JPH0473099B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関排気中の酸素濃度を検出する
酸素濃度センサに備えられたヒータの制御装置に
関し、特に、内燃機関の燃料カツト運転中のセン
サ温度を補償する制御装置に関するものである。

［従来技術］ 従来より車両用内燃機関の空燃比制御装置とし
て、三元触媒コンバータを用いて排気中のCO、
HC、NOxの３成分を効率よく浄化するために、
排気系に酸素濃度センサを備えて排気中の酸素濃
度を検出し、当該内燃機関の空燃比が理論空燃比
となるよう制御する、いわゆるフイードバツク制
御を実行するものが知られている。

そしてこの種の制御装置に使用される酸素濃度
センサの一つとして、近年、特開昭57−48648号
公報にて提案されているジルコニア系の、検出素
子加熱用のヒータを内蔵した限界電流式の酸素濃
度センサが開発され、酸素濃度に対応した検出電
流を得ることができるようになつた。

ところで、この種の酸素濃度センサにおいて
は、酸素濃度に対応した検出電流を得ることがで
きることから、例えばエンジンの低負荷運転時に
空燃比をリーン側に制御し、燃費を向上させると
いつた、いわゆるリーンバーン制御等、空燃比制
御をより緻密に実行することができるようになる
のであるが、その反面こういつた緻密な空燃比制
御を実行するためには、酸素濃度センサにより常
時良好な検出結果が得られるよう、ヒータを用い
て検出素子を加熱し活性化する必要がある。ま
た、検出素子を活性化するためには素子温度を所
定温度以上に加熱すればよいのであるが、余り加
熱し過ぎるとヒータが断線したり検出素子が破壊
してしまうといつた問題が生じることから、素子
温度を所定の温度範囲、例えば650℃〜750℃の温
度範囲に保持し得るよう、ヒータへの供給電力を
制御する必要がある。

そこで近年、実開昭58−112958号公報に示す如
く、内燃機関の高出力時や排気高温時等にはヒー
タへの通電を遮断することによつて、ヒータや検
出素子が高温になり過ぎないよう制御するヒータ
の制御装置が提案され、排気の温度上昇に伴うヒ
ータの断線や検出素子の破壊等を防止することが
考えられているが、内燃機関が燃料カツト運転に
入つた場合の排気温度低下に伴う素子温度の低下
に対しては何ら対策がなされておらず、良好な検
出結果を得ることができないといつた問題があ
る。これは、内燃機関の燃料カツト運転時には、
通常、フイードバツク制御は実行されず問題とな
らないのであるが、内燃機関が燃料カツト運転か
ら復帰し、フイードバツク制御が再開された時点
でも素子温度が低下していることから、空燃比制
御が良好に行なえないといつた問題が生ずるので
ある。

［発明の目的］ そこで本発明は内燃機関が燃料カツト運転に入
つたような場合にでも、常時検出素子温度を所定
温度範囲内に保持することのできる酸素温度セン
サ用ヒータの制御装置を提供することによつて、
内燃機関の空燃比制御がより緻密に実行できるよ
うにすることを目的としている。

［発明の構成］ かかる目的を達するための本発明の構成は、第
１図に示す如く、 内燃機関の排気系に設置され排気中の酸素
濃度を検出する酸素濃度センサに備えられたヒ
ータを制御する制御装置であつて、 該酸素濃度センサの出力信号を検知する出力
信号検知手段と、 当該内燃機関の燃料カツト運転を検知する運
転状態検知手段と、 該運転状態検知手段にて当該内燃機関の燃料
カツト運転が検知されている間、上記出力信号検
知手段にて検知された当該酸素濃度センサの
出力信号に応じて上記ヒータへの供給電力を制
御する制御手段と、 を備えることを特徴とする酸素濃度センサ用ヒー
タの制御装置を要旨としている。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面と共に説明する。

まず第２図は本実施例の酸素濃度センサ用ヒー
タの制御装置が搭載された車両用内燃機関（以
下、エンジンと略す。）及びその周辺装置を表わ
す概略系統図である。

図において１はエンジン、２はピストン、３は
シリンダ、４はシリンダヘツドであり、シリンダ
ヘツド４の各気筒の排気ポート５には排気マニホ
ールド６が、シリンダヘツド４の各気筒の吸気ポ
ート７には吸気マニホールド８が夫々連結されて
いる。また吸気マニホールド８には吸入空気の脈
動を防止するためのサージタンク９が設けられ、
サージタンク９には吸気マニホールド８内の圧
力、即ち吸気管圧力Pmを検出する吸気圧センサ
１０が備えられている。

