JP2000292407A - 空燃比センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機関の冷間始動時における空燃比センサの素
子割れを防止する。 【解決手段】 機関の排気通路に設けられた空燃比セン
サ１と、空燃比センサ１を加熱するヒータ４と、空燃比
センサ１が活性化温度になるようにヒータ４に供給する
電力を制御するヒータ制御手段６、１０と、ヒータ４に
電力を供給するバッテリ５の電圧を検出するバッテリ電
圧検出手段１０と、機関の始動に際し、ヒータ４に電力
供給を開始してから所定期間、バッテリ電圧検出手段１
０により検出されたバッテリ５の電圧に基づいて、ヒー
タ制御手段６、１０により制御されるヒータ４に供給す
る電力を設定する電力設定手段１０と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空燃比センサのヒー
タ制御装置に関し、特に、冷間始動時の空燃比センサの
素子割れを防止する空燃比センサのヒータ制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年の機関の空燃比制御においては、機
関の排気系に空燃比センサと触媒とを配設し、触媒によ
り排気ガス中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx 等）を最
大限浄化するため、空燃比センサにより検出される機関
の排気空燃比が目標空燃比、例えば理論空燃比になるよ
うにフィードバック制御されている。この空燃比センサ
として、機関から排出される排気ガス中に含まれる酸素
濃度に比例して限界電流を出力する限界電流式の酸素濃
度検出素子（酸素センサ）が用いられている。限界電流
式酸素濃度検出素子は、酸素濃度から機関の排気空燃比
を広域かつリニアに検出するものであり、空燃比制御精
度を向上させたり、リッチ〜理論空燃比（ストイキ）〜
リーンの広域空燃比の間で機関の排気空燃比を目標空燃
比にするよう制御するために有用である。

【０００３】上記酸素濃度検出素子は、空燃比の検出精
度を維持するため活性状態に保たれることが不可欠であ
り、通常、機関始動時から同素子に付設されたヒータを
通電することにより同素子を加熱し、早期活性化させて
その活性状態を維持するようヒータの通電制御を行って
いる。特開平８−２７８２７９号公報開示の酸素センサ
のヒータ制御装置は、ヒータへの通電初期にセンサ素子
の早期活性化のためヒータ温度が所定温度に達するまで
は全電力をヒータに供給し、ヒータ温度が所定温度に達
するとヒータ温度に応じた電力をヒータに供給し、セン
サ素子の温度が所定温度温度に達すると酸素センサの素
子温度に応じた電力をヒータに供給する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平８−２７８２７９号公報開示の酸素センサのヒータ
制御装置は、特に機関の冷間始動時に、ヒータへの通電
初期に酸素センサの素子を早期活性化するため、ヒータ
へ電力供給するバッテリの電圧を考慮せずに全電力、す
なわち１００％デューティ比でヒータに電力供給するの
で、ヒータに大電流が流れてヒータを急激に加熱し、急
上昇したヒータ温度と酸素センサの素子温度との温度差
が急激に増大し、所謂サーマルショックによる酸素セン
サ（空燃比センサと称する）の素子割れが発生するとい
う問題がある。

【０００５】それゆえ、本発明は上記問題を解決し、機
関の冷間始動時に、サーマルショックによる空燃比セン
サの素子割れを防止する空燃比センサのヒータ制御装置
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記問題を解決する本発
明による第１形態の空燃比センサのヒータ制御装置は、
内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、該空
燃比センサを加熱するヒータと、該空燃比センサが活性
化温度になるように該ヒータに供給する電力を制御する
ヒータ制御手段と、を備えた空燃比センサのヒータ制御
装置において、前記ヒータに電力を供給するバッテリの
電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、前記内燃機関
の始動に際し、前記ヒータに電力供給を開始してから所
定期間、前記バッテリ電圧検出手段により検出された前
記バッテリの電圧に基づいて、前記ヒータ制御手段によ
り制御される前記ヒータに供給する電力を設定する電力
設定手段と、を備えたことを特徴とする。

