JP2737237B2

JP2737237B2 - 酸素センサ用ヒータの制御装置

Info

Publication number: JP2737237B2
Application number: JP1104158A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　　誠
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1998-04-08
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JPH02281135A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、内燃機関の空燃比制御のために機関排気系
に取り付けられる酸素センサに関し、特に、センサ素子
の温度制御を行う装置に関するものである。

［従来の技術］内燃機関の出力向上、燃費低減、排気浄化のために種
々の制御装置が開発されているが、その制御に欠かせな
いのが排気中の酸素濃度を測定する酸素センサである。
酸素センサは固体電解質又は半導体等で構成されるが、
その出力はそれら電解質等の温度に依存する。

例えばチタニア（TiO₂）を用いた酸素センサでは、そ
の温度により作動空燃比（A/F比）が第９図の曲線のよ
うに変化することが知られている。第９図の縦軸はA/F
比であるが、理論空燃比の値をはさんで、A/F比がa1以
下である（燃料がリッチである）と排気中の炭化水素
（HC）成分が過多になり、逆にA/F比がa2以上である
（燃料がリーンである）と酸化窒素（NO_x）が増加す
る。この酸素センサの作動空燃比を理論空燃比近くの狭
い範囲（a1〜a2）内にしておくためには、センサの温度
を狭い範囲T1〜T2内に保つように制御しておかねばなら
ない。

このため、従来より、酸素センサにヒータを設け、そ
のヒータの抵抗値が所定の抵抗値になるようにヒータへ
の供給電力を制御することにより、センサの温度を制御
する装置が知られている（例えば、特開昭57−197459
号、60−164241号、60−202348号等）。

［発明が解決しようとする課題］上記従来のセンサの温度制御は、ヒータの抵抗値がセ
ンサの温度により変化することを利用するものである
が、より詳しく検討すると、ヒータの抵抗値が所定値と
なるように制御するのみでは、必ずしも酸素センサの検
出部の温度を正確に制御することにならない場合があ
る。例えば、次のような場合である。

酸素センサは、排気中にさらされて酸素濃度の検出を
行う検出端と、排気管に取り付けられる取付部とから成
る。ヒータの抵抗線は検出端の方を加熱するように配設
されているが、取付部の方にも抵抗線のリード部が必要
である。従って、正確に言えば、ヒータの全抵抗RHは、
検出端部の抵抗RH1にリード部の抵抗RH2を加えたものと
なる。上記のヒータへの供給電力量の制御は、この全抵
抗RHが所定の目標値RTになるように行っているのであ
る。

しかし、例えば、エンジンが高負荷で長時間運転され
た場合等、排気管の温度が上昇し、そこに取り付けられ
た酸素センサの取付部分の温度が上昇すると、検出端の
部分の温度は変化しなくても、リード部の抵抗RH2の上
昇により、ヒータの全抵抗RHが上昇する。この場合、従
来の制御ではヒータへ供給される電力量が減少し、検出
端の部分の温度が低下するという好ましくない結果とな
る。

本発明はこのような課題を解決するために成されたも
のである。

［課題を解決するための手段］上記課題を解決するために成された本発明は、第１図
にその構成を例示するように、内燃機関EGの排気中の酸素濃度を検出するセンサOSに
設けられたヒータHTの抵抗値RHを検出する抵抗値検出手
段M5と、該抵抗値検出手段M5にて検出されるヒータ抵抗値RHが
目標抵抗値RTとなるようにヒータHTへ供給する電力PWを
制御するヒータ電力制御手段M4と、を備えた酸素センサ用ヒータの制御装置において、ヒータHTに供給されている電力PWを検出するヒータ電
力検出手段M1と、内燃機関EGの運転状態を検出する運転状態検出手段M2
と、該運転状態検出手段M2にて検出された運転状態に応じ
て、ヒータ供給電力の下限値P0を設定する下限電力値設
定手段M3と、を設け、前記ヒータ電力制御手段M4は、前記ヒータ電力
検出手段M1にて検出されたヒータ供給電力PWが前記下限
電力値P0以下のときには、前記抵抗値検出手段M5にて検
出されるヒータ抵抗値RHに関わらず、ヒータHTへの供給
電力PWが前記下限電力値P0以上になるように制御するこ
とを特徴とする。

