると共に、抵抗９，１２，１３及びコンデンサ１０を組み合わせて構成されるもので、制御回路４によりスイッチ１１がオンされることにより、酸素濃度センサ２及びコンデンサ１０の蓄積電荷を放電し、酸素濃度センサ２の端子間電圧を下降させる。

本実施形態における具体的な結線は以下に示す通りであるが、酸素濃度センサ２の端子間電圧をインピーダンス検出処理期間内に電圧印加／放電できればこの構成に限られない。本実施形態では、電源電圧Ｖｃｃの供給端子及びグランド間に、スイッチ７、抵抗８，９，１３が直列接続されており、抵抗９及び１３の直列回路にはコンデンサ１０が並列接続されている。さらに、このコンデンサ１０の端子間には抵抗１２及びスイッチ１１が直列接続されている。そして、スイッチ７、１１の制御端子には制御回路４の制御出力端子が接続されている。

制御回路４内にはＡ／Ｄ変換部１４が構成されている。このＡ／Ｄ変換部１４は、抵抗８及び９間の共通接続ノードの電圧、抵抗９及び１３間の共通接続ノードの電圧、酸素濃度センサ２の端子間電圧をそれぞれＡ／Ｄ変換する。

制御回路４内にはレジスタが記憶部として構成されており、当該記憶部は掃引直前電圧記憶部１５、戻し掃引電圧記憶部１６などとして設けられている。掃引直前電圧記憶部１５は、素子インピーダンスＲｓの検出処理の実施開始に伴う割込みトリガの発生に応じて、酸素濃度センサ２の端子間電圧のＡ／Ｄ値を初期値として保持するものであり、素子インピーダンス検出処理期間中に電圧印加の掃引処理を行う直前の酸素濃度センサ２の端子間電圧をデジタル値として記憶保持する。

また、戻し掃引電圧記憶部１６は、制御回路４が戻し掃引回路６により酸素濃度センサ２の端子間電圧を初期値に戻す間に酸素濃度センサ２の端子間電圧のＡ／Ｄ値を複数点記憶保持するもので、戻し掃引処理中の酸素濃度センサ２の端子間電圧を例えば複数点だけ記憶保持可能に構成されている。

制御回路４内には電圧比較部１７が構成されている。この電圧比較部１７は掃引直前電圧記憶部１５と戻し掃引電圧記憶部１６との間の電圧を比較し、戻し掃引処理中に戻し掃引電圧記憶部１６の記憶値が掃引直前電圧記憶部１５に達したことをトリガとしてスイッチ１１をオフすることで戻し掃引回路６の駆動動作を停止させる。

本実施形態では、この電圧比較部１７の機能は、制御回路４内のＣＰＵがメモリに記憶されるソフトウェアを実行することにより実現する形態を示す。なお、これらの各部１４〜１７の他にエンジン制御等に用いられる様々な機能部が設けられているが、本実施形態の特徴とは関係しないためこの説明は省略する。

さて、エンジンが動作している間、酸素濃度センサ２の周辺温度が変動する。酸素濃度センサ２の素子インピーダンスＲｓは温度特性を有しており、酸素濃度センサ２が高温になると素子インピーダンスＲｓは小さくなる。制御装置４が、酸素濃度センサ２を適切に制御するためには、酸素濃度センサ２の周辺温度を所定の活性温度に制御して適切な素子インピーダンスＲｓに制御すると良く、このため素子インピーダンスＲｓを正確に検出しフィードバック制御すると良い。また、制御装置４が素子インピーダンスＲｓを検出することにより酸素濃度センサ２の異常診断を行うこともできる。

そこで、制御装置４は、酸素濃度センサ２の端子間電圧の情報を用いて排気空燃比のリーン又はリッチ判定を行う間に素子インピーダンスＲｓを定期的に検出している。素子インピーダンスＲｓを検出するため、制御装置４は初期値（インピーダンス検出処理直前の端子電圧値）から所定時間電圧を印加し、この所定時間経過したタイミングにおけるＡ／Ｄ変換部１４によるＡ／Ｄ値に応じて素子インピーダンスＲｓを求めることができる。

制御装置４は、酸素濃度センサ２へ電圧を印加した後に当該端子間電圧の掃引前の電圧（初期値Ｖ１）に逐次戻す制御を行っている。制御装置４が端子間電圧を素早く初期値に戻すことで、酸素濃度センサ２のセンサ信号を用いてリーン／リッチの判定を素早く再開できるためである。

本実施形態では、インピーダンス検出処理時及びその後の電圧処理動作に特徴を備えるため、この処理を中心に説明する。図２は酸素濃度センサ２の端子間電圧の時間的変化をタイミングチャートにより示し、図３はインピーダンス検出処理期間中のサンプリング電圧を詳細に示している。図２に示すリーン／リッチ判定区間Ｔａでは、スイッチ７および１１が共にオフ状態に保持されており、酸素濃度センサ２の端子間が開放されている。制御装置４は、リーン／リッチ判定区間Ｔａにおいて、酸素濃度センサ２の端子間電圧（３ｃｈ）を例えば４ｍｓ毎にＡ／Ｄ変換してサンプルホールドし、この電圧値に応じてリーン状態であるかリッチ状態であるか判定する。このリーン／リッチ判定区間Ｔａは例えば１２８ｍｓ程度に設定されている。

