JP2000221159A

JP2000221159A - 空燃比検出装置

Info

Publication number: JP2000221159A
Application number: JP11021953A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Aoki; 圭一郎青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2000-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】交流特性から素子インピーダンスを検出しそ
れをフィードバックしてヒータ制御を行うことで空燃比
センサを活性状態に維持する空燃比検出装置において、
空燃比センサの出力電流が計測不可能な値となるような
ときに素子インピーダンスが誤検出されて素子温度が過
度に上昇するという事態を防止する。【解決手段】空燃比センサの出力電流値Ｉを検出し、
出力電流値Ｉが駆動回路の制限による上限値（リーン側
限界値）Ｉ_UL以上又は下限値（リッチ側限界値）Ｉ_LL以
下になっていないかどうかを判定する。センサ出力がリ
ッチ側にもリーン側にもはりついていないときには、素
子インピーダンスＺを求め、素子インピーダンスに基づ
いてヒータへの供給電力を決定するフィードバック制御
を行う。一方、センサ出力が上限値Ｉ_UL又は下限値Ｉ_LL
へはりついた状態になっているときには、オープンルー
プ制御によりヒータへの供給電力を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、限界電流式空燃比
センサを用いた空燃比検出装置に関し、より詳細には、
かかるセンサ内に設けられるヒータの制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】車載用内燃機関において燃料消費率の低
減と有害ガス排出量の低減とを両立させるためには、機
関が燃焼させる混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を広範囲に制
御する必要がある。このような空燃比制御を可能とする
ために、ジルコニア固体電解質等の酸素イオン導電素子
（センサ素子）に大気側電極、排気側電極及び排気側拡
散抵抗体を設けてセンサ本体とし、そのセンサ本体への
電圧印加に伴い排気中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応
じた限界電流が生ずるのを利用した空燃比センサ（全域
空燃比センサ、リニア空燃比センサ等と呼ばれる）が実
用化され、かかる空燃比センサの出力に基づくフィード
バック制御が行われている。

【０００３】全域空燃比センサの出力に基づく空燃比フ
ィードバック制御を行う上で、酸素イオン導電素子を活
性状態に維持することが不可欠である。そのためにヒー
タを用いて素子を加熱し素子温度を一定の値に保つ制御
が行われている。その際、素子温度を検出する必要があ
るが、素子抵抗が素子温度と相関関係を有することか
ら、素子抵抗を検出して素子温度を推定することにより
温度センサの必要性を排除することも提案されている。

【０００４】例えば、特開平９−２９２３６４号公報
は、空燃比検出用の入力直流電圧に交流電圧パルスを重
畳せしめ、その電圧変化とそれに伴う電流変化とから素
子インピーダンスを算出し、算出された素子インピーダ
ンスに基づいてヒータに供給する電力をフィードバック
制御する技術を開示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
９−２９２３６４号公報に開示される技術では、センサ
を駆動し出力電流を計測する回路における計測可能な電
流値の範囲について十分な考慮がなされていない。すな
わち、センサによって出力されるべき電流がダイナミッ
クレンジを超えてしまうおそれがある。その場合には、
電流変化（出力交流電流パルスの振幅）が実際よりも小
さく計測されるため、素子インピーダンスは実際よりも
大きな値として算出される。そうすると、素子温度は実
際よりも低く推定されるので、ヒータに過度の電力が供
給されてしまい、素子温度が上昇しすぎる結果となる。

【０００６】本発明は、上述の問題点に鑑みなされたも
ので、その目的は、交流特性から素子インピーダンスを
検出しそれをフィードバックしてヒータ制御を行うこと
で空燃比センサを活性状態に維持する空燃比検出装置に
おいて、空燃比センサの出力電流が計測不可能な値とな
るようなときに素子インピーダンスが実際よりも大きな
値として誤検出されることにより素子温度が過度に上昇
するという事態を防止することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、電圧の印加に伴い排気中の酸素濃
度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生させるセン
サ本体、及び、前記センサ本体中の酸素イオン導電素子
を加熱し活性化せしめるためのヒータ、を有する空燃比
センサと、前記センサ本体を駆動し出力電流を計測する
センサ本体駆動回路と、前記ヒータを駆動するヒータ駆
動回路と、前記センサ本体駆動回路を介して、空燃比検
出用の直流成分に交流成分が重畳した電圧を前記センサ
本体に印加し、出力電流の交流成分を測定することによ
り、前記酸素イオン導電素子の素子インピーダンスを検
出する素子インピーダンス検出手段と、前記素子インピ
ーダンス検出手段によって検出される素子インピーダン
スに基づいて、前記ヒータ駆動回路を介して前記ヒータ
に供給される電力をフィードバック制御するフィードバ
ック制御手段と、前記素子インピーダンス検出手段によ
る素子インピーダンスの検出時において、前記センサ本
体によって出力されるべき電流が前記センサ本体駆動回
路による計測が不可能な値となる場合に、前記フィード
バック制御手段の動作を抑止し、前記ヒータ駆動回路を
介して前記ヒータに供給される電力を所定値に設定する
オープンループ制御手段と、を具備する空燃比検出装置
が提供される。

