JP2800453B2 - 酸素濃度検出センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は酸素濃度検出センサのヒ
ータ制御装置に係り、特に内燃機関の排気通路に設置さ
れたヒータ付酸素濃度検出センサのヒータの抵抗値を目
標抵抗値となるようにヒータ供給電力を可変制御するヒ
ータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出
する酸素濃度検出センサは、排気ガス中の温度が比較的
低い場合でも有効に作動できるよう、また素子温度を安
定に保つよう、酸素濃度検出センサを構成する固体電解
質や電極を加熱するためのヒータを備えたものがある。
このようなヒータ付酸素濃度検出センサにおいては、一
般に金属の電気抵抗がその金属の温度によって変化する
ため、電気抵抗を一定に制御することがその金属の温度
を一定にすることと等価であることに鑑み、ヒータ抵抗
値を目標抵抗値とするようにヒータ供給電力を制御し、
ヒータ温度を目標温度とするヒータ制御装置を備えたも
のが従来より知られている（例えば、特開昭５７−１９
７４５９号公報）。

【０００３】ところで、このようなヒータ付酸素濃度検
出センサで検出した排気ガス中の酸素濃度に基づいて基
本燃料噴射時間を補正することにより、機関シリンダ内
に供給される混合気が予め定められた目標空燃比、例え
ば理論空燃比となるようにフィードバック制御する内燃
機関では、ヒータ付酸素濃度検出センサのヒータ抵抗を
学習し、ヒータの製品ばらつきを判別し、補正する必要
がある。

【０００４】そのため、従来より吸気温と機関冷却水温
とが等しいとき内燃機関が冷えていると判断し、ヒータ
が冷却水と熱平衡にあることから、その時の機関冷却水
温をヒータ温とみなして絶対零度のときのヒータ抵抗値
を算出し、ヒータの製品ばらつきを補償するヒータ制御
装置が知られている（特開昭６０−１６４２４０号公
報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
のヒータ制御装置では、ヒータ温あるいはセンサ温度と
ヒータ抵抗値との特性が平行的にばらつくということを
前提としているが、実際には図１５（Ｂ）にＩ，IIで示
す如く上記特性のばらつきは平行的ではない。従って同
図（Ａ）に示す制御空燃比（Ａ／Ｆ）がストイキのとき
における特性IIのヒータ付酸素濃度検出センサと、特性
Ｉのものとのヒータ抵抗値の差（ＲＨ₂ −ＲＨ₁ ）と、
ストイキ以外の空燃比のときの両者のヒータ抵抗値の差
とは同じではない。

【０００６】このため、上記の従来のヒータ制御装置で
はヒータ付酸素濃度検出センサの製品ばらつきの補償が
十分でなく、このため誤学習を行ない、ヒータ温度が目
標温度よりずれ、その結果空燃比が目標空燃比よりずれ
てしまい、エミッションの悪化を引き起こす。

【０００７】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
機関始動時にヒータに電力を供給し、その時のヒータ抵
抗値の上昇度合いに基づいて目標抵抗値を更新すること
により、上記の課題を解決した酸素濃度検出センサのヒ
ータ制御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】本発明は上記目的達成の
ために、図１に示す如く、内燃機関１１の排気ガス中の
酸素濃度を検出する酸素濃度検出センサ１２を加熱する
ためのヒータ１３の抵抗値をヒータ抵抗値検出手段１４
により検出し、そのヒータ抵抗値が目標抵抗値となるよ
うに電力制御手段１５によりヒータ１３への供給電力を
制御する酸素濃度検出センサのヒータ制御装置におい
て、目標抵抗値設定手段１６を具備するようにしたもの
である。

【０００９】ここで、目標抵抗値設定手段１６は機関始
動時に前記ヒータに所定の電力を供給させ、このとき前
記ヒータ抵抗値検出手段１４により検出されたヒータ抵
抗値の変化割合を算出し、その変化割合に基づいて目標
抵抗値を設定する。

【００１０】

【作用】目標抵抗値設定手段１６はヒータ１３に電力制
御手段１５より電力を供給させ、その時のヒータ抵抗値
の変化割合を算出するタイミングを機関始動時としてい
るため、排気ガス温度の影響が殆どないから酸素濃度検
出センサ１２付近の温度のばらつきを小さくできる。ま
た機関始動時はヒータ抵抗変化に関係するエネルギに占
めるヒータ１３への供給電力の比率が大きいため、酸素
濃度検出センサ１２の周辺温度の影響を受けにくくでき
る。

【００１１】また、目標抵抗値設定手段１６は所定時間
のヒータ抵抗値の変化割合を算出して目標抵抗値を設定
するようにしているため、前記したヒータ抵抗とヒータ
温又はセンサ温度との特性のばらつきが平行的に起こら
なくてもそのばらつきを正確に判別できる。

