JP3869629B2 - 空燃比センサの活性判定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系に装着されて空燃比制御に用いられる空燃比センサの活性判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の空燃比制御装置として、空燃比センサにより排気中の酸素濃度に基づいて実際の空燃比を目標空燃比に近づけるように機関への供給燃料量をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御が知られている。
【０００３】
かかる空燃比フィードバック制御においては、空燃比センサが活性化していることが前提条件となる。空燃比センサに備えられるセンサ素子加熱用のヒータへの通電量をセンサ素子温度、即ち、センサの活性状態に基づいて制御することを目的として、センサ素子のインピーダンスが素子温度に依存していることから、センサ素子のインピーダンスを用いてセンサ素子温度（活性状態）を検出するものがある。
【０００４】
具体的には、空燃比センサのセンサ素子に高周波の交流電圧を印加し、センサ素子に流れる電流値よりセンサ素子のインピーダンスを計測し、計測されたインピーダンスに基づいて素子温度（活性状態）を検出するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の空燃比センサの活性判定装置では、センサ素子のインピーダンスを計測する際、特にセンサ素子温度が低温である場合には、センサ素子のインピーダンスが高いため、計測出力値に対する温度変化量が大きく、分解能が低下して、素子インピーダンスの計測精度が低下してしまうといった問題があった。また、空燃比センサの活性化終了の判定に際しても、急激なインピーダンス−温度特性変化により、正確な判定を難しくしていた。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたものであって、空燃比センサのセンサ素子活性状態の指標となるインピーダンスを精度よく計測することができる空燃比センサの活性判定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、図１に示すように、内燃機関の排気系に装着される空燃比センサの活性判定装置であって、空燃比センサのセンサ素子に印加する活性判定用交流電圧をセンサ素子温度が高い状態と低い状態とで異なる交流電圧に設定する電圧設定手段と、前記電圧設定手段により設定された交流電圧をセンサ素子に印加する交流電圧印加手段と、前記交流電圧印加手段により印加された交流電圧に対するセンサ素子のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、を含んで構成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記空燃比センサは、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備えたものであって、
前記交流電圧印加手段は、前記ネルンストセル部に交流電圧を印加するものであり、前記インピーダンス検出手段は、交流電圧の印加により前記ネルンストセル部に流れる電流値から前記ネルンストセル部のインピーダンスを計測するものであることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記電圧設定手段は、機関始動からの経過時間に基づいて活性判定用交流電圧を設定することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、前記電圧設定手段は、センサ素子に所定の交流電圧を印加し、該交流電圧に対するインピーダンス計測値に基づいて活性判定用交流電圧を設定することを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明を、前記電圧設定手段により設定される大きい方の交流電圧は、交流電圧印加手段の定格電圧とすることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、機関の温度を検出し、機関が所定温度以上では、交流電圧を小さく設定することを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、例えば、センサ素子温度が低く（インピーダンスが高く）、計測出力値に対する温度変化量が大きくなり分解能が低下するような場合には、印加する電圧をセンサ素子温度が高い（インピーダンスが低い）場合よりも大きめに設定してレンジを拡大して出力させることにより、センサ素子活性状態として素子インピーダンスを精度よく計測できる。この結果、例えば、このインピーダンス計測値に基づいてセンサ素子加熱用ヒータを制御することで、最適な制御が可能となる。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、空燃比センサがネルンストセル部とポンプセル部とを備えるものにあっては、ネルンストセル部に交流電圧を印加して、該ネルンストセル部に流れる電流値を計測することにより、ポンプセル部での空燃比検出に影響を与えることなく、インピーダンスを計測できる。
【００１３】
請求項３に係る発明によれば、排気等によるセンサ素子温度上昇に伴うインピーダンスの変化を機関始動からの経過時間に代替することで、センサ素子インピーダンスの高低に応じた交流電圧を容易に設定することができる。
