JPH0742124Y2

JPH0742124Y2 - 酸素センサ用ヒータの制御装置

Info

Publication number: JPH0742124Y2
Application number: JP3889189U
Authority: JP
Inventors: 明橋爪; 幸一星; 英巳大仲
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1995-09-27
Anticipated expiration: 2004-03-31
Also published as: JPH02129860U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は、酸素センサ用ヒータの制御装置に係り、特に
内燃機関の空燃比制御のために機関排気系に取り付けら
れた酸素センサ素子の温度制御を行う制御装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

内燃機関の出力向上、燃費低減、排気浄化のために種々
の制御装置が開発されているが、その制御に欠かせない
のが排気中の酸素濃度を検出する酸素センサである。酸
素センサは固体電解質または半導体等で構成されるが、
その出力は固体電解質等の温度に依存する。例えば、チ
タニア（TiO₂）を用いた酸素センサでは、その温度Ｔに
より作動空燃比（A/F比）が第７図に示す曲線のように
変化することが知られている。第７図の縦軸はA/F比で
あるが、理論空燃比の値を挟んで、A/F比がa1以下であ
る（燃料がリツチである）と排気中の炭化水素（HC）成
分が過多になり、逆にA/Fがa2以上である（燃料がリー
ンである）と窒素酸化物（NO_x）が増加する。三元触媒
でHC、CO、NO_xの３成分を効率よく浄化するためには、
空燃比を理論空燃比付近の狭い範囲に制御する必要があ
り、この酸素センサの作動空燃比を理論空燃比付近の狭
い範囲（a1〜a2）内に制御しておくためには、センサの
温度を狭い範囲T1〜T2内に保持するように制御する必要
がある。

このため、従来より、酸素センサにヒータを設け、その
ヒータに供給する電力を制御することによりセンサの温
度を制御する方法が知られている。そして、多くの場
合、センサの温度の検出はヒータの抵抗値を測定するこ
とにより行われ、供給電力の制御は、実際には、ヒータ
の抵抗値が目標抵抗値になるように行われる（例えば、
特開昭57-197459号、61-35347号、60-202348号、60-164
240号、63-302356号等）。

なお、酸素センサ自体は小さいものであり、その熱容量
は小さく、排気の温度、流量等により温度が変化しやす
いため、内燃機関の運転条件に応じて目標供給電力を変
化させるという方法も提案されている（例えば、特開昭
60-235050号）。

上記従来のセンサの温度制御は、ヒータの抵抗値がセン
サの温度により変化することを利用するものであるが、
ある１つのセンサについて言えば、第８図の１本の線で
示されるように、たしかにヒータの抵抗RHはセンサの温
度Ｔと一義的関係を有する。しかし、多数の製品がある
場合には、製品間の抵抗値のばらつきにより（点線は多
数の製品の上限、一点鎖線は下限を示す）、同一抵抗値
RH1に制御しても、その温度はT3〜T4にばらつき、正確
な温度制御が行えない、という問題がある。

しかしながら、第９図に示すように、アイドリング状態
あるいは定速走行状態等の所定の運転状態のときには、
個々のセンサの抵抗値RHの誤差に拘わらずセンサの温度
Ｔと供給電力PWとは比較的一義的な関係にある（第８図
と同様、点線は多数のセンサの上限、一点鎖線は下限を
示す）。

従って、この所定の運転状態のときに、実際に供給して
いる供給電力と目標温度に制御するための所定の電力と
の差を求め、この差によって目標抵抗値を補正すれば抵
抗値の誤差による温度変化を補正することができる。こ
のため本出願人はアイドリング状態または定速走行状態
等の所定の運転状態を定め、この運転状態のときにヒー
タに供給される電力値と所定の運転状態に対応する所定
の電力値との差を求め、この差に応じて目標抵抗値を補
正し、ヒータの抵抗値が補正された目標抵抗値になるよ
うに電力を制御する技術を既に提案している（実願平1-
88227号（実開平3-19957号））。

