JPS61274249A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、酸素センサを用いて自動車用エンジン等の排
気酸素濃度を検出する酸素濃度測定装置に関する。

（従来の技術） 近時、エンジンの燃費、排気対策等の要求を満たすため
、エンジンの始動直後がら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。このような酸素センサはセンサ電極間が
所定電位差であるときの拡散限界酸素量が酸素濃度に相
関するという特性に着目し、これを拡散電流（ポンプ電
流）として外部回路により検出することで、空燃比を広
範囲に検出している。そして、このような酸素センサ情
報に基づいてリッチからリーンまで空燃比を広範囲にフ
ィードバック制御することができる。

処方、酸素センサはその特性が温度に依存するので速や
かに作動を安定化（活性化を図る）させて空燃比の検出
を開始させるために、センサ本体（素子部）を加熱する
ヒータを設け、エンジン始動初期に一定期間供給電力を
増大させてヒータに供給している。

（考案が解決しようとする問題点） 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、エンジン始動初期に供給電力を増大させてヒー
タに供給し可及的速やかに空燃比の検出を開始する構成
となっていたため、短時間のうちにエンジンの始動、停
止を繰り返したような場合には、停止時以降の酸素セン
サの素子部の温度（以下、素子部温度という）の下降が
比較的緩やかで未だ高温であるにも拘らず再びヒータに
増大電力が供給されることとなり、素子部温度が過度に
上昇することがある。その結果、素子部の耐久性が低下
し、最悪の場合には劣化、破損に至るという問題点があ
った。

（考案の目的） そこで本考案は、エンジン始動時の素子部温度を推定し
、その推定結果に基づいてヒータ供給電力を制御するこ
とにより、エンジン始動時における素子部の過度の温度
上昇を防止しつつ速やかに活性化して、酸素センサの耐
久性を向上させることを目的としている。

（考案の構成） 本発明による酸素濃度測定装置はその基本概念図を第１
図に示すように、排気中の酸素濃度を検出する素子部と
、素子部を加熱するヒータと。

を有する酸素センサａと、エンジンの運転状態を検出す
る運転状態検出手段すと、エンジンが停止したとき酸素
センサａの温度の変化状態を推定する推定手段Ｃと、エ
ンジンが始動したとき推定手段Ｃの出力に基づいて始動
時の酸素センサａの温度を演算する温度演算手段ｄと、
エンジンが始動すると始動時の酸素センサａの温度に基
づいて最初の供給電力を決定し、以後目標温度に移行す
る迄の間所定の温度変化となるように酸素センサａのヒ
ータへの供給電力を制御するヒータ制御手段ｅと、を備
えており、エンジン始動時における素子部の過度の温度
上昇を避けつつ速やかに活性化するものである。

（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、本考案
をエンジンの空燃比制御装置に適用した例である。

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（Ｃ○、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内の絞弁８によって制御される。絞弁８の
開度Ｃｖは絞弁開度センサ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１０により検出される
。また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１１により検出される。

排気管５には酸素センサ１２が取り付けられており、酸
素センサ１２は空燃比検出回路１３に接続される。空燃
比検出回路工３は酸素センサ１２にポンプ電流ｒｐを供
給するとともに、その電流値を検出して排気酸素濃度に
対応する電圧信号Ｖｉを出力する。上記エアフローメー
タ７、絞弁開度センサ９、クランク角センサ１０および
水温センサ１１は運転状態検出手段１４を構成しており
、運転状態検出手段１４および空燃比検出回路１３から
の信号はコントロールユニット１５に入力される。コン
トロールユニット１５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１２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１２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はアルミナからなる基板であ
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を形成さた大気導入板が積層される。そ
の上に、酸素イオン伝導性の平板状の第１の固体電解質
２５が積層され、固体電解質２５の下面には大気に晒さ
れる電極であるセンサアノード（基準電極）２６が、そ
れに対応する上面には排気ガスに晒される電極であるセ
ンサカソード（′ａ定電極）２７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２５の上に厚さＬ　（Ｌ＝　Ｏ
、ｌ　ｍ程度）のスペーサ板２８が積層され、その上に
平板状の第２の固体電解質２９が積層される。

