JPS60216254A - 酸素濃度センサ用ヒ−タの制御装置 - 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】 １　６　６　Ｌ　ＩＴＩ　＜＋ｌ　ｔｕ　ｌ−１！　１
本発明は内燃機関排気中の酸素！１１１を検出づ゛る酸
素濃度センサに備えられたヒータの制御装置に関し、特
に、内燃機関の燃料カット運転中のセンサ温度を補償す
る制御装置に関するものである。

［従来技術］ 従来より車両用内燃機関の空燃比制御装置として、三元
触媒コンバータを用いて排気中のＣ０１ＨＣ，ＮＯｘの
３成分を効率よく浄化するために、排気系に酸素濃度セ
ンサを備えて排気中の酸素濃度を検出し、当該内燃機関
の空燃比が理論空燃比となるよう制御する、いわゆるフ
ィードバック制御を実行するものが知られている。

そしてこの種の制御装置に使用される酸素ｍｌ！度セン
サの一つとして、近年、特開昭５７−４８６４８号公報
にて提案されているジルコニア系、あるいはチタニア系
の、検出素子加熱用のヒータを内蔵した限界電流式の酸
素濃度センサが開発され、酸素濃度に対応した検出電流
を得ることができるようになった。

ところで、この種の酸素濃度センサにおいては、酸素濃
度に対応した検出電流を得ることができることから、例
えばエンジンの低負荷運転時に空燃比をリーン側に制御
し、燃費を向上させるといった、いわゆるリーンバーン
制御等、空燃比制御をより緻密に実行することができる
ようになるのであるが、その反面こういった緻密な空燃
比制御を実行するためには、酸素濃度センサにより常時
良好な検出結果が得られるよう、ヒータを用いて検出素
子を加熱し活性化する必要がある。また、検出素子を活
性化するためには素子湿度を所定温度以上に加熱すれば
よいのであるが、余り加熱し過ぎるとヒータが断線した
り検出素子が破壊してしまうといった問題が生じること
から、素子温度を所定の温度範囲、例えば６５０℃〜７
５０℃の温度範囲に保持し得るよう、ヒータへの供給電
力を制御する必要がある。

そこで近年、実開昭５８−１１２９５８号公報に示す如
く、内燃機関の高出力時や排気高温時等にはヒータへの
通電を遮断することによって、ヒータや検出素子が高温
になり過ぎないよう制御するヒータの制御装置が提案さ
れ、排気の温度上昇に伴うヒータの断線や検出素子の破
壊等を防止することが考えられているが、内燃機関が燃
料カット運転に入った場合の排気温度低下に伴う素子温
度の低下に対しては何ら対策がなされておらず、良好な
検出結果を得ることができないといった問題がある。こ
れは、内燃機関の燃料カット運転時には、通常、フィー
ドバック制御は実行されず問題とならないのであるが、
内燃機関が燃料カット運転から復帰し、フィードバック
制御が再開された時点でも素子温度が低下していること
から、空燃比制御が良好に行なえないといった問題が生
ずるのである。

［発明の目的１ そこで本発明は内燃機関が燃料カット運転に入ったよう
な場合にでも、常時検出素子温度を所定温度範囲内に保
持することのできる酸素温度センサ用ヒータの制御装置
を掟供することによって、内燃機関の空燃比制御がより
緻密に実行できるようにすることを目的としている。

［発明の構成］ かかる目的を達するための本発明の構成は、第１図に示
す如く、 内燃機関■の排気系■に設置され排気中の酸素濃度を検
出する酸素１１１！１センサ■に備えられたヒータ■を
制御する制御Ｉ装置であって、該酸素濃度センサ■の出
力信号を検知する出力信号検知手段Ｖと、 当該内燃機関■の燃料カット運転を検知する運転状態検
知手段ｖ■と、 該運転状態検知手段Ｖｌにて当該内燃機関の燃料カット
運転が検知されている間、上記出力信号検知手段Ｖにて
検知された当該酸素濃度センサ■の出力信号に応じて上
記ヒータ■への供給電力を制御する制御手段Ｖｌと、 を備えたことを特徴とする酸素濃度センサ用ヒータの制
ｍ＋装置を要旨としている。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面と共に説明する。

まず第２図は本実施例の酸素濃度センサ用ヒータの制御
装置が搭載された車両用内燃機関（以下、エンジンと略
す。）及びその周辺装置を表わす概略系統図である。

図において１はエンジン、２はピストン、３はシリンダ
、４はシリンダヘッドであり、シリンダヘッド４の各気
筒の排気ボート５には排気マニホールド６が、シリンダ
ヘッド４の各気筒の吸気ボート７には吸気マニホールド
８が夫々連結されている。また吸気マニホールド８には
吸入空気の脈動を防止するためのサージタンク９が設け
られ、サージタンク９には吸気マニホールド８内の圧力
、即ち吸気管圧力ｐｍを検出する吸気圧センサ１０が備
えられている。

