JPS61122558A - 酸素濃度測定装置 - 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） 本発明は酸素濃度測定装置、詳しくは酸素センサを用い
て被測定ガスの酸素濃度を広範囲に精度よく検出する酸
素濃度測定装置に関する。

（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検出される。

このため、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）が種々開発
されている。

しかしながら、このような従来の酸素濃度測定装置にあ
っては、酸素センサの主要部が排気に直接晒される構成
であるため、酸素センサがリッチ空燃比の燃焼排気ガス
に長時間晒されていると、排気中のカーボンやＨＣ成分
等の不要物（以下、不要付着物という）がその表面や電
極等に堆積しやすい。すなわち、このような酸素センサ
によればリッチ空燃比にフィードバック制御することが
できる反面、このり７チ空燃比への制御状態が長時間継
続される可能性があり、かかる場合、上記堆積を招きや
すい。また、このような不具合は特にエンスト時に著し
いものとなる。すなわち、エンスト時にあっては停止直
前にリッチ空燃比の混合気が供給され、それが完全に燃
焼せずに排出される。したがって、酸素センサが生ガス
の混じった濃い排気中に酷されることとなり、不要付着
物が多量に付着する。このため、酸素センサ表面の目詰
まりや電極間での電流リーク等を起こすおそれがあり、
空燃比の検出精度が低下して空燃比の制御精度の悪化が
予想される。

（発明の目的） そこで本発明は、エンジンが停止状態に移行すると酸素
センサのヒータへの通電を所定時間継続することにより
、ヒータの発生熱により酸素センサに堆積した不要付着
物を焼却して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） ５　　　　　　　本発明による酸素濃度測定装置はその
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、エンジンが停止状
態に移行したことを検出する停止状態検出手段すと、エ
ンジンが停止状態に移行すると所定時間焼却信号を出力
する焼却信号発生手段Ｃと、焼却信号が入力されると酸
素センサａのヒータに通電する通電制御手段ｄと、を備
えており、エンジン停止時に酸素センサａの不要付着物
を焼却するものである。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜７図は本発明の一実施例を示す図であり、本発明
をエンジンの排気中の酸素濃度、すなわち空燃比を検出
する装置に通用した例である。

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、気筒内で噴射
した排気は排気管５を通してコンバータ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、ＨＣ，
Ｎ。

Ｘ）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内の絞弁８によって制御される。

排気中の酸素濃度は酸素センサ９により検出され、エン
ジン１の回転数Ｎはクランク角センサ（停止状態検出手
段）１０により検出される。これら各センサ７．９．１
０からの信号はコントロールユニット１１に入力されて
おり、コントロールユニット１１はこれらのセンサ情報
に基づいて空燃比制御および酸素センサ９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９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、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板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２５が積層され、固体電解質５の下面には基準電極２
６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
の固体電解質器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３
２が積層される。なお、３３．３４はヒータ２２のリー
ド線、３５〜３７はそれぞれ基準電極２６、ポンプ電極
２７、センサ電極詔のリード線である。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２８と
基準電極２６は固体電解質怒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５、基準電極２
６、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
を構成し、素子部３８およびヒータ２２は酸素センサ９
を構成する。

第５図はコントロールユニット１１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−ルユニット１
１は空燃比検出回路４１、スイッチ回路４２．４３、Ａ
／Ｄ変換器４４〜４６、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９の素子部３８における基準電極２６
に対するセンサ電極２８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■（Δ
Ｖ＝Ｖｓ　−（−Ｖａ））を算出する。電流供給回路５
１は差値Δ■が零になるように素子部３８のポンプ電極
２７からポンプ電流１ｐを流し出す（あるいは流し込む
）。すなわちΔ■が正のときはｒｐを増やし、負のとき
はＩｐ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（Ｖｉｏ（Ｉ
ｐ）に変換して検出する。なお、ポンプ電流ｒｐは実線
矢印で示す方向を正（Ｖｉも正）破線矢印でへ 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２５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に
より、電流検出回路５２によって検出されるポンプ電流
Ｉｐ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ソ子域からリーン
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
はヒータ通電信号ｓｈ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９のヒータ２
２に供給し、ヒータ通電信号ｓｈの非入力時には該供給
を停止する。ヒータ２２はエンジン停止時この直流電圧
ｖｂが供給されると（このときのヒータ通電信号ｓｈは
後述するように特に焼却信号という）発熱し後述するよ
うに酸素センサ９の不要付着物を焼却する。スイッチ回
路４３は、例えば同様に電磁リレーにより構成され、電
源信号Ｓｄが入力されるとＯＮとなって直流電圧ｖｂを
空燃比検出回路４１に供給し、電源信号Ｓｄの非入力時
には該供給を停止する。空燃比検出回路４１は直流電圧
ｖｂが供給されると、酸素センサ９へのポンプ電流Ｉｐ
の帰還制御を開始し空燃比の検出をおこなって検出電圧
Ｖｉを出力する。

Ａ／Ｄ変換器４４．４５はそれぞれ空燃比検出回路４１
およびエアフローメータ７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は焼却信号発生手段としての
機能を有し、ＣＰＵ５５、ＲＯＭ５６、ＲＡＭ５７、Ｎ
ＶＭ　（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ボート５９よ
り必要とする外部データを取り込んだり、またＲＡＭ５
７およびＮＶＭ５Ｂ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Ｉ１
０ボート５９へ出力する。Ｉ１０ボート５９にはＡ／Ｄ
変換器４４〜４６およびクランク角センサ１０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、ヒータ通電信号ｓｈおよび電
源信号Ｓｄが出力される。ＲＯＭ５６はＣＰＵ５５にお
ける演算プログラムを格納しており、ＲＡＭ５７および
ＮＶＭ５８は演算に使用するデータをマツプ等の形で記
憶している。

