JPS61241654A - 酸素濃度センサの制御方法 - 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 本発明は内燃エンジンの排気ガス中の酸累濃寒を検出す
る酸素濃度センサの制御方法に関する。

背景技術 内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善等のために排気
ガス中の酸素濃度を酸素濃度センサによって検出し、そ
の検出レベルに応じてエンジンへの供給混合気の空燃比
を目標空燃比にフィードバック制御する空燃比制御装置
がある。

このような空燃比制御装置に用いられる酸素濃度センサ
として排気ガス中の酸素濃度に比例した出力を発生する
ものがある（特開昭５８−１５３１５５号〕？かかる酸
素濃度センサは一対の平板状の酸素イオン伝導性固体電
解質材を有している。その固体電解質材は排気ガス通路
に配設されるようになされ、固体電解質材の各表裏面に
は電極が各々形成されかつ固体竺解材が所定の間隙部を
介して対向するように平行に配置されている。固体電解
質材の一方が酸素ポンプ素子として、他力が酸素濃度比
例測定用電池素子として作用するようになっている。排
気ガス中において間隙部側電極が負極になるように酸素
ポンプ素子の電極間に電流を供給すると、酸素ポンプ素
子の負極面側にて間隙部内気体中の酸素ガスがイオン化
して酸素ポンプ素子内を正極面側に移動し正極面から酸
素ガスとして放出される。このとき、間隙部内の酸素ガ
スの減少により間隙部内の気体と電池素子外側の気体と
の間に酸素濃度差が生ずるので電池素子の電極間に電圧
が発生する。この電圧を一定値にするように酸素ポンプ
素子に供給する電流値を変化させると、定温においてそ
の電流値が排気ガス中の酸素濃度にほぼ直線的に比例す
ることになる。

かかる酸素濃度センサにおいては、酸素濃度に比例した
出力特性を得るためには定常運転時の排気ガス温度より
十分高い温度（例えば、６５０度以上）にする必要があ
る。、ｌ：って、酸素ポンプ素子及び電池素子を加熱す
るためにヒータからなる加熱素子が内蔵され、酸素濃度
測定時には加熱素子に電流が供給され加熱素子が発熱す
るようになっている。

しかしながら、かかる酸素濃度比例型の酸素濃度センサ
においては、上記のように酸素ポンプ素子及び電池素子
からなる酸素濃度検出素子を加熱するために常時、加熱
素子に電流を供給しているので電源の消費電力量が大き
くなり、車載内燃エンジンの場合、容量の犬なるバッテ
リヲ用いなければならずコスト高になるという問題点が
あった。

また常時、加熱素子に電流を供給することにより加熱素
子の劣化が早いという問題点もあった。

発明の概要 そこで、本発明の目的は電源の消費電力量の低減を図り
かつ加熱素子の早期劣化を防止することができる酸素濃
度センサの制御方法を提供することである。

本発明の酸素濃度センサの制御方法はエンジンの低温状
態を検出したときには加熱素子への電流供給を停止する
ことを特徴としている。

実施例 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する０ 第１図は本発明による酸素濃度センサの制御力法を適用
した車載内燃エンジンの空燃比制御装置を示している。

本装置においては、エンジン２１の絞り弁２２下流の吸
気マニホールド２３とエアクリーナ２４の空気吐出口近
傍とは吸気２次空気供給通路２５によって連通されてい
る。吸気２次空気供給通路２５には電磁開閉弁２６が設
けられている。電磁開閉弁２６はそのンレノイド２６ｑ
への通電により開弁するようになっている。

一方、２７は吸気マニホールド２３に設けられ吸気マニ
ホールド２３内の吸気絶対圧に応じたレベルの出力を発
生する絶対圧センサ、２８はエンジン２１のクランクシ
ャフト（図示せず）の回転数に応じたレベルの１出力を
発生する回転数センサ、２９はエンジン２１の冷却水温
に応じたレベルの出力を発生する冷却水温センサ、３０
ｉエンジン２１の排気マニホールド３１に設けられた酸
素濃度比例型の酸素濃度センサである。電磁開閉弁２６
、絶対圧センサ２７、回転数センサ２８及び水温センサ
２９はマイクロコンピュータがら寿る空燃比制御回路３
２に接続されている。空燃比制御回路３２には更に大気
圧に応じたレベルの出力を発生する大気圧センサ３３及
びイグニッションスイッチ３４が接続されている。イグ
ニッションスイッチ３４のオン時に車載されたバッテリ
（図示せず）の出力電圧が空燃比制御回路３２に供給さ
れるようになっている。

