JPS58105056A - 酸素センサ用電熱体の通電制御方法 - 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】 この発明は、酸素センサ用電熱体の通電制御方法に関す
るものである。

空気と燃料と全混合燃焼させるエンジンの排ガス中の酸
素濃度または酸素濃度の変化を酸素センサによって検出
し、この検出結果を帰還することにより空気と・杷料と
の混合割合を最適状態にする空燃比帰還制御技術が近年
進歩してきている。

第１図はこの種の技術に使用可能な酸素センサの断面を
模式的に示すもので、この酸素センサ１は、基板２内に
加熱用の電熱体６を具えると共Ｖこ、基板２上に、第１
を極４、酸素イオン伝導性固体雷、解質５、第２電極６
を積層し、表面の全体に多孔質保護層７を被覆した構造
をなし、固体市、解質５の両表面における酸素分圧の差
に対応した起電力全ネルンストの式に従った値で発生す
る。このほかの酸素センサとしては、固体電解質を管状
型にしたものや、酸素分圧の変化によって抵抗値が変化
する酸化物半導体を用いたものなどがある。

このような酸素センサにおいては、固体電解質５や酸化
物半導体の最適作動温度が常温よりもかなり高いため、
排ガスによる加熱のみを利用した場合には常時安定した
動作特性を得ることができないので、第１図に示すよう
に、加熱用の電熱体６を設けることによって、安定化を
はかるようにすることが行われる。

ところが、従来の場合には、電熱体乙に対していきなり
加熱用所定電圧を印加するようになっていたため、未だ
冷えている電熱体６はその抵抗値が正温度特性ｆ有する
ことから最初に多大な電流が流れるので、電熱体３の小
断面積部分あるいは多孔部分があると、その部分におい
て異常な発熱金し破断を生ずることがあるという問題点
を有すると共に、電熱体乙の温度が急激に上昇すること
となるので、酸素センサに大きな熱応力を与えて割れ等
の早期劣化金きたすことがあるという問題点も有してい
た。

この発明は、上記したような従来の問題点に着目してな
されたもので、加熱用の電熱体を具えた酸素センサを用
いてエンジンの空燃比帰還制御を行うに際し、前記電熱
体に印加する電圧を変化させることによって、電熱体の
断線や酸素センサの割れ発生等の不具合をなくすように
することを目的としている。

この発明による酸素センサ用電熱体の通電制御方法は、
車両のキースイッチ操作直後は前記電熱体に対し加熱用
所定′電圧よりも低い電圧を印加し、所定時間経過後も
しくはエンジンの作動が所定状態にあるときに前記電熱
体に前記加熱用所定雷１圧を印加するようにしたこと全
特徴としている。

次に、この発明の実７Ｉｌ！！ｉ態様について説明する
。

この発明の酸素センサ用電熱体の通電制御方法を実施す
る制御回路の一例をブロック図として示すと、第２図に
示すように、酸素センサ部１１と、直列制御型トランジ
スタ定電圧回路１２と、直流電源部１６と、定電圧制御
部１４とにより主として構成される。

この具体例を第３図に示すエンジンの吸排気系統図と共
に説明する。第３図において、１５はエアクリーナ、１
６は吸気管、１７はエアクリーナ−１’、１８はスロッ
トルバルブ、１９は燃料噴射弁、２０はエンジンのシリ
ンダ、２１けピストン、２２は点火プラグ、２６は排気
管、２４は第１図に例示した酸素センサ１を保持した酸
素センサホルダ（ｖ８は酸素センサ１の出力電圧を示す
）、２５は触Ｈコンバータ、２６はマフラ、２７はクラ
ンクシャフト、２８はクランクプーリ、２９はクランク
角センサである。上記した酸素センサ部１１は、電熱体
６を内蔵した酸素センサ１を有しており、第３図におい
ては理解しやすいように仮想線で重複して示している。

また、定電圧回路１２Ｕ、ＮＰＮ型トランジスタ３１と
、直列接続のツェナダイオード６２および３６より構成
し、トランジスタ３１は、そのエミッタを酸素センサ１
の電熱体６の一端に接続し、そのコレクタを直流電源部
１６に接続し、そのベース衾上記直列接続のツェナダイ
オード６２の陰極に接続している。

また、トランジスタ６１０ペース・コレクタ間にはバイ
アス抵抗３５′ｆ：接続している。上記直列接続のツェ
ナダイオード６６の陽極を前記酸素センサーの電熱体６
の他端に接地を介して接続している。したがって、電熱
体６とトランジスタ６１とは直列接続配置となっている
。直流電源部１６は、直流電源例えばバッテリ３６と車
両のキースイッチ６７とにより構成し、キースイッチ６
７をトランジスタ６１のコレクタに接続し、バッテリ６
６の陰極を接地を介してツェナダイオード６６の陽極お
よび電熱体ろの他端に接続している。さらに、定電圧制
御部１４は、ＮＰＮ型スイッチングトランジスタ４１と
、排他的ＮＯＲ回路４２と、ＡＮＤ回路４３と、クラン
ク角センサ２９の出力を入力するエンジン回転数判断部
４４より構成している。