次に１１はサージタンク９を介して各気筒に送
られる吸入空気量を制御するスロツトルバルブ、
１２はスロツトルバルブ１１を迂回する吸入空気
のバイパス路、１３は吸入空気温度を検出する吸
気温センサであり、スロツトルバルブ１１には、
スロツトルバルブ１１の開度に応じた信号を出力
するスロツトルバルブ開度センサとエンジン１の
アイドリング時にON状態とされるアイドルスイ
ツチとを備えたスロツトルポジシヨンセンサ１４
が直結されている。また１５は排気マニホールド
６に取り付けられ、排気中の酸素濃度を検出する
検出素子と加熱用のヒータとを備えた酸素濃度セ
ンサ、１６はエンジン１の冷却水温を検出する水
温センサ、１７はエンジン１の点火プラグ１８に
所定タイミングでイグナイタ１９から出力される
高電圧を印加するデイストリビユータ、２０はデ
イストリビユータ１７に取り付けられ、エンジン
１の回転数に対応したパルス信号を発生する回転
数センサを夫々表わしている。

上記吸気圧センサ１０、吸気温センサ１３、ス
ロツトルポジシヨンセンサ１４、酸素濃度センサ
１５、水温センサ１６及び回転数センサ２０の各
種検出信号は制御回路２５に出力され、制御回路
２５にて上記各検出信号に基づき、燃料噴射弁２
６の燃料噴射量制御、点火プラグ１８の点火時期
制御、あるいは酸素濃度センサ１５のヒータの制
御等の種々の制御処理が実行される。

次に第３図に上述の制御回路２５の構成を表わ
すブロツク図を示す。図において３１は酸素濃度
センサ１５の検出素子１５ａに所定の電圧を印加
するための印加電源、３２は検出素子１５ａに流
れる電流を検出するための抵抗、３３は抵抗３２
における降下電圧を所定倍に増幅するための増幅
回路、３４は増幅回路３３からの出力信号、つま
り排気中の酸素濃度に対応するアナログ信号や、
吸気圧センサ１０、吸気温センサ１３、スロツト
ルポジシヨンセンサ１４、水温センサ１６等にて
検出されたアナログ信号を受け、デジタル信号に
変換するＡ／Ｄ変換器である。また３５はマイク
ロコンピユータ３７にて演算され、出力された制
御信号によつて制御される駆動回路を表わし、燃
料噴射弁２６によつて駆動し、マイクロコンピユ
ータ３７にて算出された所望量の燃料をエンジン
１に供給させるための駆動信号を出力する回路で
ある。イグナイタ１９もマイクロコンピユータ３
７にて、デイストリビユータ１７へ高電圧を所定
タイミングで出力するよう制御されている。

次に３８は酸素濃度センサ１５のヒータ１５ｂ
への供給電力を制御するための通電制御回路であ
つて、マイクロコンピユータ３７の制御信号に応
じてヒータ用電源３９からの通電を制御するもの
である。また４０はヒータ１５ｂ通電時にヒータ
電圧を検出するヒータ電圧検出回路、４１は同様
にヒータ電流を検出するヒータ電流検出回路であ
る。

このように構成された本実施例の制御回路にお
いては、上述の如く、燃料噴射量制御、点火時期
制御、酸素濃度センサのヒータ制御等種々の制御
が実行されることとなるのであるが、以下に本発
明にかかわる主要な制御処理である酸素濃度セン
サのヒータ制御について、第４図に示す制御プロ
グラムに従つて詳しく説明する。

第４図に示す酸素濃度センサのヒータ制御は、
所定時間間隔例えば100［ｍsec.］毎に実行され、
ヒータ用電源３９からヒータ１５ｂへの通電をエ
ンジン１の運転状態及び酸素濃度センサ１５の検
出結果に応じたヒータ通電のデユーテイ制御によ
つて行なわれる。