これらの固体電解質２５．２９およびスペーサ２８はセ
ンサカソード２７を覆ってこのセンサカソード２７の周
りにガス導入部（酸素層）３０を画成する酸素画成部材
３１を構成しており、酸素層画成部材３１は排気とガス
導入部３０との間の酸素分子の拡散を制限する。上記セ
ンサアノード２６、センサカソード２７および固体電解
質２５はセンサ部３２を構成しており。

センサ部３２は大気導入部２３とガス導入部３０との間
の酸素分圧比に応じた電圧（以下、センサ電圧という）
Ｖｓを出力する。

また、第２の固体電解質２９の上、下面にはそれぞれポ
ンプ電極としてのポンプアノード３３およびポンプカソ
ード３４が設けられ、これらのポンプアノード３３．ポ
ンプカソード３４および固体電解質２９はポンプ部３５
を構成する。ポンプ部３５はポンプ電極間に供給される
ポンプ電流Ｉｐの値に応じてガス導入部３０の酸素分圧
を制御する。上記センサ部３２、ポンプ部３５、酸素層
画成部材３１および大気導入板２４は排気中の酸素濃度
を検出する素子部３６を構成する。なお、ヒータ２２は
ヒータ電圧ｖｈが印加されると固体電解質２５．２９を
加熱し、それらを活性化させる。また、４１．４２はヒ
ータ２２のリード線、４３〜４６はそれぞれセンサアノ
ード２６、センサカソード２７、ポンプアノード、ポン
プカソード３４のリード線である。

第５図は空燃比検出回路１３の構成を示す回路図であり
、この図において、空燃比検出回路１３は目標電圧−Ｖ
ａ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はセンサ電圧Ｖｓを目標電圧−Ｖ
ａと比較してその差値ΔＶ（ΔＶ　＝　Ｖ　ｓ　−（−
Ｖ　ａ　）　）を算出する。電流供給回路５１は差値Δ
が零になるように素子部３６のポンプカソード３４から
のポンプ電流Ｉｐを流し出す（あるいは流し込む）。す
なわちΔＶが正のときはＩｐ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Ｉｐを電圧Ｖｉ　（ｖｉｏｃｒｐ）
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３６のガス導入部３０
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ッ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
。

再ヒ第２図において、コントロールユニット１５は推定
手段、温度演算手段およびヒータ制御手段としての機能
を有し、Ｃ，ＰＵ５６、ＲＯＭ５ｇおよびＩ１０ボート
５９により構成される。ＣＰＵ５６はＲＯＭ５７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ＲＡＭ５８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ポート５９へ出力す
る。工１０ポート５９には空燃比検出回路１３およびセ
ンサ群９゜１１．１４からの信号が入力されるとともに
、Ｉ１０ボート５９からは噴射信号Ｓｉおよびヒータ信
号Ｓｈが出力される。ＲＯＭ５７はＣＰＵ５６における
演算プログラムを格納しており、ＲＡＭ５８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。

ヒータ信号ｓｈは所定のデユーティ値を有してアンプ６
０に入力されており、アンプ６０は同信号ｓｈを電圧増
幅しヒータ電圧ｖｈとして酸素センサ１２のヒータ２２
に印加する。

次に１作用を説明する。

第７．８図はそれぞれＲＯＭ５７に書き込まれているカ
ウンタ初期値演算およびヒータ制御のプログラムを示す
フローチャートであり、図中Ｐ□〜Ｐ２１はフローチャ
ートの各ステップを示している。

第７図において、まずＰ□でエンジン１が運転状態から
停止に切換ったか（例えば、回転数Ｎが２０Ｏｒｐｍ以
下となったか）否かを判別し、停止に切換っていればＰ
２でそのときの酸素センサ１２の素子部温度に工に基づ
き第９図に示すテーブルマツプから停止カウント初期値
Ｔ工をルックアップする。素子部温度に１は後述の第８
図に示すプログラムで演算されるものである。また、停
止カウント初期値Ｔ工はエンジン停止時に時間を計測し
ているカウンタに与えられる初期値である。

