JPH08326587A

JPH08326587A - 空燃比センサの活性状態判定装置

Info

Publication number: JPH08326587A
Application number: JP7135084A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Aoki; 圭一郎青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-06-01
Filing date: 1995-06-01
Publication date: 1996-12-10
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: US5671721A; JP2812247B2

Abstract

(57)【要約】【目的】空燃比センサの活性状態を安価にかつ精度良
く判定することのできる装置を提供することを目的とす
る。【構成】始動後、当初一定値を示す空燃比センサ３の
素子３ａ内を流れる限界電流に基づく出力信号が予め定
めた敷居値を越えて変動を開始した時点から、空燃比セ
ンサ３のヒータ３ｂのヒータ抵抗値と基準温度における
ヒータ抵抗値の差を積算し、該積算値が予めもとめてお
いた判定値に達した時、空燃比センサ３が完全活性状態
に達したと判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空燃比センサ、特に固
体電解質に電圧を印加して固体電解質に流れる限界電流
を検出することにより排気ガスの空燃比を検出する空燃
比センサの活性状態判定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】排気ガス中の空燃比を検出する空燃比セ
ンサとして固体電界質に電圧を印加し固体電解質に流れ
る限界電流を検出し、それを電圧信号に変換して空燃比
を検出するタイプの空燃比センサが公知である（特開平
５−２４０８２９号公報参照）。ところで、上記のタイ
プの空燃比センサでは、上記固体電界質からなるセンサ
素子の温度変化に対して図３に示す様に限界電流の流れ
方が変化する。すなわち、ある温度まで全く限界電流が
流れない状態が続き、ある温度から、限界電流が流れる
ようになり、温度上昇にともなって、その値が大きくな
っていき、あるいは変化に対する感度が良くなり、さら
に、ある温度以上になって安定する。したがって、でき
るだけ早く活性化させるとともに、出力特性が安定する
完全活性状態に達した時点を正確にとらえることが、排
気ガスの改善、特に、昨今の排気ガス規制の強化に伴
い、その影響度が増加している始動時の排気ガスの改善
のために要求されている。そこで、空燃比センサの活性
化促進のためにセンサを加熱するヒータを設けたものが
公知であり（特開平１−１５８３３５号公報参照）、ま
た、空燃比センサの活性判定として、このヒータの消費
電力量の積算値により判定することが考えられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この判定の
方法では、センサ温度は実際にはヒータの発熱量と排気
ガスの影響を受けるにも係わらずヒータの消費電力量の
積算値のみで判定しているために排気ガスの影響が反映
されず精度が悪く、また、センサが劣化してセンサの内
部抵抗が大きくなる或いは電極の反応性が低下するとセ
ンサ活性温度が変化し判定精度が悪化するという問題が
ある。

【０００４】また、センサに電圧を印加してセンサの内
部抵抗を測定することにより活性状態を判定する装置
が、特開昭５７−１９２８５２号公報、および特開昭５
８−１７８２４８号公報に開示されているがこれらの装
置は、複雑な回路を必要としコストアップを招くという
問題、あるいは、限界電流の測定と抵抗の測定を交番的
に実施する場合に抵抗の測定をしている間は空燃比を検
出できないという問題がある。

【０００５】本発明は上記問題に鑑み、空燃比センサの
活性状態を安価にかつ精度良く判定することのできる装
置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、内燃機
関の排気系に配設され排気ガスの空燃比を検出する空燃
比センサの活性状態判定装置であって、前記空燃比セン
サを加熱するヒータと、前記ヒータの抵抗値を検出する
ヒータ抵抗検出手段と、機関始動後、前記空燃比センサ
の出力が変動を開始した時点を検出する出力変動開始検
出手段と、前記出力変動開始検出手段が検出した前記空
燃比センサの出力が変動を開始した時点から前記ヒータ
抵抗検出手段が検出したヒータ抵抗値と基準抵抗値との
差を積算する積算手段と、前記積算手段が積算した積算
値が所定値以上になった時に前記空燃比センサが活性状
態になったと判定する判定手段とを具備することを特徴
とする空燃比センサの活性状態判定装置が提供される。

【０００７】

【作用】機関始動後、出力変動開始検出手段により空燃
比センサの出力が変動を開始した時点が検出され、その
時点から、積算手段によりヒータ抵抗検出手段により検
出されたヒータ抵抗値と基準抵抗値との差が積算され
る。そして、判定手段により積算値が予め定めておいた
所定値以上になった時に空燃比センサが活性状態になっ
たと判定される。