［作用］このように構成された本発明の酸素センサ用ヒータの
制御装置では、ヒータ電力制御手段M4が、酸素センサOS
へ供給する電力PWを、通常時には、センサOSのヒータHT
の抵抗値RHが目標抵抗値RTとなるように制御する。しか
し、ヒータ電力検出手段M1により検出されたヒータHTへ
の供給電力PWが下限値P0以下である場合には、抵抗値検
出手段M5にて検出されるヒータ抵抗値RHに関わらず、ヒ
ータHTへの供給電力PWをその下限電力値P0以上となるよ
うに制御する。即ち、ヒータへの供給電力PWが下限電力
値P0以下となるような異常事態は、例えば、酸素センサ
の検出端の温度が上昇することなく取付部の温度のみが
上昇したような場合に発生するのであり、このような異
常事態を引き起こす原因を含んだヒータ抵抗値RHを制御
に用いることなく、このヒータ抵抗RHとは無関係に決ま
る下限電力値P0に基づいてヒータヘの供給電力PWを制御
するのである。

なお、下限電力値P0は、運転状態検出手段M2により検
出されるそのときの運転状態に応じて定められる。すな
わち、その運転状態の下でヒータへの供給電力PWがその
値P0以下となると、酸素センサOSの温度が低くなり過ぎ
て、酸素センサOSの正常な作動が保証されなくなるよう
な電力値を考慮して定められる。

［実施例］本発明に係るヒータ制御装置の実施例を第２〜８図に
より説明する。自動車エンジンの排気管に取り付けられ
た酸素センサのヒータ10には、自動車のメインバッテリ
12が接続される。ヒータ10には更に直列に、スイッチン
グトランジスタ（Tr）14及び比較抵抗16が接続される。
トランジスタ14と比較抵抗16との間の（アース電位に対
する）電位VIはオペアンプ（IC）18及び２つの抵抗（R
1）20、（R2）22により増幅され（本実施例では10倍に
増幅）、A/Dコンバータ（ADC）24を介して電子制御装置
（ECU）26に入力される。バッテリ電位VBもADC24を介し
てECU26に入力される。なお、ヒータ10及び比較抵抗16
の抵抗値を各々RH、RIとする。

ECU26は、第３図に示すように、周知のCPU30、ROM3
2、RAM34、入力部36、出力部38等を備えたマイクロコン
ピュータである。第２図には示さなかったが、エンジン
のスロットルバルブが閉じたときにON信号を出力するア
イドルスイッチ（LL SW.）40、車速センサ（SPD）42、
冷却水の温度センサ（THW）44、回転速度センサ（NE）4
6、吸入空気量を測定するエアフロメータ（Ｑ）48から
の信号も入力部36を介してECU26に入力される。ECU26は
それら入力信号に基づき、次のようなヒータ制御処理を
行う。

第４図（Ａ）、（Ｂ）はそのヒータ制御処理ルーチン
のフローチャートであるが、ECU26はこのルーチンを16m
sec毎に実行する。本ルーチンがスタートすると、最初
にステップ100で、エンジンの回転速度NEおよび単位時
間当りの吸入空気量Ｑを各センサ46、48から入力し、ス
テップ110でそれらの瞬時値を平滑化するための、いわ
ゆる「なまし」データ処理を行う。具体的には、今回
（ステップ100で）入力された値を各々NE（ｎ）、Ｑ
（ｎ）、前回の本ルーチンの実行時に算出されたなまし
値を▲▼（ｎ−１）、（ｎ−１）とすると、今回
のなまし値▲▼（ｎ）、（ｎ）は、 ▲▼（ｎ）＝（63・▲▼（ｎ−１）＋NE
（ｎ））/64 （ｎ）＝（63・（ｎ−１）＋Ｑ（ｎ））/64 として得られる。

ステップ120では、なまされたエンジン回転速度▲
▼および吸入空気量の値を基に、下限電力値P0を決
定する。この値の決定には、予めROM32に記憶された第
５図のようなデータマップを用いるのが時間的に有利で
あるが、所定の関数に代入して計算する方法を用いて
も、もちろん構わない。このマップ又は関数の設定方法
（運転条件から下限電力値P0を定める基準）について
は、後述する。

次のステップ130では、現時点でヒータ10に電力が供
給されているか否かを判定する。後に詳しく述べるが、
ヒータ10の電力制御は、所定周期毎にONとOFFのサイク
ルを繰り返すデューティ制御により行われる。ステップ
130では、このONの時期に当たるか否かを、後述のヒー
タON処理（ステップ290）のときに立てられるフラグに
より判定する。ヒータ10に電力が供給されているとき
は、ステップ140で、比較抵抗RIの電圧VIと電源電圧VB
の値をADC24から入力し、ステップ150で、現在ヒータ10
に供給されている電力PW（ｎ）を次の式により算出す
る。

