JPS61204559A - 酸素濃度測定装置 - 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、酸素センサを用いて自動車用エンジン等の排
気酸素濃度を検出する酸素濃度測定装置に関する。

（従来技術） 近時、エンジンの燃費、排気対策等の要求を満たすため
、エンジンの始動直後がら空燃比がフィードバック制御
される傾向にあり、このような空燃比は、通常、排気中
の酸素濃度をパラメータとして検出される。

このため、リンチからリーンまで、空燃比を広範囲に検
出可能な酸素センサ（例えば、特開昭５９−６７４５５
号公報、特開昭５９−４６３５０号公報参照）が種々開
発されている。このような酸素センサはセンサ電極間が
所定電位差であるときの拡散限界酸素量が酸素濃度に相
関するという特性に着目し、これを拡散電流（ポンプ電
流）として外部回路により検出することで、空燃比を広
範囲に検出している。そして、このような酸素センサ情
報Ｇこ基づいてリッチからリーンまで空燃比を広範囲に
フィードバック制御することができる。

一方、酸素センサはその特性が温度に依存するので作動
を安定化させるために、センサ本体（素子部）を加熱す
るヒータを設け、エンジン始動時からヒータに通電して
いる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の酸素濃度測定装置にあ
っては、酸素センサに排気酸素濃度にｔ０関するととも
に温度依存特性を有するポンプ電流を供給し、この電流
値がら空燃比を検出するという構成（なお、構造につい
ては後述の実施例と同様であり、これを参照）であるた
め、センサ本体の温度が変化すると空燃比の検出精度が
低下する。

すなわち、ポンプ電流の値は酸素濃度に相関するが、こ
の相関関係（以下、Ｉｐ−０２相関という）はセンサ本
体が所定の活性状態に移行した後に成立する。特に、エ
ンジン始動直後にあってはどの時点から正確な相関関係
になるかの判断が困難である。したがって、このような
場合、相関成立判断が早すぎるとあるいは相関成立判断
を考慮することなく始動直後から直ちにフィードバック
制御情報として利用すると、エンジンの運転性能が低下
する。また、活性状態への移行前にポンプ電流の供給が
開始されることとなり、その電流値が過大となってセン
サ本体の劣化が促進される。

一方、相関成立判断が必要以上に遅くなされると、フィ
ードバック制御の開始が遅れてやはりエンジンの運転性
能が低下する。

（発明の目的） ここで本発明は、エンジン開始時の機関温度と始動後の
運転状態に応じてポンプ電流の供給開始タイミングを設
定することにより、エンジン始動後のＩｐ−０２相関の
成立を適切に判断して、センサ本体の耐久性を向上させ
つつ使用開始時における排気酸素濃度の検出精度を向上
させることを目的としている。

（発明の構成） 本発明による酸素濃度測定装置はその基本概念図を第１
図に示すように、排気中の酸素濃度に相関するポンプ電
流が供給される素子部と、素子部を加熱するヒータと、
を有する酸素センサａと、開始信号が入力されると酸素
センサａにポンプ電流を供給し、このポンプ電流の値に
基づいて排気中の酸素濃度を検出する濃度測定手段すと
、エンジン始動時の機関温度を検出する温度検出手段Ｃ
と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段ｄ
と、エンジンが始動すると酸素センサａのヒータに通電
するとともに、始動時の機関温度および始動後の運転状
態に応じて前記開始信号の出力タイミングを設定する開
始時期設定手段ｅと、を備えており、エンジン始動後の
Ｉｐ−０２相関の成立を適切に判断するものである。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜７図は本発明の一実施例を示す図であり、本発明
をエンジンの空燃比制御装置に通用した例である。

