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JP4051742B2 - Gas component concentration measuring device - Google Patents

Gas component concentration measuring device Download PDF

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JP4051742B2
JP4051742B2 JP35852597A JP35852597A JP4051742B2 JP 4051742 B2 JP4051742 B2 JP 4051742B2 JP 35852597 A JP35852597 A JP 35852597A JP 35852597 A JP35852597 A JP 35852597A JP 4051742 B2 JP4051742 B2 JP 4051742B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス成分濃度測定装置に係り、例えばエンジンから排出される排ガスなど、被測定ガス中の酸素濃度を検出するためのガス成分濃度測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば自動車用エンジンにおいては、一般に酸素濃度センサによる酸素濃度(空燃比)の検出結果に基づき空燃比制御が実施される。かかる酸素濃度センサはジルコニア製の固体電解質を有し、この固体電解質により酸素濃度(空燃比)を精度良く検出するにはセンサ素子(固体電解質)の温度を所定の活性温度に維持する必要がある。通常は同センサにヒータを付設しヒータの通電量を制御している。こうしたヒータ制御の手法として、例えばセンサ素子の温度を所定の活性温度にフィードバック制御するものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
一方近年では、環境保全などの観点から、例えばエンジンの排ガス成分に関する規制が益々強まる傾向にあり、上記酸素濃度センサの検出精度や耐久性を向上させるといった要望がある。ところが、上記従来既存の技術では、例えばセンサの個体差や経時変化などが原因で、当該センサによるガス濃度の検出精度が悪化するという問題を招く。この問題は、センサ活性状態を維持するために必要なヒータ発熱量の過不足により生ずる。つまり、ヒータの発熱量が少な過ぎると、所望のセンサ活性状態が維持できず、センサ検出精度が悪化する。また、ヒータの発熱量が多過ぎると、センサ素子やヒータの劣化を早めるという問題を招く。
【0004】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、ヒータの発熱によりセンサ活性状態を維持する装置において、ヒータを精度良く制御してセンサの検出精度や耐久性を向上させることができるガス成分濃度測定装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、固体電解質を用いたセンサ素子を有し、該センサ素子を通じて被測定ガスの特定成分濃度を測定するセンサと、電源からの通電によ発熱を通じて前記センサ素子を加熱するヒータとを備え、前記センサ素子を所定の活性温度に加熱すべく前記ヒータへの通電量の指令値を演算し、該通電量の指令値に応じて前記ヒータへの通電を行うことにより前記センサ素子を前記所定の活性温度に加熱するガス成分濃度測定装置において、エンジンの定常運転時に前記通電量の指令値に応じて前記ヒータに通電したヒータ通電量と、エンジンの定常運転時に前記センサ素子を一定温度に維持すべく予め設定されているヒータ通電量の標準値との差に応じて前記通電量の指令値を補正する。
【0006】
上記構成によれば、センサの個体差や経時変化を考慮したヒータの通電制御が可能となり、その制御精度が向上する。要するに、例えばセンサが劣化すると、劣化前と劣化後とでは、同一のヒータ通電量であっても素子温(固体電解質の温度)が変動する。これに対し、本発明では素子温の予期せぬ変動が抑制できる。その結果、ヒータの発熱によりセンサ活性状態を維持する装置において、ヒータを精度良く制御してセンサの検出精度や耐久性を向上させることができる。
【0011】
請求項に記載の発明では、前記補正に関する値を学習値としてバックアップメモリに随時記憶し、前記ヒータの通電制御時にはバックアップメモリに記憶された学習値を読み出して使用する。要するに、上記請求項1で求められる補正情報は、例えばエンジン運転条件に関係なくヒータ制御時に常に必要な要素となりうる。従って、学習値をバックアップメモリに随時記憶すると共に、その値を必要に応じて更新することで、学習値の演算が必要時だけで済み、効率的で且つ適切なヒータ制御が実施できる。
【0012】
一方、以下の請求項3〜請求項5に示すように、ガス成分濃度測定装置を取り巻くその時々の諸条件に応じた補正を実施することで、ヒータの制御精度がより一層向上する。すなわち、・請求項3に記載の発明では、前記電源の電圧値に応じて前記通電量の指令値を補正する。
・請求項4に記載の発明では、被測定ガスの温度を検出し、該検出したガス温に応じて前記通電量の指令値を補正する。
・請求項5に記載の発明では、前記センサ素子を冷間状態から昇温させる際に、昇温当初のセンサ活性具合に応じて前記通電量の指令値を補正する。
【0013】
上記請求項によれば、電源電圧が変動しても、ヒータへの電力供給量が一定のまま保持でき、不用意な素子温変動が抑制できる。また、上記請求項によれば、ガス温が高くヒータによる加熱がさほど必要でない時にはヒータ通電量が減少側に補正され、ガス温が低くヒータによる加熱が大いに必要な時にはヒータ通電量が増加側に補正される。これにより、ヒータ通電の過不足が防止できる。さらに、請求項によれば、センサの昇温当初(作動の開始当初)から固体電解質が暖まっている場合などにおいて、ヒータ通電の過不足が防止できる。
【0014】
ここで、上記請求項の被測定ガスの温度とは、例えばエンジンの排ガス温がそれに相当し、上記請求項の昇温当初のセンサ活性具合とは、例えばエンジン始動当初の初期ヒータ抵抗がそれに相当する。
【0015】
また、請求項に記載の発明において、前記センサは、固体電解質を有するセンサ素子にヒータを積層して配置し、固体電解質とヒータとを一体化してなるものとしている。つまり、こうした積層型のセンサでは、固体電解質とヒータとが近接して設けられるため、ヒータの通電制御が悪化すると、それが検出精度や素子の耐久性に直接的に影響を及ぼすが、上記構成によれば当該問題が確実に抑制できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態における空燃比検出装置は、自動車に搭載される電子制御ガソリン噴射エンジンに適用されるものであって、同エンジンの空燃比制御システムにおいては空燃比検出装置による検出結果を基にエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比に制御する。以下の記載では、空燃比センサを用いた空燃比(A/F)の検出手順、並びに同センサに付設されたヒータの通電制御手順を詳細に説明する。
【0017】
図1は、本実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す構成図である。図1において、空燃比検出装置15は、その内部演算の中枢をなすマイクロコンピュータ(以下、マイコンという)20を備え、マイコン20は燃料噴射制御や点火制御等を実現するためのエンジン制御ECU16に対して相互に通信可能に接続されている。限界電流式空燃比センサ(以下、A/Fセンサという)30は、エンジン10のエンジン本体11から延びる排気管12に取り付けられており、マイコン20から指令される電圧の印加に伴い、排ガス中の酸素濃度に比例したリニアな空燃比検出信号(センサ電流信号)を出力する。
【0018】
マイコン20は、各種演算処理を実行するための周知のCPU,ROM,RAM等により構成され、所定の制御プログラムに従い後述するバイアス制御回路40やヒータ制御回路25を制御する。マイコン20は、バッテリ電源+Bの給電を受けて起動するものであるが、その内部には電源の遮断時(IG=OFF時)にも記憶内容を保持するバックアップメモリ20aが設けられている。
【0019】
A/Fセンサ30は、積層型のセンサ素子部(セル)60を有するものであって、その構成を図2〜図4を用いて説明する。ここで、図2は、A/Fセンサ30の全体構成を示す断面図、図3は、A/Fセンサ30を構成するセンサ素子部60の断面図、図4は、センサ素子部60の詳細な構成を示す分解斜視図である。
【0020】
図2に示すように、A/Fセンサ30は、排気管壁に螺着される筒状の金属製ハウジング31を有し、そのハウジング31の下側開口部には素子カバー32が取り付けられている。素子カバー32内には、長板状のセンサ素子部60の先端(下端)が配設されている。素子カバー32は有底二重構造をなし、排ガスをカバー内部に取り込むための複数の排気口32aを有する。
【0021】
センサ素子部60は、ハウジング31内に配設された絶縁部材33を貫通するように図の上方に延び、その上端部には一対のリード線34が接続されている。ハウジング31の上端には本体カバー35がカシメ着されている。また、本体カバー35の上方にはダストカバー36が取り付けられ、これら本体カバー35及びダストカバー36の二重構造によりセンサ上部が保護されている。各カバー35,36には、カバー内部に大気を取り込むための複数の大気口35a,36aが設けられている。
【0022】
次に、センサ素子部60の構成を図3及び図4を用いて説明する。センサ素子部60は大別して、固体電解質61、ガス拡散抵抗層62、大気導入ダクト63及びヒータ64からなり、これら各部材を積層して構成されている。また、各部材の周囲には保護層65が設けられている。
【0023】
長方形板状の固体電解質61は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その上面(ガス拡散抵抗層62側)には白金等からなる多孔質の計測電極66がスクリーン印刷法等により形成されると共に、下面(大気導入ダクト63側)には同じく白金等からなる多孔質の大気側電極67がスクリーン印刷法等により形成されている。計測電極66及び大気側電極67には、リード線66a,67aが接続されている。
【0024】
ガス拡散抵抗層62は、計測電極66へ排ガスを導入するための多孔質シートからなるガス透過層62aと、排ガスの透過を抑制するための緻密層からなるガス遮蔽層62bとを有する。ガス透過層62a及びガス遮蔽層62bは何れも、アルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。
【0025】
大気導入ダクト63はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスからなり、同ダクト63により大気室68が形成されている。この大気導入ダクト63は大気室68内の大気側電極67に大気を導入する役割をなす。因みに、大気室68は、前記図2に示すカバー35,36の大気口35a,36aに連通している。
【0026】
大気導入ダクト63の下面にはヒータ64が取り付けられている。ヒータ64は、バッテリ電源+Bからの通電により発熱する発熱体64aと、それを覆う絶縁シート64bとからなり、発熱体64aの両端にはリード線64cが接続されている。但し、図3の構成以外に、発熱体64aを固体電解質61に埋設したり、発熱体64aをガス拡散抵抗層62に埋設したりする構成も可能である。
【0027】
なお上記センサ素子部60において、計測電極66に達する排ガスは、ガス透過層62aの鉛直方向(図の上下方向)からは侵入せず、ガス透過層62aの側方から侵入する。すなわち、ガス透過層62aの表面はガス遮蔽層62bに被われているため、排ガスは鉛直方向からは侵入できず、その方向と直交する側面方向から該透過層62aの内部に侵入する。かかる場合、ガス透過層62aのガス拡散量は、同透過層62aの左右方向の寸法(実際には、ガス透過層62aの側面と計測電極66との距離)に依存するが、この寸法が容易に且つ自在に設定できることから、ガス透過層62aの孔径がばらついても均一で安定したセンサ出力が得られるようになる。
【0028】
上記構成のA/Fセンサ30において、センサ素子部60は理論空燃比点よりリーン領域では酸素濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、センサ素子部60(固体電解質61)は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、センサ素子部60を活性化するには約600℃以上の高温が必要とされ、且つ同センサ素子部60の活性温度範囲が狭いため、エンジン10の排ガスのみによる加熱では活性状態を維持できない。そのため、本実施の形態では、ヒータ64(発熱体64a)の加熱制御によりセンサ素子部60を活性温度域で保持する。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素(CO)等の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ素子部60はCO等の濃度に応じた限界電流を発生する。
