JPS646695B2

JPS646695B2 -

Info

Publication number: JPS646695B2
Application number: JP55068994A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Uchida; Masao Ishitani
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1980-05-26
Filing date: 1980-05-26
Publication date: 1989-02-06
Also published as: JPS56165742A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、加熱用のヒータをそなえた酸素セ
ンサーの温度制御方法に関する。

酸素センサーには、酸素イオン伝導性固体電解
質を用いて酸素濃淡電池の原理により酸素濃度を
検出するようにしたものや、酸化物半導体を用い
てその抵抗値変化により酸素濃度を検出するよう
にしたものなどがある。このような酸素センサー
では、それぞれの構成に応じて最も動作特性のす
ぐれた温度範囲が存在するため、前記酸素センサ
ーに加熱用のヒータを設けて安定した動作をおこ
なわしめるようにしたものが多い（特開昭54−
13396号公報）。そして、酸素濃淡電池の原理を応
用したものでは、ルツボ型の固体電解質を用いた
ものや、固体電解質を薄膜状にしたものなどがあ
る。

第１図は従来の酸素センサーにおける温度制御
系統の一例を示し、酸素センサー１は加熱用のヒ
ータ２をそなえている。このヒータ２の一端側は
接地され、他端側はリレー３の接点３ａを介して
電源４に接続されている。他方、リレー開閉器５
は電源４に接続されていると共に、リレー３のコ
イル３ｂを介して接地され、リレー３の開閉を制
御しうるようにしている。この場合、酸素センサ
ー１は車両用内燃機関の排気管に固定され、排ガ
ス中の酸素濃度を測定しうるようにしている。ま
た、電源４はバツテリである。さらに、リレー開
閉器５は、キースイツチ信号を入力する端子５ａ
と、フルスロツトル信号を入力する端子５ｂとを
有している。そして、リレー開閉器５は、キース
イツチ信号がオンの状態でかつフルスロツトル信
号がオフの状態である場合にのみオンとなり、リ
レー３をオン動作させてヒータ２に対して電源４
を供給する。また、フルスロツトル信号がオン
（全開状態）である場合にはリレー開閉器５はオ
フとなり、リレー３をオフ作動にしてヒータ２に
対する電源４を遮断する。

このような従来の温度制御系統において、加熱
用のヒータ２に電源４が供給されなくなるのは、
フルスロツトル信号がオンの場合、すなわちスロ
ツトルバルブが全開状態になつた場合のみであ
る。一方、車両の車速が増大するにつれて内燃機
関の負荷も増大し、それにつれて排ガス温度も上
昇して、酸素センサーの温度も上昇する。この場
合、道路状況や運転の仕方などによつても異なる
が、一般的には第２図に示すように、スロツトル
バルブが全開状態となつて加熱用のヒータ２に電
源４が供給されなくなるまで前記排ガス温度の上
昇と共に酸素センサーの温度も上昇し続けるた
め、たとえば酸素イオン伝導性固体電解質を用い
た酸素センサーにおける適正な作動温度範囲であ
る550〜850℃を大幅に超える可能性があつた。ま
た、前記した如く低車速であつても登坂時等の高
負荷運転の場合には排ガス温度が上昇し、スロツ
トルバルブが全開状態となる直前までヒータ２に
対する電源４の供給が継続されるため、酸素セン
サーが前記適正作動温度範囲を超えて過熱される
という可能性があつた。そして、酸素センサーが
過熱された場合には早期劣化をひき起すおそれが
あるという欠点を有していた。

他方、酸素センサー１に熱電対等の温度測定手
段を直接設け、あるいはヒータ２の温度による抵
抗値変化を利用することによつて酸素センサー１
の温度を検出し、前記酸素センサーに対する設定
温度を境にして前記ヒータ２に対する電源の供
給・遮断をおこなうようにすることも考えられる
が、上記設定温度付近での電源の供給・遮断が極
めて頻繁におこなわれるため、リレー３等の開閉
機構の寿命を著しく低下させるおそれがあると同
時に、酸素センサー１の温度上昇・下降がかなり
頻繁に繰返されるため、酸素センサー１の早期劣
化をきたすおそれがあるなどの問題点を残してい
た。

この発明の目的は、上述した従来技術の欠点を
解消し、簡単かつ安価な構成で酸素センサーの過
昇温を防止することができる酸素センサーの温度
制御方法を提供することにある。