まず、構成を説明すると、第２図において、１はエンジ
ンであり、吸入空気はエアクリーナ２より吸気管３を通
して各気筒に供給され燃料は噴射信号Ｓｔに基づいてイ
ンジェクタ４により噴射される。そして、気筒内で燃焼
した排気は排気管５を通して触媒コンバータ６に導入さ
れ、触媒コンバータ６内で排気中の有害成分（Ｃｏ、Ｉ
Ｃ。

Ｎ０ｘ）を三元触媒により清浄化して排出される。

吸入空気の流１ｉＱａはエアフローメータ７により検出
され、吸気管３内の絞り弁８によって制御される。絞弁
８の開度Ｃｖは絞弁開度センサ９により検出され、エン
ジン１の回転数Ｎはクランク角センサ１０により検出さ
れる。またウォータジャケットを流れる冷却水の温度Ｔ
ｗは水温センサ（温度検出手段）１１により検出される
。

排気管５には酸素センサ１２が取り付けられており、酸
素センサ！２は空燃比検出回路（濃度測定手段）１３に
接続される。空燃比検出回路１３は所定条件下（詳細は
後述する）で開始信号Ｓｃが入力されると酸素センサ１
２にポンプ電流１ｐを供給するとともに、その電流値を
検出して排気酸素濃度に対応する電圧信号Ｖｉを出力す
る。上記エアフローメータ７およびクランク角センサｌ
Ｏは運転状態検出手段１４を構成しており、運転状態検
出手段１４および各センサ９．１１．１３からの信号は
コントロールユニット１５に入力される。コントロール
ユニット１５はこれらのセンサ情報に基づいて空燃比制
御、酸素センサ１２のヒータへの通電制御および開始信
号Ｓｃの出力制御を行うもので、詳細な構成は後述する
。

第３．４図は、酸素センサ１２の分解斜視図およびその
断面図である。これらの図において、２１はアルミナか
らなる基板であり、基板２１上にはヒータ２２を介して
チャンネル状の大気導入部２３を形成した大気導入板２
４が積層される。その上に、酸素イオン伝導性の平板状
の第１の固体電解質２５が積層され、固体電解質２５の
下面には大気に晒される電極であるセンサアノード（基
準電極）２６が、それに対応する上面には排気ガスに晒
される電極であるセンサカソード（測定電橋）２７がそ
れぞれ印刷により設けられる。さらに、この固体電解質
５の上に厚さＬ　（Ｌ＝０．１　ｍｍ程度）のスペーサ
板部が積層され、その上に平板状の第２の固体電解質２
９が積層される。これらの固体電解質２５．２９および
スペーサ２８はセンサカソード２７を覆ってこのセンサ
カソード２７の周りにガス導入部（酸素層）３０を画成
する酸素画成部材３１を構成しており、酸素層画成部材
３１は排気とガス導入部３０との間の酸素分子の拡散を
制限する。上記センサアノード２６、センサカソード２
７および固体電解質２５はセンサ部３２を構成しており
、センサ部３２は大気導入部２３とガス導入部３０との
間の酸素分圧比に応じた電圧（以下、センサ電圧という
）Ｖｓを出力する。

また、第２の固体電解質２９の上、下面にはそれぞれポ
ンプ電極としてのポンプアノード３３およびポンプカソ
ード３４が設けられ、これらのポンプアノード３３、ポ
ンプカソード３４および固体電解質四はポンプ部あを構
成する。ポンプ部３５はポンプ電極間に供給されるポン
プ電流１ｐの値に応じてガス導入部３０の酸素分圧を制
御する。上記センサ部３２、ポンプ部３５、酸素層画成
部材３１および大気導入板２４は排気中の酸素濃度を検
出する素子部３６を構成する。なお、ヒータ２２はヒー
タ電圧ｖｈが印加されると固体電解質２５．２９を適温
に加熱し、それらを活性化させる。また、４１．４２は
ヒータ２２のリード線、４３〜４６はそれぞれセンサア
ノード２６、センサカソード２７、ポンプアノード、ポ
ンプカソード３４のリード線である。

