(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側を閉塞した略円筒状に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質部と、
前記固体電解質部の内外面に設けられた電極部と、
前記固体電解質部の筒状の内部に設けられた棒状のヒータ部と、
を備える酸素センサであって、
前記ヒータ部は、電源に対して並列に接続される複数の発熱体パターンを有し、前記複数の発熱体パターンを切り換えることにより、前記固体電解質部の加熱部位を切り換えることを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】
内燃機関の排気系に配設されて該内燃機関の排気ガス濃度を検出するための酸素センサを備える内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記酸素センサは、先端側を閉塞した略円筒状に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質部と、
前記固体電解質部の内外面に設けられた電極部と、
前記固体電解質部の筒状の内部に設けられた棒状のヒータ部と、
を有し、
前記酸素センサの劣化状態を検出するための劣化検出手段を備え、
前記ヒータ部は、電源に対して並列に接続される複数の発熱体パターンと、
前記劣化検出手段が検出した前記酸素センサの劣化状態に応じて前記複数の発熱体パターンを切り換える切換手段と、
を有することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサおよび該酸素センサを組み込む内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、エンジン等の内燃機関の排気系に排気ガス濃度を検出する濃度センサを配設し、この濃度センサの出力値に基づいて内燃機関に供給され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、前記内燃機関から排出される有害排気ガス成分を低下させる技術が知られている。この種の濃度センサとして、電気抵抗発熱体内蔵型の酸素センサが一般的に使用されている。
【０００３】
図７は、特開平４−１５７３５８号公報に開示された酸素センサの要部を示すものであり、酸素イオン伝導性の金属酸化物からなる固体電解質部１の内部に棒状のセラミックヒータ２が挿入されている。このセラミックヒータ２は、アルミナからなるセラミック棒３と、このセラミック棒３の先端部側表面に設けられた櫛歯状の発熱体４とから構成されている。
【０００４】
この酸素センサによれば、固体電解質部１の先端部近傍を発熱体４により加熱すると、酸素センサの急速な立ち上がりが可能となって、センサ活性化時間の短縮を図ることができるとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、排気ガスに含まれるオイルや添加剤等の燃焼物が固体電解質部１の先端側に付着すると、この固体電解質部１が劣化して発熱体４によっても酸素センサの機能を補うことが不可能となってしまう。ジルコニア等からなる固体電解質部１に前記燃焼物が付着して起電力が発生しなくなり、この結果、酸素センサの寿命が著しく低下するからである。
【０００６】
本発明はこの種の課題を解決するものであり、簡単な構成で長期間にわたり有効に使用することが可能な酸素センサおよび内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、本発明は、先端側を閉塞した略円筒状に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質部と、前記固体電解質部の内外面に設けられた電極部と、前記固体電解質部の筒状の内部に設けられた棒状のヒータ部と、を備える酸素センサであって、前記ヒータ部は、電源に対して並列に接続される複数の発熱体パターンを有し、前記複数の発熱体パターンを切り換えることにより、前記固体電解質部の加熱部位を切り換えることを特徴とする。
【０００８】
このため、複数の発熱体パターンを選択的に電源に対して接続すれば、各発熱体パターンに対応した固体電解質部の各部位を有効に機能させることができ、前記固体電解質部全体を効率的に活用して酸素センサの寿命が向上する。
【０００９】
