JP3036282B2

JP3036282B2 - ヒータ付き酸素濃度センサ

Info

Publication number: JP3036282B2
Application number: JP5020169A
Authority: JP
Inventors: 郷子池上; 茂樹浜口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1993-02-08
Filing date: 1993-02-08
Publication date: 2000-04-24
Anticipated expiration: 2015-04-24
Also published as: JPH06229975A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヒータ付き酸素濃度セン
サに係り、特に内燃機関から排出される排気ガス中の酸
素濃度を検出するヒータ付き酸素濃度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年では、環境保護等の観点から車載用
内燃機関から大気中に排出される排気ガスは、所定の排
気ガス規制を満足することが要求されている。このため
には、内燃機関から排出された直後の排気ガス中に含ま
れる一酸化炭素ＣＯや炭化水素ＨＣ等の未燃成分、若し
くは窒素酸化物ＮＯｘ等に代表される酸化物を有効に除
去する必要がある。

【０００３】このような要求を満たすため、一般に車載
用内燃機関の排気系には三元触媒を包含してなる触媒コ
ンバータが配置されている。ここで三元触媒は、排気ガ
ス中の酸素を適宜吸着または放出してＣＯやＨＣを酸化
し、またはＮＯｘを還元する作用を有する部材である。
そして、三元触媒の浄化能力は、供給される排気ガスが
理論空燃比付近の狭い範囲に維持されている場合にだけ
発揮される。

【０００４】従って、触媒コンバータ通過後において良
好な排気エミッションを確保するためには、内燃機関か
ら触媒コンバータに流入する排気ガスを精度良く理論空
燃比付近に維持することが必要である。

【０００５】この要求を満たすための一般的手法として
は、排気系内の内燃機関から触媒コンバータへ至る経路
中に酸素濃度センサを配設し、検出される酸素濃度を基
にフィードバック制御を行う手法が用いられている。つ
まり、触媒コンバータに流入する排気ガスを理論空燃比
とするように、内燃機関に供給する混合気の空燃比を制
御するものである。

【０００６】ところが、従来より用いられている酸素濃
度センサは、常温領域では検出能力を発揮できず、内燃
機関の始動後排気ガスの熱により加熱され、所定の活性
化温度領域に達して始めて安定した検出能力を発揮し得
る状態となるものであった。従って、内燃機関の始動直
後において、または内燃機関が継続的に低負荷状態で運
転している場合等においては、酸素濃度センサが安定し
た検出能力を発揮することができない場合が生じてい
た。

【０００７】特開昭５７−５２６４９号公報は、酸素濃
度センサにヒータを配し、酸素濃度センサの特性に基づ
くかかる弊害が発生する状況下では、強制的にセンサを
活性化温度領域に昇温させる装置を開示している。従っ
てこの装置によれば、内燃機関の始動後直ちに、また継
続的に低負荷運転が行われた際にも、酸素濃度センサか
ら安定した検出信号を得ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うに空燃比フィードバック制御に用いられる酸素濃度セ
ンサは、その構造上直接排気ガス中にさらされる部位に
配置されることとなる。従って、酸素濃度センサの表面
には、排気ガス中に含有される種々の物質が付着するこ
とになる。

【０００９】ここで、排気ガス中には、燃料中に元来含
まれている有機物の他、オイル添加物の成分であるＺｎ
やＰ、若しくはガソリン添加物であるＫ等の無機物が含
まれている。このため、酸素濃度センサの表面には、こ
れらＺｎ，Ｐ，Ｋ等の酸化物が付着することになる。

【００１０】ところが、これらＺｎ，Ｐ，Ｋ等の酸化物
は、高温の状態から急冷されると、非晶質状態として固
体化し、酸素濃度センサの表面がガラス質の物質で覆わ
れた状態、すなわち酸素濃度センサの表面がコーティン
グされた状態となる。また、このように酸素濃度センサ
の表面がコーティングされた状態では、そのガラス質の
層で外気の進入が阻止され、当然に酸素濃度の測定が実
行できなくなる。