【０００８】また、本発明によれば、好ましくは、前記
オープンループ制御手段は、前記センサ本体によって出
力されるべき電流がリーン側限界値を超える場合に、前
記酸素イオン導電素子の素子温度が過度に上昇すること
なく、かつ、前記酸素イオン導電素子が活性状態に維持
されるように、ヒータ供給電力を設定する。

【０００９】また、本発明によれば、好ましくは、前記
オープンループ制御手段は、前記センサ本体によって出
力されるべき電流がリッチ側限界値を超える場合に、前
記酸素イオン導電素子の素子温度が低下せしめられるよ
うにヒータ供給電力を設定する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。

【００１１】まず、空燃比センサの原理について説明す
る。図１は、空燃比と排気中の酸素（Ｏ₂）濃度との関
係及び空燃比と排気中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度との関
係を示す特性図である。この図に示されるように、理論
空燃比よりもリーン側の空燃比領域にあってはＯ₂濃度
が空燃比に対してほぼリニアに変化する一方、理論空燃
比よりもリッチ側の空燃比領域にあっては未燃ガスであ
るＣＯ濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化する。空
燃比センサは、後述するように、この関係を利用するも
のである。なお、未燃ガスは、ＣＯのみからなるのでは
なく、ＨＣ、Ｈ ₂等も含んでいる。

【００１２】図２は、空燃比センサの一構成例を示す断
面図である。空燃比センサ１０は、内燃機関の排気管９
０の内部に向けて突設された状態で使用される。空燃比
センサ１０は、大別して、カバー１１、センサ本体１３
及びヒータ１８から構成される。カバー１１は断面カッ
プ状の形状を有し、その周壁にはカバー内外を連通する
多数の小孔１２が形成されている。

【００１３】センサ本体１３において、試験管状に形成
された酸素イオン導電性固体電解質層１４の外表面には
排気側電極層１６が固着される一方、その内表面には大
気側電極層１７が固着されている。また、排気側電極層
１６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層１
５が形成されている。固体電解質層１４は、例えば、本
実施形態においては、ＺｒＯ₂（ジルコニア素子）にＣ
ａＯ等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化
物焼結体からなる（以下、固体電解質層１４をセンサ素
子とも称する）。拡散抵抗層１５は、アルミナ等の耐熱
性無機物質からなる。排気側電極層１６及び大気側電極
層１７は、共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からな
り、その表面には多孔質の化学メッキ等が施されてい
る。

【００１４】ヒータ１８は、大気側電極層１７内に収容
されており、その発熱エネルギによってセンサ本体１３
を加熱し、ジルコニア素子１４を活性化せしめる。ヒー
タ１８は、ジルコニア素子１４を活性化するのに十分な
発熱容量を有している。

【００１５】ジルコニア素子１４は、高温活性状態で素
子両端に酸素濃度差が生じると、濃度の高い側から低い
側へと酸素イオン（Ｏ^2-）を通す特性（酸素電池特性）
を有する。また、ジルコニア素子１４は、その両端に電
位差が与えられると、陰極から陽極に向けて、電位差に
応じた酸素イオン（Ｏ^2-）の移動を引き起こそうとする
特性（酸素ポンプ特性）を有する。

