JPH03223664A - 内燃機関用酸素濃度センサのヒータ制御装置 - 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〕 本発明は内燃機関用酸素濃度センサのヒータ制御装置に
関する。

〔従来の技術〕

排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度検出器
として例えばジルコニアからなり、検出素子を流れる電
流値が酸素濃度に応じて変化する、いわゆるリーンセン
サが公知である。ところがこのリーンセンサはリーンセ
ンサ素子温度を６５０℃から７５０℃程度に維持しない
と作動せず、従って通常リーンセンサはリーンセンサ素
子温度を６５０℃から７５０℃に維持するために例えば
白金からなるヒータを内蔵している。このようにヒータ
を具えたリーンセンサではヒータへの供給電力を増大す
ればリーンセンサ素子温度を高めることができ、斯＜シ
てヒータへの供給電力を制御することによってリーンセ
ンサ素子温度を制御することができる。

ところでリーンセンサは排気管内に設けられているので
リーンセンサはヒータから受ける熱に加えて排気ガスか
ら熱を受け、更に排気管を含む機開本体からの輻射熱を
受ける。従ってリーンセンサ素子の温度はヒータの温度
ばかりでなく、排気ガス温や機関本体の温度の影響を受
けることになる。即ち、機関低負荷運転時には排気ガス
温が低く、しかも機関本体の温度が低いためにリーンセ
ンサ素子温度を６５０℃から７５０℃に維持するために
はヒータへの供給電力を増大しなければならず、一方機
関高負荷運転時には排気ガス温が高く、しかも機関本体
の温度が高いためにリーンセンサ素子温度を６５０℃か
ら７５０℃に維持するためにはヒータへの供給電力を減
少させなければならない。

そこで通常リーンセンサ素子温度を６５０℃から７５０
℃に維持するのに必要なヒータへの供給電力を機関の運
転状態毎に実験より求めてこれを基本電力として記憶し
ておき、機関運転状態に応じて記憶された基本電力をヒ
ータに供給することによりリーンセンサ素子温度を６５
０℃から７５０℃に維持するようにしている。

一方、白金からなるヒータは長時間に亘って過度に高温
、例えば１１２０℃以上に維持されると熱劣化を生じ、
従ってヒータは最も温度が上昇したときでも１１００℃
程度となるように基本電力が定められている。ヒータの
温度を最も高くする必要があるのは機関低負荷運転時で
あり、従って機関低負荷運転時にはヒータの温度が１１
００℃程度となるように基本電力が定められている。ま
た、機関始動時にはリーンセンサ素子温度をできるだけ
早＜６５０℃から７５０℃に上昇させる必要があり、従
って機関始動時にもヒータの温度が１１００℃程度とな
るように制御される。

ところで上述したように機関高負荷運転時には基本電力
は小さく、機関低負荷運転時には基本電力が大きいので
機関高負荷運転から機関低負荷運転に移行すると基本電
力が急激に増大せしめられることになる。しかしながら
機関高負荷運転から機関低負荷運転に移行しても暫らく
の間は機関本体の温度が高いためにリーンセンサ素子は
機関本体から受ける輻射熱によって高温に維持されてい
る。従ってこのような状態で基本電力が急激に増大せし
められるとヒータの温度が長時間に亘つて１１２０℃以
上となり、斯くしてヒータが劣化するという問題を生ず
る。

ところでヒータの温度とヒータの抵抗値は比例し、従っ
てヒータの抵抗値からヒータの温度を知ることができる
。そこでヒータの抵抗値を検出し、機関高負荷運転から
機関低負荷運転に移行後所定期間にふいてヒータの抵抗
値がヒータ温度が例えば１１００℃を越える限界抵抗値
よりも大きくなったときには基本電力を小さくするよう
にしたヒータ制御装置が公知である（特開平１−１！ｌ
＋８３３５号公報参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところがこのヒータ制御装置では暖機完了前においても
機関高負荷運転から機関低負荷運転に移行後ヒータの抵
抗値が限界抵抗値よりも大きくなれば基本電力が減少せ
しめられる。しかしながら暖機完了前は機関本体の温度
が低く、従ってＩＪ　−ンセンサ素子が機関本体から受
ける輻射熱も少ないために基本電力が減少せしめられる
とリーンセンサ素子の温度がかなり低下してしまう。ま
た、ヒータの抵抗の検出値にはかなりばらつきがあり、
ヒータの抵抗値が実際には限界抵抗値を越えていないの
に限界抵抗値を越えていると判断された場合にも基本電
力が大巾に減少せしめられ、特にこの場合にはリーンセ
ンサ素子の温度がかなり低下してしまう。このようにリ
ーンセンサ素子の温度が一旦低下するとなかなか上昇せ
ず、斯くして機関始動後リーンセンサが作動するまでに
時間を要するという問題を生ずる。

