JP3615319B2

JP3615319B2 - 全領域空燃比センサ、全領域空燃比センサの温度制御方法及び装置

Info

Publication number: JP3615319B2
Application number: JP24716796A
Authority: JP
Inventors: 哲正山田; 尊川合; 雄二大井; 森　　茂樹; 諭司寺本; 俊也松岡
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2016-08-29
Also published as: JPH1073565A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気ガス中に含まれる酸素の濃度を検出する全領域空燃比センサの温度制御方法及び温度制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンに供給する混合気の空燃比を目標値に制御し、排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣを軽減するために、排気系に酸素センサを設け、空燃比と相関関係を持つ排気中の酸素濃度に応じて、燃料供給量をフィードバック制御することが知られている。このフィードバック制御に用いられる酸素センサとしては、特定の酸素濃度（特に理論空燃比雰囲気）で出力がステップ状に変化するλセンサと、リーン領域からリッチ領域まで連続的に出力が変化する全領域空燃比センサとが主に用いられている。全領域空燃比センサは、上述したように排気ガス中の酸素濃度を連続的に測定でき、フィードバック制御の速度及び精度を向上させ得るため、より高速な高精度制御が要求される際に用いられている。
【０００３】
全領域空燃比センサは、酸素イオン伝導性固体電解質体の２つのセルを間隙（測定室）を介して対向配設し、一方のセルを間隙内の酸素を周囲にくみ出すもしくは周囲から酸素をくみ込むポンプセルとして用い、また、他方のセルを酸素基準室と間隙との酸素濃度差によって電圧を生じる起電力セルとして用い、起電力セルの出力が一定になるようにポンプセルを動作させ、その時に該ポンプセルに流す電流を、測定酸素濃度比例値として測定する。この全領域空燃比センサの動作原理は、本出願人の出願に係る特開昭６２−１４８８４９号中に詳述されている。
【０００４】
この全領域空燃比センサを動作させるためには、該ポンプセル及び起電力セルを所定温度以上に加熱し、酸素イオン伝導性固体電解質体の活性を高める必要がある。このため、全領域空燃比センサには、加熱用のヒータがポンプセル及び起電力セルの近傍に取り付けられている。
【０００５】
現在、排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣ等の有害ガス成分を更に低減することが求められている。この有害ガスの除去には、酸素センサにて排気ガス中の酸素濃度を更に正確に測定し、空燃比のフィードバック制御を高速で行う必要がある。ここで、酸素センサの精度を高めるためには、酸素センサの温度を一定に保つことが要求される。一定温度を実現するために、ヒータの抵抗値を測定することにより、温度を測定し、測定温度をセル温度とほぼ等しいと見なして、ヒータの温度を一定に保つ方法が取られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、排気ガスの温度が低いときや、ガスの流速が高いときには、セル温度とヒータ温度が一致しなくなり、高精度でセル温度を制御することができなかった。このため、本発明者は、全領域空燃比センサ（以下単にセンサと言う）による酸素濃度の測定を一時中断し、起電力セルに測定用の電流を流して、該素子の内部抵抗を測定することで、直接温度を測定し、その温度が所定値になるようにセンサの加熱用ヒータを請求項する方法を案出した。しかし、この方法では、例えば、排気ガス流が早いときや、センサの暖機開始直後などでは、起電力セルとポンプセルの温度が異なる場合があり、起電力セルのみの温度が所定の温度になっても、センサ全体としては十分に機能しないケースが見られた。