【０００８】

【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例を説明
する。図１は本発明の実施例の構成を模式的に現した図
である。図１において、エンジン１の排気管２に空燃比
センサ３が配設されていて、空燃比センサ３は固体電界
質から成る検出素子３ａと、この素子３ａを加熱するヒ
ータ３ｂを備えている。

【０００９】１０はエンジンコントロールコンピュータ
（以下ＥＣＵという）であって、ＥＣＵ１０は、デジタ
ルコンピュータからなり、相互に接続されたＣＰＵ（マ
イクロプロセッサ）１１、ＲＡＭ（ランダムアクセスメ
モリ）１２、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）１３、ＡＤ
変換器１４、出力インターフェイス回路１５を具備して
いる。そして、本実施例では、さらに以下の様な回路を
備えている。

【００１０】まず、１６は駆動回路であって、印加電源
２１から印加される所定の電圧により検出素子３ａ内を
流れる電流を検出するための抵抗と、この抵抗における
降下電圧を所定倍に増幅するための増幅回路から成る。
駆動回路１６で変換された電圧はＡＤ変換器１４を介し
てＣＰＵに入力される。

【００１１】１７は空燃比センサ３のヒータ３ｂへの供
給電力を制御するためのヒータ通電制御回路であってＣ
ＰＵ１１からの制御信号に応じてヒータ用電源２２から
ヒータ３ｂへの通電を制御する。１８はヒータ３ｂに通
電された時にヒータ３ｂにかかる電圧を検出するヒータ
電圧検出回路であり、１９は同様にヒータ３ｂに通電さ
れた時にヒータ３ｂを流れる電流を検出するヒータ電流
検出回路であ。ＣＰＵ１１は上記の各種信号を基に後述
する演算をおこなって空燃比センサ３の活性状態を判定
する。なお、ＥＣＵ１０のＣＰＵ１１にはその他各種の
センサからの信号が入力インターフェイス回路を経て、
あるいはさらにＡＤ変換器１４を経て入力され、燃料噴
射量の制御、点火時期の制御等の基本制御をおこなうた
めの制御信号が出力インターフェイス１５を経て出力さ
れる。

【００１２】次に上記の様に構成された本実施例の作動
の説明に先行して、その原理について説明する。図２に
示すのはエンジン始動後の空燃比センサ３のヒータ抵抗
値とセンサ出力値の時間に対する変化である。エンジン
始動と共に、空燃比センサ３のヒータ３ｂは通電され、
このヒータ３ｂ自身の加熱と、排気ガスによる加熱によ
って、ヒータ３ｂは温度が上昇し、温度の上昇するに伴
いその抵抗値は増大していく。一方、始動後、しばらく
の間は、素子３ａの温度が低く限界電流が流れないため
に空燃比センサ３は、理論空燃比で燃焼した場合と同じ
電圧を出力するがこれは以下の理由による。

【００１３】本実施例で用いる空燃比センサ３および駆
動回路１６は特開平５−２４０８２９号公報に開示され
ているものと同様な構成を有し、素子３ａの排気ガス側
のポテンシャル電位が駆動回路１６のグランドレベルよ
り高く設定され、センサ出力電圧Ｅ₀は下式で示され
る。Ｅ₀＝Ｖ₀＋Ｖ_R＋ＩＲ…（１）ここで、Ｖ₀はポテンシャル電位、Ｖ_Rは印加電圧、Ｉ
は素子３ａ内を流れる限界電流であり、Ｒは限界電流を
電圧値に変換する抵抗である。したがって、素子３ａの
温度が低く限界電流が流れない場合にＩはゼロであるの
でセンサ出力電圧Ｅ₀＝Ｖ₀＋Ｖ_Rとなる。

【００１４】一方、（１）式は、以下の様に書き現す事
もできる。Ｅ₀＝Ｖ₀＋Ｖ_R＋Ｋ（λ−１）Ｒ…（２）ここで、Ｋは比例定数、λは空気過剰率である。したが
って、空気過剰率λ＝１、すなわち、理論空燃比で燃焼
した場合には、λ−１＝０となるのでセンサ出力電圧Ｅ
₀＝Ｖ₀＋Ｖ_Rとなる。したがって、素子３ａの温度が
低く限界電流が流れない場合に示される出力電圧は理論
空燃比で燃焼した場合の出力電圧に等しい。