【００１２】

【実施例】図２は本発明の一実施例を適用した内燃機関
の概略構成図を示す。本実施例は内燃機関１１として自
動車用エンジンに適用した例で、マイクロコンピュータ
２１により各部の動作が制御される。また、図１に示し
たヒータ抵抗値検出手段１４と電力制御手段１５は後述
する如くヒータ制御回路２２とマイクロコンピュータ２
１のソフトウエア動作により、また目標抵抗値設定手段
１６は後述のマイクロコンピュータ２１のソフトウエア
動作によって実現される。

【００１３】図２において、エアフローメータ２３の下
流側にはスロットルバルブ２４を介してサージタンク２
５が設けられている。スロットルポジションセンサ２６
はスロットルボデーに取付けられ、スロットルバルブ２
４の動きを各種接点により検出する構造となっており、
スロットルバルブ２４が全閉状態（アイドル位置）のと
きにそのＩＤＬ接点がオンとなる。また、スロットルバ
ルブ２４を迂回し、エアフローメータ２３の下流側とサ
ージタンク２５とを連通するバイパス路２７が設けられ
ている。更にバイパス路２７にはこのバイパス路２７を
流れる空気量を増減させるアイドル・スピード・コント
ロール・バルブ（ＩＳＣＶ）２８が設けられている。

【００１４】サージタンク２５はインテークマニホルド
２９を介してエンジンの燃焼室３０に連通されている。
また、燃焼室３０には吸気弁３１，排気弁３２が設けら
れ、また燃焼室３０はエキゾーストマニホルド３３に連
通している。３４は燃料噴射弁で、インテークマニホル
ド２９を通る空気流中に燃料を噴射する。３５は点火プ
ラグで、一部が燃焼室３０内に突出するように設けられ
ている。３６はピストンで、図中、上下方向に往復運動
する。

【００１５】また、３７はイグナイタで、高電圧を発生
する。３８はディストリビュータで、イグナイタ３７で
発生した高電圧を各気筒の点火プラグ３５に分配供給す
る。かかる概略構成のエンジンには気筒判別センサ３
９，回転角センサ４０，水温センサ４１，吸気温センサ
４２，ヒータ付酸素濃度検出センサ４３，スタータ４４
その他種々のセンサが設けられ、それらの出力検出信号
はマイクロコンピュータ２１に夫々供給される。

【００１６】気筒判別センサ３９はディストリビュータ
３８のシャフトの回転に同期して所定個数のパルスを気
筒判別信号として発生し、回転角センサ４０はディスト
リビュータ３８のシャフトの回転を検出してエンジン回
転数を検出する。また、水温センサ４１はエンジンブロ
ック４５を貫通して一部がウォータジャケット内に突出
するように設けられており、エンジン冷却水の水温を検
出する。

【００１７】吸気温センサ４２はエアフローメータ２３
の上流側の吸入空気温を測定する。スタータ４４は機関
始動中（クランキング中）であることを検出し、その検
出信号を出力する。更に、ヒータ付酸素濃度検出センサ
（Ｏ₂ センサ）４３はその一部がエキゾーストマニホル
ド３３を貫通突出するように配置され、三元触媒装置４
６に入る前の排気ガス中の酸素濃度を検出する。三元触
媒装置４６には触媒温度を検出する排気温センサ４７が
設けられている。

【００１８】上記のヒータ付酸素濃度検出センサ４３
は、例えばアルミナを材質とする絶縁基板の表面に膜状
に形成されたチタニア（酸化チタン；ＴｉＯ₂）からな
る酸化物半導体（図１の酸素濃度検出センサ１２に相
当）と、チタニアを加熱するヒータ（図１のヒータ１３
に相当）とからなる。チタニアの電気抵抗値はチタニア
に接触する排気ガス中の酸素濃度に応じて変化するの
で、このチタニアの電気抵抗値の変化を利用して酸素濃
度を検出することができる。

【００１９】図３は上記のチタニアＯ₂ センサの等価回
路図を示す。同図中、Ｒ_T は上記チタニアの抵抗値で、
酸素濃度に応じて抵抗値が変化する。上記のチタニアの
抵抗値Ｒ_T は定抵抗Ｒ₀ を直列に介して電源電圧Ｖ_B が
印加される構成とされている。

【００２０】ここで、チタニアの抵抗値Ｒ_T は図４に示
すように、酸素濃度が低い時即ち空燃比がリッチの時に
はIII のような低抵抗特性を示し、逆に、空燃比がリー
ンの時にはIVのような高抵抗特性を示す。そして、その
抵抗値の変化の検出方法の一例としては、図３の等価回
路図に示すように、チタニアの抵抗値Ｒ_T の変化を直接
検出するのではなく、定抵抗Ｒ₀ の分圧変化として検出
し、空燃比がリッチのときはリーンのときに比べて大レ
ベルの検出電圧Ｖ_OXを取り出す。

【００２１】この場合、センサ出力電圧Ｖ_OXは次式で表
わされる。

【００２２】 Ｖ_OX＝Ｖ_B ・Ｒ₀ ／（Ｒ₀ ＋Ｒ_T ） （１） 従って、空燃比がリッチのときはＲ_T ≪Ｒ₀ であるため、 Ｖ_OX＝Ｖ_B （Ｈレベル）となり、 逆に空燃比がリーンのときはＲ_T ≫Ｒ₀ であるため Ｖ_0X＝０_(V) （Ｌレベルとなる）。

