JPS6271846A - 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】 ±皿上１ 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＆１する。

１１に石 内燃エンジンの排気ガス浄化、燃費改善笠のために排気
ガス中の酸素濃度を酸素濃度セン→ノによっで検出し、
この検出レベルに応じてエンジンへの供給ｕ合気の空燃
比を目標空燃比にフィードバックＩＩＩＪ御する空燃比
ｌｌ１ｌＩＩ装置がある。

二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右する酸素濃度
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【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ｌＡ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索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、すなわちポンプ電流
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波素漠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ヂ及びり
−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ポンプ電流値を変化さ
せると、定温においてそのポンプ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、ポンプ電流値がら
空燃比を判別することもできる。

かかるＰａ累淵度レしザにおいては、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３、かかる酸素濃度センサによって排
気ガス中の酸ＪＫＵ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量が
変化し、酸素ポンプ素子及び電池素子の温度を変化させ
る。しかしながら、酸素ポンプ索子及び電池素子の温度
が変化すると、ＡＩ素濃度ヒンサの出力特性が変化づる
ので供給混合気の空燃比が同一でも酸素濃度センサ′の
出力レベルは異なり、酸素１１度センサの出力レベルか
ら正確に空燃比を７１；別することができないという問
題点があった。特に、空燃比を理論空燃比よりリーンに
フィードバック制御する装置においては、酸素濃度セン
サの出力特性の変化によって空燃比、″メオーバリーン
になり運転状態が極麿に悪化することがある。

１！１１１ヌ そこで、本発明の目的は、加熱素子へ電流を供給する電
源に電圧変動が生じても酸素濃度センサの出力信号がら
空燃比を正確に判別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ｔｎ度センナの制御方法は加熱素子・に供
給する電流値を電源電圧レベルに応じて変化せしめるこ
とを特徴としている。

及−監−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副部方法を２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には電磁開閉弁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
り゛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、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１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ナである。電磁開閉弁
２６、絶対圧センが２７、回転数セン＋２８、水温セン
サ２９及び吸気温セ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ｉＩＩ
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〉す３３及びイグニッションスイッチ３
４が多続されている。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。

閣素澹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ナ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。［ｆａ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″！７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線Ｊ、り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淵瓜検出累子３は与いに平
行にされた一対のｆｌｆｆｉ、　ｆ平板状素Ｆ４．５を
有し、その両側に板状加熱集子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
スペー看す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、その主体は酸木イオ”ン伝導性
固体電＠ｌｉ：１の焼結体からなる。酸素ポンプ素子４
の一端部／Ｉａ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ＦｆＪ１１．１２が
各々設ＧＪ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１１ａｈ＜接続されている。なお、引き出し線１
１ａ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１２ａ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１
２の角部のうち、上記用ぎ出し線１１ａ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
ぎ出し線１２ａは素子４の他端部４ｂにおいて素子４の
表裏を負通しているスルーホール−〇を通じてその反対
側の取り出し部１２ｂに接続されている。また、引き出
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。、７１なりち、素子４の一方の主面
に雷ｌ［；’ｊ１１，１２の各取り出し部１１ｂ、１２
ｂが配置されているのである。

池方の素子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↑休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
系子４と同様に構成されており、その表Ｗ面に正方形状
の電極層１３．１４並びに引き出し線（１３８）、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、
二酸化ヒリウム、二酸化１〜リウム、二酸化ハフニウム
簀の各固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１
１ｂないし１４ｂとしては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ等が使用
され、４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４形成する。

ここで９、第３図に示される根状の加熱素子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４．５Ｊ：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
等の絶縁性態□買板状体からなる。

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けた開口部６ａが形成されている。

加熱素子Ｇにはこの開口部６ａの周囲にヒータ外６ｂが
波状に配設され、かつ該加熱素子６の他Ｅ部に形成され
た取り出し部６Ｃに引さ゛出し線６ｄを介して電気的に
接続されている。

なあ、と−りｇ、ｉ６ｂ、取り出し部６Ｇ及び引さ出し
線６ｄはＰ−等の耐熱金属よりなる。また図示されては
いなζノ′・が、他方の加熱素子７にも加熱素子ｅと同
様の聞１」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＝度ヒンサ３０にＪ：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ＦＡ　５　ｉ　、　１２間にポンプ電流供給回路３
５によってポンプ電流が供給されることにより酸素ボ〕
／ブ卓子４の固体電解質内を酸素イオンが内側電極層１
２から４側電極層１１へ移動し、開先ポンプ索子４と゛
上池素子５との間の間隙部８に存在１［る酸素が酸素ポ
ンプ素子４の外側に汲み出される。