【００１１】また、このような状態は、内燃機関が高温
の排気ガスを排出しながら運転している状態から停止し
た場合に発生する場合があり、上記従来の酸素濃度セン
サにおいては内燃機関停止時において起こり得る現象で
あった。このため、上記従来のヒータ付き酸素濃度セン
サを採用した場合においても、内燃機関が再始動された
後ガラス質の層が溶融するまでの間は結局安定した酸素
濃度を検出することができないという問題を有してい
た。

【００１２】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、内燃機関の停止後において酸素濃度センサを徐
冷し、酸素濃度センサの表面に付着している無機酸化物
を結晶化させることにより、上記の課題を解決し得るヒ
ータ付き酸素濃度センサを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、雰囲気中
の酸素濃度に応じた信号を発する酸素濃度検出部を、内
燃機関から排出される排気ガスにさらされる部位に設置
してなる酸素濃度検出手段と、前記酸素濃度検出部を加
熱する加熱手段とを有するヒータ付き酸素濃度センサで
あって、内燃機関の停止状態を検出する停止状態検出手
段と、該停止状態検出手段により内燃機関が運転状態か
ら停止状態に移行したことが検出された場合、前記酸素
濃度検出部の温度を徐冷するように前記加熱手段を制御
する加熱制御手段とを備えるヒータ付き酸素濃度センサ
により達成される。

【００１４】

【作用】本発明に係るヒータ付き酸素濃度センサにおい
て、前記酸素濃度検出部表面には、内燃機関の運転中に
Ｚｎ，Ｐ，Ｋ等の酸化物が付着する。かかる状態から内
燃機関が停止すると、その状態変化が前記停止状態検出
手段で検出され、次いで前記加熱制御手段による前記加
熱手段の徐冷制御が開始される。

【００１５】このため、前記酸素濃度検出部の温度は内
燃機関の停止後急激に低下することがなく、その表面に
付着しているＺｎ，Ｐ，Ｋ等の無機酸化物も徐々に温度
が低下することになる。このため、無機酸化物は前記酸
素濃度検出部の表面において結晶化し、ポーラスな構造
を有する多孔質層を形勢する。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明に係るヒータ付き酸素濃度セ
ンサの一実施例の構成を表す全体図を示す。以下、図１
を参照して本実施例の酸素濃度センサの構成について説
明するが、それに先立って本実施例のヒータ付き酸素濃
度センサの適用例について説明する。

【００１７】図２は、本実施例のヒータ付き酸素濃度セ
ンサ（以下Ｏ₂センサと称す）を備える内燃機関、及び
その周辺装置の構成の一例を表す全体図を示す。

【００１８】図２中、符号１０は内燃機関を示してい
る。内燃機関１０のシリンダヘッドには点火プラグ１１
が配設され、そのシリンダ外壁には冷却水を流通させる
ウォータジャケット１２が設けられている。このウォー
タジャケット１２には、冷却水の水温を検出して水温に
応じたアナアログ信号を出力する水温センサ１３が挿入
され、またウォータジャケット１２の外壁には、内燃機
関１０に発生する振動の周波数を基にノッキングを検出
するノックセンサ１４が設けられている。

【００１９】これら水温センサ１３やノックセンサ１４
の出力信号は、電子制御装置３０に供給される。そし
て、電子制御装置３０は、水温センサ１３の検出値に基
づいて例えば燃料噴射量を、またノックセンサ１４の検
出信号に基づいて点火プラグ１１による点火時期等を公
知の手順に沿って演算する。

【００２０】符号１５は、内燃機関１０の排気孔に連通
して設けられた排気マニホールドを示す。この排気マニ
ホールド１５には、本実施例の要部であり、内燃機関か
ら排出される排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ₂セン
サ１６が設けられている。このＯ₂センサ１６はヒータ
及び熱電対を備えており、電子制御装置３０は、ヒータ
に所定の電流を通電することでセンサを昇温させること
ができると共に、その温度を熱電対によって検出するこ
とができる。

【００２１】また、排気マニホールド１５の下流側に
は、排気ガス中の未燃成分や窒素酸化物を浄化する触媒
コンバータ１７が設けられている。従って、内燃機関１
０から排出される排気ガスの空燃比を後述の如く理論空
燃比付近で制御することができれば、大気中に放出され
る排気ガスは良好に浄化されることになる。

