JP3719912B2

JP3719912B2 - 排気ガスセンサ用温度検出装置

Info

Publication number: JP3719912B2
Application number: JP2000170843A
Authority: JP
Inventors: 光司橋本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-06-07
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2020-06-07
Also published as: JP2001349864A; US20020003831A1; US6398407B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気ガス中に含まれた酸素濃度を検出する排気ガスセンサの内部抵抗値を計測してセンサ素子の温度に換算する温度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度に応じて内燃機関に供給する混合気の空燃比をフィードバック制御することにより、排気ガスの浄化と燃費の改善とを行う技術はよく知られており、車両用内燃機関には広く用いられている。酸素濃度を検出する排気ガスセンサは、温度を活性化領域に維持して酸素濃度の検出特性を安定化させる必要があり、このためにセンサに内蔵されたヒータに通電制御してセンサの温度を所定値に保つ構成がとられており、この通電量の制御のためにはセンサ素子の温度を計測することが必要であるが、このような計測技術については各種の手法が開示されている。
【０００３】
例えば、特開平９−２９２３６４号公報には、排気ガスセンサの内部抵抗値を検出し、この内部抵抗値からセンサ素子の温度を演算するための内部抵抗値測定法として、酸素濃度検出時に排気ガスセンサに印可していた電圧を所定の時定数で抵抗値検出用電圧に切り替え、そのときの電圧と電流の変化状態から排気ガスセンサの内部抵抗値を検出する技術が開示されている。また、特公平７−１１９７３６号公報においては、所謂λタイプと呼ばれる非線形タイプの排気ガスセンサが用いられ、吸入空気量や回転速度など、内燃機関の運転状態をパラメータとして間接的に排気ガスセンサの温度を推定する技術が開示されている。
【０００４】
さらに、特開平８−３１３４７６号公報には、排気ガスセンサとは近接配置されたヒータの電圧値と電流値とからヒータの抵抗値を検出し、ヒータの温度を算出することによりセンサ素子の温度を間接的に推定検出する技術が開示され、また、特開平１−１７２７４６号公報には排気ガスの流量に応じたヒータの目標抵抗値、すなわち、ヒータ温度目標値を設定し、ヒータの抵抗値が目標抵抗値になるように通電制御してヒータとは近接配置された排気ガスセンサの温度を間接的に推定して維持する技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来技術において、ヒータの抵抗値から排気ガスセンサの温度を間接的に測定するものにおいては、排気ガスの流量や温度によりヒータの温度と排気ガスセンサの温度との相関性が変化し、特開平１−１７２７４６号公報のように、いかに排気ガスの流量に応じたヒータの目標抵抗値を設定しても正確な排気ガスセンサの温度は検出できないものであった。また、特開平９−２９２３６４号公報のように、排気ガスセンサ自体の内部抵抗値を測定して温度を算出する方式においては、バラツキや経年変化により内部抵抗値や内部抵抗値に対する温度の相関が大きく変化するものであるため、単なる内部抵抗値の測定と換算のみでは正確な温度の検出は困難であった。
【０００６】