【００１６】図２に示されるように、センサ本体１３に
は、大気側電極層１７を正極性、排気側電極層１６を負
極性とする一定のバイアス電圧が印加されている。排気
空燃比がリーンのときには、酸素ポンプ特性により、排
気側電極層１６から大気側電極層１７へと酸素イオン
（Ｏ^2-）の移動が起こる。その結果、バイアス電圧源の
正極から、大気側電極層１７、固体電解質層１４及び排
気側電極層１６を介して、バイアス電圧源の負極へと電
流が流れる。このとき流れる電流の大きさは、バイアス
電圧を一定値以上にすれば、排気中から拡散抵抗層１５
を通って排気側電極層１６へと拡散によって流入する酸
素量に対応する。従って、この限界電流の大きさを検出
すれば、酸素濃度を知ることができ、ひいては図１にて
説明したようにリーン領域における空燃比を知ることが
できる。

【００１７】一方、排気空燃比がリッチのときには酸素
電池特性が働き、この酸素電池特性は大気側電極層１７
から排気側電極層１６へと酸素イオン（Ｏ^2-）の移動を
引き起こそうとする。すなわち、酸素電池特性はバイア
ス電圧と逆向きに作用する。空燃比センサでは、酸素電
池特性による起電力がバイアス電圧に打ち勝つように構
成されているため、大気側電極層１７から、バイアス電
圧源を通って、排気側電極層１６へと電流が流れる。こ
のとき流れる電流の大きさは、固体電解質層１４中を大
気側電極層１７から排気側電極層１６へと移送される酸
素イオン（Ｏ^2-）の量によって決まる。その酸素イオン
は、排気中から拡散抵抗層１５を通って排気側電極層１
６へと拡散によって流入する一酸化炭素などの未燃ガス
と排気側電極層１６において反応（燃焼）するものであ
るため、酸素イオン移動量は未燃ガスの濃度に対応す
る。従って、この限界電流の大きさを検出すれば、未燃
ガス濃度を知ることができ、ひいては図１にて説明した
ようにリッチ領域における空燃比を知ることができる。

【００１８】また、排気空燃比が理論空燃比のときに
は、排気側電極層１６へ流入する酸素及び未燃ガスの量
が化学当量比となっているため、排気側電極層１６の触
媒作用によって両者は完全に燃焼する。したがって、排
気側電極層１６では酸素がなくなるため、酸素電池特性
及び酸素ポンプ特性により移送されるべき酸素イオンが
生じない。その結果、排気空燃比が理論空燃比のときに
は、回路を流れる電流は生じない。

【００１９】かくして、空燃比センサの電圧−電流（Ｖ
−Ｉ）特性は、図３に示されるように、センサが晒され
る排気の空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた限界電流を示す。図
３においては、Ｖ軸に平行な直線部分が限界電流を表し
ている。そして、リーン領域とリッチ領域とでは限界電
流の流れる向きが逆になっており、リーン領域にあって
は空燃比が大きくなるほど、リッチ領域にあっては空燃
比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。
そして、図３の特性図によれば、印加電圧を０．３Ｖ程
度に設定すると、広範囲にわたる空燃比を検出すること
ができる。なお、Ｖ軸に平行な直線部分の電圧より小さ
い電圧となる領域は、抵抗支配域となっている。

【００２０】次いで、図４を用いて、空燃比検出装置の
ハードウェア構成の一例について説明する。この空燃比
検出装置は、大別して、空燃比センサ１０、センサ本体
駆動回路２０、ヒータ駆動回路３０及び中央処理装置
（ＣＰＵ）４０から構成される。空燃比センサ１０は、
図２で説明したように、センサ本体１３及びヒータ１８
を備えるものである。また、ヒータ駆動回路３０は、デ
ューティ比信号を受け、そのデューティ比に応じてバッ
テリ３２の電圧をヒータ１８へオン／オフ的に印加する
回路である。また、ＣＰＵ４０は、内燃機関の電子制御
装置（ＥＣＵ）の中枢として燃料噴射制御、点火時期制
御等を行うものであり、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、Ｄ／
Ａ変換器（ＤＡＣ）及びメモリを内蔵している。

【００２１】センサ本体駆動回路２０は、大別して、ロ
ウパスフィルタ（ＬＰＦ）２１、第１の電圧フォロワ(v
oltage follower)回路２２、基準電圧発生回路２５及び
第２の電圧フォロワ回路２６から構成される。ＬＰＦ２
１は、ＣＰＵ４０から出力されるアナログ信号電圧の高
周波成分を除去するものである。第１の電圧フォロワ回
路２２は、演算増幅器、抵抗器、ダイオード、トランジ
スタ等を備え、センサ本体１３の大気側電極層１７の電
位を、ＬＰＦ２１の出力の電位と同一の電位に維持す
る。なお、その電位は、空燃比検出時においては３．３
Ｖである。