PW（ｎ）＝｛VI・（VB−VI）/RI｝・（DUTY/256）ここで、DUTYは後述するデューティ比に対応するカウ
ンタである。ステップ160では、ヒータ10の目標抵抗値R
Tを更新できる運転状態か否かを判定する。具体的に
は、アイドルスイッチ（LL SW.）40がON（スロットルバ
ルブが閉じている）、車速が5km/h以下、冷却水温THWが
70℃以上という状態（すなわち、アイドリング状態）が
２秒以上継続しているか否かを判定する。ついで、ステ
ップ170では、ステップ150における電力PW（ｎ）の算出
が256回行われたか否かを判定し、この判定がYESの場合
には、ステップ180へ進む。ステップ180では、この256
回の電力算出値PW（ｎ）の平均値PNを求める。そして、
ステップ190で、この平均値PNから目標抵抗の補正値ΔR
Tを求める。これは、例えば、第６図に示すようなマッ
プをROM32に格納しておき、これを参照することにより
行う。検出された電力の平均値PNが標準値PN0と等しけ
れば補正値ΔRTは０であるが、それよりも大きければ、
マイナスの補正値が与えられる。もちろん、マップでは
なくて、適当な関数を用いて算出してもよい。次に、ス
テップ200で、ヒータ10の目標抵抗値RTを、この補正値
ΔRTを加えることにより補正する。従って、所定の標準
運転条件（今の場合は、アイドリング）の下で、ヒータ
10に供給されている電力PNが標準値PN0よりも大きいと
きは、目標抵抗値RTは低い方に補正される。つまり、目
標温度がより低い方に修正され、酸素センサの最適な作
動温度となるように補正される。

ステップ160で目標ヒータ抵抗値更新条件が満たされ
ない場合及びステップ170で電力PW（ｎ）の算出が256回
に満たないと判定された場合は、この補正は行われな
い。

その後、第４図（Ｂ）に移り、ステップ210で、現在
ヒータ10へ供給されている電力値PW（ｎ）が、ステップ
120で決定された下限電力値P0以上であるか否かが判定
される。PW（ｎ）≧P0の場合には、ステップ220で、ヒ
ータ10の抵抗RHが次の式によって算出される。

RH＝（VB/VI−１）・RI そして、ステップ230〜250で、このヒータ抵抗RHが目
標抵抗値RT以上か以下かにより、ヒータ10へ供給する電
力のデューティ比対応カウンタDUTYを１だけ増加又は減
少する。DUTYとは、第７図（Ｂ）で示すように、ヒータ
10のON・OFFサイクル時間（ａ）に対するON時間（ｂ）
の比、すなわちデューティ比（b/a×100％）に対応する
値であるが、後述のフリーランニングカウンタCDUTYと
対応すように、０〜256の値をとる。ステップ260では、
デューティ比が3.125〜100％（DUTYでは８〜256）の範
囲を超えないように、ガード処理を行う。すなわち、DU
TYが８以下になるときは８で固定し、256以上になると
きは、256で固定する。下限を０としなかったのは、DUT
Y＝０とすると、電力PW（ｎ）の算出や抵抗値RHの算出
（ステップ150、220）が不可能になってしまうからであ
る。同じ理由から、ステップ130で判定結果がNOの場合
（ヒータ10がOFFの場合）も、これまでのステップは実
行されない。

ステップ210でPW（ｎ）＜P0の場合には直ちにステッ
プ240へ進み、DUTYを無条件に１だけ増加させる。これ
により、ヒータ10への供給電力PW（ｎ）は次回以降増加
し、PW（ｎ）がP0以上となったときにこのステップ210
でYESと判定されて、以後、上記の目標抵抗値制御が行
われる。ここが本発明に係る部分であるが、このように
したのは次のような理由からである。酸素センサ50は、
第８図に模式的に示すように、排気にさらされて、排気
中の酸素濃度を検出するチタニア素子が配設された検出
部52と、排気管に取り付けられる取付部54とから構成さ
れる。ヒータ10はもちろん検出部52の素子を加熱するた
めのものであるが、その部分の線56に電力を供給するた
めのリード線58も取付部54には必要である。従って、上
記ステップ220で算出されるヒータ抵抗値RHは、検出部5
2の部分56の抵抗値RH1と取付部54のリード線58の抵抗値
RH2との和となっている。