【０００７】上記構成により、冷間始動時におけるヒー
タへの電力供給に際し、バッテリの電圧に応じてヒータ
に電力供給するので、ヒータが急激に加熱されず、サー
マルショックによる空燃比センサの素子割れが防止され
る。前記問題を解決する本発明による第２形態の空燃比
センサのヒータ制御装置は、内燃機関の排気通路に設け
られた空燃比センサと、該空燃比センサを加熱するヒー
タと、該空燃比センサが活性化温度になるように該ヒー
タに供給する電力を制御するヒータ制御手段と、を備え
た空燃比センサのヒータ制御装置において、前記ヒータ
の温度を検出するヒータ温検出手段と、前記空燃比セン
サの素子温度を検出する素子温検出手段と、前記内燃機
関の始動に際し、前記ヒータに電力供給を開始してから
所定期間、前記ヒータ温検出手段により検出されたヒー
タ温と前記素子温検出手段により検出された素子温との
温度差に基づき、前記ヒータ制御手段が制御する前記ヒ
ータに供給する電力を設定するヒータ電力設定手段と、
を備えたことを特徴とする。

【０００８】上記構成により、冷間始動時におけるヒー
タ温と空燃比センサの素子温との温度差から空燃比セン
サの素子割れを予測して、その温度差に基づいてヒータ
に供給する電力を設定するので、サーマルショックによ
る空燃比センサの素子割れが防止される。上記第１形態
の空燃比センサのヒータ制御装置において、前記素子温
検出手段は、前記空燃比センサの素子インピーダンスか
ら前記空燃比センサの素子温度を検出する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ、本
発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明によ
る空燃比センサのヒータ制御装置の一実施形態の概略構
成図である。図１以降、同一のものは同一符号で示す。
図示しない内燃機関の排気通路に配設され機関の排気空
燃比を検出する空燃比センサ１は、空燃比センサ素子
（以下、センサ素子と記す）２とヒータ４とからなり、
センサ素子２には空燃比センサ回路（以下、センサ回路
と記す）３から電圧が印加され、ヒータ２にはバッテリ
５からヒータ制御回路６を介して電力が供給される。セ
ンサ回路３はマイクロコンピュータからなる空燃比制御
ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０からアナログの印加電圧を
ローパスフィルタ（ＬＰＦ）７を介して受けセンサ素子
２に印加する。

【００１０】Ａ／ＦＣＵ１０は、センサ回路３、ヒータ
制御回路６およびＬＰＦ７と共に電子制御ユニット（Ｅ
ＣＵ）１００の一部をなし、デジタルデータを内部に設
けられたＤ／Ａ変換器により矩形状のアナログ電圧に変
換した後ＬＰＦ７を介してセンサ回路３へ出力する。Ｌ
ＰＦ７は矩形状のアナログ電圧信号の高周波成分を除去
したなまし信号を出力し、高周波ノイズによるセンサ素
子２の出力電流の検出エラーを防止している。このなま
し信号の電圧のセンサ素子２への印加に伴いＡ／ＦＣＵ
１０は被検出ガス中、すなわち排気ガス中の酸素濃度に
比例して変化するセンサ素子２を流れる電流およびその
時のセンサ素子２への印加電圧を検出する。Ａ／ＦＣＵ
１０はこれらの電流および電圧を検出するため内部にＡ
／Ｄ変換器を設けており、これらのＡ／Ｄ変換器はセン
サ回路３からセンサ素子２を流れる電流に相当するアナ
ログ電圧およびセンサ素子２への印加電圧を受けデジタ
ルデータに変換する。

【００１１】空燃比センサ１はセンサ素子２が活性状態
にならないとその出力を空燃比制御に使用できない。こ
のため、Ａ／ＦＣＵ１０は機関始動時にバッテリ５から
センサ素子２に内蔵されたヒータ４へ電力供給してヒー
タ４を通電し、センサ素子２を早期活性化し、センサ素
子２が活性化された後はその活性状態を維持するようヒ
ータ４へ電力供給する。バッテリ５の電圧はＡ／ＦＣＵ
１０の内部に設けられたＡ／Ｄ変換器によりデジタルデ
ータに変換される。