【００１５】やがて、素子３ａが出力開始温度に達する
と空燃比センサ３の出力電圧が変動を開始し始める。こ
の変動には以下の様な特徴がある。一つは、変動開始前
の一定値を中央値として変動するのではなくて、細かく
変動しながらその中央値が変動開始前の一定値からずれ
ていくということである。これは、始動直後であるの
で、機関空燃比は理論空燃比よりもリッチ側とされてい
るためである。他の一つは、変動の幅が小さいことであ
る。これは、図３に示す様に、空燃比センサ３の素子３
ａが十分に暖まり、完全活性温度に達するまでは、空燃
比の変化に対する素子３ａ内を流れる限界電流の変化が
小さいためである。

【００１６】そして、空燃比センサ３の素子３ａがさら
に暖められ完全活性状態になると素子３ａ内を流れる限
界電流が、空燃比の変化に対して、図３において実線で
示される様に大きく異なる様になり、センサ出力電圧
は、大きく変動を始める。

【００１７】ここで、上記の様に空燃比センサ３の作動
が変化していく中で、空燃比センサ３の素子３ａの温度
が出力開始温度に達し、その出力が変動を開始する点を
第１判定点、素子３ａが完全活性状態になり空燃比セン
サ３の出力が排気ガスの空燃比に対応して大きく変動を
始める点を第２判定点とすると、空燃比センサ３の素子
３ａの温度が第１判定点に達した後、空燃比センサ３に
対しヒータ３ｂと排気ガスから与えられる熱量によって
素子３ａはさらに暖められ素子３ａの温度が上昇し第２
判定点に達することから、第１判定点からの素子３ａの
受熱量がある値に達した時点を第２判定点とすることが
できる。

【００１８】そこで、まず第１判定点を以下の様にして
もとめる。前述の様に、空燃比センサ３の素子３ａが出
力開始温度に達するまでは出力電圧は一定値であるが、
出力開始温度に達するとその出力電圧が細かく変動しな
がら変動開始前の一定値からずれるので、変動開始前の
一定値からある値以上ずれたところを第１判定点とす
る。例えば、変動開始前の一定値は、前述したように、
理論空燃比の値、例えば１４．５、に対応したものであ
るから、空燃比センサ３の出力が出力開始温度におけ
る、１４．２または、１４．８の範囲からずれた時点を
第１判定点とする。

【００１９】次に、第２判定点を以下の様にしてもとめ
る。すなわち、ヒータ３ｂは、ヒータ３ｂ自身の加熱作
用によるものだけでなく、排気ガスの熱によっても加熱
され、それによって温度が変わることによってヒータ抵
抗は変化することから、ヒータ抵抗の変化は受熱量を反
映していることになる。そこで、本発明においては、第
１判定点からのヒータ抵抗値と基準抵抗値との差の積算
値が、実験結果からもとめたある一定の値に達した時点
を第２判定点とする。そして、この原理にもとづいて空
燃比センサ３の活性判定をおこなえば、ヒータ抵抗値と
基準抵抗値との差の積算値は、素子３ａのヒータ自身の
加熱による温度上昇と、排気ガスによる温度上昇との両
方による温度上昇を忠実に反映しているため、空燃比セ
ンサ３が活性状態になる第２判定点を精度良く検出する
ことができ、また、空燃比センサ３が劣化して第１判定
点および第２判定点が図２に示す時間軸に対して図中右
側にシフトしたとしても、第１判定点の検出時点がシフ
トし、その結果、第２判定点の検出時点もシフトするこ
とから、空燃比センサ３の劣化による対温度特性が変化
したとしても、空燃比センサ３の活性状態の判定精度を
確保することができる。なお、本実施例では、ある基準
状態、ここでは常温、例えば、２０°Ｃにおけるヒータ
抵抗を基準抵抗値として、その差を積算している。

【００２０】以下、上記の原理にもとづいて、空燃比セ
ンサ３が完全活性状態になったことを検出するための作
動を図４および５に示すフローチャートを参照しながら
詳細に説明する。図４は前記第１の判定点をもとめるた
めの演算のフローチャートであって、空燃比センサ３内
部を流れる限界電流を駆動回路１６において電圧信号に
変換し、さらにＡＤ変換器１４においてデジタル化され
た信号に基づいておこなわれる。

【００２１】処理が開始されると、ステップ１において
ＲＡＭ１２に記憶されているエンジンの制御に必要な各
種パラメータの初期化とともに空燃比センサ３が変動出
力開始温度に達していることを示すフラグＸＡＦＳ１、
および空燃比センサ３が完全活性状態であることを示す
フラグＸＡＦＳ２を初期化する。次にステップ２におい
て空燃比センサ３の出力値ＶＡＦをなますが、本実施例
では図示されている様に、今回の読み込んだ値ＶＡＦ_i
と前回読み込んだ値ＶＡＦ_i-1の平均を求める方法でな
ましているが他の適切な方法でなましてもよい。

