JP2007240188A - 空燃比センサの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比センサの故障検出処理において逆電圧を印加した後、より早く安定した出力を得られるように空燃比センサを回復する。
【解決手段】空燃比センサの故障の際には、大気側電極の電位より、排気側電極の電位が高くなるように両者間に第１逆電圧を印加して、逆電流を検出することにより故障の検出を行う。また、空燃比の検出の際には、大気側電極の電位の方が、排気側電極の電位よりも高くなるように両者間に正電圧の印加して、正電流を検出することにより空燃比の検出を行う。更に、空燃比センサの故障検出から、空燃比の検出に移行する際に、排気側電極から大気側電極への酸素の移動を抑制する抑制処理を行う。
【選択図】図４

Description

この発明は、空燃比センサの制御装置に関する。更に具体的には、排気側電極と大気側電極との間に所定の電圧を印加した際に、両者間に流れる電流に応じて空燃比を検出する空燃比センサを制御する、空燃比センサの制御装置に関するものである。

特開２００４−３５３４９４号公報には、排気空燃比に応じた出力を発する空燃比センサの制御装置が開示されている。この装置における空燃比センサは、大気に接する大気側電極と、排気ガスに接する排気側電極と、これらの電極の間に配置された酸素イオン導電性固体電解質層とを備えている。大気側電極と排気側電極とには、それぞれ電極ラインが接続され、空燃比検出時には、大気側電極の電位が高くなるように両電極間に正電圧が印加される。その結果、空燃比センサには、排気側電極と大気側電極との酸素濃度の差に応じたセンサ電流が流れる。従って、センサ電流を検出することにより、排気ガスの空燃比を求めることができる。

また、上記従来技術の装置は空燃比センサの電解質層等に発生する素子割れ（クラック）の発生を検出する手段を有する。具体的に、この装置では、空燃比センサのクラック発生の有無を検査する際、正電圧とは逆に、排気側電極の電位が高くなるように両電極間に逆電圧を印加する。その結果、空燃比センサには、大気側電極が晒されている大気層内の酸素濃度に応じたセンサ電流（逆電流）が流れる。従って、この逆電流を検出することにより、大気層中の酸素濃度を検出することができる。ここで、空燃比センサにクラックが発生している場合には、排気ガスが大気層内に流入しているため、大気層内の酸素濃度が大気よりも低くなっているものと考えられる。このため逆電圧を印加した際、クラックが発生している空燃比センサに流れる逆電流は、正常な空燃比センサに流れる逆電流（すなわち大気中の酸素濃度に応じた電流）よりも小さなものとなる。従って、上記従来技術においては、正常な空燃比センサに流れる逆電流の範囲を基準範囲として、空燃比センサに逆電圧が印加された際に検出される逆電流が基準範囲の最低値よりも小さい場合に、空燃比センサにクラックが発生しているものと判断することとしている。

特開２００４−３５３４９４号公報 特開２００５−０５５２７９号公報 特開２００４−３４０９１４号公報 特開平８−３２７５８６号公報

上記従来技術のような空燃比センサを用いて空燃比の検出を行う際には、正電圧を印加してセンサ電流を検出する必要がある。一方、クラック発生の有無を検査する際は逆電圧を印加する。このため、クラック発生の検査中は、空燃比の検出を行うことができない。また、逆電圧印加中には、大気側電極から排気側電極に、酸素が強制的にポンピングされることとなる。従って、逆電圧印加から正電圧の印加に切り替えた直後は、逆電圧印加中にポンピングされた酸素が排気側電極に残留している状態となっている。このため、正電圧印加直後のセンサ電流は、残留した酸素の影響を受けて、実際の空燃比よりもリーンな出力となる。つまり、逆電圧印加により滞留した酸素が排気側電極付近から除去されて、その影響がなくなるまでの間、空燃比センサの出力は安定せず、実際の空燃比に応じた正確な出力を得ることができない。

しかし、空燃比センサの検出結果に基づいた空燃比フィードバック制御をより早い段階で可能とし、エミッションの向上を図るためには、逆電圧印加後、空燃比センサから安定して正常な出力が得られるまでの回復時間は短時間であることが好ましい。この点、上記従来技術は逆電圧印加による故障の検出について開示するものであるが、逆電圧印加後、早期に空燃比センサの出力を安定させることについて開示するものではない。

