JPH0277640A - 酸素濃度センサに設けられたヒータの電力制御装置 - 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、酸素濃度センサに設けられたヒータの電力制
御装置、詳しくは内燃機関の排気中の酸素濃度を検出す
る酸素濃度センサにおけるヒータへの電力量を制御する
装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、内燃機関の排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度
センサとして、例えば、ジルコニア等の固体電解質を用
いたものが知られている。この種の酸素濃度センサにお
いて、安定した検出信号を得るためには、検出素子をほ
ぼ一定の活性化温度に設定する必要があるが、排気から
の受熱量の変化により検出素子の温度が変わるので、ヒ
ータへの電力量を制御することにより検出素子の温度を
所定温度に維持する制御が行われている。

こうした制御の一例として、例えば、特開昭６０−１２
５５５３号公報および特公昭６３−１５４０号公報に記
載されているように、内燃機関の吸入空気量等の負荷状
態に基づいて間接的に排気温を予測してヒータへの通電
量を制御するものがある。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、このようなヒータ電力量の制ｆａｌｌ装置を、
ＮＯｘの低減に有効な手段である排気再循環（以下ＥＧ
Ｒという。）付内燃機関に適用した場合には、以下に述
べるような問題が生じる。

すなわち、このタイプの内燃機関では、ＥＧＲをＯＮす
ることにより不活性ガスのもつ熱容量により最高燃焼温
度が低下し、排気温度も変化する。

このため内燃機関の負荷状態から排気温度を推定する従
来の制御装置では、内燃機関の推定排気温度に誤差が生
じ、よって、素子温度を所定温度に精密に維持する制御
を行うことができない。

特にリーン領域での空燃比の検出が可能なり−ンセンサ
を用いてリーン制御を行う場合には、検出素子の温度に
より限界電流の変化が大きいので空燃比の制御を精度よ
く行うことができないという不具合が発生する。

本発明は、上記従来の技術の問題点を解消するためにな
されたもので、ＥＧＲのＯＮおよびＯＦＦにかかわらず
、酸素濃度センサの検出素子温を所定温度に維持し、正
確な酸素濃度を検出することができる酸素濃度センサに
設けられたヒータの電力制御装置を提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためになされた本発明は、第１図に
示すように、 流量制御弁Ｍ１を有する通路Ｍ２を介して排気を吸気管
Ｍ３へ再循環させる排気再循環手段Ｍ４と、排気中の酸
素濃度を検出すゐ酸素濃度検出部Ｍ５およびこの検出部
Ｍ５を加熱するヒータＭ６を有する酸素濃度センサＭ７
と、内燃機関の少なくとも負荷状態を含む運転状態を検
出する運転状態検出手段Ｍ８とを備え、 酸素濃度センサＭ７からの検出信号および運転状態検出
手段Ｍ８の運転状態に基づいて流量制御弁Ｍ１の開度制
御および燃料噴！−ｊ量の制御を行う内燃機関において
、 上記運転状態検出手段Ｍ８からの運転状態に基づいて流
量制御弁Ｍ１を開閉させるべく流量制御弁Ｍ１を駆動制
御する流量制御弁駆動手段Ｍ９と、運転状態検出手段Ｍ
８からの運転状態および流量制御弁駆動手段Ｍ９の出力
信号に基づいて、酸素濃度センサＭ７のヒータＭ６に供
給する電力を決定する目標電力決定手段ＭＩＯと、 目標電力決定手段ＭＩＯにて決定された目標電力に応じ
てヒータＭ６に供給する電力を制御する供給電力制御手
段Ｍｌｌと、 を備えたことを特徴とする。

［作用］ 本発明の構成により、運転状態検出手段Ｍ８から出力さ
れる運転状態に基づいて流量制御弁駆動手段Ｍ９では、
流量制御弁Ｍ１の開閉について判断し、所定の条件が成
立したときには、流量制御弁Ｍ１を開いて排気を通路Ｍ
２を介して吸気管Ｍ３に還流させる排気再循環制御が行
われる。また、内燃機関の排気中の酸素濃度は、酸素濃
度センサＭ７の酸素濃度検出部Ｍ５により検出され、こ
の検出信号等に基づいて燃料噴射量制御が行われる。