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、センサ自体に温度分布が有る場合でも、センサが十分に機能するようにヒータを制御することができる全領域空燃比センサ、全領域空燃比センサの温度制御方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１の全領域空燃比センサの温度制御方法では、加熱用ヒータによって加熱されるポンプセルと起電力セルを間隔を介して対向配設し、酸素濃度を検出する全領域空燃比センサの温度制御方法であって、
前記起電力セル及びポンプセルの両方の内部抵抗を同時に検出し、前記起電力セルの内部抵抗及びポンプセルの内部抵抗からそれぞれの温度を検出し、何れかの温度が上限規定温度よりも高いときにはヒータの通電を抑える方向に制御し、何れかの温度が下限規定温度よりも低いときにはヒータの通電を高める方向に制御する事を技術的特徴とする。
【００１１】
上記の目的を達成するため、請求項２は、加熱用ヒータによって加熱されるポンプセルと起電力セルとを間隙を介して対向配設し、酸素濃度を測定する全領域空燃比センサの温度制御装置であって、
前記起電力セルのマイナス端子と、前記ポンプセルのマイナス端子との共通端子に接続されたノードと、
該ノードの電位を一定に保つように前記ポンプセルのプラス端子へ電流を印加する定電流手段と、
前記ノードに抵抗を介して出力端子が接続され、該抵抗を介して流れる電流によって起電力セルの電位を一定に保つＰＩＤ回路と、
前記ＰＩＤ回路の出力電圧、又は、前記定電流手段の出力電流に基づき、酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
前記起電力セルのプラス端子に起電力セルの温度検出用電流もしくは電圧を印加する印加手段と、
前記起電力セルのプラス端子と前記ＰＩＤ回路の入力との間に介在し、前記印加手段による起電力セルへの温度検出用電流もしくは電圧の印加時に、該ＰＩＤ回路の入力電位を一定に保つホールド手段と、
前記印加手段による起電力セルへの温度検出用電流もしくは電圧の印加時に、該起電力セルのプラス端子の電位を測定し、起電力セルの温度を検出する起電力セル温度測定手段と、
前記ポンプセルのプラス端子の電位を測定し、該ポンプセルの温度を測定するポンプセル温度測定手段と、
前記起電力セルの温度と前記ポンプセルの温度のいずれか高い方の温度が上記規定温度よりも高いときには、加熱用ヒータの通電を抑え、いずれか低い方の温度が下限規定温度よりも低いときには、加熱用ヒータの通電を高める方向に制御する加熱用ヒータ制御手段と、から成ることを技術的特徴とする。
【００１２】
上記の目的を達成するため、請求項３の全領域空燃比センサは、請求項２の温度制御装置を備えたことを技術的特徴とする。
【００１３】
請求項１の発明では、起電力セルの温度だけでなく、ポンプセルの温度も同時に検出するので、センサ自体が温度分布を有していても、その温度分布を正確に把握する事が出来るので、センサの温度がより正確に制御できる。
また、起電力セルとポンプセルの温度の何れかの温度が上限規定温度を越えないようにセンサの温度を制御するので、起電力セルの温度よりもポンプセルの温度が高い場合に、起電力セルの温度を所定の温度以上にしようと制御して、ポンプセルの温度がセンサの耐熱性に対して問題の無い温度範囲の上限である上限規定温度を越えてしまうような不具合を防止する事が出来る。
更に、起電力セルとポンプセルの温度の何れかの温度が下限規定温度よりも低くならないようにセンサの温度を制御するので、起電力セルの温度よりもポンプセルの温度が低い場合に、起電力セルのみの温度で、その温度に達したと判断しヒータの通電を抑えてしまうと、ポンプセルの温度がまだ十分に高くなっておらず結果としてセンサが十分に機能しないといった不具合を防止する事が出来る。
【００１４】
