JPH0353151A - 酸素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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、臼動車等の車輌の内燃機関の空燃比制御のた
めに用いられる酸素センサのヒータ制御装置に係り、特
に電気ヒータの電気抵抗値に基いて電気ヒータの作動を
制御するヒータ制御装置に係る。

［従来の技術］ 酸素センサ、特にチタニアを用いた酸素センサは、温度
依存性が高く、このためこの種の酸素センナを用いて酸
素濃度を正確に検出するためには酸素センサの素子温度
を一定値に保つ必要がある。

このことに鑑みてセンサ素子温度，Ｂｐ用の電気ヒータ
を酸素センサに組込み、電気ヒータによってセンサ素子
を加熱することにより、その素子温度を一定値に保つこ
とが従来より種々捉案されている。

電気ヒータは自身の電気抵抗と温度とに所定の相関関係
を有していることから、発熱体である電気ヒータの電気
抵航値が一定になるよう、これに与える電力を制御し、
所謂定抵抗制御にょリセンサ素子温度を一定値に保つこ
とが既に考えられている。これは例えば特開昭５７−１
９７４５９号、実開昭６０−６１６５４号の各公報に示
されている。

［発明が解決しようとする課題〕 上述の如き定抵抗制御に於では、所定のセンサ索子温度
が得られる状態下に於ける電気ヒータの電気抵抗値を目
標抵抗値とし、電気ヒータの電気抵抗値がこの目標抵抗
値になるよう電気ヒータへ供給する電力を制御すること
が行われる。しかし、内燃機関の始動等に伴い酸素セン
サの電気ヒータに対し通電が開始される時も電気ヒータ
の電気抵抗値が前記目標抵抗値になるよう制御されると
、この時は、特に冷間始動時は、センサ素子温度が低く
、これに伴い電気ヒータの配設部分の温度も低く、この
配設部分は、その配設位置、熱容量等からしてセンサ索
子より温度上昇が遅いから、センサ素子温度と電気ヒー
タ配設部温度とに差がある間はヒータ電流とヒータ電圧
とから検出される電気ヒータの電気抵抗値が低目に検出
され、このためこの間は電気ヒータへの供給電力が適正
値を越えて増大し、センサ素子温度が設定値より高くな
るオーバシュート現象が生じるようになる。

本発明は、上述の如き不只合に鑑み、電気ヒータに対す
る通電開始後に於てセンサ素子温度がオーバシュートし
ないようにし、可及的に速くセンサ素子温度が所定温度
に保たれるようにする酸素センサのヒータ制御装置を提
供することを目的としている。

Ｃ３Ｍを解決するための手段コ 上述の如き目的は、本発明によれば、第１図に示されて
いる如く、センサ素子温度５！１整用の電気ヒータＡを
有し、前記電気ヒータＡの電気抵抗値を検出し、これが
所定の目標抵抗値になるよう供給電力制御手段Ｂにより
前記電気ヒータＡへ供給する電力を制御する酸素センサ
のヒータ制御装置に於て、前記電気ヒータＡに対する通
電開始後所定期間内は前記目標抵抗値を通常特より小さ
い初期目標抵抗値に設定する目標抵抗値設定手段Ｃと、
センサ素子温度或いはそれを代表する温度を検出する温
度検出手段Ｄと、前記温度検出手段Ｄにより検出される
温度に応じて前記初明目標抵抗値を決定する初期目標抵
抗値決定手段Ｅとを有している酸素センサのヒータ制御
装置によって達成される。

［作用］ 上述の如き構或によれば、電気ヒータに対し通電を開始
した１（：；にはその開始時に於けるセンサ温度或いは
それを代表する温度に応じて定められた比較的小さい初
期目標抵抗値が定抵抗制御の目標抵抗値とされるから、
電気ヒータの配設部分の温度が低いことによって、検出
される前：ｃ！電気ヒータの電気抵抗値が低いことが補
償されて前記電気ヒータへ電力が過剰に供給されること
が回避され、あらゆる温度での始動であってもセンサ索
子温度が確実にオーバシュートしなくなる。