〔考案が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の所定の運転状態のときであっても
吸気の温度、湿度、密度等の変化に伴って排気温度が変
化することがあり、このように排気温度が変化すると所
定の運転状態におけるセンサの温度Ｔと供給電力PWとの
関係（第９図に示した関係）が変化し、目標抵抗値を誤
補正する場合がある、という問題がある。この結果、酸
素センサの素子温度が要求値からずれ、正しい空燃比制
御が行われず、エミツシヨンや燃費の悪化またはストー
ルやノツキング等が発生する。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本考案は、第１図にその構成
を例示するように、内燃機関EGの排気中の酸素濃度を検
出する酸素センサOSに設けられたヒータHTの抵抗値RHを
検出し、その抵抗値RHが目標抵抗値となるようにヒータ
HTへ供給する電力を制御する電力制御手段M4と、内燃機
関EGの運転状態が時間内に比較的安定した安定状態にあ
ることを検出する運転状態検出手段M1と、前記安定状態
のときにヒータHTへ供給される電力値PWを算出する電力
算出手段M2と、を備えるものであるが、次のような各手
段を備えることを特徴とする。

すなわち、酸素センサOSの温度変化に影響を与える環境
要因に関する物理量として吸気の温度、吸気の湿度、吸
気の密度、排気の温度のいずれかを検出する物理量検出
手段MOと、内燃機関EGが安定状態でかつ酸素センサOSの
温度変化に影響を与える環境要因に関する物理量が物理
量検出手段MOにより検出された値の場合に酸素センサOS
が最適な温度となるヒータHTへの供給電力である予め求
められた所定の電力値PRと、算出された電力値PWとを比
較し、算出された電力値PWが予め求められた所定の電力
値PRよりも大きい場合には目標抵抗値を小さくなるよう
に補正し、算出された電力値PWが予め求められた所定の
電力値PRよりも小さい場合には目標抵抗値を大きくなる
ように補正する抵抗値補正手段M3、である。

〔作用〕

物理量検出手段M0は、酸素センサOSの温度変化に影響を
与える環境要因に関する物理量を検出する。この物理量
としては、吸気の温度、吸気の湿度、吸気の密度等があ
り、これらが変化すると排気温が変化する。この排気温
自体を上記の物理量として検出してもよい。運転状態検
出手段M1により、内燃機関EGの運転状態が時間的に比較
的安定した安定状態になったことが検出されると、電力
算出手段M2はそのときヒータHTへ供給されている電力PW
を算出する。ここで、内燃機関EGの運転状態が時間的に
比較的安定した安定状態とは、例えば、アイドリング状
態や車両の定速走行状態等の状態をいう。このようにし
て算出された電力PWは、抵抗値補正手段M3により、所定
の電力値PRと比較される。

この所定の電力値PRは、内燃機関EGが安定状態でかつ酸
素センサOSの温度変化に影響を与える環境要因に関する
物理量が物理量検出手段M0により検出された値の場合に
酸素センサOSが最適な温度となるヒータHTへの供給電力
であり、これは、予め求められている。

そして、抵抗値補正手段M3では、算出された電力値PWが
予め求められた所定の電力値PRよりも大きい場合には目
標抵抗値を小さくなるように補正し、算出された電力値
PWが予め求められた所定の電力値PRよりも小さい場合に
は目標抵抗値を大きくなるように補正する。

このように、アイドリング状態あるいは定速走行状態等
の時間的に比較的安定した安定状態を定め、その状態の
ときに供給電力PWを所定の電力PRに一致させるように目
標抵抗値RTを補正することから、個々の製品のヒータ抵
抗値RHのばらつきを一律に補償することができると共
に、吸気条件等の変化による排気温の変化を加味した補
正をすることができる。

本考案に係るヒータの制御装置では、この補正された目
標抵抗値RTによりヒータHTへ供給する電力の制御を行
う。具体的には、ヒータHTに供給する電力を制御する部
分を仮に電力制御手段M4とすると、電力制御手段M4は、
ヒータHTの抵抗値RHが補正された目標抵抗値RTとなるよ
うに、供給電力を制御する。これにより、酸素センサOS
の温度は、ヒータ抵抗RH誤差のおよび環境要因の変化に
拘らず最適な値に制御され、酸素センサOSの安定した作
動が保証される。