酸素濃度センサ３０にはその酸素ポンプ素子にポンプ電
流を供給するポンプ電流供給回路３５及び加熱素子にヒ
ータ電流を供給するヒータ電流供給回路３６が接続され
ている。またポンプ電流供給回路３５及びヒータ電流供
給回路３６も空燃比制御回路３２に接続されている。

第２図に示すように酸素濃度センサ３０は一端部にリー
ド線取出口１が設けられたハウジング２を有しており、
該ハウジングの他端部に酸素濃度検出素子３が取り付け
られている。酸素濃度検出素子３は円筒状に形成された
保護部材１７によって囲繞され、保護部材１７の一端部
においてハウジング２の先端部に嵌着されている。保護
部材１７には周方向において等間隔に例えば４つずつの
排気〃ス通過孔１７αが形成されている。なお、図中の
Ａ−Ａ、ｉｉよジ左の部分が排気マニホールド３１内に
位置する。

第３図に示されるように酸素濃度検出素子３は互いに平
行にされた一対の長手平板状素子４及び５ｔ−有し、そ
の両側に板状加熱素子６及び７が付着されている。第４
図及び第５図から明らかなように、素子４及び５は互い
の主面が対向するように平行に配置され、且つ各長手方
向における一端部間に間隙部８を設けて他端部にてスペ
ーサ９を介して結合されている。一方の素子４は酸素ポ
ンプ素子であり、その主体は酸素イオン導電性固体電解
質の焼結体から成る。酸素ポンプ素子４の一端部４αに
はその表裏面の相対する位置に多孔質の耐熱金属から成
る正方形状の電極層１１及び１２が夫々設けられている
。−刀の電極層１１には耐熱金属から成り素子４の他端
部４ｈまで直線的に伸長する引き出し線１１αが接続さ
れている。なお、引き出し線１１αは、正方形状電極層
１１の角部に接続されている。同様に、他方の電極層１
２にも酸素ポンプ素子４の他端部４Ｉ！Ｉに直線的に達
する引き出し線１２αが接続されている。ただし、この
引き出し線１２ａ、は正方形状電極層１２の角部のうち
、上記引き出し線１１αが接続した電極層１１の角部に
対応しない方の角部に接続している。引き出し線１２α
は素子４の他端部４ｈｌｆＣおいて該素子の表裏を貫通
しているスルーホール４Ｃを通じてその反対側の取り出
し部１２ｈに接続されている。′！ｉ：た、引き出し線
１１αは他端部４ｂに形成された取り出し部１１ｂに接
続されている。

すなわち、素子４の一力の主面に電極層１１及び１２の
各取り出し部１１ｈ、１２ｂが配設されているのである
。

他力の素子５は酸素濃度比測定用電池素子であり、酸素
ポンプ素子４と同様にその主体は酸素イオン導電性固体
電解質の焼結体から成る。この電池素子５は酸素ポンプ
素子４と同様に構成されており、その表裏面に正方形状
の電極層１３及び１４並びに引き出し線（１３α）、１
４ａを有し、電極層１３が設けられた主面に取フ出し部
（１３ｂ）１１４ｂが形成されている。なお、引き出し
線１４αと取り出し部１４ｂはスルーホール５Ｃｉ通じ
て接続している。

上記した素子４及び５の主体をなす酸素イオン導電性固
体電解質として使用される代表的なものはジルコニアの
イツトリアあるいはカルシア等との同容体であるが、そ
の他、二酸化セリウム、二酸化トリウム、二酸化ハフニ
ウム等の各同容体が使用可能である。また、電極層１１
．１２．１３及び１４、引き出し線１１α、　１２　ａ
　＋　（１３α〕。

１４ａ、取り出し部１１ｈ　、１２ｈ　、（１３４）。

１４ｈとしては、Ｐｔ　、　Ｒｕ、　Ｐｄ等が使用され
、具体的にはこれらの金属をフレーム溶射、化学メッキ
あるいは蒸着などの各方法を用いて被着形成する０ ここで、第３図に示される板状の加熱素子６及び７につ
いて説明する。