従って、本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、空燃比センサに逆電圧を印加した後、より早い段階で安定して正常な出力を得られる状態に空燃比センサを回復できるように改良した空燃比センサの故障検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、空燃比センサの制御装置であって、
前記空燃比センサは、
内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
前記排気通路とは隔離された大気層を形成する大気層形成部材と、
前記大気層に晒された大気側電極と、
前記排気側電極と前記大気側電極との間に介在して、両者間での酸素イオンの移動を可能とする電解質層と、を備え、
前記大気側電極の電位が、前記排気側電極の電位より高くなるように、両者間に正電圧を印加する正電圧印加手段と、
前記正電圧を印加した際、前記大気側電極と前記排気側電極との間に流れる正電流に基づいて、空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記大気側電極の電位より、前記排気側電極の電位が高くなるように両者間に第１逆電圧を印加する第１逆電圧印加手段と、
前記第１逆電圧を印加した際、前記大気側電極と前記排気側電極との間を流れる第１逆電流を検出する第１逆電流検出手段と、
前記第１逆電圧の印加から、前記正電圧の印加に移行する際に、前記排気側電極から前記大気側電極への酸素の移動を抑制する抑制処理を行う抑制処理手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記抑制処理手段は、前記第１逆電圧印加後、前記正電圧を印加する際に、空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように設定する空燃比設定手段を備えることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記抑制処理手段は、前記第１逆電圧印加後、前記正電圧を印加した後、前記大気側電極の電位より、前記排気側電極の電位が高くなるように両者間に第２逆電圧を印加する第２逆電圧印加手段を備えることを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記第２逆電圧は、前記第１逆電圧よりも小さい電圧であることを特徴とする。

第５の発明は、第３または第４の発明において、前記第２逆電圧の印加時間は、前記第１逆電圧の印加時間よりも短いことを特徴とする。

第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、前記抑制処理手段は、前記抑制処理中に、前記空燃比センサの素子温が、空燃比検出中の前記空燃比センサの素子温よりも高くなるように設定する素子温設定手段を備えることを特徴とする。

第７の発明は、空燃比センサの制御装置であって、
空燃比センサの大気側電極の電位が、排気側電極の電位より高くなるように、両者間に正電圧を印加する正電圧印加手段と、
前記正電圧を印加した際、前記大気側電極と前記排気側電極との間に流れる正電流に基づいて、空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記大気側電極の電位より、前記排気側電極の電位が高くなるように両者間に逆電圧を印加する逆電圧印加手段と、
前記逆電圧を印加した際、前記大気側電極と前記排気側電極との間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
前記逆電圧の印加から、前記正電圧の印加に移行する際に、前記排気側電極から前記大気側電極への酸素の移動を抑制する抑制処理を行う抑制処理手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、第１逆電圧の印加から、正電圧の印加に移行する際に、排気側電極から大気側電極への酸素の移動を抑制する抑制処理を行う。これにより、正電圧印加に移行後、より早い段階で、安定して正確な出力が得られる状態に、空燃比センサを回復することができる。

第２の発明によれば、第１逆電圧印加後、正電圧を印加する際に、空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように制御される。従って、逆電圧印加から、正電圧印加に移行した直後、大気側電極から排気側電極に強制的に酸素をポンピングさせることができる。従って、排気側電極に滞留した酸素を、より早く排出することができ、正電圧印加に移行した後、より早い段階で空燃比センサを回復することができる。

第３〜第５の発明によれば、第１逆電圧印加後、正電圧を印加する際に、大気側電極の電位より排気側電極の電位が高くなるように両者間に第２逆電圧を印加する。これにより、正電圧印加に移行直前に、大気側電極から排気側電極に強制的に酸素をポンピングさせることができる。従って、排気側電極に滞留した酸素を、より早く排出することができ、正電圧印加に移行した後、より早い段階で空燃比センサを回復することができる。

第６の発明によれば、抑制処理中に、空燃比センサの素子温が、空燃比検出中の空燃比センサの素子温よりも高くなるように設定する。これにより、大気側電極から排気側電極への酸素のポンピングを促進することができ、より早くに、排気側電極に滞留した酸素を排出することができる。

第７の発明によれば、逆電圧の印加から正電圧の印加に移行する際に、排気側電極から大気側電極への酸素の移動を抑制する抑制処理を行う。これにより、正電圧印加に移行後、より早い段階で、安定して正確な出力が得られる状態に、空燃比センサを回復することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
［空燃比センサの構成］
図１は、本発明の実施の形態において用いられる空燃比センサ１０の構成を説明するための図である。より具体的には、図１は、空燃比センサ１０の、センサ素子部分の断面図を示す。空燃比センサ１０は、図１に示す断面構造を有するセンサ素子と、そのセンサ素子を保護するためのカバーとを備えている。空燃比センサ１０は、そのカバーに覆われたセンサ素子が排気ガスに晒されるように、内燃機関の排気通路に組み付けられる。