【００１２】しかるに、センサ素子２の抵抗がセンサ素
子２の温度に依存すること、すなわちセンサ素子温度の
増大に連れて減衰することに着目し、センサ素子２の抵
抗がセンサ素子２の活性状態を維持する温度に相当する
抵抗値、例えば３０Ωとなるようヒータ４へ電力供給す
ることによりセンサ素子２の温度を目標温度、例えば７
００°Ｃに維持する制御が行われている。また、空燃比
制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０は、センサ素子２を加
熱するヒータ制御回路６からヒータ４の電圧と電流に相
当するアナログ電圧を受けデジタルデータに変換するＡ
／Ｄ変換器を内部に設けている。これらのデジタルデー
タを用いて、例えばヒータ４の抵抗値を算出し、算出し
た抵抗値に基づき機関の運転状態に応じた電力供給をヒ
ータ４に行うとともにヒータ４の過昇温（ＯＴ）を防止
するようヒータ４の温度制御を行う。本発明の実施形態
では、空燃比センサ１として限界電流式酸素濃度検出素
子（酸素センサ）を使用する。しかしながら、本発明は
これに限定するものでなく、空燃比センサ１として、空
燃比がリッチかリーンを判定するＺ特性を有するλ型酸
素センサ（Ｏ₂ センサと称する）を用いた場合にも適用
できる。

【００１３】空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０
は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続さ
れたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｂ（バッテリバックアッ
プ）．ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄ変換器
およびＤ／Ａ変換器を具備し、後述する本発明の空燃比
センサ１のヒータ制御を行う。ここで、冷間始動時に空
燃比センサの素子割れが生ずる理由を説明する。

【００１４】図２は図１に示す空燃比センサの断面図で
ある。空燃比センサのセンサ本体２０は、断面カップ状
の拡散抵抗層２１を有しており、この拡散抵抗層２１は
その開口端２１ａにて機関の排気管２７の取付け穴部内
に嵌め込まれて固定されている。拡散抵抗層２１はＺｒ
Ｏ2 等のプラズマ溶射法等により形成されている。また
センサ本体２０は固体電解質層２２を有しており、この
固体電解質層２２は酸素イオン伝導性酸化物焼結体によ
り断面カップ状の排気ガス側電極層２３を介し抵抗拡散
層２１の内周壁に一様に嵌め込まれて固定されている。
この固体電解質層２２の内表面には、大気側電極層２４
が断面カップ状に一様に固着されている。かかる場合、
排気側電極層２３および大気側電極層２４は、共に白金
（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属を化学メッキ等によ
り十分浸透性（porous）を有するように形成されてい
る。また、排気ガス側電極層２３の面積および厚さは１
０〜１００ｍｍ² および０．５〜２．０μｍ程度となっ
ている。一方大気側電極層２４の面積および厚さは１０
ｍｍ² 以上および０．５〜２．０μｍ程度となってい
る。また、センサ本体２０は保護カバー２８により囲ま
れている。保護カバー２８はセンサ本体２０の排気ガス
との直接接触を防止しつつ、センサ本体２０の保温を確
保するために設けられている。保護カバー２８にはカバ
ーの内部と外部とを連通するため多数の小穴が設けられ
ている。

【００１５】機関の冷間始動時にはセンサ本体２０を早
期加熱するためヒータ２６に大電力を供給する必要があ
るので、従来技術によれば、バッテリ５からヒータ２６
にデューティ比１００％で電力供給をしている。する
と、ヒータ２６に大電流が流れてヒータ２６を急激に加
熱し、ヒータ２６の温度が急上昇し、ヒータ２６の温度
とセンサ本体２０の温度との温度差が急激に増大し、空
燃比センサの素子割れが生ずる。この素子割れには拡散
層のマイクロクラックも含まれている。本発明は、機関
の冷間始動時の空燃比センサの素子割れを防止するた
め、以下に説明するように冷間始動時にヒータ２６に過
大な電力を供給しないようヒータ制御を行う。