この発明は、加熱用のヒータをそなえた酸素セ
ンサーにおいて、車両の運転状態に対応して変化
する信号をもとにして前記ヒータに対する電源の
供給・遮断をおこなうに際し、車速が第一の所定
速度を越えた際に前記ヒータに対し電源が遮断さ
れるようにし、車速が前記第一の所定速度よりも
低く設定した第二の所定速度に達した際に前記ヒ
ータに対し電源が供給されるようにして、電源と
ヒータとの断続時期にヒステリシス特性をもた
せ、前記酸素センサーの温度制御をおこなわしめ
るようにしたことを特徴としている。

以下、この発明の実施例をさらに詳細に説明す
る。

第３図はこの発明の一実施例における酸素セン
サーの温度制御系統図であつて、酸素センサー１
１は加熱用のヒータ１２をそなえた構造をなして
いる。このヒータ１２の一端側は接地され、他端
側は開閉器（図示例の場合はリレー）１３の接点
１３ａを介して電源１４に接続されている。他
方、車速検出器１５は開閉器１３のコイル１３ｂ
を介して電源１４に接続されていると共に、内部
の車速検出演算機構を介して接地され、前記開閉
器１３の開閉を制御しうるようにしている。さら
に、車速検出器１５は、キースイツチ信号を入力
する端子１５ａと、車両の速度に比例した電圧を
発生する通常のスピードメータＳからの車速信号
を入力する端子１５ｂとを有している。そして、
車速検出器１５は、キースイツチが切られていて
オフである場合には前記車速信号の大きさの如何
にかかわらず出力信号を発生せず、開閉器１３を
開いたままにしている。一方、車両の始動・走行
時等の如くキースイツチがオンである場合には、
前記車速信号の大きさによつて異なる出力信号を
発生し、開閉器１３を開閉制御する。

そこで、上記キースイツチがオンである場合に
おいて、車速に対応して変化する車速信号をもと
にして前記ヒータ１２に対する電源１４の供給・
遮断をおこなうことにより酸素センサー１１の温
度制御を実行させる態様について説明する。そこ
で、車両の運転を開始したのち車速が増大するに
つれて車速信号も変化するが、この車速信号を車
速検出器１５に入力し続けた状態において、前記
車速があらかじめ設定した第一の所定速度v₁を越
えた際に前記車速検出器１５から第一の信号を発
生させ、開閉器１３の接点１３ａを開いて前記ヒ
ータ１２と電源１４とを遮断させるようにし、反
対に車速が低下して前記第一の所定速度v₁よりも
低く設定した第二の所定速度v₂に達した際に前記
車速検出器１５から第二の信号を発生させ、開閉
器１３の接点１３ａを閉じて前記ヒータ１２と電
源１４とを接続するようになす。すなわち、第４
図に示すように、車速検出器１５および開閉器１
３の動作に基いて、前記ヒータ１２に対し電源１
４を遮断する第一の所定速度v₁と、前記ヒータ１
２に対し電源１４を供給する第二の所定速度v₂と
を異ならせ、ヒータ１２に対する電源１４の供
給・遮断にヒステリシス特性をもたせるようにし
ている。

第５図はこの発明のさらに具体的な一例を示す
酸素センサーの温度制御回路図であつて、１１は
酸素センサー、１２は加熱用のヒータ、１３は開
閉器この場合はリレー型開閉器、１４は電源であ
り、開閉器１３のコイル１３ｂにはダイオード１
６を並列に接続していると共に、前記コイル１３
ｂの一端側をトランジスタ１７のコレクタ側に接
続し、トランジスタ１７のエミツタ側を接地して
いる。

一方、演算増幅器１８は定電圧電源V_cにより
動作し、この定電圧電源V_cは前記キースイツチ
がオンである場合にのみ端子１５ａを介して供給
される。また、演算増幅器１８のマイナス側端子
には、車速に応じた電圧V_sを発生するスピード
メータＳからの信号が印加され、プラス側端子に
は、基準電圧V_tと出力端子電圧V₀とを抵抗R₁，
R₂で内分した電圧V_pが印加される。すなわち、 V_p＝（R₁.V₀＋R₂・V_t）／（R₁＋R₂） …(1) が印加される。さらに、出力端子電圧V₀は抵抗
R₃を介してトランジスタ１７のベース側に入力
される。なお、R₄は回路動作安定用抵抗である。

そこで、キースイツチがオフである場合には、
前述したように演算増幅器１８に定電圧電源V_c
が供給されないので出力端子電圧V₀＝０であり、
トランジスタ１７は非導通状態となるため開閉器
１３の接点１３ａは常に開となつており、ヒータ
１２に対して電源１４は遮断されている。