空燃比センサ１０のカバーには、排気通路の内部を流通する排気ガスがセンサ素子に到達するように、複数の通気孔が設けられている。このため、図１に示す空燃比センサ１０（センサ素子）は、周囲が排気ガスに晒された状態に置かれることになる。

空燃比センサ１０は、ヒータ層１２を有している。ヒータ層１２の内部には、センサ素子を活性温度に加熱するためのヒータ１４が埋め込まれている。図１において、ヒータ層１２の上には大気層形成部材１６が配置されている。大気層形成部材１６は、アルミナなどのセラミックスで構成されている。

大気層形成部材１６の中央上部には、大気層１８を形成するための窪みが設けられている。大気層形成部材１６の上部には、ジルコニア等で構成された電解質層２０が配置されている。大気層１８は、大気層形成部材１６および電解質層２０により排気通路の内部空間から隔絶されており、かつ、図示しない大気孔により大気に開放されている。

電解質層２０の下面には、大気層１８に晒されるように大気側電極２２が配置されている。一方、電解質層２０の上面には排気側電極２４が配置されている。排気側電極２４は、拡散抵抗層２６により覆われている。拡散抵抗層２６は多孔質性の物質であり、排気通路を流れるガスが排気側電極２４に到達する速度を、適度に規制する働きを有している。

空燃比センサ１０には、図１中に符号(i)を付して示すような正電圧と、符号(ii)を付して示すような逆電圧とが選択的に印加される。正電圧は、具体的には、大気側電極２２が排気側電極２４に比して高電位となるように印加される。この場合、大気側電極２２と排気側電極２４との間には、排気ガス中の酸素過不足量に応じたセンサ電流、つまり、排気ガスの空燃比に応じたセンサ電流が流通する。このため、そのセンサ電流を検出すれば、排気空燃比を検知することができる。

逆電圧は、具体的には、排気側電極２４が大気側電極２２に比して高電位となるように印加される。この場合、大気側電極２２の表面に接している酸素がイオン化されて排気側電極２４に向けてポンピングされる。その結果、排気側電極２４と大気側電極２２との間には、大気層１８中の酸素濃度と相関を有する負の電流、つまり、逆電流が流通する。従って、逆電流を検出すれば、大気層１８内の酸素濃度を検知することができる。なお、ここでは、大気側電極２２から排気側電極２４に向かう電流の向きを正の方向とし、その逆方向を負の方向とする。

［空燃比センサの駆動回路］
図２は、空燃比センサ１０を駆動するためのエンジンコンピュータ（空燃比センサの制御装置）３０の構成を説明するための回路図である。図２に示す回路は、空燃比センサ１０の大気側電極２２に接続される正極端子３２と、空燃比センサ１０の排気側電極２４に接続される負極端子３４を備えている。

正極端子３２の電位は、オペアンプ３６によるフィードバックにより、正側基準電圧（3.3V）に制御されている。負極端子３４には、オペアンプ３８を用いたフィードバック回路と、トランジスタ４０を用いたスイッチ回路が接続されている。トランジスタ４０は、ポート３の状態に応じてON状態とOFF状態を切り替える。負極端子３４の電位は、トランジスタ４０がOFF状態の場合は、オペアンプ３８の機能により負側基準電圧（2.9V）に制御される。一方、トランジスタ４０がONとなると、オペアンプ３８に対する入力電位が高まり、負極端子３４の電位が、正側基準電圧より高い3.7V程度の逆電圧電位に上昇する。

エンジンコンピュータ３０は、以上の通り構成されているため、ポート３をOFF状態とすることで、空燃比センサ１０に対して0.4V程度の正電圧を印加することができる。また、ポート３をON状態とし、負極端子３４の電位を3.7V側にすることで、空燃比センサ１０に対して0.4V程度の逆電圧（第１逆電圧）を印加することができる。