〔課題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よれば第１図の発
明の構成図に示されるように通常は機関運転状態により
定まる基本電力を酸素濃度センサ素子１６加熱用ヒータ
１７に供給する電力供給手段Ａと、ヒータ１７の抵抗値
を検出する抵抗値検出手段Ｂと、機関高負荷運転から低
負荷運転に移行後所定期間において抵抗値検出手段已に
より検出された抵抗値がヒータの劣化を招く限界抵抗値
を越えたときにはヒータ１７に供給すべき電力を基本電
力よりも低下させる供給電力低下手段Ｃと、機関の暖機
状態を検出する暖機状態検出手段りと、暖機状態検出手
段りの検出結果に基いて所定期間を暖機完了前には暖機
完了後よりも短かくする所定期間制御手段Ｅとを具備し
ている。

〔作　用〕

所定期間が暖機完了前には暖機完了後よりも短かくされ
るので基本電力が低下せしめられる機会が少なくなる。

また、所定期間が暖機完了前には＠機完了後よりも短か
くされて所定期間が零になった場合には基本電力が全く
低下せしめられなくなる。

〔実施例〕

第２図を参照すると、１は機関本体、２はピストン、３
は燃焼室、４は点火栓、５は吸気弁、６は吸気ボート、
７は排気弁、８は排気ボートを夫々示す。吸気ボート６
は対応する枝管９を介してサージタンク１０に連結され
、枝管９には対応する吸気ボート６内に向けて燃料噴射
を行うための燃料噴射弁１１が取付けられる。点火栓４
による点火作用および燃料噴射弁１１からの燃料噴射作
用は電子制御ユニット２０の出力信号により制御される
。

サージタンク１０は吸気ダクト１２を介して図示しない
エアクリーナに連結され、吸気ダクト１２内にはスロッ
トル弁１３が配置される。一方、排気ボート８は排気マ
ニホルド１４に連結され、排気マニホルド１４内には酸
素濃度センサの一種であるリーンセンサ１５が配置され
る。第２図にはこのリーンセンサ１５の拡大図も同時に
示しである。この拡大図かられかるようにリーンセンサ
１５は例えばジルコニアからなるリーンセンサ素子１６
と、このリーンセンサ素子１６を加熱するためにリーン
センサ素子１６に隣接配置されたヒータ１７とを具備す
る。

電子制御ユニット２０はディジクルコンピュータからな
り、双方向性バス２１によって相互に接続されたＲＯＭ
　（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ランダムアク
セスメモリ）２３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２４
、人力ボート２５および出力ボート２６を具備する。Ｃ
ＰＩＩ　２４にはバックアップＲＡＭ　２７がバス２８
を介して接続される。サージタンク１０内にはサージタ
ンク１０内の絶対圧ＰＭに比例した出力電圧を発生する
圧力センサ１８が配置され、圧力センサ１８の出力電圧
はＡＤ変換器２９を介して入力ポート２５に入力される
。スロットル弁１３にはスロットル弁１３がアイドリン
グ開度にあることを示す出力信号を発生するスロットル
スイッチ１９が連結され、このスロットルスイッチ１９
の出力信号が人力ボート２５に人力される。リーンセン
サ１５のり−ンセンサ素子１６には排気ガス中の酸素濃
度に比例した、即ち混合気のリーンの程度に比例した電
流が流れ、この電流値に比例した電圧がＡＤ変換器３０
を介して人力ボート２５に入力される。従ってこのＡＤ
変換器３０の出力電圧から混合気の空燃比を知ることが
できる。更に人力ボート２５には機関回転数ＮＥを表わ
す出力信号を発生する回転数センサ３１、および車速Ｓ
を表わす出力信号を発生する車速センサ３２が接続され
る。一方、出力ボート２６はリーンセンサ１５のヒータ
１７への通電を制御する通電制御回路３３が接続される
。このヒータ１７への通電作用は出力ボート２６から出
力される制御信号に基いてデニーティー比制御される。