次に作用を説明する。

一般に、酸素センサは高温でかつカーボン成分等が入り
混じっているという排気を被測定対象物としており、測
定環境の厳しい条件下にある。

また、例えば空燃比を連続的に検出するために、拡散電
流（ポンプ電流）を酸素濃度うに応じて変化させる等、
特有の構造を必要としている。従来は、空燃比の検出と
いう機能に重点がおかれており、厳しい環境下での検出
態勢を良好に維持していくという点でやや不十分である
。

そこで本実施例では、酸素センサの検出精度が低下する
主原因はカーボンやＨＣ成分の付着によるという点に着
目して、エンジン停止時毎に所定期間ヒータへの通電を
継続することで、ヒータの発生熱により不要付着物を焼
却している。

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、〜
Ｐ１４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、Ｐ８でエンジン回転数Ｎを読み込み、Ｐ２で回転
数Ｎを所定の停止判別回転数Ｎｔ（例えば、Ｎ　ｔ　＝
　１０Ｏｒ、ｐ、ｍ　）と比較する。Ｎ≦Ｎｔのときは
停止状態ではないと判断してＰ、で焼却５　　　　　′
ラグＦＨ４−リゞ′トロ・２゛匙−′通電信号ｓｈの出
力を継続する。焼却フラグＦＨはエンジン停止後にヒー
タｎに通電して不要不着物を焼却するか否かを表すもの
で、通電するときセット（ＦＨ−１）され、通電しない
ときリセット（ＦＨ−〇）される。したがって、エンジ
ン運転中はヒータｎに通電されて酸素センサ９が所定温
度に（すなわち、所定の活性状態に）維持される。

一方、Ｐ２でＮ＜Ｎｔのときは停止状態に移行したと判
断してＰ、で焼却フラグＦＨがセットされているか否か
を判別し、リセットされているときはＰ６で焼却フラグ
ＦＨをセントするとともにＰ７で焼却カウンタのカウン
ト値ｃｈをクリア（Ｃｈ＝Ｏ）してＰ、に進む。また、
Ｐ、で焼却フラグＦＨがセントされているときはそのま
まＰ６にジャンプする。焼却カウントは焼却期間を計測
するカウンタであり、焼却期間は、例えば数秒から数分
の間で所定値に設定される。Ｐ８では電源信号Ｓｄの出
力を停止して空燃比検出回路４１を作動を停止させる。

これにより、酸素センサ９へのポンプ電流１ｐの供給が
停止される。これは、エンジン停止時に排気管５内が大
気で満たされたときポンプ電流１ｐの値が大きくなって
酸素センサ９の劣化促進という状態を防止することにつ
ながる。なお、フローでは省かれているが、電源信号Ｓ
ｄはエンジン始動とともに出力される。

次いで、Ｐ、でカウント値ｃｈを焼却期間に対応する焼
却完了カウント値Ｃｏと比較し、ｃｈ＜Ｃｏのときは未
だ焼却が完了していないと判断してＰｌｏで焼却カウン
タをインクリメントするとともに、Ｐｌ＋でヒータ通電
信号ｓｈの出力を継続し、ＰＩ３で焼却フラグＦＨをセ
ットしてリターンする。なお、このＰ９−Ｐｒｏ　　Ｐ
　ｕ　、ＰＩ３なるフローをエンジン停止後最初に流れ
たときからヒータ２２による不要付着物の焼却が始まり
焼却期間のカウンタが開始される。また、本実施例では
焼却フラグＦＨがセットされた後、リセットされる迄の
間（すなわち、焼却期間）に出力されるヒータ通電信号
ｓｈは焼却信号に相当する。そして、カウント値ｃｈが
ｃｈ≧Ｃｏになると酸素センサ９の不要付着物が焼却さ
れたと判断してｐ＋３で焼却フラグＦＨをリセットする
とともに、Ｐ４でヒータ通電信号ｓｈおよびその他コン
トロール二二ット１１等の全電源をＯＦＦとする。

このように、エンジンが停止状態に移行する（エンスト
時も含まれる）毎に定期的に酸素センサ９の不要付着物
が焼却されるため、酸素センサ９の機能低下を防止する
ことができる。また、このとき焼却に先立ってポンプ電
流Ｉｐの供給が停止され、酸素センサ９の劣化促進が防
止される。

なお、停止状態の判別は回転数のみに限らず、例えばこ
れにイグニッションスイッチ情報を併用するようにして
もよい。

また、酸素センサは排気管の何れの場所に設置されても
よく、例えば触媒コンバータの下流側であってもよい。

さらに、本発明は上記実施例に示したタイプの酸素セン
サに限らず、ヒータを有するものであればすべてに適用
が可能である。

（効果） 本発明によれば、酸素センサに堆積した不要付着物を焼
却することができ、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２〜７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であ
る。 １−一一〜−−エンジン、 ９−・−−−一酸素センサ、 １０−−−−−−クランク角センサ（停止状態検出手段
）、１１−・−−−−コントロールユニット（焼却信号
発生手段）、 ４２−−−−一・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）エンジンが停止状態に移行したことを検出する停止
   状態検出手段と、 ｃ）エンジンが停止状態に移行すると所定時間焼却信号
   を出力する焼却信号発生手段と、 ｄ）焼却信号が入力されると酸素センサのヒータに通電
   する通電制御手段と、 を備えたことを特徴とする酸素濃度測定装置。