JPS6271848A - 酸素濃度センサの制御方法 - 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】 炎血公ユ 本発明は内燃エンジンのυ！気気ガス中酸素濃度を検出
する酸素濶ｊｖセンサの制御方法に関・する。

江上目丸頂 内燃エンジンのＩＪ［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パックド制御する空燃比制
御装作がある。

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リ−る混合気の空燃比が理論空燃
比より人なる領域においてｉＪｌ気ガス中の酸素濃度に
比例した出力を発ｑ−するらのがある（　１：を開明５
８−１５３１５５号）。かかる酸素濶度セン勺に４３い
て岬よ、−文・１の甲板状の酸系イ２〕・伝導性固体電
解７１部材を右づる酸素濃度検出器が設けられでいる。

その固体電＠で１部材は排気ガス中に配置されるように
なされ、固体電解７°１部材の各表宍面に覧ま電（駄が
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
て対向ザるＪ、うに平行に配置ｉ９されている。固体°
電解質部材の−ｈが酸素ポンプ素子として、他方がＰａ
メ・；潤度比測定用電池素子として作用するようになっ
ている。ＩＩ気ガス中において間隙部側冷極が負極にな
るように酸素ポンプ素子の電！引間に電流を供給するど
、酸素ポンプ素子のＣ′Ｉ＋ｍ而３１１面にて間隙部内
気体中の酸素ガスがイ万ン化し、て酸素ポンプ累了内を
正極面側に移動し正極面から酸４．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
気体と電池圀子外側の気体との間に酸素濃１５差が生ず
るので酸素ポンプ素子への供給電流、すむわらポンプ電
流が一定値であれば電池素子の電４ｆ！四にその酸素濃
度Ｋ、す４１わち１ノ１気ガス中の酸素８″：、度に比
例した゛電圧が発生するのである。このＦＨ電池素子発
生電圧からエンジンに供給されたＵ合気の空Ｖ！化が目
標空燃比よりリップ及びり一ンのいず杓であるか判別さ
れる。空燃比を２次空気によって制御覆る場合、リップ
と判別された仕らば、２次空気をエンジンに供給し、リ
ーンと判別されたならし、ｆ、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Ｊるように酸素ポンプ素子に
供給する・ドンブ電流値を変化させると、定温において
イのポンプ？’ｊ　１ｆｆｌｌ’ｌが排気ガス中の酸素
濃度にほぼ比〃１ｙることになり、ポンプ電流値から空
燃比を判別することｂできる。

かかるＭ素濃度センリにおいては、酸素濃度に比例した
出力特性を１！７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Ｘ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、Ｍ素澄度
測定時には加熱素子にじ一タ電流が供給され加熱り子が
発熱するようになっている。また高温に耐え１−するよ
うに酸素ポンプ索子、電池素子及び加熱素子にはＰｔ（
白金）が随所に使用されている。しかしながら、エンジ
ン始動時、排気系が人気Ｃ満たされている状態で加熱素
子にヒータ電流の供給を開始すると、加熱素子の発熱に
よって酸素濃度センサが高温状態になると共に酸素濃度
が人であるのでＰｔに酸化被膜が生じて酸素濃度センサ
ーから正確な酸素濃度検出出力が得られないことが判明
した。

ｌ旦五嵐工 そこで、本発明の目的は、エンジン始動時にセン４ノの
ｐｔ部分に酸化被膜ができることを防止して正確な酸素
濃度検出出力が得ることができる酸素濃度センサの制御
方法を捏上することである。

本発明の酸素９度センサの制御方法はエンジンの完爆後
に加熱素子へ電流を供給することを特徴としているう １−五一贋 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Ｔンジンの空燃比ｉ１ｊ　ｉｔ’装冒を示
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とエアクリーノ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♂れている３、吸
気２次空気供給通路２５には電磁開閉弁２６が設けらｎ
ている１電磁開閉弁２６　ｆ、Ｌぞのソレノイド２６ａ
への通電により１ノ）１弁するようになっている。

一万、２７は吸気マニホール！４２３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１
？フト（図丞せず）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７Ｊ］水温
に応じたレベルの出力を発生ずる冷却水温センサ、３７
は人気吸入口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Ｑ度しンリである。電
磁開閉弁２６、絶対圧センサ２７、回転ｙ！ｌｌ？ン＋
Ｊ２８、水温センサ２９及び吸気温ヒン會１はマイクロ
コンビ１−タからイｒる空燃比制！２１１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
ニツシコンスイッヂ３４が接続されている。イグニツシ
］ンスイッチ３／１のオン時に車載されたバッテリー（
図示ゼず）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〉・す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／ｖでいる
。ポンプ電流供給回路ｔ３５及びヒータ電流供１２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！１３αセンザ３０は一端部に
リード？ｉ！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によった囲繞され、保護部材１
７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χ間隔に例えば
４つずつのｆ気ガス通過孔１７ａが形成されている。な
お、図中のＡ　−Ａ　？Ｊより左の部分が排気マニホー
ルド３１内に位置する。

