JP2022007628A - 空燃比センサの制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの停止中にセンサ素子をヒータにより加熱する場合において、これに伴い消費される電力を低減する。
【解決手段】制御装置は、ヒータへの通電量を制御する第１および第２通電制御を選択的に実行する。第１通電制御は、センサ素子の温度を活性温度域に保持するために行われる。第１通電制御は、センサ素子のインピーダンスが目標値となるように通電量がクローズドループ制御されるＰＷＭ制御である。第２通電制御は、センサ素子の温度を活性温度域よりも低い所定温度域に保持するための通電量がオープンループ制御されるＰＷＭ制御である。制御装置は、内燃機関が停止している場合に前記第２通電制御を実行し、内燃機関が停止していない場合に第１通電制御を実行する。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関（以下、単に「エンジン」とも称す。）からの排気の空燃比を検出する空燃比センサの制御システムに関する。

特開２００３－１４８２０６号公報は、空燃比センサの制御システムを開示する。この従来システムでは、空燃比センサのセンサ素子の温度が目標温度となるように、センサ素子を加熱するヒータの通電量がフィードバックされる制御が行われる。このフィードバック制御は、エンジンの運転中だけでなく、エンジンの停止中も行われる。エンジンの運転中の目標温度は、センサ素子の活性温度に設定される。エンジンの停止中の目標温度は、活性温度よりも低い温度に設定される。

上記公報は、また、上記フィードバック制御として、センサ素子のインピーダンスに基づくフィードバック制御を例示する。インピーダンスは、センサ素子の温度と相関を有することから、センサ素子の温度の代わりに用いられている。インピーダンスに基づくフィードバック制御が行われる場合、エンジンの運転中は、活性温度に相当するインピーダンスの目標値が設定される。エンジンの停止中は、上記低い温度に相当するインピーダンスの目標値が設定される。

特開２００３－１４８２０６号公報

センサ素子のインピーダンスは、センサ素子の温度が低くなるほど大きくなるという特性を有する。そのため、上述したインピーダンスに基づくフィードバック制御が行われる場合、エンジンの停止中におけるインピーダンスの目標値は、エンジンの運転中に設定されるそれに比べて大きな値に設定されることが予想される。

一方、インピーダンスの検出値が大きくなるほど、検出値間のばらつきが大きくなる。そのため、このばらつきを抑えるためには、エンジンの停止中におけるインピーダンスの目標値を比較的小さな値に設定することが求められる。つまり、エンジンの停止中に設定することのできるインピーダンスの目標値には上限制約がある。故に、インピーダンスに基づくフィードバック制御が行われる場合、エンジンの停止中のセンサ素子の加熱により消費される電力を低減することが難しい。

本発明の１つの目的は、エンジンの停止中にセンサ素子をヒータにより加熱する場合において、これに伴い消費される電力を低減することが可能な技術を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関の排気空燃比を検出する空燃比センサの制御システムである。
前記制御システムは、センサ素子と、ヒータと、制御装置と、を備える。
前記センサ素子は、一対の電極を含む。
前記ヒータは、前記センサ素子を加熱する。
前記制御装置は、前記電極間に検出用電圧を印加して前記排気空燃比を検出する。
前記制御装置は、前記ヒータへの通電量を制御する第１および第２通電制御を選択的に実行する。前記第１通電制御は、前記センサ素子の温度を活性温度域に保持するために行われ、前記センサ素子のインピーダンスが目標値となるように前記通電量がクローズドループ制御されるＰＷＭ制御である。前記第２通電制御は、前記センサ素子の温度を前記活性温度域よりも低い所定温度域に保持するための前記通電量がオープンループ制御されるＰＷＭ制御である。
前記制御装置は、更に、
前記内燃機関が停止している場合に前記第２通電制御を実行し、
前記内燃機関が停止していない場合に前記第１通電制御を実行する。

第２の発明は、第１の発明において更に次の特徴を有する。
前記制御装置は、パルス入力回路を備える。
前記パルス入力回路は、前記検出用電圧を変動させるパルス電圧を前記検出用電圧に入力する。
前記制御装置は、更に、
前記内燃機関が停止していない場合に前記パルス電圧の入力を許可し、
前記内燃機関が停止している場合に前記パルス電圧の入力を禁止する。