第５図は空燃比検出回路１３の構成を示す回路図であり
、この図において、空燃比検出回路１３は目標電圧−Ｖ
ａを発生する電圧源４９、差動アンプ５０、抵抗Ｒ１，
電流供給回路５１、電流検出回路５２およびアナログス
イッチ５３により構成される。差動アンプ５０はセンサ
電圧Ｖｓを目標電圧−Ｖａと比較してその差値ΔＶ（Δ
Ｖ＝Ｖｓ　−（−Ｖａ））を算出する。電流供給回路５
１は差値ΔＶが零になるようにアナログスイッチ５３を
介して素子部３６のポンプカソード３４からのポンプ電
流１ｐを流し出す（あるいは流し込む）。すなわちΔＶ
が正のときはＩｐを増やし、負のときはＩｐを減らす。

アナログスイッチ５３はコントロールユニット１５から
開始信号Ｓｃが入力されるとその接点を閉じてポンプ電
流１ｐの通過を許容し、開始信号Ｓｃの非入力時には接
点を開いてポンプ電流１ｐの通過を阻止する。電流検出
回路５２は抵抗Ｒ１の両端間の電位差によりポンプ電流
１ｐを電圧Ｖｉ（Ｖｉｏｃｌｐ）に変換して検出する。

なお、ポンプ電流ｉｐは実線矢印で示す方向を正（Ｖｉ
も正）、破線矢印で示す逆方向を負とする。

そして、目標電圧−Ｖａを素子部３６のガス導入部３０
内の酸素能動が所定値に維持されているとき、すなわち
固体電解質２５の両面間の酸素分圧比が所定値となると
きのセンサ電圧Ｖｓに相当する値に設定しておくことよ
り、電流検出回路５２によって検出されるポンプ電流ｒ
ｐに比例した検出電圧Ｖｉは第６図に示すように空燃比
と一義的に対応するようになる。したがって、この検出
電圧Ｖｉを利用すれば空燃比をリッチ域からリーン域ま
で広範囲に亘って連続的に精度よく検出することができ
る。

再び第２図において、コントロールユニット１５は開度
時期設定手段としての機能を有し、ｃｐＵ５６、ＲＯＭ
５７、ＲＡＭ５８および【１０ポート５９により構成さ
れる。ＣＰＵ５６はＲＯＭ５７に書き込まれているプロ
グラムにしたがって１１０５９より必要とする外部デー
タを取り込んだり、またＲＡＭ５８との間でデータの授
受を行ったりしながら演算処理し、必要に応じて処理し
たデータをＩ１０ポート５９へ出力する。Ｉ１０ポート
５９には空燃比検出回路１３およびセンサ群９．１１．
１４からの信号が入力されるとともに、Ｉ１０ポート５
９からは噴射信号Ｓｉ、ヒータ信号ｓｈおよび開始信号
Ｓｃが出力される。ＲＯＭ５７はＣＰＵ５６における演
算プログラムを格納しており、ＲＡＭ５８は演算に使用
するデータをマツプ等の形で記憶している。ヒータ信号
ｓｈはアンプ６０に入力されており、アンプ６０は同信
号ｓｈを電圧増幅しヒータ電圧ｖｈとして酸素センサ１
２のヒータ２２に印加する。