【0029】
A/Fセンサ30の電圧−電流特性について図5を用いて説明する。図5によれば、センサ素子部60の固体電解質61への流入電流と、同固体電解質61への印加電圧とがリニアな特性を有することが分かる。かかる場合、電圧軸(横軸)に平行な直線部分がセンサ素子部60の限界電流を特定するものであって、この限界電流(センサ電流)の増減はA/Fの増減(すなわち、リーン・リッチの程度)に対応している。つまり、A/Fがリーン側になるほど限界電流は増大し、A/Fがリッチ側になるほど限界電流は減少する。
【0030】
この電圧−電流特性において電圧軸に平行な直線部分よりも小さい電圧域は抵抗支配領域となっており、その抵抗支配領域における一次直線部分の傾きは、センサ素子部60における固体電解質61の内部抵抗(これを素子抵抗という)により特定される。この素子抵抗は温度変化に伴い変化し、例えばセンサ素子部60の温度が低下すると素子抵抗の増大により上記傾きが小さくなる。
【0031】
図6は、限界電流値を横軸に、その限界電流値に対応するA/Fを縦軸にして、両者の関係を示すグラフである。
また一例として、A/Fセンサ30の耐熱特性の具体的数値を示せば、
・素子耐熱温度=900〜950℃、
・ヒータ耐熱温度=1000〜1100℃、
・素子温変化速度の最大値=150〜200℃/s、
・ヒータ温変化速度の最大値=200℃/s、
・素子−ヒータの温度差の最大値=200℃、
となっている。
【0032】
一方、前記図1において、A/Fセンサ30(センサ素子部60)に電圧を印加するためのバイアス指令信号(デジタル信号)Vrはマイコン20からD/A変換器21に入力され、同D/A変換器21にてアナログ信号Vbに変換された後、LPF(ローパスフィルタ)22に入力される。そして、LPF22にてアナログ信号Vbの高周波成分が除去された出力電圧Vcは、A/F検出用又は素子抵抗検出用の電圧をA/Fセンサ30に印加するためのバイアス制御回路40に入力される。A/F検出時には、前記図5の特性線L1を用いてその時のA/Fに対応した印加電圧Vpが設定されるのに対し、素子抵抗検出時には、所定周波数信号よりなる単発的で且つ所定の時定数を持った電圧が印加される。
【0033】
バイアス制御回路40内の電流検出回路50は、A/Fセンサ30への電圧の印加に伴い流れる電流値を検出する。当該電流検出回路50にて検出された電流値のアナログ信号は、A/D変換器23を介してマイコン20に入力される。A/Fセンサ30に付設されたヒータ64(発熱体64a)は、ヒータ制御回路25によりその動作が制御される。つまり、ヒータ制御回路25は、A/Fセンサ30の素子温やヒータ温に応じてヒータ64への通電量をデューティ制御し、ヒータ64の加熱制御を行う。
【0034】
また、エンジン排気管12には、排ガス温度を検出するための排気温センサ13が取り付けられており、同センサ13の出力がA/D変換器24を介してマイコン20に入力される。
【0035】
次に、バイアス制御回路40の構成を図7の電気回路図を用いて説明する。図7において、バイアス制御回路40は大別して、基準電圧回路44と、第1の電圧供給回路45と、第2の電圧供給回路47と、電流検出回路50とを有する。基準電圧回路44は、定電圧Vccを分圧抵抗44a,44bにより分圧して一定の基準電圧Vaを生成する。
【0036】
第1の電圧供給回路45は電圧フォロア回路にて構成され、基準電圧回路44の基準電圧Vaと同じ電圧Vaをセンサ素子部60の一方の端子42(前記図3の大気側電極67に接続される端子)に供給する。より具体的には、第1の電圧供給回路45は、正側入力端子が各分圧抵抗44a,44bの分圧点に接続されると共に負側入力端子がセンサ素子部60の一方の端子42に接続された演算増幅器45aと、演算増幅器45aの出力端子に一端が接続された抵抗45bと、この抵抗45bの他端にそれぞれベースが接続されたNPNトランジスタ45c及びPNPトランジスタ45dとを有する。NPNトランジスタ45cのコレクタは定電圧Vccに接続され、エミッタは電流検出回路50を構成する電流検出抵抗50aを介してセンサ素子部60の一方の端子42に接続されている。また、PNPトランジスタ45dのエミッタはNPNトランジスタ45cのエミッタに接続され、コレクタはアースされている。
【0037】
第2の電圧供給回路47も同様に電圧フォロア回路にて構成され、前記LPF22の出力電圧Vcと同じ電圧Vcをセンサ素子部60の他方の端子41(前記図3の計測電極66に接続される端子)に供給する。より具体的には、第2の電圧供給回路47は、正側入力端子が前記LPF22の出力に接続されると共に負側入力端子がセンサ素子部60の他方の端子41に接続された演算増幅器47aと、演算増幅器47aの出力端子に一端が接続された抵抗47bと、この抵抗47bの他端にそれぞれベースが接続されたNPNトランジスタ47c及びPNPトランジスタ47dとを有する。NPNトランジスタ47cのコレクタは定電圧Vccに接続され、エミッタは抵抗47eを介してセンサ素子部60の他方の端子41に接続されている。また、PNPトランジスタ47dのエミッタはNPNトランジスタ47cのエミッタに接続され、コレクタはアースされている。
【0038】
上記構成により、センサ素子部60の一方の端子42には常時一定電圧Vaが供給される。そして、LPF22を経由してセンサ素子部60の他方の端子41に一定電圧Vaよりも低い電圧Vcが供給されると、当該センサ素子部60が正バイアスされる。また、LPF22を経由してセンサ素子部60の他方の端子41に一定電圧Vaよりも高い電圧Vcが供給されると、当該センサ素子部60が負バイアスされる。
【0039】
図8は、ヒータ制御回路25の構成を示す回路図である。
図8において、ヒータ64(発熱体64a)の一端はバッテリ電源+Bに接続され、他端はスイッチング素子を構成するトランジスタ25aのコレクタに接続されている。同トランジスタ25aのエミッタはヒータ電流検出用抵抗25bを介して接地されている。ヒータ電圧Vhはヒータ64の両端電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ25c並びにA/D変換器26を介してマイコン20に入力される。また、ヒータ電流Ihはヒータ電流検出用抵抗25bの両端電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ25d並びにA/D変換器27を介してマイコン20に入力される。
【0040】
次に、上記の如く構成される空燃比検出装置15の作用を説明する。
先ずは図9のタイムチャートを用いて本装置の動作の概要を説明する。図9では、エンジン10の低温始動時において、A/Fセンサ30が冷間状態から昇温される過程を表している。なお、ヒータ通電の開始初期(エンジン始動当初)の素子抵抗ZACは非常に高い値にあり、その値を検出することはできない。
【0041】
時刻t11でイグニッションキー(IGキー)がONされると、素子温変化速度ΔTsのオープン制御が開始される。素子温変化速度ΔTsは、単位時間毎(本実施の形態では、128ms毎)の温度変化量として与えられる。このとき、予め設定されているマップを用い、素子温変化速度ΔTsが略一定になるように通電デューティが決定される。つまり、ヒータ64の通電デューティが時間の経過に伴い少しずつ上昇し、これに伴い素子温Ts(固体電解質の温度)が次第に上昇する。
【0042】
素子抵抗ZACが昇温途中の所定値(本実施の形態では、3kΩ)を下回る時刻t12では、ヒータ制御がそれまでの素子温変化速度ΔTsのオープン制御から素子温変化速度ΔTsのフィードバック制御に切り換えられる。すなわち、時刻t12〜t13では、素子温変化速度ΔTsを目標値にフィードバック制御することによりヒータ通電量(通電デューティ)が決定される。
【0043】
その後、素子抵抗ZACが活性完了の判定値(本実施の形態では、120Ω)にまで低下する時刻t13では、素子温変化速度ΔTsの一連の制御が終了され、これに代えて、素子温一定のフィードバック制御が開始される。すなわち、時刻t13以降においては、素子温Tsを所定の目標温度(700℃)にフィードバック制御することによりヒータ通電量(通電デューティ)が決定される。但し、「素子温一定」のフィードバック制御と「素子抵抗一定」のフィードバック制御とは実質上、略同意であることから、本実施の形態では、素子抵抗一定のフィードバック制御を実施することとしている(素子抵抗ZACを目標値にフィードバックさせる)。
【0044】
図10は、マイコン20によるメインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンはマイコン20への電源投入に伴い起動される。
図10において、マイコン20は、先ずステップ100で前回のA/F検出時から所定時間Taが経過したか否かを判別する。所定時間Taは、A/Fの検出周期に相当する時間であって、例えばTa=4ms程度に設定される。前回のA/F検出時から所定時間Taが経過していれば(ステップ100がYES)、マイコン20はステップ110に進み、後述する図11に従い、A/F(空燃比)の検出処理を実施する。ステップ100がNOであれば、マイコン20はそのまま本ルーチンを一旦終了する。
【0045】
ここで、図11のA/F検出ルーチンを説明すれば、マイコン20は、先ずステップ111でA/Fセンサ30のセンサ素子部60に電圧Vpを印加する。印加電圧Vpは、その時々の空燃比(限界電流値Ip)に応じて例えば図5の特性線L1上の値として設定される。
【0046】
その後、マイコン20は、ステップ112で電圧Vpの印加時にセンサ素子部60に流れる電流値、すなわち電流検出回路50により検出された限界電流値(センサ電流)Ipを読み込む。さらに、マイコン20は、ステップ113で図6に示す限界電流値−A/Fマップを用いてその時々の限界電流値IpをA/Fに変換する。また、マイコン20は、続くステップ114で上記の如く得られたA/Fをエンジン制御ECU16に出力した後、元の図10のルーチンに戻る。
【0047】
A/Fの検出後、マイコン20は、図10のステップ120で前回の素子抵抗検出時から所定時間Tbが経過したか否かを判別する。所定時間Tbは、素子抵抗ZACの検出周期に相当する時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて選択的に設定される。本実施の形態では、A/Fの変化が比較的小さい通常時(エンジン10の定常運転時)にはTb=2s(秒)に、A/Fの急変時(エンジン10の始動時や過渡運転時)にはTb=128ms(ミリ秒)に、というように所定時間Tbが可変に設定されるようになっている。
【0048】
ステップ120がYESであれば、マイコン20は、ステップ130で素子抵抗ZACを検出すると共に、続くステップ140でヒータ64の通電制御を実施する。上記ステップ130,140の処理はそれぞれ、後述する図12,図13に従い実施される。上記ステップ120がNOであれば、マイコン20はそのまま本ルーチンを一旦終了する。
【0049】
次に、前記図10のステップ130における素子抵抗ZACの検出手順を図12を用いて説明する。なお本実施の形態では、素子抵抗の検出に際し、掃引法を用いて「交流素子抵抗」を求めることとしている。
【0050】
図12において、マイコン20は、先ずステップ131でバイアス指令信号Vrを操作し、それまでの印加電圧Vp(A/F検出用電圧)に対して電圧を正側に単発的に変化させる。素子抵抗検出用の電圧印加時間は数10〜100μs程度とする。その後、マイコン20は、ステップ132でその時の電圧変化量ΔVと電流検出回路50により検出されたセンサ電流の変化量ΔIとを読み取る。また、マイコン20は、続くステップ133で前記ΔV,ΔIから素子抵抗ZACを算出し(ZAC=ΔV/ΔI)、その後元の図10のルーチンに戻る。
【0051】
上記の処理によれば、前記図1のLPF22並びにバイアス制御回路40を介し、所定の時定数を持たせた電圧が単発的にA/Fセンサ30に印加される。その結果、図16に示すように、当該電圧の印加からt時間経過後にピーク電流ΔI(電流変化量)が検出され、その時の電圧変化量ΔVとピーク電流ΔIとから素子抵抗ZACが検出される(ZAC=ΔV/ΔI)。かかる場合、LPF22を介して単発的な電圧をA/Fセンサ30に印加することにより、過度なピーク電流の発生が抑制され、素子抵抗ZACの検出精度が向上する。
【0052】
上記の如く求められる素子抵抗ZACは、素子温Tsに対して図17に示す関係を有する。すなわち、素子温Tsが低いほど、素子抵抗ZACは飛躍的に大きくなる。因みにA/Fセンサ30の活性温度(約700℃)は、素子抵抗ZAC≒90Ωに相応する。
【0053】