エンジンコンピュータ３０は、更に、ADC2ポートおよびADC4ポートを有している。ADC2ポートには、空燃比センサ１０を流れるセンサ電流に応じた電位が表れる。また、ADC4ポートには、負極端子３４の電位が導かれる。このため、エンジンコンピュータ３０は、ADC2ポートの電位を取り込むことにより、センサ素子に流れる電流を検知することができる。また、ADC4ポートの電位を取り込むことにより、空燃比センサ１０の排気側電極２４にどのような電位が供給されているのかを検知することができる。

また、エンジンコンピュータ３０は、空燃比センサ１０にインピーダンス検出用の電圧を印加し、インピーダンスを検出することができる。ここで、インピーダンスは、空燃比センサ１０の素子温と相関を有する。従って、エンジンコンピュータ３０は、インピーダンス検出用の電圧を印加した際に、空燃比センサ１０のインピーダンスを検出することで、空燃比センサ１０の素子温を検知することができる。また、エンジンコンピュータ３０は、空燃比センサ１０のヒータ１４を制御することで、空燃比センサ１０の素子温を制御することができる。

［空燃比検出モードについて］
図２に示すエンジンコンピュータ３０によれば、空燃比検出モードにおいて、空燃比センサ１０に対して0.4V程度の正電圧を印加しつつ、センサ電流を検知することができる。正電圧印加中、排気通路内がリッチであると、大気側電極２２から排気側電極２４に、酸素濃度差に応じて酸素分子がポンピングされる。一方、排気通路内がリーンの場合、排気側電極２４から大気側電極２２に、酸素分子がポンピングされる。空燃比センサ１０には、この酸素分子のポンピング量に応じて、センサ電流が流れる。つまり、正電圧印加中、空燃比センサ１０には、排気通路内の酸素濃度に応じたセンサ電流が流れるため、そのセンサ電流に基づいて排気空燃比を検知することが可能である。

［クラック検出モードについて］
また、エンジンコンピュータ３０によれば、クラック検出モードにおいて、空燃比センサ１０に対して0.4V程度の逆電圧を印加しつつ、センサ電流（逆電流）を検知することができる。逆電圧印加中、大気側電極２２内の酸素分子が、強制的に排気側電極２４へポンピングされる。従って、逆電圧印加中の逆電流は、大気層１８内部の酸素濃度と相関を有する値となる。ここで、大気層１８の内部は、空燃比センサ１０が正常である場合には、排気通路の内部空間から隔絶された状態に維持されている。従って、大気層１８内部は、大気と同じ酸素濃度に維持されていると考えられ、センサ電流は大気の酸素濃度に応じたものとなる。

しかしながら、空燃比センサ１０には、大気層１８に通じる割れ（クラック）４２などが生ずることがある。図１は、空燃比センサ１０にクラック４２が発生した状態を表している。空燃比センサ１０にクラック４２が生じていると、排気通路内を流通する排気ガスがクラック４２を伝って大気層１８内部に進入する事態が生ずる。この場合、大気層１８内部の酸素濃度は、既燃ガスを含む排気ガスが混入することにより、クラック４２が存在しない場合に比して低下することとなる。空燃比センサ１０を流れる逆電流は、上記の通り、大気層１８内部の酸素濃度に応じた値となる。このため、大気層１８にクラック４２が存在し大気層１８内に排気ガスが混入している場合は、その逆電流が、正常時に比して小さな値となる。

従って、エンジンコンピュータ３０は、排気ガスが排気通路を流通している環境下で、定期的に、空燃比センサ１０に対して逆電圧を印加して、その結果逆電流が正常に発生するか否かを見ることにより、空燃比センサ１０にクラック４２が生じているか否かを判定することができる。

[クラック検出モードから空燃比検出モードへの移行時の処理について]
図３は、空燃比センサ１０のクラック検出モード後、空燃比検出モードに切り替えた場合の、センサ電流を示すグラフである。図３に示すように、クラック検出モードにおいて逆電圧を印加した場合、空燃比センサ１０には、大気層１８内の酸素濃度に応じた逆電流が流れる。その後、空燃比検出モードに切り替えられ、空燃比センサ１０に印加される電圧が正電圧に切り替えられると、空燃比センサ１０に流れるセンサ電流は一気に上昇する。これは、逆電圧印加中に強制的にポンピングされた酸素イオンが、排気側電極２４付近に滞留し、あるいは排気側電極２４に吸着しているためであると考えられる。つまり、滞留、あるいは吸着する酸素の影響により、正電圧印加開始直後は、排気側電極２４付近はリーンな状態となっており、空燃比センサ１０は、実際の排気ガスの空燃比よりもリーンな出力を発することとなる。