さらに、本発明は、内燃機関の排気系に配設されて該内燃機関の排気ガス濃度を検出するための酸素センサを備える内燃機関の空燃比制御装置であって、前記酸素センサは、先端側を閉塞した略円筒状に形成された酸素イオン伝導性の固体電解質部と、前記固体電解質部の内外面に設けられた電極部と、前記固体電解質部の筒状の内部に設けられた棒状のヒータ部と、を有し、前記酸素センサの劣化状態を検出するための劣化検出手段を備え、前記ヒータ部は、電源に対して並列に接続される複数の発熱体パターンと、前記劣化検出手段が検出した前記酸素センサの劣化状態に応じて前記複数の発熱体パターンを切り換える切換手段と、を有することを特徴とする。
【００１０】
従って、劣化検出手段を介して酸素センサの劣化状態が検出された際、劣化が進行した部位に対応する発熱体パターンから劣化が進行していない部位に対応する発熱体パターンに切り換えることにより、酸素センサの機能寿命が有効に向上する。従って、空燃比制御装置を長期間にわたり効果的に使用することが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１において、参照数字１０は、本発明の実施形態に係る酸素センサを示す。この酸素センサ１０は、酸素イオン伝導性の固体電解質部１２と、この固体電解質部１２の内外面に設けられた図示しない電極部と、前記固体電解質部１２の内部に設けられたヒータ部１４とを備える。
【００１２】
固体電解質部１２は、先端側を閉塞した略円筒状を有しており、酸素イオン伝導性の金属酸化物として、例えば、ジルコニアが使用されている。電極部は、白金や白金属合金等が使用され、固体電解質部１２の内外面に設けられている。ヒータ部１４は、固体電解質部１２の内部に挿入される棒状セラミック絶縁体１６と、このセラミック絶縁体１６の軸線方向に沿って配設される複数の発熱体パターン１８ａ〜１８ｃとを備える。
【００１３】
ヒータ部１４は、アルミナやムライト等を主成分とするセラミック絶縁体１６中にタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属材料からなる発熱体パターン１８ａ〜１８ｃを埋設して構成されており、その製造方法は、例えば、特開平５−３１５０５５号公報に開示されている。
【００１４】
図２に示すように、第１発熱体パターン１８ａは、セラミック絶縁体１６の先端縁部に櫛歯状に設けられている。この第１発熱体パターン１８ａからセラミック絶縁体１６の後方側に所定間隔ずつ離間して、第２発熱体パターン１８ｂおよび第３発熱体パターン１８ｃが設けられている。
【００１５】
図３に示すように、第１発熱体パターン１８ａの両端には、第１端子線２０ａ、２２ａが接続され、第２および第３発熱体パターン１８ｂ、１８ｃの両端にはそれぞれ第２端子線２０ｂ、２２ｂと第３端子線２０ｃ、２２ｃが接続されている。第１端子線２０ａ〜第３端子線２０ｃは、セラミック絶縁体１６の軸線方向に延在しており、それぞれの端部が切換スイッチ（切換手段）２４を介して電源２６に並列に接続される。第１端子線２２ａ〜第３端子線２２ｃは、同様に、セラミック絶縁体１６の軸線方向に延在し、それぞれの端部が一体的にアースされている。
【００１６】
次に、このように構成される酸素センサ１０を組み込む空燃比制御装置３０について、図４を参照して説明する。なお、空燃比制御装置３０としては、本出願人による特願平６−７３９１４号公報に開示されている構成を採用している。
【００１７】
空燃比制御装置３０は、例えば、４気筒の内燃機関（以下、エンジンという）３２を備え、このエンジン３２の吸気管３４の途上にスロットルボデイ３６が設けられる。スロットルボデイ３６の内部にはスロットル弁３８が配設され、このスロットル弁３８にスロットル弁開度（θＴＨ）センサ４０が連結され、前記スロットル弁３８の開度に応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット（以下、ＥＣＵという）４２に供給する。
【００１８】
燃料噴射弁４３は、吸気管３４の途中であってエンジン３２とスロットル弁３８の間に設けられた図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられる。各燃料噴射弁４３は、図示しない燃料ポンプに接続されるとともにＥＣＵ４２に電気的に接続され、該ＥＣＵ４２からの信号により燃料噴射の開弁時期が制御される。
【００１９】