【００２２】また、基準電圧発生回路２５は、一定電圧
Ｖ_CCを分圧して基準電圧３．０Ｖを発生させる。第２の
電圧フォロワ回路２６は、第１の電圧フォロワ回路２２
と同様の回路構成を有し、センサ本体１３の排気側電極
層１６の電位を基準電圧３．０Ｖに維持する。従って、
空燃比検出時には、センサ本体１３の両電極層間に０．
３Ｖの電圧Ｖが印加されることとなり、図３の特性図に
て説明したように、限界電流を測定して広範囲にわたる
空燃比を検出することができる。第１の電圧フォロワ回
路２２内の抵抗器２３が電流検出回路として機能する。
抵抗器２３のセンサ側端子の電位Ｖ₀と他方の端子の電
位Ｖ₁とは、ＣＰＵ４０に供給されるようになってい
る。ＣＰＵ４０は、抵抗器２３の両端のアナログ電位Ｖ
₀及びＶ₁をＡ／Ｄ変換し、両端の電位差“Ｖ₁−
Ｖ₀”を算出し、その電位差と抵抗器２３の抵抗値とに
基づいて、第１の電圧フォロワ回路２２からセンサ本体
１３の大気側電極層１７へと流れる方向を正とする電流
Ｉを算出する。

【００２３】先述の図３に関する説明から理解されるよ
うに、算出される電流値と空燃比とは、図５に示される
如き関係を有している。そこで、ＣＰＵ４０は、検出さ
れた電流値に基づいて排気の空燃比を検出することがで
き、ひいては空燃比フィードバック制御を実現すること
ができる。

【００２４】さて、空燃比を検出するためには、センサ
素子（ジルコニア素子）１４を活性状態に維持する必要
がある。その活性状態は、素子温度を一定値、例えば７
００°Ｃに保つことによって維持される。ところで、素
子温度と素子抵抗とは、図６に示されるような一定の相
関関係を有しているため、素子温度を７００°Ｃに保つ
ためには、素子抵抗が３０Ωを示すようにすればよい。
そのため、素子抵抗を検出し、その検出される抵抗値に
基づき、ヒータ駆動回路３０をフィードバック制御する
ことにより、素子活性状態を維持する制御が行われる。

【００２５】図７はセンサ本体１３の構造を示す図であ
り、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は固体電解質１４の部分拡
大図である。また、図８は、センサ本体１３の等価回路
を示す図である。図８において、Ｒ１は、ジルコニアか
らなる固体電解質のバルク抵抗であり、図７のグレイン
(grain) 部に対応する。Ｒ２は、固体電解質の粒界抵抗
であり、図７のグレイン境界(grain boundary)部に対応
する。Ｒ３は、白金からなる電極の界面抵抗である。Ｃ
２は、固体電解質の粒界の容量成分である。Ｃ３は、電
極界面の容量成分である。Ｚ（Ｗ）は、交流による分極
が起こるときに周期的に界面濃度が変化するために生じ
るインピーダンス分（ワールブルインピーダンス）であ
る。

【００２６】図８からわかるように、センサ本体１３
に、抵抗支配域（図３参照）にある電圧を印加して出力
電流を測定した場合、“Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３”が検出可能
となる。しかし、Ｒ３は電極の劣化等により大きく変化
するため、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”のみを抽出すること
はできない。しかも、図３に示されるように、抵抗支配
域は空燃比に応じて変化するため、センサ本体の直流特
性により素子抵抗を検出することは極めて困難である。
そこで、交流特性を利用した素子抵抗検出法が提案され
ている。

【００２７】図９は、空燃比検出用の直流電圧（０．３
Ｖ）に交流電圧を重畳した場合に、その入力交流電圧の
周波数ｆの変化に応じてセンサ本体のインピーダンスＺ
が描く軌跡を示す図であり、横軸はインピーダンスＺの
実部Ｒ、縦軸は虚部Ｘを示す。この軌跡は、空燃比に依
存しない。センサ本体のインピーダンスＺは、Ｚ＝Ｒ＋
ｊＸで表される。図９に示されるように、インピーダン
スＺは、周波数ｆが１ｋＨｚ付近に近づくにつれて素子
抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”に収束する。