処理が開始されると、まずステツプ101にて上
記各センサや検出回路からの信号に基づく、エン
ジン回転数Ne、吸気管圧力Pm、酸素濃度センサ
１５の検出電流Is、エンジン１のアイドリング状
態を示すアイドルスイツチ信号Id、ヒータ電圧
Vh、ヒータ電流Ih等の各種パラメータを読み込
み、続くステツプ102に移行する。

ステツプ102においては、上記ステツプ101にて
読み込まれたヒータ電圧Vh及びヒータ電流Ihと
から、所定時間、例えば100［ｍsec.］の間、ヒー
タ１５ｂを通電した場合の電力量、つまりデユー
テイ比100％の電力量Ａを算出する処理が実行さ
れステツプ103に移行する。以下、電力量の数値
については全て100［ｍsec.］当たりの電力量で表
わす。

ステツプ103においては、現在エンジン１が燃
料カツト運転中であるか否かを判定する。そして
燃料カツト運転中である場合にはステツプ104に
移行し、一方燃料カツト運転中ではない場合には
ステツプ105に移行する。ここでエンジン１１が
燃料カツト運転中であるか否かの判定は、図示し
ない別ルーチンで処理される燃料噴射量制御での
燃料噴射量を見ることによつて実行してもよい
が、本実施例では上記ステツプ101にて読み込ま
れたアイドルスイツチ信号Idとエンジン回転数
Neとを基に、アイドルスイツチ信号Idが「ON」
で、かつエンジン回転数Neが所定回転数以上で
あるといつた燃料カツト条件が成立した場合に、
エンジン１が燃料カツト運転中であると判定する
ものとする。

次にエンジン１が燃料カツト運転中でない場合
に実行されるステツプ105においては、燃料カツ
ト運転時のヒータ１５ｂの目標電力量Ｂを所定
値、例えば35［ｗ・100ｍsec.］に設定し、続くス
テツプ106に移行する。

ステツプ106においては上記ステツプ101にて求
められたエンジン回転数Ne及び吸気管圧力Pmと
をパラメータとする、例えば第５図に示す如きマ
ツプＭあるいは演算式からヒータ１５ｂの目標電
力量Ｃを求め、続くステツプ107に移行す。ここ
でマツプＭにおいては、第５図から明らかな如
く、エンジン回転数Neと吸気管圧力Pmとをパラ
メータとして予め目標電力量Ｃが設定されている
のであるが、これは吸気管圧Pmが大きい場合、
あるいはエンジン回転数Neが大きい場合には、
当然エンジン１への燃料噴射量が多くなり、排気
温度が上昇して排気によつて検出素子１５ａが加
熱されることから、ヒータ１５ｂへの供給電力を
小さくし、一方エンジン回転数Neが小さい場合
あるいは吸気管圧力Pmが小さい場合には排気温
度が下がり検出素子を加熱できなくなることか
ら、ヒータ１５ｂへの供給電力を大きくするよう
に設定されている。

ステツプ106にて目標電力量Ｃが求められると、
次にステツプ107において、この目標電力量Ｃと、
上記ステツプ102にて求められたデユーテイ比100
％の電力量Ａとをパラメータとして、次式 Ｄ＝（Ｃ／Ａ）×100 を用いてヒータ１５ｂに目標電力量Ｃを供給する
ためのデユーテイ比Ｄが算出される。

そしてステツプ108にて、上記求められたデユ
ーテイ比Ｄのパルス信号を通電制御回路３８に送
出し、ヒータ１５ｂへの供給電力を制御する処理
が実行される。

ここで例えばデユーテイ比100％の電力量Ａが
50［ｗ・100ｍsec.］、エンジン回転数Neと吸気管
圧力PmとからマツプＭにより求められた目標電
力量が25［ｗ・100ｍsec.］であるとすると、デユ
ーテイ比Ｄは50［％］となり、通電制御回路３８
に送出されるパルス信号は、第６図の実線で示す
如きものとなる。

次に上記ステツプ103にてエンジン１が燃料カ
ツト運転中であると判断された場合に実行される
ステツプ104においては、上記ステツプ101にて読
み込まれた酸素濃度センサ１５の検出電流Isが25
［ｍＡ］以上であるか否かの判定が実行される。
そしてIs≧25［ｍＡ］の場合には続くステツプ109
に移行して、燃料カツト運転中の目標電力量Ｂが
１［ｗ・100ｍsec.］下げられ、Is＜25［ｍＡ］の
場合には続くステツプ110にて目標電力量Ｂが１
［ｗ・100ｍsec.］上げられる。

