JPH01158336A - 酸素濃度センサに備えられたヒータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関排気中の酸素濃度を検出する酸素濃
度センサに備えられたヒータへの供給電力を制御する制
御装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来より、内燃機関に供給される混合気の空燃比を理論
空燃比より薄い（リーン）所望空燃比に制御するシステ
ムにおいては、リーンな空燃比を検出できる酸素濃度セ
ンサが用いられている。そしてこのセンサには酸素濃度
を検出する検出素子が（ｍえらｈていて、この検出素子
としてはジルコニア系の限界電流式のものが一般的であ
る。しかしこの場合この検出素子が正確に酸素濃度を検
出できるようにするために、検出素子を６５０″Ｃ以上
に保持して、活性状態にしておかなくてはならず、その
ために検出素子を加熱するためのヒータが酸素濃度セン
サには備えられている。

そして、このヒータとしては一般にタングステンや白金
などの材料が用いられるが、ヒータ材料の劣化等を防止
するために、ヒータの温度は約１０００°Ｃ以下に制御
する必要がある。

ところで従来、この種の装置としては特開昭６０−２１
４２５１号公報に示されるように、機関の運転状態（回
転数、吸気管圧力）に基づいて酸素濃度センサのヒータ
に対する基本電力を設定し、この設定された基本電力を
吸気温センサで検出される機関の周囲温度に応じて補正
してヒータに供給する目標電力を決定し、この目標電力
に応じてヒータへの電力供給を制御するようにしたもの
が公知である。

そして、上記公報に示される構成においては、基本電力
を周囲温度で補正することで、ヒータの温度が周囲温度
に影響されて上述の最高許容温度を上回ったり、検出素
子を活性状態に保持できない程度の温度にまで低下した
りすることを防ぐようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、酸素濃度センサは排気系に設けられているこ
とから、排気温の影響を大きく受ける。

そして回転数と吸気管圧力が同じであっても、排気温は
空燃比によって第１２図に示すごとく変化する。そのた
め、空燃比がリーンな空燃比（２０以上）から理論空燃
比（１４，７）に変化した場合、排気温の上昇によりヒ
ータ温度が上述の最高許容温度を上回ってしまうという
問題点があった。

従って、本発明の目的は、空燃比の変動に伴い排気温か
変化したとしても、ヒータの温度が最高許容温度を上回
ったり、検出素子の活性状態が維持し得ない程度にまで
低下したりすることを防止し得る酸素濃度センサに備え
られたヒータの制御装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、本発明においては、第１
３図に示すように、 内燃機関の排気中の酸素濃度を検出して機関に供給され
た混合気の空燃比に応じた信号を出力する検出素子と、
この検出素子を加熱するヒータとを備え、排気系に設置
された酸素濃度センサと、内燃機関の運転状態を検出し
、該運転状態に応じた信号を出力する運転状態検出手段
と、前記運転状態検出手段からの出力信号に基づいて目
標空燃比を設定し、前記酸素濃度センサの前記検出素子
からの出力信号により得られる実際の空燃比と前記目標
空燃比を比較して実際の空燃比が目標空燃比に収束する
よう機関に供給される燃料量を制御する燃料制御手段と
、 前記運転状態検出手段からの出力信号に基づいて、前記
酸素濃度センサの前記ヒータに供給する基本電力を設定
する基本電力設定手段と、前記基本電力設定手段にて設
定された基本電力を、前記酸素濃度センサの前記検出素
子からの出力信号により得られる実際の空燃比と前記燃
料制御手段にて設定される目標空燃比とのいずれか一方
に応じて補正し、前記ヒータに供給する目標電力を決定
する目標電力決定手段と、 前記目標電力決定手段にて決定された目標電力に応じて
前記ヒータに供給する電力を制御する供給電力制御手段
と を備えたことを特徴とする酸素濃度センサに備えられた
ヒータの制御装置としている。

〔作用〕

上記構成によれば、運転状態に応じて設定されたヒータ
に対する基本電力が空燃比の状態に応じて補正されて目
標電力が決定され、この目標電力に応じた電力がヒータ
に供給される。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面と共に説明する。