次に１１はサージタンク９を介して各気筒に送られる吸
入空気量を制御するスロットルバルブ、１２はスロット
ルバルブ１１を迂回する吸入空気のバイパス路、１３は
吸入空気温度を検出する吸気温センサであり、スロット
ルバルブ１１には、スロットルバルブ１１の開度に応じ
た信号を出力するスロットルバルブ開ｉｔンサとエンジ
ン１のアイドリング時にＯＮ状態とされるアイドルスイ
ッチとを備えたスロットルポジションセンサ１４が直結
されている。また１５は排気マニホールド６に取り付け
られ、排気中の酸素濃度を検出する検出素子と加熱用の
ヒータとを備えた酸素濃度センサ、１６はエンジン１の
冷却水温を検出する水温センサ、１７はエンジン１の点
火プラグ１８に所定タイミングでイグナイタ１９から出
力される高電圧を印加゛するディストリビュータ、２０
はディストリビュータ１７に取り付けられ、エンジン１
の回転数に対応したパルス信号を発生する回転数センサ
を夫々表わしている。

上記吸気圧センサ１０．吸気温センサ１３、スロットル
ポジションセンサ１４、Ｍ素濃度センサ１５、水濡セン
サ１６及び回転数センサ２０の各種検出信号は制御回路
２５に出力され、制御回路２５にて上記各検出信号に基
づき、燃料噴射弁２６の燃料噴射量制御、点火プラグ１
８の点火時期制御、あるいは酸素濃度センサ１５のヒー
タの制御等の種々の制御処理が実行される。

次に第３′図に上述の制御回路２５の構成を表わすブロ
ック図を示す。図において３１は酸素濃度センサ１５の
検出素子１５ａに所定の電圧を印加するための印加電源
、３２は検出素子１５ａに流れる電流を検出するための
抵抗、３３は抵抗３２における降下電圧を所定倍に増幅
するための増幅回路、３４は増幅回路３３がらの出力信
号、つまり排気中の酸素濃度に対応するアナログ信号や
、吸気圧センサ１０．吸気温センサ１３、スロットルポ
ジションセンサ１４、水温センサ１６等にて検出された
アナログ信号を受（プ、デジタル信号に変換するＡ／Ｄ
変換器である。また３５はマイクロコンピュータ３７に
て演算され、出力された制御信号によって制御される駆
動回路を表わし、燃料噴射弁２６によって駆動し、マイ
クロコンピュータ３７にて締出された所望量の燃料をエ
ンジン１に供給させるための駆動信号を出力する回路で
ある。イグナイタ１９もマイクロコンピュータ３７にて
、ディストリビュータ１７へ高電圧を所定タイミングで
出力するよう制御されている。

次に３８は酸素濃度センサ１５のヒータ１５ｂへの供給
電力を制御するための通電制御回路であって、マイクロ
コンピュータ３７の制御信号に応じてヒータ用電源３９
からの通電を制御するものである。また４０はヒータ１
５ｂ通電時にヒータ電圧を検出するヒータ電圧検出回路
、４１は同様にヒータ電流を検出するヒータ電流検出回
路である。

このように構成された本実施例の制御回路においては、
上述の如く、燃料噴射量制御、点火時期制御、酸素濃度
センサのヒータ制御等挿々の制御が実行されることとな
るのであるが、以下に本発明にかかわる主要な制御処理
である酸素濃度センサのヒータ制御について、第４図に
示す制御プログラムに従って詳しく説明する。

第４図に示す酸素濃度センサのヒータ制御は、所定時間
間隔例えば１−００　［ｍ５ｅｃ、］毎に実行され、ヒ
ータ用電源３９からヒータ１５ｂへの通電をエンジン１
の運転状態及び酸素濃度センサ１５の検出結果に応じた
と一外通電の′−デユーティ制御によって行なわれる。

処理が開始されると、まずステップ１０１にて上記各セ
ンサや検出回路からの信号に基づく、エンジン回転数Ｎ
ｅ１吸気管圧力Ｐｍ１酸素濃度センサ１５の検出電流（
Ｓ、エンジン１のアイドリンク状態を示すアイドルスイ
ッチ信号Ｔｄ１ヒータ電圧Ｖｈ１ヒータ電流Ｔｈ等の各
種パラメータを読み込み、続くステップ１０２に移行す
る。

