JPS6270750A - 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素濃度を検出す
る酸素濃度センサの制御方法に関する。

１旦且」 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で検出し、こ
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
としてエンジンに供給する混合気の空燃比が理論空燃比
より大なる領域におい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５８−１５３１５
５号）。かかる酸素濃度センサにおいては、一対の平板
状の酸素イオン伝導性固体電解質部材を有する酸素濃度
検出器が設けられている。その固体電解質部材は排気ガ
ス中に配置されるようになされ、固体電解質部材の各表
裏面には電極が各々形成されかつ固体電解質部材が所定
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
。固体電解質部材の一方が酸素ポンプ素子として、他方
が酸素濃度比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、間隙部中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
ので酸素ポンプ素子への供給電流が一定値であれば電池
素子の電極間にその酸素濃度差、すなわち排気ガス中の
酸素濃度に比例した電圧が発生するのである。この電池
素子の発生電圧からエンジンに供給された混合気の空燃
比が目標空燃比よりリッチ及びリーンのいずれであるか
判別される。空燃比を２次空気によって制御する場合、
リッチと判別されたならば、２次空気をエンジンに供給
し、リーンと判別されたならば、２次空気の供給を停止
することにより空燃比が目標空燃比に制御される。また
電池素子の発生電圧を一定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比例することになり
、酸素ポンプ素子への供給電流値がら空燃比を判別する
こともできる。

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℃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
めにヒータからなる加熱素子が内臓され、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。かかる酸素濃度センサによって排気ガ
ス中の酸素濃度を検出する場合、通常、バッテリーを電
源として加熱素子に電流が供給されているのでバッテリ
ーの出力電圧の変動ににより加熱素子の発熱口が変化し
、酸素ポンプ索子及び電池素子の温度を変化させる。し
かしながら、バッテリー電圧が高くなるほど、加熱素子
の発熱温度が高温状態になり加熱素子の劣化が早くなる
という問題点があった。特にヒータに断続的にバッテリ
ー電圧を印加してヒータ電流値をデユーティ制御する場
合にはそのデユーティ比が一定でもバッテリー電圧が高
くなるほど、加熱素子の発熱温度が過度に高温状態にな
り加熱素子の劣化が急速に進むのである。

■」Ｊとｉヌ そこで、本発明の目的は、電源電圧上昇による加熱素子
の急速な劣化を防止することができる酸Ｍ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ナの制御方法は電源の出力電圧レ
ベルが所定電圧以上の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。

友−亙−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図は本発明による酸素濃度センサの制御方法を適用
した車載内燃エンジンの空燃比制御装置を示している。

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の空気突出口近傍とは吸気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には電磁開開弁２６が設けられている。電磁
開閉弁２６はそのソレノイド２６ａ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）の回転に応じたレベルの出力を発生ずる
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、３７は大気吸
入口２０近傍に設けられて吸気温に応じたレベルの出力
を発生する吸気温センサ、３０はエンジン２１の排気マ
ニホールド３１に設けられ排気ガス中の酸素濃度に比例
した出力を発生する酸素濃度セン奢すである。電磁開閉
弁２６、絶対圧レンザ２７、回転数センサ２８、水温セ
ンサ２９及び吸気温ゼンサはマイクロコンピュータから
なる空燃比制御回路３２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ー（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ｍ度センサ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を含んでいる。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（）られ／ｊハウジング２を有してお
り、該ハ１クジング２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によった囲繞され、保護部材１７
の−・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つずつの排気ガス通過孔１７ａが形成されている。な
お、図中のＡ−Ａ線より左の部分が排気マニホールド３
１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子平板状素子４．５を有し、その両
側に板状加熱素子６．７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４，５は互いの主面が
対向するように平行に配置され、か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伝導性固体電解質の焼結
体からなる。酸素ポンプ素子４の一端部４ａ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なる正方形
状の電極Ｅ１１．１２が各々設けられている。一方の電
極層１１には耐熱金属からなり素子４の他端部４ｂまで
直線的に伸長する引き出し線１１ａが接続されている。

なお、引き出し線１１ａ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１２にも酸素ポ
ンプ素子４の他端部４ｂに直線的に達する引き出し線１
２ａ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１
１ａ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１２ａは素子４の他端部４
ｂにおいて素子４の表裏を貫通しているスルーホール４
Ｃを通じてその反対側の取り出し部１２ｂに接続されて
いる。また、引ぎ出し線１１ａ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の一方の主面に電極層１１．１２の各取り出し部１１
ｂ、１２ｂが配置されているのである。

他方の素子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伝導性固体
電解質の焼結体からなる。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１３．１４並びに引き出し線（１３ａ）、１４
ａを有し、電極層１３が設けられた主面に取り出し部（
１３ｂ）、１４ｂが形成されている。なお、引き出し線
１４ａと取り出し部１４ｂはスルーホール５Ｃを通じて
接続されている。

上記した素子４，５の主体をなす酸素イオン伝導性固体
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
ツトリア或いはカルシア等の固容体であるが、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１２１１容体が使用可能である。また、電極層１１
ないし１４、引き出し線１１ａないし１４ａ、取り出し
部１１ｂないし１４ｂ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等の各方法を用いて被着形成する
。