制御回路４は、リーン／リッチ判定区間Ｔａの終端においてインピーダンス検出処理の割込みトリガを発生させると、このタイミングで酸素濃度センサ２の端子間電圧をサンプルホールドし、このサンプルホールドした電圧値を掃引直前電圧記憶部１５に保持する。

そして、制御回路４はスイッチ７をオン制御することでコンデンサ１０及び酸素濃度センサ２に強制通電し酸素濃度センサ２へ所定時間電圧を印加する。この所定時間は予め定められる固定時間であり、リーン／リッチ判定区間Ｔａに比較して大幅に短い時間（例えば数百μ秒：１５５μ秒）に設定されている。すると、掃引電圧印加回路５は、酸素濃度センサ２の端子間電圧を素子インピーダンスＲｓの実インピーダンス値に応じた時定数で上昇させることになる。

制御回路４は、所定時間が経過する直前に電圧印加終了トリガを発生すると、Ａ／Ｄ変換部１４により２チャンネル分のアナログ電圧値をＡ／Ｄ変換し、当該変換電圧をサンプルホールドしインピーダンス検出用電圧記憶部１８に記憶させる。制御回路４のインピーダンス検出部１９は、電圧記憶部１８に記憶された各端子電圧値を用いて酸素濃度センサ２の素子インピーダンスＲｓの値を算出できる。

制御回路４は、所定時間が経過するとスイッチ７をオフ制御すると同時にスイッチ１１をオン制御する。そして、制御回路４はＡ／Ｄ変換部１４によるＡ／Ｄ変換値を保持し、戻し掃引電圧記憶部１６に順次記憶させる。制御回路４が、酸素濃度センサ２の端子電圧の値を戻し掃引電圧記憶部１６に記憶させる周期は数μ秒（例えば５μ秒）程度に設定されている。すると、戻し掃引電圧記憶部１６はスイッチ１１がオンしてから初期値Ｖ１に到達するまでの間に大凡複数点を記憶保持することができる（図３の期間Ｔｂ内の黒点に示すＡ／Ｄ変換ポイント参照）。

戻し掃引電圧記憶部１６に電圧値が多数記憶されると、電圧比較部１７はこの新たに記憶された電圧値と掃引直前電圧記憶部１５に記憶された電圧値とを順次比較する。電圧比較部１７は、掃引直前電圧記憶部１５の電圧値（初期値Ｖ１）に達したことを判定すると、スイッチ１１をオフに制御する。すると、酸素濃度センサ２の出力電圧は掃引直前の電圧に戻り、安定化する。

制御回路４は、酸素濃度センサ２の端子間が開放されたことを確認した後、酸素濃度センサ２のセンサ信号をＡ／Ｄ変換し、制御回路４が排気空燃比に応じてリーン／リッチ判定を再開できる。

本実施形態によれば、制御回路４は酸素濃度センサ２の出力電圧に基いて排気空燃比に関する情報を得ているものの、インピーダンス検出処理の割込トリガを非同期で発生すると、制御回路４は酸素濃度センサ２の端子電圧（初期値Ｖ１）を掃引直前電圧記憶部１５に記憶させ、酸素濃度センサ２に対し初期状態（初期値Ｖ１）から所定時間だけ電圧を印加しインピーダンス値を検出する。これにより、制御装置３は排気空燃比に関する情報を得ている最中に酸素濃度センサ２の素子インピーダンスＲｓを検出できる。

そして、制御回路４はスイッチ１１をオン制御して酸素濃度センサ２に対し戻し掃引を行うときに、Ａ／Ｄ変換部１４により酸素濃度センサ２の端子間電圧をＡ／Ｄ変換し戻し掃引している最中に複数点モニタする。制御回路４は酸素濃度センサ２の端子電圧が初期状態（初期値Ｖ１）に達した時点において、電圧比較部１７がスイッチ１１をオフ制御することで酸素濃度センサ２の端子電圧を安定化させる。これにより、適合によるマップデータの作成を行うことなく酸素濃度センサ２の端子電圧を素子インピーダンス検出処理前の初期状態（初期値Ｖ１）に早期に復帰させることができる。

（第２実施形態）
図４および図５は第２実施形態を示すもので、前述実施形態と異なるところは、オフセット電圧を加算又は減算された電圧値に達したか判定し、この達したと判定された時点において戻し掃引動作を停止しているところにある。前述実施形態と同一機能を備える部分については同一符号を付して説明を省略し、以下、異なる部分を中心に説明を行う。