【００２３】ここで、チタニアの抵抗値Ｒ_T は酸素濃度
のみだけでなく、図４から分かるように、それ自体の温
度（センサ温度）によっても変化するという特性を持っ
ているため、センサ温度を適温に正確に制御する必要が
ある。従って、通常Ｏ₂ センサ内部にチタニアを加熱す
るためのヒータを設けると共に、そのヒータの抵抗値が
センサ温度と一対の関係にあることを利用して、ヒータ
抵抗値が所定の目標抵抗値となるようヒータへの供給電
力を制御することにより、センサ温度を所望の温度に制
御するのである。

【００２４】このヒータ付酸素濃度検出センサ（チタニ
アＯ₂ センサ）４３のヒータの供給電力はヒータ制御回
路２２からのパルス信号により制御される。図５はヒー
タ制御回路２２の一実施例の回路図を示す。同図中、５
０はバッテリで、その出力電圧Ｖ_B をヒータ付酸素濃度
検出センサ４３のヒータ４３ａの一端に印加すると共
に、Ａ／Ｄ変換器５１を介してマイクロコンピュータ２
１に動作電源電圧として印加する。

【００２５】また、ヒータ４３ａはその抵抗値ＲＨがヒ
ータ温度に対応して変化する。ヒータ４３ａの他端はス
イッチングトランジスタ５２のコレクタ、エミッタを介
して抵抗５３の一端に接続されている。抵抗５３は他端
が接地されており、またその抵抗値は所定の抵抗値Ｒ_C
に設定されている。５４は増幅器で、抵抗５３に生じた
電圧Ｖ_C を増幅し、Ａ／Ｄ変換器５１へ供給する。

【００２６】かかる構成のヒータ制御回路２２におい
て、スイッチングトランジスタ５２のベースにマイクロ
コンピュータ２１からパルス信号が供給され、スイッチ
ングトランジスタ５２がスイッチング制御され、これに
よりヒータ４３ａの供給電力が制御される。

【００２７】次にマイクロコンピュータ２１のハードウ
エア構成について図６と共に説明する。同図中、図２及
び図５と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を
省略する。図６において、マイクロコンピュータ２１は
中央処理装置（ＣＰＵ）６１，処理プログラムを格納し
たリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）６２，作業領域と
して使用されるランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）
６３，エンジン停止後もデータを保持するバックアップ
ＲＡＭ６４，ＣＰＵ６１へそのマスタークロックを供給
するクロック発生器６５を有し、これらを双方向のバス
ライン６６を介して接続している。

【００２８】また、水温センサ４１及びエアフローメー
タ２３からの各検出信号がマルチプレクサ６７，Ａ／Ｄ
変換器６８及び入出力ポート６９を介してバスライン６
６へ供給されると共に、スタータ４４，排気温センサ４
７からの検出信号及びＡ／Ｄ変換器５１からのディジタ
ル信号が入出力ポート６９を介してバスライン６６に供
給される。

【００２９】また、気筒判別センサ３９からの気筒判別
信号及び回転角センサ４０からのエンジン回転数検出信
号は波形整形回路７０及び入出力ポート７１を介してバ
スライン６６へ供給される。また、バッファ７１及びコ
ンパレータ７３を経たヒータ付酸素濃度検出センサ（チ
タニアＯ₂ センサ）４３からの検出信号が、スロットル
ポジションセンサ２６からの信号と共に入出力ポート７
１を介してバスライン６６へ供給される構成とされてい
る。

【００３０】更に、マイクロコンピュータ２１はＣＰＵ
６１からの制御信号をバスライン６６を介して出力ポー
ト７４，７５及び７６に入力する。出力ポート７４から
取り出された制御信号は駆動回路７７，７８を並列に介
して前記ＩＳＣＶ２８及びイグナイタ３７へ供給され
る。出力ポート７５から取り出された制御信号は駆動回
路７９を介して燃料噴射弁３４へ供給される。更に出力
ポート７６から取り出された制御信号は駆動回路８０を
介して図５に示したスイッチングトランジスタ５２へ供
給される。

【００３１】次にマイクロコンピュータ２１によるヒー
タ制御の処理動作について説明する。図７は本発明の要
部の目標抵抗値設定手段１６を実現する一実施例の動作
説明用フローチャートを示す。図７のＲＴ学習ルーチン
は例えば数ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃ程度毎に起動され、ま
ず、ステップ１０１で水温センサ４１の検出信号に基づ
き機関冷却水温ＴＨＷがＡ℃とＢ℃（例えば−１５℃と
＋５０℃）の間にあるか否かを判別する。これはＡ℃以
下の極低温時及びＢ℃以上の高温時ではヒータ４３ａの
温度の影響が残るからである。すなわち、アイドル状態
時にヒータ供給電力による目標抵抗値の学習を行なう場
合は、アイドル前の運転条件（高負荷走行など）によ
り、Ｏ₂ センサ付近の排気ガス温は１５０℃〜５００℃
程度となる。これに対し、Ａ＜ＴＨＷ＜Ｂの条件を満た
すコールドスタート時では、Ｏ₂ センサ付近の排気ガス
温は始動前は−１５℃とその時の雰囲気温の温度範囲
で、始動後は学習終了時点で５０℃程度に上昇するのみ
である。

