JPS62177442A - 酸素濃度センサの活性判別方法 - 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】 炎丘且１ 本発明は内燃エンジンの空燃比制御装置に用いられる酸
素濃度センサの活性判別方法に関する。

江ｊｕＬ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Ｖ素濃度を酸素濃度センサによって検出し、エ
ンジンに供給する混合気の空燃比を酸素濃度センサの出
力レベルに応じて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。例えば、平板状の酸素イオン伝導性固体電
解質部材の両主面に電極対を設けて固体電解質部材の一
方の電極面が気体滞留室の一部をなしてその気体滞留室
が排気ガス等の被測定気体と導入孔を介して連通ずるよ
うにした限界電流方式の酸素濃度センサが特開昭５２−
７２２８６号公報に開示されている。この酸素濃度セン
サにおいては、酸素イオン伝導性固体電解質部材と電極
対とが酸素ポンプ素子として作用して気体滞留室側電極
が負極になるように電極間に電流を供給すると、負極面
側にて気体滞留室内気体中の酸素ガスがイオン化して固
体電解質部材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。このときの電極間に流れ得る限界電
流値は印加電圧に拘らずほぼ一定となりかつ被測定気体
中の酸素濃度に比例するのでその限界電流値を検出すれ
ば被測定気体中の酸素濃度を測定することができる。と
ころが、かかる酸素濃度センサを用いて空燃比を制御す
る場合に排気ガス中の酸素濃度からは混合気の空燃比が
理論空燃比よりリーンの範囲でしか酸素濃度に比例した
出力が得られないので目標空燃比をリッチ領域に設定し
た空燃比制御は不可能であった。空燃比がリーン及びリ
ッヂ領域にて排気ガス中の酸素濃度に比例した出力が得
られる酸素濃度センづとしては２つの平板状の酸素イオ
ン伝導性固体電解質部材各々に電極対を設けて２つの固
体電解質部材の一方の電極面各々が気体滞留室の一部を
なしてその気体滞留室が被測定気体と導入孔を介して連
通し一方の固体電解質部材の他方の電極面が大気室に面
するようにしたものが特６０昭５９−１９２９５５号に
開示されている。この酸素園度検出装首においては一方
の酸素イオン伝導性固体電解質部材と電極対とが酸素濃
度比検出電池系子として作用し他方の酸素イオン伝導性
固体電解質材と電極対とが酸素ポンプ素子として作用す
るようになっている。酸素濃度比検出電池素子の電極間
の発生電圧が基準電圧以上のとき酸素ポンプ素子内を酸
素イオンが気体滞留室側電極に向って移動するように電
流を供給し、酸素濃度比検出電池系子の電極間の発生電
圧が基準電圧以下のどき酸素ポンプ素子内を酸素イオン
が気体滞留室側とは反対側の電極に向って移動するよう
に電流を供給することによりり一部及びリッチ領域の空
燃比において電流値は酸素濃度に比例するのである。

このような酸素濃度比例型の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１分高い温度（例えば、６５０℃
以上）にする必要がある。

よって、酸素ポンプ素子及び電池素子を加熱するために
ヒータ素子が内臓され、酸素濃度測定時にはヒータ素子
が発熱するようになっている。

しかしながら、ｖｉ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が定
常運転時の排気ガス温度より」分高い温度でなければ比
例出力特性が得られないので定常運転時の排気ガス温度
以下で所望の出力特性が得られる酸素濃度に比例しない
タイプの酸素濃度センナのようにエンジン冷却水温、吸
気温等のエンジン運転パラメータを用いて活性化を判別
することができないという問題点があった。また酸素濃
度センサの出力レベルから活性判別をする場合には供給
混合気の空燃比を予め定められた値にしなければ酸素濃
度センサの活性を正確に判別できないという問題点があ
った。

ｌ団豊且Ｉ そこで、本発明の目的は、酸素濃度比例型の酸素濃度セ
ンサの活性化を正確に判別することができる活性判別方
法を提供することである。

本発明の酸素濃度センυの活性判別方法は、電池素子等
の素子の電極間に第１抵抗を介して所定電圧を供給して
素子の電極間電圧を第１検出値として検出し、所定電圧
の供給を停止して素子の電極間に並列にＭ２抵抗を接続
して素子の電極間電圧を第２検出値として検出し、第１
検出値と第２検出値との差に基づいて酸素濃度センサの
活性を判別することを特徴としている。