請求項１の発明においては、起電力セルとポンプセルのそれぞれに上限規定温度、下限規定温度を規定する事が出来る。例えば、センサの暖機時などでは、起電力セルは比較的低い温度で機能しはじめるのに対して、ポンプセルはそれよりもかなり温度を上げないとセンサとして機能しないケースが有るが、その様な場合では、起電力セルが既に下限規定温度に達していても、ポンプセルの温度がポンプセルの下限規定温度に達するまでヒータの通電を高める方向に制御するので、センサが適正に機能する状態に早く活性化する事が出来る。
請求項２及び３の発明は、請求項１の発明を実際の装置として構成した発明であるが、本発明の構成では、起電力セルとポンプセルの温度を検出するために２つのセルに流す電流を共通にしているので、極めて簡単な構成で２つのセルの内部抵抗が検出でき、２つのセルの温度が検出できる。
【００１５】
請求項３の発明では、印加手段が、起電力セルのプラス端子へ温度検出用電流もしくは電圧を印加した際に、起電力セルのプラス端子とＰＩＤ回路の入力との間に介在しているホールド手段が、該ＰＩＤ回路の入力電位を一定に保ち、該ＰＩＤ回路の出力値を一定に維持する。このため、起電力セルの温度測定中においても、酸素濃度検出手段が前記ＰＩＤ回路の出力電圧に基づき、一定の酸素濃度を出力することができる。
【００１６】
また、起電力セルのプラス端子へ温度検出用電流もしくは電圧が印加されている間においても、ＰＩＤ回路の出力値が一定に維持されるため、定電流手段が、該ＰＩＤ回路に抵抗を介して接続された該ノードの電位を一定に保つようにポンプセルのプラス端子へ電流を印加する。即ち、該定電流手段が、起電力セル側へ印加された温度検出用電流もしくは電圧と、逆極性の電流もしくは電圧をポンプセル側へ印加する。
このため、起電力セル温度測定手段が、前記印加手段による起電力セルへの温度検出用電流もしくは電圧の印加時に、該起電力セルの電位を測定して起電力セルの温度を測定するのと同時に、ポンプセル温度測定手段が、前記ポンプセルの電位を測定し、該ポンプセルの温度を測定できる。即ち、新たにポンプセル側へ測定電流または電圧を印加する装置を付加することなく、起電力セルとポンプセルの温度を同時に測定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施態様について図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る全領域空燃比センサを示している。セル１０は排気ガス系に配設される。該セル１０は、排気ガス中の酸素濃度を測定すると共に該セル１０の温度を測定するコントローラ５０に接続されている。このセル１０には、ヒータ制御回路６０にて制御される加熱用ヒータ７０（以下単にヒータと言う）が、図示しないセラミック製接合剤を介して取り付けられている。ヒータ７０は、絶縁材料としてアルミナ等のセラミックから成りその内部にヒータ配線７２が配設されている。ヒータ制御回路６０は、コントローラ５０により測定されるセル１０の温度を、目標値に保つようヒータ７０へ電力を印加し、該セル１０の温度を設定値に維持する。
【００１８】
セル１０は、ポンプセル１４と、多孔質拡散層１８と、起電力セル２４と、補強板３０とを積層することにより構成されている。ポンプセル１４は、酸素イオン伝導性固体電解質材料である安定化または部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ_２）により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極１２、１６を有している。測定ガスに晒される表面側の多孔質電極１２は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ＋電圧が印加されるのでＩｐ＋電極として参照する。また、裏面側の多孔質電極１６は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ−電圧が印加されるのでＩｐ−電極として参照する。
【００１９】