第３乳に示されるように酸素８１度検出素子３は豆いに
平行にされた一対の長芋平板状素子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１図及
び第５図から明らかなように、素子４，５はＨ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
ける一端部問に間隙部８を設けて他Ｉｌ＝部にてスペー
サ９を介して結合されている。−・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。酸素ポンプ皇子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Ｗ１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１２ａが接続されている。ただし、この引き出
し＄２１２ａは正方形状電極層１２の角部のうち、上記
引き出し線１１ａ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４ｂにおいて素子４の表央を貫通しているス
ルーホール４Ｃを通じてその反射炉の取り出し部１２ｂ
に接続されている。また、引き出し４＠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１１ｍ１１．１２の
各取り出し部１１ｂ、１２ｂが配置されているのである
。

使方の素子５は酸素濃度比３Ｉ−１定用電池素子であり
、Ｐ＆素ポンプ累素子と同様にその↑休はＭ索イＡン伝
導性Ｗ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並びに弓１き出し線（１３
ａ＞、１４．ａを有し、電極層１３が設（〕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″８Ｊ′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４よジルコ
ニアのイツトリア或いはカルシア客の固容体であるが、
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１
１ないし１４、引き出し線１１ａないし１４ａ、取り出
し部１ｉｂ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
て説明ザる。

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５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６８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に引ぎ出し線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６
ｄはＰｔ等の耐熱金属Ｊ：りなる。まンこ図示されては
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。

ｌＩ！２素ポンプ素子４の外側電極層１１が正極軒なる
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との闇の間隙部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Ｉｌｌ：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１３，１４Ｉ８１に電圧が発生する
。この電圧は酸素Ｃ度センサ３゜にその間隙部８の３方
向量口部から自由に流入する酸素ωと、Ｐｉ！２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ｒｐ
が制御される。Ｊ−って、定温においてその電流（ｉｎ
Ｔｐは排気ガス中の酸系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ＩＰ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■ρが目標空燃比に対応する基準値
以下のとぎリッチとし、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によってデユーティ制御される。空燃比
制御回路３２はヒータ電流値１＋１を表わすＩＨデユー
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１１
→デユーテイパルスを入力してその１ｇデユーティパル
スによりオンとなりヒータ線６ｂ、（７ｂ）にバッテリ
ー電圧Ｖｅ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ｃＪ度セセン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、人気圧ＰＡが６５０ｍＩ
ｉｌ）１ｇ以下であるか否か、冷却水Ｗｒｗが４５℃以
下であるか否か、吸気温ＴＡが２０℃以下であるか否か
、またエンジン回転数Ｎｅが３００　ｒ。

ｐ、ｍ、以下であるか否かを判別する（ステップ５１な
いし５４）　、　ＰＡ　＜６５０ｍｍ１１ｇならば畠地
走行時であり、Ｔｗ＜４５℃ならば低冷却水温であり、
ＴＡ＜２０℃ならば低吸気温であり、またＮｅ〈３００
　ｒ、ｐ、＋ａならばエンジンクランキング峙である。