【００２２】次に、ステップ３においてはステップ２で
なまされた空燃比センサ３の出力が前記出力開始温度に
達しているかどうかを判定するが、これは、前述したよ
うに非活性状態の時の一定な出力値が理論空燃比におけ
る出力をしめしているので、出力開始温度において、理
論空燃比から少しずれた空燃比のときの値、例えば、理
論空燃比を１４．５として、リッチ側の１４．２と、リ
ーン側の１４．８の空燃比の時の出力値を、それぞれリ
ッチ側の敷居値ＶＡＦＲ、リーン側の敷居値ＶＡＦＬと
して予め設定しておき、センサ出力値がこの敷居値を越
えたかどうかによって判定する。

【００２３】その結果、出力開始温度に達していると判
定された場合にはステップ４に進み出力開始温度に達し
ていることを示すフラグＸＡＦＳ１を立ててから終了
し、出力開始温度に達していないと判定された場合には
そのまま終了する。本実施例では、上記の様にして、第
１の判定点が検出される。

【００２４】図５は第１の判定点からヒータ抵抗値と基
準抵抗値との差を積算して、空燃比センサ３が完全活性
状態となる第２の判定点をもとめるための演算のフロー
チャートである。まずステップ１１においては、必要な
パラメータが初期化され読み込まれ、続いてステップ１
２においてヒータ端子間電圧とヒータ電流とからヒータ
抵抗値ＲＨが計算される。ステップ１３においてはフラ
グＸＡＦＳ１が立っていて、かつ、空燃比センサ３が完
全活性状態であることをしめすフラグＸＡＦＳ２が立っ
ていないかどうかを判定することによってさらに完全活
性状態を判定するロジックを実行するかどうかを判定す
る。

【００２５】ステップ１３において完全活性状態を判定
するロジックを実行すると判定された場合には、ステッ
プ１４において現在のヒータ抵抗値ＲＨと常温時のヒー
タ抵抗値の設定値ＲＨＳとの抵抗値差ＤＲＨをもとめ、
さらにステップ１５において抵抗値差ＤＲＨの前回まで
の積算値ＤＲＨＳＵＭ_i-1に今回の積算値を加算して抵
抗値差ＤＲＨの積算値ＤＲＨＳＵＭを更新する。そし
て、ステップ１６においては、抵抗値差ＤＲＨの積算値
ＤＲＨＳＵＭが完全活性状態であることを示す予め設定
された値ＤＲＨ_min以上であるかどうかを判定し、その
結果がＹＥＳである場合には空燃比センサ３が完全活性
状態になったと判定し、ステップ１７に進んで、空燃比
センサ３が完全活性状態であることをしめすフラグＸＡ
ＦＳ２を立てて終了する。本実施例では上記のようにし
て第２の判定点、すなわち、空燃比センサ３が完全活性
状態になった時点が検出される。

【００２６】図６に示されるのは常温におけるヒータ抵
抗の設定値ＲＨＳを学習値として、ヒータ抵抗値の製造
バラツキによる影響を抑制し抵抗値差ＤＲＨの積算値Ｄ
ＲＨＳＵＭの精度を高めるようにした第２実施例のフロ
ーチャートである。ステップ２１、２２で前述のフロー
チャートのステップ１１、１２と同様に、必要なパラメ
ータの初期化、読み込みをおこない、ヒータ抵抗値ＲＨ
を計算する。そして、ステップ２３ではＲＡＭから読み
込んだＲＨＳの前回学習値が異常でないかどうかを判定
する。その結果、異常でない場合はそのままステップ２
５に進むが、異常である場合にはステップ２４でＲＨＳ
を所定値、例えば１Ωにしてからステップ２５に進む。

【００２７】ステップ２５においては、常温時のヒータ
抵抗値の設定値ＲＨＳを学習する条件が整っているかど
うかを判定する。ここで、学習する条件とは、イグニッ
ションスイッチＯＮからの経過時間が所定値以下である
こと、冷却水温が所定値以下であること、センサ出力が
０であること、吸気管圧力が所定値以下であること、回
転数が所定値以下であること、アイドル状態であること
等である。すなわち、エンジンおよび空燃比センサが完
全にコールド状態から始動されヒータ通電開始直後であ
る時が学習する条件を満たしている。ステップ２５にお
いて学習条件をみたしていると判定された場合には、ス
テップ２６に進み、ステップ２２で計算されたヒータ抵
抗値ＲＨから常温時のヒータ抵抗値をもとめ、その値を
ＲＨＳの新しい値として記憶させる。以下、図５のステ
ップ１３以降の作動を同様に実施する。