［実施例コ 以下に添付の図を参照して本発明を実施例について詳細
に説明する。

第２図は本発明によるヒータ制御装置を備えた酸素セン
サが用いられる自動車の内燃機関の一つの実施例を示し
ている。

第２図に於て、１０は機関本体を示しており、機関本体
１０は、シリンダボア１２内にピストン１４を有し、ピ
ストン１４の図にて上方に燃焼室１６を構成している。

燃焼室１６には吸気弁１８により開閉される吸気ボート
２０より燃料と空気との混合気が供給されるようになっ
ている。燃焼室１６に供給された混合気は点火ブラグ２
２より点火されて燃焼し、これの既燃焼ガス、即ち排気
ガスは排気弁２４により開閉される排気ボート２６より
排気マニホールド２８へ向けて排出されるようになって
いる。

吸気ボート２０には吸気マニホールド３０、スロットル
弁３２を有するスロットルボディ３４、エアフローメー
タ３６が順に接続されている。吸気マニホールド３０に
は各吸気ボート２０に対しガソリンの如き燃料を噴射す
る燃料インジエクタ３８が取付ｒナられている。燃料イ
ンジエクタ３８による燃料噴射制御は電子制御装置４０
により行われるようになっている。

電子制御装置４０は、一般的なマイクロコンビュータを
含んでおり、エアフローメータ３６より吸入空気量に関
する情報を、スロットルボディ３４に取付けられたスロ
ットル開度センサ４２よりスロットル弁３２の開度に関
する情報を、機関点火系のディストリビュー夕等に設け
られた機関回転数センサ４４より機関回転数に関する情
報を、排気マニホールド２８に取付けられた酸素センサ
４６より排気ガス中に於ける酸素濃度に関する情報を各
々与えられ、これら情報に従って燃料インジェクタ３８
による燃料噴射量を制御するようになっている。

酸素センサ４６は、第３図に示されている如く、チタニ
ア等により構成されたＮ型酸化物半導体をなすセンサ索
子４８と、センサ素子４８に隣接して設けられてセンサ
索子４８の温度を調整する電気ヒータ５０とをＨしてい
る。

電気ヒータ５０に対する通電制御は電子制御装置４０に
より行われるようになっている。

電子制御装置４０は、電気ヒータ５０に対する通電制御
に関しては、電気ヒータ５０に供給する電流と電圧より
電気ヒータ５０の電気抵抗値を検出し、暖機後のアイド
ル運転時の如く内燃機関が所定の運転状態にある時に電
気ヒータ５０に供給している電力とこの所定の運転状態
に於ける設計上の電気ヒータ５０に対する供給電力との
差に応じて目標抵抗値を学習補正し、更に機関始動時、
即ち電気ヒータ５０に対する通電開始時には所定の期間
に亙って前記目標抵抗値をこの時のセンサ温度或いはそ
れを代表する温度、例えば水温センサ４３により検出さ
れる内燃機関１０の冷却水温度に応じて減少補正し、上
述の如く検出される電気ヒータ５０の電気抵抗値が前記
目標抵抗値になるよう、電気ヒータ５０へ供給する電力
を制御するようになっている。

次に第４図及び第５図を用いて本発明による酸素センサ
のヒータ制御装置の具体的制御要領について説明する。

第４図はメインルーチンを示しており、先ずステップ１
０に於では、機関始動時であるか否かの判別が行われる
。機関始動時である時はステップ１２へ進み、そうでな
い時はステップ１６へ進む。

ステップ１２に於では、水温センサ４３により検出され
る内燃機関１０の冷却水温度Ｔｗより始動時補正値Ｓｒ
ｔを求めることが行われる。始動時補正値Ｓｒｔは、第
６図に示されている如く、冷却水温度Ｔｖが低い時ほど
大きく、冷却水温度の上昇に応じて減少すべく定められ
る。ステップ１２の次はステップｌ４へ進む。

