JP2000221160A

JP2000221160A - 空燃比検出装置

Info

Publication number: JP2000221160A
Application number: JP11022435A
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】空燃比センサ内に設けられたヒータの性能が
低下した場合においても、その性能低下の程度を検出
し、センサ素子の温度を目標温度に精度よく維持するた
めに必要な対策をとることができるようにする。【解決手段】素子温度Ｔの曲線と目標素子温度Ｔ_TGT
の直線とが囲む部分（斜線部分）の面積（絶対値）につ
いて検討すると、ヒータ性能が低下するにつれてその面
積値が大きくなる。そして、素子温度と素子インピーダ
ンスとは、一定の相関関係を有しているため、素子イン
ピーダンスの曲線と目標素子インピーダンスの直線とが
囲む部分の面積についても同様のことがいえる。したが
って、所定期間、素子インピーダンスと目標素子インピ
ーダンスとの偏差の絶対値を時間で積分すれば、その積
分値は、ヒータ性能低下の程度を示す数値となる。その
積分値に基づいてヒータ制御を行う。

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性能の判定に関す
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】その一方、空燃比センサの異常検出を行
い、異常がある場合に迅速に措置することが、かかる空
燃比センサを使用する上で必須の条件となる。そこで、
例えば、特開平１０−２６５９９号公報は、センサ素子
が劣化すると、内部インピーダンスが増加し、それに伴
ってヒータへの供給電力が増加することに着目し、供給
電力が所定のしきい値を超えたときに目標インピーダン
スをより大きな値に変更することでセンサの過度の温度
上昇を防止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、空燃比
センサを利用する場合、ヒータについてもその性能が低
下する状況が考えられ、かかるヒータ性能低下を検出
し、それに対する対策を講ずる必要がある。

【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みなされたも
ので、その目的は、空燃比センサ内に設けられたヒータ
の性能が低下した場合においても、その性能低下の程度
を検出し、センサ素子の温度を目標温度に精度よく維持
するために必要な対策をとることができる空燃比検出装
置を提供することにある。

【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
ーダンスが目標素子インピーダンスを呈するように、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ヒ
ータ制御手段と、前記ヒータ制御手段によるフィードバ
ック制御の実行中の所定期間において、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
スの、前記目標素子インピーダンスへの収束速さに基づ
いて前記ヒータの性能低下の程度を判定するヒータ性能
判定手段と、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、前記ヒータ性能判
定手段は、前記ヒータの性能低下の程度に基づいて、前
記ヒータ制御手段によるフィードバック制御において使
用されるゲインの値を変更する。

【０００９】また、本発明によれば、前記ヒータ性能判
定手段における収束速さは、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と前記目
標素子インピーダンスとの偏差の絶対値を時間で積分し
た積分値から把握される。

【００１０】また、本発明によれば、前記ヒータ性能判
定手段は、前記積分値が所定値以上となるときに前記ヒ
ータが交換を要するほどに劣化していると判定する。

【００１１】

【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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】図１１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＬＰ
Ｆ２１への入力電圧、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への印加電圧、
及び空燃比センサ１０の出力電流、の各波形を示す図で
ある。横軸は時間を示し、縦軸は電圧又は電流を表す。
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。

【００３１】そして、ＣＰＵ４０は、素子インピーダン
スを測定するため、図１１（Ａ）に示されるように、Ｌ
ＰＦ２１への入力電圧をΔＶだけ変化させる。ＬＰＦ２
１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への印加電圧は、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。この交流電圧パルスに対応
して、出力電流は、図１１（Ｃ）に示されるようにΔＩ
だけ変化する。そして、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、印加電圧を正負両側に変化させるのは、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。

【００３２】ところで、ヒータ１８が経時変化により劣
化してくると、その抵抗値Ｒが増加する。バッテリ３２
の電圧をＶとおくと、ヒータの発生するジュール熱はＶ
²／Ｒになるため、ヒータ１８の劣化によりヒータ性能
が低下することとなる。ヒータ性能が低下している場合
には、一般に、被加熱体であるセンサ素子の温度Ｔは、
上がりにくく、かつ、下がりやすいという傾向を示す。

【００３３】図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）
は、内燃機関の負荷（アクセル開度、吸入空気量、吸気
管圧力等）ＬＤ、ヒータ性能が正常な場合の素子温度
Ｔ、ヒータ性能がある程度低下している場合の素子温度
Ｔ及びヒータ性能が最も低下した場合の素子温度Ｔの挙
動を例示するタイムチャートである。図１２（Ｂ）に示
されるように、ヒータ性能が正常な場合には、素子温度
Ｔは、目標素子温度Ｔ_TG _Tの付近に維持され、機関負荷
が変化するときのみやや目標からずれるのみである。