すなわち、ツェナダイオード６６の両端にスイッチング
トランジスタ４１のエミッタおよびコレクタを各々接続
してトランジスタ４１によりツェナダイオード６６を分
路しうるようにし、トランジスタ４１のペースを排他的
ＮＯＲ回路４２の出力側にｒ１ｊ続している。また、排
他的ＮＯＲ回路４２の一方の入力側をＡＮＤ回路４６の
出力側に接続すると共に他方の入力側をエンジン回転数
判断部４４の一方の出力すなわち低回転信号Ｓ□の出力
側に接続している。さらに、ＡＮＤ回路４３の一方の入
力側ｋ　＋ＩＳ負荷信号Ｓ２の検出回路すなわちエアフ
ローメータ１７に接続すると共に他方の入力側をエンジ
ン回転数判断部４４の他方の出力すなわち高回転信号Ｓ
３の出力側に接続している。

さらにまた、エンジン回転数判断部４４の入力側はクラ
ンク角センサ２９に接続している。

このように構成した回路のうち定電圧回路１２０作用ヲ
説明すると、運転者がキースイッチ３７を操作してＯＮ
状態にしたときには、バッテリ６６の電圧は定電圧回路
１２、すなわちトランジスタ６１のコレクタ・ペース接
合およびバイアス抵抗６５の並列接続回路とツェナダイ
オード６２６６との直列接続回路に印加され、バイアス
抵抗６５に１！流が流れてトランジスタ６１會導通状態
にし、これによって直列陸続のツェナダイオード３２．
６３のツェナ電圧によって決まる定電圧が酸素センサ１
の電熱体６に印加されるようになる。

今、仮に出力電圧すなわち電熱体６に対する印加電圧が
増加するものとすると、トランジスタ６１０ベース電圧
はツェナダイオード３２．３３により一定であるため、
エミッタ電圧は−１−負となってベース電流が減少し、
コレクタ電流はさらに減少してトランジスタ６１のコレ
クターエミッタ間抵抗が増加したことになり、その結果
出力電圧は一定に保持されるようになる。このように、
定電圧回路１２を使用することによって電熱体６に一定
の電圧を印加することができる。

このとき、定電圧回路１２のみによって通電制御した場
合には、所望の加熱温度に必要な値に相当する加熱用所
定電圧がキースイッチ６７の操作と同時に電熱体３に印
加されることになるため、前述したように、電熱体３に
生ずる急激な温度上昇に伴って酸素セン□す１に多大な
熱応力が発生して亀裂を生じさせるおそれがあると同時
に、抵抗値の正温度特性を有する電熱体６自体に温度上
昇初期時に低温のために多量の電流が急激に流れ、その
結果電熱体６に断線を生ずるおそれがある。

そのため、この発明による通電制御方法においては、キ
ースイッチ６７の操作直後には電熱体６の所定温度加熱
に必要な加熱用所定電圧よりも低い電圧を電熱体６に印
加し、抵抗値の正温度特性金有する電熱体６に温度上昇
初期時に多量の電流が急激に流れるのを防止し、同時に
電熱体６の急激な温度上昇をも防止して、電熱体６の断
線および酸素セ／す１の損傷の発生を防ぐようにしてい
る。

また、酸素センナ１１に排気管２３のエンジンに近い部
分に取付けると、エンジンが高回転でかつ高負荷の場合
には、排ガスの温度が酸素センサ１の最適加熱温度以上
の温度となるため、これによっても電熱体６が加熱され
るようになり、電熱体６自体の通電加熱が加わって過熱
されることにより電熱体３に断線音生ずるおそれがある
。し友がって、このような場合には電熱体３に対する印
加電圧を所定温度加熱に必要な加熱用所定電圧よりも低
くすることが望まれる。

そこで、第３図に示すように、定電圧回路１２のほかに
、定電圧制御部１４を設けるようにしている。すなわち
、ツェナダイオード６６をスイッチングトランジスタ４
１のエミッターコレクタ通路によって分略し、キースイ
ッチ６７を操作した直後でエンジンが始動していないと
き、または低回転始動時のクランキング時（例えば３０
０ｒｐｍ）の状態にあるとき、あるいはエンジンが藁回
転高負荷の状態にあるときに、スイッチングトランジス
タ４１ｆ、導通状態にしてツェナダイオード３６全短絡
し、これによって電熱体６に印加する電圧が加熱用所定
電圧よりも低い値となるようにしている。