次に、前記図10のステップ140におけるヒータ通電の制御手順を図13を用いて説明する。
マイコン20は、先ずステップ141で今現在、センサ素子部60が昇温途中であるか否かを判別する。例えばエンジン10の低温始動時など、センサ素子部60の昇温時であれば(ステップ141がYES)、マイコン20は、ステップ142で前記検出した素子抵抗ZACが昇温途中の所定値(本実施の形態では、3kΩ)に達したか否かを判別する。エンジン10の低温始動当初においては、素子抵抗ZACがかなり大きな値となっており、マイコン20は、ZAC>3kΩである旨を判別してステップ143に進む。
【0054】
ステップ143では、マイコン20は、素子温変化速度ΔTsをオープン制御する。具体的には、マイコン20内の不揮発性メモリに予め設定されているマップを用い、エンジン始動時からの経過時間に応じて素子温Tsが所定のプロフィールで変化するよう、ヒータ通電のためのデューティ比DUTYを決定する。例えば前記図9の時刻t11〜t12では、ステップ143による素子温変化速度ΔTsのオープン制御が実施される。
【0055】
また、ZAC≦3kΩであれば、マイコン20はステップ150に進み、後述する図14の手順に従い、素子温変化速度ΔTsを所定値にフィードバック制御する。すなわち、その時々の素子温変化速度ΔTsと同速度の目標値ΔTsrefとが一致するようPID制御手法などを用いてヒータ通電のためのデューティ比DUTYを決定する。例えば前記図9の時刻t12〜t13では、ステップ150による素子温変化速度ΔTsのフィードバック制御が実施される。
【0056】
前記ステップ143又は150でのDUTY決定の後、マイコン20はステップ144に進み、前記決定したデューティ比DUTYを補正して最終デューティ比Dfnを算出する。具体的には、バッテリ電源+Bの電圧や排気温等に応じた補正値FKと、センサ個体差や経時変化に応じた学習値FLRNとを用い、
Dfn=DUTY+FK+FLRN
として最終デューティ比Dfnを算出する。また、マイコン20は、続くステップ145で素子温Ts又はその変化速度ΔTsを最大許容値でガードする。そしてその後、ヒータ通電のためのデューティ比信号を前記図1のヒータ制御回路25に出力する。
【0057】
なお、上記ステップ145では、前記算出した最終デューティ比Dfnにてヒータ通電を行った場合に、素子温Tsが最大許容値の「900℃」、又は素子温変化速度ΔTsの最大許容値の「150℃/s」を越えるかどうかを判断する。そして、これら最大許容値を越えると想定される場合には、通電デューティを「0」若しくは素子温が確実に下がる値(約0.1〜1%程度)で規制する。但し、このデューティ比はA/D変換器の変換速度に応じて設定されるとよい。
【0058】
ここで、補正値FKについて説明すれば、同補正値FKは、例えば図18(a)〜(d)の関係に基づく各種補正値FK1〜FK4を加算して求められる。
FK=FK1+FK2+FK3+FK4
図18(a)によれば、バッテリ電源+Bの電圧値に応じた補正値FK1が求められる。バッテリ電圧≦A(例えば定格電圧12ボルト)の場合には正の補正値FK1がセットされ、バッテリ電圧>Aの場合には負の補正値FK1がセットされる。
【0059】
図18(b)によれば、排気温センサ13により検出される排気温に応じた補正値FK2が求められる。排気温≦Bの場合には正の補正値FK2がセットされ、排気温>Bの場合には負の補正値FK2がセットされる。
【0060】
図18(c)によれば、エンジン始動時の初期ヒータ抵抗に応じた補正値FK3が求められる。初期ヒータ抵抗≦Cの場合には正の補正値FK3がセットされ、初期ヒータ抵抗>Cの場合には負の補正値FK3がセットされる。この場合、初期ヒータ抵抗はエンジン始動時におけるA/Fセンサ30の冷間状態を反映するものであって、補正値FK3は昇温期間にのみ適用されるとよい。
【0061】
図18(d)によれば、バッテリ電源+B〜ヒータ64〜GND間(前記図8参照)のハーネス抵抗に応じた補正値FK4が求められる。ハーネス抵抗≦Dの場合には負の補正値FK4がセットされ、ハーネス抵抗>Dの場合には正の補正値FK4がセットされる。
【0062】
但し、上記図18(a)〜(d)において、各々のしきい値A〜D近傍には補正値を「0」とする領域(不感帯)を設けてもよい。なお本実施の形態では、FK1〜FK4の総和として補正値FKを設定するが、FK1〜FK4のうち少なくとも1つを含む値として補正値FKを設定してもよい。
【0063】
また、学習値FLRNは、ヒータONからセンサ活性までの所要時間に基づく第1学習値FLRN1と、燃料カット時に検出される素子抵抗ズレに基づく第2学習値FLRN2と、定常運転時におけるDUTYズレ量に基づく第3学習値FLRN3とを加算して求められる。
【0064】
FLRN=FLRN1+FLRN2+FLRN3
上記の学習値FLRN1〜FLRN3は、マイコン20内のバックアップメモリ20aに格納され逐次更新されるデータであり、その算出手順については後述する。
【0065】
一方、図13のステップ141がNOであれば(センサ素子部60の昇温中でない場合)、マイコン20はステップ160に進み、後述する図15の手順に従い、素子抵抗ZACを所定値に保持するようフィードバック制御を実施する。すなわち、その時々の素子抵抗ZACとその目標値ZACrefとが一致するようPID制御手法などを用いてヒータ通電のためのデューティ比DUTYを決定する。例えば前記図9の時刻t13以降では、ステップ160による素子抵抗一定(素子温一定)のフィードバック制御が実施される。
【0066】
その後、マイコン20はステップ146に進み、前記決定したデューティ比DUTYに、補正値FKと学習値FLRNとを加算して最終デューティ比Dfnを算出する(Dfn=DUTY+FK+FLRN)。また、マイコン20は、ステップ145で素子温Ts又はその変化速度ΔTsを最大許容値でガードする。そしてその後、デューティ比信号を前記図1のヒータ制御回路25に出力する。
【0067】
次に、図14のルーチン(前記図13のステップ150の処理)を説明すれば、マイコン20は、ステップ151で前回処理時の素子温Tsを前回値「Ts0」、同じく前回処理時の素子温変化速度ΔTsを前回値「ΔTs0」とする。また、マイコン20は、続くステップ152で前記検出した素子抵抗ZAC(図12による検出値)を読み出すと共に、例えば図17の関係に従い、素子抵抗ZACから素子温Tsの今回値を求める。さらに、マイコン20は、ステップ153で素子温の今回値Tsから前回値Ts0を減算して素子温変化速度の今回値ΔTsを算出する(ΔTs=Ts−Ts0)。
【0068】
その後、マイコン20は、ステップ154で下記の数式により比例項Gp,積分項Gi,微分項Gdを算出する。
Gp=Kp・(ΔTsref−ΔTs)
Gi=Gi+Ki・(ΔTsref−ΔTs)
Gd=Kd・(ΔTs0−ΔTs)
但し、上記各式において、「Kp」は比例定数、「Ki」は積分定数、「Kd」は微分定数を表す。
【0069】
そして、マイコン20は、ステップ155で上記比例項Gp,積分項Gi,微分項Gdを加算してデューティ比DUTYを算出し(DUTY=Gp+Gi+Gd)、その後元の図13のルーチンに戻る。
【0070】
また、図15のルーチン(前記図13のステップ160の処理)を説明すれば、マイコン20は、ステップ161で前回処理時の素子抵抗ZACを前回値「ZAC0」とし、続くステップ162で前記検出した素子抵抗ZAC(図12による検出値)を読み出す。またマイコン20は、ステップ163で下記の数式により比例項Gp,積分項Gi,微分項Gdを算出する。
【0071】
Gp=Kp・(ZAC−ZACref)
Gi=Gi+Ki・(ZAC−ZACref)
Gd=Kd・(ZAC−ZAC0)
そして、マイコン20は、ステップ164で上記比例項Gp,積分項Gi,微分項Gdを加算してデューティ比DUTYを算出し(DUTY=Gp+Gi+Gd)、その後元の図13のルーチンに戻る。
【0072】
次に、第1〜第3学習値FLRN1〜FLRN3の算出手順を図19〜図21のフローチャートを用いて説明する。ここで、図19は、第1学習値FLRN1を算出するための第1の学習ルーチンを、図20は、第2学習値FLRN2を算出するための第2の学習ルーチンを、図21は、第3学習値FLRN3を算出するための第3の学習ルーチンをそれぞれ示し、これら各ルーチンはマイコン20により例えば128ms周期で実行される。但し、図19〜図21による学習値の更新は、例えばIGオン後に1回のみ実施されればよい。従って、学習が完了すると、その旨を表すフラグがセットされ、それ以降は同じ処理が実施されないようになっている。
【0073】
最初に図19を説明すると、マイコン20は、先ずステップ201でエンジン10の再始動判定を行う。この再始動判定では、
・エンジン水温が所定温度(例えば35℃)以下であること、
・吸気温が所定温度(例えば20℃)以下であること、
・素子抵抗が所定値(例えば3kΩ)以上であること、
・ヒータ抵抗が所定値(例えば3Ω)以下であること、
といった各種条件を判定する。そして、上記の各種条件が全て成立すれば、エンジン再始動時でないと判断し、上記いずれかの条件が一つでも不成立であれば、エンジン再始動時であると判断する。
【0074】
エンジン再始動時でないことを条件に(ステップ202がYES)、マイコン20はステップ203に進み、A/Fセンサ30の活性化までの所要時間を計測する。この所要時間の計測に際しては、IG=ONに伴いカウントアップされるカウンタを用い、例えば図23に示すように、
・センサ電流の変化量が所定の判定値以上となった時、
・センサ電流の積算値が所定の判定値以上となった時、
・素子抵抗が所定の判定値(例えば1kΩ)以下となった時、
・ヒータ抵抗が所定の判定値(例えば4Ω)以上となった時、
・素子温が所定の判定値(例えば600℃)以上となった時、
・ヒータ温が所定の判定値(例えば650℃)以上となった時、
といった何れかの場合に、センサ活性の旨を判定する。そして、活性化までの所要時間をカウンタ値から検知する。ここで言う活性判定とは、前記図13のヒータ制御での活性判定(図9の時刻t13)とは必ずしも同意ではなく、活性判定の目安となるものであればよい。
【0075】
その後、マイコン20は、ステップ204で例えば図22(a)の関係に従い、活性化までの所要時間に応じて第1学習値FLRN1を設定した後、本ルーチンを終了する。前記設定したFLRN1値はマイコン20内のバックアップメモリ20aに随時記憶される。図22(a)によれば、活性化までの所要時間が所定値A1以上になると、正の学習値FLRN1が設定される。例えばA/Fセンサ30が劣化したりすると活性時間が増大し、上記学習値FLRN1に「0」以上の値がセットされる。
【0076】
次に、図20を説明すると、マイコン20は、先ずステップ301でA/Fセンサ30の活性が完了しているか否かを判別する。また、マイコン20は、ステップ302で今現在、燃料カット(F/C)中であるか否かを判別する。そして、ステップ301,302が共にYESであることを条件に、マイコン20はステップ303に進み、F/C時におけるセンサ内部抵抗Riを検出する。
【0077】
つまり、F/C時であればA/Fが極リーンの状態下にあり、例えば図24に示す特性線L1’を用いて抵抗支配領域の電圧Vfを印加してその時のセンサ電流Ifを検出する。そして、
Ri=Vf/If
としてセンサ内部抵抗Riを検出する。
【0078】
その後、ステップ304では、マイコン20は、前記掃引法にて検出した素子抵抗ZAC(前記図12による検出値)とF/C時に検出したセンサ内部抵抗Riとの差(ZAC−Ri)を算出する。
【0079】
また、マイコン20は、続くステップ305で例えば図22(b)の関係に従い、(ZAC−Ri)に応じて第2学習値FLRN2を設定した後、本ルーチンを終了する。前記設定したFLRN2値はマイコン20内のバックアップメモリ20aに随時記憶される。図22(b)によれば、(ZAC−Ri)の値が「0」付近の「B1〜B2」にある場合、FLRN2=0が設定される。また、(ZAC−Ri)<B1の場合、正の学習値FLRN2が設定され、(ZAC−Ri)>B2の場合、負の学習値FLRN2が設定される。
【0080】
次に、図21を説明すると、マイコン20は、先ずステップ401で今現在、素子温一定(素子抵抗一定)のフィードバック制御が実施されているか否かを判別する。前記図9の時刻t13以降においては、同ステップ401が肯定判別される。また、マイコン20は、ステップ402で今現在、エンジン10が定常運転されているか否かを判別する。さらに、マイコン20は、前記ステップ401,402が共にYESとなる状態が所定時間(例えば5秒間)継続したか否かを判別する(ステップ403)。
【0081】
ステップ403がYESになると、マイコン20はステップ404に進み、所定時間内(5秒間)のヒータ64への通電DUTYから平均DUTYを算出する。さらに、マイコン20は、ステップ405で前記算出した平均DUTYから予め設定されている基準DUTYを減算してDUTYズレ量を算出する(DUTYズレ量=平均DUTY−基準DUTY)。なおここで、基準DUTYとは、素子温一定制御での定常運転時において、素子温Tsを所定温度に保持するために必要な標準的な通電量に相当する。