支−五−１ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明の活性判別方法を適用した酸素濃度比例
出力型の酸素濃度センサを示している。

この酸素濃度センサにおいては、はぼ直方体状の酸素イ
オン伝導性固体電解質部材１が設けられている。酸素イ
オン伝導性固体電解質部材１内には気体滞留室２が形成
されている。気体滞留ｖ、２は固体電解質１外部から被
測定気体の排気ガスを導入する導入孔４に連通し、導入
孔４は内燃エンジンの排気管（図示せず）内において排
気ガスが気体滞留室２内に流入し易いように位置される
。また酸素イオン伝導性固体電解質部材１には大気を導
入する大気基準室５が気体滞留室２と壁を隔てるように
形成されている。気体８ｆｉ留全２と大気基準室５との
間の壁部及び大気基準室５とは反対側の壁部には電極対
７ａ、７ｂ、６ａ、６ｂが各々形成されている。固体電
解質部材１及び電極対６ａ、６ｂが酸素ポンプ素子８と
して作用し、固体電解質部材１及び電極対７ａ、７ｂが
電池素子９として作用する。また大気基準室５の外壁面
にはヒータ素子１０が設けられている。ヒータ素子１０
はイグニッションスイッチ（図示せず）のオンと同時に
電流が供給されて発熱するようになっている。

酸素イオン伝導性固体電解質部材１としては、ＺｒＯ２
（二酸化ジルコニウム）が用いられ、電極６ａないし７
ｂとしてはＰｔ（白金）が用いられる。

第２図において、電池素子９の電極７ａには抵抗１１と
スイッチ１２との直列回路が接続され、電圧Ｖｅがその
直列回路を介して電極７ａに供給されるようになってい
る。電池素子９の電１７ａ。

７ｂにＣ９日氏抗１３とスイッチ１４との直列回路が並
列に接続されると共に電極７ｂはアースされている。ま
た電［ｉ　７　ａにはマイクロコンピュータからなる判
別回路１５と差動増幅回路１６とが接続されている。差
動増幅回路１６は電池素子９の電極７ａ、７ｂ間の発生
電圧と基準電圧源１７の出力電圧との差電圧に応じた電
圧を出力する。Ｗ準電圧源１７の出力電圧は理論空燃比
に相当する電圧（例えば、０．４Ｖ）である。差動増幅
回路１６の出力端はスイッチ１８、そして電流検出抵抗
１９を介して酸素ポンプ素子８の電極６ａに接続されて
いる。酸素ポンプ素子８の電極６ｂはアースされている
。電流検出抵抗１９の両端電圧が酸素濃度検出値として
出力される。なお、スイッチ１２．１４．１８のオンオ
フは判別回路１５によって駆動制御される。

次に、本発明の活性判別方法の手順を第３図に示した判
別回路１５の動作フロー図に従って説明する。

判別回路１５はイグニッションスイッチのオンと同時に
先ず、スイッチ１２をオン駆動しくステップ５１）、電
池素子９の出力電圧Ｖｓを所定時間内において所定リン
プリングタイミングで読み込む（ステップ５２）。その
各読み込み値の最大値Ｖｏｚｍａｘを検出しくステップ
５３）、最大値Ｖｏｚｍａｘを第１検出値ＶＯ２（１）
として記憶する（ステップ５４）。そしてスイッチ１２
のオン駆動を停止しくステップ５５）、スイッチ１４を
オン駆動しくステップ５６）、電池素子９の出力電圧Ｖ
ｓを所定時間内において所定サンプリングタイミングで
読み込む（ステップ５７）。その各読み込み値の最大値
Ｖｏ２ｍａｘを検出しくステップ５８）、最大値Ｖｏｚ
ｍａＸを第２検出値ＶＯ２（２）として記憶しくステッ
プ５９）、スイッチ１４のオン駆動を停止する（ステッ
プ６０）。次いで、第１検出値ＶＯ２（１）と第２検出
値ＶＯ２（２）との差の絶対値を算出してその算出値を
ΔＶ。