また、キースイツチがオンである場合には演算
増幅器１８に定電圧電源V_cが供給される。そし
て、車速が０または低速であつてスピードメータ
Ｓからの出力電圧V_sが低い場合には、V_s＜V_pで
あり、このときの出力端子電圧V₀はV₀＝V_cとな
るため、電圧V_pは前記(1)式より、 V_p＝（R₁・V_c＋R₂・V_t）／（R₁＋R₂） …(2) となる。そして、このときにはトランジスタ１７
が導通状態であるため開閉器１３のコイル１３ｂ
に電源１４が通電されて励磁され、開閉器１３の
接点１３ａを閉にしてヒータ１２に対する電源１
４の供給をおこない、酸素センサー１１の温度を
上昇させる。

また、車速が増大してくると前記スピードメー
タＳからの出力電圧V_sもそれに応じて高くなる
が、前記車速が第一の所定速度V₁を越えた際に、
前記出力電圧V_sが前記プラス側端子電圧V_pより
も大きくなつて、 V_s＞V_p＝（R₁・V_c＋R₂・V_t）／（R₁＋R₂） …(3) となると、出力端子電圧V₀はV₀＝０となり、こ
のときのプラス側端子電圧V_pは、前記(1)式より、 V_p＝R₂・V_t／（R₁＋R₂） …(4) となる。そして、この状態ではトランジスタ１７
が非導通状態となり、このときに第一の信号が発
生せしめられたこととなつてこれが開閉器１３に
送出され、開閉器１３のコイル１３ｂに対する電
源１４が遮断されて消磁され、接点１３ａが開と
なつてヒータ１２に対し電源１４が遮断される。

次に、車速が再度低速側に移行し、スピードメ
ータＳからの出力電圧V_sが低くなり、前記第一
の所定速度V₁よりも低く設定した第二の所定速
度V₂に達した際に、前記出力電圧V_sが前記プラ
ス側端子電圧V_pよりも小さくなつて、 V_s＜V_p＝R₂・V_t／（R₁＋R₂） …(5) になると、出力端子電圧V₀はV₀＝V_cとなり、プ
ラス側端子電圧V_pは再度、 V_p＝（R₁・V_c＋R₂・V_t）／（R₁＋R₂） …(2)′ に戻ると同時に、トランジスタ１７が導通状態と
なり、このときに第二の信号が発生せしめられた
こととなつてこれが開閉器１３に送出され、開閉
器１３のコイル１３ｂに対し電源１４が供給され
て励磁され、接点１３ａが閉となつてヒータ１２
に対し再び電源１４が供給されて発熱し、酸素セ
ンサー１１の温度を上昇させる。

このように、第５図に示す回路では、スピード
メータＳからの車速に応じた出力電圧V_sが演算
増幅器１８のプラス側端子電圧V_p； V_p＝（R₁・V_c＋R₂・V_t）／（R₁＋R₂）よりも大きくなる時点でヒータ１２に対し電源１
４が遮断される。その後、上記出力電圧V_sが演
算増幅器１８のプラス側端子電圧V_p； V_p＝R₂・V_t／（R₁＋R₂）よりも小さくなる時点でヒータ１２に対し電源１
４が供給される。したがつて、第４図に示す特性
において、ヒータ１２に対し電源１４を遮断する
第一の所定速度V₁におけるスピードメータＳか
らの出力電圧V_sは、V_p＝（R₁・V_c＋R₂・V_t）／
（R₁＋R₂）に相当することとなり、ヒータ１２に
対し電源１４を供給する第二の所定速度v₂におけ
るスピードメータＳからの出力電圧V_sは、V_p＝
R₂・V_t／（R₁＋R₂）に相当することとなつて、
それぞれ異なつた値となり、ヒータ１２に対する
電源１４の供給・遮断にヒステリシス特性をもた
せることができる。

第６図は前記車速と開閉器１３の開閉状態との
関係の一例を具体的な数値により示したものであ
つて、この場合、ヒータ１２に対し電源１４を遮
断する第一の所定速度v₁が時速80Km/hに相当し、
ヒータ１２に対し電源１４に供給する第二の所定
速度v₂が時速75Km/hに相当している。したがつ
て、車速が80Km/hを越える時点で電源１４が遮
断され、ヒータ１２が発熱しなくなるため、酸素
センサー１１の温度は、第７図にある程度の幅を
もつて示すように、車両用内燃機関の排ガスによ
つて加熱される温度となり、第２図に示す従来の
場合に比べて酸素センサー１１の過昇温を防止す
ることができる。そして、図示例の場合、車速が
80Km/hを越えるときには、酸素センサー１１が
排ガスによつて加熱されるだけで十分適正温度に
保持させることができる。反対に車速が低下した
場合には、排ガス温度も低下するため、酸素セン
サー１１の温度も第７図に示す如く低下するが、
車速が75Km/hに達した時点で電源１４が供給さ
れてヒータ１２が発熱するため、酸素センサー１
１を適正な温度に保持させることができる。