この酸素濃度センサＭ７には、上記検出部Ｍ５を加熱す
るためのヒータＭ６が設けられており、このヒータＭ６
は、以下の手段により電力制御される。

すなわち、運転状態検出手段Ｍ８からの運転状態は、目
標電力決定手段ＭＩＯに人力され、この運転状態がヒー
タＭ６に供給される目標電力が決定するためのパラメー
タとして用いられるのであるが、この他に流量制御弁駆
動手段Ｍ９からの開閉状態を示す出力信号も目標電力を
決定するためのパラメータとして用いられる。、運転状
態および流量制御弁Ｍ１の開閉状態に基づいて決定され
た目標電力は、供給電力制御手段Ｍｌｌに人力され、こ
の手段ＭｌｌによりヒータＭ６への電力供給の制御が行
われる。したがって、本発明では、酸素濃度センサＭ７
のヒータＭ６へ供給される電力が内燃機関の運転状態だ
けでなく、排気再循環手段Ｍ４の動作状態も要素として
算出されるので、排気の還流により排気温が変化しても
排気の還流量が反映された電力がヒータＭ６へ流れる。

よって、酸素）農産検出部Ｍ６の温度が一定に維持され
ることから、酸素濃度センサ７により正確な酸素濃度を
検出することができる。

［実施例］ 以下本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。

第２図は本発明が適用された実施例の内燃機関２および
その周辺装置の構成を示す構成図である。

同図において、４はエアクリーナ６を介して空気を吸入
する吸気管で、この吸気管４には、吸気温度を検出する
吸気温センサ８、スロットルバルブ１０、およびスロッ
トルバルブ１０の開度を検出するスロットルポジション
センサ１２が備えろれている。また、吸気管４には、吸
気の脈動を抑えるためのサージタンク１４が形成され、
このサージタンク１４には、内部の圧力（吸気管圧力）
を検出する吸気圧センサ１６が備えられている。

一方、１日は吸気管で、排気中の酸素濃度から内燃機関
２に供給された燃料混合気の空燃比を検出する酸素濃度
センサ２０や、排気を浄化するための三元触媒コンバー
タ２２が備えられている。

また、この排気管１日には、排気をサージタンク１４に
戻して排気再循環（ＥＧＲ）を行う排気再循環装置２４
が設けられている。

排気再循環装置２４は、排気管１日とサージタンク１４
とを結ぶ排気通路を開閉するＥＧＲバルブ２６と、この
ＥＧＲバルブ２６に加える負圧を調整してＥＧＲ動作を
制御する調圧弁２日、およびこの調圧弁２日で調整され
ＥＧＲバルブ２６に加えられる負圧の通路を開閉し、Ｅ
ＧＲバルブ２６のＥＧＲ動作を禁止または許可する゛Ｅ
ＧＲ許可バルブ３０、から構成されている。

すなわち、ＥＧＲバルブ２６の定圧室２６ａと排気管１
日、および弁室２６ｂとサージタンク１４、をそれぞれ
連通すると共に、弁室２６ｂとダイヤフラム２６ｃを介
して接続されるダイヤプラム室２６ｄを、ＥＧＲ許可バ
ルブ３０を介して調圧弁２８の上部室２８ａに接続する
ことにより、定ｒ＋、室２６’ａと弁室２６ｂとの間に
設けられ、ダイヤフラム２６ｃと接続された弁体２６ｅ
を、ＥＧＲ許可バルブ３０を介して調圧弁２８から伝達
される負圧に応じて図中上下方向に移動させ、これによ
って吸気管１８とサージタンク１４との間の通路を開閉
するようにされているのである。