【００１４】
請求項４に係る発明によれば、センサ素子に所定の交流電圧を印加し、該交流電圧に対するインピーダンス計測値に基づいて活性判定用の交流電圧を設定することにより、インピーダンスが所定値よりも高いときにのみ、通常の設定値より大きい電圧を印加するよう設定できるので、センサ素子への負荷を最小限に抑えつつ、インピーダンス計測精度を向上させることができる。
【００１５】
請求項５に係る発明によれば、前記電圧設定手段により設定される大きい方の交流電圧を、交流電圧印加手段の定格電圧とすることにより、大きい方の電圧を印加する際し、安定した信頼できる値を用いるので、センサ素子の故障等を防止しつつ、インピーダンス計測精度を向上させることができる。
【００１６】
請求項６に係る発明によれば、機関が所定温度以上では、交流電圧を小さく設定するので、センサ素子が所定温度となり素子インピーダンスが低い状態のときに、大きな交流電圧を印加することを回避でき、センサ素子の故障等を未然に防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図２は、本発明の一実施形態における内燃機関のシステム構成図を示す。図２において、内燃機関１の吸気通路２には、吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ３と吸入空気量Ｑａを制御するスロットル弁４が設けられている。
【００１８】
各気筒毎に設けられた燃料噴射弁５は、マイクロコンピュータを内蔵したＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）６からの噴射パルス信号により開弁駆動し、図示しない燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を噴射供給する。
【００１９】
排気通路７には、排気中の酸素濃度に応じて空燃比をリニアに検出する広域型の空燃比センサ８が設けられている。
更に、機関１の所定のクランク角毎にクランク角信号に出力するクランク角センサ９や機関１の冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１０が設けられている。
【００２０】
前記ＥＣＭ６は、例えば、吸入空気量Ｑａとクランク角センサ９からの信号に基づいて検出される機関回転速度Ｎｅからストイキ（λ＝１）相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ×Ｎｅ（Ｋは定数）を演算し、これを目標空燃比ｔλ、空燃比センサ８からの信号に基づく空燃比フィードバック補正係数αにより補正して燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×（１／ｔλ）×αとして、このＴｉに対応する噴射パルスを、機関回転周期に同期して、前記燃料噴射弁５に出力する。
【００２１】
図３は、前記空燃比センサ８の構造を示す。
図３において、センサ素子本体２０は、酸素イオン導電性を有するジルコニア等の固体電解質材料で多孔質層に形成されており、その内部には、図で下側から、ヒータ２１、大気室２２、ガス拡散室２３を備えている。
【００２２】
ヒータ２１は、これへの通電によりセンサ素子を加熱することができる。
大気室２２は、排気通路外で、基準ガスである大気と連通するように形成されている。
【００２３】
ガス拡散室２３は、本体２０の図で上面側より形成した排気導入孔２４、γアルミナ等の保護層２２を介して、排気と連通するように形成されている。
ここで、大気室２２の上壁に設けた電極２６Ａと、ガス拡散室２３の下壁に設けた電極２６Ｂとで、ネルンストセル部２６が構成される。
【００２４】
また、ガス拡散室２３の上壁に設けた電極２７Ａと、本体２０の上壁に設け保護層２８で覆った電極２７Ｂとで、ポンプセル部２７が構成される。
ネルンストセル部２６は、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃度（酸素分圧）によって影響されるネルンストセル部電極２６Ａ、２６Ｂ間の酸素分圧に応じて、電圧を発生するようになっているので、該電圧を検出することにより、空燃比がストイキ（λ＝１）に対してリーンであるかリッチであるかを検出することができる。
【００２５】
ポンプセル部２７は、これに所定の電圧が印加されると、ガス拡散室２３内の酸素イオンが移動して、ポンプセル部電極２７Ａ、２７Ｂ間に電流が流れるようになっている。そして、ポンプセル部電極２７Ａ、２７Ｂ間に所定の電圧を印加したときに流れる電流値（限界電流値）Ｉｐは、ガス拡散室２３内の酸素イオン濃度に影響されるので、該電流値Ｉｐを検出することにより、排気の空燃比を検出することができる。
【００２６】
すなわち、図４（Ａ）に示すように、ポンプセル部２７の電圧−電流特性は、空燃比λに応じて変化し、所定の電圧Ｖｐを印加したときの電流値Ｉｐにより排気の空燃比λを検出することができる。
【００２７】
また、ネルンストセル部２７でのリーン・リッチの出力に基づいて、ポンプセル部２７に対する電圧の印加方向を反転させることで、リーン領域とリッチ領域との両方の空燃比領域において、図４（Ｂ）に示すように、ポンプセル部２７を流れる電流値Ｉｐに基づいて、広範囲な空燃比λの検出が可能となる。
【００２８】
図５は、空燃比センサのセンサ素子（ネルンストセル部及びポンプセル部）及びセンサ素子加熱用ヒータに対する制御回路を示す。