この発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、内部抵抗値のバラツキや経年変化を補正しながら測定することにより、正確な温度検知を可能にすると共に、内部抵抗値の大幅な経年変化に対しては劣化警告を出力する排気ガスセンサ用温度検出装置を得ることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる排気ガスセンサ用温度検出装置は、内燃機関の排気ガス中に含まれた酸素濃度を検出する排気ガスセンサと、この排気ガスセンサとはほぼ同等の環境温度を計測する温度センサと、排気ガスセンサの内部抵抗値を計測する抵抗値測定手段と、内燃機関の運転停止期間を計測するタイマー手段と、このタイマー手段による運転停止期間が所定値以上であったときの動作開始時点毎に排気ガスセンサの内部抵抗値と環境温度とを検出し、この両者から排気ガスセンサの内部抵抗値対温度特性を演算してこれらを更新記憶すると共に、動作中に計測した排気ガスセンサの動作中の内部抵抗値と内部抵抗値対温度特性とから排気ガスセンサの温度を演算する制御手段とを備えるようにしたものである。
【０００８】
また、内燃機関の排気ガスに含まれた酸素濃度を検出する排気ガスセンサと、排気ガスセンサとはほぼ同等の環境温度を計測する温度センサと、排気ガスセンサの内部抵抗値を計測する抵抗値測定手段と、内燃機関の運転停止期間を計測するタイマー手段と、このタイマー手段による運転停止期間が所定値以上であったときの動作開始時点毎に排気ガスセンサの内部抵抗値と環境温度とを検出し、この両者から排気ガスセンサの内部抵抗値対温度特性を演算してこれらを更新記憶し、動作中に計測した排気ガスセンサの動作中の内部抵抗値と内部抵抗値対温度特性とから排気ガスセンサの温度を演算すると共に、動作状態がテストモードか運転モードかの判別機能を有し、テストモード終了後の運転モードの初回動作において計測した排気ガスセンサの内部抵抗値を基準値として記憶し、この基準値と、動作開始時点毎に計測された排気ガスセンサの内部抵抗値とを比較することにより、排気ガスセンサの劣化判定を行う制御手段とを備えたものである。
【０００９】
さらに、温度センサが、車両に設けられた外気温センサ、もしくは、冷却水温センサで構成されるようにしたものである。
さらにまた、運転停止期間を計測するタイマー手段は、車載のデジタルクロックから得た信号を用いるようにしたものである。
また、運転停止期間を計測するタイマー手段は、温度検出装置の発熱部が運転停止後に所定の温度まで放熱する放熱時間を用いるようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による排気ガスセンサ用温度検出装置の回路構成図、図２はその動作を説明するフローチャートである。図１において、１は排気ガスセンサ２の温度を検出し、また、排気ガスセンサ２に内蔵された図示しないヒータの制御を行う温度検出装置、３は車両に搭載され、温度検出装置１などに電力を供給するバッテリ、４はキースイッチ、５は排気ガスセンサ２の内部抵抗を便宜的に示したもの、６は車両の外気温、または、冷却水の温度を計測する温度センサ、７は温度検出装置１を実用運転モードとテストモードとに切り換えるモードスイッチであり、このテストモードは出荷テストなど温度検出装置１自体の検査時に使用されるものである。
【００１１】
８は温度検出装置１に内蔵する制御手段としてのマイクロプロセッサ（以下ＣＰＵと称す）、９はＣＰＵ８に例えばＤＣ５Ｖの定電圧を供給する定電圧電源、１０はタイマー用のカウンタであり、ＣＰＵ８はバッテリ３からキースイッチ４と定電圧電源９とを介して電力供給を受け、カウンタ１０はキースイッチ４を介さずに常にバッテリ３から電力供給を受ける一方、キースイッチ４のオン・オフ信号をも入力されるように構成されている。カウンタ１０はキースイッチ４の開路信号を受けてクロックパルスを発生して計数を開始し、キースイッチ４が閉路したとき、ＣＰＵ８の出力端子ＤＲ１からの読み取り信号により開路期間中の計数時間信号をＣＰＵ８の信号入力端子ＳＧ１に出力すると共に、計数値をリセットする。
【００１２】