〔考案の効果〕

以上説明したように本考案によれば、内燃機関の運転状
態が時間的に比較的安定した安定状態のときの実際の供
給電力値が、その状態及び酸素センサ温に影響を与える
要因、すなわち、吸気の温度、吸気の湿度、吸気の密度
及びその排気の温度に対応すると共に酸素センサが最適
な温度となるヒータへの供給電力に近づくように、ヒー
タの目標抵抗値の補正量を定め、ヒータ抵抗値がこの補
正された値となるようにヒータへの供給電力を制御する
ため、個々の酸素センサのヒータ抵抗値のばらつきおよ
び排気温の変化による温度のずれが補償され、酸素セン
サとして最適な作動温度に制御することができる、とい
う効果が得られる。

〔実施例〕

以下、本考案に係るヒータ制御装置の実施例を第２〜６
図により説明する。自動車用エンジンの排気管に取り付
けられた酸素センサのヒータ10には、自動車のメインバ
ツテリ12が接続されている。酸素センサのヒータ10に
は、更に直列に、スイツチングトランジスタ（Tr）14お
よび比較抵抗16が接続されている。スイツチングトラン
ジスタ14と比較抵抗16との間の（アース電位に対する）
電位VIはオペアンプ（IC）18および２つの抵抗20、22に
より増幅され（本実施例では10倍に増幅）、A/Dコンバ
ータ（ADC）24を介して電子制御装置（ECU）26に入力さ
れる。バツテリ電位VBも同様にADC24を介してECU26に入
力される。なお、酸素センサのヒータ10および比較抵抗
16の抵抗値を各々RH、RIとする。

ECU26は、第３図に示すように、周知のCPU30、ROM32、R
AM34、入力部36、出力部38等を備えたマイクロコンピユ
ータで構成されている。第２図に示さなかったが、エン
ジンのスロツトルバルブが閉じたときにON信号を出力す
るアイドルスイツチ（LL SW.）40、車速センサ（SPD）4
2、エンジンの冷却水の温度（THW）を検出する冷却水温
センサ44、吸気温（THA）を検出する吸気温センサ46か
らの信号も、入力部36を介してECU26に入力される。な
お、センサ44、46からの信号はデイジタル値に変換され
る。ECU26はこれらの入力信号に基づき、次のようなヒ
ータ制御処理を行う。なお、以下では本考案に支障のな
い数値を用いて説明するが本考案はこれらの数値に限定
されるものではない。

第４図はヒータ制御処理ルーチンのフローチヤートであ
るが、ECU26はこのルーチンを16msec毎に実行する。本
ルーチンがスタートすると、最初にステツプ100で、酸
素センサのヒータ10に電力が供給されているか否かを判
定する。後に詳しく述べるが、酸素センサのヒータ10の
電力制御は、所定周期毎にONとOFFのサイクルを繰り返
すデユーテイ制御により行われる。ステツプ100では、
このデユーテイ制御のONの時期に該当するか否かを、後
述のヒータON処理のときにセツトされるフラグにより判
定する。

酸素センサのヒータ10に電力が供給されているときは、
ステツプ110で、所定の運転状態が２秒間継続している
か否かを判定する。具体的には、アイドルスイツチ（LL
SW.）40がON（スロツトルバルブが閉じている）、車速
が5km/h以下、冷却水温が70℃以上という状態が２秒以
上（すなわち、アイドリング状態が所定時間以上）継続
しているか否かを判定する。この条件が満たされたとき
には、ステツプ120へ進んで、酸素センサのヒータ10に
供給されている電力PWを次の式により算出する。