以下、さらに詳細に説明する。

第３図に示すクランク角センサ２９によっテ検出したエ
ンジンの回転数が所定の低回転数以下（回転していない
場合も含む）である場合には、回転数判断部４４の一方
の出力側から排他的ＮＯＲ回路４２の一方の入力側に論
理信号“Ｏ＃（低回転信号）を供給し、回転数が所定の
低回転数を超えた場合には同じく論理信号″’１”を供
給する。

一方、エンジンの回転数が所定の高回転数ｖ下の場合に
は回転数判断部４４の他方の出力側からＡＮＤ回路４６
の一方の入力側に論理信号゛０＃全供給し、回転数が所
定の高回転数を超える場合Ｖこは同じく論理信号゛１”
（高回転信号）を供給する。また、ＡＮＤ回路４３の他
方の入力側には、高負荷信号Ｓ２例えばエアフローメー
タ１７により検出した吸入空気量の信号を入力する。そ
して、吸入空気量が少ない場合（例えば下り坂等の場合
）には論理信号″０″を供給し、多い鳴合（例えば高速
走行等の高回転高負荷の場合）には論理信号“１”全供
給する。

そこで、エンジンの回転数が所定の低回転数以下である
場合には、排他的ＮＯＲ回路４２０両入力側は共に論理
値″０”となり、従って出力側は論理値″′１′となり
、これによってスイッチングトランジスタ４１はそのペ
ースが高電位となって導通し、ツェナダイオード６６を
短絡する。このため、酸素センサ１の電熱体６にはツェ
ナダイオード６２のツェナ電、圧のみが加熱用所定電圧
よりも低い定電圧として印加されるようになる。したが
って、電熱体３には大′亀流が流れないため、温度上昇
は緩やかに行われるようになる。

次に、エンジンの回転数が所定の低回転数を超え、かつ
所定の高回転数以下である場合には、排他的ＮＯＲ回路
４２の一方の入力側は論理値ｌとなり、他方の入力側は
論理値″′θ″のままであるため、その出力側は論理値
゛０″となり、これによってスイッチングトランジスタ
４１はそのペースが低電位となり、したがって非導通状
態となり、その結果電熱体６にはツェナダイオード６２
および６３の各ツェナ電圧の和の電圧が加熱用所定電圧
として印加されるようになる。このように、エンジンの
回転数が所定の低回転数を超えた時点で電熱体６に高電
圧が印加されても、この時点では電熱体６がすでに導度
上昇し、正温度特性を有する抵抗値が大きな値上なって
いるため、電熱体６に大きな電流が流れることはなく、
従って断線のおそれもなくなる。

次に、エンジンの回転数が所定の高回転数を超え、かつ
吸入空気量が犬である高回転高負荷の状態になると、Ａ
ＮＤ回路４３の両入力側が共に論理値″′１″となるた
め、排他的ＮＯＲ回路４２の両入力側も共に論理値“１
″となり、その結果その出力側は論理値゛ｌ″となり、
これによってスイッチングトランジスタ４１はそのペー
スが高電位となって再び導通し、ツェナダイオード６６
を再び短絡する。このため、電熱体６にはツェナダイオ
ード６２のツェナ電圧のみが加熱用所定電圧よりも低い
定電圧として印加されるようになり、高回転高負荷状態
で排ガス温度が高くなったときに、電熱体乙による加熱
を小さくするため、成熟体３の過熱による損傷を防ぐこ
とができる。

第３図に示す制御回路において、具体的々数値例をもっ
て示すと、バッテリ６６の電圧ｔ１２Ｖとし、両ツェナ
ダイオード３２，３３のツェナ電圧を各々５ｖとし、回
転数判断部４４の所定の低回転数を当該エンジンのアイ
ドリンク回転数あるいはそれより低い回転数である３　
００　ｒｐｍ　、所定の高回転数音４０００　ｒｐｍと
する。このように設定した場合において、キースイッチ
６７を操作した直後の状態でエンジンが始動していない
とき、およびエンジンを始動してもその回転数が３０Ｏ
ｒｐｍ以下のとき、さらＫＦｉエンジンの回転数が４０
００ｒｐｍｉ超えかつ吸入空気量が所定巌を超えたとき
に、上述したように排他的ＮＯＲ回路４２の両入力が同
じになってスイッチングトランジスタ４１が導通し、ツ
ェナダイオード６６が短絡されるために電熱体６にはツ
ェナダイオード６２のツェナ電圧に相当する５ｖの電圧
のみが印加される。他方、エンジンの回転数が３００　
ｒｐｍを超え４０００　ｒｐｍ以下の範囲であるときに
はスイッチングトランジスタ４１が非導通状態となり、
その結果ツェナダイオード６２および６６の各ツェナ電
圧５ｖの和の電圧、すなわち１０ｖの電圧が電熱体３に
印加され、これによって酸素センサ１の加熱が良好に行
われて安定した空燃比帰還制御が可能となる。