加熱素子６及び７の主体は上述した素子４及び５よりも
少し長手方向の寸法が小さい長方形のアルミナ、スピネ
ルなどの絶縁性無機質板状体から成る。加熱素子６の一
端部には上記素子４上の電極層１１の位置及び形状に適
合させた開口部６αが形成されている。加熱素子６には
この開口部６αの周囲にヒータ線６ｂが波状に配設され
、且つ、該加熱素子の他端部に形成された取り出し部６
Ｃに引き出し線６ｄを介して電気的に接続されてい＝８
−一 る。なお、ヒータ線６ｂ１取り出し部６Ｃ及び引き出し
線６ｄはＰｔ　等の耐熱金属よりなる。また図示されて
はいないが、他方の加熱素子７にも加熱素子６と同様の
開口部、ヒータ線（７ｈ）等が設けられている。

次いで、上記した構成の酸素濃度センサ３０による酸素
濃度検出状況を説明する。

酸素ポンプ素子４の外側電極層１１が正極になるように
電極層１１．１２間にポンプ電流供給回路３５によって
ポンプ電流が供給されることにより該素子の固体電解質
内を酸素イオンが内側電極層１２から外側電極層１１へ
移動し、素子４と電池素子５との間の間隙部８に存在す
る酸素が素子４の外側へ汲み出される。

上記の如く間隙部８から酸素が汲み出されると、電池素
子５の外側、即ち、排気ガスと間隙部８内の気体との間
に酸素濃度の差を生ずる。

この酸素濃度差により電池索子５の電極層１３゜１４間
に電圧が発生する。この電圧は酸素濃度センサ３０にそ
の間隙部８の３力向開ロ部から自由に流入する酸素量と
、酸素ポンプ素子４により間隙部８から外側へ汲み出さ
れる酸素量とが平衡状態に達した時点で一定となる。

そして、この発生電圧はポンプ電流供給回路３５に供給
され、ポンプ電流供給回路３５によって発生電圧が予め
定められた一定値に維持されるようにポンプ電流値が制
御される。よって、定温においてその電流量は排気ガス
中の酸素濃度にほぼ直線的に比例することになる。

空燃比制御回路３２は電流供給回路３５から酸素ポンプ
素子４に供給されるポンプ電流値に応じてエンジン２１
に供給された混合気の空燃比が目標空燃比よりもリッチ
及びリーンのいずれかであるかを判別する。すなわち、
ポンプ電流値が目標空燃比に対応する基準値以下のとき
リッチとし、基準値以上のときり一ンとする。この判別
結果に応じて電磁開閉弁２６の開閉を制御することによ
り吸気２次空気が吸気マニホールド２３に供給され、供
給混合気の空燃比が目標空燃比にフィードバック制御さ
れるのである。

かかる空燃比フィードバック制御はエンジンの高負荷時
、高回転時又は低温時には停止されて空燃比はリッチ化
される。

加熱素子６及び７はその取り出し部６Ｃ９（７Ｃ）の各
間にヒータ電流供給回路３６がヒータ電流を供給するこ
とによって引き出し線６ｄ＋（７ｄ）を介してヒータ線
６　ｈ　、　（’１１））に通電され、ヒータ線６ｈ　
、（７Ａ）が発熱して酸素濃度検出素子３を加熱する。

ヒータ電流供給回路３６によるヒータ電流の供給は空燃
比制御回路３２によって制御される。空燃比制御回路３
２はヒータ電流を供給するときヒータ電流供給回路３６
に対して電流供給指令を発生し、ヒータ電流の供給を停
止するとき電流供給停止指令を発生する。ヒータ電流供
給回路３６は電流供給指令に応じて加熱素子６及び７に
ヒータ電流の供給を開始し、電流供給停止指令に応じて
ヒータ電流の供給を停止する。

