JPS61116652A - 酸素センサのヒ−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】 （技術分野） 本発明は自動車用エンジンやその他の燃焼装置の空燃比
制御に用いられる酸素センサを加熱するためのヒータの
制御装置に関する。

（従来技術） 近時、エンジンの燃費、排気対策等の要求を満たすため
、希薄領域においても空燃比゛がフィードバック制御さ
れる傾向にあり、このような空燃比は、通常、排気中の
酸素濃度をパラメータとして酸素センサにより検出され
る。

このような酸素センサでは、その特性が温度に依存する
ので作動を安定化させるために加熱用、ヒータを設けて
一定温度に保持させてお（必要があり、かかる要求はリ
ッチからリーンまで空燃比を広範囲に検出可能な酸素セ
ンサ（例えば、特開昭５９−６７４５５号公報、特開昭
５９−４６３５０号公報参照）にあっては特に重要視さ
れる。

ところで、このような酸素センサにあっては、ヒータが
酸素センサ本体内に一体に組み込まれているため、酸素
濃度検出用素子部（以下、素子部という）の温度により
ヒータへの通電電力が大きく変化する。その顕著な例と
して始動時がある。

すなわち、クランキング開始と同時にヒータに通電する
（一般には始動操作と同時に通電が開始される）と、始
動時は素子部温度が低く　（当然にヒータ温度も低い）
ヒータ抵抗が小さいので、急激に大きな電流が流れる。

このため、ヒータ温度が急激に上昇することとなり、ヒ
ータの折れやはがれが発生してヒータの耐久性が低下す
る。このような不具合は、冬季等の極低温時からエンジ
ンを始動させるような場合特に著しい。これを放置する
と、酸素センサの機能低下につながる。

（発明の目的） そこで本発明は、始動時には酸素センサが所定温度に移
行した後にヒータへの通電を開始させることにより、ヒ
ータ単独の急激な温度上昇を避けてヒータの耐久性を向
上させ、酸素センサの機能低下を防止することを目的と
している。

（発明の構成） 本発明による酸素センサのヒータ制御装置はその全体構
成図を第１図に示すように、排気中の酸素濃度を検出す
る酸素濃度検出用素子部と、該素子部を加熱するヒータ
と、を有する酸素センサａと、エンジンが始動状態にあ
ることを検出する始動状態検出手段すと、通電開始信号
が入力されると前記ヒータへの通電制御を開始する通電
制御手段Ｃと、エンジンが始動すると酸素センサａが所
定温度まで加熱されたとき前記通電開始信号を手段する
判別手段ｄと、を備えており、始動時にヒータ単独の急
激な温度上昇を避けるものである。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜８図は本発明の一実施例を示す図である。

まず、構成を説明すると、第２図において、１はエンジ
ンであり、吸入空気はエアクリーナ２より吸気管３を通
して各気筒に供給され燃料は噴射信号Ｓｉに基づいてイ
ンジェクタ４により噴射される。そして、気筒内で燃焼
した排気は排気管５を通して触媒コンバータ６に導入さ
れ、触媒コンバータ６内で排気中の有害成分（Ｃｏ、Ｈ
ＣｌＮ０ｘ）を三元触媒により清浄化して排出される。

吸入空気の流量Ｑａはエアフローメータ７により検出さ
れ、吸気管３内の絞り弁８によって制御される。ウォー
タジャケットを流れる冷却水の温度Ｔｗは水温センサ９
により検出され、排気中の酸゛素濃度は酸素センサ１０
により検出される。また、エンジン１の回転数Ｎはクラ
ンク角センサ１１により検出され、スタータモータの作
動はスタータスイッチ１２により検出される。これらの
クランク角センサ１１およびスタータスイッチ１２は始
動状態検出手段１３を構成しており、始動状態検出手段
１３および前記各センサ７．９．１０からの信号はコン
トロールユニット１４に入力される。コントロールユニ
ソＨ４はセンサ群７．９．１Ｏ１１３からの信号に基ツ
いて空燃比制御及び酸素センサ１０のヒータへの通電制
御を行うもので、詳細な構成は後述する。