起電力セル２４も同様に安定化または部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ_２）により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極２２、２８を有している。拡散室（測定室）２０側に配設された多孔質電極２２は、起電力セル２４の起電力の−電圧が生じるためＶｓ−電極として参照し、また、基準酸素室２６側に配設された多孔質電極２８は、起電力セル２４の起電力の＋電圧が生じるためＶｓ＋電極として参照する。なお、基準酸素室２６の基準酸素は多孔質電極２２から一定酸素を多孔質電極２８にポンピングする事により生成する。ポンプセル１４と起電力セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された間隙２０が形成されている。即ち、該間隙２０は、多孔質拡散層１８を介して測定ガス雰囲気と連通されている。なお、本実施態様では、多孔質物質を充填して成る多孔質拡散層１８を用いるが、この代わりに小孔を配設することも可能である。
【００２０】
ここで、測定ガスの酸素濃度と間隙２０の酸素濃度との差に応じた酸素が、間隙２０側に多孔質拡散層１８を介して拡散して行く。ここで、間隙２０内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、ほぼ酸素濃度が一定に保たれている基準酸素室２６との間で、起電力セル２４のＶｓ＋電極２８とＶｓ−電極２２との間には、約０．４５ｖの電位が発生する。コントローラ５０は、ポンプセル１４に流す電流Ｉｐを、上記起電力セル電位２４の起電力Ｖｓが０．４５ｖとなるように調整することで、間隙２０内の雰囲気を理論空燃比に保ち、この理論空燃比に保つためのポンプセル電流量Ｉｐに基づき、測定ガス中の酸素濃度を測定する。
【００２１】
引き続き、コントローラ５０の構成を示す図２を参照して制御動作について述べる。
コントローラ５０は、セル１０により酸素濃度を測定する動作と、セル１０の起電力セル２４及びポンプセル１４のバルク抵抗を測定することで温度を測定する動作とを行っている。ここでは、まず、酸素濃度測定について説明する。
【００２２】
オペアンプＯＰ２は、一方の入力端子に＋４Ｖが印加され、他方の入力端子はＶＣＥＮＴ点に接続されており、出力端子にて、ポンプセル１４を介して流れるＩｐ電流が変化しても、ＶＣＥＮＴ点に於いて４Ｖに保っように動作する。ＰＩＤ制御を行うＰＩＤ回路は、起電力セル２４の起電力を検出し、抵抗Ｒ１を介して流すＩｐ電流によって該起電力を一定（０．４５Ｖ）に保つようにポンプセル１４の電流Ｉｐを決定する動作を行う。このように、ＰＩＤ回路にて起電力セル２４の起電力が０．４５Ｖに保持された状態で、ポンプセル１４に流される電流Ｉｐの量に比例する電圧ＶＰＩＤがＰＩＤ回路の出力端に現れ、この電圧を酸素濃度検出回路５２で、図示しないＡ／Ｄ回路にてデジタル値に変換した後、保持しているマップから対応する酸素濃度値を検索し、この値を図示しないエンジン制御装置側へ出力する。即ち、上記ＰＩＤ回路の出力電圧ＶＰＩＤは、起電力セル２４の電位Ｖｓの目標値（０．４５Ｖ）との差で決まり、測定ガス雰囲気に応じた次式のＩＰＩＤが抵抗Ｒ１へ流れる。
【数１】

【００２３】
なお、この実施態様では、ＰＩＤ回路の出力電圧ＶＰＩＤから酸素濃度値を測定しているが、この代わりに、オペアンプＯＰ２の電流又は電圧から酸素濃度を測定することも可能である。
【００２４】
引き続き、コントローラ５０の起電力セル２４の温度（抵抗）検出動作について説明する。オペアンプＯＰ１は、コンデンサＣ１と共にサンプルホールド回路を形成し、起電力セル２４の温度測定のための電圧印加中において電圧印加直前の、該起電力セル２４の起電力を保持してＶ０としてＰＩＤ回路に入力する役割を果たす。オペアンプＯＰ３は、オペアンプＯＰ１に保持されているホールド値（抵抗値検出用電圧印加直前の起電力セル２４の両面の電極間電圧）と、起電力セル２４に抵抗値測定用の電流−Ｉｃｏｎｓｔを印加した際の電位値との差分をＡ／Ｄ回路へ出力する。
【００２５】