図４に示すように、掃引直前電圧記憶部１５の後段にはオフセット加算部２０が設けられている。このオフセット加算部２０は、オフセット電圧Ｖoffsetを加算するブロックであり、ＣＰＵがソフトウェアを実行することで実現される構成である。

オフセット加算部２０は、掃引直前電圧記憶部１５に記憶された電圧値にオフセット電圧Ｖoffsetの値を例えばプラス方向に加算する。そして、電圧比較部１７は、このオフセット加算部２０によりオフセット電圧Ｖoffsetが加算された電圧値と戻し掃引電圧記憶部１６の記憶電圧値とを比較し、戻し掃引処理中に初期状態（初期値Ｖ１）にオフセット電圧Ｖoffsetを加算した電圧に達した（跨ぐ）ことをトリガとしてスイッチ１１をオフ制御することで戻し掃引回路６の駆動動作を停止させる（図５の戻し掃引処理期間Ｔｃ参照）。

すなわち、図５に示すように、制御回路４は、戻し掃引処理中に初期状態の電圧値Ｖ１にオフセット電圧Ｖoffsetを加算した電圧に達したことを判定すると、スイッチ１１をオフ制御することで戻し掃引回路６の駆動動作を停止させる。すると、酸素濃度センサ２の端子電圧を初期状態の初期値Ｖ１に近い値に戻すことができる。この後、酸素濃度センサ２の端子間電圧は、当該センサ２自身が有するインピーダンスに応じて緩やかに低下し初期値Ｖ１に漸近する。これにより前述実施形態と同様の作用効果が得られる。本実施形態では、酸素濃度センサ２や各種回路の個体差のバラつきの影響を加味し、これらの影響を排除できる。

本実施形態では、初期状態（初期値Ｖ１）にオフセット電圧Ｖoffsetをプラス方向に加算した形態を示したが減算するようにしても良い。このオフセット電圧Ｖoffsetは酸素濃度センサ２の温度特性等のバラつきなどに応じて適宜設定すると良い。すると酸素濃度センサ２などの素子特性に合わせて柔軟に対応できる。

（他の実施形態）
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。
前述実施形態では、Ａ／Ｄ変換部１４を設け各記憶部１５、１６に記憶したデジタル値を比較する形態を示したが、コンパレータなどの電圧比較器を前述の電圧比較部１７の機能の代わりに設け、酸素濃度センサ２の端子間電圧をアナログ信号として比較するようにしても良い。

この場合、Ａ／Ｄ変換部１４の後にＤ／Ａ変換器を接続し、このＤ／Ａ変換器の出力アナログ信号をコンパレータによって比較することでアナログ的に処理しても良いし、また、酸素濃度センサ２の端子３ａ，３ｂ間の電圧をそのままアナログ信号としてコンパレータに入力させ、当該コンパレータが掃引直前電圧記憶部１５の記憶電圧値に対応したアナログ電圧と比較するようにしても良い。

また、制御回路４は、マイクロコンピュータを用いてＡ／Ｄ変換部１４を一体化して構成された形態を示したが、Ａ／Ｄ変換部１４は外付けでも良い。

図面中、５は掃引電圧印加回路（電圧掃引部）、６は戻し掃引回路（電圧戻し掃引部）、１１はスイッチ（停止部）、１５は掃引直前電圧記憶部、１６は戻し掃引電圧記憶部（モニタ部）、１７は電圧比較部（判定部）、１８はインピーダンス検出用電圧記憶部、１９はインピーダンス検出部、を示す。

Claims (2)

1. 酸素濃度センサの出力電圧に基いて排気空燃比に関する情報を取得する間のインピーダンス検出処理期間において、当該インピーダンス検出処理期間中に前記酸素濃度センサに所定時間電圧を印加する電圧掃引部（５）と、
   前記電圧掃引部により掃引させる直前の前記酸素濃度センサの端子電圧を記憶する掃引直前電圧記憶部（１５）と、
   前記電圧掃引部により掃引させた電圧値に応じて素子インピーダンスを検出するインピーダンス検出部（１９）と、
   前記所定時間経過後に前記酸素濃度センサの端子電圧を前記電圧掃引手段により掃引する直前の初期状態に戻すように制御する電圧戻し掃引部（６）と、
   前記電圧戻し掃引部（６）により前記酸素濃度センサの端子電圧を戻し掃引する途中の電圧をモニタするモニタ部（１６）と、
   前記モニタ部のモニタ電圧が前記掃引直前電圧記憶部の記憶電圧に達したか判定する判定部（１７）と、
   前記判定部により達したと判定された時点において前記電圧戻し掃引部による戻し動作を停止する停止部（１１）と、を備えることを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
2. 請求項１記載の酸素濃度センサの制御装置において、
   前記判定部（１７）は、前記モニタ部（１６）によるモニタ電圧が前記掃引直前電圧記憶部の記憶電圧にオフセット電圧が加算または減算された電圧値に達したか判定することを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。

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