第３．４図は酸素センサ１０の分解斜視図およびその断
面図である。これらの図において、基板２１は絶縁性を
有する基板であり、基板２１上にはヒータ２２を介して
チャンネル状の大気導入部２３を形成した大気導入Ｆｊ
、２４が積層される。その上に、酸素イオン伝導性の板
状固体電解質部が積層され、固体電解質５の下面には基
準電極２６が、それに対応する上面にはポンプ電極２７
とセンサ電極２８がそれぞれ印刷により設けられる。さ
らに、この固体電解質部の上に排気を導入するガス導入
部２９を窓状に形成した板状体３０が積層され、その上
にガスの拡散を規制する（例えば、リーン時には矢印方
向への拡散を規制する）手段としての小孔３１を設けた
板状体３２が積層される。なお、３３．３４はヒータ２
２のリード線、３５〜３７はそれぞれ基準電極２６、ポ
ンプ電極２７、センサ電極２８のリード線である。

ポンプ電極２７と基準電極２６は固体電解質２５に酸素
イオンの移動を生じさせて上下両面間の酸素分圧比を一
定に保つポンプ電流ｉｐを流すための電極を構成し、セ
ンサ電極間と基準電極２６は固体電解質２５の両面間の
酸素分圧比によって発生する電圧を検出するための電極
を構成する。そして、上記大気導入板２４、固体電解質
２５、基準電極２６、ポンプ電極２７、センサ電極２８
、板状体３０および板状体３２は排気中の酸素濃度を検
出する素子部３８を構成する。

第５図は、コントロールユニット１４の構成を示すブロ
ック図である。この図において、コントロールユニット
１４は空燃比検出回路４１、スイッチ回路４２、Ａ／Ｄ
変換器４３〜４６、ドライバ回路４７およびマイクロコ
ンピュータ４８により構成される。

空燃比検出回路４１は、目標電圧−Ｖａを発生する電圧
源４９、差動アンプ５０、抵抗Ｒ１、電流供給回路５１
および電流検出回路５２により構成される。差動アンプ
５０は酸素センサ１０の素子部３８における基準電極２
６に対するセンサ電極間の電位（以下、センサ電圧とい
う）Ｖｓを目標電圧（−Ｖａ）と比較してその差値（Δ
Ｖ）（ΔＶ＝Ｖｓ−（−Ｖａ））を算出する。電流供給
回路５１は差値ΔＶが零になるように素子部羽のポンプ
電極ｎからのポンプ電流ｒｐを流し出す（あるいは流し
込む）。すなわちΔζＶが正のときはｔｐを増やし、負
のときはｒｐを減らす。電流検出回路５２は抵抗Ｒ１の
両端間の電位差によりポンプ電流１ｐを電圧Ｖｉ（Ｖｉ
ｃｘｌｐ）に変換して検出する。なお、ポンプ電流Ｉｐ
は実線矢印で示す方向を正（Ｖｉも正）、破線矢印で示
す逆方向を負とする。

そして、目標電圧Ｖａを素子部３８のガス導入部２９内
の酸素濃度が所定値に維持されているとき、すなわち固
体電解質５の両面間の酸素分圧比が所定値となるときの
センサ電圧Ｖｓに相当する値に設定しておくことより、
電流検出回路５２によって検出されるポンプ電流１ｐに
比例した検出電圧Ｖｉは、第６図に示すように空燃比と
一義的に対応するようになる。したがって、この検出電
圧Ｖｉを利用すれば空燃比をリンチ域からリーン域まで
広範囲に亘って連続的に精度よく検出することができる
。