ネルンストセル部２６には、インピーダンス計測のため、マイコン３０の制御の下に、交流電源３１により高周波の交流電圧を印加し、これによりネルンストセル部２６に流れる電流値Ｉｓを電流検出用抵抗３２と検出アンプ３３とにより電圧変換する。
【００２９】
検出アンプ３３からの信号は、例えばハイパスフィルタと積分器とからなるインピーダンス検出回路３４に入力することで、交流成分のみを取出して、その振幅からインピーダンスＲｉを検出する。これにより、ネルンストセル部２６のインピーダンスＲｉを計測することができる。
【００３０】
また、検出アンプ３３からの信号は、ローパスフィルタ３５に入力することで、直流成分のみを取出して、酸素濃度に応じてネルンストセル部２６で発生する電圧を検出する。これにより、酸素濃度のリーン・リッチを検出することができる。
【００３１】
ポンプセル部２７には、マイコン３０制御の下に、直流電源３５により所定の電圧Ｖｐを印加するが、印加方向はネルンストセル部２６により検出される酸素濃度のリーン・リッチに応じて反転させ、これによりポンプセル部２７に流れる電流Ｉｐを電流検出用抵抗３６と検出アンプ３７とにより電圧変換して検出する。これにより、空燃比λを検出する。
【００３２】
ヒータ２１には、バッテリよりバッテリ電圧ＶＢを印加するが、通電回路中にスイッチング素子３８を設けてあるので、このスイッチング素子３８のＯＮ・ＯＦＦをマイコン３０によりデューティ制御することにより、ヒータ２１への通電量を制御することができる。
【００３３】
図６は、本発明の第一の実施形態であり、マイコン３０により所定時間毎に実行される空燃比センサのインピーダンスＲｉ計測のフローチャートを示す。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、各種運転条件を読込む。
【００３４】
ステップ２では、所定のヒータ制御許可条件が成立しているか否かを判定する。ここで、ヒータ制御許可条件とは、例えば、エンジンが回転中であること、バッテリー電圧が所定値以上であること、空燃比センサ及びヒータが故障していないこと等である。
【００３５】
ステップ２で、ヒータ制御許可条件が成立していない場合は、ステップ８に進み、ヒータデューティ（ＨＤＵＴＹ）＝０として、ヒータ制御を行うことなくステップ１に戻る。
【００３６】
一方、ステップ２で、ヒータ制御許可条件が成立している場合は、該ヒータ制御用にセンサ素子のインピーダンス計測を行うためステップ３に進む。
ステップ３では、機関冷却水温度Ｔｗが所定温度Ｔ０未満であるか否かを判定する。ここで、所定温度Ｔ０は、アイドル停止直後のホットリスタート時にセンサ素子温度が高くなっている（素子インピーダンスが低い）可能性がある高温に設定されている。
【００３７】
そして、機関冷却水温度Ｔｗが所定温度Ｔ０以上であれば、既にセンサ素子のインピーダンスは低い可能性があるので、ステップ５に進み、活性判定用の交流電圧を設定電圧１に設定する。ここで、設定電圧１は、通常の交流電圧と同等とし（例えば、振幅Ｖｐｐ＝１．５Ｖ）、センサ素子に過大電流が流れることを防止する。
【００３８】
次いで、ステップ６に進み、交流電源３１によりネルンストセル部２６に設定電圧１を印加し、その時の電流検出用抵抗３２の端子電圧を読込み、これに基づいて、既述のようにして、ネルンストセル部２６のインピーダンスを計測する。
【００３９】
一方、ステップ３で、機関冷却水温度Ｔｗが所定温度Ｔ０未満の通常始動時であれば、ステップ４に進み、機関始動（クランキング）からの所定時間経過したか否かを判定する。この所定時間は、機関始動からセンサ素子温度が十分に高くなる（素子のインピーダンスが低くなる）までの時間であり、各条件の下で実測して調整し、設定してある。
【００４０】
ステップ４の判定で、機関始動から所定時間経過していない場合には、ステップ７に進み、活性判定用の交流電圧を通常の交流電圧（設定電圧１）よりも大きい設定電圧２（例えば、Ｖｐｐ＝５Ｖ）に設定した後、ステップ６に進んで素子のインピーダンスを計測する。
【００４１】
この場合、まだ排気温度が低く、センサ素子温度が低いため、素子のインピーダンスが高いと判断される。このため、通常の交流電圧（設定電圧１）では、計測出力値に対する温度変化量が大きく、インピーダンスの計測精度が低下するので、設定電圧２として出力レンジを拡大させて、計測精度を向上させる。
【００４２】
機関始動から所定時間経過後は、ステップ５に進み、活性判定用の交流電圧を通常の交流電圧（設定電圧１）に設定した後、ステップ６に進んでインピーダンスを計測する。この場合は、時間経過とともに排気温度が上昇し、素子温度も上昇して素子インピーダンスは低いため、計測精度を確保できると判断されるので通常の交流電圧（設定電圧１）として過大電流が流れるのを防止する。
【００４３】
ここで、前記設定電圧２は、交流電圧印加手段である交流電源３１の定格電圧として構成するのが望ましい。予期しない過大電圧の印加によるセンサ故障をあらかじめ防止できるからである。
【００４４】
以上により、機関始動直後で排気温度が低く、センサ素子温度が低い（インピーダンスが高い）場合には、大きい電圧を設定して精度よくインピーダンスを計測し、機関始動から所定時間経過した場合は、センサ素子のインピーダンスが低い可能性があるので、通常の交流電圧を設定し、センサ素子に過大電流が流れることを防止できる。
【００４５】