次に、作用を説明する。

第７．８図はＲＯＭ５７に書き込まれている酸素センサ
制御のプログラムを示すフローチャートであり、図中Ｐ
、−ＰＨはフローチャー１・の各ステップを示している
。

第７図は検知開始タイミング算出プログラムを示してお
り、本プログラムはバンクグランドジョブ（ＢＧＪ）で
割込処理の合間を抜って不定期に繰り返し実行される。

まず、Ｐ、で回転数Ｎが始動判別回転数（４００ｒ、ｐ
、ｍ、）を超えているか否かを判別し、Ｎ≦４０Ｏｒ、
ｐ、ｍ、のときは未だ始動完了していないと判断してＰ
２、Ｐ３でそれぞれヒータ信号ｓｈ、開始信号Ｓｃの出
力を停止して（既に停止されていれば停止状態を維持す
る）、リターンする。一方、Ｎ　＞　４０Ｏｒ、ｐ、ｍ
、のときは始動完了と判断してＰ４でヒータ信号ｓｈの
出力の有無を判別する。ヒータ信号ｓｈが出力されてい
なければ、まずＰ、で同信号ｓｈの出力を開始し、Ｐ６
でそのとき（始動時）の冷却水温ＴＷを読み込み、さら
にＰ７でこの冷却水温Ｔｗに基づいて開始信号Ｓｃの出
力開始タイミングＴｓｔをテーブルルックアップする。

出力開始夕・イミノジ’ｌ’ｓｔは酸素センサ１２が排
気酸素濃度の検出を開始するタイミングであり、ヒータ
信号ｓｈの出力開始時点から経過時間という形で設定さ
れる。この’ｌ’ｓｔの値は始動時の機関塩度（本実施
例では冷却水温Ｔ　ｗ　）に応じて予め最適値がデータ
テーブルとして記憶されており、冷却水温Ｔｗが低い程
大きな値に設定される。

次いで、Ｐ、で回転数Ｎと基本噴射量’ｒｐを読み込む
。基本噴射量Ｔｐは図示しない他のルーチンにより次式
■に従って演算される。

Ｔｐ＝に−Ｑａ／Ｎ−−−・−■ 但し、Ｋ：定数 そして、Ｐ、でＮとＴｐに基づいて一定時間毎に出力開
始タイミングＴｓｔから減算する減算値Ｔｓｕｂをテー
ブルルックアップする。この減算値Ｔｓｕｂは後述のプ
ログラムで使用されるもので、排気温度が高く、排気流
速が小さい運転域程大きな値に設定される。これは、始
動直後の場合、排気温度が未だ比較的低いことから排気
熱で酸素センサ１２が暖まるよりもむしろ排気流で冷却
される量の方が多いからで、排気流速が大きければ冷却
効果が大きく暖まりにくいことを考慮したものである。

また、上記ステップＰ４でヒータ信号ｓｈが既に出力さ
れていると判断したときはＰ８にジャンプして運転状態
に応じて減算値Ｔ　ｓ　ｕ　ｂを逐次（本ルックアンプ
毎に）ルックアップする。したがって、エンジン１が始
動完了し排気管５内の温度が上昇過程にあるとき酸素セ
ンサ１２のヒータ２２へ通電が開始されることとなり、
ヒータ２２単独の急激な温度上昇を避けて耐久性の向上
が図られる。

因に、例えばヒータ２２のみが急激に温度上昇すると、
発熱体のはがれ等により耐久性の低下を招く１ｔＪ！向
にある。

第８図は検知開始タイミング実行プログラムを示してお
り、本プログラムは所定時間毎に一度実行される。なお
、これはエンジン回転に同期して、例えば１回転毎に一
度実行してもよい。

ｐＨで開始信号Ｓｃが出力されているか否かを判別し、
出力されていなければＰＩ３で出力開始タイミングＴＳ
ｔを次式■に従って演算する。

Ｔｓ　ｔ　＝Ｔｓ　ｔ　’　−Ｔｓ　ｕ　ｂ−−−−−
−■但し、Ｔ　ｓ　ｔ　：今回のルーチンの出力開始タ
イミングの値 Ｔｓｔ’：前回のル〜ヂンの出力開始 タイミングの値 次いで、ＰＩ３でＴｓｔが零になったか否かを判別し、
Ｔｓｔ≦Ｏのときは検知開始タイミングであると判別し
てＰ、４で開始信号Ｓｃを出力する。