なお、調圧弁２日は、ＥＧＲ許可バルブ３０を介してＥ
ＧＲバルブ２６のダイヤフラム室２６ｄと連通されると
共にサージタンク１４と連通される上部室２８ａ、ＥＧ
Ｒバルブ２６の定圧室２６ａと連通される定圧室２８ｂ
、および吸気管４のスロットルバルブ１０の取付位置よ
り若干上流側に形成されたＥＧＲボー）４ａと連通され
るダイヤフラム室２８ｃ等、から構成され、スロットル
バルブ１０の開度がＥＧＲボー）４ａの位置より小さい
ときにはダイヤフラム室２８ｃが大気圧程度の大きな圧
力になって上部室２８ａとダイヤフラム室２８ｃとを連
通し、逆にスロットルバルブ１０の開度がＥＧＲボー）
４ａの位置より大きくなったときには吸気管４の負圧に
よってダイヤフラム室２８ｃの圧力が低下して、上部室
２８ａとダイヤフラム室２８ｃとを遮断する。

このため、ＥＧＲ許可バルブ３０が動作し、上部室２８
ａとＥＧＲバルブ２６のダイヤフラム室２６ｄとが連通
しており（排気再循環制御が許可されており）、スロッ
トルバルブ１０が所定開度以上となっておれば、ＦＧＲ
バルブのダイヤフラム室２６ｄにはサージタンク１４の
負圧が伝達され、これに応じて弁体２６ｅが動作して、
排気の再循環量、すなわちＥＧＲ量が制御されることと
なる。

また、内燃機関２には、その運転状態を検出するための
運転状態検出手段として、上°述の吸気温センサ８、ス
ロ・ントルポジションセンサ１２、吸気圧センサ１６、
および酸素濃度センサ２０のはか、ディストリビュータ
３２のロータ３２ａの回転から内燃機関の回転数を検出
する回転数センサ３４、同じくディストリビュータ３２
の回転に応じて内燃機関２のクランク軸２回転に１回の
割でパルス信号を出力する気筒判別センサ３６、および
内燃機関２の冷却水温を検出する水温センサ３８、が備
えられている。なお、ディストリビュータ３２はイグナ
イタ４０から出力される高電圧を内燃機関２のクランク
角に同期して各気筒の点火プラグ４２に配分するための
もので、点火プラグ４２の点火タイミングはイグナイタ
４０からの高電圧出力タイミングにより決定される。

そして、上記各センサからの検出信号は、マイクロコン
ピュータを中心とする論理演算回路として構成された電
子制御装置４４に出力される。

電子制御装置４４は、第３図に示すように、ＣＰｔＪ、
ＲＯＭ、ＲＡＭ等を内蔵し人出力ボートを備えたワンチ
ップマイクロコンピュータ４６を中心に構成されている
。このワンチップマイクロコンピュータ４６の人出力ボ
ートには、回転数センサ３４、気筒判別センサ３６、イ
グナイタ４０が直接接続されているが、このほか、Ａ／
Ｄ変換入力回路４日と、バッテリ５０を電源として酸素
）農産センサ２０のヒータ２０ｂに通電する電力を制御
するヒータ通電制御回路５２と、燃料噴射弁５３を駆動
する駆動回路５４とが接続されている。

なお、酸素濃度センサ２０の検出素子２０ａには、電圧
印加回路５６が接続されており、検出素子２０ａに検出
用の所定の電圧ＵＳを印加する。

上記Ａ／Ｄ変換入力回路４日には、吸気圧センサ１６、
スロットルポジションセンサ１２、吸気温センサ８、水
温センサ３８等のアナログ信号を出力するセンサが接続
されている。したがって、ＣＰ　Ｕは、内燃機関２の運
転状態を反映した種々のパラメータを、Ａ／Ｄ変換入力
回路４日を介して読み込み、逐次知ることができる。ま
た、このＡ／Ｄ変換入力回路４日には、酸素濃度センサ
２０のヒータ２０ｂに電圧を印加するヒータ通電制御回
路５２の出力、電流検出用抵抗器５日の端子電圧を増幅
する増幅器６０の出力および電流検出用抵抗器６２の端
子が接続されており、ヒータ２０ｂの印加電ＪｎＶｎ、
検出素子２０ａに流れる電流およびヒータ２０ｂに流れ
る電流Ｉｎを検出することができる。