正電圧印加開始後、排気通路内に放出された酸素は、排気通路内の排気ガスと共に外部に放出されるため、排気側電極２４付近の雰囲気は、次第に排気ガスに応じた酸素濃度（図３の例ではストイキ近傍）となる。また、正電圧印加直後のリーン状態により、排気側電極２４に吸着した酸素は、排気側電極２４から大気側電極２２側にポンピングされて次第に減少する。このように、排気側電極２４側に滞留、吸着した酸素は、時間の経過と共に徐々に減少し、最終的に、排気側電極２４に接するガスも、排気通路内を流通する排気ガスと同じ酸素濃度（図３の例ではストイキ近傍）となる。これにより、空燃比センサ１０が回復し、排気通路内を流通する排気ガスの酸素濃度に対応する正確なセンサ電流が安定して検出されることとなる。

しかし、空燃比センサ１０は、クラック検出モード中（逆電圧印加中：A期間）、及び逆電圧印加後正電圧に切り替えられ、正常に安定した出力を発するまでの間（回復時間(B0)）、空燃比制御に用いることができない。しかし、空燃比センサ１０を用いて、排気通路内を流れる排気ガスの空燃比フィードバック制御を行うような場合には、空燃比センサの復帰にかかるまでの時間をより短縮化させることが好ましい。

そこで、本実施の形態１においては、クラック検出モード後に、空燃比検出モードに切り替える際、空燃比をストイキよりもリッチに制御する回復処理を行う。図４は、この発明の実施の形態１において、逆電圧印加後、空燃比をリッチに制御する回復処理を行った場合に、空燃比センサ１０から検出されるセンサ電流の変化を表すグラフである。図４に示すように、逆電圧印加後の回復処理を行うことにより、空燃比センサ１０が正常に安定した出力を発するまでの回復時間(B1)が短縮されている。この理由は以下のように考えられる。

逆電圧印加終了直後は、ポンピングされた酸素分子により、排気側電極２４付近はリーンな雰囲気となっている。しかし、正電圧の印加開始と共に、空燃比はリッチに制御される。このため、排気側電極２４付近に滞留する酸素が排気ガスと共にある程度排出され、排気側電極２４付近がリッチな状態となると、排気側電極２４から大気側電極２２への酸素のポンピングが抑えられ、大気側電極２２から排気側電極２４に強制的に酸素分子がポンピングされることとなる。その結果、排気側電極２４に吸着した酸素分子は押し出されて、排気側電極２４から脱離される。排気側電極２４から強制的に脱離された酸素の多くは、排気通路内のガスの流れと共に排出される。従って、単に逆電圧印加から正電圧印加に切り替える従来の場合の回復時間(B0)よりも早く、図４に示すように、回復時間(B1)で正常な出力が得られるように回復される。従って、早い段階で、正確な出力を安定して得られる状態に、空燃比センサ１０を回復させることができる。

また、このような回復処理の間、エンジンコンピュータ３０は、ヒータ１４を制御することにより、センサ素子温が空燃比検出モードにおいて設定される素子温よりも高い温度となるように設定する。このようにすることで、酸素のポンピングによる、吸着酸素を脱離する処理を早めることができ、より早く、空燃比センサ１０を回復させることができる。

図５は、この発明の実施の形態１においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図５のルーチンは、クラック検出モード終了後、空燃比検出モードに移行する際、毎回実行されるルーチンである。図５に示すルーチンにおいては、まず、逆電圧の印加によるクラック検出モードが終了したか否かが判定される（ステップＳ１０２）。ここでは、クラック検出モード終了後にONとされる、回復処理開始フラグがONとされているか否かに基づいて、クラック検出モードが終了したか否かが判定される。ステップＳ１０２において、回復処理開始フラグ＝ONの成立が認められない場合、一旦この処理を終了する。

一方、ステップＳ１０２において、回復処理開始フラグ＝ONの成立が認められた場合、空燃比センサ１０の素子温が、空燃比検出モードにおける素子温よりも高くなるように制御される（ステップＳ１０４）。ここでは、エンジンコンピュータ３０からヒータ１４へ制御信号が出され、ヒータ１４によりセンサ素子が加熱された結果、センサ素子温が所定温度にまで上げられる。

次に、正電圧の印加が開始される（ステップＳ１０６）。ここでは、ポート３がOFF状態とされることにより、空燃比センサ１０に対して0.4V程度の正電圧が印加される。これにより、センサ電流は排気側電極２４付近のリーン雰囲気に応じて一気に上昇する。