スイッチＳＷ１は、オペアンプＯＰ１、即ち、サンプルホールド回路の電圧ホールド動作を制御する。また、スイッチＳＷ２は、起電力セル２４の抵抗値測定用の一定電流−Ｉｃｏｎｓｔをオン・オフし、スイッチＳＷ３は、スイッチＳＷ２にて流される抵抗値測定用の電流−Ｉｃｏｎｓｔとは逆極性の一定電流＋Ｉｃｏｎｓｔをオン・オフする。これらスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、相補型の電界効果トランジスタ回路から成る。
【００２６】
スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のタイミングチャートと共に起電力セル２４の両面の電極間電圧を図３に示す。スイッチＳＷ１は、上述したように所定のインターバルＴ５（約１秒）毎に設定された時間Ｔ６（約５００μｓ）に渡りオフし、起電力セル２４の抵抗（温度）測定を可能ならしめる。なお、このオフ時間Ｔ６においては、オペアンプＯＰ１から成るサンプルホールド回路にて、ＰＩＤ回路への入力値は０．４５Ｖに維持される。なおここで、本実施態様の全領域空燃比センサの温度変化は、通常の使用条件では３°Ｃ／秒程度であるため、１秒周期で測定することで温度を十分に管理できる。また、該１秒の内の５００μｍは、酸素濃度が測定できなくなるが、エンジンの空燃比を制御する上で十分に短い時間である。
【００２７】
スイッチＳＷ１がオフされてから時間Ｔ１（スイッチＳＷ１を構成するＣＭＯＳのディレイ時間であり約１μｓ）が経過した後、スイッチＳＷ２が時間Ｔ３（約１００μｓ）に渡りオンし、抵抗値測定用の一定電流−Ｉｃｏｎｓｔ（−４．８８ｍＡ）を起電力セル２４側に流す。この電流−Ｉｃｏｎｓｔの極性は、起電力セル２４に生じる内部起電力と逆極性であって、この電流−Ｉｃｏｎｓｔによって起電力セル２４の両端の電圧が、図中に示すようにΔＶｓ分低下する。
【００２８】
スイッチＳＷ２が、起電力セル２４のプラス端子へ温度測定用定電流−Ｉｃｏｎｓｔを印加している間は、スイッチＳＷ１がオフとなり、コンデンサＣ１の一定電位が、ＰＩＤ回路の入力電位を一定に保ち、該ＰＩＤ回路の出力電圧ＶＰＩＤを一定に維持する。ここで、該定電流−Ｉｃｏｎｓｔは、＋８Ｖが印加されている数１００ＫΩの高い値を有する抵抗Ｒ３側には流れ込まない。また、オペアンプＯＰ２の入力端子には、高インピーダンスのため流れ込まない。従って、該定電流−Ｉｃｏｎｓｔは、抵抗Ｒ１を介してＰＩＤ回路側へ流れようとするが、上述したようにＰＩＤ回路は、一定の出力電圧ＶＰＩＤを維持している。
【００２９】
このため、オペアンプＯＰ２が、ＶＣＥＮＴの電位を一定に保つように前記ポンプセル１４のプラス端子へ電流を印加する。即ち、該オペアンプＯＰ２が、起電力セル２４側へ印加された温度測定用定電流−Ｉｃｏｎｓｔと、逆極性の電流をポンプセル１４側へ印加する。図３中に、該逆極性の電流によって発生したポンプセル１４側の電位Ｖｐを示す。
【００３０】
本実施態様では、起電力セル２４側に定電流−Ｉｃｏｎｓｔを印加して抵抗値を測定する際に、ポンプセル１４側にも逆極性の電流が同時に印加されることとなる。ここで、理論空燃比に保たれている間隙（測定室）２０の酸素濃度は、ポンプセル１４へ電流を流すと酸素のくみ込み、また、くみ出しが生じて変化しようとするが、逆極性の電流−Ｉｃｏｎｓｔを起電力セル２４側に流しているので、該起電力セル２４によって酸素がくみ出され、或いは、くみ込まれ、これにより酸素の出入りが相殺されて、該間隙（測定室）２０の酸素濃度が理論空燃比に保たれる。このため、後述するように抵抗値（温度）の測定終了後に、該全領域空燃比センサにて直ちに酸素濃度の測定を再開できる。
【００３１】
ここで、電流−Ｉｃｏｎｓｔの印加を開始した後、時間Ｔ２（約６０μｓ）が経過してから、当該時点（印加開始から６０μｓ経過時）でのオペアンプＯＰ３の出力を、Ａ／Ｄ変換回路がアナログ値からデジタル値に変換してヒータ制御回路側６０へ出力する。ヒータ制御回路６０は、この測定された値から起電力セル２４のバルク抵抗値と相関する値、即ち、該起電力セル２４の温度を把握する。この起電力セル２４の温度測定と同時に、上述したように電流−Ｉｃｏｎｓｔと逆極性の電流がポンプセル１４側へも流れているため、該ヒータ制御回路６０は、この電流により生じるポンプセル１４の電圧値Ｖｐ（図３参照）からポンプセル１４の温度を把握する。