【００２８】図１０は、入力交流電圧の周波数ｆとイン
ピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜との関係を示す図である。
図１０から、周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚでは｜Ｚ｜が
ほぼ“Ｒ１＋Ｒ２”であり、１０ＭＨｚより高周波側で
は｜Ｚ｜は減少していき、Ｒ１に収束することが判る。
このことから、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”を検出するため
には、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ付近の交流電圧を印加し
て、出力交流電流を測定し、インピーダンスを求めるこ
とが望ましい。

【００２９】ところで、図４のセンサ本体駆動回路２０
においては、検出可能な出力電流値がその回路構成から
以下のように制限されることとなる。すなわち、図４に
おいて、電流Ｉが上限値Ｉ_ULすなわちリーン側限界値と
なるときには、Ｖ_CE(ON)＋（Ｒ₁₁＋Ｒ₁₃）＊Ｉ_UL＋Ｖ₀＝Ｖ_CC が成立する。ここで、Ｖ_CE(ON)は、トランジスタＱ₁₁の
オン時におけるコレクタ・エミッタ間電圧である。そし
て、このときのＶ₁をＶ_1MAXとおくと、Ｖ_1MAX＝Ｖ₀＋Ｒ₁₃＊Ｉ_UL＞Ｖ₀ となる。

【００３０】同様に、図４において、電流Ｉが下限値Ｉ
_LL（＜０）すなわちリッチ側限界値となるときには、Ｖ_EC(ON)＋（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）＊（−Ｉ_LL）＝Ｖ₀ が成立する。ここで、Ｖ_EC(ON)は、トランジスタＱ₁₂の
オン時におけるエミッタ・コレクタ間電圧である。そし
て、このときのＶ₁をＶ_1MINとおくと、Ｖ_1MIN＝Ｖ₀＋Ｒ₁₃＊Ｉ_LL＜Ｖ₀ となる。

【００３１】ＣＰＵ４０は、素子インピーダンスを測定
するため、ＬＰＦ２１への入力電圧を変化させるが、そ
の際にはセンサ出力電流Ｉが駆動回路２０において検出
可能な範囲に入るように、換言すれば、本来、示される
べきＶ₁の値が駆動回路２０による制限を受けることが
ないようにしている。すなわち、交流電圧パルスを印加
する前の電位Ｖ₁が３．１Ｖ以下のときには、図１１に
示されるようにして素子インピーダンスを測定する。図
１１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＬＰＦ２１への入力
電圧Ｖ_C、ＬＰＦ２１からの出力電圧すなわち空燃比セ
ンサ１０の大気側電極層１７の電位Ｖ₀、及び抵抗器２
３の一方の端子の電位Ｖ₁、の各波形を示す図である。
横軸は時間を表し、縦軸は電圧を表す。

【００３２】前述のように、排気側電極層１６は基準電
圧３．０Ｖに維持され、大気側電極層１７は通常図１１
（Ｂ）に示されるように３．３Ｖに維持されているた
め、空燃比センサ本体の両電極間には通常直流電圧０．
３Ｖが印加されていることとなる。この入力直流電圧に
対する出力直流電流が空燃比を表している。なお、Ｖ₀
は、図１１（Ｂ）に示されるように、主として特定の周
波数成分（例えば５ｋＨｚ）からなる、なまされた波形
の交流電圧パルスが直流電圧３．３Ｖに重畳したものと
なる。

【００３３】この交流電圧パルスに対応して、Ｖ₁も変
化する。そして、パルス印加前にＶ ₁が３．１Ｖ以下の
ときには、Ｖ_CすなわちＶ₀を正側に変化させているた
め、Ｖ₁も正側に変化するが、５Ｖを超えない。そし
て、Ｖ₀の変化量すなわちセンサ印加電圧Ｖの変化量Δ
Ｖと抵抗器２３を流れる電流Ｉの変化量ΔＩとから算出
されるΔＶ／ΔＩが、素子インピーダンス（絶対値）Ｚ
を与える。そのＺに基づいて図６の特性曲線を参照する
ことにより、素子温度が検出される。なお、続いて印加
電圧を負側にも変化させているのは、容量成分に蓄積さ
れる電荷の放電を迅速化させるためである。