ステップ１０２においては、上記ステップ１０１にて読
み込まれたヒータ電圧ｖｈ及びヒータ電流Ｉｈとから、
所定時間、例えば１００　［ｍ５ｅｃ、　］の間、ヒー
タ１５ｂを通電した場合の電力量、つまりデユーティ比
１００％の電力ＬｉＡを算出する処理が実行されステッ
プ１０３に移行する。以下、電力量の数値については全
て１００　［ｍ５ｅｃ、　］当たりの電力量で表わす。

ステップ１０３においては、現在エンジン１が燃料カッ
ト運転中であるか否かを判定する。そして燃料カット運
転中である場合にはステップ１０４に移行し、一方燃料
カット運転中ではない場合にはステップ１０５に移行す
る。ここでエンジン１１が燃料カット運転中であるか否
かの判定は、図示しない別ルーチンで処理される燃料噴
射量制御での燃料噴射量を見ることによって実行しても
よいが、本実施例では上記ステップ１０１にて読み込ま
れたアイドルスイッチ信号ｉｄとエンジン回転数Ｎｅと
を基に、アイドルスイッチ信号Ｉｄが「ＯＮ」で、かつ
エンジン回転数Ｎｅが所定回転数以上であるといった燃
料カット条件が成立した場合に、エンジン１が燃料カッ
ト運転中であると判定するものとする。

次にエンジン１が燃料カット運転中でない場合に実行さ
れるステップ１０５においては、燃料カット運転時のヒ
ータ１５ｂの目標電力１１Ｂを所定値、例えば３５　［
ｗ　・１００ｍ５ｅｃ、］に設定し、続くステップ１０
６に移行する。

ステップ１０６においては上記ステップ１０１にてめら
れたエンジン回転数ＮＯ及び吸気管圧力ｐｍとをパラメ
ータとする、例えば第５図に示す如きマツプＭあるいは
演鼻式からヒータ１５ｂの目標電力量Ｃをめ、続くステ
ップ１０７に移行する。ここでマツプＭにおいては、第
５図から明らかな如く、エンジン回転数Ｎｅと吸気管圧
力ＰＩｌｌとをパラメータとして予め目標電力量Ｃが設
定されているのであるが、これは吸気管圧力ｐｍが大き
い場合、あるいはエンジン回転数Ｎｅが大きい場合には
、当然エンジン１への燃料噴ｔＪＪｍが多くなり、排気
温度が上袢して排気によって検出索子１５ａが加熱され
ることから、ヒータ１５ｂへの供給電力を小さくシ、一
方エンジン回転数Ｎｅが小さい場合あるいは吸気管圧力
Ｐｍが小さい場合には排気温度が下がり検出素子を加熱
できなくなることから、ヒータ１５ｂへの供給電力を太
き（するように設定されている。

ステップ１０６にて目標電力量Ｃがめられると、次にス
テップ１０７において、この目標電力１１ｃと、上記ス
テップ１０２にてめられたデユーティ比１００％の電力
ＭＡとをパラメータとして、次式 ％式％ を用いてヒータ１５ｂに目標電力量Ｃを供給するための
デユーティ比りが算出される。

そしてステップ１０８にて、上記求められたデユーティ
比りのパルス信号を通電制御回路３８に送出し、ヒータ
１５ｂへの供給電力を制御する処理が実行される。

ここで例えばデユーティ比１００％の電力量Ａが５０　
［Ｗ　・１００ｍ５ｅｃ、　］　、エンジン回転数Ｎｅ
と吸気管圧ノＪＰｍとからマツプＭによりめられた目標
電力量が２５　［ｗ　・１００ｍ５ｅｃ、　］であると
すると、デコーテイ比りは５０［％］となり、通電制御
回路３８に送出されるパルス信号は、第６図の実線で示
づ如きものとなる。

次に上記ステップ１０３にてエンジン１が燃料カット運
転中であると判断された場合に実行されるステップ１０
４においては、上記ステップ１０１にて読み込まれた酸
素濃度センサ１５の検出電流ｉｓが２５［１１１Ａ］以
上であるか否かの判定が実行される。そしてＩｓ≧２５
［ｍＡ］の場合には続くステップ１０９に移行して、燃
料カット運転中の目標電力量Ｂが１　［Ｗ　・１００ｍ
５ｅｃ、　］下げられ、Ｉｓ　＜２５　［ｎＨＡ］の場
合には続（ステップ１１０にて目標電力ＩＢが１　［ｗ
　・１００ｍ５ｅｃ、　］上げられる。