【００３４】ところが、ヒータ性能がある程度低下して
くると、図１２（Ｃ）に示されるように、素子温度Ｔ
は、上がりにくく、かつ、下がりやすいものとなり、目
標素子温度Ｔ_TGTから大きくずれている期間が長くな
る。さらに、ヒータ性能が低下してくると、やがては、
図１２（Ｄ）に示されるように、素子温度Ｔは、目標素
子温度Ｔ_TGTに達することなく、Ｔ_TGTよりも低いほぼ
一定の温度に固定されたままとなる。

【００３５】図１２（Ｂ）〜（Ｄ）からわかるように、
ヒータ性能が低下してくると、素子温度Ｔの、目標素子
温度Ｔ_TGTへの収束速さが低下してくる。この収束速さ
は、図１２（Ｂ）〜（Ｄ）から明らかなように、例え
ば、実際の素子温度Ｔが目標素子温度Ｔ_TGTを下回って
いる間の時間から把握することができ、かかる時間が長
いほど収束速さは小さくなる。そして、前述のように、
素子温度と素子インピーダンスとは、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、素子インピーダ
ンスについても同様のことがいえる。すなわち、ヒータ
性能が低下してくると、検出素子インピーダンスの、目
標素子インピーダンスへの収束速さが低下してくる。そ
して、この収束速さは、実際の素子インピーダンスＺが
目標素子インピーダンスＺ_TGTを上回っている時間から
把握することができ、かかる時間が長いほど収束速さは
小さくなる。

【００３６】また、図１２（Ｂ）〜（Ｄ）から、素子温
度Ｔの曲線と目標素子温度Ｔ_TGTの直線とが囲む部分
（斜線部分）の面積（絶対値）について検討すると、ヒ
ータ性能が低下するにつれてその面積値が大きくなるこ
とがわかる。換言すれば、かかる面積値は、素子温度Ｔ
の、目標素子温度Ｔ_TGTへの収束速さと関連しており、
かかる面積値が大きいほど収束速さは小さくなる。そし
て、前述のように、素子温度と素子インピーダンスと
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、素子インピーダンスＺの曲線と目標素子インピー
ダンスＺ_TGTの直線とが囲む部分の面積についても同様
のことがいえる。したがって、素子インピーダンスＺと
目標素子インピーダンスＺ_TGTとの偏差の絶対値を時間
で積分すれば、その積分値は、ヒータ性能低下の程度を
示す数値となる。そして、その積分値が大きくなるほ
ど、検出素子インピーダンスの、目標素子インピーダン
スへの収束速さが低下していることとなる。本発明は、
以上の知見に基づくヒータ制御を行う。

【００３７】図１３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、ヒータ駆動回路３０に供給するデ
ューティ比Ｒ_DUTYを決定するものであり、所定時間周期
で実行される。まず、ステップ１０２では、図１１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を検出する。次いで、ステッ
プ１０４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。

【００３８】次いで、ステップ１０６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。次いで、ステップ１０８では、Ｚ_ERRSUM←Ｚ_ERRSUM＋Ｚ_ERR なる演算により、偏差の積分値Ｚ_ERRSUMを更新するとと
もに、 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。次いで、ステ
ップ１１０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。な
お、前記したゲインＫ_P、Ｋ_I及びＫ_Dは、後述する処
理により設定される。

【００３９】次いで、ステップ１１２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１１４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１１６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。

【００４０】図１４は、ＣＰＵ４０によって実行される
ヒータ性能判定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２０２では、ヒータ性能判定のために素
子インピーダンスすなわち素子温度をモニタする条件が
成立しているか否かを判定する。このモニタ条件として
は、例えば、ホットアイドル停止状態であって空燃比が
ストイキ近辺にあるよような運転状態が選択される。モ
ニタ条件が成立する場合にはステップ２０４に進む一
方、成立しない場合にはステップ２０６に進む。

【００４１】ステップ２０４では、素子インピーダンス
Ｚを検出する。次いで、ステップ２０８では、Ａ_Z←Ａ_Z＋｜Ｚ−Ｚ_TGT｜なる演算により、素子インピーダンスＺと目標素子イン
ピーダンスＺ_TGTとの偏差の絶対値を時間で積分した
値、すなわち素子インピーダンスＺの曲線と目標素子イ
ンピーダンスＺ_TGTの直線とが囲む部分（図１２
（Ｂ）、（Ｃ）又は（Ｄ）の斜線部分）の面積値Ａ_Zを
更新するとともに、モニタ時間カウンタＣ_Mをインクリ
メントする。一方、ステップ２０２でモニタ条件が成立
しなかった場合に実行されるステップ２０６では、面積
値Ａ_Z及びモニタ時間カウンタＣ_Mを０にクリアして、
本ルーチンを終了する。