【0082】
また、マイコン20は、続くステップ406で例えば図22(c)の関係に従い、DUTYズレ量に応じて第3学習値FLRN3を設定した後、本ルーチンを終了する。前記設定したFLRN3値はマイコン20内のバックアップメモリ20aに随時記憶される。図22(c)によれば、DUTYズレ量が「0」付近の「C1〜C2」にある場合、FLRN3=0が設定される。また、DUTYズレ量<C1の場合、負の学習値FLRN3が設定され、DUTYズレ量>C2の場合、正の学習値FLRN3が設定される。
【0083】
上記の如く算出された学習値FLRN1〜FLRN3は、既述の図13のステップ144,146において、最終デューティ比Dfnの算出(DUTY補正)に適宜採用される。
【0084】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
(a)本実施の形態では、第1〜第3学習値FLRN1〜FLRN3を求め、当該学習値によりヒータ通電量を補正することとした。すなわち、
・A/Fセンサ30の冷間状態から活性化までの所要時間に応じた第1学習値FLRN1と、
・燃料カット時に検出したセンサ内部抵抗Riと、掃引法により検出した素子抵抗ZACとを比較し、それらの値のズレ量(ZAC−Ri)に応じた第2学習値FLRN2と、
・エンジンの定常運転時における通電DUTYと、予め設定されている通電DUTYの標準値との差に応じた第3学習値FLRN3と、
によりヒータ通電量を補正するようにした。
【0085】
上記構成によれば、A/Fセンサ30の個体差や経時変化を考慮したヒータ64の通電制御が可能となり、その制御精度が向上する。要するに、例えばA/Fセンサ30が劣化すると、劣化前と劣化後とでは、同一のヒータ通電量であっても素子温(固体電解質の温度)が変動する。これに対し、本実施の形態では素子温の予期せぬ変動が抑制できる。その結果、ヒータ64の通電を精度良く制御し、A/Fセンサ30の検出精度や耐久性を向上させることができる。
【0086】
(b)上記学習値FLRN1〜FLRN3をバックアップメモリ20aに随時記憶すると共に、その値を必要に応じて更新するようにした。これにより、学習値FLRN1〜FLRN3の演算が必要時だけで済み、効率的で且つ適切なヒータ制御が実施できる。
【0087】
(c)また、補正値FK1〜FK4を求め、当該補正値によりヒータ通電量を補正することとした。すなわち、
・バッテリ電源+Bの電圧値に応じた補正値FK1と、
・排気温に応じた補正値FK2と、
・エンジン始動時の初期ヒータ抵抗に応じた補正値FK3と、
・+B〜ヒータ64〜GND間のハーネス抵抗に応じた補正値FK4と、
によりヒータ通電量を補正するようにした。これにより、エンジン10の運転条件が逐次変化する場合にも、そのエンジン運転条件に応じた適切なヒータ制御が継続できる。結果として、ヒータ通電の制御精度がより一層向上する。
【0088】
(d)本実施の形態では、素子温変化速度ΔTs(センサ素子の昇温率)に応じてヒータ通電量をデューティ制御するようにした。上記構成によれば、例えばA/Fセンサ30の冷間状態からの昇温時において、センサ素子部60の過剰なる昇温が抑制できると共に、センサ素子部60の迅速なる活性化が実現できる。その結果、A/Fセンサ30の昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れ、ヒータ割れ、ヒータ接合面の剥離などの不具合が抑制できる。
【0089】
(e)センサ冷間状態からの昇温時には、その当初において素子温変化速度ΔTsをオープン制御することとした。これにより、素子抵抗ZACが検出可能になるまでの始動直後の期間においても、素子温変化速度ΔTsが適切に制御できる。
【0090】
(f)特に固体電解質61にヒータ64を積層して一体化した、いわゆる積層型センサの場合、固体電解質61とヒータ64とが近接して設けられるため、素子割れやヒータ割れなどの問題が生じやすいが、上記構成によれば当該問題が確実に抑制できる。また、ヒータ64の通電制御が悪化すると、それが検出精度や素子の耐久性に直接的に影響を及ぼすが、上記構成によれば当該問題が確実に抑制できる。
【0091】
(g)素子温Ts又はその変化速度ΔTsを所定の最大許容値でガードすることとした。これにより、センサ素子部60の過剰な加熱がより一層確実に防止できる。
【0092】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて実現できる。
上記実施の形態では、A/Fセンサ30の昇温時において、素子温変化速度ΔTsに応じてヒータ通電量を制御したが、これを変更する。例えば素子温Tsとヒータ温Thとの差(温度差ΔThs)に応じてヒータ通電量を制御する。或いは、ヒータ抵抗Rh(ヒータ温Thでも可)の変化速度に応じてヒータ通電量を制御する。これら何れの場合にも、A/Fセンサ30の昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合が抑制できる、といった既述の効果が得られる。
【0093】
A/Fセンサの構成を変更する。上記実施の形態では、図3に説明したように、ガス拡散抵抗層62をガス透過層62aとガス遮蔽層62bとの二層で構成したが、このうちガス遮蔽層62bを省略した構成としてもよい。また、上記実施の形態では、積層型A/Fセンサに具体化したが、コップ型A/Fセンサに具体化してもよい。
【0094】
上記実施の形態では、酸素濃度(空燃比)に応じたリニアな限界電流値を出力するA/Fセンサに本発明を具体化したが、これを変更する。例えば空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる電圧信号を出力するO2 センサに具体化してもよい。また、排ガス中のNOx 濃度を検出するNOx センサや、NOx ,HC,O2 などの各種成分を検出する、いわゆる複合型センサに具体化してもよい。またさらに、排ガス以外のガス成分濃度を測定する装置にも適用できる。
【0095】
上記実施の形態では、各種のフィードバック制御の実施に際し、PID制御を実施したが、PI制御やP制御など他の制御に変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す全体構成図。
【図2】A/Fセンサの全体構成を示す断面図。
【図3】センサ素子部の断面図。
【図4】センサ素子部を構成する各部材の分解斜視図。
【図5】A/Fセンサの電圧−電流特性図。
【図6】A/Fセンサの限界電流値と空燃比との関係を示すグラフ。
【図7】バイアス制御回路の詳細な構成を示す電気回路図。
【図8】ヒータ制御回路の詳細な構成を示す電気回路図。
【図9】空燃比検出装置の動作説明のためのタイムチャート。
【図10】空燃比検出装置内のマイコンによるメインルーチンを示すフローチャート。
【図11】A/Fの検出手順を示すフローチャート。
【図12】素子抵抗ZACの検出手順を示すフローチャート。
【図13】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図14】素子温変化速度ΔTsのフィードバック制御手順を示すフローチャート。
【図15】素子抵抗ZACのフィードバック制御手順を示すフローチャート。
【図16】素子抵抗ZACの検出時におけるセンサ電圧とセンサ電流とを示す波形図。
【図17】素子抵抗と素子温との関係を示すグラフ。
【図18】補正値FK1〜FK4を求めるための図。
【図19】第1の学習ルーチンを示すフローチャート。
【図20】第2の学習ルーチンを示すフローチャート。
【図21】第3の学習ルーチンを示すフローチャート。
【図22】学習値FLRN1〜FLRN3を求めるための図。
【図23】活性判定の様子を示すタイムチャート。
【図24】F/C時の印加電圧Vfとセンサ電流Ifとを示す図。
【符号の説明】
10…エンジン、15…空燃比検出装置、20…マイコン(マイクロコンピュータ)、20a…バックアップメモリ、25…ヒータ制御回路、30…A/Fセンサ(限界電流式空燃比センサ)、40…バイアス制御回路、50…電流検出回路、60…センサ素子部、61…固体電解質、64…ヒータ、64a…発熱体、+B…バッテリ電源。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas component concentration measuring apparatus, and more particularly to a gas component concentration measuring apparatus for detecting an oxygen concentration in a gas to be measured such as exhaust gas discharged from an engine.
[0002]
[Prior art]
For example, in an automobile engine, air-fuel ratio control is generally performed based on the detection result of oxygen concentration (air-fuel ratio) by an oxygen concentration sensor. Such an oxygen concentration sensor has a solid electrolyte made of zirconia, and in order to accurately detect the oxygen concentration (air-fuel ratio) with this solid electrolyte, it is necessary to maintain the temperature of the sensor element (solid electrolyte) at a predetermined activation temperature. . Normally, a heater is attached to the sensor to control the energization amount of the heater. As such a heater control method, for example, a feedback control of the temperature of the sensor element to a predetermined activation temperature is known.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, in recent years, from the viewpoint of environmental conservation, for example, regulations regarding exhaust gas components of engines tend to become stronger, and there is a demand for improving the detection accuracy and durability of the oxygen concentration sensor. However, the conventional technology described above causes a problem that the accuracy of gas concentration detection by the sensor deteriorates due to, for example, individual differences in sensors or changes with time. This problem is caused by excessive or insufficient heater heat generation necessary for maintaining the sensor active state. That is, if the amount of heat generated by the heater is too small, the desired sensor activation state cannot be maintained, and the sensor detection accuracy deteriorates. Moreover, if the amount of heat generated by the heater is too large, there is a problem that the sensor element and the heater are rapidly deteriorated.