ステップ１４に於では、目標抵抗値Ｒｔより始動０与補
正値Ｓｒを差引いて実行目標抵抗値Ｒ　Ｌｒｕｎを求め
ることが行われる。電気ヒータ５０に対する通電制御は
、この実行目標抵抗値Ｒ　ｔｒｕｎに基いてデューティ
比制御式に行われる。

ステップ１６に於ては、第５図に示されている如き始動
時補正値低減時間割込ルーチンが実行される。ステップ
１６の次はステップ１４に戻る。

第５図に示されている始動時捕正値低減時間割込ルーチ
ンは所定時間毎の割込ルーチンとして実行され、先ず始
動時補正値Ｓｒｔを所定量ΔＳｒｔだけ小さくすること
が行われ、次に始動時捕正値ＳｒｅがＯより小さいか否
かの判別が行われる。Ｓｒｔ≦０でない時はこの時間割
込ルーチンが終了し、そうでない時は始動時補正値Ｓｒ
を０に維持することが行われる。これにより始動時補正
値Ｓｒｔは始動後の時間の経過と共に減少し、所定時間
が経過すれば、この始動時補正値Ｓ『はＯになり、始動
峙補正が終了することになる。

第４図に示されているメインルーチンに於て、ステップ
１４の次はステップ１８へ進み、ステップ１８に於では
、電気ヒータ５０に対し通電が行われているか否かの判
別が行われる。電気ヒータ５０に対する通電制御は第７
図に示されている如きパルス信号のデューティ比制御に
より行われることから、このステップ１−８に於で電気
ヒータに通電が行われている期間とはパルス信号のオン
期間であり、そうでない時はパルス信号のオフ期間であ
る。電気ヒータ５０に対し通電が行われている時はステ
ップ２０へ進み、そうでない時は電気ヒータ５０に対す
る供給電力及びその電気抵抗値を検出することができな
いのでそれを必要とする処理ステップを実行しないよう
ステップ４２へ進む。

ステップ２０に於では、所定の運転状態が所定期間、例
えば２秒間継続しているか否かの判別が行われる。この
所定の運転状態とは具体的には、スロットル弁３２がア
イドル開度位置にあり、車速が所定値以下で、車輌が実
質的に停止していて内燃機関ＩＯの冷却水温度が所定値
以上である暖機完了状態時であってよく、この所定の運
転状態が所定明間に互って継続した場合にはステップ２
２へ進み、そうでない時はステップ３２へ進む。

尚、車速は車速センサ４５（第２図参照）により検出さ
れればよい。

ステップ２２に於では、電気ヒータ５０に供給している
電力Ｐｖを検出することが行われる。ステップ２２の次
はステップ２４へ進む。

ステップ２４に於では、ステップ２２に於ける供給電力
Ｐｖの検出が所定回数、例えば２５６回に亘って行われ
たか否かの判別が行われる。供給電力Ｐｗの検出が所定
回数以上行われた時にはステップ２６へ進み、そうでな
い時はステップ３２へ進む。

ステップ２６に於では、所定同数以上検出された供給電
力Ｐｗの平均値Ｐ　ｖａｖを算出することが行われる。

ステップ２６の次はステップ２８へ進む。

ステップ２８に於では、供給電力Ｐｗの平均値Ｐ　ｖａ
ｖより学習補正値ΔＲｔを決定することが行われる。学
習補正値ΔＲＬは予め定められたデータマップよりの検
索或いは関数計算により決定されればよく、この学習袖
正値ΔＲｔは供給電力ＰＶの平均値Ｐ　ｖａｖが予め定
められた設計上の標準値と等しければ０であるが、それ
よりも大きければ負の値に設定され、それより小さけれ
ば正の値に設定される。ステップ２８の次はステップ３
０へ進む。