２　　（＝　ｌ　ＶＯ２（２）　−ＶＯ２（１）　　ｌ
　）としくステップ６１）、ΔＶＯ２が基準値Δｖｒｅ
ｒより小であるか否かを判別する（ステップ６２）。Δ
Ｖ。

２≧ΔＶ　ｒｅｆならば、酸素濃度センサの活性化が完
了していないとして再びステップ５１を実行する。一方
、ΔＶＯ２＜Δｖｒｅｒならば、電池素子９の活性化が
完了したと判別し、その判別から所定時間ｔｏが経過し
たか否かを判別する（ステップ６３）。電池素子９はヒ
ータ索子１０の配設位置の近くに位置していることに対
して酸素ポンプ素子８が離れているので第４図に示すよ
うに電池素子９の温度が活性温度Ｔ１まで上背してから
時間１．だけ遅れて酸素ポンプ素子８の温度が活性温度
Ｔ１まで達する。よって、酸素ポンプ素子８の活性が電
池素子９の活性より遅れるためにステップ６３の判別が
実行され、所定時間ｔｏはばらつきを考慮して時間ｔｌ
より若干大きく設定されている。ΔＶＯ２＜ΔＶ　ｒｅ
ｆの判別から所定時間ｔｏが経過したならｉｆ、酸素ポ
ンプ素子８の活性化が、すなわち酸素濃度センサの活性
化が完了したとしフラグＦＯ２に“１″をセットして酸
素濃度センサの活性を記憶しくステップ６４）、スイッ
チ１８をオン駆動して酸素ポンプ素子８へのポンプ電流
の供給を開始する（ステップ６５）。

かかる本発明の活性判別方法の手順においては、スイッ
チ１２をオン駆動することにより抵抗１１がプルアップ
抵抗として作用し、電池素子９の電極間に電圧■８が抵
抗１１を介して供給される。

電池素子９がヒータ素子１０によって加熱されるに従っ
て電池素子９の電極間電圧は第５図に示すように低下し
、空燃比がリーン領ｔＩ！（実線Ａ）ではリッチ領域（
実線Ｂ）の場合よりも更に低下する。一方、スイッチ１
２のオン駆動を停止してスイッチ１４をオン駆動するこ
とにより抵抗１３がプルダウン抵抗として作用する。電
池素子９がヒータ素子１０によって加熱されるに従って
電池素子９の電極間電圧は第６図の実線Ｃに示すように
空燃比がリッチ領域ならば上着し、リーン領域の場合に
は実線りの如く僅かに上がする。よって、上記の如く電
池素子９の電極間電圧Ｖｓの最大値ｙ（，２ｍａｘを第
１及び第２検出値ＶＯ２（１）　、ＶＯ２（２）として
各々検出することにより空燃比がリッチ領域にあるとぎ
のプルアップ抵抗接続時及びプルダウン抵抗接続時の電
池素子９の電８ｉ間電圧Ｖｓを検出することになり、そ
のとき電池索子９の活性化が完了している場合には１Ｖ
Ｏ２（２）−ＶＯ２（１）ｌは基準値ΔＶ　ｒｅｆより
小となるのでステップ６２の判別により電池素子９の活
性を検出することかできる。なお、電池素子９の電極間
電圧Ｖｓの最小値Ｖｏｚｍ！ｎを第１及び第２検出値Ｖ
ｏ　２　（１）　、Ｖｏ　２　（２）として各々検出し
てリーン領域にＪ３いて電池素子９の活性を判別しても
良い。

一方、酸素ポンプ素子８へのポンプ電流の供給が開始さ
れると、そのときエンジンに供給された混合気の空燃比
がリーン領域であれば、電池素子９の電極７ａ、７ｂ間
に発生する電圧が基準電圧源１７の出力電圧より低くな
るので差動増幅回路１６の出力レベルが正レベルになり
、この正レベル電圧が抵抗１９及び酸素ポンプ素子８の
直列回路に供給される。酸素ポンプ素子８には電極６ａ
から電極６ｂに向ってポンプ電流が流れるので気体滞留
室２内の酸素が電極６ｂにてイオン化して酸素ポンプ素
子８内を移動して電極６ａから酸素ガスとして放出され
、気体滞留室２内の酸素が汲み出される。