第３の発明は、第１または第２の発明において更に次の特徴を有する。
前記空燃比センサは、限界電流式のセンサである。
前記制御装置は、更に、
前記内燃機関が停止していない場合に前記検出用電圧を変更する電圧可変制御の実行を許可し、
前記内燃機関が停止している場合に前記電圧可変制御の実行を禁止し、前記電極間に所定の一定電圧を印加する。

第１の発明によれば、第１および第２通電制御が、内燃機関の稼働状態に基づいて選択的に実行される。具体的に、内燃機関が停止している場合には第２通電制御の実行が選択される。内燃機関が停止していない場合には第１通電制御の実行が選択される。

ここで、第１通電制御は、センサ素子の温度を活性温度域に保持するために行われ、センサ素子のインピーダンスが目標値となるようにヒータの通電量がクローズドループ制御されるＰＷＭ制御である。一方、第２通電制御は、センサ素子の温度を活性温度域よりも低い所定温度域に保持するためのヒータの通電量がオープンループ制御されるＰＷＭ制御である。したがって、内燃機関の稼働中には第１通電制御の実行によりセンサ素子の温度を活性温度域に保持することが可能となる。一方、内燃機関の停止中には第２通電制御の実行によりセンサ素子の温度を所定温度域に保持することが可能となる。

そして、第２通電制御は第１通電制御よりも簡易な制御である。そのため、内燃機関の停止中に第２通電制御の実行を選択すれば、当該停止中のヒータによるセンサ素子の加熱に伴い消費される電力を低減することが可能となる。

第２の発明に関し、センサ素子のインピーダンスは、パルス電圧がセンサ素子に印加されたときの電圧変化および電流変化を用いて計算される。つまり、パルス電圧の入力は、センサ素子のインピーダンスを検出して第１通電制御の実行を継続することを目的として行われる。しかしながら、センサ素子の温度が低い状態でパルス電圧の入力が行われると、センサ素子の内部に電荷が溜まり易い。そのため、停止要求がある場合にもパルス電圧の入力が行われると、この電荷が電圧変化または電流変化のノイズとなる。したがって、内燃機関の再始動後における第１通電制御の安定性が低下してしまう。

この点、第２の発明によれば、パルス入力回路からのパルス電圧の入力が、内燃機関の稼働状態に応じて許可または禁止される。具体的に、内燃機関が停止していない場合にはパルス電圧の入力が許可される。一方、内燃機関が停止している場合にはパルス電圧の入力が禁止される。したがって、前者の場合には、第１通電制御の実行を継続することが可能となる。また、後者の場合には、パルス電圧の入力に伴うセンサ素子の劣化または故障の発生を回避することが可能となる。

第３の発明に関し、限界電流式の空燃比センサにおいて電圧可変制御を実行する理由は、空燃比に応じて変わる限界電流域を特定するためである。しかしながら、センサ素子の温度が低い状態ではセンサ素子に電流が流れにくい。このような状況において電圧可変制御が行われると、センサ素子が劣化する可能性がある。

この点、第３の発明によれば、電圧可変制御の実行が、内燃機関の稼働状態に応じて許可または禁止される。具体的に、内燃機関が停止していない場合には電圧可変制御の実行が許可される。一方、内燃機関が停止している場合には、電圧可変制御の実行が禁止される。したがって、前者の場合には電圧可変制御を実行して限界電流域を特定し、排気空燃比を検出することが可能となる。また、後者の場合には、電圧可変制御の実行に伴うセンサ素子の劣化または故障の発生を回避することが可能となる。

また、第３の発明に関し、内燃機関が停止している場合にセンサ素子の電極間に電圧を印加するのを停止してしまうと、内燃機関の再始動時の空燃比センサの出力が不安定になる可能性がある。この点、第３の発明によれば、内燃機関が停止している場合、電極間に所定の一定電圧が印加される。つまり、第３の発明によれば、電圧可変制御の実行が禁止される間、電極間に一定電圧が印加される。したがって、内燃機関の再始動時の空燃比センサの出力が不安定になるのを回避することも可能となる。