ステップ１０９にて目標電力量Ｂが１　［ｗ・１００　
ｍ５ｅｃ、　］下げられると、続くステップ１１１にて
目標電力ＩＢが２５　［Ｗ　・１００ｍ５ｅｃ、　］以
、Ｆであるか否かを判定し、Ｂ≧２５［Ｗ・１００ｍ５
ｅｃ、　］の場合にはそのままステップ１１２に移行し
、一方Ｂ＜２５　［ｗ　・１００ｍ５ｅｃ、　］の場合
にはステップ１１３にて目標電力ｆｆ１Ｂを２５［Ｗ・
１００　ｍ５ｅｃ、　］に設定しステップ１１２に移行
する。

またステップ１１０にて目標電力ｆｆ１Ｂが１．［Ｗ−
１３Ｑｍｓｅｃ、　］上げられるとステップ１１４が実
行され、目標電力ｆｆ１Ｂが４５［Ｗ・１００ＩＩＩＳ
ｅＣ２］より大きいか否かの判定が実行される。そして
Ｂ＞４５　［ｗ　・１００ｍ５ｅｃ、　］の場合にハス
テップ１１５に移行して目標電力量Ｂが４５［Ｗ・１０
０ｍ５ｅｃ、　］に設定してステップ１１２に移行し、
一方Ｂ≦４５　［Ｗ　−１００ｍ５ｅｃ、　］の場合に
はそのままステップ１１２に移行する。

そしてステップ１１２においては前記ステップ１０７と
同様に、上記ステップ１０９、ステップ１１１、ステッ
プ１０３の一連の処理、あるいはステップ１１０１ステ
ツプ１１４、ステップ１１５の一連の処理にて設定され
た目標電力量Ｂと、上記ステップ１０２にてめられたデ
ユーティ比１００％の電力量Ａとをパラメータとする次
式０式％ よりヒータ１５ｂに目標電力量Ｂを供給するためのデユ
ーティ比りが算出され、ステップ１０８に移行する。

ここで上記ステップ１０４の処理は、エンジン１の燃料
カット運転中に酸素濃度センサ１５の検出電流が設定値
（この場合２５［ｍＡ］）以下になったか否かを判定す
ることによって、燃料カット運転中の排気温度低下に伴
う酸素濃度センサ１５の検出素子１５ａの素子温度の低
下、つまり検出能力０−低下を検出しているのである。

またこの判定に用いられる設定値としては、燃料カット
運転中には吸入空気がそのまま排出されることから、酸
素濃度センサ１５が空気中の酸素濃度２０％を検出した
場合に流れる電流値を用いればよい。更に酸素Ｉｌ！度
センサにおいては、同じ種類の酸素濃度センサであって
も検出素子のばらつきによって、検出電流が例えば第７
図に示す如く、３０　［ｍ　Ａ］ないし３５［＋１１Ａ
］の範囲でばらつくといったことも考えられるが、この
場合にはその最小の検出電流値、あるいはそれよりも小
さい値に設定しておけば、例えば酸素濃度２０％で検出
電流が３０〔ＩＩＩＡ］のセンサに３５［１１１Ａ］の
検出電流が流れるようにヒータを加熱するといった無理
な制御を実行することな（、検出素子をある程麿まで活
性化しておくことができる。

また検出電流が設定値以上の場合にはステップ１０９、
ステップ１１１、ステップ１１３の処理が実行されるが
、この一連の処理は、ヒータ１５ｂへの供給電力が少な
く、かつ検出電流が設定値以上となるように制御してい
るのであって、消費電力の抑制及び異常加熱によるヒー
タの断線や検出素子の破壊を防止しているのである。

更に検出電流が設定値以下の場合に実行されるステップ
１１０１ステツプ１１４、ステップ１１５の一連の処理
け、ヒータへの供給電力を増加して検出電流を設定値以
上となるよう制御すると共に、目標電力量Ｂが４５　［
ｗ　・１００ｍ５ｅｃ、　コ以上トナルヨウな場合ｋｌ
ｔ４５　［ｗ　・１００ｍ５ｅｃ、］に押え、消費電力
の抑制及び異常加熱によるヒータの断線や検出素子の破
壊を防止しているのである。