まず第１図は本実施例の酸素濃度センサに備えられたヒ
ータの制御装置が搭載された車両用内燃機関（以下、エ
ンジンと略す、）及びその周辺装置を表す概略系統図で
ある。

図において１はエンジン、２はピストン、３はシリンダ
、４はシリンダヘッドであり、シリンダヘッド４の各気
筒の排気ボート５には排気マニホールド６が、シリンダ
ヘッド４の各気筒の吸気ボート７には吸気マニホールド
８が夫々連結されている。また吸気マニホールド８は吸
入空気の脈動を防止するためのサージタンク９に接続さ
れておりサージタンク９には吸気マニホールド８内の圧
力、即ち吸気管圧力Ｐｍを検出する吸気圧センサｌＯが
備えられている。

次に１１はサージタンク９を介して各気筒に送られる吸
気空気量を制御するスロットルバルブ、１３は吸入空気
温度を検出する吸気温センサであす、スロットルバルブ
１１には、スロットルバルブ１１の開度に応じた信号を
出力するスロットルバルブ開度センサとエンジン１のア
イドリング時にＯＮ状態とされるアイドルスイッチとを
備えたスロットルホジションセンサ１４が直結されてい
る。また１′５は排気マニホールド６に取り付けられ、
排気中の酸素濃度を検出し、エンジン１に供給された混
合気の空燃比に応じた信号を出力する検出素子と加熱用
の白金のヒータとを備えた酸素濃度センサ、１６はエン
ジンｌの冷却水温を検出する水温センサ、１７はエンジ
ン１の点火プラグ１８に所定タイミングでイグナイタ１
９から出力される高電圧を印加するディストリビュータ
、２０はディストリビュータ１７に取り付けられ、エン
ジンｌの回転数に対応したパルス信号を発生する回転数
センサを夫々表している。

またエンジン１のシリンダヘッド４に吸気ボート７内に
突出するようにスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）
２１が設けられており、周知のごとくこの５ＣＶ２１が
閉じられている時には燃焼室内にスワールが発生する。

この５ＣＶ２１はダイヤフラムアクチュエータ２２によ
り開閉され、このダイヤフラムアクチュエータ２２の負
圧室内の圧力はＶＳＶ２３により大気圧とサージタンク
９内の圧力とに選択的に切換えられ、大気圧力が導入さ
れた場合はダイヤフラムアクチュエータ２２により５Ｃ
Ｖ２１は開くよう構成されている。

なお、ＶＳＶ２３とサージタンク９との間の管路中には
逆止弁２４が設けられている。

さらに吸気マニホールド８には電気的に制御される燃料
噴射弁２６が設けられている。

上記吸気圧センサｌＯ１吸気温センサ１３、スロットル
ホジションセンサ１４、酸素濃度センサ１５、水温セン
サ１６及び回転数センサ２０の各種検出信号は制御回路
２５に入力され、制御回路２５にて上記各検出信号に基
づき、燃料噴射弁２６の燃料噴射量制御、点火プラグ１
８の点火時期制御、５ＣＶ２１の開閉制御、あるいは酸
素濃度センサ１５のヒータの制御等の種々の制御処理が
実行される。

次←第２図に上述の制御回路２５の構成を表すブロック
図を示す。図において３１は酸素濃度センサ１５の検出
素子１５ａに所定の電圧を印加するための印加電源、３
２は検出素子１５ａに流れる電流を検出するだめの抵抗
、３３は抵抗３２における降下電圧を所定倍に増幅する
ための増幅回路、３４は増幅回路３３からの出力信号、
つまり排気中の酸素濃度に対応するアナログ信号や、吸
気圧センサｌＯ１吸気温センサ１３、スロットルホジシ
ョンセンサＩ４の開度センサ１４ａ、水温センサ１６等
にて検出されたアナログ信号を受け、デジタル信号に変
換するＡ／Ｄ変換器である。また３５ａ、３５ｂはそれ
ぞれＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭで等から構成されたマイク
ロコンピュータ３７にてＡ／Ｄ変換器３４を介して人力
された信号及び回転数センサ２０、スロットルポジショ
ンセンサ１４のアイドルスイッチ１４ｂからの信号に基
づいて演算され、出力された制御信号によって゛制御さ
れる駆動回路を表し、駆動回路３５ａはマイクロコンピ
ュータ３７にて算出された所望量の燃料をエンジン１に
供給させるための駆動信号を燃料噴射弁２６に出力する
回路であり、また駆動回路３５ｂはマイクロコンピュー
タ３７にて決定された５ＣＶ２１の開閉状態に対応して
ＶＳＶ２３を作動させるための駆動信号をＶＳＶ２３に
出力する回路である。イグナイタ１９もマイクロコンピ
ュータ３７にて、ディストリビュータ１７へ高電圧を所
定タイミングで出力するよう制御されている。