【００２２】ここで、触媒コンバータ１７には、排気温
センサ１８が設置されている。この排気温センサ１８
は、触媒コンバータ１７を流通する時点における排気ガ
ス温度を検出し、検出値に応じた電気信号を電子制御装
置３０に供給する。電子制御装置３０はこの信号を基
に、触媒コンバータ１７が過熱により破損しないよう必
要に応じて噴射する燃料を増量させて排気温を低下させ
る等公知の処理を行う。

【００２３】符号１９は内燃機関１０の吸気孔に連通す
る吸気マニホールドを示す。この吸気マニホールド１９
には、内燃機関１０に供給される吸入空気の温度を検出
する吸気温センサ２０、アクセルペダル（図示せず）と
連動して吸入空気量を調整するスロットルバルブ２１、
スロットルバルブ２１と連動してその開度を検出するス
ロットルポジションセンサ２２、及び吸入空気の脈動を
吸収するサージタンク２３が設けられている。ここで、
吸気温センサ２０は吸気温に応じた信号を、スロットル
センサ２２はスロットルバルブ２１の開度に応じた信号
をそれぞれ電子制御装置３０に出力している。

【００２４】サージタンク２３にはサージタンク２３内
の圧力を測定するため吸気圧センサ２４が連結されてい
る。この吸気圧センサ２４は、サージタンク２３内の圧
力、すなわち吸気マニホールド１９中を流れる空気の圧
力に応じた電圧信号を電子制御装置３０に供給する。

【００２５】尚、サージタンク２３内の圧力は吸入空気
量に対応した値を示す。つまり、スロットルバルブ２１
の開度が小さく吸入空気量が少ない場合サージタンク２
３内の圧力は強い負圧となり、スロットルバルブ２１が
開いて吸入空気量が増加するにつれてサージタンク２３
内の圧力は大気圧に近づく。従って、吸気圧センサ２４
から出力される電圧信号は、サージタンク２３内の圧力
に応じた値であると共に、吸気マニホールド１９内を流
れる空気量に対応した値となる。

【００２６】従って電子制御装置３０は、上記した水温
センサ１３や、これら吸気温センサ２０，スロットルポ
ジションセンサ２２及び吸気圧センサ２４等から供給さ
れる信号を基に吸入空気量を算出することが可能であ
り、算出した吸入空気量を基に、理論空燃比を実現し得
る燃料噴射量を演算している。

【００２７】符号２５は電子制御装置３０により演算さ
れた量の燃料を各気筒の吸気マニホールド１９内に供給
するインジェクタを示す。この場合において、インジェ
クタ２５には図示されない燃料ポンプから所定の圧力で
燃料が供給されている。従って、インジェクタ２５の燃
料噴射孔を開孔させると、その開孔時間に応じた燃料が
噴射されることになる。そして、燃料噴射孔の開閉デュ
ーティ比が変化すれば、それに伴って単位時間における
燃料噴射量も変化することになる。

【００２８】そこで、電子制御装置３０は、各種のセン
サから供給された信号を基に燃料噴射量を算出したら、
インジェクタ２５においてその噴射量を実現し得る開孔
デューティ比を設定し、インジェクタ２５の燃料噴射孔
をそのデューティ比で開孔させるべく駆動信号を供給す
る。

【００２９】このようにして内燃機関１０には、理論上
理論空燃比を実現し得る燃料が噴射される。そして、そ
の燃料により形勢された混合気が燃焼室内で燃焼し、排
気マニホールド１５に排出された時点で、Ｏ₂センサ１
６によりその実際の空燃比が測定され、その測定値が電
子制御装置３０に供給される。

【００３０】電子制御装置３０は、Ｏ₂センサ１６から
供給された信号を基に燃料噴射量を補正し、混合気の空
燃比が理論空燃比を中心として所定周期で燃料リッチと
燃料リーンが切り替わるように制御する。この結果、触
媒コンバータ１７に流入する排気ガスの空燃比は燃料リ
ッチと燃料リーンを繰り返すこととなり、三元触媒の酸
素吸着能力内で適切に酸素の吸着と放出とを繰り返させ
ることが可能となる。このため、触媒コンバータ１７下
流にＣＯやＨＣの未燃成分、ＮＯｘ等の酸化物が排出さ
れることがなく、良好な排気エミッションが確保され
る。