１１は排気ガスセンサ２の出力を増幅してＣＰＵ８のＡ／Ｄ変換用入力端子ＡＤ１に与える増幅器、１２はＣＰＵ８の出力端子ＤＲ２からの信号により駆動され、排気ガスセンサ２に負荷抵抗１３を接続する内部抵抗検出用トランジスタ、１４はＣＰＵ８の出力端子ＤＲ２からの信号経路に設けられたトランジスタ１２のベース抵抗、１５はトランジスタ１２のベースとエミッタ間に設けられた安定抵抗である。また、温度センサ６はＣＰＵ８のＡ／Ｄ変換用入力端子ＡＤ２に接続され、モードスイッチ７はＣＰＵ８の信号入力端子ＳＧ２に接続されている。なお、図示しないがＣＰＵ８には記憶手段が内蔵、または、外付けにて設けられている。
【００１３】
このように構成されたこの発明の実施の形態１による排気ガスセンサ用温度検出装置において、ＣＰＵ８は図２のフローチャートに示すように動作する。図２において、ステップ１０１にてキースイッチ４が操作され、動作を開始すると、まず、ステップ１０２においてＣＰＵ１２は出力端子ＤＲ２の信号によりトランジスタ１２を所定の時間オフさせ、排気ガスセンサ２の無負荷時出力電圧を増幅器１１を介してＣＰＵ８の入力端子ＡＤ１に取り込む。このＡＤ１の入力電圧は排気ガスセンサ２の検出による排気ガス中に含まれた酸素濃度に対応した電圧である。
【００１４】
続いてステップ１０３では出力端子ＤＲ２の信号によりトランジスタ１２を所定の時間オンさせ、排気ガスセンサ２の内部抵抗５と負荷抵抗１３とにより分圧された負荷時出力電圧を増幅器１１を介して入力端子ＡＤ１に取り込み、内部抵抗５の抵抗値を演算する。ここで、ステップ１０２で得た排気ガスセンサ２の無負荷時出力電圧をＥ０、ステップ１０３で得た排気ガスセンサ２の負荷時出力電圧をＥ１、負荷抵抗１３の抵抗値をＲ１、排気ガスセンサ２の内部抵抗５の抵抗値をＲ０とすると、次式
Ｅ１＝Ｅ０×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ０）（１）
の関係が得られ、排気ガスセンサ２の内部抵抗値Ｒ０が演算される。
【００１５】
この内部抵抗値Ｒ０の値は、排気ガスセンサ２の絶対温度の逆数の指数関数として変化するものであり、次の式にて表される。
Ｒ０＝Ｋ１ｅｘｐ（Ｋ２／Ｔ）（２）
ここで、Ｋ１とＫ２とは定数であり、Ｔは絶対温度である。また、定数Ｋ１は排気ガスセンサ２の製品バラツキや経年変化により大幅に変動するものであるが、定数Ｋ２は排気ガスセンサ２の形式により定まる既知の定数であり、バラツキや経年変化は極めて少ないものである。
【００１６】
ステップ１０３にて内部抵抗値Ｒ０が演算されるとステップ１０４に進み、ここではモードスイッチ７がテストモードであるのか実用運転モードであるのかが判定される。テストモードであると判定されるとステップ１０５に進むが、ここでテストモードが未完了であると判定された場合、および、ステップ１０４にて実用運転モードであると判定された場合にはステップ１０６に進む。ステップ１０６ではＣＰＵ８がＤＲ１端子からタイマ用カウンタ１０に信号を送り、タイマ用カウンタ１０からの計数時間信号を端子ＳＧ１に取り込み、キースイッチ４がオフされてから次にオンされるまでの内燃機関の停止時間が読み込まれ、この停止時間が所定値以上であったかどうかを判定する。
【００１７】
停止時間が所定値以上であったと判定されるとステップ１０７に進み、初期値記憶モードであるかどうかを判定する。内燃機関が所定時間以上の停止後であって実用運転モードにおける初回動作である場合、あるいは、記憶手段に初期値が記憶されていない場合には初期値記憶モードと判定され、この判定によりステップ１０８に進んでステップ１０３で得た排気ガスセンサ２の内部抵抗値と、温度センサ６により計測された環境温度とが初期値として記憶手段に記憶される。この初期値は後述するステップ１１３による動作時、または、劣化した排気ガスセンサ２を新品に取り替えるに当たって図示しないリセット手段が操作されるまでの間は永久的に記憶され続けるように構成されており、この初期値がリセットされない限りステップ１０７では初期値記憶モードと判定されない。
【００１８】
