JP2630373B2

JP2630373B2 - 酸素濃度センサの活性判別方法

Info

Publication number: JP2630373B2
Application number: JP63127967A
Authority: JP
Inventors: 康弘豊田; 彰加藤; 晴夫堀内
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1988-05-25
Filing date: 1988-05-25
Publication date: 1997-07-16
Anticipated expiration: 2012-07-16
Also published as: JPH01297550A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は内燃エンジンの排気ガスの酸素濃度を検出す
る酸素濃度センサの活性判別方法に関し、特に酸素濃度
に比例する出力特性を備えたタイプの酸素濃度センサの
活性判別方法に関する。

（従来の技術）従来、内燃エンジンの排気特性、燃費の向上等を図る
ために、排気ガスの酸素濃度を検出し、この検出結果に
応じて、エンジンに供給される混合気の空燃比（以下
「供給空燃比」という）を目標空燃比にフィードバック
制御する技術が周知であり、この場合、排気ガス中の酸
素濃度を検出する酸素濃度センサとして、該酸素濃度に
比例する出力特性を備えた、いわゆる比例型タイプのも
のが知られている。

また、この種の酸素濃度センサの出力特性は温度に依
存し、酸素濃度を正確に検出するためには、該センサが
活性化していること、即ちセンサ本体が所定温度以上に
維持されていることが必要であるため、特に始動直後に
供給空燃比のフィードバック制御を早期に開始すべくこ
の活性化を判別する方法が種々提案されている（例えば
特開昭61−204558号公報）。この従来の活性化判別方法
は酸素濃度センサの電池素子の端子電圧が所定範囲内に
あるときに活性状態にあると判別するものである。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記従来の判別方法は酸素濃度センサ
の温度が低いにもかかわらず活性状態にあると判別する
場合があり、始動直後に誤った検出結果に基づいて供給
空燃比のフィードバック制御が行われてしまうために、
この時の排気特性及び燃費等が低下するという問題点が
あった。

即ち、この種の酸素濃度センサにあっては電池素子と
酸素ポンプ素子が、排気ガスが導入される気体拡散室に
隔てられて配置されており、気体拡散室内の排気ガスが
断熱作用を果たすとともに、電池素子及び酸素ポンプ素
子を一体的に構成する酸素イオン伝導性の固体電解質材
（例えばZrO₂）の熱伝導性も低いために、電池素子の温
度は酸素ポンプ素子のそれと一致しない場合がある。特
に、酸素ポンプ素子は排気ガス中にさらされるため、エ
ンジンが停止状態にある場合のように排気ガスの温度が
低いときには、酸素ポンプ素子の温度が電池素子のそれ
よりも著しく低くなる。このことは、電池素子側にヒー
タを備える場合も同様である。

一方、前記従来の判別方法は電池素子の端子電圧のみ
に応じて活性化を判別するように構成されているので、
上述のように酸素ポンプ素子温度のみが低い場合に誤っ
て活性状態にあると判別してしまうため、上記不具合が
生ずる。

この場合、電池素子及び酸素ポンプ素子にそれぞれ温
度センサを設けることが考えられるが、極めて高温とな
るこれらの素子の温度を検出する、高温に耐え得るセン
サがないとともに、素子と離れた位置に温度センサを設
けた場合には、やはり素子温度を正確に測定できず、上
述の不具合を解消できない。

本発明は上記従来の技術の問題点を解決するためにな
されたものであり、活性状態を正確に判別でき、もって
始動直後におけるエンジンの排気特性及び燃費の向上等
を図ることができる酸素濃度センサの活性判別方法を提
供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）本発明は上記目的を達成するため、内燃エンジンの排
気系に配設され各々が酸素イオン伝導性の固体電解質材
及びこれを挟む電極からなり気体拡散制限域を形成する
酸素ポンプ素子及び電池素子を有する酸素濃度検出素子
と、前記酸素ポンプ素子の電極間にポンプ電流を供給す
るポンプ電流供給手段と、ヒータ電流供給手段から供給
されるヒータ電流に応じて前記酸素濃度検出素子を加熱
する加熱素子とからなる酸素濃度センサの活性判別方法
において、前記電池素子の端子電圧、前記酸素ポンプ素
子の端子電圧及び前記加熱素子のヒータ抵抗値がすべて
夫々の所定範囲内にあるときに前記酸素濃度センサが活
性したと判別するものである。

