JPH0627721B2

JPH0627721B2 - 酸素濃度センサの制御方法

Info

Publication number: JPH0627721B2
Application number: JP60213571A
Authority: JP
Inventors: 智彦川鍋; 正彦朝倉; 勝彦木村; 稔室屋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1985-09-26
Filing date: 1985-09-26
Publication date: 1994-04-13
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: JPS6271847A

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。

背景技術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て検出し、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、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、ポンプ電流値から空燃比を判別
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。ところが、エンジン高負荷時にはエン
ジンに吸入される混合気量が多くなり燃焼温度が高くな
るので、その結果、排気ガス温度が上昇して加熱素子の
発熱温度より高くなり、加熱素子が焼損したり、或いは
急速に劣化する原因となっている。従って、加熱素子を
保護するためにエンジン高負荷時には加熱素子への電流
供給を停止する制御方法が本出願人によって提案されて
いる。この高負荷領域をエンジン回転数によって判別す
ると、その高負荷判別の基準回転数前後にて運転されて
いるときには加熱素子への電流供給／供給停止が繰り返
されるので加熱素子の発熱温度が変化し空燃比が同一で
も酸素濃度センサの出力レベルが変動する。よって、上
記基準回転数を低く設定することもできるが、そうする
と空燃比のフィードバック制御領域が狭くなり排気浄化
性能が低下するという問題点があった。また加熱素子へ
の電流供給を一度停止すると加熱素子への電流供給再開
後に酸素ポンプ素子及び電池素子が再活性するまでの時
間を要する。よって、エンジン回転数が基準回転数以下
になり空燃比フィードバック制御条件を充足しても直ち
に酸素濃度センサの出力レベルから正確な空燃比判別を
することができないので加熱素子への電流供給／供給停
止が繰り返されることは空燃比のフィードバック制御領
域を狭くしているのである。

発明の概要そこで、本発明の目的は、排気浄化性能の向上を図りつ
つエンジン高負荷時の加熱素子の保護を図ることができ
る酸素濃度センサの制御方法を提供することである。

本発明の酸素濃度センサの制御方法は、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応じ
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、内
燃エンジンのエンジン運転パラメータを検出し、そのエ
ンジン運転パラメータの検出値が第１領域にあるとき加
熱素子への電流供給を停止し、エンジン運転パラメータ
の検出値が第１領域より小なる第２領域にあるときその
運転状態が所定時間継続するまでは加熱素子へ電流を供
給し所定時間以上継続したならば加熱素子への電流供給
を停止し、エンジン運転パラメータの検出値が第１及び
第２領域より小なる領域にあるとき加熱素子への電流供
給を継続することを特徴としている。

実施例以下、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
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サである。電磁開閉弁
２６、絶対圧センサ２７、回転数センサ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。