【００３４】一方、交流電圧パルスを印加する前に電位
Ｖ₁が３．１Ｖ以上のときには、図１２に示されるよう
にして素子インピーダンスを測定する。図１２（Ａ）、
（Ｂ）及び（Ｃ）は、図１１と同様に、Ｖ_C、Ｖ₀及び
Ｖ₁の各波形を示している。すなわち、パルス印加前に
Ｖ₁が３．１Ｖ以上のときには、Ｖ_CすなわちＶ₀を負
側に変化させているため、Ｖ₁も負側に変化するが、０
Ｖを下回らない。

【００３５】しかし、空燃比センサに異常がある場合、
内燃機関に故障がある場合、燃料カット等により空燃比
が非常に偏った状態になっている場合等においては、セ
ンサ出力電流Ｉがセンサ本体駆動回路２０による上限値
（リーン側限界値）Ｉ_UL又は下限値（リッチ側限界値）
Ｉ_LL（＜０）に固定されたままの状態（いわゆるはりつ
き状態）に陥るおそれがある。

【００３６】そのようなはりつき状態として例えばリー
ン側限界値にはりついた状態にあるときには、図１３
（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにＶ_C及びＶ₀を変化
させても、図１３（Ｃ）に示されるようにＶ₁は、本来
変化すべき範囲で変化することができない。なお、図１
３（Ｃ）における点線は、駆動回路による制限がないと
した場合にＶ₁が示す波形を表している。図１３（Ｃ）
に示されるようにＶ₁の変化が制限されると、センサ出
力電流変化量ΔＩは本来の値よりも小さく算出され、そ
の結果、素子インピーダンスＺは本来の値よりも大きな
値として算出される。そうすると、素子温度は実際より
も低く推定されるので、ヒータに過度の電力が供給さ
れ、素子温度が上昇しすぎるという不具合が生ずる。そ
こで、本発明は、このような素子インピーダンス誤検出
を防止する。

【００３７】図１４は、ＣＰＵ４０によって実行される
素子インピーダンス検出ルーチンの処理手順を示すフロ
ーチャートである。本ルーチンは、所定時間周期で実行
される。まず、ステップ１０２では、空燃比センサの出
力電流値Ｉを求める。次いで、ステップ１０４及び１０
６では、出力電流値Ｉが上限値（リーン側限界値）Ｉ _UL
以上又は下限値（リッチ側限界値）Ｉ_LL以下になってい
ないかどうかを検出する。

【００３８】Ｉ≦Ｉ_LLのとき、すなわちセンサ出力がリ
ッチ側にはりついているときには、ステップ１０８にお
いて、リッチ側はりつきフラグＦ_RSを１（オン）にする
とともに、リーン側はりつきフラグＦ_LSを０（オフ）に
して、本ルーチンを終了する。一方、Ｉ_UL≦Ｉのとき、
すなわちセンサ出力がリーン側にはりついているときに
は、ステップ１１２において、リーン側はりつきフラグ
Ｆ_LSを１（オン）にするとともに、リッチ側はりつきフ
ラグＦ_RSを０（オフ）にして、本ルーチンを終了する。

【００３９】また、Ｉ_LL＜Ｉ＜Ｉ_ULのとき、すなわちセ
ンサ出力がリッチ側にもリーン側にもはりついていない
ときには、ステップ１１０に進み、リッチ側はりつきフ
ラグＦ_RS及びリーン側はりつきフラグＦ_LSをともに０に
して、ステップ１１４に進む。ステップ１１４では、図
１１及び図１２を用いて説明したように、交流電圧パル
スを入力直流電圧に重畳せしめ、出力交流電流パルスを
測定することにより、素子インピーダンスＺを検出し、
本ルーチンを終了する。