【００３１】尚、図２中符号２６は、図示されないクラ
ンクシャフトに連動して、電子制御装置３０から供給さ
れる点火信号を各気筒の点火プラグ１１に分配するディ
ストリビュータを示す。このディストリビュータ２６に
は、クランクシャフトの回転と同期して所定のパルス信
号を出力するクランク角センサが設けられている。

【００３２】そして、電子制御装置３０は、このクラン
ク角センサから供給される信号に基づいて、燃焼圧が大
きく得られ、かつノッキングの発生しない点火時期を算
出して点火時期信号を発生している。

【００３３】また、符号２７は内燃機関１０の動作状態
を表すイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）を示
す。電子制御装置３０は、このＩＧスイッチの出力信号
を監視することにより内燃機関１０の運転状態を判断す
る。すなわち、本実施例におけるＩＧスイッチ２７は、
前記した停止状態検出手段の一要素を構成する。

【００３４】以下、図１を参照してＯ₂センサ１６の構
成について詳細に説明する。図１において符号３１は、
前記した酸素濃度検出部に相当するセンサ素子を示す。
このセンサ素子３１は、一方の面が接する雰囲気中の酸
素濃度と、他方の面が接する雰囲気中の酸素濃度との差
に応じた起電力を生じる材質、例えばジルコニア等を試
験管状に成形することにより構成している。

【００３５】従って、このセンサ素子３１においては、
その試験管形状の内部空間における酸素濃度と、試験管
形状の外部空間における酸素濃度との差に応じた起電力
が、センサ素子３１の任意の２点間に生じることにな
る。ところで、本実施例におけるセンサ素子３１は、ハ
ウジング３２の開口部に試験管形状の先端側を挿入する
形で組付けられる。そして、ハウジング３２の内壁とセ
ンサ素子３１の外壁との間は、リングタルク３３を用い
て密封する。

【００３６】一方、ハウジング３２は、Ｏ₂センサ１６
を排気マニホールド１５に固定するためのフランジ３４
に設けられた開口部に密着している。従って、フランジ
３４を排気マニホールド１５に固定すると、センサ素子
３１の先端部は排気マニホールド内に位置し、センサ素
子の開口部側は排気マニホールド１５の外に位置するこ
ととなる。

【００３７】尚、センサ素子３１の先端部は、それぞれ
外気導入孔３５ａ，３６ａを有する素子カバー３５，３
６により覆う構成としている。これにより、センサ素子
３１が排気マニホールド１５中の雰囲気に晒される構成
が保たれたまま、組み付け・搬送時におけるセンサ素子
３１の破損が有効に防止される構成となっている。

【００３８】素子カバー３６内部において、センサ素子
３１には、その温度を測定するための熱電対３７を貼付
している。そして、この熱電対３７の他端を電子制御装
置３０に結線し、センサ素子３１の温度に応じた信号が
電子制御装置３０に供給される構成としている。

【００３９】センサ素子３１及びハウジング３２からな
るサブアッセンブリには、緩衝材としてインシュレータ
３８を介し、筒状のハウジングカバー３９及びダストカ
バー４０を連結している。この場合において、ダストカ
バー４０の内部にはＯ₂センサ１６の駆動に必要な信号
線を安定保持するためのインシュレータ４１を配設して
いる。

【００４０】図１において信号線４２，４３は、センサ
素子３１の開口部付近の２か所に結線される信号線であ
り、センサ素子３１の内部空間における酸素濃度と外部
空間における酸素濃度との差に応じた電位差を電子制御
装置に供給するものである。ここで、本実施例のＯ₂セ
ンサ１６は、上記したようにセンサ素子３１の外部空間
には排気マニホールド１５内の雰囲気が導かれ、またセ
ンサ素子３１の内部空間には大気が導かれる構成であ
る。