また、機関冷却水温度Ｔｗが所定温度Ｔ０以上である場合も、センサ素子のインピーダンスが低い可能性があるので、通常の交流電圧を設定して、センサ素子にか電流が流れるのを防止できる。
【００４６】
次に、図７に第二の実施形態であるインピーダンス計測のフローチャートを示す。
図７において、ステップ１３〜１６、１８以外は、前記第一の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００４７】
機関冷却水温度Ｔｗが所定温度Ｔ０未満の通常始動時は、ステップ１３に進んで、通常の交流電圧（設定電圧１）をセンサ素子に印加し、素子インピーダンスＲｉを計測して、ステップ１４に進む。このインピーダンス計測は、ステップ１４で活性判定用の印加電圧を設定するためのものである。
【００４８】
ステップ１４では、ステップ１３で計測されたインピーダンスＲｉと所定値Ｒ０とを比較する。
ここで、所定値Ｒ０は、通常の交流電圧（設定電圧１）を印加した際に、精度を低下させることなく素子インピーダンスを計測できる値であるとともに、設定電圧２を印加しても大電流が流れない値として設定する。例えば、活性化しているセンサの素子インピーダンスＲｉが１５０〜２５０Ω程度と、未活性のセンサ素子インピーダンスＲｉが５００Ω程度と想定される場合には、両者のほぼ中間の値である３５０Ω程度が考えられる。
【００４９】
ステップ１４で、インピーダンスＲｉが所定値Ｒ０未満であれば、ステップ１８に進み、活性判定用の交流電圧を通常の交流電圧（設定電圧１）よりも大きい設定電圧２とした後、ステップ１６に進んでインピーダンスを計測する。
【００５０】
これにより、素子のインピーダンスが高く計測精度が低下する場合を正確に判別し、通常よりも大きい電圧を設定することで、精度よくインピーダンスを計測できる。
【００５１】
一方、インピーダンスＲｉが所定値Ｒ０未満であれば、ステップ１５に進み、活性判定用の交流電圧を通常の交流電圧（設定電圧１）に設定した後、ステップ１６に進んでインピーダンスを計測する。
【００５２】
これにより、素子のインピーダンスが低い場合を正確に判別し、センサ素子に過大電流が流れるのを確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の一実施形態を示すシステム構成図。
【図３】空燃比センサのセンサ素子構造を示す図。
【図４】空燃比センサのセンサ素子の特性図。
【図５】空燃比センサのセンサ素子及びヒータに対する制御回路図。
【図６】本発明の一実施形態に係るインピーダンス計測のフローチャート。
【図７】本発明の他の実施形態に係るインピーダンス計測のフローチャート。
【符号の説明】
１ … 内燃機関
６ … ＥＣＭ
９ … 空燃比センサ
２０… センサ素子本体
２１… ヒータ
２２… 大気室
２３… ガス拡散室
２４… 排気導入孔
２５… 保護層
２６… ネルンストセル部
２７… ポンプセル部
２８… 保護層
３０… マイコン
３１… 交流電源
３２… 直流電源
３８… スイッチング素子

Claims (6)

1. 内燃機関の排気系に装着される空燃比センサの活性判定装置であって、
   空燃比センサのセンサ素子に印加する活性判定用交流電圧をセンサ素子温度が高い状態と低い状態とで異なる交流電圧に設定する電圧設定手段と、
   前記電圧設定手段により設定された交流電圧をセンサ素子に印加する交流電圧印加手段と、
   前記交流電圧印加手段により印加された交流電圧に対するセンサ素子のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする空燃比センサの活性判定装置。
2. 前記空燃比センサは、空燃比のリーン・リッチに応じた電圧を発生するネルンストセル部と、該ネルンストセル部により検出される空燃比のリーン・リッチに応じた方向に所定の電圧が印加されて空燃比に応じて電流値が連続的に変化するポンプセル部とを備えたものであって、
   前記交流電圧印加手段は、前記ネルンストセル部に交流電圧を印加するものであり、前記インピーダンス検出手段は、交流電圧の印加により前記ネルンストセル部に流れる電流値から前記ネルンストセル部のインピーダンスを検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの活性判定装置。
3. 前記電圧設定手段は、機関始動からの経過時間に基づいて活性判定用交流電圧を設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空燃比センサの活性判定装置。
4. 前記電圧設定手段は、センサ素子に所定の交流電圧を印加した際に計測されるインピーダンスに基づいて活性判定用交流電圧を設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空燃比センサの活性判定装置。
5. 前記電圧設定手段により設定される大きい方の交流電圧を、交流電圧印加手段の定格電圧とすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の空燃比センサの活性判定装置。
6. 機関の温度を検出し、機関の温度が所定値以上では、交流電圧を小さく設定することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の空燃比センサの活性判定装置。

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