吸気管３４のスロットル弁３８の下流側にパージ管４４が分岐して設けられ、このパージ管４４が図示しない蒸発燃料排出抑止系に接続される。吸気管３４のパージ管４４の下流側に分岐管４６が設けられ、この分岐管４６の先端に絶対圧（ＰＢＡ）センサ４８が配設される。ＰＢＡセンサ４８は、ＥＣＵ４２に電気的に接続され、このＰＢＡセンサ４８により検出された吸気管３４内の絶対圧ＰＢＡが電気信号に変換されて前記ＥＣＵ４２に供給される。吸気管３４には、分岐管４６の下流側に位置して吸気温（ＴＡ）センサ５０が装着され、このＴＡセンサ５０により検出された吸気温ＴＡが電気信号に変換されてＥＣＵ４２に供給される。
【００２０】
エンジン３２において、シリンダブロックの冷却水が充満された気筒周壁にサーミスタ等からなるエンジン水温（ＴＷ）センサ５２が挿着され、このＴＷセンサ５２により検出されたエンジン水温ＴＷが電気信号に変換されてＥＣＵ４２に供給される。エンジン３２の図示しないカム軸周囲またはクランク軸周囲には、エンジン回転数（ＮＥ）センサ５４が取り付けられる。ＮＥセンサ５４は、エンジン３２のクランク軸が１８０°回転する毎に所定のクランク角度位置で信号パルス（以下、ＴＤＣ信号パルスという）を出力し、このＴＤＣ信号パルスがＥＣＵ４２に供給される。
【００２１】
変速機５６は、車輪（図示せず）とエンジン３２の間に介装されるとともに、この車輪に車速（ＶＳＰ）センサ５８が取り付けられ、該ＶＳＰセンサ５８により検出された車速ＶＳＰが電気信号に変換されてＥＣＵ４２に供給される。
【００２２】
エンジン３２の各気筒の点火プラグ６０は、ＥＣＵ４２に電気的に接続され、ＥＣＵ４２により点火時期が制御される。エンジン３２の排気管６２の途中に触媒装置（三元触媒）６４が介装され、この触媒装置６４により排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の有害成分の浄化が行われる。
【００２３】
排気管６２の途中でかつ触媒装置６４の上流側に、酸素センサ１０が設けられ、この酸素センサ１０により検出された排気ガス中の酸素濃度が電気信号に変換されてＥＣＵ４２に供給される。酸素センサ１０は、前述したように、センサ素子がジルコニア固体電解質（ＺｒＯ２  ）からなり、その起電力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有し、理論空燃比においてその出力信号がリーン信号からリッチ信号、またはリッチ信号からリーン信号に反転する。すなわち、酸素センサ１０の出力信号は、空燃比のリッチ側において高レベルとなり、リーン側において低レベルとなり、その出力信号がＥＣＵ４２に供給される。
【００２４】
ＥＣＵ４２の出力側に発光ダイオード（ＬＥＤ）等からなる警告灯６６が接続されている。警告灯６６は、例えば、自動車の車室内のダッシュボードに配設されて酸素センサ１０の劣化をＥＣＵ４２からの出力信号に基づき運転者に知らせる。
【００２５】
ＥＣＵ４２は、上述の各種センサからの入力信号波形を整形して電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路６８と、中央演算処理回路（以下、ＣＰＵという）７０と、該ＣＰＵ７０で実行する演算プログラムや演算結果等を記憶する記憶手段７２と、燃料噴射弁４３や点火プラグ６０に駆動信号を供給する出力回路７４とを備える。
【００２６】
ＣＰＵ７０は、上述の各種エンジンパラメータ信号に基づいて、排気ガス中の酸素濃度に応じたフィードバック制御運転領域やオープンループ制御運転領域等の種々のエンジン運転状態を判別するとともに、エンジン運転状態に応じ、（１）式に基づき、ＴＤＣ信号パルスに同期する燃料噴射弁４３の燃料噴射時間Ｔｏｕｔ  を演算する。
【００２７】
Ｔｏｕｔ  ＝Ｔｉ×Ｋ０２×Ｋ１  ＋Ｋ２            …（１）
ここで、Ｔｉは、基本燃料噴射時間、具体的にはエンジン回転数ＮＥと吸気管内絶対圧ＰＢＡとに応じて決定される基本燃料噴射時間であり、このＴｉ値を決定するためのＴｉマップが記憶手段７２に記憶されている。
【００２８】
Ｋ０２は、酸素センサ１０に基づいて算出される空燃比補正係数であって、後述するＫ０２の算出ルーチンの実行により空燃比フィードバック制御中は酸素センサ１０によって検出される空燃比（酸素濃度）が目標空燃比に一致するように設定され、オープンループ制御中はエンジン３２の運転状態に応じた所定値に設定される。
【００２９】
Ｋ１  およびＫ２  は、それぞれ各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図られるような値に設定される。