次に３８は酸素濃度センサ１５のヒータ１５ｂへの供給
電力を制御するための通電制御回路であって、マイクロ
コンピュータ３７の制御信号に応じてヒータ用電源３９
からの通電を制御するものである。また４０はヒータ１
５ｂ通電時にヒータ電圧を検出するヒータ電圧検出回路
、４１は同様にヒータ電流を検出するヒータ電流検出回
路である。

このように構成された本実施例の制御回路においては、
上述の如く、燃料噴射量制御、点火時期制御、５ＣＶ２
１の開閉制御、酸素濃度センサ１５のヒータ制＜１５Ｎ
種々の制御が実行されることとなるのであるが、以下に
本発明にかかわる制御処理である燃料噴射量制御、５Ｃ
Ｖ２１の開閉制御、酸素濃度センサ１５のヒータ制御に
ついて説明する。

燃料噴射量制御におけるリーンフィードバック制御は例
えば特開昭６１−１４４４３号公報における公知である
ので、ここでは簡単に説明する。

酸素濃度センサ１５の検出素子１５ａが活性状態である
と共に、各センサ信号に基づいてリーンフィードバック
制御を実行する運転状態であると判断される時は、第３
図に示されるマツプより回転数Ｎｅと吸気管圧力Ｐｍと
に基づいて目標空燃比を求め、この目標空燃比が理論空
燃比（１４，７）よりリーン側にある時のみ、検出素子
１５ａからの出力信号より得られる実際の空燃比とこの
目標空燃比とを比較して、その比較結果に基づいて空燃
比補正量を積分処理して求める。また回転数Ｎｅと吸気
管圧力Ｐｍとに基づいて基本噴射量を算出すると共に、
冷却水温や吸気温等により得られる補正量と空燃比補正
量とにより基本噴射量をｈ［正して有効噴射■を求める
。そしてこの有効噴射量に相当する時間幅信号に電源電
圧補正分を加えた時間幅信号を形成しこの信号をエンジ
ン回転に同期したタイミング駆動回路３５ａに出力し、
噴射弁２６を開弁させる。

また酸素濃度センサ１５の検出素子１５ａが活性状態で
あるが、加速が検出されたり、５ＣＶ２１が開状態に制
御されていたりして理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）に
フィードバック制御する運転状態であると判断される時
は、この理論空燃比を目標空燃比として、補正のリーン
フィードバック制御における処理同様に、検出素子１５
ａからの出力信号より得られる実際の空燃比と比較して
空燃比補正量を求めて基本噴射量を補正して有効噴射量
を求める。そしてこの有効噴射量に相当する時間幅信号
を電源電圧補正して、この補正した時間幅信号で噴射弁
２６を駆動する。

ところで、５ＣＶ２１の制御は吸気管圧力に応じて開閉
制御されるのであるが、第４図に示すようにヒステリシ
ス特性をもった制御とされる。そして５ＣＶ２１が開い
ている時は目標空燃比が理論空燃比に設定され、閉じて
いる時はその時の回転数Ｎｅと吸気管圧力Ｐｍとに応じ
て第３図のマツプより読み出される空燃比（第４図にお
いては２０として示しである）に設定される。従って同
じ回転数Ｎｅと吸気管圧力Ｐｍであっても２種の目標空
燃比が存在するようになる。