次に、空燃比制御回路３２によって実行される本発明の
酸素濃度センサの制御方法の手順を第６図に示した動作
フロー図に従って説明する。

本手順においては、先ず、イグニッションスイッチ３４
がオンか否かが判別される（ステ・ツブ５１）。

イグニッションスイッチ３４がら空燃比制御回路３２に
バッテリの出力電圧が供給されていないときにはイグニ
ッションスイッチ３４はオフである０イクニツシヨンス
イツチ３４がオフならば、ヒータ電流の供給を停止すべ
くヒータ電流供給回路３６に対して電流供給停止指令が
発生される（ステップ５２）。イグニッションスイッチ
３４がオンならば、エンジン回転数Ｎｇが所定高回転数
ＮＨ（例えば、４０００ｒ、ｐ、ｍ）以下であるか否か
が判別される（ステップ５３〕。エンジン回転数Ｎ＋は
回転数センサ２８の出力信号から検出される。Ｎｇ≧Ｎ
Ｈならば、エンジン回転数が高い故にエンジン２１に吸
入される混合気量が多くなり排気ガス温度が加熱素子６
及び７の発熱温度エフ上昇する可能性があるのでステ・
ツブ５２が実行されヒータ電流の供給が停止される。Ｎ
ｇ＜ＮＨならば、高回転数でないので冷却水温Ｔｗが所
定低温度Ｔｓ（例えば、７０Ｃ）以下であるか否かが判
別される（ステップ５４）。冷却水温Ｔｗは冷却水温セ
ンサ２９の出力信号から検出される。Ｔｗ＜Ｔ１ならば
、空燃比フィードバック制御を停止するので無駄な電力
消費を防止するためにステップ５２が実行されるＯＴＷ
≧Ｔ、ならば、絶対圧センサ２７の出力信号から検出さ
れる吸気絶対圧ＰＢＡＫよって高負荷を判別するために
基準値ＰＢＡｒが設定される（ステップ５５）ｏ基準値
ＰＢＡｒはＰｕｒｒ　＝　ＰＡ　−（７６０ＰＢＡＩ）
なる式から算出されるＯ　”ＢＡＩは所定値であり、例
えば７００　ｒｒａｎＨ９であジ、ま几ＰＡは大気圧で
あり、大気圧センサ３３の出力信号から検出される。か
かる補正にエフ高度が犬になるに従って大気圧２人が低
下するので基準値ＰＢＡｒも低下するようになる。次に
、吸気絶対圧ＰＢＡが基準値ＰＢＡｒ以下であるか否か
が判別される（ステップ５６）。ＰＢ＾＞　ＰＢＡｒな
らば、エンジンは高負荷状態にある故に高回シ状態、と
同様にエンジン２１の吸入混合気量が多くなり排気ガス
温度が加熱素子６及び７の発熱温度より上昇する可能性
があるのでステップ５２が実行される。ＰＢＡ≦ＰＢＡ
ｒ　ならば、高負荷状態でないのでヒータ電流を供給す
べくヒータ電流供給回路３６に対して電流供給指令が発
生される（ステップ５７）。

発明の効果 以上の如く、本発明の酸素濃度センサの制御方法におい
ては、エンジンの低温状態を検出したときには加熱素子
への電流供給が停止される。エンジンの暖機が完了する
までは低温状態にあり、この低温状態は比較的長く継続
するので加熱素子への電流供給を停止することにより電
源の消費電力量を従来より低減させることができると共
に加熱素子の早期劣化を防止することができる。また低
温時には空燃比フィードバック制御が停止されるので加
熱素子への電流供給を停止することにより酸素濃度セン
サの出力特性が所望の比例特性にならなくても空燃比制
御に悪影響を与えることもない。更に、エンジンの暖機
時間に比べて加熱素子への電流供給による酸素濃度検出
素子の温度上昇時間は極めて短いので暖機が完了すれば
直ちに空燃比フィードバック制御全開始することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御力法を適用した空燃比制御装置を
示すブロック図、第２図は第１図の装置中の酸素濃度セ
ンサを具体的に示す側面図、第３図ないし第５図は酸素
濃度センサの内部構成を示す図、第６図は本発明の制御
方法の手順を示す動作フロー図である。 主要部分の符号の説明 ３・・・酸素濃度検出素子　６，７・・・加熱素子８・
・・間隙部 １１ないし１４・・・電極層 １７・・・保護部材 １７α・・・排気ガス通過孔 ２２・・・絞り弁 ２３・・・吸気マニホールド ２６・・・電磁開閉弁　　　２７・・・絶対圧センサ２
８・・・回転数センサ　　２９・・・冷却水温センサ３
０・・・酸素濃度センサ ３１・・・排気マニホールド −Ｍ偵− ｎ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内燃エンジンの排気ガス通路に設けられて排気ガス中の
   酸素濃度に比例する出力を発生する酸素濃度検出素子と
   電流が供給されると発熱して前記酸素濃度検出素子を加
   熱する加熱素子とを有する酸素濃度センサの制御方法で
   あって、エンジンの低温状態を検出したときには前記加
   熱素子への電流供給を停止することを特徴とする制御方
   法。