【００３０】
次いで、酸素センサ１０の動作について、これを組み込む空燃比制御装置３０との関連で以下に説明する。
【００３１】
先ず、図３に示すように、切換スイッチ２４を介して電源２６が第１端子線２０ａから第１発熱体パターン１８ａに接続されており、この第１発熱体パターン１８ａに対応する固体電解質部１２の第１素子部１２ａ（図１参照）がエンジン３２の排気ガス濃度の検出を行う。
【００３２】
図５は、酸素センサ１０の劣化を検出する劣化検出ルーチンであって、本プログラムは、ＥＣＵ４２に内蔵されたタイマが発する信号パルスにより、例えば、１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【００３３】
ステップＳ１では、プログラミングＦＭＯＮ  が「１」に設定されているか否かが判別される。この判別結果が否定（ＮＯ）のときは、モニタ条件が成立していないためそのまま本プログラムを終了する。一方、ステップＳ１の判別結果が肯定（ＹＥＳ）のときは、フラグＦＫ０２ＬＭＴが「１」か否かが判別され、空燃比補正係数Ｋ０２が所定上限値または前記所定下限値に貼り付いた状態にあるか否か、すなわちＫ０２が前記所定上限値または所定下限値に設定された状態にあるか否かを判別する（ステップＳ２）。
【００３４】
そして、その判別結果が肯定（ＹＥＳ）、すなわち、Ｋ０２値が所定上限値または所定下限値に貼り付いているときは、ステップＳ３に進んで、フラグＦＤＯＮＥが「１」に設定され、本プログラムを終了する。すなわち、フラグＦＤＯＮＥは、酸素センサ１０の劣化検出開始を指令するときに「０」に設定され、その結果、検出が実行済みの時に「１」に設定されるフラグであり、空燃比補正係数Ｋ０２が上限値または下限値に貼り付いているときはフラグＦＤＯＮＥを「１」に設定して、酸素センサ１０の劣化検出が既に実行済みであると判断し、本プログラムを終了する。
【００３５】
一方、フラグＦＫ０２ＬＭＴが「１」に設定されていないときはステップＳ４に進み、フラグＦＡＦ２  が前回「０」から今回「１」に反転したか否かを判別する。ここで、フラグＦＡＦ２  は、混合気の空燃比がリーン状態のときに「０」に設定され、混合気の空燃比がリッチ状態に切り換わってから所定時間経過後に「１」に設定される。
【００３６】
そこで、ステップＳ４の判別結果が否定（ＮＯ）のときはそのまま本プログラムを終了し、その判別結果が肯定（ＹＥＳ）、すなわち、混合気の空燃比が今回ループでリーン状態からリッチ状態に切り換わったときはステップＳ５に進み、フラグＦＡＦ２  の今回の反転が、酸素センサ１０の劣化検出モニタが許可されてから最初の反転であるか否かを判別する。その際、最初のループではその判別結果が肯定（ＹＥＳ）となるため、ステップＳ６に進み、反転回数ｎＷＡＶＥを「０」に設定してフラグＦＤＯＮＥを「０」に設定し（ステップＳ７）、劣化検出モニタの開始を指示して本プログラムを終了する。
【００３７】
また、その後のループでステップＳ５の判別結果が否定（ＮＯ）となったときは、ステップＳ８に進み、反転回数ｎＷＡＶＥを「１」だけインクリメントし、次いで反転回数ｎＷＡＶＥの計測時間ｔＷＡＶＥが所定時間Ｔ２  （例えば、１０ｓｅｃ）を超えたか否かを判別する（ステップＳ９）。この判別結果が否定（ＮＯ）のときはそのまま本プログラムを終了する一方、その判別結果が肯定（ＹＥＳ）のときはステップＳ１０に進み、（２）式に基づき反転周期ｔＣＹＣＬを算出する。
【００３８】
ｔＣＹＣＬ＝ｔＷＡＶＥ／ｎＷＡＶＥ                                    …（２）
このように反転周期ｔＣＹＣＬが算出された後、劣化判定処理を実行し（ステップＳ１１）、フラグＦＤＯＮＥを「１」に設定して劣化検出モニタの終了を指示し（ステップＳ１２）、本プログラムを終了する。
【００３９】
劣化判定処理は、具体的には図６に示す劣化判定処理ルーチンの実行によりなされる。
【００４０】
すなわち、ステップＳ２１では、前記ステップＳ１０（図５）で算出される反転周期ｔＣＹＣＬが第１の所定反転周期ｔＣＹ０  より短いか否かを判別する。ここで、第１の所定反転周期ｔＣＹ０  は、酸素センサ１０が劣化していないと判別するのに十分な反転周期、例えば、２ｓｅｃに設定される。ステップＳ２１の判別結果が肯定（ＹＥＳ）のときは酸素センサ１０が正常であることを確定して（ステップＳ２２）、メインルーチン（図５）に戻る。