【００４１】従って、内燃機関１０が始動して排気マニ
ホールド１５内に内燃機関１０から排気ガスが排出され
る状況となると、信号線４２，４３の間には、排気ガス
中の酸素濃度と大気中の酸素濃度との差に応じた電圧が
発生することになる。また、大気中の酸素濃度はほぼ一
定である。このため、電子制御装置３０では、信号線４
２，４３の間に発生した電圧を基に排気ガス中の酸素濃
度を算出することが可能となる。

【００４２】ところで、本実施例のセンサ素子３１の内
部空間には、セラミックヒータ４２を挿入している。こ
のセラミックヒータ４４は前記した加熱手段に相当し、
センサ素子３１の開口部側に設けられた２つの電極（図
１中、奥行き方向に並設）間に電流を通電されることに
より発熱し、センサ素子３１を加熱する機能を有してい
る。

【００４３】このため、電子制御装置３０とＯ₂センサ
１６との間には、上記した信号線４２，４３の他、セラ
ミックヒータ４４を駆動するためのヒータ線４５，４６
が必要とされ、インシュレータ４１には計４本の信号線
等４２，４３，４５，４６が保持されることとなる。

【００４４】ところで、かかる構成のＯ₂センサ１６に
おいては、センサ素子３１が直接排気ガスに晒されるこ
ととなる。このため、センサ素子３１の表面には排気ガ
ス中に含まれる種々の物質が付着することとなる。ここ
で、一般に排気ガス中には燃料の燃焼により当然に発生
するＣＯ₂やＨ₂Ｏの他、オイルや燃料中に添加剤とし
て添加されているＺｎ，Ｐ，Ｋ等の無機物質の酸化物が
存在している。

【００４５】これらＺｎ，Ｐ，Ｋの化合物は、有機物質
と異なり高温で燃焼消失することがなく、センサ素子３
１の表面に付着すると、高温（約４００℃以上）下では
液化状態となって表面上に残留する。このように化合物
が液状である場合は、排気ガス中の酸素分子が化合物を
構成する各分子間を通過することができるため、センサ
素子３１の酸素濃度検出精度には影響は生じない。

【００４６】しかし、この化合物は液化状態から急冷さ
れると、図４に示すように構成分子が非晶質化すなわち
ガラス化する特性を有している。このため、例えば内燃
機関１０が高温の排気ガスを排出していた状況から急に
停止されたような場合は、図３（Ｃ）に示すようにセン
サ素子３１の表面に酸素分子が到達できない状況が生じ
る。

【００４７】かかる状況が生じた場合、次回以降内燃機
関１０が再始動された際には、センサ素子３１の温度が
４００℃を越える程度に昇温され、化合物が液化しない
限りＯ₂センサ１６は正常に排気ガス中の酸素濃度を検
出することができないこととなる。従って、内燃機関１
０の始動直後における排気エミッションが悪化していま
うことになる。

【００４８】ところが、センサ素子３１の表面に残留す
るＺｎ，Ｐ，Ｋの化合物は、液化状態から徐冷すると、
結晶質の物質として固体化する特性を有している。そし
て、この化合物が結晶化した場合は、図３（Ｂ）に示す
ように化合物がポーラスな状態となり、その構成分子間
を酸素分子が透過し得る状態が維持され、化合物の被覆
による弊害が解消されることになる。

【００４９】そこで、本実施例においては、センサ素子
３１に挿入したセラミックヒータ４４を適宜制御して、
センサ素子３１が急冷されることがないようにＯ₂セン
サ１６の加熱制御を行うこととした。以下、図５，図６
を参照して本実施例における加熱制御動作について説明
する。

【００５０】図５は、電子制御装置３０が実行する加熱
制御処理ルーチンの一例のフローチャートを示す。

【００５１】図５に示す処理が起動すると、先ずステッ
プ１００を実行し、ＩＧスイッチ２７の出力信号を基
に、具体的には、今回の処理時においてＩＧスイッチが
オンからオフに切り替わったか否かにより、内燃機関１
０が停止状態に移行したか否かを判別する。内燃機関１
０が継続的に停止状態または運転状態であれば、Ｏ₂セ
ンサ１６の環境温度が大きく変化することはなく、セン
サ素子３１が急冷することはないからである。