ステップ３０に於では、ステップ１４にて実行目標抵抗
値Ｒｔｒｕｎの算出に用いられる目標抵抗値ＲＬに学習
補正値ΔＲｔを加算してこの目標抵抗ｉ［Ｒｔを学習補
正することが行われる。これにより目標抵抗値Ｒｔは電
気ヒータ５０の製造上の或いは経時的変化による電気抵
抗値のばらつき、変動に拘らず適正値に補償されること
になる。

ステップ３０の次はステップ３２へ進み、ステップ３２
に於ては、電気ヒータ５０の電気抵抗値Ｒｈを検出する
ことが行われる。この電気抵抗値Ｒｈは電気ヒータ５０
に与えている電圧と電流とから検出される。ステップ３
２の次はステップ３４へ進む。

ステップ３４に於では、電気ヒータ５０の電気抵抗値Ｒ
ｈが実行目標抵抗値Ｒ　ｔｒｕｎより大きいか否かの判
別が行われる。Ｒｈ＞Ｒｔｒｕｎである時はステップ３
６へ進み、そうでない時はステップ３８へ進む。

ステップ３６に於では、フリーランニングカウンタのセ
ット値Ｃ　ｓｅＬを所定量ΔＣだけ小さくすることが行
われる。

ステップ３８に於では、フリーランニングカウンタのセ
ット値Ｃ　ｓｅＬを所定量ΔＣだけ大きくすることが行
われる。

ステップ３６及びステップ３６の次はいずれの場合もス
テップ４０へ進み、ステップ４０に於では、セット値Ｃ
　ｓｅｔが所定値、例えば８以下になることを防止する
と共にこれが所定値、例えば２５６以上になることを防
止するガード処理が行われる。尚、セット値Ｃ　ｓｅｔ
の下限値が０でないのは、このセット値Ｃ　ｓｅｔがＯ
であると、１パルスに於でオン期間がなくなり、電力及
び電気抵抗値の検出が行われなくなる不具合が生じるか
らである。

ステップ４０の次はステップ４２へ進み、ステップ４２
に於では、フリーランニングカウンタのカウント値Ｃを
所定量αだけ大きくすることが行われる。ステップ４２
の次はステップ４４へ進む。

ステップ４４に於では、フリーランニングカウンタのカ
ウント値Ｃがセット値Ｃ　ｓｅＬより小さいか否かの判
別が行われる。Ｃ　＜　Ｃ　ｓｅｔである時はステップ
４６へ進み、そうでない時はステップ４８へ進む。

ステップ４６に於では、電気ヒータ５０に対する通電が
行われる。

ステップ４８に於では、電気ヒータ５０に対する通電が
停止される。

ステップ４６及びステップ４８の次はいずれの場合もス
テップ５０へ進み、ステップ５０に於では、フリーラン
ニングカウンタのカウント値Ｃが最大値Ｃ　ｗａｘより
大きいか否かの判別が行われる．ｃ　＞　ｃ　ｗａｘで
ある時はステップ５２へ進ム。

ステ゛ツブ５２に於ては、フリーランニングカウンタの
カウント値ＣをＯに戻すことが行われる。

上述の如くフリーランニングカウンタのカウント値Ｃが
制御され、これとセット値Ｃ　ｓｅｔとの比較が行われ
ることにより、フリーランニングカウンタのカウント値
Ｃは、第７図に示されている如く変化し、これに応じて
電気ヒータ５０に対する通電がセット値Ｃ　ｓｅｔによ
り決まるデューティ比をもって制御されることになる。

第８図は始動時補正値Ｓｒｔの低減特性と、センサ素子
温度の変化とを示している。上述の如きフローチャート
に従って丈行目標抵抗値Ｒ　ｔｒｕｎが定められ、これ
に基いて電気ヒータ５０に対する通電が制御されること
により、センサ素子温度は、第８図にて実線で示されて
いる如く、オーバシュート現象を生じることなく速やか
に目標温度にまで上昇することになる。尚、第８図に於
て、破線は本発明によるヒータ制御装置によりヒータ制
御が行われない場合にはオーバシュート現象が生じるこ
とを示している。

