JPH04158255A - 空燃比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〕 この発明は、機関の空燃比を検出する空燃比センサのヒ
ータ制御装置に関する。

〔従来の技術〕

今時、内燃機関の吸入混合気の空燃比を精度良く目標値
に制御するため、排気系に空燃比センサを設けて、空燃
比と相関する排気成分を検出して、燃料供給量をフィー
ドバック制御している。

このような空燃比センサでは、センサの特性劣化を防止
するとともに、その温度依存性を除去するため、センサ
素子部を加熱するヒータを設けて、センサ素子部を活性
化温度以上の一定温度に維持するヒータ制御が種々提寡
されている。

このようなものとしては、特開昭６１−３５３４７号公
報に記載されたごとく、ヒータを一片とするプリフジ回
路を設けて、このブリッジが平衡するようにヒータを通
電制御するように構成されたヒータ制御装置が知られて
いる。

次に、この従来例について図面に基づき説明する。第５
図は後述するこの発明の空燃比センサのヒータ制御装置
を含む空燃比制御系の全体構成図であり、従来例もその
構成は同じであり、また、第６図はこの発明および従来
の空燃比センサとヒ−タ制御装置を含む空燃比センサの
空燃比検出装置の構成図である。

したがって、従来例の説明に際し、第５図、第６図を援
用して説明する。まず、第５図において、１はエンジン
、２は排気管、３は排気管に取り付けられた空燃比セン
サ、４は吸気管、５はスロットル弁、６はスロットル弁
５のスロットル開度センサ、７は吸気温センサ、８はエ
ンジン回転センサ、９はバフテリ、１０は燃料噴射弁で
ある。

空燃比センサ３はセンサ側のハーネス２１（ＩＪ−ド２
１１．カプラ２１　ｃ）　、空燃比検出装置側のハーネ
ス２０　（リード２０１．カプラ２０Ｃ）を介して空燃
比検出装置４０に接続されている。

また、５０は空燃比制御装置であって、空燃比検出装置
４０とともに車室内に設置されている。

この第５図において、エンジン１の運転状態を示す状態
量である吸気量Ｑａ、スロットル開度θおよびエンジン
回転数Ｎｅが、各々吸気量センサ７、スロットル開度セ
ンサ６およびエンジン回転センサ８により検出され、空
燃比制御装置５０に送出される。

また、スロットル弁５を通して導入した吸気と吸気管４
において、燃料噴射弁１０から噴射された燃料との混合
気の空燃比は、排気管２に取り付けられた空燃比センサ
３で、空燃比検出装置４０を用いて検出され、空燃比検
出装置４０より空燃比出力が同様に空燃比制御装置５０
に送出される２空燃比センサ３は第６図に示すように、
センサ素子部３１とヒータ３２よりなり、センサ素子部
３１は酸素ポンプ素子３１ａ、酸素濃淡電池素子３１ｂ
、排気ガス拡散部３１Ｃ１基準酸素部３１ｄよりなる。

エンジン１の運転状態により排気ガス温度が変化しても
、センサ素子部３１が活性化温度以上の一定温度に維持
されるように、ヒータ３２のヒータ抵抗Ｒｈ　と空燃比
検出装置４０中の電流検出抵抗Ｒｓおよび抵抗Ｒ１，Ｒ
２でブリッジ回路が組まれ、これらによるプリフジ回路
を含むヒータ制御回路で、その平衡電圧が差動増幅器Ｏ
ＰＩで検出され、積分増幅器ＯＰ２で制御され、その制
御結果がバッファＯＰ３にフィードバック出力されて、
制御トランジスタＴｒが駆動され、駆動電流がカプラ２
０ｃ、リード２０１１カブラ２１ｃ、リード２１１、ヒ
ータ３２、リード２１２、カプラ２１ｃ、リード２０２
、カプラ２０ｃ１電流検出抵抗Ｒｓの経路で流れて、ヒ
ータ抵抗Ｒｈが所定の目標値、すなわち所定の一定温度
となるよう制御される。