【００５２】従って、内燃機関１０が停止状態に移行し
たと判別された場合にのみステップ１１０へ進み、それ
以外に場合はそのまま今回の処理を終了する。ステップ
１１０では、その瞬間に熱電対３７により検出されたセ
ンサ素子３１の温度Ｔを、開始温度Ｔ₀として読み込
む。尚、内燃機関１０が停止すると、それに伴ってセラ
ミックヒータ４４への通電も停止されることになる。

【００５３】この場合、この開始温度Ｔ₀は、図６
（Ａ）において時刻ｔ₀、すなわち図６（Ｂ）に示すよ
うにＩＧスイッチがオンからオフに切り替わった時刻に
おけるセンサ素子３１の温度Ｔを表すことになる。

【００５４】このようにして開始温度Ｔ₀を読み込んだ
ら、次にステップ１２０において開始温度Ｔ₀が所定の
判定温度Ｘ₁以上であるか否かを判別する。内燃機関１
０が停止した直後において、すでにセンサ素子３１の温
度がある程度低温である場合は、その後の急冷を防止す
る必要がないからである。尚、本実施例においては、Ｘ
₁を３５０℃に設定している。

【００５５】従って、Ｔ₀＜Ｘ₁である場合はそのまま
今回の処理を終了し、Ｔ₀≧Ｘ₁が成立している場合に
のみステップ１３０へと進む。ステップ１３０では、内
燃機関１０が停止状態に移行した後の時間をカウント
し、所定時間ｔが経過するのを待つ。所定時間ｔの間セ
ンサ素子３１を自然冷却させるためである。尚、本実施
例においてはｔを５sec に設定している。

【００５６】そして、所定時間ｔが経過したらステップ
１４０へ進み、その時点におけるセンサ温度Ｔを終了温
度Ｔ₁として記憶し、続くステップ１５０において開始
温度Ｔ₀と終了温度Ｔ₁との差が所定温度幅ｘ₁以上で
あるか否かを判別する。ここで、Ｔ₀−Ｔ₁＜ｘ₁であ
る場合は、センサ素子３１が自然冷却によって急冷しな
いことを意味する。

【００５７】従って、Ｔ₀−Ｔ₁＜ｘ₁の場合には、何
らかの処置を講じるまでもなく、センサ素子３１表面に
付着したＺｎ，Ｐ，Ｋ等の化合物のガラス化は防止され
るこになる。このため、ステップ１５０においてＴ₀−
Ｔ₁＜ｘ₁と判別された場合はそのまま処理を終了する
こととした。尚、上記のステップ１５０において自然冷
却により急冷が生じるか否かの判定値として用いるｘ₁
は、実験的に求めた値であり、冷却速度が１０℃／sec
を越えると化合物のガラス化が生じることに鑑みて２０
℃に設定している。

【００５８】これに対して、Ｔ₀−Ｔ₁≧ｘ₁が成立す
ると判別された場合は、センサ素子３１を自然冷却させ
るとガラス状化合物が生成される危険があることを意味
している。このため、上記ステップ１５０においてＴ₀
−Ｔ₁≧ｘ₁が成立した場合はステップ１６０へ進んで
セラミックヒータ４４への通電をオンとして、ヒータ通
電後の温度Ｔ₂とヒータ通電直後のセンサ温度Ｔ₁との
温度差が所定の温度差ｘ₂に達するまでヒータをオンに
維持することにより（ステップ１７０，１８０）一時的
にセンサ素子３１の冷却を阻害する。

【００５９】従って、図６（Ａ）中の時刻ｔ₁直後に見
られるように、センサ素子３１の温度はその後上昇し、
自然冷却による冷却曲線（図６（Ａ）中、一点鎖線で示
す曲線）から外れた温度変化を示すことになる。そし
て、Ｔ₂−Ｔ₁≧ｘ₂となった時点でセラミックヒータ
４４への通電をオフとする（ステップ１９０）。

【００６０】上記ステップ１６０〜１９０の処理を実行
することにより、センサ素子３１の冷却速度は自然冷却
の場合に比べて緩慢となる。従って、本実施例において
は、センサ素子３１の急冷によるガラス状物質の生成を
防止して、センサ素子３１の表面に付着する化合物をポ
ーラスな状態に固体化させることができる。尚、本実施
例においては、ｘ₂＝５℃として急冷防止効果を確保し
ている。