次に酸素濃度センサエ５のヒータ制御について第５図に
示す制御プログラムに従って説明する。

第５図に示す酸素濃度センサのヒータ制御は、所定時間
間隔例えば１００（ｍ１００（毎に実行され、ヒータ用
電源３９からヒータ１５ｂへの通電をエンジン１の運転
状態及び酸素濃度センサ１５の検出結果に応じたヒータ
通電のデユーティ制御によって行われる。

処理が開始されると、まずステップ５０１にて上記各セ
ンサや検出回路からの信号に基づく、エンジン回転数Ｎ
ｅ、吸気管圧力Ｐｍ、ヒータ電圧ｖｈ、ヒータ電流Ｔｈ
等の各種パラメータを読み込み、続くステップ５０２に
移行する。

ステップ５０２においては、上記ステップ５０１にて読
み込まれたヒータ電圧ｖｈ及びヒータ電流１ｈとから、
所定時間、例えば１００（１００（〕の間、ヒータ１５
ｂを通電した場合の電力量、つまりデユーティ比１００
％の電力量Ａを算出する処理が実行されステップ５０３
に移行する。以下、電力量については全て１００（ｍ１
００（当りの電力量とする。

次にステップ５０３においては、理論空燃比を目標空燃
比としてフィードバック制御している状態か否かを示す
フラグＸ５ＴＩの状態を調べる。

なおこのフラグＸ５ＴＩは上述したように加速時や５Ｃ
Ｖ２１が開状態であって理論空燃比が目標空燃比として
設定されている場合はＸＳＴ　Ｉ　＝　１にセットされ
、第３図に示されるマツプに基づいて目標空燃比が設定
されている場合はＸ５ＴＩ＝０にセットされている。

そしてＸ５ＴＩ＝１であればステップ５０４において、
エンジン回転数Ｎｅ及び吸気管圧力Ｐｍをパラメータと
する、例えば第６図に示すように設定されたマツプより
補正電力１ｂを求め、Ｘ５ＴＩ＝０であればステップ５
０５において、補正電力量すを０にする。

ところで第６図のマツプにおいて補正電力量ｂ＝０と設
定されている領域があるが、補正電力量ｂ＝ｏとなるよ
うな領域の目標空燃比は第３図を見ればわかるよう理論
空燃比との差が小さく、従って排気温の変化もあまり大
きくならないからである。

次にステップ５０６においては、上記ステップ５０１に
て求められたエンジン回転数Ｎｅ及び吸気管圧力Ｐｍと
をパラメータとする、例えば第７図に示すマツプからヒ
ータ１５ｂの基本電力量Ｂを求め、続くステップ５０７
に移行する。ここでこの第７図のマツプの基本電力ＮＢ
Ｏ値は、吸気管圧力Ｐｍが大きい場合、あるいはエンジ
ン回転数Ｎｅが大きい場合には、当然エンジン１への燃
料噴射量が多くなり、排気温が上昇してしまうことと、
空燃比が理論空燃比から遠ざかるほど排気温が下がるこ
ととの双方を考慮して設定されている。

そしてステップ５０７においては、基本電力量Ｂと補正
電力量すとをパラメータとする次式〇＝Ｂ−ｂ を用いて、実際にヒータ１５ｂに供給する目標電力１ｃ
を算出する処理がなされる。

このようにして目標電力１ｃが求められると、続くステ
ップ５０８にてこの目標電力量Ｃと上記ステップ５０２
にて求められたデユーティ比１００％の電力ｉ１Ａとを
パラメータとする次式％式％ を用いてヒータ１５ｂに目標電力１ｃを供給するための
デユーティ比りが算出される。

そして続くステップ５０９にて、上記求められたデユー
ティ比りのパルス信号を通電制御回路３８に送出し、ヒ
ータ１５ｂへの供給電力を制御する処理が実行され本制
御処理を終える。

ここで例えばデユーティ比１００％の電力量Ａが５０〔
Ｗ−１００ｍｓｅｃ・〕、目標電力量が２５〔Ｗ・１０
０ｍ５ｅｃ・〕であるとすルト、デユーティ比りは５０
〔％〕となり、通電制御回路３８に送出されるパルス信
号は、第８図の実線で示す如きものとなる。