一方、Ｐ工で停止に切換っていなければ運転中あるいは
停止状態に維持されていると判断してＰ、に進み、Ｐ３
で停止状態から始動に切換ったか否かを判別する（上記
同様回転数Ｎを判断する）。

始動に切換っていなければ運転中あるいは停止状態のま
まであると判断して今回のルーチンを終了し、切換って
いればＰ、で始動前の素子部温度に２に基づき第１０図
に示すテーブルマツプから始動カウント初期値Ｔ２をル
ックアップする。このように、停止、始動毎にそれぞれ
最適なカウント初期値Ｔ□、Ｔ２を算出する。

次に、上記プログラムにより算出されたカウント初期値
Ｔ１、Ｔ２に基づくヒータの供給電力制御について説明
する。

第８図において、Ｐ工、でエンジン１の始動後であるか
否かを判別し、始動後であるときはＰ□２で初期値が［
０］で所定時間毎にインクリメントされるカウンタ値Ｔ
ｃを読み込む。次いで、Ｐ、３ではこのカウント値Ｔｃ
に始動カウント初期値Ｔ２を加算して始動累計カウント
値Ｔｓを求める。

Ｔｓは素子部温度を基に換算したエンジン始動後の経過
時間として捉えられる。したがって現実の経過時間とは
必ずしも一致せず１例えば始動時にＴ２＝０という条件
下にあれば現実の経過時間に一致する。

Ｐ工、では始動累計カウント値Ｔｓに基づき前記第１０
図に示すテーブルマツプからこのときの素子部温度の推
定値に工をルックアップする。第１θ図に示すテーブル
マツプはエンジン始動後における経過時間と素子部温度
との関係を示しており、かかるマツプ曲線は実験等によ
り当該エンジン機種に合致する最適推定値として求めら
れる。したがって、始動後の経過時間がわかれば素子部
温度を正確に推定することができる。

次いで、Ｐｌ５で推定値に工を始動最終値Ｋｒｒｒａｘ
と比較し、Ｋ□＜Ｋｍａｘのときは上述した曲線に沿う
ような加熱量となる供給電力をヒータ２２に供給して今
回のルーチンを終了する。これは例えばヒータ信号ｓｈ
のデユーティ値を制御して行う。したがって、素子部温
度は耐久性を考慮して緩やかに上昇する。そして、上記
ルーチンを繰り返してに工≧Ｋ　ＩＩＩａｘになると素
子部３６が十分に活性化したと判断してＰｌ、でヒータ
信号ｓｈのデユーティ値を通常のデユーティ制御に切換
える。この通常デユーティ制御は１例えば回転数Ｎと基
本噴射量Ｔｐをパラメータとするテーブルマツプから素
子部温度が所定の目標温度となるようなデユーティ値を
ルックアップし、さらにそれをバッテリ電圧ＶＢで補正
して最終デユーティ値を決定するという方法で行う。次
いで１．Ｐ工、でＫ　１＝　Ｋ　ｚＢ）ｇに固定すると
ともに、以後本ルーチンの実行を禁止するようにセット
する６したがって、これ以後はに工＝Ｋ　ｗａｘに保持
され、ヒータ信号ｓｈの通常デユーティ制御が継続され
る。

一方、上記ステップＰ１１で始動後でないときはＰｌ８
でエンジン１の停止後であるか否かを判別する。停止後
でないとき（例えば、停止直前の回転数のとき等）は今
回ルーチンを終了し、停止後であるときは２２ｇでカウ
ンタのカウント値Ｔｃを読み込む。次いでＰ２ｏでこの
カウント値Ｔｃに停止カウント初期値Ｔ□を加算して停
止累計カウント値下Ｅ　を求める。ＴＥ　は素子部温度
を基に換算したエンジン停止後の経過時間として捉えら
れる。