【００６１】ところで、このようにセンサ素子３１を徐
冷させる処理は、センサ素子３１表面に付着しているＺ
ｎ，Ｐ，Ｋ等からなる化合物が結晶化するまでの間実行
すれば十分である。

【００６２】そこで、本実施例においては、上記ステッ
プ１９０においてヒータをオフとしたら、次いでステッ
プ２００へ進み、その時点におけるセンサ素子３１の温
度Ｔ ₂が所定の判定温度Ｘ₂以上であるか否かを判別す
る。そして、Ｔ₂がＸ₂より低温である場合は、もはや
センサ素子３１の急冷による化合物のガラス化は起こり
得ないと判断して本ルーチン処理を終了する。

【００６３】一方、Ｔ₂≧Ｘ₂が成立する場合、すなわ
ち未だセンサ素子３１が高温である場合は、センサ素子
３１の徐冷処理を続行する必要がある。このため、かか
る場合には、ヒータ通電をオフとする直前のセンサ素子
３１温度Ｔ₂を自然冷却の開始温度Ｔ₀として（ステッ
プ２１０）、以後上記ステップ１３０以下の処理を繰り
返し実行する。

【００６４】そして、ステップ２００においてＴ₂＜Ｘ
₂が成立すると判別されるまでこの処理を繰り返し実行
する。このため、センサ素子３１の温度がＴ₂未満とな
るまでは、自然冷却による急冷が防止されることとな
り、センサ素子３１の表面がガラス状化合物で覆われて
しまうことがない。尚、本実施例における判定温度Ｘ₂
は、Ｚｎ，Ｐ，Ｋの化合物が確実に結晶化する温度であ
る２５０℃に設定している。

【００６５】従って、本実施例によれば、センサ素子３
１の表面を常時外気と流通した状態に維持することが可
能となり、従来の酸素濃度センサを用いた内燃機関と比
べて、再始動してから空燃比フィードバック制御が開始
できる状態となるまでに要する時間が著しく短縮される
こととなる。

【００６６】ところで、図７は、内燃機関１０が停止し
た後、比較的早期に再始動が行われた場合における内燃
機関１０の温度変化（図７中、二点鎖線で示す曲線）、
本実施例のセンサ素子３１の温度変化（図７中、実線で
示す曲線）、及び自然冷却した場合のセンサ素子３１の
温度変化（図７中、一点鎖線で示す曲線）を示してい
る。

【００６７】同図に示すように、内燃機関１０を停止さ
せると内燃機関１０の温度、及びセンサ素子３１の温度
は共に降下を始める。そして、その熱容量の差に起因し
て、時間の経過と共に内燃機関１０に比べてセンサ素子
３１の温度が大幅に低下する。従って、内燃機関の停止
後自然冷却がなされる従来の酸素濃度センサを備える内
燃機関では、その停止後しばらくの間は、内燃機関の温
度とセンサ素子の温度との間に大きな隔たりが生じるこ
とになる。

【００６８】このため、空燃比フィードバック制御の実
行領域を内燃機関の温度で設定する構成が採用されてい
ると、内燃機関の再始動直後において、センサ素子の温
度が活性温度領域未満で内燃機関がフィードバック開始
温度を越えているという事態において、Ｏ₂センサが発
する誤った空燃比信号に基づいてフィードバック制御が
実行されることになる。

【００６９】これに対して、本実施例のＯ₂センサ１６
においてはセンサ素子３１が自然冷却されないため、内
燃機関１０の停止後においても内燃機関１０とセンサ素
子との間に大きな温度差が生じない。従って、内燃機関
１０の停止後比較的早期に再始動が行われたとしても、
その後即座にセンサ素子３１が活性化温度領域に達し、
排気エミッションの悪化は抑制されることになる。

【００７０】このように、本実施例によれば、内燃機関
１０が十分に冷却された後再始動される場合において良
好な空燃比フィードバック制御を実行できると共に、内
燃機関の停止後比較的早期に再始動される場合において
も、従来に比べて良好な空燃比フィードバック制御を実
行することができる。