（実施例）以下、本発明の一実施例を、図面を参照しながら説明
する。

第１図は本発明の判別方法が適用される酸素濃度セン
サを含む燃料供給制御装置の全体の構成図である。同図
中１は酸素濃度センサ（以下「O₂センサ」という）であ
り、内燃エンジン２の排気管３に装着されている。O₂セ
ンサ１は、後述する構成を備え、排気ガスの酸素濃度を
検出してその検出値に応じた信号を電子コントロールユ
ニット（以下「ECU」という）４に供給する。O₂センサ
１より下流側の排気管３には三元触媒５が装着されてお
り、排気ガス中のHC,CO,NOx等の成分の浄化を行う。

前記エンジン２は例えば４気筒４サイクルのもので、
エアクリーナ６及び吸気管７を介して吸気が供給され
る。エアクリーナ６には吸気温（T_A）センサ８が取り付
けられており、吸気温T_Aを検出して対応する電気信号を
ECU4に供給する。吸気管７の途中にはスロットル弁９が
配されている。該スロットル弁９にスロットル弁開度
（θ_TH）センサ10が連結されており、当該スロットル弁
９の開度θ_THに応じた電気信号を出力してECU4に供給す
る。

燃料噴射弁11はエンジン２とスロットル弁９との間且
つ吸気管７の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎
に設けられており、各噴射弁11は図示しない燃料ポンプ
に接続されているとともにECU4に電気的に接続されて当
該ECU4からの信号により燃料噴射の開弁時間が制御され
る。

一方、スロットル弁９の直ぐ下流には吸気管内絶対圧
（P_BA）センサ12が設けられており、吸気管内絶対圧P_BA
に応じた電気信号を前記ECU4に供給する。

エンジン２の本体に装着されたエンジン冷却水温（T
w）センサ13はサーミスタ等からなり、エンジン冷却水
温Twを検出して対応する電気信号をECU4に供給する。エ
ンジン回転数（Ne）センサ14はエンジン２の図示しない
カム軸周囲又はクランク軸周囲に取り付けられている。
エンジン回転数センサ14はエンジン２のクランク軸の18
0度回転毎に所定のクランク各度位置でパルス（以下「T
DC信号パルス」という）を出力し、ECU4に供給する。

第２図はO₂センサ１のセンサ本体20の構成を示す。該
センサ本体20はほぼ立方体状をなし、酸素イオン伝導性
の固体電解質材（例えばZrO₂（二酸化ジルコニウム））
から成る。センサ本体20には第１及び第２の壁部21,22
が互いに平行に形成されており、該両壁部21,22間に気
体拡散室（気体拡散制限域）23が画成されている。該気
体拡散室23は導入孔24を介して排気管３に連通し、該導
入孔24を通って排気ガスが導入されるようになってい
る。また、前記第１の壁部21と該壁部21側に形成された
外壁部25との間には、気体参照室26が形成され、大気が
導入されるようになっている。

前記第１の壁部21の両側面にはPt（白金）から成る一
方の電極対27a,27bが互いに対向するように設けられて
電池素子28をなし、前記第２の壁部22の両側面には同様
に他方の電極対29a,29bが設けられて酸素ポンプ素子30
をなしている。一方、前記外壁部25には電子素子28及び
酸素ポンプ素子30を加熱してその活性化を促進するため
のヒータ（加熱素子）31が設けられている。

第３図はO₂センサ１及びECU4等から成る空燃比制御装
置の回路構成を示す図である。

前記電極のうちの内側電極27b,29b、即ち気体拡散室2
3側の電極は接地されているとともに、前記電池素子28
の外側電極27aは差動増幅回路32の反転入力端に接続さ
れている。該差動増幅回路32は、その非反転入力端に接
続される基準電圧源33及び出力端に接続されるスイッチ
34とともにO₂センサ１の電流供給回路（ポンプ電流供給
手段）35を構成するものである。前記基準電圧源33の基
準電圧V_SOは供給空燃比が理論混合比と等しいときに前
記電池素子28に生ずる電圧（例えば0.4V）に設定されて
いる。