前述したＴｓと同様の考えに基づく。

Ｐ２□では停止累計カウント値ＴＥに基づき前記第９図
に示すテーブルマツプからこのときの素子部温度の推定
値に２をルックアップする。第９図に示すテーブルマツ
プはエンジン停止後における経過時間と素子部温度との
関係を示しており、かかるマツプ曲線は第１０図の場合
と同様に実験等により最適推定値として求められる。し
たがって。

停止後の経過時間がわかれば素子部温度がどの程度まで
低下しているかを正確に推定することができる。

次いで、Ｐ２□で推定値に２を停止最終値Ｋ　ａｋｉｎ
と比較し、Ｋ２≧Ｋｍｉｎのときは素子部温度が未だ下
降中であると判断して今回のルーチンを終了する。そし
て、このようなルーチンを繰り返してに２（Ｋｍｉｎに
なるともはや温度下降の程度を無視できる状態であると
判断して、Ｐ２３で推定値に２をに２＝Ｏにセットする
とともにコントロールユニット１５の電源をカットして
演算処理を停止する。

このように、エンジン１が停止すると停止後の素子部３
６の温度の変化を推定しておき、エンジン１が再始動す
ると、そのときの推定温度から始動時には最適な供給電
力をヒータ２２に供給する。

以後、目標温度となる迄の間は素子部３６の耐久性を考
慮しつつ速やかに活性状態に移行する温度変化となるよ
うにヒータ２２への供給電力が制御される。したがって
、仮に短時間の間にエンジン１の始動・停止が繰り返さ
れたような場合であっても、素子部３６の過度の温度上
昇を避けつつ最短時間で速やかに活性化することができ
る。その結果、酸素センサ１２の耐久性を向上させるこ
とができる。

なお、第９．１０図に示したような素子部温度の推定に
際しては、例えばエンジンの暖機状態、酸素センサの周
囲温度、エンジンの運転条件等のパラメータによる補正
を行って推定精度を高めるようにしてもよい。

また、本実施例では始動後にヒータの供給電力を増大さ
せる方法としてヒータ信号をデユーティ制御しているが
、この場合、そのときのバッテリ電圧でデユーティ値を
逐次補正するようにしてもよい。そうすれば適切な加熱
特性とすることができる。

なお、ヒータの供給電力は、上記デユーティ制御に限る
ことはない。要は第１０図に示した加熱特性を満たす方
法であれば他の接方でもよく、例え）ｆヒータ印加電圧
の大きさを変化させる等であってもよい。

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適用することが
できる。

（効果） 本発明によれば、エンジン始動時に酸素センサの素子部
の過度の温度上昇を防止しつつ速やかに活性化させるこ
とができ、酸素センサの耐久性を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜１０図は本発明に
係る酸素濃度測定装置の一実施例を示す図であり、第２
図はその全体構成図、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
空燃比検出回路の回路図、第６図はその空燃比と検出電
圧との関係を示す図、第７図はそのカウンタ初期値演算
のプログラムを示すフローチャート、第８図はそのヒー
タ制御のプログラムを示すフローチャート、第９図はそ
のエンジン停止時におけるカウント値と素子部温度との
関係を示す図、第１０図はそのエンジン始動時における
カウント値と素子部温度との関係を示す図である。 １・・・・・・エンジン、 １２・・・・・・酸素センサ、 １４・・・・・・運転状態検出手段。 １５・・・・・・コントロールユニット（推定手段、温
度演算手段、ヒータ制御手段）。 特　許　出　願　人　　　日産自動車株式会社第３図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）排気中の酸素濃度を検出する素子部と、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
   の運転状態を検出する運転状態検出手段と、 ｃ）エンジンが停止したとき酸素センサの温度の変化状
   態を推定する推定手段と、 ｄ）エンジンが始動したとき推定手段の出力に基づいて
   始動時の酸素センサの温度を演算する温度演算手段と、 ｅ）エンジンが始動すると始動時の酸素センサの温度に
   基づいて最初の供給電力を決定し、以後目標温度に移行
   する迄の間所定の温度変化となるように酸素センサのヒ
   ータへの供給電力を制御するヒータ制御手段と、 を備えたことを特徴とする酸素濃度測定装置。