第９図に示すのは上述のような空燃比の変化に応シてヒ
ータ１５ｂへの供給電力を補正しない従来の構成におい
て、空燃比が変化した時のヒータ塩、素子温、排気温の
変化を示したタイムチャートである。同図によれば、空
燃比がその時の回転数Ｎｅと吸気管圧力Ｐｍで決まる値
（２０）から理論空燃比（１４，７）に変化したのに応
じて、排気温が上昇するために、ヒータ塩は最高許容温
度を上回るようになってしまう。

第１０図は上述の本実施例構成において、空燃比が変化
した時のヒータ塩、素子温、素子温、排気温、ヒータ電
力の変化を示したタイムチャートである。同図によれば
、空燃比がその時の回転数Ｎｅと吸気管圧力Ｐｍで決ま
る値（２０）から理論空燃比（１４，７）に変化した場
合、上述の処理によりヒータへの供給電力が減少補正さ
れるために、空燃比の変化に応じて排気温が上昇しても
ヒータ塩は最高許容温度を上回るようなことはない。

なお、ヒータ塩が供給電力の低下により低下するような
こととなっても、排気温の上昇により素子温は活性状態
から脱するような温度にまで下がるというようなことは
ない。

以上説明したように本実施例の酸素濃度センサに備えら
れたヒータの制御装置においては、エンジン回転数Ｎｅ
と吸気管圧力Ｐｍとに応じて求められる基本電力量Ｂと
、目標空燃比に応じて求められる補正電力量すとから目
標電力量Ｃを算出し、この求められた目標電力１ｃに応
じたデユーティ制御によってヒータ通電制御を実行する
よう構成されている、従って本制御装置によればヒータ
１５ｂによる検出素子１５ａの加熱はエンジン１の運転
状態に応じて緻密に制御され、検出素子温度を常時所定
温度範囲内に保持することができ、エンジンｌの運転中
には検出素子を常に活性化させることができるようにな
る。また目標空燃比がエンジン回転数Ｎｅと吸気管圧が
Ｐｍとで決まるリーンな空燃比から理論空燃比に変わっ
て、それに伴って排気が高温になったとしても、この空
燃比の変更に応じてヒータ１５ｂへ供給する目標電力量
Ｃが低下されることから、ヒニタ１５ｂが断線したり検
出素子１５ａが破壊するといったことが防止できる。更
に、ヒータ１５ｂに必要以上の電力を供給することがな
いので省エネルギーにもなる。

なお、上記実施例においては燃料噴射量制御において用
いられる目標空燃比が理論空燃比であるか否かによって
補正電力１ｂを設定するか否かを決めて、目標空燃比が
理論空燃比となっている場合にその時の運転状態に応じ
て定まる補正電力量すで基本電力ｉＢを減少補正して目
標電力１ｃを決定していたが、酸素濃度センサ１５の検
出素子１５ａからの出力信号により得られる実際の空燃
比が理論空燃比近傍であるかを判断し、実際の空燃比が
理論空燃比近傍である場合にその時の運転状態に応じて
定まる補正電力量で基本電力を減少補正して目標電力量
を決定するようにしてもかまわない。

また上記実施例においては基本電力量Ｂを求める際に、
エンジン回転数Ｎｊと吸気管圧力Ｐｍとを用いるものと
しているが、この他にも吸入空気量とかスロットルバル
ブ１１の開度等を用いてもよく、単にエンジン回転数Ｎ
ｅや吸気管圧力Ｐｍ等の一つを用いるだけでもよい。

更に上記実施例では基本電力量Ｂを補正電力量すを用い
て（Ｂ７ｂ）により補正しているが、例えば第１１図に
示す如き回転数Ｎｅと吸気管圧力Ｐｍとをパラメータと
したマツプを用いて補正係数Ｋを求め、基本電力ｆｉＢ
を（ＫＸＢ）により補正するようにしてもよい。