ステツプ109にて目標電力量Ｂが１［ｗ・100ｍ
sec.］下げられると、続くステツプ111にて目標
電力量Ｂが25［ｗ・100ｍsec.］以上であるか否か
を判定し、Ｂ≧25［ｗ・100ｍsec.］の場合にはそ
のままステツプ112に移行し、一方Ｂ＜25［ｗ・
100ｍsec.］の場合にはステツプ113にて目標電力
量Ｂを25［ｗ・100ｍsec.］に設定しステツプ112
に移行する。

またステツプ110にて目標電力量Ｂが１［ｗ・
100ｍsec.］上げられるとステツプ114が実行さ
れ、目標電力量Ｂが45［ｗ・100ｍsec.］より大き
いか否かの判定が実行される。そしてＢ＞45
［ｗ・100ｍsec.］の場合にはステツプ115に移行
して目標電力量Ｂが45［ｗ・100ｍsec.］に設定し
てステツプ112に移行し、一方Ｂ≦45［ｗ・100ｍ
sec.］の場合にはそのままステツプ112に移行す
る。

そしてステツプ112においては前記ステツプ107
と同様に、上記ステツプ109、ステツプ111、ステ
ツプ103の一連の処理、あるいはステツプ110、ス
テツプ114、ステツプ115の一連の処理にて設定さ
れた目標電力量Ｂと、上記ステツプ102にて求め
られたデユーテイ比100％の電力量Ａとをパラメ
ータとする次式 Ｄ＝（Ｂ／Ａ）×100 よりヒータ１５ｂに目標電力量Ｂを供給するため
のデユーテイ比Ｄが算出され、ステツプ108に移
行する。

ここで上記ステツプ104の処理は、エンジン１
の燃料カツト運転中に酸素濃度センサ１５の検出
電流が設定値（この場合25［ｍＡ］）以下になつた
か否かを判定することによつて、燃料カツト運転
中の排気温度低下に伴う酸素濃度センサ１５の検
出素子１５ａの素子温度の低下、つまり検出能力
の低下を検出しているのである。またこの判定に
用いられる設定値としては、燃料カツト運転中に
は吸入空気がそのまま排出されることから、酸素
濃度センサ１５が空気中の酸素濃度20％を検出し
た場合に流れる電流値を用いればよい。更に酸素
濃度センサにおいては、同じ種類の酸素濃度セン
サであつても検出素子のばらつきによつて、検出
電流が例えば第７図に示す如く、30［ｍＡ］ない
し35［ｍＡ］の範囲でばらつくといつたことも考
えられるが、この場合にはその最小の検出電流
値、あるいはそれよりも小さい値に設定しておけ
ば、例えば酸素濃度20％で検出電流が30［ｍＡ］
のセンサに35［ｍＡ］の検出電流が流れるように
ヒータを加熱するといつた無理な制御を実行する
ことなく、検出素子をある程度まで活性化してお
くことができる。

また検出電流が設定値以上の場合にはステツプ
109、ステツプ111、ステツプ113の処理が実行さ
れるが、この一連の処理は、ヒータ１５ｂへの供
給電力が少なく、かつ検出電流が設定値以上とな
るように制御しているのであつて、消費電力の抑
制及び異常加熱によるヒータの断線や検出素子の
破壊を防止しているのである。

更に検出電流が設定値以下の場合に実行される
ステツプ110、ステツプ114、ステツプ115の一連
の処理は、ヒータへの供給電力を増加して検出電
流を設定値以上となるよう制御すると共に、目標
電力量Ｂが45［ｗ・100ｍsec.］以上となるような
場合には45［ｗ・100ｍsec.］に押え、消費電力の
抑制及び異常加熱によるヒータの断線や検出素子
の破壊を防止しているのである。