【００３２】学習許可条件のステップ１０１における上
限温度のＢ℃は一度内燃機関１１が暖機された後停止
し、冷却されてゆく過程での温度であり、Ｏ₂センサ４
３取付部周辺（特に素子部）は既に雰囲気温と同等にな
っている。このように、ステップ１０１でのＡ＜ＴＨＷ
＜Ｂの条件を満たすと、目標抵抗値の学習前条件のばら
つきが少なくて済む。定抵抗制御の学習はヒータ抵抗の
製造ばらつきを判別し、目標抵抗値に補正することが目
的であるので、学習領域でのＯ₂ センサ周辺温度のばら
つきが少ない方が良い。

【００３３】また、上記のステップ１０１の条件は学習
期間中のヒータ抵抗変化に関係するエネルギに占めるヒ
ータ供給電力の影響の比率が高いため、Ｏ₂センサ周辺
温度の影響を受けにくいという理由からも定められてい
る。具体的には学習期間中のＯ₂ センサ４３のセンサ温
度は、アイドル状態時にヒータ抵抗の目標抵抗値の学習
を行なう場合６００℃〜８５０℃程度であるのに対して
ステップ１０１の条件下で学習を行なうと−１０℃〜２
００℃程度であり、後者の方がヒータ抵抗変化に関係す
るエネルギに占めるヒータ供給電力の比率が前者よりは
るかに大きくなる。また、前記したようにヒータ付Ｏ₂
センサ４３の周辺温度のばらつきがコールドスタート時
は小さく（放熱、伝熱による損失が安定）ヒータ抵抗変
化が安定していることもある。

【００３４】次に、ステップ１０１の条件を満足した状
態（常温コールド状態）でスタータ４４をオンとして内
燃機関１１を始動した（コールドスタート）後スタータ
４４をオフとすると、その時点からカウンタ値ＣＳＴＡ
ＯＦＦが所定時間単位で増加し始める。ステップ１０２
では上記のカウンタ値ＣＳＴＡＯＦＦが所定値Ｃより大
であるか否かの判別が行なわれる。これは、クランキン
グ中及びクランキング直後の所定値Ｃ未満の時間帯で
は、バッテリ電圧の低下が大きく、後述するヒータ供給
電力の平均値（以下、平均電力という）ＰＮが低下する
ためである。

【００３５】すなわち、ヒータ電源電圧（図５のＶ_B ）
が確実に把握できるならば、スタータ４４のオンからオ
フ時への変化時点からできるだけ早く学習を開始した
い。なぜなら、よりヒータ付Ｏ₂ センサ４３の周辺温度
が低い時点の方が、よりヒータ抵抗変化が安定している
からである。しかし、実際のバッテリ電圧のＡＤ変換器
（図５の５１）による変換速度はヒータ制御ルーチンよ
りも遅く、スタータ４４のオフ時の機関回転数によって
は、実際には大きく変化するヒータ電源電圧Ｖ_B を代表
できなくなる。そして、この場合には、ヒータ供給電力
をＰ，ヒータ制御用に補正済のバッテリ電圧をＢＡＴＣ
ＯＲ，ヒータ電流をＩＨＴ，係数をＫとすると、 Ｐ＝ＢＡＴＣＯＲ×ＩＨＴ−ＩＨＴ×ＩＨＴ×Ｋ （２） なる式でヒータ供給電力Ｐが与えられるため、ＢＡＴＣ
ＯＲの不正確さによって、後述のステップ１０３で算出
される平均電力ＰＮの算出精度が落ちる。このため、ス
テップ１０２で、機関回転数Ｎｅが安定し、ヒータ電源
電圧Ｖ_B を正確に検出できる、できるだけ早い時間経過
するか否かの判別を行なっている。

【００３６】図８（Ｅ）は上記カウンタ値ＣＳＴＡＯＦ
Ｆを示し、スタータ４４がオフした後の時刻ｔ₁ でＣＳ
ＴＡＯＦＦがＣより大となり、またこのとき同図（Ｈ）
に示す如く機関回転数Ｎｅが安定状態に入っている。ま
た、この時刻ｔ₁ では図８（Ｆ）に示す如く機関冷却水
温ＴＨＷはＡ℃とＢ℃の間の温度範囲にある。

【００３７】Ｃ＜ＣＳＴＡＯＦＦの条件を満足すると次
に図７のステップ１０３へ進み、ヒータ付Ｏ₂ センサ４
３のヒータ抵抗値ＲＨの積算値ＲＨＮを ＲＨＮ←ＲＨＮ＋ＲＨ （３） なる式で算出し、またヒータ供給電力Ｐの積算値（平均
電力）ＰＮを ＰＮ←ＰＮ＋Ｐ （４） なる式で算出し、更に積算カウンタ値ＣＲＴを“１”イ
ンクリメントする。図８（Ｂ）は上記ヒータ抵抗値の積
算値ＲＨＮの変化を示し、同図（Ｃ）は上記平均電力Ｐ
Ｎの変化を示し、また同図（Ｇ）はヒータ抵抗値ＲＨの
変化を示す。

