JP2016079825A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサの起電力特性をシフトさせる際における燃料噴射量の制御を適正に実施する。
【解決手段】Ｏ2センサ１６は、固体電解質層３２と、固体電解質層３２を挟む位置に設けられる一対の電極３３，３４とを含むセンサ素子３１を有し、エンジンの排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力の信号を出力する。マイコン４１は、センサ素子３１に印加される印加電流の要求値に基づいて定電流回路４３による電流印加を実施し、センサ素子３１の起電力特性をシフトさせる特性制御手段と、定電流回路４３による電流印加を開始する際に、その電流印加の態様に応じて燃料噴射量を一時的に増量側又は減量側に補正する噴射量補正手段と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスセンサの検出信号により燃料噴射量の制御を実施する制御装置に関するものである。

例えば車両用エンジンでは、同エンジンから排出される排気を検出対象として酸素濃度を検出する起電力出力型のガスセンサ（いわゆるＯ2センサ）が一般に用いられている。このガスセンサは、排気の空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力信号を出力する起電力セルを有するものであり、具体的には、空燃比がリッチであれば約０．９Ｖの起電力信号を出力し、空燃比がリーンであれば約０Ｖの起電力信号を出力する。

また、こうしたガスセンサにおいて、固体電解質層を挟む位置に設けられる一対の電極間に電流を流し、それにより当該ガスセンサの起電力特性（出力特性）をリーン側又はリッチ側にシフトさせるようにした技術が提案されている。例えば特許文献１のガスセンサ制御装置では、ガスセンサの起電力特性を変更する変更要求が有ると判定された場合に、その変更要求に基づいて、一対の電極間に印加する定電流の向きを決定するとともに、該決定した向きで定電流が流れるように定電流回路を制御するようにしている。そして、その定電流の供給により、ガスセンサの起電力特性を好適に制御するようにしている。

特開２０１２−６３３４５号公報

しかしながら、ガスセンサの一対の電極間に電流を印加して起電力特性をシフトさせる場合、電流印加から実際に特性変化するまでには時間を要する。そのため、例えばストイキフィードバック制御からリーンフィードバック制御に切り替える場合等、起電力セルの特性シフトにより空燃比の目標値を変更する場合に、起電力特性の変化の遅れに起因する制御性の低下が生じることが懸念される。かかる場合、意図するよりも燃料噴射量が少なくなったり、多くなったりする等の不都合の発生が懸念される。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、ガスセンサの起電力特性をシフトさせる際における燃料噴射量の制御を適正に実施することができる制御装置を提供することにある。

本発明の制御装置は、固体電解質体（３２）と、該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極（３３，３４）とを含む起電力セル（３１）を有し、内燃機関（１０）の排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力の信号を出力するガスセンサ（１６）に適用され、前記ガスセンサの検出信号に基づいて燃料噴射量の制御を実施するものである。また、前記起電力セルの前記一対の電極間に対しては通電手段（４３）による所定電流の印加が可能になっている。そして、制御装置は、前記起電力セルに印加される印加電流の要求値に基づいて前記通電手段による電流印加を実施し、前記起電力セルの起電力特性をシフトさせる特性制御手段と、前記通電手段による電流印加を開始する際に、その電流印加の態様に応じて燃料噴射量を一時的に増量側又は減量側に補正する噴射量補正手段と、を備えることを特徴とする。

起電力セルに電流を印加して起電力特性（λ変曲点）をシフトさせる場合、起電力特性の変化の遅れに起因する制御性の低下が生じ、ガスセンサの検出信号に基づき実施される燃料噴射量制御において燃料噴射量が過少又は過多になることが懸念される。この点、上記構成では、通電手段による電流印加を開始する際に、その電流印加の態様に応じて燃料噴射量を一時的に増量側又は減量側に補正するようにしたため、起電力特性をシフトさせる際の応答遅れに起因する燃料噴射量のズレ分を、一時的な燃料噴射量補正により是正できる。その結果、ガスセンサの起電力特性をシフトさせる際における燃料噴射量の制御を適正に実施できる。

エンジン制御システムの全体を示す概略構成図。 センサ素子の断面構成とセンサ制御部の概略構成とを示す図。 空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。 センサ素子の限界電流特性を示す図。 センサ素子におけるガス成分の反応を説明するための概略図。 センサ素子の印加電流と特性変曲点のＡ／Ｆとの関係を示す図。 空燃比とセンサ素子の起電力との関係を示す起電力特性図。 特性シフトの処理手順を示すフローチャート。 起電力特性の要求シフト量と印加電流との相関を示す図。 起電力特性のシフト量と燃料補正値との相関を示す図。 第１実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。 第２実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。 起電力特性のシフト量と燃料補正値との相関を示す図。 起電力特性のシフト量と補正期間の長さとの相関を示す図。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、車載エンジン（内燃機関）の排気管に設けられたガスセンサを用い、そのガスセンサの出力に基づいてエンジンの各種制御等を実施するエンジン制御システムについて説明する。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。図１は、本システムの全体概要を示す構成図である。