スイッチ回路４２は通電制御手段としての機能を有し、
例えば電磁リレーにより構成される。スイッチ回路４２
は通電開始信号Ｓｏが入力されるとＯＮとなってバッテ
リ５３からの直流電圧ｖｂを酸素センサ１０のヒータ２
２に供給し、通電開始信号ＳＯの非入力時には該供給を
停止する。ヒータ２２は直流電圧ｖｂが供給されると発
熱し始める。

Ａ／Ｄ変換器４３〜４５はそれぞれ空燃比検出回路４１
、エアフローメータ７および水温センサ９からの各信号
をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換器４６はバッテリ５３の直
流電圧ｖｂをＡ／Ｄ変換してマイクロコンピュータ４８
に出力する。また、ドライバ回路４７はマイクロコンピ
ュータ４８から出力される燃料噴射量に対応するインジ
ェクタ駆動パルスＰｉをインジェクタ４の作動可能な噴
射信号Ｓｉに増幅して出力する。

マイクロコンピュータ４８は判別手段としての機能を有
し、ＣＰＵ５５、ＲＯＭ５６、ＲＡＭ５７、ＮＶＭ（不
揮発性データメモリ）５８およびＩ１０ポート５９によ
り構成される。ＣＰＵ５５はＲＯＭ５６に書き込まれて
いるプログラムに従ってＩ１０ポート５９より必要とす
る外部データを取り込んだり、またＲＡＭ５７およびＮ
ＶＭ５８との間でデータの授受を行ったりしながら演算
処理し、必要に応じて処理したデータをＩ１０ボート５
９へ出力する。■１０ポート５９にはＡ／Ｄ変換器４３
〜４６および運転状態検出手段１３からの信号が入力さ
れるとともに、Ｉ１０ボート５９からはインジェクタ駆
動パルスＰｉおよび通電開始信号Ｓｏが出力される。Ｒ
ＯＭ％はＣＰＵ５５における演算プログラムを格納して
おり、ＲＡＭ５７およびＮＶＭ５Ｂは演算に使用するデ
ータを７７ブ等の形で記憶している。

次に、作用を説明する。

一般に、排気管に取り付けられる酸素センサは小型で熱
慣性が小さい。また、ヒータはこのような小型の酸素セ
ンサ内に一体化されることが多い。したがって、エンジ
ンが冷えている始動直後からヒータに大電力を供給する
と、酸素センサ自体の温度が上昇する前にヒータのみが
単独で急激な温度上昇を伴うことになりその耐久性低下
を招く。

そこで本実施例では、ヒータ抵抗は温度と正あ相関があ
る点に着目し、エンジン始動直後酸素センサ１０が排気
熱等により所定温度付近まで加熱される状態を通電禁止
期間として予測し、この期間を超えるとヒータ２２への
通電を開始することで、ヒニタ２２単独の急激な温度上
昇を避けている。

第７図はＲＯＭ５６に書き込まれているヒータ通電制御
のプログラムを示すフローチャートであり、図中Ｐ、−
ＰＫ、はフローチャートの各ステップを示している。本
プログラムは所定時間毎に１度実行される。

まず、Ｐ、でスタータモータが作動しているか否かを判
別し、作動中のときはＰ２に進み、作動していないとき
（作動し終えたとき）はＰ３に進む、Ｐ３ではエンジン
回転数Ｎを所定のクランキング回転数Ｎｃ（例えば、ｐ
Ｊ　ｃ　＝　２００〜４００　ｒ。

ｐ、ｍ　）の所定値と比較し、Ｎ＜Ｎｃのときは未だク
ランキング中であると判断してＰ２に進み、Ｎ≧Ｎｃの
ときは始動完了と判断してＰ４に進む。

次いで、Ｐ２で通電禁止カウンタのカウント値Ｃｈをク
リア（Ｃｈ−０）Ｌ、Ｐ、で通電開始信号Ｓｏの出力を
停止する。当初から停止されていればその状態を維持す
る。通電禁止カウンタは通電禁止期間を計測するカウン
タであり、この通電禁止期間はエンジン始動後酸素セン
サ１０が所定温度に至るまでの期間に対応する。次いで
、Ｐ６でこのときの冷却水温Ｔｗを読み込み、Ｐ７で第
８図に示すテーブルマツプから冷却水温７ｗに応じた最
適な禁止解除カウント値Ｃｏ（通電禁止期間に対応）を
ルックアップして今回のルーチンを終了する。