また、ヒータ１７と通電制御回路３３との間にはヒータ
電圧検出回路３４およびヒータ電流検出回路３５が設け
られる。

ヒータ電圧検出回路３４はヒータ１７の端子間電圧を表
わす出力電圧を発生し、この出力電圧が入力ポート２５
に人力される。一方、ヒータ電流検出回路３５はヒータ
１７に供給される電流値を表わす出力電圧を発生し、こ
の出力電圧が人力ボート２５に入力される。

次に第６図に示すタイムチャートを参照しつつ第３図か
ら第５図に示すフローチャートに基いて本発明によるヒ
ータ制御の一実施例について説明する。

第３図を参照するとまず初めにステップ４０においてヒ
ータ１７に供給すべき基本電力Ｐｏ　　（ｗ）が計算さ
れる。この基本電力Ｐ。　（Ｗ）は定常運転時において
リーンセンサ素子１６の温度を６５０℃から７５Ｏｒ程
度に維持するのに必要な電力であって予め実験により定
められており、この基本電力Ｐ。

（Ｗ）は第７図（Ａ＞に示されるように機関回転数ＮＥ
およびサージタンク１０内の絶対圧ＰＭの関数として予
めＲ［１Ｍ　２２内に記憶されている。第７図（Ａ）か
られかるようにこの基本電力Ｐ、（Ｗ）は機関回転数Ｎ
Ｅが高くなるほど小さくなり、絶対圧ＰＭが高くなるほ
ど、即ち機関負荷が高くなるほど小さくなる。

次いでステップ４１では基本電力Ｐ。が第７図（Ａ）に
おいて破線で示す２５　（Ｗ）よりも小さいか否か、即
ち機関低速低負荷運転時でないか否かが判別される。Ｐ
ｏ　＜２５　（Ｗ）のとき、即ち機関低速低負荷運転時
以外のときにはステップ４２に進んでフラグＸをセット
し、次いでステップ４３において電力減少値ＰＤＴＰが
零とされる。次いでステップ４４に進む。一方、Ｐａ　
２２５　（Ｗ＞のとき、即ち機関低速低負荷運転時には
ステップ４５に進んでフラグＸがリセットされる。

次にこのフラグＸに基いて制御されるカウンタ制御ルー
チンについて第５図を参照して先に説明する。このカウ
ンタ制御ルーチンは一定時間毎、例えば４　ｓｅｃ毎の
割込みによって実行される。

第５図を参照するとまず初めにステップ６０においてフ
ラグＸがセットされているか否かが判別される。フラグ
Ｘがセットされているとき、即ちＰ。

＜２５　（Ｗ）　：ｖときにはステップ６１に進んでカ
ウント値Ｃ，Ｑ（ｌだけインクリメントされる。次いで
ステップ６２ではカウント値Ｃが予め定められた一定値
Ｃ１１よ一つも大きいか否かが判別され、Ｃ２Ｃ。

になろとステップ６３に進んでカウント値ＣがＣ６とさ
れる１、一方、フラグＸがリセットされているとき、叩
ちＰ。≧２５（Ｗ）のときにはステップ６４に進んでカ
ウント値Ｃが１だけディクリメントされる。次いでステ
ップ６５ではＣく０になったか否かが判別される。ＣＳ
Ｏのときにはステップ６６に進んでカウント値Ｃが零と
される。

次に第６ｒｇＪを参照してカウント値Ｃの変化について
説明する。なお、第６図（Ａ）は暖機完了前を示してお
り、第６図（Ｂ）は暖機完了後を示している。第６図（
Ａ）および（Ｂ）かられかるように加速運転が行われて
車速Ｓが速くなり、その結果基本電力Ｐ。が２５　（Ｗ
）よりも低くなると基本電力Ｐ。が２５　（Ｗ）よりも
低くなっている間、フラグＸがセットされる。フラグＸ
がセットされるとカウント値Ｃが増大せしめられる。そ
の後減速運転が開始されてフラグＸがリセットされると
カウント値Ｃは零まで徐々に減少せしめられる。