ここで、第３図に示される板状の加熱素子６゜７につい
て説明する。

加熱素子６，７の主体は上述した素子４．５よりも少し
長手方向の寸法が小さい長方形のアルミナ、スピネル等
の絶縁性無機質板状体からなる。

加熱索子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間口部６ａが形成されている。

加熱素子６にはこの開口部６ａの周囲にヒータ線６ｂが
波状に配設され、かつ該加熱素子６の他端部に形成され
た取り出し部６ｃに引き出し線６ｄを介して電気的に接
続されている。

なお、ヒータ線６ｂ、取り出し部６Ｃ及び引き出し線６
ｄ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（７ｂ）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酸素ポンプ素子４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、酸素ポンプ素子４と電池素子５との
間の間隙部８に存在する酸素が酸素ポンプ素子４の外側
に汲み出される。

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、すなわち排気ガスと間隙部８内の気体との
間に酸素濃度差が生ずる。この酸素濃度差により電池素
子５の電極層１３．１４間に電圧が発生する。この電圧
はｍ素漠度センサ３０にその間隙部８の３方向間口部か
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から外側に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Ｉｐ
が制御される。よって、定温においてその電流値１ｐは
排気ガス中の酸素濃度にほぼ比例することになる。

空燃比制御回路３２はポンプ電流供給回路３５から酸素
ポンプ素子４に供給されるポンプ電流値Ｉｐ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であるかを判別づる。す
なわらポンプ電流値Ｉｐが目標空燃比に対応する基準値
以下のとぎリッチとし、基準値以上のとぎリーンとする
。この判別結果に応じて電磁開閉弁２６の開閉を制′ｍ
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。

加熱素子６，７はその取り出し部６ｃ、（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
ｂ、（７ｂ）に通電され、ヒータ線６ｂ、（７ｂ）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によってデユーティ制御される。空燃比
制御回路３２はヒータ電流値ＩＨを表わすＩＨデユーテ
ィパルスをヒータ電流供給回路３６に対して供給する。

ヒータ電流供給回路３６は第６図に示すようにＩ＋−＋
デユーディパルスを入力してそのＩＨデユーティパルス
によりオンとなりヒータ線６ｂ、（７ｂ）にバッテリー
電圧Ｖｓを印加するスイッチングトランジスタ３９から
なる。

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７図に示した動作
フロー図に従って説明する。

空燃比制御回路３２は、先ず、大気圧ＰＡが６５　Ｑ　
ｍｍＨｇ以下であるか否か、冷却水温Ｔｗが４５℃以下
であるか否か、吸気ｍＴＡが２０℃以下であるか否か、
またエンジン回転数Ｎｅが３００ｒｐ、　ｍ、以下であ
るか否かを判別する（ステップ５１ないし５４）。ＰＡ
　＜　５５０ｍｍＨ（］ならば高地走行時であり、Ｔｗ
＜４５℃ならば低冷却水温であり、ＴＡ＜２０℃ならば
低吸気温であり、またＮｅ＜３００　ｒ、　ｐ、ｍ、な
らばエンジンクランキング時である。このような状態に
は空燃比をリーン領域の値にフィードバック制ｉするこ
とを停止する必要があるので空燃比制御回路３２はポン
プ電流供給回路３５に対してポンプ電流供給停止Ｆ指令
を発生しくステップ５５）、またヒータ電流の供給を停
止するためにＩＨ＝Ｏに対応するようにＩＨデユーティ
パルスのデユーティ比を０％にしてＩ＋−＋デユーティ
パルスのヒータ電流供給回路３６に対する供給を停止す
る（ステップ５６）。一方、ＰＡ≧６５０　ｍｍ１１ｇ
、Ｔｗ≧４５℃、ＴＡ≧２０℃、またＮｅ≧３０　Ｏｒ
、ｐ、ｍ、の各条件を全て充足するときにはバッテリー
電圧ＶＢが１４．７Ｖ以上であるか否かを判別する（ス
テップ５７）。ＶＢ≦１４゜７■ならば、空燃比制御回
路３２の内部タイムカウンタＡ（図示せず）に計数時間
として０．５ｓｅｃをセットしてダウン計数を開始させ
る（ステップ５８）、Ｖｅ　＞１４．７Ｖならば、バッ
テリー電圧Ｖｅが高電圧であるのでこの高電圧状態が０
゜５　ｓｅｃ以上継続したか否かをタイムカウンタＡの
計数値から判別する（ステップ５つ）。バラ・アリ−の
高電圧状態が０．５ｓｅｃ以上継続した場合には加熱素
子の６，７に過電力が供給されてヒータ線６ｂ、（７ｂ
）を熱破壊するのでヒータ電流の供給を停止されるため
にステップ５５及び５６を実行する。バッテリーの高電
圧状態が０．５ｓｅｃ以上継続していない場合、またス
テップ５８の実行後には吸気絶対圧ＰＢＡが２１０　ｍ
ｍ１１ｇより小であるか否かを判別する（ステップ６０
）。ＰＢＡ≧２１０　ｍｍ１ｇならば、エンカジン回転
数Ｎｅが４０００　ｒ、ｐ、ｍ、以上であるか否かを判
別する（ステップ６１　）　。Ｎｅ＞４００Ｏｒ、Ｉ）
、ｍ、のときはエンジン２１の吸入混合気足が多くなり
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加熱素子６及び７を保護するために
ステップ５５及び５６を実行してヒータ電流の供給を停
止させる。Ｎｅ≦４００　Ｏｒ、ｌ）、ｍ、のときはエ
ンジン回転数Ｎｅが３０００　ｒ、ｐ、ｍ、以上である
か否かを判別する（ステップ６２）。Ｎｅ≦３０００　
ｒ、ｐｔ、ならば、空燃比制御回路３２の内部タイムカ
ウンタＢ（図示せず）に計数時間として１Ｑ　ｓｅｃを
セットしてダウン計数を開始させる（ステップ６３）。

