JP2004069547A - 空燃比センサの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの空燃比にほぼ比例する出力電流特性を有する空燃比センサに対してフィードバック制御の早期開始を可能とする制御装置を提供する。
【解決手段】この装置は、排気ガスの空燃比にほぼ比例する出力電流特性を有する空燃比センサを制御する装置であって、空燃比センサの素子温度を検出する温度検出手段と、空燃比センサへの印加電圧を零に設定する電圧設定手段と、空燃比センサの起電力を測定する起電力測定手段と、該温度検出手段によって検出される素子温度が、半活性状態を示す一定温度範囲にあるときに、電圧設定手段を駆動して空燃比センサへの印加電圧を零に設定するとともに該起電力測定手段によって空燃比センサの起電力を測定することによって、空燃比センサを、排気ガスの空燃比がリッチかリーンかを感知するО_２センサとして機能させるセンサ機能変更手段と、を具備する。
【選択図】　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスの空燃比にほぼ比例する出力電流特性を有する空燃比センサを制御する装置に関する。
【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】
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、素子を加熱し素子温度を一定の値に保つべくヒータが設けられているが、機関始動後、素子温度が活性温度に達するまで一定の時間が必要である。
【０００４】
そこで、特開２０００−２５８３８７号公報は、素子インピーダンスによって素子の状態を判定し、センサが活性化するまでの半活性状態では、センサ出力の信頼性が低いため、フィードバック制御のゲインを低い値としてフィードバック制御を行い、その間におけるエミッションの悪化を抑制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、上記の従来技術では、フィードバック制御のゲインを落としているため、フィードバック制御が遅れるという問題がある。しかも、活性温度が７５０°Ｃと高く、素子温度が活性温度に到達してリニアセンサとして十分に機能するまでに数十秒という長い時間を要することから、上記従来技術は必ずしも有効な手段ではない。また、半活性状態の間、空燃比センサの出力に基づき、ストイキを中心にリッチかリーンかのみを判定してフィードバック制御を行うことも考えられるが、その場合にもセンサの応答が遅いという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガスの空燃比にほぼ比例する出力電流特性を有する空燃比センサに対してフィードバック制御の早期開始を可能とする制御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、排気ガスの空燃比にほぼ比例する出力電流特性を有する空燃比センサを制御する装置であって、該空燃比センサの素子温度を検出する温度検出手段と、該空燃比センサへの印加電圧を零に設定する電圧設定手段と、該空燃比センサの起電力を測定する起電力測定手段と、前記温度検出手段によって検出される素子温度が、半活性状態を示す一定温度範囲にあるときに、前記電圧設定手段を駆動して該空燃比センサへの印加電圧を零に設定するとともに前記起電力測定手段によって該空燃比センサの起電力を測定することによって、該空燃比センサを、排気ガスの空燃比がリッチかリーンかを感知するО_２センサとして機能させるセンサ機能変更手段と、を具備する、空燃比センサの制御装置が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、前記温度検出手段は、該空燃比センサが設けられた内燃機関の積算吸入空気量に基づいて該空燃比センサの素子温度を推定するものである。
【０００９】
あるいは、本発明によれば、前記温度検出手段は、該空燃比センサの素子抵抗を測定することにより該空燃比センサの素子温度を検出するものである。
【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（Ｏ_２　）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Ｏ_２　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。
【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９０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１５が形成されている。
【００１４】
固体電解質層１４は、例えば、本実施形態においては、ＺｒＯ_２　（ジルコニア素子）にＣａＯ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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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１６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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
次いで、図４を用いて、本発明による、空燃比センサの制御装置におけるハードウェア構成の一例について説明する。中央処理装置（ＣＰＵ）４０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）、メモリ等を内蔵している。そして、ＣＰＵ４０は、本発明に係る、空燃比センサの制御装置の中枢としても機能する。
【００２４】
センサ本体１３を駆動する回路として、基準電圧発生回路２２、第一の電圧フォロワ（ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｏｌｌｏｗｅｒ）回路２４、第二の電圧フォロワ回路２６及びスイッチ回路２８が設けられている。基準電圧発生回路２２は、一定電圧Ｖ_ＣＣを分圧して基準電圧３．３Ｖ及び３．０Ｖを発生させる。第一の電圧フォロワ回路２４は、演算増幅器、抵抗器等を備え、スイッチ回路２８を介してセンサ本体１３の大気側電極層１７の電位を基準電圧３．３Ｖに維持する。第二の電圧フォロワ回路２６は、第一の電圧フォロワ回路２４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。
【００２５】