【００２８】上記の様に、この第２実施例では、空燃比
センサ３のヒータ３ｂの抵抗の製造バラツキが発生して
も、その影響をうけることを防止することができ精度が
向上する。

【００２９】図７に示されるのは、第１の判定点を処理
タイミング毎の空燃比センサ３の出力電圧と基準電圧
値、すなわち理論空燃比における電圧値との偏差の絶対
値の積算値が所定値以上になった時点で判定する第３実
施例のフローチャートである。ステップ３１は図４に示
したフローチャートのステップ１と同じであって、ＲＡ
Ｍ１２に記憶されている各種パラメータの初期化ととも
に、フラグＸＡＦＳ１、ＸＡＦＳ２を初期化し、ステッ
プ３２はステップ２と同じであって空燃比センサ３の出
力値ＶＡＦのなまし値をもとめる。ステップ３３ではス
テップ３２でなました空燃比センサ３の出力値ＶＡＦと
機関が理論空燃比で燃焼した時の空燃比センサ３の出力
値ＶＡＦ_STOの差の絶対値ＶＡＦＳＵＢをもとめ、ステ
ップ３４ではＶＡＦＳＵＢの積算値ＳＵＭ〔ＶＡＦＳＵ
Ｂ〕をもとめる。そして、ステップ３５でＳＵＭ〔ＶＡ
ＦＳＵＢ〕が予め定めておいた所定値Ｖｄに達したかど
うかを判定し、所定値Ｖｄに達していると判定された場
合にはステップ３６に進み、出力開始温度に達している
ことを示すフラグＸＡＦＳ１を立ててから終了し、所定
値Ｖｄに達していないと判定された場合にはそのまま終
了する。第３実施例では上記の様にして第１判定点が求
められるので、始動直後において機関が理論空燃比で燃
焼した場合でも、第１判定点をもとめることができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、空燃比センサの出力が
変動を開始する時点を検出し、その時点からヒータ抵抗
値とヒータ抵抗の基準値の差を積算しその積算値が所定
の値に達した時点で、空燃比センサが完全に活性状態に
なる時点をもとめている。したがって、センサに温度検
出手段を取り付けたり、あるいは、センサの内部抵抗を
計測したりするための複雑な回路を必要としないために
安価に実現できる。ヒータ抵抗値はヒータ自身の加熱に
よる温度上昇と、排気ガスによる温度上昇の両方を影響
されるので素子の温度上昇を忠実に反映している。した
がって、空燃比センサが完全に活性状態になる時点を精
度良く検出することができる。そして、空燃比センサが
劣化して温度に対する特性が変わっても、すなわち空燃
比センサの対温度特性が変わっても完全活性状態の判定
精度を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を模式的に示す図であ
る。

【図２】始動後のヒータ抵抗値とセンサ出力値の変化を
示す図である。

【図３】活性状態に対するセンサを流れる限界電流の変
化を示す図である。

【図４】本発明の実施例の作動を説明するフローチャー
トである。

【図５】本発明の実施例の作動を説明するフローチャー
トである。

【図６】本発明の第２実施例の作動を説明するフローチ
ャートである。

【図７】本発明の第３実施例の作動を説明するフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１…エンジン本体２…排気管３…空燃比センサ１０…エンジンコントロールコンピュータ（ＥＣＵ）１６…駆動回路１７…ヒータ通電制御回路１８…ヒータ電圧検出回路１９…ヒータ電流検出回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気系に配設され排気ガスの
空燃比を検出する空燃比センサの活性状態判定装置であ
って、前記空燃比センサを加熱するヒータと、前記ヒータの抵抗値を検出するヒータ抵抗検出手段と、機関始動後、前記空燃比センサの出力が変動を開始した
時点を検出する出力変動開始検出手段と、前記出力変動開始検出手段が検出した前記空燃比センサ
の出力が変動を開始した時点から前記ヒータ抵抗検出手
段が検出したヒータ抵抗値と基準抵抗値との差を積算す
る積算手段と、前記積算手段が積算した積算値が所定値以上になった時
に前記空燃比センサが活性状態になったと判定する判定
手段とを具備することを特徴とする空燃比センサの活性
状態判定装置。