次に、空燃比がリッチになるよう制御される（ステップＳ１０８）。すなわち、吸入空気量と燃料噴射量とが制御されることにより、予め定められたリッチ空燃比に制御される。これにより、大気側電極２２から排気側電極２４への酸素のポンピングが促進される。その結果、排気側電極２４に吸着した酸素が排気通路側に放出されて、脱離する。

次に、空燃比センサ１０の回復処理が完了したか否かが判定される（ステップＳ１１０）。ここでは、空燃比をリッチに制御する回復処理を開始してから、回復時間(B1)が経過したか否かに基づいて、空燃比センサ１０の回復処理の完了が判定される。ステップＳ１１０において、回復時間(B1)の経過が認められない場合には、回復処理の完了が認められるまで、空燃比をリッチに制御した状態での回復処理が継続される。一方、ステップＳ１１０において、センサ回復処理の完了が認められた場合、空燃比が通常のストイキ制御に切り替えられる（ステップＳ１１２）。その後、空燃比センサ１０の素子温が、空燃比検出モードにおける通常の活性温度に制御され（ステップＳ１１４）、この処理が終了する。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、クラック検出モードから、空燃比検出モードに切り替える際、一時的に空燃比がリッチになるように制御される。その結果、排気側電極２４から大気側電極２２への酸素のポンピングが抑制され、大気側電極２２から排気側電極２４に酸素が強制的にポンピングされる。従って、逆電圧印加により排気側電極２４に吸着した酸素分子を、早い段階で放出させることができ、逆電圧印加後に安定した出力が得られるようになるまでの回復時間を短縮化することができる。

なお、本実施の形態１においては、逆電圧印加後の回復処理の際、センサ素子温を高温にするように制御する場合について説明した。これは、より早く、排気側電極２４に吸着した酸素を放出させるためである。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、素子温は、空燃比検出モードにおける通常の空燃比センサ１０の活性温度を維持するように制御するものであってもよい。

なお、例えば、実施の形態１において、ステップＳ１０４を実行することにより、この発明の「素子温設定手段」が実現し、ステップＳ１０６を実行することにより「正電圧印加手段」が実現し、ステップＳ１０８を実行することにより「抑制処理手段」及び「空燃比設定手段」が実現する。

実施の形態２．
実施の形態２のシステムは、逆電圧の印加に加えて、回復処理用逆電圧を印加する回路を有する点を除き、実施の形態１のシステムと同様の構成を有する。すなわち、実施の形態２のシステムにおいて、図２のトランジスタ４０は、ポート３がON状態において、接続される抵抗の切り替えにより、逆電圧の電位を、3.7V程度、あるいは、3.5V程度に切り替えることができる。すなわち、ポート３をON状態とし、負電極端子３４の電位を3.7Vとすることで、空燃比センサ１０に対して0.4V程度の逆電圧(第１逆電圧)を印加することができると共に、負極端子３４の電位を3.5V側にすることで、空燃比センサ１０に対して0.2V程度の逆電圧(第２逆電圧)を印加することができる。

実施の形態２のシステムは、クラック検出モード後、空燃比検出モードへ切り替える際の空燃比制御に代えて、0.2V程度の回復処理用逆電圧（第２逆電圧）を印加する点を除いて、実施の形態１のシステムと同様の制御を行う。具体的に、実施の形態２のシステムは、クラック検出モードの後、空燃比検出モードに切り替える際の空燃比センサ１０の回復処理において、一旦、正電圧を印加した直後、再び、短時間の間、回復処理用逆電圧を印加する。つまり、ポート3がOFF状態とされ正電圧が印加された後、再びポート3がON状態とされ、スイッチ回路の切り替えにより、負極端子と正極端子との間に0.2V程度の弱い回復処理用逆電圧が印加される。回復処理用逆電圧の印加時間は、クラック検出モードにおける逆電圧印加時間よりも短く、具体的にここでは、10msec程度の時間とされる。

図６は、この発明の実施の形態１において、クラック検出モードの直後、空燃比検出モードに切り替える際、上記の空燃比センサの回復処理を行った場合に、空燃比センサ１０から検出されるセンサ電流を表すグラフである。また、図４において、実線は、上記の空燃比センサ１０の回復処理を行った場合の例を表し、点線は、比較のため、特に回復処理を行わず、クラック検出モードから空燃比検出モードに切り替えた場合を表している。図６に示すようにクラック検出モード終了後、正電圧が印加されると、センサ電流は一気に上昇する。これは、上記のように排気側電極２４付近に酸素分子が大量に、滞留あるいは吸着しているためと考えられる。