【００７１】尚、上記した実施例においては、Ｏ₂セン
サ１６に熱電対を内蔵し、センサ素子３１の温度を測定
しながらセラミックヒータ４４への通電制御を行う構成
としたが、これに限るものではなく、センサ素子３１の
急冷を確実に防止し得る通電制御が実行されればよい。

【００７２】従って、例えば、寒冷地における冬季の環
境下において化合物のガラス化が生じない通電パターン
を予め設定し、常にその設定パターンに沿って通電制御
を行う構成としてもよい。この構成によれば、Ｏ₂セン
サ１６の環境温度が比較的高温である場合には過剰な通
電が行われることとなるが、熱電対等によりセンサ素子
３１の温度を測定する構成が不要となり、上記した実施
例に比べて簡易に実現することができる。

【００７３】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば、酸素濃度検
出部の急冷が防止され、内燃機関の動作時において酸素
濃度検出部表面に付着するＺｎ，Ｐ，Ｋ等の化合物のガ
ラス化を防止することができる。従って、酸素濃度検出
部を取り巻く雰囲気中の酸素分子は常に、酸素濃度検出
部表面に到達することができる。

【００７４】このため、本発明のヒータ付き酸素濃度セ
ンサによれば、内燃機関が再始動して、酸素濃度検出部
の温度が活性化温度領域に達すれば、その後良好な空燃
比フィードバック制御を実行し得る状態となる。従っ
て、内燃機関の再始動後、酸素濃度検出部表面のガラス
化した化合物が液化するまで適正な酸素濃度の測定がで
きなかった従来の酸素濃度センサに比べて空燃比フィー
ドバック制御を早期に開始することが可能となる。

【００７５】更に、本発明のヒータ付き酸素濃度センサ
によれば、従来の酸素濃度センサを用いた場合と異な
り、内燃機関の停止後において内燃機関の温度と酸素濃
度センサの温度との差が大きく離れることはない。従っ
て、内燃機関が停止後比較的早期に再始動された場合に
おいて、酸素濃度センサだけが大幅に冷却されているこ
とがなく、速やかに空燃比フィードバック制御を実行す
ることができる。

【００７６】このように、本発明のヒータ付き酸素濃度
センサは、広い条件下で適切な空燃比フィードバック制
御の実行を可能とすることにより、従来の酸素濃度セン
サに比べて内燃機関の排気エミッションを向上させるこ
とができるという特長を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るヒータ付き酸素濃度センサの一実
施例の構成を表す正面断面図である。

【図２】本発明に係るヒータ付き酸素濃度センサの一実
施例を備える内燃機関及びその周辺装置の構成を表す全
体図である。

【図３】本実施例の酸素濃度センサのセンサ素子表面に
付着する化合物の状態変化の様子を表す概念図である。

【図４】本実施例の酸素濃度センサのセンサ素子の表面
に付着する化合物の非晶質状態の分子構造モデル図であ
る。

【図５】本実施例の電子制御装置が実行するセラミック
ヒータの通電制御処理の一例のフローチャートである。

【図６】本実施例のヒータ付き酸素濃度センサの温度変
化の様子を表すタイムチャートである。

【図７】内燃機関停止後における内燃機関及び酸素濃度
センサの温度変化の様子を表す図である。

【符号の説明】

１０内燃機関１６ヒータ付き酸素濃度センサ（Ｏ₂センサ）１７触媒コンバータ２７イグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）３０電子制御装置３１センサ素子３７熱電対４２，４３信号線４４セラミックヒータ４５，４６ヒータ線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】雰囲気中の酸素濃度に応じた信号を発す
る酸素濃度検出部を、内燃機関から排出される排気ガス
にさらされる部位に設置してなる酸素濃度検出手段と、
前記酸素濃度検出部を加熱する加熱手段とを有するヒー
タ付き酸素濃度センサであって、内燃機関の停止状態を検出する停止状態検出手段と、該停止状態検出手段により内燃機関が運転状態から停止
状態に移行したことが検出された場合、前記酸素濃度検
出部の温度を徐冷するように前記加熱手段を制御する加
熱制御手段とを備えることを特徴とするヒータ付き酸素
濃度センサ。