酸素濃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。酸素濃度検出素子３は円筒状に形成され
た保護部材１７によった囲橈され、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３１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手平板状素子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
状の電極層１１，１２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。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
ッ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１１
ｂ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せ
た開口部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６ｄはＰ
ｔ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
は酸素濃度センサ３０にその間隙部８の３方向開口部か
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Ｉ_Ｐ
が制御される。よって、定温においてその電流値Ｉ_Ｐ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Ｉ_Ｐ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する。す
なわちポンプ電流値Ｉ_Ｐが目標空燃比に対応する基準値
以下のときリッチとし、基準値以上のときリーンとす
る。この判別結果に応じて電磁開閉弁２６の開閉を制御
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によってデューティ制御される。空燃比
制御回路３２はヒータ電流値Ｉ_Ｈを表わすＩ_Ｈデューテ
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_Ｈデュ
ーティパルスを入力してそのＩ_Ｈデューティパルスによ
りオンとなりヒータ線６ｂ，（７ｂ）にバッテリー電圧
Ｖ_Ｂ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Ｐ_Ａが６５０mmHg
以下であるか否か、冷却水温Ｔ_Ｗが４５℃以下であるか
否か、吸気温Ｔ_Ａが２０℃以下であるか否か、またエン
ジン回転数Ｎｅが３００r.p.m.以下であるか否かを判別
する（ステップ５１ないし５４）。Ｐ_Ａ＜６５０mmHgな
らば高地走行時であり、Ｔ_Ｗ＜４５℃ならば低冷却水温
であり、Ｔ_Ａ＜２０℃ならば低吸気温であり、またＮｅ
＜３００r.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
流供給停止指令を発生し（ステップ５５）、またヒータ
電流の供給を停止するためにＩ_Ｈ＝０に対応するように
Ｉ_Ｈデューティパルスのデューティ比を０％にしてＩ_Ｈ
デュ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、Ｐ_Ａ≧６５０mm
Hg、Ｔ_Ｗ≧４５℃、Ｔ_Ａ≧２０℃、またＮｅ≧３００r.
p.m.の各条件を全て充足するときにはバッテリー電圧Ｖ
_Ｂが14.7Ｖ以上であるか否かを判別する（ステップ５
７）。Ｖ_Ｂ≦14.7Ｖ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５
８）。Ｖ_Ｂ＞14.7Ｖならば、バッテリー電圧Ｖ_Ｂが高電
圧であるのでこの高電圧状態が0.5sec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
５９）。バッテリーの高電圧状態が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Ｐ_ＢＡが
２１０mmHgより小であるか否かを判別する（ステップ６
０）。Ｐ_ＢＡ≧２１０mmHgならば、エンジン回転数Ｎｅ
が４０００r.p.m.以上であるか否かを判別する（ステッ
プ６１）。Ｎｅ＞４０００r.p.m.のときは第１領域であ
るのでエンジン２１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≦４０００r.p.m.のときはエンジン回転数Ｎｅ
が３０００r.p.m.以上であるか否かを判別する（ステッ
プ６２）。Ｎｅ≦３０００r.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）に計数時間
として１０sec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（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）のデュ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Ｐ
_ＢＡ＜２１０r.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。Ｎ
ｅ＞３０００r.p.m.ならば、すなわち４０００≧Ｎｅ＞
３０００r.p.m.ならば、第２領域で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
供給停止指令を発生し（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１０sec
以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１０se
c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_Ｈをバッテリー電圧Ｖ_Ｂ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_Ｂ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_Ｈデューティパルスのデューティ比Ｔ_ＯＨＥを１０
０−Ｋ（Ｖ_Ｂ−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_Ｈデュー
ティパルスのデューティ比Ｔ_ＯＨＥは第８図に示すよう
にバッテリー電圧Ｖ_Ｂが低いときには１００％に設定さ
れ、バッテリー電圧Ｖ_Ｂが所定電圧Ｖ_１以上では電圧Ｖ
_Ｂ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において空燃比制御回路３２から出力されるＩ_Ｈ
デューティパルスのデューティ比Ｔ_ＯＨＥを（Ｖｒ／Ｖ
_Ｂ）×１００の如く設定しても良い。これによりＩ_Ｈデ
ューティパルスのデューティ比Ｔ_ＯＨＥ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から
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。

更に、上記した本発明の実施例においては、エンジン負
荷をエンジン回転数から判別しているが、これに限ら
ず、吸気絶対圧、絞り弁開度等から判別しても良いので
ある。

発明の効果このように、本発明の酸素濃度センサの制御方法におい
ては、エンジン運転パラメータの検出値が第１領域にあ
るとき加熱素子への電流供給が停止され、エンジン運転
パラメータの検出値が第１領域より小なる第２領域にあ
る運転状態が所定時間以上継続したとき加熱素子への電
流供給が停止される。よって、エンジン高負荷時に排気
ガス温度が加熱素子の発熱温度以上に上昇しても加熱素
子への電流供給停止により加熱素子が過熱することが回
避されるので加熱素子の焼損、及び急速な劣化を防止す
ることができる。また加熱素子への電流供給／供給停止
を頻繁に繰り返すことがないので加熱素子の発熱温度が
安定し、酸素濃度センサの出力特性を所望の特性に維持
させることができる。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排気浄化性能
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
Ｉ_Ｈデューティパルスのデュ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２９……冷却水温センサ３０……酸素濃度センサ３１……排気マニホールド

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｎ 27/419 7363−2ＪＧ０１Ｎ 27/46 ３２７Ｑ (72)発明者室屋稔埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (56)参考文献特開昭61−207960（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−130650（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−42963（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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応じ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、前記内燃エンジンのエン
ジン運転パラメータを検出し、そのエンジン運転パラメ
ータの検出値が第１領域にあるとき前記加熱素子への電
流供給を停止し、前記エンジン運転パラメータの検出値
が前記第１領域より小なる第２領域にあるときその運転
状態が所定時間継続するまでは前記加熱素子へ電流を供
給し前記所定時間以上継続したならば前記加熱素子への
電流供給を停止し、前記エンジン運転パラメータの検出
値が前記第１及び第２領域より小なる領域にあるとき前
記加熱素子への電流供給を継続することを特徴とする酸
素濃度センサの制御方法。