尚、上述の実施例に於では、始動時補正値Ｓｒｔは内燃
機関の冷却水温度に応じて定められるようになっている
が、これは冷却水温度以外に、酸素センサ４６のセンサ
素子温度或いはそれを代表する温度に応じて定められれ
ばよく、この代表温度としてはフード内温度（エンジン
ルーム内温度）等がある。

また、本発明によるヒータ制御装置に於ける始動時の目
標抵抗値捕正、換言すれば初期目標抵抗値の設定は、必
ずしも機関始動直後、即ち電気ヒータに対する通電開始
直後から行われなくてもよく、第８図に示されている如
く、センサ素子温度がオーバシュートを生じる虞れがあ
る時点より所定時間前の時点Ｔｓにて開始されてもよい
。

［発明の効果］ 上述の説明より明らかなように、本発明によるヒータ制
御装置に於では、電気ヒータに対し通電を開始した時に
はその開始時或いはそれに相当する時点に於けるセンサ
温度或いはそれを代表する温度に応じて定められる比較
的小さい初期日標抵抗値が定抵抗制御の目標抵抗値とさ
れることから、電気ヒータの配設部分の温度が低いこと
によって、検出される電気ヒータの電気抵抗値が実際よ
り低いことが補償されて前記電気ヒータへ電力が過剰に
供給されることが回避される。これによりあらゆる温度
状態での始動であってもセンサ素子温度が確実にオーバ
シュートしなくなり、いち速く正常な酸素濃度検出が開
始されるようになると共に、熱的疲労による電気ヒータ
、センサ素子の耐久性の低下が回避されるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による酸素センサのヒータ制御装置の概
念的構成図、第２図は本発明によるヒータ制御装置を備
えた酸素センサが用いられる山燃機関の一つの実施例を
示す概略構成図、第３図は本発明によるヒータ制？１ａ
装置が用いられる酸素センサの一例を示す電気同路図、
第４図及び第５図は本発明によるヒータ制御装置の只体
的作動要領の一例を示すフローチャート、第６図は本発
明によるヒータ制８装置に於ける始動時制御特性を示す
グラフ、第７図はデューティ比制御の信号波形を示す信
号波形図、第８図は始動時補正値とセンサ素子温度の経
時的変化を示すグラフである。 １０・・・期間本体，１２・・・シリンダボア，１４・
・・ピストン，１６・・・燃焼室，１８・・・吸気弁，
２０・・・吸気ポート，２２・・・点火プラグ，２４・
・・排気弁，２６・・・排気ボート，２８・・・排気マ
ニホールド，３０・・・吸気マニホールド，３２・・・
スロットル弁，３４・・・スロットルボディ，３６・・
・エアフローメータ，３８・・・燃料インジェクタ，４
０・・・電子制御装置，４２・・・スロットル開度セン
サ，４３・・・水温センサ．４４・・・機関回転数セン
サ，４５・・・車速センサ，４６ ・・酸素センサ， ４８・・・センサ素子， ５ ０・・・７じ気 ヒータ 特 許 出 願 人 ト ヨタ自動車株式会社 日 本 電 装 株 式 八 礼 代 理 人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. センサ素子温度調整用の電気ヒータを有し、前記電気ヒ
   ータの電気抵抗値を検出し、これが所定の目標抵抗値に
   なるよう供給電力制御手段により前記電気ヒータへ供給
   する電力を制御する酸素センサのヒータ制御装置に於て
   、前記電気ヒータに対する通電開始後所定期間内は前記
   目標抵抗値を通常時より小さい初期目標抵抗値に設定す
   る目標抵抗値設定手段と、センサ温度或いはそれを代表
   する温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段
   により検出される温度に応じて前記初期目標抵抗値を決
   定する初期目標抵抗値決定手段とを有していることを特
   徴とする酸素センサのヒータ制御装置。