【００３２】
このように、本実施態様においては、ポンプセル１４側に温度測定用の電源装置を別途設けることなく、酸素濃度測定用に配設されたオペアンプＯＰ１から電流を流すことで、起電力セル２４の温度測定用の装置スイッチＳＷ２を設けることのみで、ポンプセル１４側へ逆極性の電流を印加し得ると共に温度を併せて測定することができる。また、この実施態様では、ポンプセル１４と起電力セル２４との温度を別々に測定するため、いずれか一方の温度のみが上昇しても、これを検出し故障を未然に防ぐことが可能となる。
【００３３】
ヒータ制御回路６０は、この測定された値、即ち、起電力セル２４及びポンプセル１４の抵抗値が目標値となるようにヒータ７０への通電を制御する。この制御は実質的に、起電力セル２４又はポンプセル１４の温度が目標値よりも高いときには、電圧を下げ、また、目標値よりも低いときには、電圧を上げることにより、全領域空燃比センサ素子１０の温度を正確に目標値（８００°Ｃ）に保つよう機能する。
【００３４】
なお、ここで、電流−Ｉｃｏｎｓｔの印加開始から６０μｓ経過時の値を測定するのは、測定された抵抗値に前記多孔質電極と前記固体電解質体の界面における抵抗成分が含まれないようにするためである。即ち、時間Ｔ２は、短時間であるほど温度を正確に反映する起電力セル２４のバルク抵抗値に近い値を測定し得るが、スイッチＳＷ２の切り換え後、−Ｉｃｏｎｓｔを出力する図示しない定電流回路が安定するのに十分な時間を取るため、上記６０μｍを設定してある。言い換えるなら、時間が経過してから測定を行うと起電力セル２４の多孔質電極２２、２８と固体電解質体との界面の劣化等による該界面における抵抗成分の変化分を含む値が検出され、この変化分によって正確に測定が行い得なくなるので、回路構成上の最短時間である６０μｓ後に測定を行っている。
【００３５】
そして、時間Ｔ３（約１００μｓ）の経過により、スイッチＳＷ２をオフすると同時に、スイッチＳＷ３をオンする。ここで、スイッチＳＷ１の切り換え時間を１００μｓ（Ｔ３）としたのは、上記６０μｓ経過後に取り込んだ値を、Ａ／Ｄ変換回路がデジタル値に変換するのに約２０μｓかかり、図示しないＣＰＵは、データを取り込んだ後に、スイッチＳＷ３をオンにするため、余裕を見て１００μｓに設定してある。そして、スイッチＳＷ３をオンした後、スイッチＳＷ２をオンした時間とほぼ等しい時間Ｔ３に渡り、抵抗値測定用の上記電流−Ｉｃｏｎｓｔとは逆極性の一定電流＋Ｉｃｏｎｓｔ（＋４．８８ｍＡ）を起電力セル２４側に印加する。
【００３６】
これは、起電力セル２４を構成する酸素イオン伝導性固体電解質体の配向現象によって内部起電力が影響を受け本来の酸素濃度差を反映する内部起電力値を出力しない状態から、正常な状態に復帰するまでの復帰時間を短縮させ、抵抗値の測定後に酸素濃度の測定を短時間で再開し得るようにするためである。
【００３７】
そして、スイッチＳＷ３をオフした後、時間Ｔ４（約３００μｓ）経過した後、スイッチＳＷ１をオンにして、全領域空燃比センサによる酸素濃度の測定を再開する。ここで、３００μｓのディレイ時間を持たせているのは、上述したように電流−Ｉｃｏｎｓｔとは逆極性の一定電流＋Ｉｃｏｎｓｔ（＋４．８８ｍＡ）を起電力セル２４に印加しても、起電力セル２４の両面の電極間電圧Ｖｓは直ぐには初期値に戻らないため、この時点でスイッチＳＷ１をオンにしてサンプルホールドを解除すると、ＰＩＤ回路の出力電位ＶＰＩＤが変化し、排気ガス中の酸素濃度が温度測定開始以前と同じでも酸素濃度出力が変化するからである。この３００μｓのディレイ時間は、余裕を見て設定してあるため、更に短くすることは可能である。
【００３８】
なお、上述した実施態様では、ポンプセル１４及び起電力セル２４の温度測定のために定電流を流したが、この代わりに、電圧を印加することで温度測定を行い得ることは言うまでもない。
【００３９】
次に、検出された起電力セルの温度ｔｓとポンプセルの温度ｔｐを用いてヒータを制御する方法を説明する。