エンジンｌが運転され、ヒータ３２が駆動されてプリフ
ジにより定まる一定温度となり、センサ素子部３１が活
性化すると、酸素濃淡電池素子３１ｂは、排気ガス拡散
部３１Ｃと基準酸素部３１ｄの酸素濃度差に相当する起
電力Ｖｓを発生する。

この起電力Ｖｓを空燃比検出装置４０中の差動積分増幅
器ＯＰ４を介して所定の一定電圧Ｖ　ｒｅｆとなるよう
、酸素ポンプ素子３１ａに制御電流ｔｐを流して制御す
ると、この制御電流Ｉｐは空燃比に比例する。そこで、
この制御電流Ｉｐを検出抵抗Ｒｏ　’７：検出し、差動
増幅器ＯＰ５で増幅し、空燃比出力Ｖｏｕｔを得る。

空燃比制御装置５０は予め記憶されたプログラムとデー
タに基づき、回転数Ｎｅ、吸気量Ｑ　ａ　ｓスロットル
開度θ、ハ、テリ電圧ＶＢ等の情報より、所定の空燃比
となるように、実際の吸気量に見合った噴射燃料量、具
体的には燃料噴射弁１ｏの開弁時間を計算し、燃料噴射
弁１ｏがら開弁時間に相当する燃料を噴射することによ
り、エンジンＩの空燃比を目標空燃比となるように、フ
ィードバック制御する。

このとき、空燃比センサ３の温度はヒータ抵抗がヒータ
制御装置により一定制御されているため、エンジン１の
運転状態が変化してもその変化範囲は小さく押えられる
。

〔発明が解決しようとするｔ１４Ｍ〕 従来の空燃比センサのヒータ制御装置は以上のように構
成されているので、ヒータ制御装置を含む空燃比検出装
置４０が通常車室内に配置されるため、空燃比センサ３
との間を長いハーネス２０を介して接続せざるを得す、
このハーネス２０のリード抵抗とカプラ接触抵抗のヒー
タの制御温度に与える影響が無視できないといった課題
があった。

すなわち、この従来の空燃比センサのヒータ制御装置に
おいては、ヒータ３２の駆動電流ラインとヒータの制御
信号ラインが分離されていないため、ブリフジの平衡条
件は、第６図より、（Ｒｈ＋　２　Ｒ１＋　４　Ｒｃ）
　／Ｒｓ＝Ｒ２／Ｒ１・・・（１） となる。

ただし、Ｒ１はカプラ２０Ｃと空燃比制御装置４０間の
り一ド２０１の抵抗、Ｒｃはカプラの接触抵抗であって
、通常リード２１１の抵抗はり一ド２０１に比ベリード
長が短いため無視できる。

ここで、一般にヒータ３２は白金抵抗体であり、その動
作温度における目標制御抵抗Ｒｈは、ブリッジの平衡条
件が、 Ｒｈ／　Ｒｓ＝　Ｒ２／　Ｒ１・・・（２）なるように
設定されているため、リード２０１とカプラ２０Ｃの抵
抗（２Ｒ１＋　４　Ｒｃ）により、ヒータの実際の目標
抵抗値は設定値より低くなり、空燃比センサ３の温度は
その背低下することとなる。

この抵抗（２Ｒ１＋　４　Ｒｃ）による温度低下偏移は
、リード２０１の抵抗がリード長さを通常約５ｍ程度に
せざるを得ないため、約１５０ｍΩであり、カプラの接
触抵抗が数十ｍΩ程度である。

一方、ヒータ３２の抵抗に対する温度勾配が約１５０℃
程度であることより、約７０℃程度にもなり、エンジン
１の排気温度が低いような領域では、空燃比センサ３の
温度が許容値より低下して、排気ガスやドライバビリテ
ィが悪化するといった課題があった。