【００４１】
一方、ステップＳ２１の判別結果が否定（ＮＯ）のときは、反転周期ｔＣＹＣＬが、第１の所定反転周期ｔＣＹ０  より長く設定された第２の反転周期ｔＣＹ１  、すなわち、ｔＣＹ０  ＜ｔＣＹ１  の関係にある第２の反転周期ｔＣＹ１  より短いか否かを判別する。その判別結果が肯定（ＹＥＳ）のときは酸素センサ１０が劣化状態にあるものの、その劣化度合いはフィードバック制御を禁止するほどではなく小さいと判定し（ステップＳ２４）、メインルーチン（図５）に戻る。
【００４２】
また、ステップＳ２３の判別結果が否定（ＮＯ）のときは、酸素センサ１０が排気浄化効率や運転性の悪化を招くほどの劣化状態にあり、その劣化度合いが大きいと判定し（ステップＳ２５）、メインルーチン（図５）に戻る。
【００４３】
上記のように、固体電解質部１２の第１素子部１２ａにオイルや添加剤等の燃焼物が付着して目詰まり等の劣化が発生していると判断されると、図３において切換スイッチ２４が駆動され、電源２６が第２端子線２０ｂを介して第２発熱体パターン１８ｂに接続される。これにより、固体電解質部１２の主機能部分が第１素子部１２ａから第２素子部１２ｂに移行し、この第２素子部１２ｂによってエンジン３２から排出される排気ガス濃度の検出が行われる。
【００４４】
さらに、上記の劣化検出ルーチンに基づいて、第２素子部１２ｂの劣化が検出されると、切換スイッチ２４を介して電源２６が第３発熱体パターン１８ｃに接続される。従って、固体電解質部１２の主機能部分が、第２素子部１２ｂから第３素子部１２ｃへと移行される。
【００４５】
このように、酸素センサ１０では、ヒータ部１４を構成する第１発熱体パターン１８ａ、第２発熱体パターン１８ｂおよび第３発熱体パターン１８ｃを切換スイッチ２４を介して順次電源２６に接続することにより、固体電解質部１２の軸線方向全体を段階的に主機能部分に切り換えることができ、前記酸素センサ１０の機能寿命を飛躍的に向上させることが可能になるという効果が得られる。これによって、排気ガスに含まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等のエミッションを有効に低減することができるとともに、長期間にわたって確実に制御し得る空燃比制御装置３０が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明に係る酸素センサによれば、ヒータ部が複数の発熱体パターンを有しており、各発熱体パターンを選択的に電源に対して接続することによって固体電解質部全体を段階的かつ有効に活用することができ、前記酸素センサの機能寿命が一挙に向上する。
【００４７】
さらに、本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置では、酸素センサの劣化状態が劣化検出手段により検出される際に、新たな発熱体パターンを電源に対して接続することにより、前記酸素センサを長期間にわたり自動的かつ確実に機能させることが可能になる。これにより、寿命の長い空燃比制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る酸素センサの縦断説明図である。
【図２】前記酸素センサの先端部斜視説明図である。
【図３】前記酸素センサの電気配線説明図である。
【図４】前記酸素センサを組み込む空燃比制御装置の概略構成図である。
【図５】前記酸素センサの劣化検出のフローチャートである。
【図６】前記酸素センサの劣化判定処理のフローチャートである。
【図７】従来の酸素センサの概略説明図である。
【符号の説明】
１０…酸素センサ                  １２…固体電解質部
１４…ヒータ部                    １６…セラミック絶縁体
１８ａ〜１８ｃ…発熱体パターン    ２４…切換スイッチ
２６…電源                        ３０…空燃比制御装置
３２…エンジン                    ４２…ＥＣＵ
７０…ＣＰＵ
【図１】
0003603912.tif 000002
【図２】
0003603912.tif 000003
【図３】
0003603912.tif 000004
【図４】
0003603912.tif 000005
【図５】
0003603912.tif 000006
【図６】
0003603912.tif 000007
【図７】
0003603912.tif 000008