このようにカウント値Ｃは機関高負荷運転又は機関高速
運転又はその双方が行われるとＣ８を上限値として増大
せしめられ、次いで機関低速低負荷運転に移行するとカ
ウント値Ｃは減少せしめられる。

再び第３図に戻るとステップ４５においてフラグＸがリ
セットされた後、ステップ４６に進んで機関の運転状態
が第７図（Ｂ）に示すＡ領域であるか否かが判別される
。第７図（Ｂ）の縦軸Ｓは車速（ｋｍ／　ｈ　）を表わ
しており、第７図（Ｂ）の横軸ｔは機関始動後からの経
過時間、例えば機関回転数ＮＥが４０Ｏｒ、　ｐ、　ｍ
を越えてからの経過時間を表わしている。第７図（Ｂ）
かられかるようにＡ領域の限界経過時間ｔは車速Ｓが速
いほど短かくなる。

概略的に云うと車速Ｓが極めて高速となる以外、経過時
間ｔが小さいとき、即ち暖機完了前には領域Ａとなり、
暖機完了後には領域Ｂとなる。なお、第７図（Ｂ）に示
す関係は予めＲＯＭ　２２内に記憶されている。

ステップ４６において領域へであると判別されるとステ
ップ４７に進んでカウント値Ｃに対するしきい値りが第
１の値、例えば１５とされ、次いでステップ４９に進む
。一方、ステップ４６にふいて領域Ｂであると判別され
るとステップ４８に進んでカウント値Ｃに対するしきい
値りが第２の値、例えば４とされ、次いでステップ４９
に進む。これらのしきい値りを第６図に示す。

ステップ４９ではカウント値Ｃがしきい値しよりも大き
いか否かが判別され、ＣくＬのときにはステップ５０に
進んでリーンセンサ１５が活性化されているか否か、即
ち作動状態にあるか否かが判別される。例えば車両減速
運転時において燃料の供給が停止されているときに、即
ち機関ンリンダから排気マニホルド１４内に空気のみが
排出されているときにリーンセンサ素子１６に酸素量に
応じた電流が流れているか否かによってリーンセンサ１
５が活性化されているか否かが判別される。リーンセン
サ１５が活性化されでいろ或きにはステップ５１に進ん
でヒータ１７の抵抗４．ＴＲＴ’Ｎが学習抵抗値Ｒ８と
さｔ’ｉる。即ち、ヒ・−り１７に電力が供給されてい
るときのし−タ１７の端子間電圧およびヒータ１７への
供給電流はヒータ電、［）検出回路３４Ｊ、ｉよびヒー
タ電流検出回路３５により夫々検出されており、これら
の端子間電圧および電流からヒータ１７の抵抗値ＲＨが
計算される。この抵抗値ＲＨを示す学習抵抗値ＲＱはバ
ックアップＲＡＭ　２７に記憶される。次いでステップ
５２では電力減少値ＰＯＴＰが零とされ、ステップ４４
に進む。

一方、ステップ４９においでＣ＞　１．、、と判別され
たときにはステップ５３に進んで第７図（Ｃ）に示す関
係から電力減少値ＰＯＴＰが計算される。第７図（Ｃ）
に示されるように電力減少値ＰＯＴＰは現在の抵抗値Ｒ
Ｈと学習抵抗値Ｒ６との抵抗値差（ＲＨＲ，）の関数で
あり、電力減少値ＰＯＴＰは抵抗値差（ＲＨＲｏ）が大
きくなるほど増大せしめられる。なお、第７図（Ｃ）に
示す関係は予めＲＵＭ２２内に記憶されている。ステッ
プ５３において電力減少値ＰＯＴＰが計算されるとステ
ップ４４に進む。