【００３８】上記の演算が終了すると、次に図７のステ
ップ１０４へ進み、ステップ１０３で算出した積算カウ
ンタ値ＣＲＴが所定値Ｄ（例えば５〜１００の範囲内の
値）より大であるか否かの判定が行なわれる。ＣＲＴ≦
ＤのときはこのＲＴ学習ルーチンを終了し、所定時間後
再びこのＲＴ学習ルーチンが起動される。以下、上記の
ステップ１０１〜１０４の動作が繰り返され、図８
（Ｄ）に示す如く時刻ｔ₂ で積算カウンタ値ＣＲＴが所
定値Ｄより大となると、図７のステップ１０５へ進み所
定時間のヒータ抵抗値ＲＨの積算値ＲＨＮと平均電力Ｐ
Ｎとの比（ＲＨＮ／ＰＮ）から目標抵抗値ＲＴの学習値
を図９に示すマップから算出する。図８（Ａ）はこの目
標抵抗値ＲＴの学習値を示す。

【００３９】目標抵抗値ＲＴの学習値がステップ１０５
で更新され終った場合は、ステップ１０１で機関冷却
水温ＴＨＷがＡ℃以下又はＢ℃以上であると判定された
場合、ステップ１０２でカウンタ値ＣＳＴＡＯＦＦが
所定値Ｃ以下と判定された場合、ステップ１０４で積
算カウンタ値ＣＲＴが所定値Ｄ以下と判定されたときと
同様にこのＲＴ学習ルーチンを終了する（ステップ１０
６）。

【００４０】このように、ヒータ付Ｏ₂ センサ４３の周
辺温度の影響が小さい状態（換言すると、ヒータの影響
が支配的な状態）では、ヒータ供給電力Ｐと測定ヒータ
抵抗値ＲＨとは相関があるため、本実施例によりこの状
態で測定ヒータ抵抗値の積算値ＲＨＮとヒータ供給電力
の積算値ＰＮとの比（ＲＨＮ／ＰＮ）に基づいて目標抵
抗値ＲＴを算出することにより、ヒータ抵抗のばらつき
を判別することができる。

【００４１】すなわち、ヒータ抵抗対ヒータ温度特性が
異なる２つのヒータ付Ｏ₂ センサのヒータ抵抗が図１０
に破線Ｖ，実線VIで示す如く夫々コールドスタート後に
変化したものとすると、各々同図に右下りの斜線の部
分、左下りの斜線で示す部分の面積に対応した電力がヒ
ータに通電されるから、ヒータ抵抗のばらつきがそれら
の面積の差により判別することができる。

【００４２】つまり、ある電力を与えたときの、抵抗値
の変化度合いの違いによって上記面積が変わるので、結
局ＲＨＮ／ＰＮは、ある電力を与えたときの抵抗値変化
度合いを見ているといえるため、ばらつきが平行的に起
こらなくても、そのばらつきを正確に検知できる。

【００４３】その見知から見れば、別の実施例として所
定の電力を与えた状態で所定の周期でサンプリングした
２つのヒータ抵抗値の差（変化度合い）から目標抵抗値
ＲＴの学習値を得てもよい。

【００４４】しかし、機関始動直後はバッテリ電圧の変
化が大きいためＲＨ等の検出値のばらつきが大きくな
る。そのことを考慮するとＲＨ等の検出値のばらつきを
吸収できる本実施例の方が優れているといえる。

【００４５】次に上記の如くにして設定された目標抵抗
値ＲＴにヒータ抵抗値ＲＨを制御する制御動作について
説明する。図１１は前記電力制御手段１５を実現するヒ
ータ制御ルーチンの一例を示すフローチャートで、マイ
クロコンピュータ２１によって、例えば６５ｍｓ毎に実
行される。

【００４６】まず、ステップ２０１でヒータ抵抗値ＲＨ
を測定した後目標抵抗値ＲＴと測定ヒータ抵抗値ＲＨと
を大小比較する。ヒータ抵抗値ＲＨの測定は、上記６５
ｍｓのうち例えば最初の数ｍｓの期間、図５に示したス
イッチングトランジスタ５２のベースにハイレベルの信
号を印加してオンとし、これによりヒータ４３ａ，スイ
ッチングトランジスタ５２のコレクタ、エミッタ及び抵
抗５３を介して電流を流すことで行なう。これにより、
バッテリ電圧Ｖ_B ，抵抗値（既知）Ｒ_C の抵抗５３の両
端に生じた電圧Ｖ_C とから、次式、 ＲＨ＝Ｒ_C ・｛（Ｖ_B ／Ｖ_C ）−１｝ （５） に従ってヒータ抵抗値ＲＨが算出される。以上により、
前記ヒータ抵抗値検出手段１４が実現される。