本電子制御装置４４により、各種センサを用いて検出さ
れる内燃機関２の運転状態に応じて、燃料噴射弁５３か
らの燃料噴射量の制御、イグナイタ４０を介した点火時
間の制御、内燃機関の運転状態が排気再循環条件を満足
したか否かを判断し、排気再循環条件成立時には、上記
ＥＧＲ許可バルブ３０を駆動して排気再循環装置２４を
動作させるＥＧＲ許可制御、および酸素濃度センサ２０
のヒータ２０ｂへの電力量の制御等が実行される。

以下、本電子制御装置４４により実行されるＥＧＲの制
御について第４図を用い、さらに、酸素濃度センサ２０
のヒータ２０ｂへの電力量の制御について第５図を用い
て説明する。

まず、第４図に示すＥＧＲの制御ルーチンについて説明
すると、本処理は、所定時間毎に繰り返し実施されるも
のである。最初のステップ１００および続くステップ１
０５は、現在内燃機関の運転状態がＥＧＲ条件を満足し
ているか否かを判定するための処理であって、水温セン
サ３８からの検出信号に基づいた冷却水温ＴＨＷが所定
値Ｋｌ（例えば、３５℃）以上であるか否か、吸気圧セ
ンサ１６からの検出信号に基づいた吸気管圧力ＰＭが所
定値に２（例えば、３５ＫＰａ）以上か否かを判断する
ものである。

ステップ１００およびステップ１０５の各判断処理で肯
定判断されると、ＥＧＲ条件が成立したとしてステ・ン
プ１１０に移行して、ＥＧＲのＯＮ指令を示すフラグＦ
　ＥＧＲを１にセットし、続くステ・ンプ１１５にてＥ
ＧＲ許可バルブ３０をＯＮＬ／てＥＧＲを作動させ、一
方、いずれかの判断処理（ステップ１００．１０５）に
て否定判断されると、ＥＧＲ条件が成立していないと判
断して、ステップ１２０にてフラグＦ　ＥＧＲを０にリ
セットし、その後ステップ１２５に移行してＥΩＲ許可
バルブ３０を０ＦＦＬ、てＥＧＲの動作を停止させる。

すなわち、第４Ｌ！］の処理では公知のＥＧＲの制御処
理によりＥＧＲのＯＮ、ＯＦＦが実行されるとともに、
ＥＧＲの作動状態により、第５図の酸素潤度センサのヒ
ータ電力制御に用いられるフラグＦＥＧＲがセット・リ
セットされる。

第５図のルーチンは、所定時間間隔、例えは、１００ｍ
５ｉに実行され、ヒータ用電源からヒータ２０ｂへの電
力量を、エンジンの運転状態およびＥＧＲの作動状態に
応じてデユーティ制御によって行うものである。

すなわち、処理が開始されると、最初のステ・ンプ２０
０にて、回転数センサ３４の検出信号に基づいたエンジ
ン回転数Ｎｅ、吸気圧センサ１６に基づいた吸気管圧力
ＰＭ、およびヒータ電圧Ｖｎやヒータ電流Ｉｎ等の各種
パラメータを読み込む。

続くステップ２０５においては、ステップ２００にて読
み込まれたヒータ電圧Ｖｎおよびヒータ電流Ｉｎに基づ
いて、所定時間、例えは１００ｍ５の間、ヒータ２０ｂ
に通電した場合の電力量、すなわち、デユーティ比１０
０％における電力量Ａを算出する。なお、電力量につい
ては、すべて１００ｍ５（第６図のＴｔｌ−参照）当り
の算出量とする。

続くステップ２１０では、ステップ２００で求めたエン
ジン回転数Ｎｅおよび吸気管圧力ＰＭとをパラメータと
し、ＥＧＲが動作していない状態での基本電力量Ｂをマ
・ンブより求める。ここで、マツプの基本電力量臼の値
は、酸素濃度センサ２０の検出素子２０ａが排気によっ
て加熱されるから素子温を所定値に保つために排気温度
の変化に応じて設定されている。なお、実際の排気温度
は吸気管圧力ＰＭやエンジン回転数Ｎｅ等の運転状態の
変化に対して即応せずに少し遅れである程度平滑されて
変化するため、基本電力量Ｂを平滑補正したり、吸気管
圧力ＰＭまたはエンジン回転数Ｎｅを平滑処理する手法
、および平滑処理を施した吸気管圧力ＰＭ’やエンジン
回転数Ｎｅ’をパラメータとしたマツプを用い、て検索
することが望ましい（特開昭６０−２３５０４９号公報
、特′開昭５９−８７２４４号公報参照）。