図１において、エンジン１０は、例えばガソリンエンジンであり、電子制御式のスロットルバルブ１１や、燃料噴射弁１２、点火装置１３等を備えている。エンジン１０の排気管１４（排気部）には排気浄化装置としての触媒１５ａ，１５ｂが設けられている。触媒１５ａ，１５ｂは、例えばいずれも三元触媒よりなり、そのうち触媒１５ａが上流側触媒としての第１触媒、触媒１５ｂが下流側触媒としての第２触媒である。三元触媒は、周知のとおり排気の有害三成分であるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（ＮＯ等の窒素酸化物）を浄化するものであり、ハニカム状、格子状等をなすセラミックス製の担体に白金、パラジウム、ロジウム等の金属を担持させることで構成されている。この場合、三元触媒ではリッチ成分であるＣＯ、ＨＣが酸化作用により浄化され、リーン成分であるＮＯｘが還元作用により浄化される。

第１触媒１５ａの上流側と、触媒１５ａ，１５ｂの間（第１触媒１５ａの下流側でかつ第２触媒１５ｂの上流側）とにはそれぞれＯ2センサ１６，１７が設けられている。Ｏ2センサ１６，１７は、排気の空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号を出力する。

その他、本システムには、スロットルバルブ１１の開度を検出するスロットル開度センサ２１や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角センサ２２、エンジン１０の吸入空気量を検出する空気量センサ２３、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ２４等の各種センサが設けられている。

ＥＣＵ２５は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（マイコン）を主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ２５は、上記各種センサ等から各々信号を入力し、それらの各種信号に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算して燃料噴射弁１２や点火装置１３の駆動を制御する。

特に燃料噴射量制御に関して、ＥＣＵ２５は、第１触媒上流側及び下流側のＯ2センサ１６，１７の検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御を実施することとしている。この場合、ＥＣＵ２５は、上流側Ｏ2センサ１６により検出されたフロント空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）になるようにメインフィードバック制御を実施するとともに、フロント空燃比がリッチ又はリーンに変化してから実際にリッチ判定又はリーン判定がなされるまでの遅延時間を、下流側Ｏ2センサ１７により検出されたリア空燃比に基づいて可変に設定するサブフィードバック制御を実施する。このメインフィードバック制御及びサブフィードバック制御を以下に簡単に説明する。

ＥＣＵ２５は、上流側Ｏ2センサ１６の出力値Ｖ１（フロント空燃比に相当）が基準値（例えば０．４５Ｖ）よりもリッチになってからリッチ遅延時間が経過した時点で、空燃比がリッチになったとのリッチ判定を行い、Ｖ１が基準値よりもリーンになってからリーン遅延時間が経過した時点で、空燃比がリーンになったとのリーン判定を行う。そして、ＥＣＵ２５は、リッチ／リーンの判定結果に基づいて、スキップ及び積分によりフィードバック補正値（噴射補正値）を増減させ、そのフィードバック補正値により燃料噴射量を補正する。かかる制御がメインフィードバック制御に該当する。また、ＥＣＵ２５は、サブフィードバック制御として、下流側Ｏ2センサ１７の出力値Ｖ２（リア空燃比に相当）がリッチかリーンかに応じてリッチ遅延時間及びリーン遅延時間を可変に制御する。この場合、出力値Ｖ２が基準値よりも大きければ（リア空燃比がリッチであれば）、リッチ遅延時間の短縮、及びリーン遅延時間の延長のうち少なくともいずれかを実施する。また、出力値Ｖ２が基準値よりも小さければ（リア空燃比がリーンであれば）、リッチ遅延時間の延長及びリーン遅延時間の短縮の少なくともいずれかを実施する。

また、空燃比フィードバック制御の実施に際しては空燃比学習を実施することとしており、フィードバック補正値に基づいて空燃比学習値を算出し、その空燃比学習値をＥＥＰＲＯＭ等、バックアップ用のメモリに記憶する。この場合、エンジン回転速度やエンジン負荷により区分した複数の運転領域が定められており、その運転領域ごとに空燃比学習値の算出及び記憶が実施されるようになっている。空燃比学習においては、噴射装置の個体差や経年変化等に起因する定常的なフィードバック補正値のズレが算出され、それが空燃比補正値として記憶される。

次に、Ｏ2センサ１６，１７についてその構成を説明する。Ｏ2センサ１６，１７はいずれも同様の基本構成を有するものであるが、ここでは特にＯ2センサ１６について説明する。Ｏ2センサ１６はコップ型構造のセンサ素子３１を有しており、図２にはセンサ素子３１の断面構成を示す。実際には当該センサ素子３１は素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっており、エンジン排気管内に配設されている。センサ素子３１が起電力セルに相当する。