PW＝｛VI・（VB−VI）/RI｝・（DUTY/256） …（１）ここで、DUTYは後述するデユーテイ比に対応するカウン
ト値である。ステツプ130では、ステツプ120における電
力PWの算出が256回、すなわち所定回行われたか否かを
判定し、この判定がYESの場合には、ステツプ140へ進
む。ステップ140では、この256回の電力算出値PWの平均
値av（PW）を求め、PNとする。そして、ステツプ150
で、吸気温THAを取込んで吸気温THAに対応する標準値と
この平均値PNとの差から目標抵抗値に対する補正値ΔRT
を求める。これは、例えば、第５図に示すようなマツプ
をROM32に格納しておき、これを参照することにより行
う。すなわち、ROM32には、第５図に示す吸気温THA、吸
気温THAに対応する標準値、及び標準値と平均値PNとの
差に応じた目標抵抗値を補正する補正値ΔRTの関係がマ
ップとなって記憶されている。なお、この標準値とは、
アイドリング状態が所定時間以上継続している場合の吸
気温THAに応じた酸素センサが最適な温度となるヒータ1
0への供給電力である。

例えば、第５図に示すように、吸気温THAが高い場合
（同図では「高」と示してある。）の標準値は標準値PN
Hであり、吸気温THAが低い場合（同図では「低」と示し
てある。）の標準値は標準値PNLであり、標準値PNHは標
準値PNLより小さくされている。すなわち、標準値を一
般的にPNOと表わすと、標準値PNOは吸気温THAが高くな
るに従って小さくなるように定められている（PNL→PN
H）。これは、吸気温THAが高いと排気温が高くなりヒー
タの発熱量は少なくてよく、吸気温THAが低いと排気温
が低くなりヒータの発熱量は多く必要となるからであ
る。

また、第５図に示すように、吸気温THAに対応する標準
値PNOと平均値PNとの差に応じた目標抵抗値を補正する
補正値ΔRTは、平均値PNが標準値PNOより大きい場合に
は該差が大きくなるに従って値が小さく、平均値PNが標
準値PNOより小さい場合には該差が大きくなるに従って
値が大きく、なっている。

以上より、例えば、吸気温THAが「高」と示した温度で
あり、平均値PNが標準値PNHより大きい場合（小さい場
合）には、平均値PNと標準値PNHとの差に応じて定まる
負の値（正の値）の補正量ΔRTが求められる。また、同
様に、吸気温THAが「低」と示した温度であり、平均値P
Nが標準値PNLより小さい場合（大きい場合）には、平均
値PNと標準値PNLとの差に応じて定まる正の値（負の
値）の補正量ΔRTが求められる。なお、平均値PNが標準
値PNOと等しければ補正値ΔRTは０である。また、補正
前の目標抵抗値RTは、アイドリング状態で排気温が標準
値のときセンサ温度が最適となるような値に定められて
いる。

もちろん、マツプではなくて、適当な関数ｆ（PN）＋ｇ
（THA）を用いて算出してもよい。次に、ステツプ160
で、酸素センサのヒータ10の目標抵抗値RTを、この補正
値ΔRTを加えることにより補正する。この補正前の目標
抵抗値RTは、アイドリング状態で排気温が標準値のとき
センサ温が最適となるような値に定められている。従っ
て、所定運転条件（本実施例では、アイドリング状態）
の下でかつ吸気温THAが所定温のときに、酸素センサの
ヒータ10に供給されている電力PNが標準値PNOよりも大
きいときは、目標抵抗値RTは小さい方に補正される。つ
まり、目標温度がより低い方に修正され、吸気温THAが
影響して酸素センサの最適な作動温度となるように補正
される。

ステツプ110で所定運転状態が満たされない場合および
ステツプ130で電力PWの算出が256回に満たない場合は、
この補正は行わない。

その後、ステツプ170では、酸素センサのヒータ10の抵
抗値RHが次の式によって算出される。

RH（VB/VI−１）・RI …（２）そして、ステツプ180〜200では、このヒータ抵抗RHが目
標抵抗値RTを越えているか以下かにより、酸素センサの
ヒータ10へ供給される電力のデユーテイ比対応カウント
値DUTYを１だけ増加または減少する。DUTYは、第６図
（Ｂ）に示すように、酸素センサのヒータ10のON・OFF
サイクル時間（ａ）に対するON時間（ｂ）の比、すなわ
ちデユーテイ比（b/a×100％）に対応する値であるが、
後述のフリーランニングカウンタでのカウント値CDUTY
と対応するように、０〜256の値をとる。ステツプ210で
は、デユーテイ比が3.125〜100％（DUTYでは８〜256）
の範囲を越えないように、ガード処理を行う。すなわ
ち、DUTYが８以下になるときは８で固定し、256以上に
なるときは、256で固定する。下限を０としなかったの
は、DUTY＝０とすると、電力PWの算出（ステツプ120）
が不可能になってしまうからである。同じ理由から、ス
テツプ100で判定結果がNOの場合も、これまでステツプ
は実行されない。