−Ｆ述した実施態様においては、スイッチングトランジ
スタ４１の導通および非導通制御にエンジンの回転数を
使用したが、この発明はこれに限定されるものではない
。すなわち、例えばスイッチングトランジスタ４１を常
時１通状態とし、そのベースに供給する信号の制御回路
にタイマーまたは遅延回路を設け、これらタイマーまた
は遅延回路をキースイッチ６７に連動して始動または作
動させ、所定時間経過後にスイッチングトランジスタ４
１を非導通状態とするようになすこともできる。そのほ
か、例えばスイッチングトランジスタ４１の代わりにリ
レーの常閉接点を用い、タイマーまたは遅延回路の作動
による所定時間経過後に、あるいは上記排他的ＮＯＲ回
路４２の出力によって、リレーの常閉接点を開放させる
ようになすこともできる。

なお、一般にエンジン全始動するには、まずキースイッ
チを投入してからエンジン始動スイッチを投入する。し
たがって、キースイッチを投入してからエンジンが所定
状傅になるのには約１秒位経過するのが普通である。ま
た、エンジン始動直後はエンジンが冷えており、この状
態で空燃比帰還ｔｆｌｌｌωＶするとエンジンが停＋Ｌ
する場合があるので、回転が安定するまで、例えば数秒
間は空燃比ｉ　一定にするような制御を行うと、酸素セ
ンサの出力は空燃比制御に利用されない。これらの点を
考慮すると、前記所定時間は１〜数秒と劣るのが好まし
い。そして、特に酸素センサが４　ｍ　Ｘ　４　ｍの大
きさで厚さ１簡のように小型の場合には電熱体として５
Ｗ位のものを用いる。このとき、電熱体に５ｖの電圧を
印加して２秒たてば、電熱体は３００℃位になり、３０
０℃から１０ｖに電圧を変えるとやはり２秒位で正規の
温度例えば６５０℃になる。勿論、酸素センサ全体が６
５０℃になるには１分位かかる。したがって、１〜数秒
間低電圧にすれば、電熱体は十分加温されており、この
後１０Ｖに変化させても大電流が流れることはない。

以上説明してきたように、この発明によれば、車両のキ
ースイッチ操作直後は電熱体に加熱用所定電圧よりも低
い電圧を印加し、所定時間経過後もしくはエンジンの作
動が所定状態にあるときに前記電熱体に前記加熱用所定
電圧を印加するようにしたから、電熱体に通電した直後
に大電流が流れるのを防１トすることができ、大電流に
よる電熱体の断線や、電熱体の急激な温度上昇による酸
素センサの損傷を防ぐことが可能であり、所定時間経過
後もしくはエンジンの作動が所定状態にあるときには酸
素センサの作動を安定したものにして空燃比の帰還制御
を良好に行うことができるようにするなどのすぐれた効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に適用しうる酸素センサの一構造例を
示す断面模式図、第２図はこの発明の一実施態様による
酸素センサ用電熱体の通電制御回路の概略ブロック図、
第３図は第２図の通電制御回路の構成をエンジンの吸排
気系統図と共に示す説明図である。 １・・・酸素センサ、６・・・電熱体、１１・・・酸素
センサ部、１２・・・定電圧回路、１６・・・直流電源
部、１４・・・定電圧制御部、３１．４１・・・トラン
ジスタ、３２．３３・・・ツェナダイオード、３５・・
・バイアス抵抗、３６・・・バッテリ、３７・・・キー
スイッチ、４２・・・排他的ＮＯＲ回路、４６・・・Ａ
ＮＤ回路、４４・・・エンジン回転数判断部。 特許出願人　　日産自動車株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）加熱用の電熱体を具えた酸素センサを用いて車両
   に塔載したエンジンの空燃比帰還制御を行うに際し、車
   両のキースイッチ操作直後は前記電熱体に加熱用所定電
   圧よりも低い電圧を印加し、所定時間経過後もしくはエ
   ンジンの作動が所定状態にあるときに前記電熱体に前記
   加熱用所定電圧を印加することを特徴とする酸素センサ
   用電熱体の通電制御方法。
2. （２）　　エンジンの作動が所定状態にあるか否かの検
   出要素をエンジンの回転数とする特許請求の範囲第（１
   ）項記載の酸素センサ用電熱体の通電制御方法。
3. （３）　　エンジンの作動が所定状態にあるか否かの検
   出要素をエンジンの回転数およびエンジンの吸入空気量
   とし、エンジンの高回転・高負荷時をエンジンの作動が
   所定状態外であるとする特許請求の範囲第（１）項記載
   の酸素センサ用電熱体の通電制御方法。