図４はヒータ制御のプラグラムのフローチャートである。まず、所定のタイミング毎にこのヒータ制御のプログラムが起動する。このプログラムはヒータの制御の為の制御フロー（ａ）とセンサの機能を正常に復帰させるための制御フロー（ｂ）からなる。最初に制御フロー（ａ）が開始され、ＳＷ１をＯＦＦにしコントローラ５０のＡ／Ｆを検出するための制御を一時停止する（Ｓ００）。また同時にタイマ３をセットし、時間Ｔ３の計測を開始する（Ｓ０５）。次にＳＷ２をＯＮにして温度検出用の−Ｉｃｏｎｓｔ電流を起電力セル及びポンプセルに印加する（Ｓ１０）。（なお、本願では電流を強制的に流す事を、実質的に電圧を印加する事と等価であると看做し、電流を印加するとも表現する。）続いて、タイマ２をセットし時間Ｔ２が経過するまで待機する（Ｓ１５）。本実施例ではＴ２は６０μｓに設定している。時間Ｔ２が経過した段階で、ＯＰ２及びＯＰ３の出力電圧Ｖ２、Ｖ３をＡ／Ｄコンバータを介して検出する（Ｓ２０）。
【００４０】
次にＶ２、Ｖ３から起電力セルとポンプセルの温度ｔｓとｔｐをそれぞれマップから取得する（Ｓ２５）。続いて、ｔｓを起電力セルの下限規定温度ｔｓ１と比較しｔｓがｔｓ１よりも低い時はヒータの通電に関する制御フラッグＦＨを１にセットする（Ｓ３０）。次にｔｐをポンプセルの下限規定温度ｔｐ１と比較しｔｐがｔｐ１よりも低い時はヒータの通電に関する制御フラッグＦＨを１にセットする（Ｓ３５）。続いてｔｓを起電力セルの上限規定温度ｔｓ２と比較しｔｓがｔｓ２よりも高い時はヒータの通電に関する制御フラッグＦＨを０にセットする（Ｓ４０）。次にｔｐをポンプセルの下限規定温度ｔｐ２と比較しｔｐがｔｐ２よりも高い時はヒータの通電に関する制御フラッグＦＨを０にセットする（Ｓ４５）。最後に制御フラッグＦＨが１の時は通電を実行し、制御フラッグＦＨが０の時は通電を停止する（Ｓ５０）。その後時間Ｔ３の経過を待ち、制御フロー（ａ）は終了し、代わって図５に示す制御フロー（ｂ）が開始する。
【００４１】
制御フロー（ｂ）では最初にＳＷ２をＯＦＦにし（Ｓ６０）、ほぼ同時にＳＷ３をＯＮにしてセンサを正常に復帰させるために＋Ｉｃｏｎｓｔ電流を起電力セル及びポンプセルに印加する（Ｓ６５）。その後タイマ３をセットし、時間Ｔ３が経過するのを待つ（Ｓ７０）。時間Ｔ３が経過した時点でＳＷ３をＯＦＦにする（Ｓ８０）。その後、タイマ４をセットし、時間Ｔ４が経過するのを待つ（Ｓ９０）。この時間待機は、センサが正常な状態に復帰するまでの待機時間である。時間Ｔ４が経過した段階で、ＳＷ１をＯＮにしてセンサを正常な制御に復帰させる（Ｓ１００）。
このようにして、起電力セルとポンプセルの温度を検出しながらヒータを制御することで、２つのセルの温度が異なる場合でも、センサが適正に機能する温度範囲に２つのセルの温度を制御する事が出来る。
【００４２】
ところで、上記制御に於いては、例えば起電力セルの温度ｔｓがその下限規定温度ｔｓ１よりも低い場合でもポンプセルの温度ｔｐがその上限規定温度ｔｐ１よりも高い場合はヒータを通電しない制御をしている。これは一方のセルのの機能が不十分であっても、もう一方のセルを更に加熱する事でセルが劣化する事を防止する事を優先しているためである。このような場合は例えば、起電力セルが十分に機能しない事を図４のフローチャートのＳ３０で検出できるので、その時点で機能不全である事を何らかのフラッグに記録しておき、センサの検出のための制御を停止したり、起電力セルの温度でセンサ出力を補正したりする事も可能である。
【００４３】
【効果】
以上説明したように、請求項１の発明では、前記２つのセルの温度に違いが有る場合でも、それぞれの温度を検出する事でセンサが適正に機能する制御をする事が出来る。また、前記２つのセルに温度差が有る場合でも、何れのセルもヒータによる過熱でセルの機能が劣化する事を防止する事が出来る。更に、前記２つのセルのうち一方の温度が所定の下限規定温度よりも低い場合にヒータによる加熱を高めるので、暖機時や、排ガスによって冷却されている場合でも、センサが適正に機能する温度にセンサ温度を制御をする事が出来る。
【００４４】