前記スイッチ34は電流検出抵抗36を介して前記酸素ポ
ンプ素子30の外側電極29aに接続されている。

なお、前記電流供給回路35及び電流検出抵抗36はECU4
に一体に組み込まれている。

前記電流検出抵抗36の両端電圧はECU4のA/Dコンバー
タ401に供給される。また、電池素子28及び酸素ポンプ
素子30の各端子電圧V_S,V_P並びにヒータ31の印加電圧V_H
及び電流量I_Hはマルチプレクサ402により順次A/Dコンバ
ータ403に供給される。更に、吸気温センサ8,スロット
ル弁開度センサ10,吸気管内絶対圧センサ12及びエンジ
ン冷却水温センサ13からのそれぞれの出力信号はレベル
変換回路404で所定電圧レベルに修正された後、マルチ
プレクサ405により順次A/Dコンバータ406に供給され
る。A/Dコンバータ401,403及び406は供給されたアナロ
グ信号を順次デジタル信号に変換してデータバス407を
介して中央演算処理装置（以下「CPU」という）408に供
給する。

エンジン回転数センサ14からの出力信号は波形整形回
路409で波形整形された後、TDC信号パルスとしてCPU408
に供給されるとともに、カウンタ410にも供給される。
カウンタ410はエンジン回転数センサ14からのTDC信号パ
ルスの前回入力時から今回入力時までの時間間隔を計測
するもので、その計数値Meはエンジン回転数Neの逆数に
比例する。カウンタ410はこの計数値Meをデータバス407
を介してCPU408に供給する。

CPU408は更にデータバス407を介してリードオンリメ
モリ（以下「ROM」という）411、ランダムアクセスメモ
リ（以下「RAM」という）412及び駆動回路413〜415に接
続されている。RAM412はCPU408における演算結果を一時
的に記憶し、ROM411はCPU408で実行される制御プログラ
ム、燃料噴射弁11の燃料噴射時間T_OUTを算出するための
マップ等を記憶している。

CPU408はROM411に記憶されている、後述する第４図の
制御プログラムに従ってヒータ31のオン−オフ及び印加
電圧V_H並びに電流供給回路35のスイッチ31のオン−オフ
を決定し、その結果に応じた駆動信号を、駆動回路413
及び414を介してヒータ31及びスイッチ34に供給する。

また、CPU408はO₂センサ１の検出信号を含む前述の各
種エンジンパラメータ信号に基づいて、フィードバック
運転領域等のエンジン運転状態を判別するとともに、エ
ンジン運転状態に応じ、図示しない制御プログラムに従
って燃料噴射弁11の燃料噴射時間T_OUTを演算し、該演算
結果に基づく駆動信号を駆動回路415を介して燃料噴射
弁11に供給する。これにより、エンジン２のフィードバ
ック運転時、供給空燃比を目標空燃比にフィードバック
制御する。

次に上記構成の空燃比制御装置の作用を説明する。

まずO₂センサ１の作用を説明する。エンジン２の運転
に伴い、排気ガスが導入孔24を介して気体拡散室23へ導
入されると、該気体拡散室23内と外気が導入されている
気体参照室26内との間に酸素濃度差が生ずる。電池素子
28が活性状態にあるときには、該酸素濃度差に応じて電
池素子28の電極27a,27bの間に電圧V_Sが発生し、この電
圧V_Sが差動増幅回路32の反転入力端に供給される。前述
したように該差動増幅回路32の非反転入力端に供給され
る基準電圧V_SOは、供給空燃比が理論混合比に等しいと
きに電池素子28に生ずる電圧V_Sに設定されている。

したがって、供給空燃比がリーン側にあるときには、
電池素子28の電圧V_Sが基準電圧V_SOより小さくなること
により、差動増幅回路32の出力レベルが正レベルとな
り、この正レベル電圧がスイッチ34,電流検出抵抗36を
介して酸素ポンプ素子30に印加される。この正レベル電
圧の印加によって、酸素ポンプ素子30が活性状態にある
ときには、気体拡散室23内の酸素がイオン化して電極29
b,第２の壁部22及び電極29aを介して放出されることに
より、O₂センサ１の外部へ汲み出されるとともに、ポン
プ電流が電極29aから電極29bに向かって流れる。

一方、供給空燃比がリッチ側にあるときには、電池素
子28の電圧V_Sが基準電圧V_SOより大きくなることによ
り、差動増幅回路32の出力レベルが負レベルとなり、上
述と逆の作用によって、O₂センサ１の外部の酸素が酸素
ポンプ素子30を介して気体拡散室23内へ汲み込まれると
ともに、ポンプ電流が電極29bから電流29aに向かって流
れる。また、供給空燃比が理論混合比に等しいときに
は、電池素子28の電圧V_Sが基準電圧V_SOと等しくなるこ
とにより、差動増幅回路32の出力レベルは０となり、酸
素の汲出及び汲込は行われず、したがってポンプ電流は
流れない。