初期値が記憶されておれば、すなわち、実用運転モードにおける初回動作でなければステップ１０７からステップ１０９に進み、ステップ１０３で得た排気ガスセンサ２の内部抵抗値と、温度センサ６により計測された環境温度との値を更新して記憶する。続いてステップ１１０ではステップ１０９にて更新記憶された排気ガスセンサ２の内部抵抗値と環境温度との値から内部抵抗値対温度のテーブルを作成する。このステップ１０９ではキースイッチ４がオンされ、内燃機関の停止時間が所定値以上であると判断された場合には、その時点における排気ガスセンサ２の内部抵抗値と、温度センサ６により計測された環境温度とが必ず更新記憶され、次のステップ１１０において内部抵抗値対温度のテーブルも更新されるものである。
【００１９】
続いてステップ１１１に進み、ステップ１０８にて保管された排気ガスセンサ２の内部抵抗値の初期値をステップ１０９にて更新記憶された環境温度に基づく値に換算し、この換算された抵抗値とステップ１０９にて更新記憶された排気ガスセンサ２の今回の抵抗値とを比較して、両者間に所定値以上の差があればステップ１１２に進んで異常警報を出力する。この異常警報は排気ガスセンサ２の劣化警報であり、ＣＰＵ８から図示しない表示手段の発光ダイーオドなどに出力されて表示される。
【００２０】
ステップ１１１にて両者間の差が所定値以下であればそのままステップ１１５に進んでルーチンを終了し、再びステップ１０１に戻って次のルーチンに入る。この第二回目以降のルーチンではステップ１０６にて長時間停止後でないと判断されるので、ステップ１１４に進むことになり、ステップ１１４ではステップ１０３にて得た排気ガスセンサ２の内部抵抗値と、ステップ１１０にて作成記憶した内部抵抗値対温度のテーブルとから現時点での排気ガスセンサ２の温度を演算し、排気ガスセンサ２を加熱するヒータに対する通電制御のデータを提供し、ステップ１１５からステップ１０１に戻る。このように、内部抵抗値対温度のテーブルは、内燃機関が所定時間以上停止後の動作において常に更新され、内部抵抗値の経年変化に対する補正が行われる。
【００２１】
ステップ１０４にてテストモードと判定されるのは、出荷時か部品交換時であり、この場合にはステップ１０５に進み、ここでテストモードが終了したと判定されると次にステップ１１３に進む。ステップ１１３ではテスト完了に伴いステップ１０８に保管されていた初期値をリセットするが、テストモードでは排気ガスセンサ２や温度センサ６の信号は使用されず、疑似信号が入力されてテストされるので、この疑似信号をリセットし、次回の運転モードの初回動作において排気ガスセンサ２と温度センサ６とによる初期値が記憶されることになる。なお、上記したように、この初期値は排気ガスセンサ２の劣化に対する判定基準値となるものである。
【００２２】
ステップ１１０では、ステップ１０９にて記憶された排気ガスセンサ２の内部抵抗値Ｒｓと環境温度Ｔ１（絶対温度°Ｋ）とを基に、最低使用環境温度（例えば−４０度Ｃ）から実用温度（７００度Ｃ）までの内部抵抗対温度のテーブルを作成するが、その算式は上記（２）式と同様、Ｒｓ＝Ｋ１ｅｘｐ（Ｋ２／Ｔ１）にて示される。従って、
Ｋ１＝Ｒｓ／ｅｘｐ（Ｋ２／Ｔ１）（３）
としてＫ１が得られ、温度がＴｎのときの内部抵抗値Ｒｎは、

として算出でき、定数Ｋ２は排気ガスセンサ２の形式により定まる定数でバラツキや経年変化は極めて少なく、バラツキや経年変化により大幅に変動する定数Ｋ１は式から排除されるので、抵抗値Ｒｎは抵抗値Ｒｓに対する温度のみの関数として正確に算出でき、演算のために記憶させる定数はＫ２のみとなる。
【００２３】
なお、以上の説明においてはタイマー用カウンタ１０を温度検出装置１に設けたが、車載のデジタルクロックの出力を使用してキースイッチ４の開路時の時刻を検知して記憶しておき、再度キースイッチ４が閉路したときとの時刻差により内燃機関の長時間停止を判定させることも可能であり、また、排気ガスセンサ２には非線形型排気ガスセンサのほか、二端子や三端子のリニヤ型排気ガスセンサを使用してその内部抵抗を検出することも可能である。