【００４７】このヒータ抵抗値ＲＨが前記目標抵抗値Ｒ
Ｔ以下のときは、図１１のステップ２０２へ進みヒータ
をオンとし、このルーチンを終了する。従って、ＲＴ≧
ＲＨのときは前記６３ｍｓのうち最初の数ｍｓのＲＨ測
定期間に続く残りの期間も前記スイッチングトランジス
タ５２はオンし続けられ、ヒータ４３ａに電流が流れ続
け、ヒータ４３ａを更に高温へ加熱する。

【００４８】一方、ヒータ抵抗値ＲＨが目標抵抗値ＲＴ
より大なるときは、図１１のステップ２０３へ進みヒー
タをオフとし、このルーチンを終了する。従って、ＲＴ
＜ＲＨのときは前記６３ｍｓのうち最初の数ｍｓのＲＨ
測定期間に続く残りの期間は前記スイッチングトランジ
スタ５２がオフに制御され、ヒータ４３ａに電流を流さ
ず、ヒータ４３ａの温度を低下させる。

【００４９】このようにして、ヒータ４３ａへの供給電
力が可変制御され、ヒータ４３ａの抵抗ＲＨは目標抵抗
値ＲＴに一致するように制御され、その結果ヒータ４３
ａの温度が一定とされる。

【００５０】次に本実施例のヒータ抵抗制御装置を用い
た応用例について説明する。図１２は空燃比（Ａ／Ｆ）
判定スレッシュレベル制御ルーチンを示し、前記したマ
イクロコンピュータ２１によって実現される。前記した
ように、ヒータ付Ｏ₂ センサ４３としてチタニアＯ₂ セ
ンサを使用した場合、チタニアＯ₂ センサは図４に示し
たようにセンサ自体の素子抵抗（センサ抵抗）が温度依
存性が強く、高温になると低下する。

【００５１】従って、チタニアＯ₂ センサの出力検出電
圧Ｖ_0Xは、前記（１）式中のチタニアの抵抗値（センサ
抵抗値）Ｒ_T がセンサ温度の上昇に伴って低下するため
にセンサ温度の上昇に伴ってリーン時のレベル（ローレ
ベル）が高くなる。例えば、図１３に示すように、上記
の検出電圧Ｖ_OXはセンサ温度が７５０℃の目標センサ温
度のときは、ａで示す如くリーン時のローレベルが０
（Ｖ）でリッチ時のハイレベルが１（Ｖ）であるが、セ
ンサ温度が８００℃，８５０℃と高くなるに従って同図
にｂ，ｃで示す如く特にリーン時のローレベルが上昇
し、センサ温度が９００℃に達すると同図にｄで示す如
くＡ／Ｆ判定スレッシュレベルＶ_L をリーン時の検出電
圧が越えてしまう。このため、センサ温度が９００℃と
なるような高温時には空燃比フィードバックシステムは
チタニアＯ₂ センサの出力検出電圧に基づいて常にリッ
チと判定し、実質的に検出電圧に関係なく空燃比をリー
ンに制御し続けるオープンループ制御を行なってしま
い、その結果、ドライバビリティが悪化する。

【００５２】そこで、前記したヒータ制御をチタニアＯ
₂ センサに対して行なってセンサ温度を目標温度（例え
ば７５０℃）になるようにしているわけであるが、上記
のヒータ制御を行なっていても、長時間登板などの車両
運転条件下では排気ガス温度が高い状態が長時間続き、
ヒータへの電力供給を停止してもセンサ温度が９００℃
にまで達する可能性がある。

【００５３】図１２に示すＡ／Ｆ判定スレッシュレベル
制御ルーチンは上記の不具合を解決するルーチンで、ま
ず前記（５）式に従って算出したヒータ抵抗値ＲＨを図
６のＣＰＵ６１がＲＡＭ６３から読み込む（ステップ３
０１）。続いて前記図７に示したＲＴ学習ルーチンによ
り目標抵抗値ＲＴが学習済か否か判定され（ステップ３
０２）、学習が終っていないときはＡ／Ｆ判定スレッシ
ュレベルＶ_L をそのままの値として（ステップ３０
３）、このルーチンを終了する（ステップ３０７）。

【００５４】一方、ステップ３０２で機関始動時に所定
のヒータ供給電力を供給し、このときのヒータ抵抗ＲＨ
の変化割合に基づいて目標抵抗値ＲＴが算出され終わっ
ていると判定された時は、その目標抵抗値ＲＴに係数ａ
₁ を乗じて判定値Ｅを計算する（ステップ３０４）。こ
こで、上記の係数ａ₁ は目標抵抗値ＲＴで制御されてい
る目標センサ温度（例えば７５０℃）からヒータ付Ｏ₂
センサ４３の検出電圧Ｖ_OXのリーン時のレベルがＡ／Ｆ
判定スレッシュレベルＶ_L （例えば０．４５Ｖ）を越
え、空燃比をリーンにするオープンループ制御（以下、
これを「Ｆ／Ｂリーンオープン」と略す）を行なってし
まうおそれがあるセンサ温度を予測できる値に設定され
ている。例えば、センサ温度９００℃以上でＦ／Ｂリー
ンオープンとなる場合、上記のＦ／Ｂリーンオープンの
予測センサ温度を８５０℃とする。一方、ヒータ抵抗値
ＲＨは、 ＲＨ＝Ｒ₀ （１＋αＴ） （６） で表わされる。ただし、上式中Ｒ₀ は０℃のときの抵抗
値、αは係数（例えばヒータ４３ａに用いられる白金の
場合０．００３３）、Ｔは温度（単位℃）である。