センサ素子３１において、固体電解質層３２は断面コップ状に形成されており、その外表面には排気側電極３３が設けられ、内表面には大気側電極３４が設けられている。これら各電極３３，３４は固体電解質層３２の表面に層状に設けられている。固体電解質層３２は、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3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。また、各電極３３，３４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。各電極３３，３４が一対の対向電極（センサ電極）となっている。固体電解質層３２にて囲まれる内部空間は、基準ガスである大気が導入される大気室３５（基準室）となっており、その大気室３５内にはヒータ３６が収容されている。ヒータ３６は、センサ素子３１を活性化するに十分な発熱容量を有しており、その発熱エネルギによりセンサ素子全体が加熱される。Ｏ2センサ１６の活性温度は、例えば５００〜６５０℃程度である。なお、大気室３５は、基準ガスとしての大気が導入されることでその内部が所定酸素濃度に保持されている。

上記センサ素子３１では、固体電解質層３２の外側（電極３３側）が排気雰囲気、同内側（電極３４側）が大気雰囲気となっており、これら双方の酸素濃度の差（酸素分圧の差）に応じて電極３３，３４間で起電力が発生する。つまり、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力が発生する。この場合、基準側電極である大気側電極３４からすれば、排気側電極３３の側は酸素が低濃度であり、センサ素子３１において大気側電極３４を正側、排気側電極３３を負側として起電力が発生する。これにより、Ｏ2センサ１６は、排気の酸素濃度（すなわち空燃比）に応じた起電力信号を出力する。

図３は、排気の空燃比とセンサ素子３１の起電力との関係を示す起電力特性図である。図３において、横軸は空気過剰率λであり、λ＝１がストイキ（理論空燃比）である。センサ素子３１は、空燃比がリッチかリーンかで異なる起電力を発生し、ストイキ付近で起電力が急変する特性を有する。具体的には、リッチ時のセンサ起電力は約０．９Ｖであり、リーン時のセンサ起電力は約０Ｖである。

また、本実施形態のＯ2センサ１６においては、一般的なＯ2センサに対して構成の一部を変更しており、図２に示すセンサ素子３１では、固体電解質層３２の排気側及び大気側のうち排気側に、排気の拡散を制限するガス拡散抵抗層３７が設けられている。ガス拡散抵抗層３７は、アルミナ、スピネル、ジルコニア等の多孔質体よりなり、排気側電極３３を覆うようにしてセンサ素子３１の外表面に設けられている。これにより、排気は、所定の透過率でガス拡散抵抗層３７を通過して排気側電極３３に到達するものとなっている。

上記構成のセンサ素子３１は、基本的には起電力出力を行う起電力セルであるものの、一対の電極３３，３４間に電圧を印加することで酸素濃度に応じた限界電流を出力する限界電流特性を有するものとなっている。そして詳しくは、ガス拡散抵抗層３７の形態（例えば層厚さやピンホール径）に応じて、限界電流出力が可能なＡ／Ｆ域（酸素濃度域）が変わり、例えばガス拡散抵抗層３７の厚さが大きくなるほど、限界電流出力が可能なＡ／Ｆがリーン側に拡張されるようになっている。具体的には、図４（ａ）に示すように、ガス拡散抵抗層３７の厚さが１００μｍの場合には、Ａ／Ｆ＝１５をリーン側の最大値として限界電流の出力が可能となる。図４（ｂ）に示すように、ガス拡散抵抗層３７の厚さが２００μｍの場合には、Ａ／Ｆ＝１６をリーン側の最大値として限界電流の出力が可能となる。また、図４（ｃ）に示すように、ガス拡散抵抗層３７の厚さが３００μｍの場合には、Ａ／Ｆ＝１８をリーン側の最大値として限界電流の出力が可能となる。

また、図２に示すように、センサ素子３１（Ｏ2センサ１６）にはセンサ制御部４０が接続されており、排気の空燃比（酸素濃度）に応じてセンサ素子３１にて起電力が発生すると、その起電力に相当するセンサ検出信号（起電力信号）がセンサ制御部４０内のマイコン４１に対して出力される。マイコン４１は、センサ素子３１から出力される起電力信号をＡ／Ｄ変換器等を介して取り込み、その起電力信号に基づいて排気の空燃比（特に触媒下流の空燃比）を算出する。センサ制御部４０は、図１に示すＥＣＵ２５内に設けられている。なお、ＥＣＵ２５においては、エンジン制御機能とセンサ制御機能とを有する演算手段としてマイコン４１が設けられている。この場合、マイコン４１は、上述した各種センサの検出結果に基づいて、エンジン回転速度や吸入空気量を算出する。ただし、ＥＣＵ２５において、エンジン制御用のマイコンとセンサ制御用のマイコンとが別々に設けられる構成であってもよい。