【００２４】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による排気ガスセンサ用温度検出装置の回路構成図であり、上記実施の形態１と同一部分には同一符号を付与している。図において、１６は排気ガスセンサ２の温度を検出し、排気ガスセンサ２に内蔵された図示しないヒータの通電制御を行う温度検出装置、３は車両に搭載され、温度検出装置１６などに電力を供給するバッテリ、４はキースイッチ、５は排気ガスセンサ２の内部抵抗を便宜的に示したもの、７は温度検出装置１６を実用運転モードとテストモードに切り換えるモードスイッチであり、このテストモードは出荷テストなど温度検出装置１６自体の検査時に使用されるものである。
【００２５】
１７は温度検出装置１６に設けられた制御手段をなすＣＰＵ、９はＣＰＵ１７に例えばＤＣ５Ｖの定電圧を供給する定電圧電源、１１は排気ガスセンサ２の出力を増幅してＣＰＵ１７のＡ／Ｄ変換用入力端子ＡＤ１に入力する増幅器、１２はＣＰＵ１７の出力端子ＤＲ２からの信号により駆動され、排気ガスセンサ２に負荷抵抗１３を接続する内部抵抗検出用トランジスタ、１４はＣＰＵ１７の出力端子ＤＲ２からの信号経路に設けられたトランジスタ１２のベース抵抗、１５はトランジスタ１２のベースとエミッタ間に設けられた安定抵抗である。
【００２６】
１８は比較器１９を介してＣＰＵ１７の信号入力端子ＳＧ１に接続された第一の温度センサであり、温度検出装置１６の電源部や図示しないパワートランジスタなど、発熱部品の熱を放熱するヒートシンク２０の表面温度を検出するように構成されている。また、２１は温度検出装置１６の環境温度を検出するために温度検出装置１６の表面などに設けられた第二の温度センサであり、その出力は増幅器２２を介してＣＰＵ１７のＡ／Ｄ変換用入力端子ＡＤ２に入力されると共に比較器１９の一方の入力端子に接続されている。
【００２７】
このように構成されたこの発明の実施の形態２による排気ガスセンサ用温度検出装置において、ＣＰＵ１７の動作は実施の形態１にて示した図２のフローチャトと同様であるが、ハードウエアの差による動作の違いは次の通りである。図２のフローチャートのステップ１０６では内燃機関の長期間停止の検出をタイマー用カウンタ１０の出力により判定したが、この実施の形態では動作開始に当たってキースイッチ４が閉じたとき、温度センサ１８と温度センサ２１との出力が比較器１９に入力され、両温度センサ１８と２１との温度が略同一の場合には比較器１９の論理出力がＬレベルとなり、これがＣＰＵ１７の信号入力端子ＳＧ１に入力されることにより判定される。
【００２８】
すなわち、内燃機関の停止時間が所定値以上になり、放熱に時間を要するヒートシンク２０の表面温度が環境温度とほぼ等しくなれば排気ガスセンサ２の温度も環境温度とほぼ等しくなっているとして判断するものである。また、実施の形態１での環境温度は温度センサ６により内燃機関の外気温や冷却水温を計測したが、この実施の形態では温度センサ２１により温度検出装置１６の環境温度を計測する。また、内燃機関の長期間停止後であって、上記の比較器１９の論理出力がＬレベルとなる状態においては温度センサ１８の出力を環境温度とすることができる。
【００２９】
なお、温度検出装置１６と排気ガスセンサ２とが異なる環境温度の場所、例えば、車室内と車室外とに設置された場合などには、その温度差をＣＰＵ１７により演算補正することが可能であり、また、ヒートシンク２０と排気ガスセンサ２との放熱時定数が異なる場合など、放熱時定数により運転停止時間が推定できない場合には、図２のステップ１０９にて最新値から過去数回分の数値を記憶しておき、これらの平均値を使用して判定させることもでき、今回の読み込み値が前回分と大きく差がある場合には、今回の読み込み値を無視した平均値を使用して判定することもできるものである。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したようにこの発明の排気ガスセンサ用温度検出装置によれば、内燃機関の所定時間以上の運転停止期間を検出した後の動作において、動作開始毎に排気ガスセンサの内部抵抗値と環境温度とを計測して更新し、この両者から内部抵抗対温度の特性を作成記憶すると共に、運転中に計測された内部抵抗値と内部抵抗対温度の特性とから排気ガスセンサの現時点での温度を演算するようにしたので、バラツキや経年変化に影響されることなく常に正確な温度検出ができるものである。