[0004]
The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to accurately control the heater by controlling the heater accurately in an apparatus that maintains the sensor active state by the heat generated by the heater. It is to provide a gas component concentration measuring device capable of improving the property.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 has a sensor element using a solid electrolyte, Through the sensor element A sensor for measuring the concentration of a specific component of the gas to be measured and a power supply From By energizing Ru Fever Heating the sensor element through And a heater to A command value for the energization amount to the heater is calculated to heat the sensor element to a predetermined activation temperature, and the heater is energized according to the command value for the energization amount. The sensor element by Said In a gas component concentration measurement device that heats to a predetermined activation temperature, during steady operation of the engine The heater was energized according to the command value of the energization amount Heater energization amount, To maintain the sensor element at a constant temperature during steady engine operation Depending on the difference from the preset standard value of heater energization Command value of the energization amount Correct.
[0006]
According to the above configuration, it is possible to perform energization control of the heater in consideration of individual differences of sensors and changes with time, and the control accuracy is improved. In short, when the sensor deteriorates, for example, the element temperature (the temperature of the solid electrolyte) fluctuates before and after the deterioration even with the same heater energization amount. On the other hand, in the present invention, unexpected fluctuations in the element temperature can be suppressed. As a result, in a device that maintains the sensor active state by heat generation of the heater, the heater can be accurately controlled to improve the detection accuracy and durability of the sensor.
[0011]
Claim 2 In the invention described above, the value related to the correction is stored as a learning value in a backup memory as needed, and the learning value stored in the backup memory is read out and used during energization control of the heater. In short, the above claims 1 The required correction information can be a necessary element at the time of heater control regardless of engine operating conditions, for example. Accordingly, the learning value is stored in the backup memory as needed, and the value is updated as necessary, so that the learning value only needs to be calculated, and efficient and appropriate heater control can be performed.
[0012]
On the other hand, as shown in claims 3 to 5 below, the control accuracy of the heater is further improved by performing correction according to various conditions surrounding the gas component concentration measuring apparatus. That is, in the invention according to claim 3, according to the voltage value of the power source. Command value of the energization amount Correct.
-In invention of Claim 4, the temperature of to-be-measured gas is detected and according to this detected gas temperature Command value of the energization amount Correct.
-In invention of Claim 5, when heating up the said sensor element from a cold state, according to the sensor activity condition of the temperature rising initial stage Command value of the energization amount Correct.
[0013]
Claims above 3 Accordingly, even if the power supply voltage fluctuates, the power supply amount to the heater can be kept constant, and inadvertent element temperature fluctuations can be suppressed. In addition, the above claims 4 According to the above, when the gas temperature is high and heating by the heater is not necessary, the heater energization amount is corrected to the decrease side, and when the gas temperature is low and heating by the heater is greatly required, the heater energization amount is corrected to the increase side. Thereby, excessive and insufficient heater energization can be prevented. And claims 5 According to the above, when the solid electrolyte is warmed from the beginning of the temperature rise of the sensor (from the start of operation), it is possible to prevent the heater from being energized.
[0014]
Where: 4 The temperature of the gas to be measured corresponds to, for example, the exhaust gas temperature of the engine, and 5 The sensor activation state at the beginning of the temperature rise corresponds to, for example, the initial heater resistance at the start of the engine.
[0015]
Claims 6 In the present invention, the sensor is formed by stacking a heater on a sensor element having a solid electrolyte, and integrating the solid electrolyte and the heater. That is, in such a stacked sensor, since the solid electrolyte and the heater are provided close to each other, if the energization control of the heater deteriorates, it directly affects the detection accuracy and the durability of the element. The problem can be reliably suppressed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The air-fuel ratio detection apparatus in the present embodiment is applied to an electronically controlled gasoline injection engine mounted on an automobile. In the air-fuel ratio control system of the engine, the engine is based on the detection result by the air-fuel ratio detection apparatus. The fuel injection amount to the desired air-fuel ratio is controlled. In the following description, the procedure for detecting the air-fuel ratio (A / F) using the air-fuel ratio sensor and the energization control procedure for the heater attached to the sensor will be described in detail.
[0017]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of an air-fuel ratio control system in the present embodiment. In FIG. 1, an air-fuel ratio detection device 15 includes a microcomputer (hereinafter referred to as a microcomputer) 20 that forms the center of its internal calculation. The microcomputer 20 controls an engine control ECU 16 for realizing fuel injection control, ignition control, and the like. So that they can communicate with each other. A limit current air-fuel ratio sensor (hereinafter referred to as an A / F sensor) 30 is attached to an exhaust pipe 12 extending from the engine body 11 of the engine 10, and in response to application of a voltage commanded from the microcomputer 20, A linear air-fuel ratio detection signal (sensor current signal) proportional to the oxygen concentration is output.
[0018]
The microcomputer 20 is configured by a well-known CPU, ROM, RAM, and the like for executing various arithmetic processes, and controls a bias control circuit 40 and a heater control circuit 25 described later according to a predetermined control program. The microcomputer 20 is activated upon receiving power from the battery power source + B, and a backup memory 20a is provided in the microcomputer 20 for holding stored contents even when the power is shut off (when IG = OFF).
[0019]
The A / F sensor 30 has a laminated sensor element portion (cell) 60, and the configuration thereof will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the A / F sensor 30, FIG. 3 is a cross-sectional view of the sensor element unit 60 constituting the A / F sensor 30, and FIG. 4 is a detail of the sensor element unit 60. It is a disassembled perspective view which shows a structure.
[0020]
As shown in FIG. 2, the A / F sensor 30 has a cylindrical metal housing 31 that is screwed onto the exhaust pipe wall, and an element cover 32 is attached to the lower opening of the housing 31. Yes. In the element cover 32, the tip (lower end) of the long plate-like sensor element unit 60 is disposed. The element cover 32 has a bottomed double structure and has a plurality of exhaust ports 32a for taking exhaust gas into the cover.
[0021]
The sensor element portion 60 extends upward in the figure so as to penetrate the insulating member 33 disposed in the housing 31, and a pair of lead wires 34 are connected to the upper end portion thereof. A main body cover 35 is caulked to the upper end of the housing 31. A dust cover 36 is attached above the main body cover 35, and the upper part of the sensor is protected by a double structure of the main body cover 35 and the dust cover 36. Each of the covers 35 and 36 is provided with a plurality of atmospheric ports 35a and 36a for taking the atmosphere into the cover.
[0022]
Next, the configuration of the sensor element unit 60 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. The sensor element section 60 is roughly divided into a solid electrolyte 61, a gas diffusion resistance layer 62, an air introduction duct 63, and a heater 64, and these members are laminated. A protective layer 65 is provided around each member.
[0023]
The rectangular plate-shaped solid electrolyte 61 is a partially stabilized zirconia sheet, and a porous measuring electrode 66 made of platinum or the like is formed on the upper surface (gas diffusion resistance layer 62 side) by a screen printing method or the like. On the lower surface (atmosphere introduction duct 63 side), a porous atmosphere side electrode 67 made of platinum or the like is formed by screen printing or the like. Lead wires 66 a and 67 a are connected to the measurement electrode 66 and the atmosphere-side electrode 67.
[0024]
The gas diffusion resistance layer 62 includes a gas permeable layer 62a made of a porous sheet for introducing the exhaust gas into the measurement electrode 66, and a gas shielding layer 62b made of a dense layer for suppressing the permeation of the exhaust gas. Both the gas permeable layer 62a and the gas shielding layer 62b are formed by molding a ceramic such as alumina, spinel, zirconia or the like by a sheet forming method or the like, but the gas permeability is different depending on the difference in the average pore diameter and porosity of the porosity. It has become a thing.
[0025]
The air introduction duct 63 is made of high thermal conductive ceramics such as alumina, and an air chamber 68 is formed by the duct 63. The atmosphere introduction duct 63 serves to introduce the atmosphere to the atmosphere side electrode 67 in the atmosphere chamber 68. Incidentally, the atmospheric chamber 68 communicates with the atmospheric ports 35a and 36a of the covers 35 and 36 shown in FIG.
[0026]
A heater 64 is attached to the lower surface of the air introduction duct 63. The heater 64 includes a heating element 64a that generates heat when energized from the battery power source + B and an insulating sheet 64b that covers the heating element 64a. Lead wires 64c are connected to both ends of the heating element 64a. However, in addition to the configuration of FIG. 3, a configuration in which the heating element 64 a is embedded in the solid electrolyte 61 or the heating element 64 a is embedded in the gas diffusion resistance layer 62 is also possible.
[0027]
In the sensor element portion 60, the exhaust gas reaching the measurement electrode 66 does not enter from the vertical direction (the vertical direction in the drawing) of the gas permeable layer 62a, but enters from the side of the gas permeable layer 62a. That is, since the surface of the gas permeable layer 62a is covered with the gas shielding layer 62b, the exhaust gas cannot enter from the vertical direction and enters the inside of the permeable layer 62a from the side surface direction orthogonal to the direction. In this case, the gas diffusion amount of the gas permeable layer 62a depends on the dimension in the left-right direction of the permeable layer 62a (actually, the distance between the side surface of the gas permeable layer 62a and the measurement electrode 66), but this dimension is easy. Therefore, even if the hole diameter of the gas permeable layer 62a varies, a uniform and stable sensor output can be obtained.
[0028]
In the A / F sensor 30 having the above configuration, the sensor element unit 60 generates a limit current corresponding to the oxygen concentration in the lean region from the theoretical air-fuel ratio point. In this case, the sensor element unit 60 (solid electrolyte 61) can detect the oxygen concentration with a linear characteristic, but a high temperature of about 600 ° C. or higher is required to activate the sensor element unit 60, Moreover, since the active temperature range of the sensor element unit 60 is narrow, the active state cannot be maintained by heating only with the exhaust gas of the engine 10. Therefore, in the present embodiment, the sensor element unit 60 is held in the active temperature range by the heating control of the heater 64 (the heating element 64a). Note that, in the region on the richer side than the stoichiometric air-fuel ratio, the concentration of unburned gas such as carbon monoxide (CO) changes almost linearly with respect to the air-fuel ratio, and the sensor element unit 60 responds to the concentration of CO or the like. Generates a limiting current.
[0029]
The voltage-current characteristics of the A / F sensor 30 will be described with reference to FIG. As can be seen from FIG. 5, the inflow current to the solid electrolyte 61 of the sensor element unit 60 and the applied voltage to the solid electrolyte 61 have linear characteristics. In this case, the linear portion parallel to the voltage axis (horizontal axis) specifies the limit current of the sensor element unit 60, and the increase / decrease of the limit current (sensor current) is the increase / decrease of A / F (ie, lean Rich degree). That is, the limit current increases as A / F becomes leaner, and the limit current decreases as A / F becomes richer.
[0030]
In this voltage-current characteristic, a voltage region smaller than the linear portion parallel to the voltage axis is a resistance dominant region, and the slope of the primary linear portion in the resistance dominant region is the internal resistance of the solid electrolyte 61 in the sensor element portion 60. (This is called element resistance). This element resistance changes with a change in temperature. For example, when the temperature of the sensor element unit 60 decreases, the inclination decreases due to an increase in element resistance.
[0031]
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the limiting current value on the horizontal axis and the A / F corresponding to the limiting current value on the vertical axis.
As an example, if specific values of the heat resistance characteristics of the A / F sensor 30 are shown,
-Element heat resistance temperature = 900-950 ° C,
-Heater heat resistance temperature = 1000-1100 ° C,
-Maximum value of element temperature change rate = 150 to 200 ° C / s,
・ Maximum heater temperature change rate = 200 ° C / s,
-Maximum value of temperature difference between element and heater = 200 ° C,
It has become.