その後、直ちに、弱い回復処理用逆電圧に切り替えられると、センサ電流は、再び逆電流となり一気に低下する。この時、大気側電極２２から排気側電極２４に強制的に酸素がポンピングされる。その結果、排気側電極２４に吸着した酸素分子は押し出されて、排気側電極２４から脱離される。排気側電極２４から強制的に脱離された酸素の多くは、排気通路内の排気ガスの流れと共に外部に排出される。その後、再び正電圧に切り替えると、センサ電流は１度ストイキに対する電流よりも上昇した後、すぐに低下し、排気通路内のガスの酸素濃度に応じた、ストイキに対応するセンサ電流を発する。

ここで、図６に示すように、クラック検出モード終了後、正電圧の印加を開始してから空燃比センサが正常な出力を発するまでの回復時間(B2)は、特に回復処理を行わない従来の場合の回復時間(B0)に対して、大幅に短縮されている。これは、上記のように、回復処理用逆電圧の印加により吸着した酸素分子が強制的に排気側電極２４から脱離されるためであると考えられる。つまり、本実施の形態２によれば、クラック検出モードから空燃比検出モードに切り替える際、従来の回復時間(B0)よりも早く、回復時間(B2)で正常な出力が得られるように空燃比センサ１０を回復させることができる。従って、クラック検出モード終了後、より早い段階で、正確な空燃比制御を開始することができる。

図７は、この発明の実施の形態１においてシステムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図７のルーチンは、図５のルーチンのステップＳ１０８〜Ｓ１１２に代えて、ステップＳ２０２〜Ｓ２０８を実行する点を除き、図５のフローチャートと同じものである。具体的に、図７に示すルーチンにおいて、クラック検出モードの終了が認められた後（ステップＳ１０２）、素子温が通常よりも高温に設定され（ステップＳ１０４）、正電圧の印加が開始される（ステップＳ１０６）。次に、正電圧の印加が完了したか否かが判定される（ステップＳ２０２）。具体的には、正電圧の印加開始後、基準時間が経過したか否かに基づいて、正電圧印加が完了したか否かが判定される。なお、正電圧印加の基準時間は、空燃比センサ１０の回復処理における回復処理用逆電圧印加前の正電圧印加であるため、ごく短時間とされる。ステップＳ２０２において、基準時間の経過が認められない場合には、正電圧の印加完了が認められるまで、正電圧の印加が継続される。

一方、ステップＳ２０２において、正電圧印加の完了が認められた場合、回復処理用逆電圧の印加が開始される（ステップＳ２０４）。ここでは、ポート３がON状態とされ、スイッチ回路が切り替えられることで、空燃比センサ１０に対して0.2V程度の回復処理用逆電圧が印加される。逆電圧印加中、上記のように排気側電極２４に吸着した酸素が押し出されて、排気側電極２４から脱離する。次に、回復処理用逆電圧が完了したか否かが判定される（ステップＳ２０６）。具体的には、回復処理用逆電圧の印加開始後、回復処理用逆電圧印加時間が経過したか否かに基づいて、回復処理用逆電圧の印加が完了したか否かが判定される。なお、回復処理用逆電圧印加時間は、約１０msec程度の短時間とされる。

ステップＳ２０６において、回復処理用逆電圧印加の完了が認められない場合には、ステップＳ２０６において回復処理用逆電圧印加完了が認められるまでの間、この処理が継続される。一方、ステップＳ２０６において、回復処理用逆電圧印加の完了が認められた場合には、再び、電圧が正電圧に設定される（ステップＳ２０８）。すなわち、ポート３がOFF状態とされ、これにより空燃比センサ１０に正電圧が印加される。これにより、空燃比センサ１０による空燃比検出モードに切り替えられ、空燃比の検出が可能な状態とされる。その後、素子温が、空燃比検出モードにおける通常の素子温に制御され（ステップＳ１１４）、この処理が終了する。

以上説明したように、本実施の形態２においては、クラック検出モード後、空燃比検出モードへの切り替え前に、正電圧を印加して直ぐに、回復処理用逆電圧を印加することにより、逆電圧印加によって排気側電極２４に吸着した酸素を排気通路側に押し出すことができる。従って、より早い段階での空燃比センサ１０から、空燃比に応じた安定した出力が得られる状態まで、空燃比センサ１０を回復させることができる。