【００３１】
また、実用運転の初回動作時の排気ガスセンサの内部抵抗値を基準値として記憶し、以降の所定時間以上の運転停止後における内部抵抗値と比較して、その差が所定値以上であれば劣化と判定して警報を発するようにしたので、排気ガスセンサの劣化を早期に発見することができ、さらに、温度センサを既設の外気温センサや冷却水温センサとしたり、タイマーは既設の車載のデジタル時計や、発熱部品の放熱時間を用いるようにしたので、ハードウエアを省略して小型化できるなど、優れた排気ガスセンサ用温度検出装置を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による排気ガスセンサ用温度検出装置の回路構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による排気ガスセンサ用温度検出装置の動作を説明するフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２による排気ガスセンサ用温度検出装置の回路構成図である。
【符号の説明】
１、１６温度検出装置、２排気ガスセンサ、３バッテリ、
４キースイッチ、６温度センサ、７モードスイッチ、
８、１７マイクロプロセッサ、９定電圧電源、
１０タイマー用カウンタ、１１、２２増幅器、
１２内部抵抗検出用トランジスタ、１３負荷抵抗、
１８第一の温度センサ、１９比較器、２０ヒートシンク、
２１第二の温度センサ。

Claims

内燃機関の排気ガス中に含まれた酸素濃度を検出する排気ガスセンサ、この排気ガスセンサとほぼ同等の環境温度を計測する温度センサ、前記排気ガスセンサの内部抵抗値を計測する抵抗値測定手段、前記内燃機関の運転停止期間を計測するタイマー手段、このタイマー手段による運転停止期間が所定値以上であったときの動作開始時点毎に前記排気ガスセンサの内部抵抗値と前記環境温度とを検出し、この両者から前記排気ガスセンサの内部抵抗値対温度特性を演算してこれらを更新記憶すると共に、動作中に計測した前記排気ガスセンサの動作中の内部抵抗値と前記内部抵抗値対温度特性とから前記排気ガスセンサの温度を演算する制御手段を備えたことを特徴とする排気ガスセンサ用温度検出装置。
内燃機関の排気ガス中に含まれた酸素濃度を検出する排気ガスセンサ、この排気ガスセンサとはほぼ同等の環境温度を計測する温度センサ、前記排気ガスセンサの内部抵抗値を計測する抵抗値測定手段、前記内燃機関の運転停止期間を計測するタイマー手段、このタイマー手段による運転停止期間が所定値以上であったときの動作開始時点毎に前記排気ガスセンサの内部抵抗値と前記環境温度とを検出し、この両者から前記排気ガスセンサの内部抵抗値対温度特性を演算してこれらを更新記憶し、動作中に計測した前記排気ガスセンサの動作中の内部抵抗値と前記内部抵抗値対温度特性とから前記排気ガスセンサの温度を演算すると共に、動作状態がテストモードか運転モードかの判別機能を有し、テストモード終了後の運転モードの初回動作において計測した前記排気ガスセンサの内部抵抗値を基準値として記憶し、この基準値と、前記動作開始時点毎に計測された前記排気ガスセンサの内部抵抗値とを比較することにより、前記排気ガスセンサの劣化判定を行う制御手段を備えたことを特徴とする排気ガスセンサ用温度検出装置。
温度センサが、車両に設けられた外気温センサ、もしくは、冷却水温センサであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気ガスセンサ用温度検出装置。
運転停止期間を計測するタイマー手段は、車載のデジタルクロックから得た信号を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気ガスセンサ用温度検出装置。
運転停止期間を計測するタイマー手段は、温度検出装置の発熱部が運転停止後に所定の温度まで放熱する放熱時間を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気ガスセンサ用温度検出装置。