[0032]
On the other hand, in FIG. 1, a bias command signal (digital signal) Vr for applying a voltage to the A / F sensor 30 (sensor element unit 60) is input from the microcomputer 20 to the D / A converter 21, and the D / A After being converted to an analog signal Vb by the A converter 21, it is input to an LPF (low-pass filter) 22. The output voltage Vc from which the high-frequency component of the analog signal Vb has been removed by the LPF 22 is input to a bias control circuit 40 for applying a voltage for A / F detection or element resistance detection to the A / F sensor 30. The At the time of A / F detection, the applied voltage Vp corresponding to the A / F at that time is set using the characteristic line L1 of FIG. 5, whereas at the time of element resistance detection, it is a single and predetermined frequency signal. A voltage having a time constant of is applied.
[0033]
The current detection circuit 50 in the bias control circuit 40 detects a current value that flows as a voltage is applied to the A / F sensor 30. An analog signal having a current value detected by the current detection circuit 50 is input to the microcomputer 20 via the A / D converter 23. The operation of the heater 64 (heating element 64a) attached to the A / F sensor 30 is controlled by the heater control circuit 25. That is, the heater control circuit 25 controls the heating of the heater 64 by duty-controlling the energization amount to the heater 64 according to the element temperature of the A / F sensor 30 and the heater temperature.
[0034]
Further, an exhaust gas temperature sensor 13 for detecting the exhaust gas temperature is attached to the engine exhaust pipe 12, and the output of the sensor 13 is input to the microcomputer 20 via the A / D converter 24.
[0035]
Next, the configuration of the bias control circuit 40 will be described with reference to the electric circuit diagram of FIG. In FIG. 7, the bias control circuit 40 is roughly divided into a reference voltage circuit 44, a first voltage supply circuit 45, a second voltage supply circuit 47, and a current detection circuit 50. The reference voltage circuit 44 divides the constant voltage Vcc by the voltage dividing resistors 44a and 44b to generate a constant reference voltage Va.
[0036]
The first voltage supply circuit 45 is configured by a voltage follower circuit, and the same voltage Va as the reference voltage Va of the reference voltage circuit 44 is connected to one terminal 42 of the sensor element section 60 (the atmosphere side electrode 67 of FIG. 3). Terminal). More specifically, in the first voltage supply circuit 45, the positive input terminal is connected to the voltage dividing point of each of the voltage dividing resistors 44 a and 44 b and the negative input terminal is one terminal 42 of the sensor element unit 60. The operational amplifier 45a is connected to the output terminal of the operational amplifier 45a. The resistor 45b has one end connected to the output terminal of the operational amplifier 45a. The other end of the resistor 45b has an NPN transistor 45c and a PNP transistor 45d. The collector of the NPN transistor 45 c is connected to the constant voltage Vcc, and the emitter is connected to one terminal 42 of the sensor element unit 60 via the current detection resistor 50 a constituting the current detection circuit 50. The emitter of the PNP transistor 45d is connected to the emitter of the NPN transistor 45c, and the collector is grounded.
[0037]
Similarly, the second voltage supply circuit 47 is configured by a voltage follower circuit, and the same voltage Vc as the output voltage Vc of the LPF 22 is connected to the other terminal 41 of the sensor element section 60 (the measurement electrode 66 of FIG. 3). Terminal). More specifically, the second voltage supply circuit 47 includes an operational amplifier 47 a having a positive input terminal connected to the output of the LPF 22 and a negative input terminal connected to the other terminal 41 of the sensor element unit 60. A resistor 47b having one end connected to the output terminal of the operational amplifier 47a, and an NPN transistor 47c and a PNP transistor 47d each having a base connected to the other end of the resistor 47b. The collector of the NPN transistor 47c is connected to the constant voltage Vcc, and the emitter is connected to the other terminal 41 of the sensor element unit 60 via the resistor 47e. The emitter of the PNP transistor 47d is connected to the emitter of the NPN transistor 47c, and the collector is grounded.
[0038]
With the above configuration, the constant voltage Va is always supplied to one terminal 42 of the sensor element unit 60. When the voltage Vc lower than the constant voltage Va is supplied to the other terminal 41 of the sensor element unit 60 via the LPF 22, the sensor element unit 60 is positively biased. Further, when the voltage Vc higher than the constant voltage Va is supplied to the other terminal 41 of the sensor element unit 60 via the LPF 22, the sensor element unit 60 is negatively biased.
[0039]
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of the heater control circuit 25.
In FIG. 8, one end of the heater 64 (heating element 64a) is connected to the battery power source + B, and the other end is connected to the collector of the transistor 25a constituting the switching element. The emitter of the transistor 25a is grounded via a heater current detection resistor 25b. The heater voltage Vh is detected by a potential difference between both ends of the heater 64, and the detection result is input to the microcomputer 20 via the operational amplifier 25c and the A / D converter 26. The heater current Ih is detected by the potential difference between both ends of the heater current detection resistor 25b, and the detection result is input to the microcomputer 20 via the operational amplifier 25d and the A / D converter 27.
[0040]
Next, the operation of the air-fuel ratio detection device 15 configured as described above will be described.
First, an outline of the operation of the present apparatus will be described with reference to the time chart of FIG. FIG. 9 shows a process in which the temperature of the A / F sensor 30 is raised from the cold state when the engine 10 is started at a low temperature. Note that the element resistance ZAC at the beginning of heater energization (initially at the start of the engine) has a very high value and cannot be detected.
[0041]
When the ignition key (IG key) is turned on at time t11, open control of the element temperature change rate ΔTs is started. The element temperature change rate ΔTs is given as a temperature change amount per unit time (in this embodiment, every 128 ms). At this time, the energization duty is determined using a preset map so that the element temperature change rate ΔTs is substantially constant. That is, the energization duty of the heater 64 gradually increases with time, and the element temperature Ts (solid electrolyte temperature) gradually increases with this.
[0042]
At time t12 when the element resistance ZAC falls below a predetermined value (3 kΩ in the present embodiment) during the temperature increase, the heater control is switched from the open control of the element temperature change rate ΔTs to the feedback control of the element temperature change rate ΔTs. It is done. That is, from time t12 to t13, the heater energization amount (energization duty) is determined by feedback-controlling the element temperature change rate ΔTs to the target value.
[0043]
Thereafter, at time t13 when the element resistance ZAC decreases to the activation completion determination value (120Ω in the present embodiment), a series of control of the element temperature change rate ΔTs is terminated, and instead, the element temperature is constant. Feedback control is started. That is, after time t13, the heater energization amount (energization duty) is determined by feedback controlling the element temperature Ts to a predetermined target temperature (700 ° C.). However, since the feedback control of “constant element temperature” and the feedback control of “constant element resistance” are substantially the same, in this embodiment, feedback control with constant element resistance is performed ( The element resistance ZAC is fed back to the target value).
[0044]
FIG. 10 is a flowchart showing an outline of a main routine executed by the microcomputer 20, and this routine is started when the microcomputer 20 is powered on.
In FIG. 10, the microcomputer 20 first determines in step 100 whether or not a predetermined time Ta has elapsed since the previous A / F detection. The predetermined time Ta is a time corresponding to the detection cycle of A / F, and is set to about Ta = 4 ms, for example. If the predetermined time Ta has elapsed since the previous A / F detection (YES in step 100), the microcomputer 20 proceeds to step 110, and performs an A / F (air-fuel ratio) detection process according to FIG. To do. If step 100 is NO, the microcomputer 20 once ends this routine.
[0045]
Here, the A / F detection routine of FIG. 11 will be described. First, the microcomputer 20 applies the voltage Vp to the sensor element section 60 of the A / F sensor 30 in step 111. The applied voltage Vp is set, for example, as a value on the characteristic line L1 in FIG. 5 according to the air-fuel ratio (limit current value Ip) at that time.
[0046]
Thereafter, the microcomputer 20 reads in step 112 the current value flowing through the sensor element unit 60 when the voltage Vp is applied, that is, the limit current value (sensor current) Ip detected by the current detection circuit 50. Further, in step 113, the microcomputer 20 converts the limit current value Ip at that time into A / F using the limit current value-A / F map shown in FIG. Further, the microcomputer 20 outputs the A / F obtained as described above in step 114 to the engine control ECU 16, and then returns to the original routine of FIG.
[0047]
After detecting A / F, the microcomputer 20 determines whether or not a predetermined time Tb has elapsed since the previous element resistance detection in step 120 of FIG. The predetermined time Tb is a time corresponding to the detection cycle of the element resistance ZAC, and is selectively set according to, for example, the engine operating state. In the present embodiment, Tb = 2 s (seconds) during normal times when the A / F change is relatively small (during steady operation of the engine 10), and during sudden changes in A / F (when the engine 10 starts or during transient operation). The predetermined time Tb is variably set such that Tb = 128 ms (milliseconds).
[0048]
If step 120 is YES, the microcomputer 20 detects the element resistance ZAC in step 130 and performs energization control of the heater 64 in subsequent step 140. The processes of steps 130 and 140 are performed according to FIGS. If the above step 120 is NO, the microcomputer 20 terminates this routine once as it is.
[0049]
Next, the detection procedure of the element resistance ZAC in step 130 of FIG. 10 will be described with reference to FIG. In the present embodiment, when detecting the element resistance, the “AC element resistance” is obtained by using the sweep method.
[0050]
In FIG. 12, the microcomputer 20 first operates the bias command signal Vr in step 131, and changes the voltage to the positive side in a single manner with respect to the applied voltage Vp (A / F detection voltage) so far. The voltage application time for detecting the element resistance is about several tens to 100 μs. Thereafter, the microcomputer 20 reads the voltage change amount ΔV at that time and the sensor current change amount ΔI detected by the current detection circuit 50 in step 132. In step 133, the microcomputer 20 calculates the element resistance ZAC from the ΔV and ΔI (ZAC = ΔV / ΔI), and then returns to the original routine of FIG.
[0051]
According to the above processing, a voltage having a predetermined time constant is applied to the A / F sensor 30 through the LPF 22 and the bias control circuit 40 of FIG. As a result, as shown in FIG. 16, the peak current ΔI (current change amount) is detected after elapse of time t from the application of the voltage, and the element resistance ZAC is detected from the voltage change amount ΔV and the peak current ΔI at that time. (ZAC = ΔV / ΔI). In such a case, by applying a single voltage to the A / F sensor 30 via the LPF 22, the generation of an excessive peak current is suppressed, and the detection accuracy of the element resistance ZAC is improved.
[0052]
The element resistance ZAC obtained as described above has the relationship shown in FIG. 17 with respect to the element temperature Ts. That is, the lower the element temperature Ts, the greater the element resistance ZAC. Incidentally, the activation temperature (about 700 ° C.) of the A / F sensor 30 corresponds to the element resistance ZAC≈90Ω.
[0053]
Next, the heater energization control procedure in step 140 of FIG. 10 will be described with reference to FIG.
First, in step 141, the microcomputer 20 determines whether or not the sensor element unit 60 is currently in the process of being heated. For example, when the temperature of the sensor element unit 60 is high, such as when the engine 10 is started at a low temperature (YES in step 141), the microcomputer 20 determines that the element resistance ZAC detected in step 142 is a predetermined value during the temperature increase (this embodiment). In this embodiment, it is determined whether or not 3 kΩ is reached. At the beginning of the engine 10 at a low temperature, the element resistance ZAC has a considerably large value, and the microcomputer 20 determines that ZAC> 3 kΩ and proceeds to step 143.
[0054]
In step 143, the microcomputer 20 performs open control of the element temperature change rate ΔTs. Specifically, a duty set for energizing the heater is used so that the element temperature Ts changes with a predetermined profile according to the elapsed time from the engine start using a map set in advance in the nonvolatile memory in the microcomputer 20. The ratio DUTY is determined. For example, at time t11 to t12 in FIG. 9, open control of the element temperature change rate ΔTs in step 143 is performed.