【００５５】従って、センサ温度８５０℃になるときの
ヒータ抵抗ＲＨ₈₅₀ は、センサ温度を７５０℃とする目
標抵抗値ＲＨ₇₅₀ （＝ＲＴ）に対し、

【００５６】

【数１】

【００５７】で表わされるから、前記係数ａ₁ は１．０
９５である。

【００５８】次にヒータ抵抗値ＲＨが前記判定値Ｅより
大であるか否か判定される（ステップ３０５）。ＲＨ＞
ＥのときはＡ／Ｆ判定スレッシュレベルＶ_Lの値に定数
Ｃ₁ （例えば０．２５Ｖ）を加算して、Ａ／Ｆ判定スレ
ッシュレベルＶ_L をＦ／Ｂリーンオープンが生じないレ
ベルまで高くする（ステップ３０６）。一方、ＲＨ≦Ｅ
のときはＡ／Ｆ判定スレッシュレベルＶ_L の値を変更す
ることなく（ステップ３０３）、このルーチンを終了す
る（ステップ３０７）。

【００５９】これにより、ヒータ抵抗値ＲＨからチタニ
アＯ₂ センサのセンサ温度を確実に検出できるので、チ
タニアＯ₂ センサのセンサ温度が９００℃以上となった
時のＦ／Ｂリーンオープンの発生を確実に防止でき、ド
ライバビリティの悪化を未然に防止することができる。

【００６０】次に前記したヒータ制御の実施例をＯＴＰ
増量の実行の判定に用いる例について説明する。ＯＴＰ
増量は図２に示した電子制御式燃料噴射装置を備えた内
燃機関の排気系部品が熱損傷するおそれの高い高負荷、
高回転時に、空燃比をリッチとして燃料の気化に奪われ
る熱量を多くして排気温度を下げる燃料噴射制御方法で
ある。このＯＴＰ増量の実行条件は、長時間定常状態で
排気系部品が過熱する条件を調べ、機関回転数と吸入空
気量のマップやスロットル開度のマップなどで定められ
る。

【００６１】そのため、過渡運転時や環境条件（高地、
低温など）によっては、排気系部品が実際には過熱して
いなくても、ＯＴＰ増量を実行している場合があり、こ
の場合には燃費や排気エミッションの悪化を引き起こし
ている。また、ＯＴＰ実行条件を定めたときのエンジン
条件が経年変化や性能バラツキによって変化したとき
は、適切なＯＴＰ増量が行なわれない場合が生じ、排気
系部品の過熱を引き起こす可能性がある。

【００６２】図１４は上記の不具合を解決するＯＴＰ増
量制御ルーチンを示す。まず、図６のＣＰＵ６１は前記
（５）式で算出したヒータ抵抗値ＲＨと（２）式で算出
したヒータ供給電力ＰとをＲＡＭ６３から取り込む（ス
テップ４０１）。続いて、取り込んだヒータ抵抗値ＲＨ
が所定の設定値Ｆより大きく（ステップ４０２）、か
つ、取り込んだヒータ供給電力Ｐが所定値Ｇより小さい
か否か判定される（ステップ４０３）。

【００６３】上記の設定値Ｆは前記図７に示したＲＴ学
習ルーチンにより学習された目標抵抗値ＲＴに、所定値
βを加算した値である。また、上記の所定値Ｇは零に極
めて近い値である。従って、ステップ４０２でＲＨ＞Ｆ
と判定され、かつ、ステップ４０３でＰ＜Ｇと判定され
たときは、ヒータ供給電力Ｐが殆ど零である状態の時の
ヒータ抵抗値ＲＨが目標抵抗値ＲＴよりβ以上大なると
きであり、このとき排気系部品の温度がクライテリアを
越えたと判断する。

【００６４】すなわち、ヒータ供給電力Ｐが殆ど零とい
うことは、ヒータ付Ｏ₂ センサ４３（ここではチタニア
Ｏ₂ センサ）は排気ガスの熱エネルギだけで加熱され、
そのときのセンサ温度は排気ガス温を代表していると見
做すことができる。また、センサ温度とヒータ抵抗値Ｒ
Ｈとは比例関係にあり、ヒータ抵抗値ＲＨを検知するこ
とはセンサ温度を検知していることと等価である。