以上のように、気体拡散室23内の酸素濃度が一定とな
るように酸素の汲出及び汲込が行われ、ポンプ電流が流
れるので、このポンプ電流値I_Pは供給空燃比のリーン側
及びリッチ側において、排気ガスの酸素濃度に夫々比例
するものとなる。このポンプ電流値I_Pは、電流検出抵抗
36の両端に現れる電圧降下により、前述したようにO₂セ
ンサ１の検出信号としてECU4に供給される。

第４図は本発明に係るO₂センサ１の活性化の判別等を
行うプログラムのフローチャートを示す。まず、エンジ
ン回転数Neが所定回転数Ne₁（例えば400rpm）以上であ
るか否かを判別する（ステップ41）。この答が否定（N
o）のときにはエンジン２がクランキング中であると判
断して、ヒータ電流の供給停止指令を発生してヒータ31
を不作動状態に保持する（ステップ42）。これはエンジ
ン２のクランキング時にはヒータ31の図示しないヒータ
素子が冷えていることが多く、この状態で通電を行った
場合のヒータ素子の温度の急激な上昇に起因するひび割
れの発生等を防止するためである。

次にポンプ電流の供給停止指令を発生し（ステップ4
3）、即ち電流供給回路35のスイッチ34をオフ（開）状
態にしてポンプ電流が流れないようにし、次いでO₂セン
サ１が不活性状態にあると判別し（ステップ44）、O₂セ
ンサ１の検出信号に応じたフィードバック制御を行わな
いようにして、本プログラムを終了する。

前記ステップ41の答が肯定（Yes）、即ちNe≧Ne₁が成
立するときには、諸条件の成立後、所定時間t₁（例えば
5sec）が経過したか否かを判別する（ステップ45。この
答が否定（No）のときには前記ステップ42以下を実行し
て本プログラムを終了する。これによりエンジンの回転
が未だ不安定であるときのヒータ31への通電が防止され
る。

前記ステップ45の答が肯定（Yes）、即ちNe≧Ne₁の成
立後、所定時間t₁が経過しているときには、CPU408で演
算された印加電圧V_Hに基づきヒータ電流の供給指令を発
生してヒータ31を作動状態にする（ステップ46）。

次いで、ヒータ31の抵抗値R_Hが第１の所定値R_H11（例
えば３Ω）以上かつ第２の所定値R_H12（例えば８Ω）以
下であるか否かを判別する（ステップ47）。この抵抗値
R_Hはヒータ31の印加電圧V_H及び電流量I_Hから演算され
る。前記ステップ47の答が否定（No）、即ちR_H＜R_H11又
はR_H＞R_H12が成立し、ヒータ素子が低温状態又は高温状
態にあるときには前記ステップ43以下を実行して本プロ
グラムを終了する。これにより、例えば酸素ポンプ素子
31の低温時においてポンプ電流が流れることによりZrO₂
が分解して酸素ポンプ素子30が劣化するのを防止でき
る。

前記ステップ47の答が肯定（Yes）、即ちR_H11≦R_H≦R
_H12が成立し、したがってヒータ素子が低温状態及び高
温状態にないときには、ポンプ電流の供給指令を発生し
（ステップ48）、即ち電流供給回路35のスイッチ34をオ
ン（閉）状態にしてポンプ電流が流れ得る状態にする。

次いで、電池素子28の端子電圧V_S,酸素ポンプ素子30
の端子電圧V_P及びヒータ31の抵抗値R_Hがそれぞれの所定
範囲にあるか否かを判別する。即ち、電池素子28の端子
電圧V_Sがその第１の所定値V_S1（例えば250mV）以上かつ
第２の所定値V_S2（例えば650mV）以下であるか否か（ス
テップ49）、酸素ポンプ素子30の端子電圧V_Pがその第１
の所定値V_P1（例えば−2V）以上かつ第２の所定値V
_P2（例えば2V）以下であるか否か（ステップ50）及びヒ
ータ31の抵抗値R_Hが前記第１の所定値R_H11より大なる第
３の所定値R_H21（例えば5.0Ω）以上かつ前記第２の所
定値R_H12より小なる第４の所定値R_H22（例えば6.2Ω）
以下であるか否か（ステップ51）をそれぞれ判別する。