[0055]
If ZAC ≦ 3 kΩ, the microcomputer 20 proceeds to step 150 and feedback-controls the element temperature change rate ΔTs to a predetermined value according to the procedure of FIG. That is, the duty ratio DUTY for energizing the heater is determined using a PID control method or the like so that the element temperature change rate ΔTs at that time coincides with the target value ΔTsref of the same speed. For example, feedback control of the element temperature change rate ΔTs in step 150 is performed from time t12 to t13 in FIG.
[0056]
After determining DUTY in step 143 or 150, the microcomputer 20 proceeds to step 144 and corrects the determined duty ratio DUTY to calculate the final duty ratio Dfn. Specifically, using a correction value FK according to the voltage of the battery power source + B, the exhaust temperature, etc., and a learning value FLRN according to sensor individual differences and changes over time,
Dfn = DUTY + FK + FLRN
As a result, the final duty ratio Dfn is calculated. In step 145, the microcomputer 20 guards the element temperature Ts or its change rate ΔTs with the maximum allowable value. Thereafter, a duty ratio signal for energizing the heater is output to the heater control circuit 25 shown in FIG.
[0057]
In step 145, when the heater is energized at the calculated final duty ratio Dfn, the element temperature Ts is the maximum allowable value “900 ° C.” or the element temperature change rate ΔTs is the maximum allowable value “150”. It is judged whether or not “° C./s” is exceeded. When it is assumed that these maximum allowable values are exceeded, the energization duty is restricted to “0” or a value (about 0.1 to 1%) at which the element temperature is surely lowered. However, this duty ratio may be set according to the conversion speed of the A / D converter.
[0058]
Here, the correction value FK will be described. The correction value FK is obtained, for example, by adding various correction values FK1 to FK4 based on the relationships of FIGS.
FK = FK1 + FK2 + FK3 + FK4
According to FIG. 18A, the correction value FK1 corresponding to the voltage value of the battery power supply + B is obtained. A positive correction value FK1 is set when battery voltage ≦ A (for example, rated voltage 12 volts), and a negative correction value FK1 is set when battery voltage> A.
[0059]
According to FIG. 18B, a correction value FK2 corresponding to the exhaust temperature detected by the exhaust temperature sensor 13 is obtained. When the exhaust gas temperature ≦ B, the positive correction value FK2 is set. When the exhaust gas temperature> B, the negative correction value FK2 is set.
[0060]
According to FIG. 18C, the correction value FK3 corresponding to the initial heater resistance at the time of engine start is obtained. A positive correction value FK3 is set when the initial heater resistance ≦ C, and a negative correction value FK3 is set when the initial heater resistance> C. In this case, the initial heater resistance reflects the cold state of the A / F sensor 30 when the engine is started, and the correction value FK3 is preferably applied only during the temperature raising period.
[0061]
According to FIG. 18D, the correction value FK4 corresponding to the harness resistance between the battery power source + B and the heater 64 to GND (see FIG. 8) is obtained. A negative correction value FK4 is set when harness resistance ≦ D, and a positive correction value FK4 is set when harness resistance> D.
[0062]
However, in FIGS. 18A to 18D, a region (dead zone) where the correction value is “0” may be provided in the vicinity of each of the threshold values A to D. In the present embodiment, the correction value FK is set as the sum of FK1 to FK4. However, the correction value FK may be set as a value including at least one of FK1 to FK4.
[0063]
Further, the learning value FLRN includes a first learning value FLRN1 based on a required time from heater ON to sensor activation, a second learning value FLRN2 based on an element resistance deviation detected at the time of fuel cut, and a DUTY deviation amount during steady operation. Is obtained by adding the third learning value FLRN3 based on.
[0064]
FLRN = FLRN1 + FLRN2 + FLRN3
The learning values FLRN1 to FLRN3 are data that are stored in the backup memory 20a in the microcomputer 20 and sequentially updated, and the calculation procedure will be described later.
[0065]
On the other hand, if step 141 in FIG. 13 is NO (when the temperature of the sensor element unit 60 is not rising), the microcomputer 20 proceeds to step 160 and maintains the element resistance ZAC at a predetermined value according to the procedure of FIG. Implement feedback control. That is, the duty ratio DUTY for energizing the heater is determined using a PID control method or the like so that the element resistance ZAC at that time coincides with the target value ZACref. For example, after time t13 in FIG. 9, feedback control with constant element resistance (constant element temperature) in step 160 is performed.
[0066]
Thereafter, the microcomputer 20 proceeds to step 146 and adds the correction value FK and the learned value FLRN to the determined duty ratio DUTY to calculate the final duty ratio Dfn (Dfn = DUTY + FK + FLRN). In step 145, the microcomputer 20 guards the element temperature Ts or its change rate ΔTs with the maximum allowable value. Thereafter, the duty ratio signal is output to the heater control circuit 25 of FIG.
[0067]
Next, the routine of FIG. 14 (the process of step 150 of FIG. 13) will be described. In step 151, the microcomputer 20 sets the element temperature Ts at the previous process to the previous value “Ts0”, and the element temperature at the previous process. The change rate ΔTs is set to the previous value “ΔTs0”. Further, the microcomputer 20 reads the detected element resistance ZAC (detected value according to FIG. 12) in the subsequent step 152, and obtains the current value of the element temperature Ts from the element resistance ZAC, for example, according to the relationship of FIG. Further, in Step 153, the microcomputer 20 subtracts the previous value Ts0 from the current value Ts of the element temperature to calculate the current value ΔTs of the element temperature change rate (ΔTs = Ts−Ts0).
[0068]
Thereafter, in step 154, the microcomputer 20 calculates the proportional term Gp, the integral term Gi, and the differential term Gd by the following mathematical formulas.
Gp = Kp · (ΔTsref−ΔTs)
Gi = Gi + Ki · (ΔTsref−ΔTs)
Gd = Kd · (ΔTs0−ΔTs)
In the above equations, “Kp” represents a proportional constant, “Ki” represents an integral constant, and “Kd” represents a differential constant.
[0069]
In step 155, the microcomputer 20 adds the proportional term Gp, integral term Gi, and differential term Gd to calculate the duty ratio DUTY (DUTY = Gp + Gi + Gd), and then returns to the original routine of FIG.
[0070]
15 will be described (the process in step 160 in FIG. 13). In step 161, the microcomputer 20 sets the element resistance ZAC in the previous process to the previous value “ZAC0”, and the detection is performed in subsequent step 162. The element resistance ZAC (detected value according to FIG. 12) is read. In step 163, the microcomputer 20 calculates the proportional term Gp, the integral term Gi, and the differential term Gd by the following mathematical formulas.
[0071]
Gp = Kp. (ZAC-ZACref)
Gi = Gi + Ki · (ZAC−ZACref)
Gd = Kd · (ZAC−ZAC0)
In step 164, the microcomputer 20 adds the proportional term Gp, integral term Gi, and differential term Gd to calculate the duty ratio DUTY (DUTY = Gp + Gi + Gd), and then returns to the original routine of FIG.
[0072]
Next, the calculation procedure of the first to third learning values FLRN1 to FLRN3 will be described using the flowcharts of FIGS. Here, FIG. 19 shows a first learning routine for calculating the first learning value FLRN1, FIG. 20 shows a second learning routine for calculating the second learning value FLRN2, and FIG. 3 shows a third learning routine for calculating the 3 learning value FLRN3, and each of these routines is executed by the microcomputer 20 in a cycle of 128 ms, for example. However, the update of the learning value according to FIGS. 19 to 21 may be performed only once after the IG is turned on, for example. Therefore, when learning is completed, a flag indicating that fact is set, and thereafter, the same processing is not performed.
[0073]
First, referring to FIG. 19, the microcomputer 20 first makes a restart determination of the engine 10 in step 201. In this restart determination,
The engine water temperature is below a predetermined temperature (eg 35 ° C.),
The intake air temperature is below a predetermined temperature (eg 20 ° C.),
-The element resistance is a predetermined value (for example, 3 kΩ) or more,
-The heater resistance is below a predetermined value (eg 3Ω),
The various conditions are determined. If all the above conditions are satisfied, it is determined that the engine is not restarting. If any one of the above conditions is not satisfied, it is determined that the engine is restarting.
[0074]
On condition that the engine is not restarted (YES at step 202), the microcomputer 20 proceeds to step 203 and measures the time required until the A / F sensor 30 is activated. In measuring the required time, a counter that is counted up with IG = ON is used, for example, as shown in FIG.
・ When the amount of change in the sensor current exceeds the specified judgment value,
・ When the integrated value of the sensor current exceeds the predetermined judgment value,
・ When the element resistance falls below a predetermined judgment value (for example, 1 kΩ)
・ When the heater resistance is equal to or higher than a predetermined judgment value (for example, 4Ω)
・ When the element temperature is equal to or higher than a predetermined judgment value (for example, 600 ° C.)
・ When the heater temperature exceeds a predetermined judgment value (for example, 650 ° C.)
In any case, it is determined whether the sensor is active. Then, the time required until activation is detected from the counter value. The activity determination referred to here is not necessarily the same as the activity determination in the heater control in FIG. 13 (time t13 in FIG. 9), and may be anything that serves as a standard for activity determination.
[0075]
Thereafter, in step 204, the microcomputer 20 sets the first learning value FLRN1 according to the time required for activation according to the relationship of FIG. 22A, for example, and then ends this routine. The set FLRN1 value is stored in the backup memory 20a in the microcomputer 20 as needed. According to FIG. 22A, when the time required for activation becomes equal to or greater than a predetermined value A1, a positive learning value FLRN1 is set. For example, when the A / F sensor 30 deteriorates, the activation time increases, and the learning value FLRN1 is set to a value of “0” or more.
[0076]
Next, referring to FIG. 20, the microcomputer 20 first determines in step 301 whether or not the activation of the A / F sensor 30 has been completed. In step 302, the microcomputer 20 determines whether the fuel cut (F / C) is currently being performed. Then, on the condition that both steps 301 and 302 are YES, the microcomputer 20 proceeds to step 303 and detects the sensor internal resistance Ri at the time of F / C.
[0077]
In other words, at the time of F / C, A / F is in an extremely lean state. For example, the voltage Vf in the resistance dominating region is applied using the characteristic line L1 ′ shown in FIG. To do. And
Ri = Vf / If
The sensor internal resistance Ri is detected.
[0078]
Thereafter, in step 304, the microcomputer 20 calculates a difference (ZAC-Ri) between the element resistance ZAC detected by the sweep method (detected value according to FIG. 12) and the sensor internal resistance Ri detected at the time of F / C. .
[0079]
In step 305, the microcomputer 20 sets the second learning value FLRN2 according to (ZAC-Ri) in accordance with the relationship of FIG. 22B, for example, and then ends this routine. The set FLRN2 value is stored in the backup memory 20a in the microcomputer 20 as needed. According to FIG. 22B, when the value of (ZAC−Ri) is in “B1 to B2” near “0”, FLRN2 = 0 is set. Further, when (ZAC−Ri) <B1, a positive learning value FLRN2 is set, and when (ZAC−Ri)> B2, a negative learning value FLRN2 is set.
[0080]
Next, FIG. 21 will be described. First, in step 401, the microcomputer 20 determines whether or not feedback control with a constant element temperature (constant element resistance) is currently being performed. After time t13 in FIG. 9, step 401 is positively determined. In step 402, the microcomputer 20 determines whether the engine 10 is currently in steady operation. Further, the microcomputer 20 determines whether or not the state in which both the steps 401 and 402 are YES continues for a predetermined time (for example, 5 seconds) (step 403).