また、マイコン４１は、センサ素子３１の活性状態の判定を行うとともに、その判定結果に基づき、ヒータ駆動回路４２を通じてヒータ３６の駆動を制御する。

また本実施形態では、Ｏ2センサ１６の出力特性（起電力特性）を変更すべく、センサ素子３１において一対の電極３３，３４の間に所定の定電流を供給する構成（酸素ポンピングを実施する構成）としており、その出力特性の変更により空燃比フィードバック制御における制御性の向上を図るようにしている。排気側→大気側の向きに定電流を流した場合においてセンサ出力特性が変更される原理は以下のとおりである。

図５に示すように、Ｏ2センサ１６の排気側電極３３の付近には、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、Ｏ2がそれぞれ存在しており、その状況下で、固体電解質層３２を通じて大気側電極３４から排気側電極３３に酸素イオンが移動するように、センサ素子３１に電流を流す。すなわち、センサ素子３１において酸素ポンピングを実施する。この場合、排気側電極３３では、固体電解質層３２を通じて排気側電極３３の側に移動した酸素がＣＯ、ＨＣと反応し、ＣＯ2やＨ2Ｏが生成される。これにより、排気側電極３３の付近におけるＣＯ、ＨＣが除去され、Ｏ2センサ１６の排気側電極付近におけるガス反応の平衡点がリッチ側にシフトする。つまり、空気過剰率λと起電力との関係を示すセンサ起電力特性が全体的にリッチ側にシフトし、それに伴い、起電力がストイキ値（０．４５Ｖ）となるλ点、すなわちリッチ／リーン変曲点がリッチ側にシフトする。

図２に示すように、センサ制御部４０においては、センサ素子３１の大気側電極３４とマイコン４１とを電気的に接続する電気経路の途中に通電手段としての定電流回路４３が接続されている。定電流回路４３は、センサ素子３１において固体電解質層３２を通じて排気側電極３３から大気側電極３４の向き、及び大気側電極３４から排気側電極３３の向きの少なくともいずれかで定電流を流すことを可能とするものである。また、定電流回路４３は、ＰＷＭ駆動部を有し、ＰＷＭ制御（デューティ制御）による電流調整が可能となる構成であってもよい。この場合、定電流回路４３によれば、センサ素子３１において固体電解質層３２を通じて排気側→大気側の向き、又は大気側→排気側の向きのいずれかで電流が流れることになり、それに伴い固体電解質層３２において酸素イオンが移動する。本実施形態では、マイコン４１の指令に基づいて定電流回路４３が定電流の供給を行うようにしている。

ここで、上記のとおりガス拡散抵抗層３７を有するセンサ素子３１では、定電流を供給することによる起電力特性のシフト量の拡張が可能となっている。つまり、起電力特性のリーンシフト量及びリッチシフト量の拡張が可能となっている。これを図４で説明した事項と照らし合わせると、以下のとおりである。

図４（ａ）のようにガス拡散抵抗層３７の厚さを１００μｍにして、Ａ／Ｆ＝１５までの限界電流出力を可能とした場合には、センサ素子３１に定電流を流すことによって、リッチ／リーンの変曲点がＡ／Ｆ＝１５になるように起電力特性をリーンシフトさせることが可能となる。図４（ｂ）のようにガス拡散抵抗層３７の厚さを２００μｍにして、Ａ／Ｆ＝１６までの限界電流出力を可能とした場合には、センサ素子３１に定電流を流すことによって、リッチ／リーンの変曲点がＡ／Ｆ＝１６になるように起電力特性をリーンシフトさせることが可能となる。また、図４（ｃ）のようにガス拡散抵抗層３７の厚さを３００μｍにして、Ａ／Ｆ＝１８までの限界電流出力を可能とした場合には、センサ素子３１に定電流を流すことによって、リッチ／リーンの変曲点がＡ／Ｆ＝１８になるように起電力特性をリーンシフトさせることが可能となる。

また、センサ素子３１では、ガス拡散抵抗層３７の厚さを大きくすることで、シフト量を大きくできることに加え、印加電流を大きくすることで、シフト量を大きくできることが確認されている。図６には、センサ素子３１の印加電流と、起電力特性をシフトさせた状態での特性変曲点のＡ／Ｆとの関係を示す。なお、図６では、ガス拡散抵抗層３７の厚さを１００μｍ、２００μｍ、３００μｍとする場合について印加電流と特性変曲点のＡ／Ｆとの関係を示している。

図６によれば、リッチ／リーンの変曲点がＡ／Ｆ＝１５となるようにリーンシフトさせる場合において、ガス拡散抵抗層３７の厚さが３００μｍであれば印加電流を２．５ｍＡ程度とし、ガス拡散抵抗層３７の厚さが２００μｍであれば印加電流を３．４ｍＡ程度とし、ガス拡散抵抗層３７の厚さが１００μｍであれば印加電流を５．８ｍＡ程度とすればよいことが分かる。