【００１６】図３はヒータ制御ルーチンのフローチャー
トである。本ルーチンおよび図４、図６、図７および図
８に示すフローチャートの処理は所定の処理周期、例え
ば６４ｍｓ毎に実行される。先ず、ステップ３０１で
は、図示しないイグニッションスイッチＩＧＳＷがオン
かオフかを判別し、ＩＧＳＷがオンのときはステップ３
０２に進み、ＩＧＳＷがオンのときは本ルーチンを終了
する。

【００１７】ステップ３０２〜３１２の処理を簡単に説
明すると、空燃比センサ１の早期活性化のため、バッテ
リ５からヒータ４への電力供給を開始し、ヒータ温度が
所定温度に達するまでは始動時のデューティ制御にした
がって設定された電力をヒータ４に供給し（始動時ＤＵ
ＴＹ制御）、ヒータ温度が所定温度に達するとヒータ温
度に応じた電力をヒータ４に供給し（ヒータ上限抵抗Ｆ
／Ｂ制御）、空燃比センサ１の温度が所定温度温度に達
すると空燃比センサ１の素子温度に応じてセンサ素子２
を活性状態に維持するための電力をヒータ４に供給する
（素子温Ｆ／Ｂ制御）。

【００１８】ステップ３０２では、空燃比センサ１の素
子直流インピーダンスＺdcを算出する。このインピーダ
ンスＺdcは、センサ素子２に負の電圧Ｖneg を印加し、
その時の電流Ｉneg を検出し、Ｚdc＝Ｖneg ／Ｉneg を
算出して求める。一般に素子温が上昇するにつれて素子
直流インピーダンスは減衰するという相関関係があり、
例えばセンサ素子２が活性化温度７００°Ｃのとき素子
直流インピーダンスは３０Ωである。

【００１９】ステップ３０３では、空燃比センサ１の活
性フラグＦ１がセットされたか否かを判別し、Ｆ１＝１
のときはステップ３０４に進み、ステップ３０４で素子
温Ｆ／Ｂ制御を実行し、Ｆ１＝０のときはステップ３０
５に進む。ステップ３０５では、センサ素子２の活性判
定を素子直流インピーダンスに基づいて行う。すなわ
ち、Ｚdc＞３０のときセンサ素子２が活性化されたと判
断しステップ３０６で空燃比センサ１の活性フラグＦ１
を１にセットし、次いでステップ３０４で素子温Ｆ／Ｂ
制御を実行し、Ｚdc≦３０のときセンサ素子２は非活性
状態であると判断しステップ３０７に進み、センサ素子
２を活性化させるためのヒータ制御を行う。フラグＦ１
はイグニッションスイッチＩＧＳＷがオフからオンに切
換えられるときワンショットパルス信号でリセットされ
る。

【００２０】ステップ３０７では、ヒータ４への印加電
圧Ｖn および電流Ｉn を検出する。ステップ３０８で
は、ヒータ４の抵抗Ｒh をＲh ＝Ｖn ／Ｉn から算出す
る。ステップ３０９では、ヒータ４の耐熱限界温度１２
００°Ｃより所定温度だけ低いヒータ上限温度１０２０
°Ｃに到達していないか否かを判定し、その判定結果が
ＹＥＳのときはステップ３１０に進み、ヒータ４にでき
るだけ大電力を供給するＤＵＴＹ制御を実行し、その判
定結果がＮＯのときはステップ３１１に進み、ヒータ４
をヒータ上限温度１０２０°Ｃに維持する制御を行う。
ステップ３１０、３１１については、図４〜図８を用い
て後で詳細に説明する。ここで、ヒータ上限温度をヒー
タ４の耐熱限界温度に設定しないのはヒータ４の抵抗温
度特性にばらつきがあるからである。ばらつきの中央値
を用いるとヒータ上限温度１０２０°Ｃに相当するヒー
タ抵抗Ｒh は２．１Ωであり、ヒータ抵抗Ｒh が２．１
Ωになるようにヒータ制御したとき、ヒータ温度のばら
つきは８７０〜１２００°Ｃの範囲内に収まり、ヒータ
４の耐熱限界温度を越えない。