[0081]
When step 403 becomes YES, the microcomputer 20 proceeds to step 404 and calculates an average DUTY from the energization DUTY to the heater 64 within a predetermined time (5 seconds). Further, the microcomputer 20 calculates a DUTY deviation amount by subtracting a preset reference DUTY from the average DUTY calculated in Step 405 (DUTY deviation amount = average DUTY−reference DUTY). Here, the reference DUTY corresponds to a standard energization amount necessary for maintaining the element temperature Ts at a predetermined temperature during steady operation with the element temperature constant control.
[0082]
Further, in the following step 406, the microcomputer 20 sets the third learning value FLRN3 according to the DUTY deviation amount according to the relationship of FIG. 22C, for example, and then ends this routine. The set FLRN3 value is stored in the backup memory 20a in the microcomputer 20 as needed. According to FIG. 22C, when the DUTY deviation amount is in “C1 to C2” near “0”, FLRN3 = 0 is set. Further, when DUTY deviation amount <C1, a negative learning value FLRN3 is set, and when DUTY deviation amount> C2, a positive learning value FLRN3 is set.
[0083]
The learning values FLRN1 to FLRN3 calculated as described above are appropriately employed for calculating the final duty ratio Dfn (DUTY correction) in the above-described steps 144 and 146 of FIG.
[0084]
According to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
(A) In the present embodiment, the first to third learning values FLRN1 to FLRN3 are obtained, and the heater energization amount is corrected based on the learning values. That is,
A first learning value FLRN1 corresponding to the time required from the cold state to activation of the A / F sensor 30;
The sensor internal resistance Ri detected at the time of fuel cut is compared with the element resistance ZAC detected by the sweep method, and a second learning value FLRN2 corresponding to a deviation amount (ZAC-Ri) of these values;
A third learning value FLRN3 according to the difference between the energization DUTY during steady operation of the engine and a preset standard value of the energization DUTY,
The amount of heater energization was corrected.
[0085]
According to the above configuration, the energization control of the heater 64 can be performed in consideration of individual differences of the A / F sensor 30 and changes with time, and the control accuracy is improved. In short, for example, when the A / F sensor 30 deteriorates, the element temperature (the temperature of the solid electrolyte) fluctuates even before the deterioration and after the deterioration even with the same heater energization amount. On the other hand, in this embodiment, an unexpected change in element temperature can be suppressed. As a result, the energization of the heater 64 can be accurately controlled, and the detection accuracy and durability of the A / F sensor 30 can be improved.
[0086]
(B) The learned values FLRN1 to FLRN3 are stored in the backup memory 20a as needed, and the values are updated as necessary. Thereby, it is only necessary to calculate the learning values FLRN1 to FLRN3, and efficient and appropriate heater control can be performed.
[0087]
(C) Further, correction values FK1 to FK4 are obtained, and the heater energization amount is corrected by the correction value. That is,
A correction value FK1 corresponding to the voltage value of the battery power supply + B,
A correction value FK2 corresponding to the exhaust temperature,
A correction value FK3 corresponding to the initial heater resistance at the time of engine start,
A correction value FK4 corresponding to the harness resistance between + B and heater 64 to GND;
The amount of heater energization was corrected. Thereby, even when the operating conditions of the engine 10 change sequentially, appropriate heater control according to the engine operating conditions can be continued. As a result, the control accuracy of heater energization is further improved.
[0088]
(D) In this embodiment, the heater energization amount is duty-controlled according to the element temperature change rate ΔTs (temperature increase rate of the sensor element). According to the above configuration, for example, when the temperature of the A / F sensor 30 is raised from a cold state, excessive temperature rise of the sensor element unit 60 can be suppressed, and rapid activation of the sensor element unit 60 can be realized. As a result, the temperature rise characteristics of the A / F sensor 30 can be maintained satisfactorily and problems such as element cracking, heater cracking, and peeling of the heater joint surface can be suppressed.
[0089]
(E) At the time of temperature rise from the sensor cold state, the element temperature change rate ΔTs is open-controlled at the beginning. Thus, the element temperature change rate ΔTs can be appropriately controlled even in the period immediately after the start until the element resistance ZAC can be detected.
[0090]
(F) In particular, in the case of a so-called multilayer sensor in which the heater 64 is laminated and integrated with the solid electrolyte 61, the solid electrolyte 61 and the heater 64 are provided close to each other. Although it is easy, according to the said structure, the said problem can be suppressed reliably. Further, when the energization control of the heater 64 deteriorates, it directly affects the detection accuracy and the durability of the element. However, according to the above configuration, the problem can be reliably suppressed.
[0091]
(G) The element temperature Ts or its change rate ΔTs is guarded at a predetermined maximum allowable value. Thereby, the excessive heating of the sensor element part 60 can be prevented more reliably.
[0092]
The embodiment of the present invention can be realized in the following form in addition to the above.
In the above embodiment, when the temperature of the A / F sensor 30 is raised, the heater energization amount is controlled according to the element temperature change rate ΔTs, but this is changed. For example, the heater energization amount is controlled according to the difference (temperature difference ΔThs) between the element temperature Ts and the heater temperature Th. Alternatively, the heater energization amount is controlled in accordance with the changing speed of the heater resistance Rh (which may be the heater temperature Th). In any of these cases, it is possible to obtain the above-described effects that the temperature rising characteristic of the A / F sensor 30 is maintained satisfactorily and problems such as element cracking can be suppressed.
[0093]
Change the configuration of the A / F sensor. In the above embodiment, as described with reference to FIG. 3, the gas diffusion resistance layer 62 is composed of two layers of the gas permeable layer 62a and the gas shielding layer 62b, but the gas shielding layer 62b may be omitted. Good. Moreover, in the said embodiment, although embodied in the laminated | stacked A / F sensor, you may actualize in a cup-type A / F sensor.
[0094]
In the above embodiment, the present invention is embodied in an A / F sensor that outputs a linear limit current value corresponding to the oxygen concentration (air-fuel ratio), but this is changed. For example, an O2 sensor that outputs different voltage signals depending on whether the air-fuel ratio is rich or lean may be used. Further, a NOx sensor for detecting the NOx concentration in the exhaust gas and a so-called composite sensor for detecting various components such as NOx, HC, and O2 may be used. Furthermore, the present invention can be applied to an apparatus for measuring the concentration of gas components other than exhaust gas.
[0095]
In the above-described embodiment, PID control is performed when various types of feedback control are performed. However, the control may be changed to other control such as PI control or P control.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an overview of an air-fuel ratio control system in an embodiment of the invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of an A / F sensor.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a sensor element portion.
FIG. 4 is an exploded perspective view of each member constituting the sensor element unit.
FIG. 5 is a voltage-current characteristic diagram of an A / F sensor.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the limit current value of the A / F sensor and the air-fuel ratio.
FIG. 7 is an electric circuit diagram showing a detailed configuration of a bias control circuit.
FIG. 8 is an electric circuit diagram showing a detailed configuration of a heater control circuit.
FIG. 9 is a time chart for explaining the operation of the air-fuel ratio detection device.
FIG. 10 is a flowchart showing a main routine by a microcomputer in the air-fuel ratio detection apparatus.
FIG. 11 is a flowchart showing an A / F detection procedure.
FIG. 12 is a flowchart showing a procedure for detecting an element resistance ZAC.
FIG. 13 is a flowchart showing a control procedure of heater energization.
FIG. 14 is a flowchart showing a feedback control procedure of the element temperature change rate ΔTs.
FIG. 15 is a flowchart showing a feedback control procedure of the element resistance ZAC.
FIG. 16 is a waveform diagram showing a sensor voltage and a sensor current when detecting an element resistance ZAC.
FIG. 17 is a graph showing the relationship between element resistance and element temperature.
FIG. 18 is a diagram for obtaining correction values FK1 to FK4.
FIG. 19 is a flowchart showing a first learning routine.
FIG. 20 is a flowchart showing a second learning routine.
FIG. 21 is a flowchart showing a third learning routine.
FIG. 22 is a diagram for obtaining learning values FLRN1 to FLRN3.
FIG. 23 is a time chart showing a state of activity determination.
FIG. 24 is a diagram showing an applied voltage Vf and a sensor current If at F / C.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Engine, 15 ... Air-fuel ratio detection apparatus, 20 ... Microcomputer (microcomputer), 20a ... Backup memory, 25 ... Heater control circuit, 30 ... A / F sensor (limit current type air-fuel ratio sensor), 40 ... Bias control circuit 50 ... current detection circuit, 60 ... sensor element section, 61 ... solid electrolyte, 64 ... heater, 64a ... heating element, + B ... battery power source.

Claims (6)

固体電解質を用いたセンサ素子を有し、該センサ素子を通じて被測定ガスの特定成分濃度を測定するセンサと、電源からの通電によ発熱を通じて前記センサ素子を加熱するヒータとを備え、
前記センサ素子を所定の活性温度に加熱すべく前記ヒータへの通電量の指令値を演算し、該通電量の指令値に応じて前記ヒータへの通電を行うことにより前記センサ素子を前記所定の活性温度に加熱するガス成分濃度測定装置において、
エンジンの定常運転時に前記通電量の指令値に応じて前記ヒータに通電したヒータ通電量と、エンジンの定常運転時に前記センサ素子を一定温度に維持すべく予め設定されているヒータ通電量の標準値との差に応じて前記通電量の指令値を補正することを特徴とするガス成分濃度測定装置。
Includes a sensor element using a solid electrolyte, comprising a sensor for measuring the analyte concentration in the measurement gas, and a heater for heating the sensor element through heating that by the current from the power source through the sensor element,
It calculates a command value of the power supply amount to the heater to heat the sensor element to a predetermined activation temperature, depending on the command value of the vent coulometric the sensor element of said predetermined by performing energization of the heater In the gas component concentration measuring device heated to the activation temperature,
The heater energization amount energized to the heater according to the command value of the energization amount during steady operation of the engine, and the standard value of the heater energization amount set in advance to maintain the sensor element at a constant temperature during steady operation of the engine A gas component concentration measuring device, wherein the command value of the energization amount is corrected according to the difference between
請求項1に記載のガス成分濃度測定装置において、
前記補正に関する値を学習値としてバックアップメモリに随時記憶し、前記ヒータの通電制御時にはバックアップメモリに記憶された学習値を読み出して使用するガス成分濃度測定装置。
In the gas component concentration measuring apparatus according to claim 1,
A gas component concentration measurement device that stores a value related to the correction as a learned value in a backup memory as needed, and reads and uses the learned value stored in the backup memory during energization control of the heater.
前記電源の電圧値に応じて前記通電量の指令値を補正する請求項1または2に記載のガス成分濃度測定装置。The gas component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the command value of the energization amount is corrected according to a voltage value of the power source. 被測定ガスの温度を検出し、該検出したガス温に応じて前記通電量の指令値を補正する請求項1〜請求項3のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。The gas component concentration measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein the temperature of the gas to be measured is detected, and the command value of the energization amount is corrected according to the detected gas temperature. 前記センサ素子を冷間状態から昇温させる際に、昇温当初のセンサ活性具合に応じて前記通電量の指令値を補正する請求項1〜請求項4のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。The gas component concentration measurement according to any one of claims 1 to 4, wherein when the temperature of the sensor element is raised from a cold state, the command value of the energization amount is corrected according to a sensor activation condition at the beginning of the temperature rise. apparatus. 前記センサは、固体電解質を有するセンサ素子にヒータを積層して配置し、固体電解質とヒータとを一体化してなる請求項1〜請求項5のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。The gas component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the sensor is formed by stacking a heater on a sensor element having a solid electrolyte, and integrating the solid electrolyte and the heater.
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