気体滞留室２内の酸素の汲み出しにより気体滞留ｖ２内
の排気ガスと大気１１室５内の大気の間に酸素濃度差が
生ずる。この酸素濃度差に応じた電圧Ｖｓが電池素子９
の電極７ａ、７ｂ間に発生し、この電圧Ｖｓは差動増幅
回路１６の反転入力端に供給される。差動増幅回路１６
の出力電圧は電圧Ｖｓと基準電圧源１７の出力電圧との
差電圧に比例した電圧となるのでポンプ電流値は排気ガ
ス中の酸素濃度に比例し、ポンプ電流値は抵抗１９の両
端電圧として出力される。

リッチ領域の空燃比のときには電圧Ｖｓが基準電圧源１
７の出力電圧を越える。よって、差動増幅回路１６の出
力レベルが正レベルから負レベルに反転する。この負レ
ベルにより酸素ポンプ素子８の電極６ａ、６ｂ間に流れ
るポンプ電流が減少し、電流方向が反転する。すなわち
、ポンプ電流は電極６ｂから電極６ａ方向に流れるので
外部の酸素が電極６ａにてイオン化して酸素ポンプ素子
８内を移動して電極６ｂから酸素ガスとして気体滞留室
２内に放出され、酸素が気体滞留室２内に汲み込まれる
。従って、気体滞留室２内の酸素濃度が常に一定になる
ようにポンプ電流を供給することにより酸素を汲み込ん
だり、汲み出したりするのでポンプ電流値ｉｐ及び差動
増幅回路１６の出力電圧はリーン及びリッチ領域にてｕ
１気ガス中の酸素濃度に各々比例するのである。

ｌユ夏芳旦 以上の如く、本発明の酸素濃度センサの活性判別方法に
おいては、素子の電極間に第１抵抗を介して所定電圧を
供給して素子の電極間電圧を第１検出値として検出し、
所定電圧の供給を停止して素子の電極間に並列に第２抵
抗を接続して素子の電極間電圧を第２検出値として検出
し、第１検出値と第２検出値との差に基づいて酸素濃度
センサの活性を判別するので空燃比がリッチ領域及びリ
ーン領域のいずれであってｔＪ酸素濃度センサの活性を
正確に判別することができる。よって、エンジン始動か
ら短時間で供給混合気の空燃比のフィードバック制御を
開始することができ、排気浄化性能の向上を図ることが
できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の活性判別方法を適用した酸素濃度セン
サを示す図、第２図は第１図の酸素濃度センサの電気回
路を示す回路図、第３図は本発明の活性判別方法の手順
を示すフロー図、第４図は素子の温度上昇特性を示寸図
、第５図及び第６図は活性化時の素子の電極間電圧の変
化特性を示す図である。 主要部分の符号の説明 １・・・・・・酸素イオン伝導性固体電解質部材２・・
・・・・気体滞沼室 ４・・・・・・導入孔 ５・・・・・・大気基準室 ８・・・・・・Ｎ素ポンプ素子 ９・・・・・・電池素子 １０・・・・・・ヒータ素子 １６・・・・・・差動増幅回路 １７・・・・・・基準電圧源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　酸素イオン伝導性固体電解質部材に電極対が形成され
   た素子を有し被測定気体中の酸素濃度に応じた出力信号
   を発生する酸素濃度センサの活性判別方法であって、前
   記素子の電極間に第１抵抗を介して所定電圧を供給して
   前記素子の電極間電圧を第１検出値として検出し、前記
   所定電圧の供給を停止して前記素子の電極間に並列に第
   ２抵抗を接続して前記素子の電極間電圧を第２検出値と
   して検出し、前記第１検出値と第２検出値との差に基づ
   いて酸素濃度センサの活性を判別することを特徴とする
   活性判別方法。