また、エンジン室内の温度が上昇してリード抵抗Ｒ１が
上がると、この温度低下傾向がさらに顕著になり、セン
サの劣化をまねくおそれがあった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、空燃比センサとその空燃比検出装置との間のハ
ーネス長さが長く設定されても、センサ温度の低下を最
小限に抑えて、排気ガスやドライバビリティの悪化や、
センサの劣化を生じることのない、空燃比センサのヒー
タ制御装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る空燃比センサのヒータ制御装置は、空燃
比を検知するセンサ素子部とヒータとからなる空燃比セ
ンサと、ヒータ通電制御手段と、両端に各々カプラを備
え前記空燃比センサと前記ヒータ通電制御手段との間を
接続するハーネスと、前記ヒータと直列に接続されると
ともに前記空燃比センサ側のカプラ内部に内蔵されるか
、前記ハーネスの前記空燃比センサ側のカプラ近傍に設
けられた電流検出抵抗とを設けたものである。

〔作　用〕

この発明においては、ヒータと直列に接続した電流検出
抵抗を空燃比センサ側のカブラ内部に内蔵するか、ハー
ネスの空燃比センサ側のカプラ近傍に設けて、ヒータの
駆動電流ラインとヒータの制御信号ラインを分離し、長
いハーネスの抵抗によるヒータ通電制御時の制御誤差を
除去するようになる。

〔実施例〕

以下、この発明の空燃比センサのヒータ制御装置の実施
例を図について説明する。この発明の空燃比センサのヒ
ータ制御装置を含む空燃比制御系の全体構成図は、前述
の第５図と同一であり、また空燃比センサと、その空燃
比検出装置も、前述の第６図と同一であるが、第１図に
おけるヒータ制御装置の構成が従来と異なるものである
。

第１図はこの発明の一実施例の空燃比センサのヒータ制
御装置の構成を示す回路図である。この第１図において
、２０３は空燃比検出装置４０中の制御トランジスタＴ
ｒ　とヒータ３２を接続する駆動リード、２０４は駆動
リード２０３とカプラ２０Ｃの近傍で分離接続され空燃
比検出装置４０中のプリフジの対辺抵抗Ｒ２に接続され
る制御リード、２０５はヒータ３２と直列に接続されカ
プラ２０Ｃの近傍に配置された電流検出抵抗Ｒｓのヒー
タ３２との接続点と、空燃比検出装置４０中の差動増幅
器ＯＰＩの負端子を結ぶ制御リード、２０６は電流検出
抵抗ＲｓのＧＮＤ側と対辺抵抗Ｒ１を接続する制御リー
ド、２０７はｔ流検出抵抗ＲｓのＧＮＤ側とＧＮＤとを
接続する駆動リードである。

第２図はこの発明の一実施例のハーネス部の構成を示す
分解斜視図であり、駆動リード２０３と制御リード２０
４がカプラ２０ｃの近傍でカシメ接Ｖｔ端子２０８で接
続され、制御リード２０５には同様にカプラ２０ｃの近
傍でカシメ接続端子２０８で電流検出抵抗Ｒｓが接続さ
れ、電流検出抵抗Ｒｓの他端には同様に制御リード２０
６と駆動リード２０７が接続されており、さらにこれら
は熱収縮チューブ２０９により密着被覆されている。

制御リード２０４，２０５，２０６には電流が殆ど流れ
ないため、駆動リードに比べて細いｔ線を用いることが
できるため、ハーネス２０の線径はさほど大きくならな
い。その他の構成は従来例と同様であり、第５図、第６
図と同一部分には同一符号を付すのみにとどめる。

次に動作について説明する。第１図において、バッテリ
電圧ＶＢより制御トランジスタＴｒを介して駆動電流が
駆動リード２０３，２０７を介してブリッジに流れると
、ブリッジの対辺抵抗Ｒ２とＲ１の接続点電位が差動増
幅器ＯＰＩの正端子に、ヒータ抵抗Ｒｈと電流検出抵抗
Ｒｓの接続点電位が差動増幅器○Ｐｉの負端子に入力さ
れ、差動増幅器ＯＰＩで誤差電圧が増幅され、積分器Ｏ
ＰＩに出力される。