【００６５】更に、ヒータ付Ｏ₂ センサ４３は排気ガス
中にさらされているので、排気系部品の中で最も高温と
なる部品であると考えることができ、排気系部品の代表
温度を示しているといえる。従って、以上よりヒータ供
給電力Ｐが殆ど零のときのヒータ付Ｏ₂ センサ４３のヒ
ータ抵抗値ＲＨから排気系部品の代表温度を検知するこ
とができ、ＲＨ＞Ｆのとき排気系部品の温度がクライテ
リアをオーバしていると判断できる。

【００６６】ＲＨ＞Ｆ，Ｐ＜Ｇのときはステップ４０４
へ進み、他のＯＴＰ条件が成立しているか否か判定され
る。この他のＯＴＰ条件は従来のＯＴＰ実行条件と同様
であり、機関回転数と吸入空気量との二次元マップやス
ロットル開度のマップで定められている。ステップ４０
４で他のＯＴＰ条件が成立していると判定されたとき
は、ＯＴＰ増量を実行し（ステップ４０５）、このルー
チンを終了する（ステップ４０７）他方、ステップ４０
２及び４０３のクライテリアオーバ条件を満足していな
いとき（すなわちＲＨ≦ＦとＰ≧Ｇの少なくとも一方が
成立するとき）、あるいはステップ４０４の他のＯＴＰ
条件が成立していないときにはＯＴＰ増量の実行を中止
し（ステップ４０６）、このルーチンを終了する（ステ
ップ４０７）。

【００６７】このように図１４に示した制御ルーチンに
よれば、過渡運転時や環境条件（高地、低温など）によ
り排気系部品が過熱していない場合には、クライテリア
オーバ条件を満足しないから、無駄なＯＴＰ増量を実行
することがない。従って、従来に比べて燃費を向上でき
ると共に、排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素の低減が
可能となる。また、排気温センサ等の特別なセンサ類を
使用することなく、ヒータ制御装置を排気系部品の温度
を実質的に検知するためのセンサとしても利用できるた
め、低コストで確実なＯＴＰ増量が可能となる。

【００６８】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものではなく、例えばヒータ制御はスイッチングトラン
ジスタ５２のオン／オフ期間の比を可変することで行な
う所謂デューティ比制御でもよい。

【００６９】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、運転状態
の違いによる影響の少ない機関始動時に目標抵抗値を更
新するようにしたため、目標抵抗値の学習精度を向上す
ることができる。よって本発明では空燃比を目標空燃比
に精度良く制御させることができるため、エミッション
悪化を防止できる。また或るヒータ供給電力を与えたと
きのヒータ抵抗値の変化割合からヒータ抵抗のばらつき
を判断しているため、ヒータ抵抗のばらつきが平行的に
起こらなくてもそのばらつきを正確に判断できる等の特
長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】本発明の一実施例を適用した内燃機関の概略構
成図である。

【図３】チタニアＯ₂ センサの等価回路図である。

【図４】チタニアＯ₂ センサのセンサ抵抗対センサ温度
特性図である。

【図５】図２中のヒータ制御回路の一例の回路図であ
る。

【図６】図２中のマイクロコンピュータのハードウェア
構成図である。

【図７】本発明の要部の一実施例の説明用フローチャー
トである。

【図８】図７のフローチャート中の各値の変化を示すタ
イムチャートである。

【図９】図７のＲＴ学習処理に用いるマップを示す図で
ある。

【図１０】本発明の一実施例のヒータ抵抗とヒータ通電
との関係を説明する図である。

【図１１】ヒータ制御ルーチンの一例を示す図である。

【図１２】空燃比（Ａ／Ｆ）判定スレッシュレベル制御
ルーチンを示すフローチャートである。

【図１３】チタニアＯ₂ センサの出力電圧波形とセンサ
温度との関係を示す図である。

【図１４】ＯＴＰ増量制御ルーチンを示すフローチャー
トである。

【図１５】ヒータ抵抗のばらつきと制御空燃比とを示す
図である。

【符号の説明】

１１ 内燃機関 １２ 酸素濃度検出センサ １３，４３ａ ヒータ １４ ヒータ抵抗値検出手段 １５ 電力制御手段 １６ 目標抵抗値設定手段 ２１ マイクロコンピュータ ２２ ヒータ制御回路 ４３ ヒータ付酸素濃度検出センサ（チタニアＯ₂ セン
サ） ４４ スタータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−78942（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−169755（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−164240（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−164241（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−165246（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−199957（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/12 G01N 27/409

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出
   する酸素濃度検出センサを加熱するためのヒータの抵抗
   値をヒータ抵抗値検出手段により検出し、検出した該ヒ
   ータ抵抗値が目標抵抗値となるように電力制御手段によ
   り該ヒータへの供給電力を制御する酸素濃度検出センサ
   のヒータ制御装置において、機関始動時に前記ヒータに
   所定の電力を供給させ、このとき前記ヒータ抵抗値検出
   手段により検出されたヒータ抵抗値の変化割合を算出
   し、該変化割合に基づいて前記目標抵抗値を設定する目
   標抵抗値設定手段を具備したことを特徴とする酸素濃度
   検出センサのヒータ制御装置。