触媒上流側に設けられたＯ2センサ１６では、触媒下流側のＯ2センサ１７に比べて、起電力特性のリッチシフト又はリーンシフトとして要求されるシフト量が大きくなる。また一方で、起電力出力を可能とし、かつ固体電解質層３２の排気側にガス拡散抵抗層３７を有するセンサ素子３１では、所定の電圧印加状態下での限界電流出力が可能となっており、こうした構成を採用することで、起電力特性のシフト量を拡張することが可能となる。かかる場合、ガス拡散抵抗層３７を有するセンサ素子３１を用いることで、起電力特性のリッチシフト又はリーンシフトの要求量が大きくなっても好適なる対処が可能となっている。

センサ素子３１に定電流を供給する場合には、起電力特性の電圧レベルを詳細に示すと、図７のように起電力特性がシフトすると考えられる。つまり、センサ素子３１の一対の電極３３，３４の間において排気側→大気側の向きに定電流を流すと（負の電流を印加すると）、センサ素子３１の起電力特性がリッチ側にシフトし、逆に、一対の電極３３，３４の間において大気側→排気側の向きに定電流を流すと（正の電流を印加すると）、センサ素子３１の起電力特性がリーン側にシフトする。この場合、上述のとおりガス拡散抵抗層３７を有するセンサ素子３１では、起電力特性（λ）をリッチ側及びリーン側に最大２０％ほど（例えば３〜１０％ほど）シフトさせることが可能となる。

ところで、センサ素子３１に電流を印加して起電力特性（λ変曲点）をシフトさせる場合、起電力特性の変化の遅れに起因する制御性の低下が生じ、Ｏ2センサ１６の検出信号に基づき実施される燃料噴射量制御において燃料噴射量が過少又は過多になることが懸念される。

そこで本実施形態は、センサ素子３１に対する電流印加を開始する際に、その電流印加の態様に応じて燃料噴射量を一時的に増量又は減量することとしている。具体的には、センサ素子３１への電流印加が起電力特性をリーンシフトさせるものである場合に燃料噴射量を一時的に減量し、センサ素子３１への電流印加が起電力特性をリッチシフトさせるものである場合に燃料噴射量を一時的に増量する。要するに、起電力特性をシフトさせる際の応答遅れに起因する燃料噴射量のズレ分を、一時的な燃料噴射量補正により是正するようにしている。

次に、マイコン４１により実施される特性シフト処理について詳しく説明する。図８は、特性シフトの処理手順を示すフローチャートであり、本処理は、マイコン４１により所定周期で繰り返し実施される。

図８において、ステップＳ１１では、センサ素子３１について起電力特性（λ変曲点）をシフトする要求の有無を判定し、要求有りの場合に後続のステップＳ１２に進む。本実施形態では、起電力特性をリーンシフトさせる場合とリッチシフトさせる場合とをそれぞれ想定しており、都度のエンジン運転状態に基づいて、リーンシフト及びリッチシフトのいずれかの要求が生じているか否かを判定する。例えば、エンジン１０の冷間始動時や、燃費向上を図るべく低燃費走行を実施する際には、リーンシフトの要求が生じていると判定され、高負荷時において触媒等の保護のための高負荷増量を実施する際には、リッチシフトの要求が生じていると判定される。また、リーンシフト又はリッチシフトさせた状態から元の状態にシフトさせる場合にも、ステップＳ１１が肯定される。なお、要求無しの場合には、そのまま本処理を終了する。

ステップＳ１２では、今回の特性シフトにおける要求シフト量を設定する。このとき、今現在のエンジン運転状態に基づいてリーンシフト側又はリッチシフト側のλシフト量を要求シフト量として設定する。続くステップＳ１３では、要求シフト量に基づいて印加電流の値を決定する。ここで、図９に示すように、起電力特性の要求シフト量と印加電流との相関はあらかじめ定められており、その相関に基づいて印加電流の値が求められる。

その後、ステップＳ１４では、定電流回路４３に対して電流印加の指令信号を出力し、ステップＳ１３で決定した印加電流を、定電流として定電流回路４３から供給させるようにする。

その後、ステップＳ１５では、今現在が、センサ素子３１への電流印加を開始した直後であって、燃料噴射量の増減補正が実施される補正期間内であるか否かを判定する。そして、補正期間内であれば後続のステップＳ１６に進み、補正期間内でなければ本処理を終了する。ステップＳ１６では、空燃比フィードバック制御を停止させる。

その後、ステップＳ１７では、今回の特性シフトがリーン側へのシフトであるか否かを判定する。リーン側へのシフトであればステップＳ１８に進み、燃料噴射量を減量補正する処理を実施する。また、リッチ側へのシフトであればステップＳ１９に進み、燃料噴射量を増量補正する処理を実施する。