したがつて、第７図に示す如く、開閉器１３の
接点１３ａが開となつて電源１４が遮断される車
速が80Km/hであり、前記接点１３ａが閉となつ
て電源１４が再び供給される車速が75Km/hであ
るため、車速の微小変動によつて開閉器１３の接
点１３ａがその都度開閉するのを防止でき、該接
点１３ａの開閉頻度を少なくすることができるの
で、接点１３ａの耐久寿命を長くすることが可能
であると同時に、ヒータ１２の頻繁な発熱・停止
の繰返しを回避することができるので、酸素セン
サー１１に対する頻繁な熱応力の繰返し付与に起
因する劣化を防止することができ、あわせてヒー
タ１２の耐久性を向上させることができる。換言
すれば、たとえば従来のようにヒータ１２に対す
る電源１４の供給・遮断が同一車速（仮に80Km/
ｈ）でおこなわれる場合、仮に車速80Km/h付近で
定速走行したとすると、わずかな車速の変化の際
にも接点１３ａが極めて頻繁に開閉動作するた
め、接点１３ａ等の寿命低下を来たすと共に、ヒ
ータ１２の発熱・停止が極めて頻繁に繰返される
こととなるため、ヒータ１２の耐久性を低下させ
ると共に、酸素センサー１１に対して温度の上
昇・下降の繰返しがかなり頻繁におこなわれるこ
とになり、酸素センサー１１の早期劣化を来たす
ことになる。

前述の実施例においては、酸素センサー１１が
酸素イオン伝導性固体電解質を用いたものに限定
されるものではない。なお、車両用内燃機関の排
ガス中の酸素濃度を検出する場合において、フユ
エルカツト時には酸素センサーの温度が第７図に
示す値よりも全般的に低くなるが、フユエルカツ
ト時は空燃比のフイードバツクコントロールをお
こなわないため、何んらの支障はない。

以上のように、この発明によれば、ヒータをそ
なえた酸素センサーの温度制御をおこなうにあた
り、簡単かつ安価な構成で酸素センサーの過昇温
を防止することができ、被測定雰囲気温度が上昇
したときでも前記酸素センサーを適正温度範囲に
保持することが可能であり、前記ヒータに対する
電源の供給・遮断をおこなうに際して酸素センサ
ーに頻繁な熱応力が付加されるのを阻止すること
ができるため、酸素センサーの早期劣化を防ぐこ
とが可能であり、さらにヒータの耐久性も向上さ
せることができるなどの非常にすぐれた効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の酸素センサーの温度制御系統
図、第２図は従来例における車両の車速と酸素セ
ンサーの温度との関係を示すグラフ、第３図はこ
の発明の一実施例における酸素センサーの温度制
御系統図、第４図はこの発明の一実施例における
車速と開閉器の開閉状態との関係を示す説明図、
第５図はこの発明の一実施例における酸素センサ
ーの温度制御回路図、第６図は車両の車速と開閉
器の開閉状態との関係を示す説明図、第７図は車
速と酸素センサーの温度との関係を示すグラフで
ある。１１…酸素センサー、１２…ヒータ、１３…開
閉器、１４…電源、１５…車速検出器。

Claims

【特許請求の範囲】

１車両に付設した酸素センサーに対して、該酸
素センサーに設けた酸素センサー加熱用のヒータ
と電源との間に介装した開閉器を開閉して前記酸
素センサーの温度を制御する方法において、前記
車両の車速を車速検出器で検出しつつ、前記車速
が第一の所定速度を越えた際に前記車速検出器か
ら第一の信号を発生させ、この第一の信号を前記
開閉器に送出して該開閉器を開かせ、前記車速が
前記第一の所定速度よりも低い第二の所定速度に
達した際に前記車速検出器から第二の信号を発生
させ、この第二の信号を前記開閉器に送出して該
開閉器を閉じさせるようにしたことを特徴とする
酸素センサーの温度制御方法。