このような状態には空燃比をリーン領１或のＩｆｆ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はポンプ電流供給口″Ｍ３５に対して
ポンプ電流供給停止指令を発生しくステップ５５）、ま
たヒーダ電流のｔｌ（袷を停止するためＣＩ＋＋＝０に
対応するようにＴ　＋−＜デーＬ−テイパルスのデユー
ディ比を０％にしてｒＨデユーティパルスのヒータ電流
供給回路３６に対づる供給を停止する（ステップ５６）
。一方、ＰＡ≧６５０　ｍｍ１１ｇ、Ｔｗ≧４５℃、Ｔ
Ａ≧２０℃、またＮｅ≧３００　ｒ、ｐ、ｍ、の各条件
を全て充足するときにはバッテリー電圧■８が１４．７
Ｖ以上であるか否かを判別する（ステップ５７）。Ｖａ
≦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
をセットシてダウン泪数を開始させる（ステップ５８）
。ＶＢ＞１４．７Ｖならば、バッテリー電圧ＶＢが高電
圧であるのでこの高電圧状態が０゜５　ｓｅｃ以上継続
したか否かをタイムカウンタＡの訓数値から判別する（
ステップ５９）。バッテリーの高電圧状態がＱ、５ｓｅ
ｃ以上坩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ＰＢＡが２１０１１１ｍ１ｌ（ｌより小であ
るか否かを判別する（ステップ６０）。ＰＢＡ≧２１０
　ＩＩ！ｍ１１ｇならば、エンカジン回転数Ｎｅが４０
０　Ｏｒ、ｐ、ｍ、以上であるか否かを判別する（ステ
ップ６１　）、Ｎｅ＞４００Ｏｒ、ｌ）、１１．のとき
はエンジン２１の吸入混合気量が多くなりＩＪＩ気ガス
温度が加熱素子６及び７の発熱温度より１貸する可能性
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トさせ
る。Ｎｅ≦４００　Ｏｒ、ｐ、Ｒ１，のときはエユ・ジ
ン回転数Ｎ＋３が３０００　ｒ、ｐ、ｍ、以ｔであるか
否かを判別する（ステップ６２）。Ｎｅ≦３０Ｃ・Ｏｒ
、　ｐ、　ｍ、ならば、空燃比制御回路３２の内部タイ
ム力「クンタＢ（図示ゼず）に計数時間として１Ｑ　ｓ
ｅｃをセットシてダウン３１数を開始さ吐る（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くステップ６４）、またヒータ
Ｔ１流供給回路３６に対して設定されたＭ素ｃＪ度検出
用の内容（ＩＨｆ＝Ｏ）のデユー子イパルスを供給する
（ステップ６５）。なお、ステップ６０においてＰａ　
Ａ　＜　２１　Ｏｒ、Ｄ、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。Ｎｅ＞３０００　ｒ、
ｐ、＋ｎ、ならば、すなわち４０００≧Ｎｅ＞３０００
　ｒ、ｐ、ｍ、ならば、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
しくステップ６６）、この回転数範囲の状態が１０８ｅ
Ｃ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≧Ｎ　ｅ　＞　３
００　Ｃｒ、ｐ、ｍ、ノ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１Ｑｓ
ｅｃ以」−継続（）ていない場合にはステップ６５を実
行する。ステツブ６５実行後、空燃比制御回路３２はヒ
ータ電流値１　＋ｓをバッテリー電圧Ｖ　１１に応じて
補正づる（ステップ６８）。かがる補正はバッテリー電
圧ＶＢ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ｒ＋デユーディパルスのデユーティ比Ｔ
Ｏ１４２を１００−Ｋ　（Ｖｅ−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）−１デユーテイパルスのデユーティ比ＴＯＨ
Ｅは第８図に示すようにバッテリー電圧ｖ８が低いとき
には１００％に設定され、バッテリー電圧Ｖｅが所定電
圧■１以上では電圧Ｖｏが高くなるほど１１・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ＩＨ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ＩＨ
デユーティパルスのデユーティ比ＴａトｌＥを（Ｖｒ／
Ｖｏ　）　Ｘ　１００の如く設定しても良い。これによ
りＩＨデユーティパルスのデユーティ比ＴＯ＋−１ｃ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が
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
号としても良り、（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、工ンジンの
完爆をエンジン回転数が３００　ｒ、ｐ、ｍ以上に達し
たことから判別しでいるが、これに限らず、吸気絶対圧
の変化状態等から判別しても良いのｒある。

ＲＩ日と１里 このように、本発明の酸素濃度セン勺の制郊方法におい
ては、エンジンの完爆後に加熱素子へ電流を供給するの
で酸素ポンプ素子、電油素子及び加熱素子等に白金が使
用されていてもエンジン始動後にはセンサが高温状態に
ならず白金に酸化被膜ができることが防止される。よっ
て、エンジン始動後には正確な酸素濃度検出出力が得る
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用制御装置を
示すブロック図、第２図は第１図の装置中の酸素８：ｌ
Ｉｆセンサを具体的に丞す側面図、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
同のシ・ＩＩ　Ｉ１１方法の手順を示す動作フロー図、
第８図及び第９図はＩＨＨＩ３ティパルスのデユーティ
比設定特性図である。 主要部分の符号の説明 ３・・・・・・酸素５α検出素子 ８４７・・・・・・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・・・・・・電磁開開弁 ２７・・・・・・絶対圧センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　内燃エンジンの排気ガス通路に設けられて白金
   成分を含み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、エンジンの完爆後に前記
   加熱素子へ電流を供給することを特徴とする酸素濃度セ
   ンサの制御方法。
2. （２）　前記エンジンの完爆をエンジン回転数によって
   検出することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   酸素濃度センサの制御方法。