ステップ４４では基本電力Ｐａから電力減少値ＰＯＴＰ
を減算することによってヒータ１７に供給すべき基本電
力Ｐ。が計算される。次いでステップ５４では例えばヒ
ータ１７に電力が供給されているときのヒータ１７への
供給電流と電源３６の電圧、或いはヒータ１７に電力が
供給されているときのヒータ１７への供給電力とヒータ
１７の端子間電圧からヒータ１７に電力を供給し続けた
ときの最大電力ＰＡが計算される。次いでステップ５５
では基本電力Ｐ。を最大電力ＰＡで割算することによっ
てヒータ１７への電力供給作用のデユーティ−比ＤＴが
計算される。次いでステップ５６ではこのデユーティ比
ＤＴが出力ポート２６に出力され、このデコーティー比
ＤＴに基いてヒータ１７への電力の供給がデユーティ−
制御される。

機関高負荷運転が行われると排気ガス温が上昇して機関
本体１および排気マ；、ホルト１４の温度が上昇する。

また、機関高速運転が行われると排気ガス量が増大する
ために機関本体１および排気マニホルド１４の温度が上
昇する。ところが機関高負荷運転成いは高速運転から低
速低負荷運転に移行し、でも暫らくの間、機関本体１お
よび排気マニホルド１４の温度は高いまま維持されるの
でリーンセンサ素子１６の温度は機関本体１および排気
マニホルド１４からの輻射熱によって高温に保持される
。

しかしながら機関高負荷運転成いは高速運転から低速低
負荷運転に移行すると第７図（Ａ）に示されるように基
本電力Ｐｏが大きくなり、従ってこの基本電力Ｐ。をそ
のままヒータ１７に供給するとヒータ１７の温度がヒー
タ１７の熱劣化を促進する限界温度よりも高くなってし
まう。ところでヒータ１７の温度はヒータ１７の抵抗値
ＲＨに比例するのでヒータ１７の温度が限界温度よりも
高くなったか否かはヒータ１７の抵抗値ＲＨが限界温度
に対応する限界抵抗値よりも高くなったか否かによって
判断することができる。

そこで機関高負荷運転又は高速運転から低負荷運転に移
行してカウント値Ｃがしきい値りまで減少する間の所定
期間Δｔ　（第６図（Ｂ））において抵抗値ＲＨと限界
抵抗値を比較して基本電力Ｐａを制御するようにしてい
る。なお、本発明による一実施例ではこの限界抵抗値と
して学習抵抗値Ｒ８が使用されている。即ち、暖機完了
後には第６図（Ｂ）に示すように所定期間Δを内におい
て抵抗値ＲＨが学習抵抗値Ｒ８よりも大きくなったとき
には抵抗値差（ＲＨ−ＲＯ）にほぼ比例した電力減少値
ＰＯＴＰだけ基本電力Ｐ０を減少せしめるようにしてい
る。このように基本電力Ｐ。を減少させることによって
ヒータ１７の温度が限界温度を越えることなく、しかも
リーンセンサ素子１６の温度を６５０℃から７５０℃の
間に維持することができる。

しかしながら暖機完了前は若干事情が異なる。

即ち、暖機完了前には機関本体１および排気マニホルド
１４の温度はさほど高くなく、従ってリーンセンサ素子
１６が機関本体１および排気マニホルド１４から受ける
輻射熱もさほど多くない。従ってこの場合には機関高負
荷運転成いは高速運転が行われているときにもリーンセ
ンサ素子１６の温度はさほど高くなく、従ってこのとき
第７図（Ａ）に示す基本電力Ｐ。がヒータ１７に供給さ
れていてもヒータ１７の温度は暖機完了後に比べて低く
なっている。次いで機関高負荷運転又は高速運転から低
速低負荷運転に移行するとヒータ１７に供給されるべき
基本電力Ｐ。が増大せしめられる。このときリーンセン
サ素子１６の温度はさほど高くないためにヒータ１７の
温度は暖機完了後はど高くならないが第６図（Ａ）に示
されるようにヒータ１７の抵抗値ＲＨが学習抵抗値Ｒ８
を越えてしまう。このとき暖機完了後と同様に基本電力
Ｐ。が減少せしめられるとリーンセンサ素子１６の温度
が６００℃以下まで低下してしまう。また、ヒータ電圧
検出回路３４およびヒータ電流検出回路３５から計算さ
れる抵抗値ＲＨの精度はあまり高くなく、ヒータ１７の
温度が実際には限界温度を越えていないのにヒータ１７
の抵抗値ＲＨが学習抵抗値Ｒ６を越えていると判断され
る場合もある。このような場合には基本電力Ｐ。が低下
せしめられるとリーンセンサ素子１６の温度が極度に低
下してしまう。リーンセンサ素子１６の温度は一旦低下
するとなかなか上昇しない。