一方、始動を完了した場合には、Ｐ４でカウント値ｃｈ
を禁止解除カウント値Ｃｏと比較し、Ｃｈ＜Ｇｏのとき
は未だ酸素センサ１０が所定温度まで加熱されていない
と判断してＰ、で通電禁止カウンタをインクリメントす
るとともに、Ｐ、で上記ステップＰ、と同様の処理を行
ってリターンする。そして、カウント値ｃｈがＣｈｉｉ
＝Ｃｏになると、酸素センサ１０が所定温度まで加熱さ
れたと判断してＰ、ｏで通電開始信号Ｓｏを出力してヒ
ータ２２への通電を開始する。このとき、ヒータ２２の
組み込まれた酸素センサ１０は十分に暖まっており、ヒ
ータ抵抗も高くなっている。したがって、通電が開始さ
れても大電流が流れることがなく、従来に比して急激な
温度変化を避けることができ、その耐久性を向上させる
ことができる。その結果、酸素センサ１０の機能低下を
防止することができる。

なお本実施例では冷却水温Ｔｗの値に応じて禁止解除カ
ウント値Ｇｏを設定しているため、始動時のエンジン温
度に対応する適切な通電禁止期間が与えられ冬季等の極
低温時であっても酸素センサ１０の加熱を十分に行った
後にヒータ２２への通電を開始することができる。また
、本実施例ではスタータモータによる始動に限らず、例
えば押しかけによる始動であってもよく、その場合はス
テップＰ、てこの判別が可能である。

さらに、本実施例では酸素センサの加熱状態を冷却水温
をパラメータとする通電禁止期間として判別しているが
、酸素センサの加熱状態の判別はこれに限るものではな
い。要は、始動時においてヒータの急激な温度上昇を避
けることができればよく、例えばヒータ抵抗値や排気温
度に基づいて判別を行ってもよい。

なお、ヒータへの通電制御は上記実施例に示したように
通電開始後単に一定電圧を常時供給する例には限らない
。例えば、運転状態に応じて電圧を変えるものにも適用
できる。

また、本発明は上記実施例に示したタイプの酸素センサ
に限定されるものではなく、ヒータによって素子部を加
熱するタイプのものであればすべてに通用することがで
きる。

（効果） 本発明によれば、ヒータ単独の急激な温度上昇を避ける
ことができ、ヒータの耐久性を向上させて酸素センサの
機能低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体構成図、第２〜８図は本発明の一
実施例を示す図であり、第２図はその概略構成図、第３
図はその酸素センサの分解斜視図、第４図はその酸素セ
ンサの断面図、第５図はそのブロック構成図、第６図は
その空燃比と検出電圧との関係を示す図、第７図はその
ヒータ通電制御のプログラムを示すフローチャート、第
８図はその冷却水温と禁止解除カウント値との関係を示
す図である。 １・−・−エンジン、 １０・−−−−一酸素センサ、 １３・−−−−一始動状態検出手段、 １４−−−−−・コントロールユニッ）　（判別手段）
、４２−・・−スイッチ回路（通電制御手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出用素子部
   と、該素子部を加熱するヒータと、を有する酸素センサ
   と、 ｂ）エンジンが始動状態にあることを検出する始動状態
   検出手段と、 ｃ）通電開始信号が入力されると前記ヒータへの通電制
   御を開始する通電制御手段と、 ｄ）エンジンが始動すると酸素センサが所定温度まで加
   熱されたとき前記通電開始信号を出力する判別手段と、 を備えたことを特徴とする酸素センサのヒータ制御装置
   。