【００２１】ステップ３１２では、ステップ３１０、３
１１で設定されたＤＵＴＹ比に応じてヒータにバッテリ
５の電圧を印加する。ここで、ＤＵＴＹ制御とは、ヒー
タ４にバッテリ５の電圧をオンオフする周期を、例えば
１００ｍｓとしたとき、ＤＵＴＹ比が２０％のときはオ
ン時間２０ｍｓオフ時間８０ｍｓ、ＤＵＴＹ比が５０％
のときはオン時間５０ｍｓオフ時間５０ｍｓ、ＤＵＴＹ
比が１００％のときはオン時間１００ｍｓの各周期でヒ
ータ４にバッテリ５の電圧を印加する制御を言う。次
に、図３のステップ３１１について、図４を用いて詳細
に説明する。

【００２２】図４はヒータ上限抵抗に基づくヒータ制御
を示す。先ず、ステップ４０１では、ヒータ電力制御実
行中を示すヒータ電力制御フラグＦ２がセットされてい
るか否かを判別し、Ｆ２＝１のときはステップ４０２に
進み、Ｆ１＝０のときはステップ４０３に進み、ステッ
プ４０３ではヒータ電力制御の初期デューティ比として
２０％を設定する。この２０％はヒータ電圧制御から電
力制御に移行した時に急激なヒータ温度変化が抑制され
るように選択された値である。次いでステップ４０４で
はＦ２をセットする。フラグＦ２はイグニッションスイ
ッチＩＧＳＷがオフからオンに切換えられるときワンシ
ョットパルス信号でリセットされる。

【００２３】ステップ４０２では、機関運転条件の急変
に伴う排気温の上昇等によりヒータ４が異常加熱されな
いように保護するための制御を行うため、ヒータ抵抗Ｒ
h が２．５Ωより大か否かを判別し、Ｒh ＞２．５Ωの
ときはステップ４０５に進み、Ｒh ≦２．５Ωのときは
ステップ４０６に進む。ステップ４０６ではＤＵＴＹ＝
ＤＵＴＹ−１０を計算し、計算値を新たなＤＵＴＹ比に
設定する。ＤＵＴＹが負の値になったときはＤＵＴＹ＝
０に設定される。

【００２４】ステップ４０５では、ヒータ電力Ｗh を次
式から算出する。 Ｗh ＝Ｖn ×Ｉn ×ＤＵＴＹ／１００ ここで、Ｖn 、Ｉn は図３のステップ３０７で検出した
電圧値、電流値を示しＤＵＴＹは前回処理周期にステッ
プ４０３、４０６、４０８または４０９で設定されたＤ
ＵＴＹ比を示す。

【００２５】ステップ４０７では、今回処理周期のヒー
タ電力Ｗh とヒータ４の耐熱限界温度１２００°Ｃに対
応するヒータ供給電力２１Ｗとを比較し、Ｗh ≦２１の
ときはヒータ４への供給電力が目標電力より低いと判定
してステップ４０８に進みステップ４０８でデューティ
比を３％加算（ＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ＋３を算出）してヒ
ータ４への供給電力を増大し、Ｗh ＞２１のときはヒー
タ４への供給電力が目標電力より高いと判定してステッ
プ４０９に進みステップ４０９でデューティ比を３％減
算（ＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ−３を算出）してヒータ４への
供給電力を減少する。