ステツプ220では、フリーランニングカウンタのカウン
ト値CDUTYを８だけ増加する。そして、ステツプ230で、
DUTYとCDUTYとを比較し、DUTY＞CDUTYのときにはステツ
プ240で酸素センサのヒータ10をONとし、そうでないと
きは、ステツプ250で酸素センサのヒータ10をOFFとす
る。具体的には、出力部38を介して、スイツチングトラ
ンジスタ14をONまたはOFFとすることにより、メインバ
ツテリ12の電力を酸素センサのヒータ10へ供給または遮
断する。CDUTYは、256に達した時点で０にリセツトされ
（ステツプ252、254）、再び８づつ増加される。

ステツプ220〜250の処理は、第６図（Ａ）に示すよう
に、所定の（本実施例では、16msec×（256/8）＝512ms
ec）サイクルで酸素センサのヒータ10をONおよびOFFさ
せ、そのデユーテイ比を定めるための処理である。

なお、ステツプ240および250で酸素センサのヒータ10が
ONまたはOFFされたときは、それに応じたフラグのセツ
ト・リセツトが行われ、ステツプ100の判定に用いられ
る。

なお、上記では吸気温THAに応じて供給電力の標準値PNO
を変化させる例について説明したが、排気温を検出して
上記と同様の傾向で変化させてもよく、吸気の湿度また
は密度を検出して変化させてもよい。吸気の湿度を検出
した場合、湿度が高くなると排気温が低下すると考えら
れるから湿度が高くなるに従って標準値を大きくする。
また、密度が小さいと排気温も低いと考えられるから、
密度が小さくなるに従って標準値を大きくする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の概念的構成図、第２図は本考案の実施
例のブロツク図、第３図は実施例の電子制御装置のブロ
ツク図、第４図はその電子制御装置で行われるヒータ制
御処理のフローチヤート、第５図は抵抗値補正量を定め
るためのマツプの一例を示すグラフ、第６図は実施例の
処理におけるデユーテイ比決定の機構を説明する説明
図、第７図は酸素センサの温度と作動空燃比との関係を
示すグラフ、第８図は多数の酸素センサの温度と抵抗の
変化を示すグラフ、第９図は同じく多数の酸素センサの
供給電力と温度との関係を示すグラフである。 OS……酸素センサ、HT……ヒータ、RT……目標抵抗値、
PR……所定電力値、10……酸素センサのヒータ、16……
比較抵抗。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気中の酸素濃度を検出する酸
素センサに設けられたヒータの抵抗値を検出し、その抵
抗値が目標抵抗値となるようにヒータへ供給する電力を
制御する電力制御手段と、内燃機関の運転状態が時間的に比較的安定した安定状態
にあることを検出する運転状態検出手段と、内燃機関が前記安定状態のときにヒータへ供給される電
力値を算出する電力算出手段と、を備えた酸素センサ用ヒータの制御装置であって、前記酸素センサの温度変化に影響を与える環境要因に関
する物理量として吸気の温度、吸気の湿度、吸気の密
度、排気の温度のいずれかを検出する物理量検出手段
と、内燃機関が前記安定状態でかつ前記物理量が前記検出さ
れた値の場合に前記酸素センサが最適な温度となる前記
ヒータへの供給電力である予め求められた所定の電力値
と、前記算出された電力値とを比較し、前記算出された電力値が前記予め求められた所定の電力
値よりも大きい場合には前記目標抵抗値を小さくなるよ
うに補正し、前記算出された電力値が前記予め求められた所定の電力
値よりも小さい場合には前記目標抵抗値を大きくなるよ
うに補正する抵抗値補正手段と、を設けたことを特徴とする酸素センサ用ヒータの制御装
置。