その後、ポンプ電流供給回路３５に対してポンプ電流供
給指令を発生しくステップ６４）、またヒータ電流供給
回路３６に対して設定された酸素濃度検出用の内容＜Ｉ
Ｈ≠０）のデユーティパルスを供給する（ステップ６５
）。なお、ステップ６０においてＰａ　Ａ　＜　２１　
Ｑｒ、ｐ、ｍと判別された場合にはエンジン負荷が低負
荷であるのでステップ６４を直ちに実行するａＮｅ〉３
０００　ｒ、ｐ、ｍ、ならば、すなわち４０００≧Ｎｅ
＞３０００　ｒ、ｐ、ｍ、ならば、空燃比制御回路３２
はポンプ電流供給回路３５に対してポンプ電流供給停止
指令を発生しくステップ６６）、この回転数範囲の状態
が１０ＳｅＣ以上継続したか否かをタイムカウンタＢの
計数値から判別する（ステップ６７）、４０００≧Ｎｅ
＞３０００ｒ、ｐ、ｍ、の回転数範囲の状態が１０Ｓｅ
Ｃに１．上継続した場合にはステップ５６を実行してヒ
ータ電流の供給を停止［する。かかる回転数範囲の状態
が１０ＳｅＣ以上継続していない場合にはステップ６５
を実行する。ステップ６５実行後、空燃比制御回路３２
はヒータ電流値Ｉ＋をバッテリー電圧Ｖａに応じて補正
する（ステップ６８）。かかる補正はバッテリー電圧Ｖ
ｅの標準電圧をＶｒとすると、′空燃比制御回路３２か
ら出力されるＩ＋−＋デユーティパルスのデユーティ比
Ｔｏ）−ＩＥを１００−Ｋ　（Ｖｅ−Ｖｒ）の如く設定
することにより行なわれる。ここで、Ｋは定数である。

これによりＩ＋→デユーティパルスのデユーティ比ＴＯ
Ｉ−ＩＥは第８図に示すようにバッテリー電圧Ｖｅが低
いときには１００％に設定され、バッテリー電圧Ｖｓが
所定電圧■１以上では電圧ＶＢが高くなるほど小さく設
定される。

このように、空燃比制御回路３２は上記の各ステップを
繰り返し実行することによりヒータ電流値■Ｈを制御す
るのである。

なお、既にポンプ電流供給中のときにはステップ６４を
実行しないように、またヒータ電流供給中のときにはス
テップ６５を実行しないようにしても良い。またステッ
プ６８において空燃比制御回路３２から出力されるＩ＋
−＋デユーティパルスのデユーティ比ＴＯＩ−ＩＥを（
Ｖ　ｒ／Ｖｅ　）　Ｘ　１００の如く設定しても良い。

これによりＩ＋デユーティパルスのデユーティ比ＴＯＩ
−ＩＥは第９図に示すように第８図の場合とほぼ同様に
設定される。

また、上記した本発明の実施例においては、ポンプ電流
値を酸素濃度センサの出力信号としてポンプ電流値がら
空燃比が判別されているが、ポンプ電流値を所定値に制
御して電池素子の発生電圧を酸素濃度センサの出力信号
としても良く、その場合も上記同様に酸素濃度センサを
制御することができる。

発ｍ宋 このように、本発明の酸素濃度センサの制御方法におい
ては、バッテリー等の電源電圧が所定電圧以上にあると
き加熱素子への電流供給を停止するので電源電圧が高く
なっても加熱素子の発熱温度が過度に高温状態になるこ
とが防止される。よって、加熱素子の急速な劣化を防止
することができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御方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図はヒータ電流供
給回路の具体的構成を示す回路図、第７図は本発明の制
御方法の手順を示す動作フロー図、第８図及び第９図は
ＩＨデユーティパルスのデユーティ比設定特性図である
。 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 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 ２８・・・・・・回転数センサ

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
   の酸素濃度に比例した出力を発生する酸素濃度検出素子
   と電源から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
   制御方法であつて、前記電源の出力電圧レベルが所定電
   圧以上のときには前記加熱素子への電流供給を停止する
   ことを特徴とする酸素濃度センサの制御方法。