本実施形態では、起電力特性の要求シフト量（すなわち印加電流の変化幅）に基づいて、燃料噴射量を増減補正する燃料補正値を可変に設定することとしており、具体的には、図１０の関係を用いて燃料補正値を設定する。図１０では、リーン側へのシフト量が大きくなるほど減量側の燃料補正値を大きくする一方、リッチ側へのシフト量が大きくなるほど増量側の燃料補正値を大きくするような関係が定められている。

また特に、電流印加の開始後には、補正期間内において時間の経過に伴い燃料補正値を初期値から徐々に減少させるようにしている。したがって、ステップＳ１５がＹＥＳとなる期間内では、ステップＳ１８の都度、減量側の燃料補正値の徐減演算が繰り返し実施される一方、ステップＳ１９の都度、増量側の燃料補正値の徐減演算が繰り返し実施される。なお本実施形態では、燃料補正値が徐々に減算されて０になるまでの期間を補正期間としている。

図１１は、空燃比制御をストイキ制御からリーン制御に切り替える際の動作を具体的に示すタイムチャートである。

図１１において、タイミングｔ１以前はストイキフィードバック制御が実施されており、印加電流は０である。そして、タイミングｔ１になると、リーンシフト要求に基づいて所定の印加電流がセンサ素子３１に印加される。このとき、印加電流の変化幅をΔＩとすると、その変化幅ΔＩに基づいて燃料補正値が算出されるとともに、燃料補正値によって燃料噴射量の補正が実施される。ここでは、リーンシフトを想定しているため、減量側の燃料補正値が算出されている。

そして、タイミングｔ１〜ｔ２の補正期間においては、徐々に減じられる燃料補正値を用いて燃料噴射量の補正が実施され、燃料補正値が０になるタイミングｔ２で補正が終了される。なお、補正期間をあらかじめ定めた所定期間とし、その所定期間が経過した時点で噴射量補正を終了する構成であってもよい。

空燃比フィードバック制御は、タイミングｔ１〜ｔ２の期間で停止され、タイミングｔ２で再開される。

また、タイミングｔ３では、空燃比制御をリーン制御からストイキ制御に戻す要求が生じ、これは、起電力特性をリッチ側にシフトさせる要求が生じていることに相当する。この場合、タイミングｔ３では、印加電流を０とし（負側への変化に相当）、その際の変化幅ΔＩに基づいて燃料噴射量の補正が実施される。ここでは、増量側の燃料補正値が算出されている。

そして、タイミングｔ３〜ｔ４の補正期間においては、徐々に減じられる燃料補正値を用いての噴射量補正が実施され、燃料補正値が０になるタイミングｔ４で補正が終了される。空燃比フィードバック制御は、タイミングｔ３〜ｔ４の期間で停止され、タイミングｔ４で再開される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

センサ素子３１に電流を印加して起電力特性（λ変曲点）をシフトさせる場合、起電力特性の変化の遅れに起因する制御性の低下が生じ、Ｏ2センサ１６の検出信号に基づき実施される燃料噴射量制御において燃料噴射量が過少又は過多になることが懸念される。この点、上記構成では、センサ素子３１への電流印加を開始する際に、その電流印加の態様に応じて燃料噴射量を一時的に増量側又は減量側に補正するようにしたため、起電力特性をシフトさせる際の応答遅れに起因する燃料噴射量のズレ分を、一時的な燃料噴射量補正により是正できる。その結果、Ｏ2センサ１６（センサ素子３１）の起電力特性をシフトさせる際における燃料噴射量の制御を適正に実施できる。

センサ素子３１の起電力特性をリーン側にシフトさせる場合には、シフト要求が生じているにも関わらず、特性シフトの応答遅れに起因して、フィードバック補正値の減量側への変化が遅れることが考えられる。また、センサ素子３１の起電力特性をリッチ側にシフトさせる場合には、シフト要求が生じているにも関わらず、特性シフトの応答遅れに起因して、フィードバック補正値の増量側への変化が遅れることが考えられる。この点、リーン側へのシフト時には燃料噴射量を一時的に減量し、リッチ側へのシフト時には燃料噴射量を一時的に増量する構成にしたため、特性シフトの応答遅れに起因するフィードバック補正値のずれ分を好適に是正できる。

印加電流の変化幅（要求シフト量）が大きいほど、所望の起電力特性にシフトするまでの遅れ時間が大きくなると考えられる。この点、印加電流の変化幅（要求シフト量）に基づいて、燃料噴射量の増量値又は減量値を可変に設定する構成としたため、都度の必要状況に応じて、燃料噴射量の増減補正を適正に実施できる。