【００２６】以上により設定されたＤＵＴＹに基づきヒ
ータ制御することで、ヒータ４への実供給電力を目標電
力２１（Ｗ）に制御できる。次に、ステップ３０４の素
子温Ｆ／Ｂ制御について説明する。ステップ３０３で検
出した素子直流インピーダンスＺdcをもとに、素子直流
インピーダンスＺdcが素子温７００°Ｃに相当する３０
（Ω）になるようにヒータ４へ印加する電圧のデューテ
ィ比を下記の方程式に基づき演算する。

【００２７】ＤＵＴＹ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ｃ ＧＰ ＝ａ（Ｚdc−３０） … 比例項 ＧＩ ＝ＧＩ＋ｂ（Ｚdc−３０） … 積分項 ここで、ａ、ｂ、ｃは、例えばａ＝４．２、ｂ＝０．
２、ｃ＝２０の定数である。以上演算されたデューティ
比でヒータ４を制御することで、素子直流インピーダン
スＺdcを３０（Ω）付近に制御でき、センサ素子を常に
良好な活性状態に維持でき、異常加熱によるセンサ素子
の破損を防止できる。次に、図３のステップ３１０につ
いて、第１実施例を図５を用いて以下に説明する。

【００２８】図５は機関始動時の第１実施例のヒータ制
御を示すフローチャートである。図３のステップ３０９
でヒータ温度がヒータ上限温度１０２０°Ｃに到達して
いないと判定されたとき、ステップ５０１、５０２を実
行し、ヒータ４にできるだけ大電力を供給するＤＵＴＹ
制御を行う。ステップ５０１では、バッテリ５の電圧を
読込む。ステップ５０２では、図６に示すマップによ
り、ステップ５０１で読込んだバッテリ電圧からヒータ
供給電力のＤＵＴＹ比を算出する。

【００２９】この第１実施例のヒータ制御によれば、機
関始動時にバッテリ電圧ＶB が１２Ｖより高いときで
も、デューティ比を１００％より低く設定するので、ヒ
ータ温度が急上昇されず、それゆえサーマルショックに
よるセンサ素子の素子割れを防止できる。図６に示すマ
ップは、バッテリ電圧Ｖ_B が１２ＶのときＤＵＴＹ＝１
００とすると、ヒータ抵抗Ｒｈ＝２．１（Ω）に１２Ｖ
の電圧が連続的に印加され、ヒータ４への平均供給電力
は、（Ｖ_B ）² ／Ｒで算出され、約６９（Ｗ）となる。
このときのヒータ４への平均供給電力を上限値に定める
ことによりセンサ素子割れを生じることなくヒータ４へ
の電力供給が可能となる。バッテリ電圧Ｖ_B が１２Ｖを
越えたときは、ヒータ４への平均電力供給が６９（Ｗ）
を越えないようにＤＵＴＹ比を算出する。例えば、バッ
テリ電圧Ｖ_B が１４Ｖのとき、このまま１００％デュー
ティで電力供給すると、平均供給電力は、（Ｖ_B ）² ／
Ｒ＝９３（Ｗ）となってしまうので、これを６９（Ｗ）
にするためには、ＤＵＴＹ比を６９／９３＝７４（％）
にすればよい。マップにおいて１２Ｖを越えるバッテリ
電圧Ｖ _B に対するＤＵＴＹ比はこのように算出される。
なお、１２Ｖ以下のバッテリ電圧Ｖ_B に対するＤＵＴＹ
比は、１００％デューティで電力供給しても平均供給電
力は６９（Ｗ）以下なのでセンサ素子２の早期活性化の
ため１００％に設定される。次に、図３のステップ３１
０について、第２実施例を図７を用いて以下に説明す
る。