リーンセンサザ１５による空燃比のフィードバック制御
はリーンセンサ素子１６の温度が十分に高くなった後に
開始されるのでリーンセンサ素子１６の温度がなかなか
上昇［７、ないと空燃比のフィー・ドパツク制御をなか
なか開始できないという問題を生ずる。

そこで本発明による一実施例では暖機完了前には暖機完
了後に比べてし、きい値りを大きくするようにしている
。しきい値りを大きくするということは所定時間Δｔを
短かくすることを意味しており、第６図に示されるよう
に所定時間Δｔが零になることもある。所定時間△ｔが
短かくなると抵抗値ＲＨが学習抵抗値Ｒ８よりも大きく
なったと判断される頻度は少くなり、基本電力Ｐ。が減
少せしめられる頻度および時間が短かくなる。その結果
、第６図（Ａ）に示されるようにリーンセンサ素子１６
の温度を６５０℃以上に維持できることになる。なお、
この場合、たとえヒータ１７の抵抗値ＲＨが学習抵抗値
Ｒｏを越えたとしてもヒータ１７の温度が極度に高くな
ることもなく、また暖機完了前は暖機完了後に比べて機
関高負荷運転成いは高速運転から低速低負荷運転に移行
する頻度がかなり少ないのでヒータ１７の抵抗値ＲＨが
学習抵抗値Ｒ８を越えてもそれによってヒータ１７が熱
劣化を生ずることはない。なお、第７図（Ｂ）に示す実
施例では機関高速運転が行われれば機関本体１および排
気マニホルド１４の温度がかなり高くなるので所定期間
Δｔを暖機後の所定期間とするまでの経過時間ｔを短か
くするようにしている。しかしながら前述したように機
関高負荷運転成いは高速運転から低速低負荷運転に移行
する頻度が暖機完了後に比べて暖機完了前には少ないこ
とを考えると車速Ｓにかかわらず暖機完了前は所定時間
Δｔを常に短かくすることもできる。

〔発明の効果〕

機関暖機完了後におけるヒータの過熱を防止しつつ機関
暖機完了前には酸素濃度検出器をすみやかに作動可能な
温度まで上昇させて作動可能な温度に維持することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の構成図、第２図は内燃機関の全体図、第
３図および第４図はヒータを制御するた必のフローチャ
ート、第５図はカウンタを制御するためのフローチャー
ト、第６図はタイムチャート、第７図は基本電力等を示
す線図である。 １３・・・スロットル弁、１４・・・排気マニホルド、
１５・・・リーンセンサ、１６・・・リーンセンサ素子
、１７・・・ヒータ。 異１　図 １３・・・スローントル弁 １４・・・邦ｔう−？二−ボ・（、（ミ１５・・・酸素
製置センサ １６・・・酸素濃２セノ−′Ｔ素子 築 図 第 図 （Ａ） （８）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 通常は機関運転状態により定まる基本電力を酸素濃度セ
   ンサ素子加熱用ヒータに供給する電力供給手段と、ヒー
   タの抵抗値を検出する抵抗値検出手段と、機関高負荷運
   転から低負荷運転に移行後所定期間において抵抗値検出
   手段により検出された抵抗値がヒータの劣化を招く限界
   抵抗値を越えたときにはヒータに供給すべき電力を上記
   基本電力よりも低下させる供給電力低下手段と、機関の
   暖機状態を検出する暖機状態検出手段と、暖機状態検出
   手段の検出結果に基いて上記所定期間を暖機完了前には
   暖機完了後よりも短かくする所定期間制御手段とを具備
   した内燃機関用酸素濃度センサのヒータ制御装置。