センサ素子３１に対する電流印加を実施して起電力特性をシフトさせる場合、起電力特性は応答の遅れを伴いつつも徐々に所望の特性にシフトする。この場合、電流印加の開始後における燃料補正値を、補正期間内において徐々に減少させるようにしたため、実際の起電力特性のシフトの状況に対応させつつ噴射量補正を実施できる。これにより、適正なる噴射量補正を実施できる。

センサ素子３１に対して電流印加した状態で燃料噴射量を増量又は減量する場合、空燃比フィードバック制御が実施されると噴射量の増減補正分が戻し側に作用することが懸念される。この点、電流印加状態（特性シフト状態）では空燃比フィードバック制御を停止させるようにしたため、所望の噴射量補正を適正に実施できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、マイコン４１が、センサ素子３１への電流印加をしていない時の第１特性と、同電流印加をしている時の第２特性との一方から他方へのシフトを実施する「第１処理」と、第２特性においてリーンシフトの特性とリッチシフトの特性との一方から他方へのシフトを実施する「第２処理」とをそれぞれ実施する。つまり、マイコン４１は、ストイキ制御の実施中にリーンシフトの要求又はリッチシフトの要求が生じた場合に、その要求に応じた電流をセンサ素子３１に印加して起電力特性をシフトさせる処理（第１処理に相当）を実施する。また、マイコン４１は、起電力特性のリーンシフト時にリッチシフトの要求が生じた場合、又は、起電力特性のリッチシフト時にリーンシフトの要求が生じた場合に、その要求に応じた電流をセンサ素子３１に印加して起電力特性をシフトさせる処理（第２処理に相当）を実施する。

第２処理により起電力特性がシフトされる場合には、λ変曲点がストイキを跨いでリーン側からリッチ側、又はその逆向きに変更される。ここで、λ変曲点がストイキを跨ぐ場合（第２処理）には、λ変曲点がストイキを跨がない場合（第１処理）に比べて、要求シフト量が同じであっても特性シフトの遅れが大きくなると考えられる。そこで本実施形態では、第１処理及び第２処理のいずれが実施されるかに応じて、起電力特性の要求シフト量に対する燃料噴射量の増減補正の程度を変更するようにしている。

図１２は、空燃比制御をストイキ制御からリーン制御に切り替え、さらにその後、リッチ制御に切り替える際の動作を具体的に示すタイムチャートである。

図１２において、タイミングｔ１１以前はストイキフィードバック制御が実施されており、印加電流は０である。そして、タイミングｔ１１になると、リーンシフト要求に基づいて所定の印加電流がセンサ素子３１に印加される。このとき、印加電流の変化幅ΔＩ１に基づいて燃料補正値が算出されるとともに、燃料補正値によって燃料噴射量の減量補正が実施される。燃料補正値は、図１３において第１処理用の相関Ｌ１に基づいて算出されているとよい。

そして、タイミングｔ１１〜ｔ１２の補正期間においては、燃料補正値を用いて燃料噴射量の補正が実施され、燃料補正値が０になるタイミングｔ１２で補正が終了される。

また、タイミングｔ１３では、空燃比制御をリーン制御からリッチ制御に変更する要求（ストイキを跨いでのリッチシフト要求）が生じている。この場合、タイミングｔ１３では、印加電流の変化幅ΔＩ２に基づいて燃料噴射量の増量補正が実施される。燃料補正値は、図１３において第２処理用の相関Ｌ２に基づいて算出されているとよい。図１３において、相関Ｌ２は、相関Ｌ１に比べて起電力特性の要求シフト量（印加電流の変化幅）に対する増減補正の程度が大きいものとなっている。

そして、タイミングｔ１３〜ｔ１４の補正期間においては、徐々に減じられる燃料補正値を用いて燃料噴射量の補正が実施され、燃料補正値が０になるタイミングｔ１４で補正が終了される。

以上第２実施形態によれば、ストイキ⇔リッチ・リーンで起電力特性をシフトさせる第１処理と、リーン⇔リッチで起電力特性をシフトさせる第２処理とを実施可能としたため、都度の状況がストイキ制御、リーン制御、リッチ制御のいずれが実施されている状況であっても、所望とする任意の起電力特性へのシフトが可能となっている。

また、第１処理及び第２処理のいずれが実施されるかに応じて、起電力特性の要求シフト量に対する燃料噴射量の増減補正の程度を変更するようにしたため、一層適正な処置を実現できる。