上記から明らかなように、ヒータ31の抵抗値R_Hの所定
範囲は前記ステップ47で設定した範囲よりも狭く、ヒー
タ31が適温状態にあるときに示す値に設定される。ま
た、電池素子28及び酸素ポンプ素子30の端子電圧V_S,V_P
の前述した所定範囲は、気体拡散室23内の酸素濃度が理
論混合比に相当する酸素濃度に近い値に示しており、し
たがってO₂センサ１の出力が安定して酸素濃度を正確に
検出し得る状態にあるときに示す値に設定される。

前記ステップ49又は50の答のいずれかが否定（No）、
即ちV_S＜V_S1若しくはV_S＞V_S2又はV_P＜V_P1若しくはV_P＜V
_P2のいずれかが成立するときには、気体拡散室23内の酸
素濃度が理論混合比に相当する酸素濃度に近い値を示し
ておらず、即ちリーン側又はリッチ側の値を示していて
O₂センサ１の出力が安定していないと判断して、前記ス
テップ44を実行して本プログラムを終了する。また、前
記ステップ51の答が否定（No）のときには、ヒータ31の
温度が安定していないとして同様に前記ステップ44を実
行して本プログラムを終了する。ヒータ31の抵抗値R_Hは
電池素子28及び酸素ポンプ素子30の温度を反映するとと
もに、O₂センサ１の出力はこれらの素子の温度変化の影
響を受けるので、上記ステップ51の判別によりこの影響
によるO₂センサ１の出力の変動を防止できる。

前記ステップ49乃至51の答がすべて肯定（Yes）、即
ち電池素子28の端子電圧V_S,酸素ポンプ素子30の端子電
圧V_P及びヒータ31の抵抗値R_Hが、すべて前述したそれぞ
れの所定範囲内にある場合には、O₂センサ１が活性状態
にあると判別し（ステップ52）、エンジン２がフィード
バック運転領域にあるときにはO₂センサ１の検出信号に
応じた供給空燃比のフィードバック制御を行うようにし
て本プログラムを終了する。

以上のように、電池素子28及び酸素ポンプ素子30が高
温状態にあり、且つ気体拡散室23内の酸素濃度が理論混
合比に相当する酸素濃度に近い値を示しているときのみ
をO₂センサ１が活性状態にあると判別することにより、
その出力が安定して酸素濃度を正確に検出し得る状態を
的確に判別でき、該判別結果に応じO₂センサ１の検出信
号に基づいて供給空燃比のフィードバック制御を行える
ので、始動直後におけるエンジンの排気特性及び燃費の
向上等を図ることができる。

また、本実施例と異なる位置にヒータ31を設置した場
合にも、上述と同様の効果を得ることができる。

（発明の効果）以上詳述したように本発明によれば、酸素濃度センサ
の活性状態、即ち酸素濃度センサが正確且つ安定して排
気ガスの酸素濃度を検出し得る状態を正確に判別でき、
したがって始動直後におけるエンジンの排気特性及び燃
費の向上等を図ることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】図面は本発明の一実施例を示し、第１図は燃料供給制御
装置の全体構成図、第２図はO₂センサのセンサ本体を示
す斜視図、第３図は空燃比制御装置の回路構成を示す
図、第４図は本発明に係る、O₂センサの活性を判別する
サブルーチンのフローチャートである。１……O₂センサ（酸素濃度センサ）、２……内燃エンジ
ン、３……排気管、４……電子コントロールユニット
（ECU）（ヒータ電流供給手段）、21,22……第1,第２の
壁部（固体電解質材）、23……気体拡散室（気体拡散制
限域）、27a,27b,29a,29b……電極、28……電池素子、3
0……酸素ポンプ素子、31……ヒータ（加熱素子）、35
……電流供給回路（ポンプ電流供給手段）。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−204558（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−81559（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−239664（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃エンジンの排気系に配設され各々が酸
素イオン伝導性の固体電解質材及びこれを挟む電極から
なり気体拡散制限域を形成する酸素ポンプ素子及び電池
素子を有する酸素濃度検出素子と、前記酸素ポンプ素子
の電極間にポンプ電流を供給するポンプ電流供給手段
と、ヒータ電流供給手段から供給されるヒータ電流に応
じて前記酸素濃度検出素子を加熱する加熱素子とからな
る酸素濃度センサの活性判別方法において、前記電池素
子の端子電圧、前記酸素ポンプ素子の端子電圧及び前記
加熱素子のヒータ抵抗値がすべて夫々の所定範囲内にあ
るときに前記酸素濃度センサが活性したと判別すること
を特徴とする酸素濃度センサの活性判別方法。