これにより、空燃比検出回路１３によるポンプ電流ｒｐ
の供給が開始されて空燃比の検出が開始され、空燃比の
フィードパ、り制御が開始される。このとぎ、酸素セン
サ１２は排気熱およびヒータ２２の発熱によってその本
体が十分に加熱されて活性状態にあり、Ｉｐ−０□相関
を成立されている。したがって、精度の高い空燃比検出
情報により空燃比が適切に制御され、エンジン１の運転
性が向上する。

また、Ｔｓｔ＞０のときはＰＩ３をバイパスしてリター
ンし、Ｔｓｔ≦０となる迄このルーチンでフローが流れ
る。一方、上記ステップｐＨで開始信号Ｓｃが既に出力
されていれば、上記ルーチン（Ｐ１２〜Ｐ、４）を経る
ことなくプログラムが繰り返される。

このように、まず始動時の冷却水温ＴＶによってＴｓｔ
の大きさを設定した後、始動後における排気管５内の温
度上昇をＮ、Ｔｐより適格に予想し酸素センサ１２が活
性状態に移行したとき１ｐ−０２相関が成立すると判断
してポンプ電流１ｐの供給が開始される。したがって、
ポンプ電流Ｉｐの供給開始時における過大化が避けられ
、素子部３６の劣化を抑制してその耐久性が向上する。

また、ポンプ電流Ｉｐの供給開始時から直ちに正確な空
燃比検出情報として用いることができ、フィードバンク
制御精度が向上し運転性が高まる。すなわち、始動直後
から最小限の時間でＩｐ−０２相関の成立を適切に判断
して正確な空燃比検出情報を得ることができる。

なお、本発明は上記実施例に示したタイプの酸素センサ
に限定されるものではない。要は、拡散電流を排気中の
酸素濃度に相関させるように酸素分子のポンピングを行
うとともに、一定酸素濃度の基準ガス（大気のみとは限
らない）との比較のもとに空燃比を算出するタイプのも
のであればすべてに適用が可能である。したがって、ポ
ンプ電極の一部がセンサ電極と共用されているもの、あ
るいはセンサ部とポンプ部が一体構造のもの（見かけ上
はセンサ部のみとなる）であってもよいことは勿論であ
る。

（効果） 本発明によれば、エンジン始動後のＩｐ−０２相関の成
立を適切に判断してポンプ電流の供給を開始することが
でき、センサ本体の耐久性を向上させつつ使用開始時に
おける排気酸素濃度の検出精度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜８図は本発明の一
実施例を示す図であり、第２図はその全体構成図、第３
図はその酸素センサの分解斜視図、第４図はその酸素セ
ンサの断面図、第５図はその空燃比検出回路の回路図、
第６図はその空燃比と検出電圧との関係を示す図、第７
図はその検知開始タイミング算出のプログラムを示すフ
ローチャート、第８図はその検知開始タイミング実行の
プログラムを示すフローチャートである。 １−−−−一エンジン、 １１−−−一水温センサ（温度検出手段）、１２−−・
・・−酸素センサ、 １３−−−−−一空燃比検出回路（濃度測定手段）、１
４−−・−運転状態検出手段、 １５−・・−コントロールユニット（［５ｉ’ｌ　始時
ＩＦＩ　設定手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）排気中の酸素濃度に相関するポンプ電流が供給され
   る素子部と、素子部を加熱するヒータと、を有する酸素
   センサと、 ｂ）開始信号が入力されると酸素センサにポンプ電流を
   供給し、このポンプ電流の値に基づいて排気中の酸素濃
   度を検出する濃度測定手段と、ｃ）エンジン始動時の機
   関温度を検出する温度検出手段と、 ｄ）エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と
   、 ｅ）エンジンが始動すると酸素センサのヒータに通電す
   るとともに、始動時の機関温度および始動後の運転状態
   に応じて前記開始信号の出力タイミングを設定する開始
   時期設定手段と、 を備えたことを特徴とする酸素濃度測定装置。