【００４０】図１５は、ＣＰＵ４０によって実行される
ヒータ制御ルーチンの処理手順を示すフローチャートで
ある。本ルーチンは、所定時間周期で実行される。ステ
ップ２０２及び２０４では、リーン側はりつきフラグＦ
_LS及びリッチ側はりつきフラグＦ_RSの値について判定す
る。Ｆ_LS＝Ｆ_RS＝０のとき、センサ出力がリッチ側にも
リーン側にもはりついていないときには、ステップ２０
８に進み、素子インピーダンスＺに基づいて、バッテリ
３２の電圧をヒータ１８へオン／オフ的に印加する際の
デューティ比Ｒ_DUTYを決定するフィードバック制御が行
われる。その詳細については、後述する。一方、センサ
出力がはりつき状態になっているときには、以下のよう
にオープンループ制御が行われる。

【００４１】すなわち、Ｆ_RS＝１のとき、センサ出力が
リッチ側にはりついているため素子インピーダンスＺを
検出しなかったときには、ステップ２１０においてデュ
ーティ比Ｒ_DUTYを所定値Ｒ₀に設定する。空燃比がリッ
チになるのは高負荷状態であり、素子温度が上昇してい
ると推定されるため、素子温度が低下せしめられるよう
に、Ｒ₀は例えば０に設定される。

【００４２】一方、Ｆ_LS＝１のとき、センサ出力がリー
ン側にはりついているため素子インピーダンスＺを検出
しなかったときには、ステップ２０６においてデューテ
ィ比Ｒ_DUTYを所定値Ｒ₁に設定する。このＲ₁は、素子
温度が過度に上昇することなく、かつ、素子活性状態が
維持されるようにヒータに電力を供給すべく予め実験的
に設定された値であり、例えば、燃料カット時における
ヒータ供給電力として適合せしめられる値に一致する。

【００４３】図１６は、前述のヒータ制御ルーチン（図
１５）のステップ２０８を具体的に実現すべくＣＰＵ４
０によって実行される素子インピーダンスフィードバッ
クヒータ制御ルーチンのフローチャートである。まず、
ステップ３０２では、検出された素子インピーダンスＺ
と目標素子インピーダンスＺ_TGTとの偏差Ｚ_ERRを算出
する。次いで、ステップ３０４では、ＰＩＤ動作におけ
る比例項ΔＲ_Pを、 ΔＲ_P←Ｋ_P＊Ｚ_ERR なる演算により求める。Ｋ_Pは、比例項のゲインであ
る。

【００４４】次いで、ステップ３０６では、Ｚ_ERRSUM←Ｚ_ERRSUM＋Ｚ_ERR なる演算により、偏差の積分値Ｚ_ERRSUMを更新する。さ
らに、 ΔＲ_I←Ｋ_I＊Ｚ_ERRSUM なる演算により、ＰＩＤ動作における積分項ΔＲ_Iを算
出する。Ｋ_Iは、積分項のゲインである。

【００４５】次いで、ステップ３０８では、 ΔＲ_D←Ｋ_D＊（Ｚ_ERR−Ｚ_ERRO）なる演算により、ＰＩＤ動作における微分項ΔＲ_Dを算
出する。ここで、Ｋ_Dは微分項のゲインであり、Ｚ_ERRO
は前回の本ルーチン走行時に算出された偏差である。

【００４６】次いで、ステップ３１０では、Ｒ_DUTY←Ｒ_DUTY＋ΔＲ_P＋ΔＲ_I＋ΔＲ_D なる演算により、ＰＩＤ動作によるデューティ比Ｒ_DUTY
を決定する。次いで、ステップ３１２では、算出された
Ｒ_DUTYが所定の範囲内に制限されるようにガード処理を
実行する。最後のステップ３１４では、次回の本ルーチ
ンの実行に備え、今回算出されたＺ_ERRをＺ_ERROとして
記憶する。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
交流特性から素子インピーダンスを検出しそれをフィー
ドバックしてヒータ制御を行うことで空燃比センサを活
性状態に維持する空燃比検出装置において、空燃比セン
サの出力電流が計測不可能な値となるような場合にあっ
ても、素子温度が過度に上昇する事態が回避され、素子
温度が適切な値に維持される。