この積分増幅器ＯＰ２は誤差電圧が零となるよう、すな
わち、ブリッジが平衡するよう、バッファＯＰ３を介し
た制御トランジスタＴｒを駆動して駆動電流を制御する
。

このような構成において、ブリッジに流れる駆動電流は
リード２０３とリード２０４の接続点よりブリッジの各
対辺に分流するが、ヒータ３２の抵抗Ｒｈと電流検出抵
抗Ｒｓの直列抵抗（Ｒｈ＋Ｒｓ）に流れる電流に対し、
制御リード２０４，２０６を介してブリッジ対辺抵抗（
Ｒ２＋Ｒ１）に流れる電流は、（Ｒ２＋Ｒ１）　＞　（
Ｒｈ＋Ｒｓ）であるため無視できる。

また、リード２０５を介して差動増幅器ＯＰＩの負端子
に分流する電流も差動増幅器ＯＰＩの入力インピーダン
スが大きいため無視できる。

このように、駆動を流は駆動リード２０３゜２０７を介
してヒータ抵抗Ｒｈと電流検出抵抗Ｒｓの・みに流れ、
制御リード２０４．２０５，２０６には流れ込まず、か
つ制御リードの抵抗（Ｒ１＋Ｒｃ）＜Ｒ１≦Ｒ２であり
、また、平衡電位検出点が長いリード２０１の先端に位
置することより、ブリッジ平衡条件は、 （Ｒｈ＋２　Ｒｃ）　　／　Ｒｓ＝　Ｒ２／　Ｒ１＝１
３１となり、長いハーネス２０のリード２０１による影
響を除去できる。

ここに、カプラの接触抵抗Ｒｅは前述したように数十ｍ
Ωであり、これによる温度低下偏移は従来装置の約７０
℃に対し約１０℃以下となるため、この実施例において
は、ヒータ３２の温度をほぼ目標温度に制御でき、ハー
ネスの抵抗による空燃比センサ温度の低下を最小限に抑
えて、排気ガスやドライバビリティの悪化やセンサの劣
化を生じない空燃比センサのヒータ制御が可能となる。

なお、この実施例では、第２図のごとく電流検出抵抗Ｒ
ｓをハーネス２０のカプラ２０ｃの近傍に配置した場合
を示したが、カプラ２０ｃの内部に内蔵してリードと接
続しても良い。

第３図はこの発明の他の実施例の空燃比センサのヒータ
制御装置の構成図であり、リード２０３とリード２０４
の接続点をセンサ側のハーネス２１に設けるとともに、
電流検出抵抗Ｒｓをセンサ側のカプラ２１ｃに内蔵する
か、センサ側ハーネス２１のカプラ２１ｃの近傍に設置
した場合を示している。

この実施例においてのブリッジの平衡条件は、（２）式
と同一となり、上記実施例に比較して、センサ側でのカ
プラのピン数は増加するが、完全な４端子構成となるた
め、ハーネスの抵抗の影響を完全に除去できるという効
果がある。

第４図はこの発明のさらに異なる他の実施例の空燃比セ
ンサのヒータ制御装置の構成図であり、ブリ、ジを用い
ず、ヒータ電圧ｖｈ、ヒータ電流ｒｈを検出してヒータ
抵抗一定制御を行う場合を示しており、図では、その制
御に空燃比制御装置５０を用いた例を示している。

すなわち、リード２０４とリード２０５の差電圧Ｖ　２
　（＝（Ｒｈ＋　２　Ｒｅ）　Ｘ　Ｉｈｌが差動増幅器
ＯＰ７に人力されてヒータ３２にかかる電圧ｖｈが検出
され、リード２０５とリード２０６の差電圧Ｖ　１　　
（＝　ＲｓＸ　Ｉｈ）が差動増幅器ＯＰ６に入力されて
ヒータ３２に流れる電流［ｈが検出される。