次のステップ２１５にて、ＥＧＲが動作している状態か
否かについて、第４図のステップ１１０および１２０で
セット・リセットされるフラグＦＥＧＲにより判定する
。このステップ２１５にてＦＥＧＲ＝１であれば、ステ
ップ２２０にてエンジン回転数Ｎｅおよび吸気管圧力Ｐ
Ｍをパラメータとするマツプにより補正電力量すを算出
し、一方、ステップ２２５にてＦＥＧＲ＝０であればス
テップ２２５にて補正電力量すを０にする。

続くステップ２３０にて、ステ・ンブ２１０で求めた基
本電力量Ｂとステップ２２０または２２５で算出した補
正電力量すとを加算して、実際にヒータ２０ｂに供給す
る目標電力量Ｃを算出する。

次のステップ２３５では、ステップ２０５およびステッ
プ２３０にて求められた電力量Ａ、　　Ｃをパラメータ
として、Ｄ＝　（Ｃ／Ａ）ＸＩ　００の算出式を用いて
ヒータ通電制御回路５２に送出するデユーティ比りを算
出する。その後、ステップ２４０にて、デユーティ比り
のパルス信号をヒータ通電制御回路５２に送出し、つま
り、第６図に示すように、周其月Ｔ　（１００ｍ５ｅｃ
）においてデユーティ比りに相当する時間ｔだけ通電し
て、本制御処理を終える。

したがって、本実施例では、吸気管圧力ＰＭやエンジン
回転数Ｎｅに基づいて基本電力量Ｂが求められるととも
に（ステップ２１０）、Ｆ’ＧＲのＯＮと判断された場
合には（ステップ２１５）、ＥＧＲの排気還流量に応じ
た補正電力量すが求められ（ステップ２２０）、この補
正電力量すを加算した目標電力量Ｃ（ステップ２３０）
に基づいたデユーティ比りにてヒータ２０ｂへの電力量
が制御されることになる（ステップ２３５．２４０）。

このような制御の状態について第７図を用いて説明する
と、いま、時点ｔｉにてＥＧＲがＯＦＦからＯＮに切り
換えられると排気温は低下するが、これと同時に、基本
電力量Ｂに補正電力量すを加え°た電力量がヒータ２０
ｂに通電される。これにより、ヒータ２０ｂの温度が上
昇するので、排気温の低下による受熱量の減少を補う熱
量がヒータ２０ｂから検出素子２０ａへ供給され、検出
素子２０ａの温度が所定温度に維持される。よって、酸
素濃度センサ２０から安定した検出値を得ることができ
る。

以下、本発明の要旨を変更しない範囲内において、上述
した実施例の′構成要素の一部を置換し、または新たな
構成要素を加えた他の実施例によっても本発明を実現す
ることができる。

■　第５図のステップ２２０にて、補正電力量すを吸気
管圧力ＰＭおよびエンジン回転数Ｎｅをパラメータとし
たマツプを用いたが、精密な温度制御を必要としない場
合には、補正電力量すを一定値としてもよく、これによ
り、メモリ容量を低減することもできる。

■　上記実施例では、基本電力量Ｂおよび補正電力量す
を求めるマツプに用いたパラメータとして、エンジン回
転数Ｎｅおよび吸気管圧力ＰＭを用いたが、吸気管圧力
ＰＭに変えて、スロットル開度ＴＡや吸入空気量を用い
てもよく、また、単に、それらのうちの一つのパラメー
タ、例えば、エンジン回転数Ｎｅや吸気管圧力ＰＭ等の
１つを用いるだけでもよい。