以上詳述したように本実施例の酸素濃度センサ用ヒータ
の制御装置によれば、エンジン１が燃料カット運転中で
ない場合にはエンジン回転数Ｎｅと吸気管圧力ｐｎ＋と
に基づきヒータ１５ｂに供給する電力量をめ、ヒータ１
５ｂの通電制御を実行することから、検出素子１５ａの
温度を一定に保つことができる。またエンジン１が燃料
カット運転に入った場合であっても、酸素濃度センサ１
５の検出電流ＩＳに応じて消費電力の少ない範囲内で良
好な検出電流１ｓが得られるよう制御することから、検
出素子を常時活性化しておくことができる。従ってエン
ジン１が燃料カット運転から復帰してフィードバック制
御に入る時点でも酸素濃度センサ１５の検出結果は信頼
性の高い値となり、フィードバック制御が良好に実行で
るようになる。

尚、本実施例において、前）ボの運転状態検知手段■に
相当するものとしては、上記ステップ１０３にて燃料カ
ット運転を判断する際に用いられるエンジン回転数Ｎｅ
及びアイドルスイッチ信号■ｄを夫々検出する回転数セ
ンサ２０及びスロットルポジションセンサ１５が挙げら
れ、出方信号検知手段Ｖに相当するものとしては制御回
路２５における抵抗３２及び増幅回路３３が挙げられる
。

また制御手段Ｖ１に相当するものとしては、上記第４図
に示した制御プログラムのうち、燃料カット運転中に処
理されるステップ１０４及びステップ１０９ないしステ
ップ１１５の処理及び通電制御回路３８が挙げられる。

ここで上記実施例においては、上記制御ブＯグラム実行
の際に用いる目標電力量Ｂや検出電流■Ｓ等の電流を数
値で表わしているが、本発明はこれらの数値に何ら限定
されることはない。

また上記実施例においては、ヒータ１５ｂの通電制御と
してデユーティ比による電力制御を行なっているが、こ
れ以外にも例えばヒータ用電源の印加電圧を制御するよ
うにしてもよい。

更に上記実施例においては、エンジン１が燃料カット運
転中でない場合に、ステップ１０６にてエンジン回転数
Ｎｅと吸気管圧力ｐｍとをパラメータとするマツプより
ヒータ１５ｂの目標電力量Ｃをめるようにしているが、
これらエンジン回転数Ｎｅや吸気管圧力ｐｍの他にも吸
入空気温度、吸入空気量等をパラメータとしてめるよう
にしてもよい。

［発明の効果〕 以上詳述したように、本発明の酸素濃度センサ用ヒータ
の制御装置においては、内燃機関の燃料カット運転中に
酸素濃度センサの出力信号に応じてヒータへの供給電力
を制御するよう構成されている。従って内燃機関が燃料
カット運転に入り燃料の燃焼がなく、酸素１１痕センサ
が冷却されるような場合であっても、酸素濃度センサの
検出結果が低下しないように素子温度を保つことができ
、燃料カット運転復帰時のフィードバック制御が良好に
実行できるようになる。また燃料カット運転中のヒータ
への供給電力は単に増加するのではなく、酸素ｍ度セン
サの出力信号に応じて制御されることから、無駄な電力
消費を抑えることができ、ヒータの異常加熱によるヒー
タのｌｌｉ線や検出素子の破壊も生じることはない。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明の実施例の酸素濃度センサ用ヒータの制御装置が搭載
されたエンジン及びその周辺装置を表わす概略系統図、
第３図は制御回路２５の構成を示すブロック図、第４図
は制御回路２５にて実行されるＭ素濃度トンサのヒータ
制御処理を表わすフローチャート、第５図はマツプＭを
示すグラフ、第６図は通電制御回路３８に出力される制
御信号を表わすタイムチャート、第７図は酸素濃度セン
サのばらつきによる検出電流のばらつきを説明するグラ
フである。 １・・・エンジン ６・・・排気マニホールド １４・・・スロットルポジションセンサ１５・・・酸素
濃度センサ ２０・・・回転数センサ ２５・・・制御回路 ３７・・・マイクロコンビコータ ３８・・・通電制御回路 代理人　弁理士　定立　勉 ばか１名 第１図 第５図 第６図 第７図 →　Ｖψ）りＲ１月芝ｒう６ノ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内燃機関の排気系に設置され排気中の酸素濃度を検出す
   る酸素濃度センサに備えられたヒータを制御する制御装
   置であって、 該酸素濃度センサの出力信号を検知する出力信号検知手
   段と、 当該内燃機関の燃料カット運転を検知する運転状態検知
   手段と、 該運転状態検知手段にて当該内燃機関の燃料カット運転
   が検知されている間、上記出力信号検知手段にて検知さ
   れた当該酸素濃度センサの出力信号に応じて上記ヒータ
   への供給電力を制御する制御手段と、 を備えたことを特徴とする酸素濃度センサ用ヒータの制
   御装置。