従って、スイッチ回路２８がオンのときには、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。第一の電圧フォロワ回路２４内の抵抗器２４ａが電流検出回路として機能する。なお、抵抗器２４ｂには電流は流れない。抵抗器２４ａの両端の電位Ｖ_０　及びＶ_１　は、ＣＰＵ４０に供給されるようになっている。ＣＰＵ４０は、抵抗器２４ａの両端のアナログ電位Ｖ_０　及びＶ_１　をＡ／Ｄ変換し、両端の電位差“Ｖ_１　−Ｖ_０　”を算出し、その電位差と抵抗器２４ａの抵抗値とに基づいて、第一の電圧フォロワ回路２４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。
【００２６】
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、ひいてはその検出空燃比に基づく空燃比フィードバック制御を実現することができる。しかし、同図に示されるように、素子温度が６００°Ｃや５００°Ｃのとき、即ちセンサ素子が活性化していない状態にあるときには、素子温度が７００°Ｃのとき、即ちセンサ素子が活性状態にあるときに比較して、センサ出力電流の絶対値が低下して正確なフィードバック制御を実施することができない。
【００２７】
一方、センサ素子に電圧を印加しないときの、空燃比と空燃比センサ出力電圧との関係についてみてみると、図６に示されるようになる。この図に示されるように、空燃比センサは、素子温度が３００°Ｃ以上であれば、排気ガスの空燃比が理論空燃比に対してリッチかリーンかを検出するＯ_２　センサが呈するいわゆるＺ特性と同一の特性を示す。
【００２８】
空燃比センサの素子温度が７００°Ｃに達してセンサが活性状態となるまでに通常数十秒を要するが、素子温度が３００°Ｃに達してセンサが半活性状態となるまでに要する時間は通常数秒程度である。したがって、センサが半活性状態にある間、空燃比センサに印加電圧を与えずにＯ_２　センサとして機能させれば、従来の、Ｏ_２　センサ出力によるリッチ／リーン判定に基づく空燃比フィードバック制御を実施することが可能となる。そこで、本発明では、素子温度が、半活性状態を示す一定温度範囲にあるときには、空燃比センサへの印加電圧を零に設定して空燃比センサの起電力を測定することによって、空燃比センサを、排気ガスの空燃比がリッチかリーンかを感知するО_２センサとして機能させるようにしている。
【００２９】
その具体的な制御手順が図７のフローチャートに示される。この制御ルーチンは、中央処理装置（ＣＰＵ）４０によって一定時間周期で実行される。まず、ステップ１０２では、センサ素子温度Ｔが検出される。この検出は、素子温度が内燃機関の積算吸入空気量と同様の変化を示すため、積算吸入空気量を求めることにより、推定することができる。あるいは、素子温度と素子抵抗とが図８の関係を示すことから、素子抵抗を測定して素子温度を求めてもよい。
【００３０】
次いで、ステップ１０４では、素子温度Ｔが３００°Ｃ未満か否かが判定される。Ｔ＜３００°Ｃのときには、空燃比フィードバック制御の実施が不可能であるため、ステップ１０６に進み、オープンループ制御により空燃比が制御される。一方、３００°Ｃ≦Ｔのときには、ステップ１０８に進む。
【００３１】
ステップ１０８では、素子温度Ｔが７５０°Ｃ未満か否かが判定される。Ｔ＜７５０°Ｃのときには、ステップ１１０に進み、スイッチ回路２８がオフとされて、センサに電圧が印加されないようにされる。次いで、ステップ１１２では、センサ本体１３の大気側電極層１７の電位Ｖ_０　が検出され、センサ出力電圧“Ｖ_０−３．０　”が算出される。そして、ステップ１１４では、この出力電圧に基づき、Ｏ_２　センサの場合と同様のリッチ／リーン判定をすることで空燃比フィードバック制御が実施される。
【００３２】
一方、ステップ１０８において７５０°Ｃ≦Ｔと判定されたときには、ステップ１１６に進み、スイッチ回路２８がオンとされて、センサに電圧が印加される。ステップ１１８では、抵抗器２４ａの両端の電位Ｖ_０　及びＶ_１　が測定され、その結果からセンサ出力電流が算出される。そして、ステップ１２０では、この出力電流が空燃比（Ａ／Ｆ）を与えることから、そのＡ／Ｆ検出値に基づく空燃比フィードバック制御が実施される。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、活性温度が高いという特性を有する空燃比センサを用いた場合にあっても、早期にフィードバック制御を開始することが可能となる。したがって、本発明は、機関始動直後における排出ガス浄化性能の向上を図り、排気エミッションの低減に寄与するものである。
【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】本発明による、空燃比センサの制御装置におけるハードウェア構成の一例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】電圧を印加しないときの、空燃比と空燃比センサ出力電圧との関係を示す特性図である。
【図７】ＣＰＵによって実行されるセンサ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８】素子温度と素子抵抗との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…空燃比センサ
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
２２…基準電圧発生回路
２４…第一の電圧フォロワ回路
２４ａ…抵抗器
２４ｂ…抵抗器
２６…第二の電圧フォロワ回路
２８…スイッチ回路
４０…中央処理装置（ＣＰＵ）
９０…内燃機関の排気管

Claims (3)

1. 排気ガスの空燃比にほぼ比例する出力電流特性を有する空燃比センサを制御する装置であって、
   該空燃比センサの素子温度を検出する温度検出手段と、
   該空燃比センサへの印加電圧を零に設定する電圧設定手段と、
   該空燃比センサの起電力を測定する起電力測定手段と、
   前記温度検出手段によって検出される素子温度が、半活性状態を示す一定温度範囲にあるときに、前記電圧設定手段を駆動して該空燃比センサへの印加電圧を零に設定するとともに前記起電力測定手段によって該空燃比センサの起電力を測定することによって、該空燃比センサを、排気ガスの空燃比がリッチかリーンかを感知するО_２センサとして機能させるセンサ機能変更手段と、
   を具備する、空燃比センサの制御装置。
2. 前記温度検出手段は、該空燃比センサが設けられた内燃機関の積算吸入空気量に基づいて該空燃比センサの素子温度を推定するものである、請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
3. 前記温度検出手段は、該空燃比センサの素子抵抗を測定することにより該空燃比センサの素子温度を検出するものである、請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。

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