−Ｆ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υ［気ガスと間隙部８内の気体
との間に酸素濶度鈴が生ずる。この酸Ａ；淵度差により
雷ｉ１！！素子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ナ３０にその間隙部８の３
方向量口部から自由に流入する酸素量と、Ｐａ索水ポン
プ素子４より間隙部８から外側に汲み出されるＭ素置と
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′１８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Ｈ持されるＪζ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
■ρは排気ガス中の酸素濃１腹にほぼ比例Ｊ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゛市流値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
よりもリップ及びリーンのいずれであるかを１１１別す
る。すなわちポンプ電流値Ｉｐが目標空燃比に対応する
基準値以Ｆのときリッヂとし、基準値以上のとぎリーン
とする。この判別結梁に応じて電磁開閉弁２６の開閉を
制御づることにより吸気２次空気が吸気マニホールド２
３にりｊ給され、供給混合気の空燃比が目標空燃比に）
、ｆ−ドパツク制御されるので弱る。

加熱素子６，７はその取り出し部６ｃ、（７Ｇ）の各間
にヒータ゛名流供給回路３６がヒータ電流を供給するこ
とにＪ：って引き出し線６ｄ、（７ｄ）を介してヒータ
線６ｂ、（７ｂ）に通゛市され、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。

ビータ電流供給回路３Ｃによるヒータ電流の供給（３二
仝燃比ｉｔｉ’！　Ｆ１回路３２によってデユーティ制
ツ１１ざねる。空燃比制御回路３２はヒータ電流値Ｉ　
Ｈを表わす［Ｈ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３ｅは第６
図に示すように１＋デ１−ティパルスを入力してそのＩ
　ｌ−１デユーテイパルスによりオンとなりと一５１線
６ｂ、（７ｂ）にバラアリ−電圧Ｖｎ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
酸素濃度センナの制御方法のｆ類を第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／ｌ〜６５０
　ｍｍ１１ｇ以下であるか否か、冷却水温Ｔｗが４５℃
以下であるか否が、吸気１ＷＴＡが２０℃以下であるか
否か、また１２９２回転数Ｎｅが３０　Ｏｒ。

ｐｍ、以下であるか否かを判別するくステップ５１ない
し５４　）　、　ＰＡ　＜６５０ｍｍ１ｌａならば１ａ
地走行時であり、Ｔｗ＜４５℃ならば低冷却水温であり
、ＴＡ＜２０℃ならば低吸気渇であり、またＮｅ〈３０
０　ｒ、ｐ、ｍ、ならばエンジンクランキング１待であ
る。このような状態には空燃比をリーン領域の碩にフィ
ードバック制御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１−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Ｉ＋−１＝Ｏに対
応するように１＋＋デユーテイパルスのデユーティ比を
０％にしてＩＨデュ−アイパルスのと−タ電流供給回路
３６にヌ・１ｖる供給を停止Ｊる（ステップ５６）。一
方、ＰＡ≧６５Ｏｎ＋ｎ＋向、Ｔｗ≧４５°Ｃ，Ｔ、＝
≧２０℃、またＮｅ≧３０　Ｏｒ、Ｉ］、ｍ、の各条件
を全て充足づるこさにはバッテリー電圧ＶＢ　ｈ：　１
４　、７ｖ以上であるか否かを判別する（ステップ５７
）。ｖ８≦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ｇｔ　ｒ！ｌＯｓ間
とし、て０．５ＳｅＣをセットしてダウン４数を開始さ
せる（ステップ５８）。〜′Ｂ＞１４．７’ｖならば、
バッテリー電、ｒＥＶＢ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ｉ！：別する（ステップ５９）。八
ツテリーの高電圧状態が０．５ｓｅｃ以上継続した場合
には加熱索子の６．７に過電力が供給されてヒータ線６
ｂ、（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を実行づる。バラ子
り−の高電圧状態が０．５ｓｅｃ以上継続し・ていなり
・場合、またステップ５８の実１云後にｔよ吸気絶対圧
Ｐ３Ａが２１０　ｍｆｆ＋１１ｇより小であるハ否かを
判別づる（ステップ６０）、、Ｐ［ｌＡ≧２１０　ｍｍ
ｆｌりならば、エンカジン回転数Ｎｏ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、ｐ、ｍのどきハエンジン２゛１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Ｊ：り上背する可能性があるので加熱索子
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≦４００Ｏｒ
、Ｉ’１．ｍのときはエンジン回転数Ｎｏが３００　Ｏ
ｒ、ｐ、ｍ、以上であるか否かを判別する（ステップ６
２）。Ｎｅ≦３００Ｏｒ、ｐ、ｍ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５１数９
５間として１Ｑ　ｓｅｃをセラ１−シてダウン開数を開
始さ拷る（ステップ６３）。イの後、ポンプ電流供給回
路３５に対してポンプ°上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Ｑ度検出用の内容（ＩＨ≠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Ｐｅ　Ａ　＜　２１　Ｑｒ、ｐ、ｍ。