【００３０】図７は機関始動時の第２実施例のヒータ制
御を示すフローチャートである。図３のステップ３０９
でヒータ温度がヒータ上限温度１０２０°Ｃに到達して
いないと判定されたＲh ＜２．１（Ω）とき、ステップ
７０１、７０２を実行し、ヒータ４にできるだけ大電力
を供給するＤＵＴＹ制御を行う。ステップ７０１では、
今回処理周期のＤＵＴＹ＝１００（％）でのヒータ４へ
のヒータ供給電力Ｗaを図３のステップ３０７で検出し
たヒータ電圧Ｖn とヒータ電流Ｉn から算出する（Ｗa
＝Ｖn ×Ｉn ）。ここで、注目すべきことはヒータ電圧
Ｖn がバッテリ電圧ＶB に相当することであり、Ｗa は
ＶB に応じて算出されることである。

【００３１】ステップ７０２では、ヒータ最大供給電力
Ｗhmとステップ７０１で算出した今回処理周期のヒータ
供給電力Ｗa とを用い次式からＤＵＴＹ比を算出する。 ＤＵＴＹ＝（Ｗhm／Ｗa ）×１００＝（１４４／Ｗa ）
×１００ ここで、ヒータ最大供給電力Ｗhmとは、ヒータ抵抗Ｒh
が１．０（Ω）、バッテリ電圧ＶB が１２（Ｖ）のとき
にセンサ素子割れを生じることなくヒータ４へ供給可能
な平均供給電力１４４（Ｗ）を言う。上式の計算結果、
ＤＵＴＹ＞１００のときはＤＵＴＹ＝１００に設定す
る。

【００３２】この第２実施例のヒータ制御によれば、機
関始動時にヒータ抵抗Ｒh が２．１（Ω）に至る前の小
さな抵抗値のときに、バッテリ電圧ＶB によってはヒー
タ供給電力Ｗa が上記ヒータ最大供給電力Ｗhm（＝１４
４（Ｗ））を越えてヒータ温度を急上昇し、サーマルシ
ョックによるセンサ素子割れを引き起こす恐れがあるの
で、このときヒータ供給電力Ｗa の上限をヒータ最大供
給電力Ｗhmとするようにヒータ４へ印加する電圧のＤＵ
ＴＹ比が設定される。

【００３３】図８は機関始動時の第３実施例のヒータ制
御を示すフローチャートである。図３のステップ３０９
でヒータ温度がヒータ上限温度１０２０°Ｃに到達して
いないと判定されたとき、ステップ８０１〜８０６を実
行し、ヒータ４にできるだけ大電力を供給するＤＵＴＹ
制御を行う。ステップ８０１では、図３のステップ３０
８で算出したヒータ抵抗Ｒh からヒータの温度を算出す
る。ステップ８０２では、図３のステップ３０２で算出
した素子直流インピーダンスＺdcからセンサ素子２の温
度を算出する。ステップ８０３では、ステップ８０１で
算出したヒータ温とステップ８０２で算出したセンサ素
子温との温度差を計算する。ステップ８０４では、上記
温度差が所定値、例えば５００℃を越えるか否かを判別
し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ８０５に進
み、ステップ８０５ではヒータ温度を急上昇し、サーマ
ルショックによるセンサ素子の素子割れを引き起こさな
いＤＵＴＹ比、例えば２０％に設定する。ステップ８０
４の判別結果がＮＯのときは、バッテリ５の電圧に応じ
たＤＵＴＹ比を算出する。具体的には、前述した図５の
フローチャート（第１実施例）または図７のフローチャ
ート（第２実施例）の処理を実行する。上記所定値５０
０℃は、実験的に求めた値である。ヒータ上限温度は１
０２０℃、センサ活性温度は７００℃であるので、その
差３２０℃程度ではサーマルショックは生じない。セン
サ素子２が活性化されるまでの間、通常温度差が５００
℃を越えることは少なく、この設定でセンサ素子２の早
期活性化に及ぼす影響は少ない。