両差動増幅器ＯＰ６．ＯＰ７の出力はアナログ／ディジ
タル（以下、Ａ／Ｄという）変換器５０ａでＡ／Ｄ変換
され、このＡ／Ｄ変換器５０ａの出力をマイクロプロセ
ッサ５０ｂで、（Ｒｈ＋２Ｒｃ）＝Ｖ２／ＶＩＸＲｓ算
出され、左辺の抵抗値が目標値となるよう、すなわち、
Ｖ２／Ｖｌが所定の一定値となるよう、出力インタフェ
ース（以下、ｒ／Ｆという）５０Ｃに駆動信号を出力し
、バッファＯＰ８を介して制御トランジスタＴｒを駆動
して、抵抗（Ｒｈ＋　２　Ｒｃ）が一定となるよう制御
する。

なお、５０ｄはマイクロプロセッサ５０ｂの演算結果等
を一時的に記憶および読み出すＲＡＭ、５０ｅはマイク
ロプロセ、す５０ｂの演算実行プログラムを格納したＲ
ＯＭである。

この第４図の実施例においても、前記第１の実施例と同
等の効果が得られるとともに、ブリッジの微小な不平衡
電圧を長いリード２０１で引き回す必要がないため、制
御のＳ／Ｎ比向上向上待できる。

なお、この第４図の実施例では、検出抵抗Ｒｓをハーネ
ス２０側に配した場合を示したが、ハーネス２１側に配
置すれば上記第２の実施例と同等の効果が得られる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、空燃比センサのヒータ
と直列に接続されるヒータ通電制御手段の電流検出抵抗
を、空燃比センサとヒータ通電制御手段との間を接続す
るハーネスの空燃比センサ側のカプラ内部に内蔵するか
、ハーネスの空燃比センサ側のカプラ近傍に設けるよう
に構成したので、空燃比センサとヒータ通電制御手段を
含む空燃比検出装置との間のハーネス長さが長く設定さ
れても、センサ温度の低下を最少比に抑えて、排気ガス
やドライバビリティの悪化やセンサの劣化を生じること
のない空燃比センサのヒータ制御装置を提供できるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による空燃比センサのヒー
タ制御装置の構成を示す回路図、第２図は同上実施例の
ハーネス部の構成を示す分解斜視図、第３図および第４
図はそれぞれこの発明の空燃比センサのヒータ制御装置
の異なる実施例の回路図、第５図は従来およびこの発明
の空燃比センサのヒータ制御装置が適用される空燃比制
御系の構成図、第６図は従来およびこの発明の空燃比セ
ンサのヒータ制御装置が適用される空燃比検出装置の構
成を示す回路図である。 ３・・・空燃比センサ、３１・・・センサ素子部、３２
・・・ヒータ、２０．２１・・・ハーネス、２０Ｃ２２
１Ｃ・・・カプラ、２０ｆ、２１１・・・リード、２０
３．２０７・・・駆動リード、２０４〜２０６・・・制
御リード、４０・・・空燃比検出装置、５０・・・空燃
圧制ｍ装置、Ｒｓ・・・電流検出抵抗。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機関の排気ガスの空燃比状態を検知するセンサ素子部と
   このセンサ素子部を加熱するヒータとからなる空燃比セ
   ンサと、前記ヒータの抵抗が目標抵抗値となるように制
   御するヒータ通電制御手段と、両端に各々カプラを備え
   前記空燃比センサと前記ヒータ通電制御手段との間を接
   続するハーネスと、前記空燃比センサ側のカプラ内部に
   内蔵するかあるいは前記ハーネスの前記空燃比センサ側
   のカプラ近傍に設けられるとともに前記ヒータと直列に
   接続されこのヒータの電流を検出する電流検出抵抗とを
   備えた空燃比センサのヒータ制御装置。