また上記実施例においてはヒータ１５ｂの通電制御を１
００（１００（・〕当りの通電時間によるデユーティ制
御によって実行するようにしているが、この他にも例え
ばヒータ１５ｂへの供給電力を求め、ヒータ１５ｂに印
加する電圧を制御するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明の酸素濃度センサ用ヒータの
制御装置においては、まず内燃機関の運転状態に応じて
基本電力を設定し、次いでこの基本電力を内燃機関に供
給する混合気の空燃比の状態に応じて補正することによ
って目標電力を決定し、この目標電力に応じてヒータに
供給する電力を制御するように構成されている。

従って、同じ運転状態であるにもかかわらす空燃比が変
更されて、これによる空燃比の変化に伴い排気温が変化
するようになったとしても、ヒータへの供給電力がその
変動に応じて補正されるので、ヒータ温度がヒータの劣
化を引き起こすような温度にまで上昇したり、検出素子
の活性状態が維持できない程度にまで低下したりするこ
とが防止し得るようになるという優れた効果がある。し
かるに検出素子からは常に安定した出力信号を得るよう
になるようになると共に、酸素濃度センサの信頼性を高
められるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の酸素濃度センサに備えられた
ヒータの制御装置が搭載されたエンジン及びその周辺装
置を表す概略系統図、第２図は制御回路２５の構成を示
すブロック図、第３図は目標空燃比を求めるためのマツ
プを示すグラフ、第４図は吸気管圧力に対するスワール
コントロールバルブ２Ｉの開閉状態及びこの開閉状態に
応じて設定される目標空燃比の状態を示す特性図、第５
図は制御回路２５にて実行される酸素濃度センサのヒー
タ制御処理を表すフローチャート、第６図は補正電力ｌ
ｂを求めるためのマツプを示すグラフ、第７図は基本電
力ＩＢを求めるためマツプＭ１を示すグラフ、第８図は
通電制御回路３８に出力される制御信号を示すタイムチ
ャート、第９図及び第１０図は従来構成、及び本発明の
実施例構成による空燃比の変化に対するヒータへの供給
電力、ヒータ塩、素子温、及び排気温の変化を示すタイ
ムチャート、第１１図は補正電力量すに代わる補正係数
Ｋを求めるためのマツプを示すグラフ、第１２図は空燃
比と排気温との関係を示す特性図、第１３図は本発明の
概略構成を示すブロック図である。 ｌ・・・エンジン、６・・・排気マニホールド、１０・
・・吸気圧センサ、１５・・・酸素濃度センサ、１５ａ
・・・検出素子、１５ｂ・・・ヒータ、２０・・・回転
数センサ。 ２１・・・スワールコントロールバルブ、２５・・・制
御回路、２６・・・燃料噴射弁、３７・・・マイクロコ
ンピュータ、３８・・・通電制御回路、４０・・・ヒー
タ電圧検出回路、４１・・・ヒータ電流検出回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内燃機関の排気中の酸素濃度を検出して機関に供給され
   た混合気の空燃比に応じた信号を出力する検出素子と、
   この検出素子を加熱するヒータとを備え、排気系に設置
   された酸素濃度センサと、内燃機関の運転状態を検出し
   、該運転状態に応じた信号を出力する運転状態検出手段
   と、 前記運転状態検出手段からの出力信号に基づいて目標空
   燃比を設定し、前記酸素濃度センサの前記検出素子から
   の出力信号により得られる実際の空燃比と前記目標空燃
   比を比較して実際の空燃比が目標空燃比に収束するよう
   機関に供給される燃料量を制御する燃料制御手段と、 前記運転状態検出手段からの出力信号に基づいて、前記
   酸素濃度センサの前記ヒータに供給する基本電力を設定
   する基本電力設定手段と、 前記基本電力設定手段にて設定された基本電力を、前記
   酸素濃度センサの前記検出素子からの出力信号により得
   られる実際の空燃比と前記燃料制御手段にて設定される
   目標空燃比とのいずれか一方に応じて補正し、前記ヒー
   タに供給する目標電力を決定する目標電力決定手段と、 前記目標電力決定手段にて決定された目標電力に応じて
   前記ヒータに供給する電力を制御する供給電力制御手段
   と を備えたことを特徴とする酸素濃度センサに備えられた
   ヒータの制御装置。