また、請求項２又は３の発明では、スイッチＳＷ２が、起電力セルのプラス端子へ温度測定用定電流を印加した際に、スイッチＳＷ１がオフとなりコンデンサＣ１に保持されている電圧が、ＰＩＤ回路の入力電位を一定に保ち、該ＰＩＤ回路の出力値を一定に維持する。このため、起電力セルの温度測定中においても、酸素濃度検出回路がＰＩＤ回路の出力電圧に基づき、一定の酸素濃度を出力することができる。
【００４５】
また、起電力セルのプラス端子へ温度測定用定電流が印加されている間においても、ＰＩＤ回路の出力値が一定に維持されるため、オペアンプＯＰ２が、該ＰＩＤ回路に抵抗Ｒ１を介して接続されたＶＣＥＮＴの電位を一定に保つようにポンプセルのプラス端子へ電流を印加する。即ち、オペアンプＯＰ２が、起電力セル側へ印加された温度測定用定電流と、逆極性の電流をポンプセル側へ印加する。
このため、ヒータ制御回路が、起電力セルへの温度測定用定電流の印加時に、該起電力セルの電位を測定して温度を求めるのと同時に、該ヒータ制御回路が、ポンプセルの電位を測定して温度を求め得る。即ち、新たにポンプセル側へ測定電流を印加する装置を付加することなく、起電力セルとポンプセルの温度を同時に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る全領域空燃比センサ構成を示す説明図である。
【図２】図１に示すコントローラの回路図である。
【図３】スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のタイミングチャートである。
【図４】ヒータ制御のプラグラムのフローチャートである。
【図５】ヒータ制御のプラグラムのフローチャートである。
【符号の説明】
１０セル
１４ポンプセル
２０拡散室
２４起電力セル
５０コントローラ
６０ヒータ制御回路
７０ヒータ
Ｖｓ起電力セル電圧
Ｉｐポンプセル電流

Claims

加熱用ヒータによって加熱されるポンプセルと起電力セルを間隔を介して対向配設し、酸素濃度を検出する全領域空燃比センサの温度制御方法であって、
前記起電力セル及びポンプセルの両方の内部抵抗を同時に検出し、前記起電力セルの内部抵抗及びポンプセルの内部抵抗からそれぞれの温度を検出し、何れかの温度が上限規定温度よりも高いときにはヒータの通電を抑える方向に制御し、何れかの温度が下限規定温度よりも低いときにはヒータの通電を高める方向に制御する事を特徴とする全領域空燃比センサの温度制御方法。
加熱用ヒータによって加熱されるポンプセルと起電力セルとを間隙を介して対向配設し、酸素濃度を測定する全領域空燃比センサの温度制御装置であって、
前記起電力セルのマイナス端子と、前記ポンプセルのマイナス端子との共通端子に接続されたノードと、
該ノードの電位を一定に保つように前記ポンプセルのプラス端子へ電流を印加する定電流手段と、
前記ノードに抵抗を介して出力端子が接続され、該抵抗を介して流れる電流によって起電力セルの電位を一定に保つＰＩＤ回路と、
前記ＰＩＤ回路の出力電圧、又は、前記定電流手段の出力電流に基づき、酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
前記起電力セルのプラス端子に起電力セルの温度検出用電流もしくは電圧を印加する印加手段と、
前記起電力セルのプラス端子と前記ＰＩＤ回路の入力との間に介在し、前記印加手段による起電力セルへの温度検出用電流もしくは電圧の印加時に、該ＰＩＤ回路の入力電位を一定に保つホールド手段と、
前記印加手段による起電力セルへの温度検出用電流もしくは電圧の印加時に、該起電力セルのプラス端子の電位を測定し、起電力セルの温度を検出する起電力セル温度測定手段と、
前記ポンプセルのプラス端子の電位を測定し、該ポンプセルの温度を検出するポンプセル温度測定手段と、
前記起電力セルの温度と前記ポンプセルの温度のいずれか高い方の温度が上記規定温度よりも高いときには、加熱用ヒータの通電を抑え、いずれか低い方の温度が下限規定温度よりも低いときには、加熱用ヒータの通電を高める方向に制御する加熱用ヒータ制御手段と、から成ることを特徴とする全領域空燃比センサの温度制御装置。
請求項２の温度制御装置を備えた全領域空燃比センサ。