以上詳述したように本実施例の酸素濃度センサ
用ヒータの制御装置によれば、エンジン１が燃料
カツト運転中でない場合にはエンジン回転数Ne
と吸気管圧力Pmとに基づきヒータ１５ｂに供給
する電力量を求め、ヒータ１５ｂの通電制御を実
行することから、検出素子１５ａの温度を一定に
保つことができる。またエンジン１が燃料カツト
運転に入つた場合であつても、酸素濃度センサ１
５の検出電流Isに応じて消費電力の少ない範囲内
で良好な検出電流Isが得られるよう制御すること
から、検出素子を常時活性化しておくことができ
る。従つてエンジン１が燃料カツト運転から復帰
してフイードバツク制御に入る時点でも酸素濃度
センサ１５の検出結果は信頼性の高い値となり、
フイードバツク制御が良好に実行できるようにな
る。

尚、本実施例において、前述の運転状態検知手
段に相当するものとしては、上記ステツプ103
にて燃料カツト運転を判断する際に用いられるエ
ンジン回転数Ne及びアイドルスイツチ信号Idを
夫々検出する回転数センサ２０及びスロツトルポ
ジシヨンセンサ１５が挙げられ、出力信号検知手
段に相当するものとしては制御回路２５におけ
る抵抗３２及び増幅回路３３が挙げられる。また
制御手段に相当するものとしては、上記第４図
に示した制御プログラムのうち、燃料カツト運転
中に処理されるステツプ104及びステツプ109ない
しステツプ115の処理及び通電制御回路３８が挙
げられる。

ここで上記実施例においては、上記制御プログ
ラム実行の際に用いる目標電力量Ｂや検出電流Is
等の電流を数値で表わしているが、本発明はこれ
らの数値に何ら限定されることはない。

また上記実施例においては、ヒータ１５ｂの通
電制御としてデユーテイ比による電力制御を行な
つているが、これ以外にも例えばヒータ用電源の
印加電圧を制御するようにしてもよい。

更に上記実施例においては、エンジン１が燃料
カツト運転中でない場合に、ステツプ106にてエ
ンジン回転数Neと吸気管圧力Pmとをパラメータ
とするマツプよりヒータ１５ｂの目標電力量Ｃを
求めるようにしているが、これらエンジン回転数
Neや吸気管圧力Pmの他にも吸入空気温度、吸入
空気量等をパラメータとして求めるようにしても
よい。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の酸素濃度センサ
用ヒータの制御装置においては、内燃機関の燃料
カツト運転中に酸素濃度センサの出力信号に応じ
てヒータへの供給電力を制御するよう構成されて
いる。従つて内燃機関が燃料カツト運転に入り燃
料の燃焼がなく、酸素濃度センサが冷却されるよ
うな場合であつても、酸素濃度センサの検出結果
が低下しないように素子温度を保つことができ、
燃料カツト運転復帰時のフイードバツク制御が良
好に実行できるようになる。また燃料カツト運転
中のヒータへの供給電力は単に増加するのではな
く、酸素濃度センサの出力信号に応じて制御され
ることから、無駄な電力消費を抑えることがで
き、ヒータの異常加熱によるヒータの断線や検出
素子の破壊も生じることはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロツク図、第２
図は本発明の実施例の酸素濃度センサ用ヒータの
制御装置が搭載されたエンジン及びその周辺装置
を表わす概略系統図、第３図は制御回路２５の構
成を示すブロツク図、第４図は制御回路２５にて
実行される酸素濃度センサのヒータ制御処理を表
わすフローチヤート、第５図はマツプＭを示すグ
ラフ、第６図は通電制御回路３８に出力される制
御信号を表わすタイムチヤート、第７図は酸素濃
度センサのばらつきによる検出電流のばらつきを
説明するグラフである。 １……エンジン、６……排気マニホールド、１
４……スロツトルポジシヨンセンサ、１５……酸
素濃度センサ、２０……回転数センサ、２５……
制御回路、３７……マイクロコンピユータ、３８
……通電制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の排気系に設置され排気中の酸素濃
   度を検出する酸素濃度センサに備えられたヒータ
   を制御する制御装置であつて、 該酸素濃度センサの出力信号を検知する出力信
   号検知手段と、 当該内燃機関の燃料カツト運転を検知する運転
   状態検知手段と、 該運転状態検知手段にて当該内燃機関の燃料カ
   ツト運転が検知されている間、上記出力信号検知
   手段にて検知された当該酸素濃度センサの出力信
   号に応じて上記ヒータへの供給電力を制御する制
   御手段と、 を備えたことを特徴とする酸素濃度センサ用ヒー
   タの制御装置。