【００３４】また、ステップ８０２ではセンサ素子２の
温度を素子直流インピーダンスＺdcから算出したが、こ
れに代えてセンサ素子２の温度を素子交流インピーダン
スＺacから算出してもよい。通常、センサ素子２には、
例えば０．３（Ｖ）が印加されており、所定の周期毎に
限界電流を検出し排気空燃比が算出されている。交流イ
ンピーダンスＺacは、所定の周期毎、例えば６４ｍｓ毎
にセンサ素子２に０．３±０．２（Ｖ）のパルス電圧を
印加し、その時のセンサ素子２の電圧Ｖacと電流Ｉacを
検出し、Ｚac＝Ｖac／Ｉacを算出して求める。一般に素
子交流インピーダンスは素子直流インピーダンスと同様
に素子温が上昇するにつれて減衰するという相関関係が
ある。素子交流インピーダンスを検出する場合は、素子
直流インピーダンスを検出する場合のようにセンサ素子
２に負極性の電圧を印加する必要がないので、制御回路
を簡素化できるという利点がある。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
冷間始動時におけるヒータへの電力供給に際し、バッテ
リの電圧に応じてヒータに電力供給するので、ヒータが
急激に加熱されず、サーマルショックによる空燃比セン
サの素子割れが防止される。以上説明したように、本発
明によれば、冷間始動時におけるヒータの温度とセンサ
素子の温度との温度差から空燃比センサの素子割れを予
測して、その温度差に基づいてヒータに供給する電力を
設定するので、サーマルショックによる空燃比センサの
素子割れが防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による空燃比センサのヒータ制御装置の
一実施形態の概略構成図である。

【図２】図１に示す空燃比センサの断面図である。

【図３】ヒータ制御ルーチンのフローチャートである。

【図４】ヒータ上限抵抗に基づくヒータ制御を示すフロ
ーチャートである。

【図５】機関始動時の第１実施例のヒータ制御を示すフ
ローチャートである。

【図６】ヒータ供給電力のＤＵＴＹ比をバッテリ電圧か
ら算出するマップである。

【図７】機関始動時の第２実施例のヒータ制御を示すフ
ローチャートである。

【図８】機関始動時の第３実施例のヒータ制御を示すフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１…Ａ／Ｆセンサ ２…センサ素子 ３…Ａ／Ｆセンサ回路 ４…ヒータ ５…バッテリ ６…ヒータ制御回路 ７…ＬＰＦ １０…Ａ／Ｆ制御ユニット １００…電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路に設けられた空燃比
   センサと、該空燃比センサを加熱するヒータと、該空燃
   比センサが活性化温度になるように該ヒータに供給する
   電力を制御するヒータ制御手段と、を備えた空燃比セン
   サのヒータ制御装置において、 前記ヒータに電力を供給するバッテリの電圧を検出する
   バッテリ電圧検出手段と、 前記内燃機関の始動に際し、前記ヒータに電力供給を開
   始してから所定期間、前記バッテリ電圧検出手段により
   検出された前記バッテリの電圧に基づいて、前記ヒータ
   制御手段が制御する前記ヒータに供給する電力を設定す
   る電力設定手段と、を備えたことを特徴とする空燃比セ
   ンサのヒータ制御装置。
2. 【請求項２】 内燃機関の排気通路に設けられた空燃比
   センサと、該空燃比センサを加熱するヒータと、該空燃
   比センサが活性化温度になるように該ヒータに供給する
   電力を制御するヒータ制御手段と、を備えた空燃比セン
   サのヒータ制御装置において、 前記ヒータの温度を検出するヒータ温検出手段と、 前記空燃比センサの素子温度を検出する素子温検出手段
   と、 前記内燃機関の始動に際し、前記ヒータに電力供給を開
   始してから所定期間、前記ヒータ温検出手段により検出
   されたヒータ温と前記素子温検出手段により検出された
   素子温との温度差に基づき、前記ヒータ制御手段が制御
   する前記ヒータに供給する電力を設定するヒータ電力設
   定手段と、を備えたことを特徴とする空燃比センサのヒ
   ータ制御装置。
3. 【請求項３】 前記素子温検出手段は、前記空燃比セン
   サの素子インピーダンスから前記空燃比センサの素子温
   度を検出する請求項２に記載の空燃比センサのヒータ制
   御装置。