エンジンが連続高速運転を続けた場合等には、排気管
の温度が上昇し、酸素センサ50の取付部54の温度も上昇
する。すると、ヒータ10の検出部52の部分56の抵抗値RH
1は変化しなくとも、リード線58の抵抗値RH2が上昇する
結果、ステップ220で算出されるヒータ抵抗値RHが見か
け上、上昇する。このため、もし、ステップ210を設け
なければ、ステップ230でNOと判定され、ステップ250で
DUTYはどんどん減少してゆき、検出部52の温度が異常に
低下する。

ステップ210はこのようなことを防止するために設け
られたものであり、ヒータ10へ供給される電力PW（ｎ）
が所定値P0以下になったときは、上記のような異常事態
の可能性があり得ることを考慮して、ステップ240でDUT
Yを直ちに増加し、検出部52の温度の異常低下を防止す
る。従って、ステップ120における下限電力値P0は、こ
のようなことを考慮した値として予め定められる。

ステップ270では、フリーランニングカウンタCDUTYを
８だけ増加する。そして、ステップ280で、DUTYをCDUTY
と比較し、DUTY＞CDUTYのときにはステップ290でヒータ
10をONとし、そうでないときは、ステップ300でヒータ1
0をOFFとする。具体的には、出力部38を介して、スイッ
チングトランジスタ14をON又はOFFとすることにより、
バッテリ12の電力をヒータ10へ供給又は遮断する。CDUT
Yは、256に達した時点で０にリセットされ、再び８づつ
増加される。

ステップ270〜300の処理は、第７図（Ａ）に示すよう
に、所定の（本実施例では、16msec×（256/8）＝512ms
ec）サイクルでヒータ10をON及びOFFさせ、そのデュー
ティ比を定めるための処理である。

最後に、ステップ310で、カウンタｎを１だけ増加し
て、本ルーチンを終える。なお、ステップ290及び300で
ヒータ10がON又はOFFされたときは、それに応じたフラ
グのセット・リセットが行われ、ステップ130の判定に
用いられる。

なお、本実施例において、各センサ42,44,46,48が運
転状態検出手段M2、ステップ100〜120が下限電力値設定
手段M3、ステップ140,150がヒータ電力検出手段M1、ス
テップ140,220が抵抗値検出手段M5、ステップ130,160〜
210,230〜310が、ヒータ電力制御手段M4に相当する。

［発明の効果］本発明に係るヒータ制御装置では、酸素センサのヒー
タへの供給電力が、運転状態によって定まる下限電力値
より小さくなったときには、ヒータ抵抗値を基準にした
制御をやめ、その事態を引き起こす原因を含んだヒータ
抵抗値とは無関係に決まる下限電力値に基づいてヒータ
への供給電力が制御されるので、検出端の温度を、酸素
センサの正常な作動が保証される下限電力値以上の温度
に速やかに復帰させることができ、検出端の温度が異常
に低下してしまうことを確実に防止できる。その結果、
より広い運転状態の下で、正確な酸素濃度の検出を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概略構成図、第２図は本発明の実施例
の電気回路を示すブロック図、第３図はその電子制御装
置のブロック図、第４図（Ａ）および（Ｂ）はその電子
制御装置で行われるヒータ制御処理のフローチャート、
第５図はヒータの下限電力値を定めるためのマップの一
例を示すグラフ、第６図は抵抗値補正量を定めるための
マップの一例を示すグラフ、第７図（Ａ）および（Ｂ）
は実施例の処理におけるデューティ比決定の機構を説明
する説明図、第８図は酸素センサのヒータの配置を表す
模式図、第９図は酸素センサの温度と作動空燃比との関
係を示すグラフである。 OS、50……酸素センサ、HT、10……ヒータ 26……電子制御装置

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気中の酸素濃度を検出するセ
ンサに設けられたヒータの抵抗値を検出する抵抗値検出
手段と、該抵抗値検出手段にて検出されるヒータ抵抗値が目標抵
抗値となるようにヒータへ供給する電力を制御するヒー
タ電力制御手段と、を備えた酸素センサ用ヒータの制御装置において、ヒータに供給されている電力を検出するヒータ電力検出
手段と、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段にて検出された運転状態に応じて、
ヒータ供給電力の下限値を設定する下限電力値設定手段
と、を設け、前記ヒータ電力制御手段は、前記ヒータ電力検
出手段にて検出されたヒータ供給電力が前記下限電力値
以下のときには、前記抵抗値検出手段にて検出されるヒ
ータ抵抗値に関わらず、ヒータへの供給電力が前記下限
電力値以上になるように制御することを特徴とする酸素
センサ用ヒータの制御装置。