【００４２】ステップ２０８に次いで実行されるステッ
プ２１０では、モニタ時間カウンタＣ_Mが所定値Ｃ_M0を
超えたか否かを判定する。このＣ_M0は、例えば１０秒に
相当するカウンタ値である。Ｃ_M≧Ｃ_M0のときにはステ
ップ２１２に進む一方、Ｃ_M＜Ｃ_M0のときには本ルーチ
ンを終了する。

【００４３】ステップ２１２及び２１４では、二つのし
きい値Ａ_Z0及びＡ_Z1（Ａ_Z0＜Ａ_Z1）を用いて面積値Ａ_Z
を判定する。Ａ_Z≦Ａ_Z0のとき、すなわち図１２（Ｂ）
に示される如く面積値Ａ_Zが正常な値であるとみなされ
るときには、ステップ２１６においてゲインＫ_P、Ｋ_I
及びＫ_Dをそれぞれ所定値Ｋ_P0、Ｋ_I0及びＫ_D0に設定す
る。また、Ａ_Z0＜Ａ_Z≦Ａ_Z1のとき、すなわち図１２
（Ｃ）に示される如く面積値Ａ_Zがヒータ性能のある程
度の低下を示す値であるときには、ステップ２１８にお
いてゲインＫ_P、Ｋ_I及びＫ_Dをそれぞれ所定値Ｋ_P1、
Ｋ_I1及びＫ_D1に設定する。ここで、Ｋ_P0＜Ｋ_P1、Ｋ_I0＜
Ｋ_I1及びＫ_D0＜Ｋ_D1となるように設定されているため、
ヒータ性能がある程度低下している場合には、上述のＰ
ＩＤ動作において目標値に対する追従性が増大せしめら
れることとなり、ヒータ性能低下が補償される結果とな
る。

【００４４】一方、Ａ_Z1＜Ａ_Zのとき、すなわち図１２
（Ｄ）に示される如く面積値Ａ_Zがヒータ交換を要する
ほどのヒータ性能低下を示す値であるときには、ステッ
プ２２０においてヒータ劣化フラグＦ_Hを１（オン）に
する。ヒータ劣化フラグＦ_Hは、１になるとその異常が
ユーザに報知されるものの一つである。ステップ２１
６、２１８又は２２０に次いで実行されるステップ２２
２では、次の判定処理に備え、Ａ_Z及びＣ_Mを０にクリ
アして、本ルーチンを終了する。以上の処理によれば、
ヒータの性能が低下してくると、まず、素子インピーダ
ンスのフィードバックによるヒータのＰＩＤ制御におけ
るゲインの増大化がなされ、さらに性能が低下すると、
ヒータの交換が促されることとなる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
空燃比センサ内に設けられたヒータの性能が低下した場
合においても、その性能低下の程度が検出され、センサ
素子の温度を目標温度に精度よく維持するために必要な
対策が採られることとなる。

【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】ＬＰＦへの入力電圧、空燃比センサ大気側電
極への入力電圧、及び空燃比センサからの出力電流の各
波形を示す図である。

【図１２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、内燃
機関の負荷、ヒータ性能が正常な場合の素子温度、ヒー
タ性能がある程度低下している場合の素子温度及びヒー
タ性能が最も低下した場合の素子温度のそれぞれの挙動
を例示するタイムチャートである。

【図１３】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１４】ＣＰＵによって実行されるヒータ性能判定ル
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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２５Ｐ

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
子インピーダンスが目標素子インピーダンスを呈するよ
うに、前記ヒータに供給される電力をフィードバック制
御するヒータ制御手段と、前記ヒータ制御手段によるフィードバック制御の実行中
の所定期間において、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の、前記目標素
子インピーダンスへの収束速さに基づいて前記ヒータの
性能低下の程度を判定するヒータ性能判定手段と、を具備する空燃比検出装置。
【請求項２】前記ヒータ性能判定手段は、前記ヒータ
の性能低下の程度に基づいて、前記ヒータ制御手段によ
るフィードバック制御において使用されるゲインの値を
変更する、請求項１に記載の空燃比検出装置。
【請求項３】前記ヒータ性能判定手段における収束速
さは、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と前記目標素子インピーダンス
との偏差の絶対値を時間で積分した積分値から把握され
る、請求項１に記載の空燃比検出装置。
【請求項４】前記ヒータ性能判定手段は、前記積分値
が所定値以上となるときに前記ヒータが交換を要するほ
どに劣化していると判定する、請求項３に記載の空燃比
検出装置。