なお、上記とは異なり、λ変曲点がストイキを跨がない場合（第１処理）と、λ変曲点がストイキを跨ぐ場合（第２処理）とで、起電力特性の要求シフト量に対する燃料噴射量の増減補正の程度を同じにしてもよい。また、λ変曲点がストイキを跨がない場合（第１処理）に、λ変曲点がストイキを跨ぐ場合（第２処理）に比べて、起電力特性の要求シフト量に対する燃料噴射量の増減補正の程度を大きくしてもよい。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・印加電流の変化幅（要求シフト量）が大きいほど、所望の起電力特性にシフトするまでの遅れ時間が大きくなると考えられる。そこでこの点を考慮し、印加電流の変化幅（要求シフト量）に基づいて、燃料噴射量を増減する補正期間を可変に設定する構成にしてもよい。具体的には、図８のステップＳ１５において、図１４の関係を用いて補正期間の長さを設定する。図１４では、リーン側又はリッチ側へのシフト量が大きくなるほど補正期間の長さを大きくするような関係が定められている。これにより、都度の必要状況に応じて、燃料噴射量の増減補正を適正に実施できる。

なお、印加電流の変化幅（要求シフト量）に基づいて燃料補正値を可変に設定する処理と、印加電流の変化幅（要求シフト量）に基づいて補正期間を可変に設定する処理とを共に実施する構成であってもよい。

・センサ素子３１への電流印加の開始時に燃料噴射量を一時的に増量側又は減量側に補正する場合、補正期間を通じて一定量の燃料補正値を用いる構成（初期値を継続して用いる構成）としてもよい。また、燃料補正値を、都度の印加電流の変化幅又は起電力特性の要求シフト量に基づいて可変に設定することに代えて、あらかじめ定めた所定の燃料補正値を用いる構成であってもよい。

・ガス拡散抵抗部を有するＯ2センサとして、所定厚さのガス拡散抵抗層を有する構成に代えて、所定径のピンホールを有する構成であってもよい。

・ガスセンサは、上記構成のＯ2センサ以外に、起電力セルとポンプセルとを備える、いわゆる２セル構造のガスセンサであってもよい。この場合、２セル式ガスセンサの起電力セルについても起電力特性を好適に変更できるとともに、適正なる空燃比検出を実現できるものとなる。また、起電力セル（センサ素子）として、コップ型構造のもの以外に、積層型構造のものを用いることも可能である。

１０…エンジン（内燃機関）、１６…Ｏ2センサ（ガスセンサ）、３１…センサ素子（起電力セル）、３２…固体電解質層、３３…排気側電極、３４…大気側電極、４１…マイコン（特性制御手段、噴射量補正手段）、４３…定電流回路（通電手段）。

Claims (8)

1. 固体電解質体（３２）と、該固体電解質体を挟む位置に設けられる一対の電極（３３，３４）とを含む起電力セル（３１）を有し、内燃機関（１０）の排気を検出対象として該排気の空燃比に応じた起電力の信号を出力するガスセンサ（１６）に適用され、前記ガスセンサの検出信号に基づいて燃料噴射量の制御を実施する制御装置（４１）であって、
   前記起電力セルの前記一対の電極間に対して通電手段（４３）による所定電流の印加が可能になっており、
   前記起電力セルに印加される印加電流の要求値に基づいて前記通電手段による電流印加を実施し、前記起電力セルの起電力特性をシフトさせる特性制御手段と、
   前記通電手段による電流印加を開始する際に、その電流印加の態様に応じて燃料噴射量を一時的に増量側又は減量側に補正する噴射量補正手段と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
2. 前記噴射量補正手段は、前記通電手段による電流印加が前記起電力特性をリーン側にシフトさせるものである場合に燃料噴射量を一時的に減量し、前記通電手段による電流印加が前記起電力特性をリッチ側にシフトさせるものである場合に燃料噴射量を一時的に増量する請求項１に記載の制御装置。
3. 前記印加電流の変化幅又は前記起電力特性の要求シフト量に基づいて、前記噴射量補正手段により燃料噴射量を増減する補正値を設定する補正値設定手段を備える請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記印加電流の変化幅又は前記起電力特性の要求シフト量に基づいて、前記噴射量補正手段により燃料噴射量を補正する補正期間の長さを設定する期間設定手段を備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記噴射量補正手段は、前記通電手段による電流印加の開始時に、前記燃料噴射量を増減する補正値の初期値を設定し、その後、補正期間内において前記補正値を徐々に減少させる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 前記ガスセンサの検出信号に基づいて空燃比を目標値に一致させる空燃比フィードバック制御を実施する制御装置であって、
   前記噴射量補正手段による燃料噴射量の補正時に、前記空燃比フィードバック制御を停止する手段を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御装置。
7. 前記特性制御手段は、前記通電手段による電流印加をしていない時の第１特性と、同電流印加をしている時の第２特性との一方から他方へのシフトを実施する第１処理と、前記第２特性においてリーンシフトの特性とリッチシフトの特性との一方から他方へのシフトを実施する第２処理とをそれぞれ実施可能である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御装置。
8. 前記噴射量補正手段は、前記特性制御手段により前記第１処理及び前記第２処理のいずれが実施されるかに応じて、前記起電力特性の要求シフト量に対する前記燃料噴射量の増減補正の程度を変更する請求項７に記載の制御装置。

Images