なお、実施の形態２においては、回復処理用逆電圧は、逆電圧よりも小さく、かつ、短時間で印加する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではない。但し、回復処理用逆電圧印加により排気側電極２４に酸素が再度吸着するのを抑えるため、極短時間で小さな逆電圧を印加することが好ましい。

なお、例えば、実施の形態２において、ステップＳ１０４を実行することにより、この発明の「素子温設定手段」が実現し、ステップＳ２０４を実行することにより「抑制処理手段」及び「第２逆電圧印加手段」が実現し、ステップＳ２０８を実行することにより「正電圧印加手段」が実現する。

また、以上の実施の形態において、各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、本発明に必ずしも必須のものではない。

本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサを駆動するためのエンジンコンピュータの構成を説明するための回路図である。 空燃比センサのクラック検出モードから、空燃比検出モードに切り替えた場合のセンサ電流を説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態１において、クラック検出モードから、空燃比検出モードに切り替えた場合のセンサ電流を説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態１においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において、クラック検出モードから、空燃比検出モードに切り替えた場合のセンサ電流を説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態２においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 空燃比センサ
１２ ヒータ層
１４ ヒータ
１６ 大気層形成部材
１８ 大気層
２０ 電解質層
２２ 大気側電極
２４ 排気側電極
２６ 拡散抵抗層
３０ エンジンコンピュータ
３２ 正極端子
３４ 負極端子
３６、３８ オペアンプ
４０ トランジスタ
４２ クラック

Claims (7)

1. 空燃比センサの制御装置であって、
   前記空燃比センサは、
   内燃機関の排気通路内に晒された排気側電極と、
   前記排気通路とは隔離された大気層を形成する大気層形成部材と、
   前記大気層に晒された大気側電極と、
   前記排気側電極と前記大気側電極との間に介在して、両者間での酸素イオンの移動を可能とする電解質層と、を備え、
   前記大気側電極の電位が、前記排気側電極の電位より高くなるように、両者間に正電圧を印加する正電圧印加手段と、
   前記正電圧を印加した際、前記大気側電極と前記排気側電極との間に流れる正電流に基づいて、空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記大気側電極の電位より、前記排気側電極の電位が高くなるように両者間に第１逆電圧を印加する第１逆電圧印加手段と、
   前記第１逆電圧を印加した際、前記大気側電極と前記排気側電極との間を流れる第１逆電流を検出する第１逆電流検出手段と、
   前記第１逆電圧の印加から、前記正電圧の印加に移行する際に、前記排気側電極から前記大気側電極への酸素の移動を抑制する抑制処理を行う抑制処理手段と、
   を備えることを特徴とする空燃比センサの制御装置。
2. 前記抑制処理手段は、前記第１逆電圧印加後、前記正電圧を印加する際に、空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように設定する空燃比設定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
3. 前記抑制処理手段は、前記第１逆電圧印加後、前記正電圧を印加した後、前記大気側電極の電位より、前記排気側電極の電位が高くなるように両者間に第２逆電圧を印加する第２逆電圧印加手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
4. 前記第２逆電圧は、前記第１逆電圧よりも小さい電圧であることを特徴とする請求項３に記載の空燃比センサの制御装置。
5. 前記第２逆電圧の印加時間は、前記第１逆電圧の印加時間よりも短いことを特徴とする請求項３または４に記載の空燃比センサの制御装置。
6. 前記抑制処理手段は、前記抑制処理中に、前記空燃比センサの素子温が、空燃比検出中の前記空燃比センサの素子温よりも高くなるように設定する素子温設定手段を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の空燃比センサの制御装置。
7. 空燃比センサの制御装置であって、
   空燃比センサの大気側電極の電位が、排気側電極の電位より高くなるように、両者間に正電圧を印加する正電圧印加手段と、
   前記正電圧を印加した際、前記大気側電極と前記排気側電極との間に流れる正電流に基づいて、空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記大気側電極の電位より、前記排気側電極の電位が高くなるように両者間に逆電圧を印加する逆電圧印加手段と、
   前記逆電圧を印加した際、前記大気側電極と前記排気側電極との間を流れる逆電流を検出する逆電流検出手段と、
   前記逆電圧の印加から、前記正電圧の印加に移行する際に、前記排気側電極から前記大気側電極への酸素の移動を抑制する抑制処理を行う抑制処理手段と、
   を備えることを特徴とする空燃比センサの制御装置。

Images