【図面の簡単な説明】

【図１】空燃比と排気成分濃度との関係を示す特性図で
ある。

【図２】空燃比センサの一構成例を示す断面図である。

【図３】空燃比センサの電圧−電流特性の一例を示す特
性図である。

【図４】本発明の一実施形態に係る空燃比検出装置のハ
ードウェア構成を示す電気回路図である。

【図５】空燃比と空燃比センサ出力電流との関係を示す
特性図である。

【図６】素子温度と素子抵抗との関係を示す特性図であ
る。

【図７】センサ本体の構造を示す図であって、（Ａ）は
断面図、（Ｂ）は固体電解質の部分拡大図である。

【図８】センサ本体の等価回路を示す図である。

【図９】空燃比検出用の直流電圧に重畳する入力交流電
圧の周波数を変化させたときにセンサ本体のインピーダ
ンスが描く軌跡を示す図である。

【図１０】入力交流電圧の周波数と素子インピーダンス
との関係を示す図である。

【図１１】センサ出力が３．１Ｖ以下のときの、ＬＰＦ
への入力電圧、ＬＰＦからの出力電圧すなわち空燃比セ
ンサの大気側電極層の電圧、及び電流検出抵抗器の反セ
ンサ側端子の電圧の各波形を示す図である。

【図１２】センサ出力が３．１Ｖ以上のときの、ＬＰＦ
への入力電圧、ＬＰＦからの出力電圧すなわち空燃比セ
ンサの大気側電極層の電圧、及び電流検出抵抗器の反セ
ンサ側端子の電圧の各波形を示す図である。

【図１３】センサ出力がリーン側はりつき状態にあると
きの、ＬＰＦへの入力電圧、ＬＰＦからの出力電圧すな
わち空燃比センサの大気側電極層の電圧、及び電流検出
抵抗器の反センサ側端子の電圧の各波形を示す図であ
る。

【図１４】ＣＰＵによって実行される素子インピーダン
ス検出ルーチンの処理手順を示すフローチャートであ
る。

【図１５】ＣＰＵによって実行されるヒータ制御ルーチ
ンの処理手順を示すフローチャートである。

【図１６】ＣＰＵによって実行される素子インピーダン
スフィードバックヒータ制御ルーチンの処理手順を示す
フローチャートである。

【符号の説明】

１０…空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）１１…カバー１２…小孔１３…センサ本体１４…酸素イオン導電性固体電解質層（センサ素子）１５…拡散抵抗層１６…排気側電極層１７…大気側電極層１８…ヒータ２０…センサ本体駆動回路２１…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２…第１の電圧フォロワ回路２３…電流検出回路２５…基準電圧発生回路２６…第２の電圧フォロワ回路３０…ヒータ駆動回路３２…バッテリ４０…ＣＰＵ９０…内燃機関の排気管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電圧の印加に伴い排気中の酸素濃度又は
未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生させるセンサ本
体、及び、前記センサ本体中の酸素イオン導電素子を加
熱し活性化せしめるためのヒータ、を有する空燃比セン
サと、前記センサ本体を駆動し出力電流を計測するセンサ本体
駆動回路と、前記ヒータを駆動するヒータ駆動回路と、前記センサ本体駆動回路を介して、空燃比検出用の直流
成分に交流成分が重畳した電圧を前記センサ本体に印加
し、出力電流の交流成分を測定することにより、前記酸
素イオン導電素子の素子インピーダンスを検出する素子
インピーダンス検出手段と、前記素子インピーダンス検出手段によって検出される素
子インピーダンスに基づいて、前記ヒータ駆動回路を介
して前記ヒータに供給される電力をフィードバック制御
するフィードバック制御手段と、前記素子インピーダンス検出手段による素子インピーダ
ンスの検出時において、前記センサ本体によって出力さ
れるべき電流が前記センサ本体駆動回路による計測が不
可能な値となる場合に、前記フィードバック制御手段の
動作を抑止し、前記ヒータ駆動回路を介して前記ヒータ
に供給される電力を所定値に設定するオープンループ制
御手段と、を具備する空燃比検出装置。
【請求項２】前記オープンループ制御手段は、前記セ
ンサ本体によって出力されるべき電流がリーン側限界値
を超える場合に、前記酸素イオン導電素子の素子温度が
過度に上昇することなく、かつ、前記酸素イオン導電素
子が活性状態に維持されるように、ヒータ供給電力を設
定する、請求項１に記載の空燃比検出装置。
【請求項３】前記オープンループ制御手段は、前記セ
ンサ本体によって出力されるべき電流がリッチ側限界値
を超える場合に、前記酸素イオン導電素子の素子温度が
低下せしめられるようにヒータ供給電力を設定する、請
求項１に記載の空燃比検出装置。