■　また、目標電力量Ｃは、基本電力量Ｂに補正電力量
すを加えて算出されているが、吸気管圧力ＰＭ、エンジ
ン回転数Ｎｅをパラメータとしたマツプを用いて補正係
数Ｋを求め、この補正係数■（を基本電力量Ｂに乗じて
目標電力量Ｃを算出するようにしてもよく、ざらにＥＧ
ＲのＯＮ、ＯＦＦに応じ、かつ、吸気管圧力ＰＭおよび
エンジン回転数Ｎｅをパラメータとする基本型カマツブ
を２つもち、これらに基づいて算出してもよい。

■　ヒータへの通電制御を１００ｍ５当りの通　。

電時間によるデユーティ制御に代えて、ヒータに印加す
る電圧をチョッパ制御等により可変制御してもよい。

■　ＥＧＲのＯＮにより排気温は直ちに低下せず、徐々
に低下するために、これに対応させるために遅延時間を
設けたり、徐々に補正をしてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、酸素濃度センサ
のヒータへの供給電力を、運転状態に応じて制御すると
ともに、ざらにＥＧＲの動作状態によってヒータへの供
給電力を補正している。したがって、ＥＧＲがＯＦＦか
らＯＮに切り替わフても、排気の再循環量に応じたヒー
タへの電力が供給されるので、検出素子温を活性温度以
上に保持することができ、ヒータが劣化を引き起こすよ
うな温度にまで上昇したり、検出素子の活性状態が維持
できない程度まで低下することを防止できる。よって、
検出素子からは常に安定した出力信号を得ることができ
、酸素潤度センサの信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を示す構成図、第２図は本
発明の一実施例による内燃機関およびその周辺装置を示
す構成図、第３図は同実施例の制御回路図、第４図は同
実施例によるＥＧＲ制御処理を示すフローチャート、第
５図は同実施例によるヒータ電力量制御処理を示すフロ
ーチャート、第６図はヒータへの通電状態を説明する説
明図、第７図は同実施例の作用を説明するタイムチャー
トである。 Ｍｌ・・・流量制御弁　　Ｍ２・・・通路Ｍ３・・・吸
気管　　Ｍ４・・・排気再循環手段Ｍ５・・・酸素）震
度検出部　Ｍ６・・・ヒータＭ７・・・酸素濃度センサ Ｍ８・・・運転状態検出手段 Ｍ９・・・流量制御弁駆動手段 ＭＩＯ・・・目標電力決定手段 Ｍｌｌ・・・供給電力制御手段 ２・・・内燃機関　４・・・吸気管 １６・・・吸気圧センサ　２０・・・酸素濃度センサ２
０ａ・・・検出素子　　２０ｂ・・・ヒータ２６・・・
ＥＧＲバルブ　３０・・・ＥＧＲ許可バルブ３４・・・
回転数センサ ４４・・・電子制御装置 ５２・・・ヒータ通電制御回路 代理人　　弁理士　　足置　勉（ほか２名）第１図 Ｍｌ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 流量制御弁を有する通路を介して排気を吸気管へ再循環
   させる排気再循環手段と、排気中の酸素濃度を検出する
   酸素濃度検出部およびこの検出部を加熱するヒータを有
   する酸素濃度センサと、少なくとも内燃機関の負荷状態
   を含む運転状態を検出する運転状態検出手段とを備え、 酸素濃度センサからの検出信号および運転状態検出手段
   からの運転状態に基づいて流量制御弁の開度制御および
   燃料噴射量の制御を行う内燃機関において、 上記運転状態検出手段からの運転状態に基づいて流量制
   御弁を開閉させるべく流量制御弁を駆動制御する流量制
   御弁駆動手段と、 運転状態検出手段からの運転状態および流量制御弁駆動
   手段の出力信号に基づいて、酸素濃度センサのヒータに
   供給する電力を決定する目標電力決定手段と、 目標電力決定手段にて決定された目標電力に応じてヒー
   タに供給する電力を制御する供給電力制御手段と、 を備えたことを特徴とする酸素濃度センサに設けられた
   ヒータの電力制御装置。