どτり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を直ちに実行でる。Ｎ　ｅ　＞　３００
　Ｏｒ、ｐ、ｍ、ならば、ずなわち４０００≧Ｎｅ〉３
０００　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λｊしてポンプ電流供給停止Ｆ指
令を発生しくステップ６６）、この回転数範囲の状態が
’、０ＳｅＣ以上継続したか否かをタイムカウンタＢの
Ｊ１数値から判別する（ス戸ツブ６７）、’１０００≧
Ｎｅ＞３００Ｏｒ、＋１．ｍの回転数範囲の状態が１０
ＳＬ３Ｃ以上継続した場合にはステップ５６を実１ｊシ
てヒータ電流の供給を停止する。かｈろ回転教範ｄＪ１
の状態が１０３９Ｃ以十継続していむい場合にはステッ
プ６５を実（ｊ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　Ｎをバッテリー電圧ＶＢに
応じて補正する（ステップ６８　）　、かかる補正はバ
ツデリー、ｌｆ圧ｖ８の標準電圧をＶ　ｒとすると、空
燃比制υ１１回路３２から出力されるＴ＋＋デユーティ
パルスのデｌ−ティｊｔ、Ｔｏ　１１　Ｅを１００−　
Ｋ、　’（Ｖ　６−　Ｖ　ｒ　）の如く設定することに
より行なわわる。ここで、Ｋは定数である。これにより
Ｉ　ｚデユーティパルスのデユーティ比ＴＯＨＥは第８
図に示すＪ：うにバッテリー電圧ｖ８が低いときには１
００％に設定され、バッテリー電圧Ｖｅが所定電圧Ｖ１
以上では電圧Ｖｓ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Ｉ　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１３１１回路３２から出力され
るｌ　＋ｑデユーティパルスのデユーティ比Ｔｏ）−Ｉ
Ｅを（Ｖ　ｒ／Ｖ’ｏ　）　Ｘ　１００の如く設定して
も良い。これによりＩ　＋」デユーディパルスのデユー
ティ比Ｔｏ　ＨＥ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じＣポンプ電流値がら
空燃比が判別されているが、ポンブ電流値を所定値に制
御して電池素子の光体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ｃｉ度せ〕・
すを制９［１すろことができる。

１旦例芳」 このように、本発明の酸素澗度仁ン量すのａ＋ｌＩ御方
法にお（・て１．Ｉ４、加熱素子に供給する電流値を電
源電圧レベルに応じて変化ｔｔシめるのでバッテリー等
の゛電源の出力電圧が変動してち酸系濃度センサの出力
特性を常時一定に保つことができ、酸素潤度センサの出
力レベルから正確に空燃比を判別づることがてさる。よ
って、本発明の制御方法の酸素濃度センサを用いて空燃
比制御を行なえばエンジンの運転性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図は本発明の制御力：去を適用した空燃比制御２１
１装置を示１−ブロック図、第２図は第１図の装■り中
の酸素濃度上ン１〕を具体的に示１側面図、第３図ない
し第５図（よＭ素濃度センサの内部構成を承り図、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・・・・・・絶対圧レン４） ２８・・・・・・回転数センサ ２９・・・・・・冷却水温センナ ３０・・・・・酸素潤度センサ

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
   制御方法であって、前記加熱素子に供給する電流値を電
   源電圧レベルに応じて変化せしめることを特徴とする酸
   素濃度センサの制御方法。