空燃比センサの制御システムの適用例を示す図である。 空燃比センサの制御システムの構成例を示す図である。 ２セル式の空燃比センサの構成例を示す図である。 限界電流式の空燃比センサの構成例を示す図である。 センサ素子の温度とインピーダンスの関係の一例を示した図である。 パルス電圧がセンサ素子に印加されるときの問題点を説明する図である。 制御装置が実行する通電制御処理の流れを説明するフローチャートである。 空燃比と限界電流域の関係の一例を示した図である。 制御装置が実行する電圧可変制御に関連した処理の流れを説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

１．空燃比センサの制御システム
１－１．制御システムの適用例
図１は、実施の形態に係る空燃比センサの制御システムの適用例を示す図である。図１には、エンジン１０の排気システムが描かれている。この排気システムは、車両に搭載される。排気システムが搭載される車両としては、エンジン１０を動力源とする自動車、モータ（不図示）を動力源とする電気自動車、および、エンジン１０とモータを備えるハイブリッド自動車が例示される。モータは、二次電池、水素燃料電池、金属燃料電池、アルコール燃料電池などの電池により駆動される。

図１に示される排気システムは、排気管２０の途中に触媒装置３０を備えている。触媒装置３０は、例えばハニカム状に構成されており、排気の流れ方向に形成された複数の内部通路を有している。これらの内部通路を仕切る隔壁には、三元触媒が担持されている。三元触媒は、これに流入する排気の空燃比が理論空燃比（例えば、１４．７）付近の狭い範囲にある場合、排気中の有害成分（例えば、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘ）を浄化する。

触媒装置３０の上流には、空燃比センサ４０Ｆが設けられている。空燃比センサ４０Ｆは、触媒装置３０に流入する排気の空燃比に応じた信号を出力する。触媒装置３０の下流にも、空燃比センサ４０Ｒが設けられている。空燃比センサ４０Ｒは、触媒装置３０を通過した排気の空燃比に応じた信号を出力する。空燃比センサ４０Ｆの構成は、空燃比センサ４０Ｒのそれと同じでもよいし、異なっていてもよい。以下、空燃比センサ４０Ｆおよび４０Ｒを区別する場合を除き、これらのセンサは「空燃比センサ４０」と総称される。空燃比センサ４０の構成例については後述される。

図１に示される排気システムは、制御装置５０を更に備えている。制御装置５０は、空燃比センサ４０の出力を用い、空燃比フィードバック制御を実行する。空燃比フィードバック制御は、例えば、空燃比センサ４０Ｆの出力を用いて計算した排気空燃比に基づくメインフィードバック制御と、空燃比センサ４０Ｒの出力を用いて計算した排気空燃比に基づくサブフィードバック制御と、を含む。

メインフィードバック制御では、空燃比センサ４０Ｆの出力を用いて計算した排気空燃比と、理論空燃比との偏差に基づいて、メインフィードバック値が算出される。サブフィードバック制御では、空燃比センサ４０Ｒの出力を用いて計算した排気空燃比と、三元触媒の最適浄化点に相当する目標空燃比との偏差に基づいて、サブフィードバック値が算出される。メインおよびサブフィードバック値は、エンジン１０における燃料噴射量の計算に用いられる。

制御装置５０は、空燃比センサ４０のセンサ素子の温度を活性温度域に保持するための制御（以下、「第１通電制御」とも称す。）を実行する。制御装置５０は、また、このセンサ素子の温度を所定温度域に保持するための制御（以下、「第２通電制御」とも称す。）を実行する。活性温度域は、例えば６００～７００℃である。所定温度域は、活性温度域よりも低い温度域であり、例えば３００～４００℃である。これらの制御を実行するための制御装置５０の構成例、および、これらの制御の詳細については後述される。

１－２．制御システムの構成例
図２は、実施の形態に係る制御システムの構成例を示す図である。図２に示されるように、実施の形態に係る制御システムは、空燃比センサ４０と、制御装置５０と、バッテリ６０と、を備えている。

空燃比センサ４０は、センサ素子４１と、ヒータ４２と、を備えている。図３および図４は、空燃比センサ４０の構成例を示す図である。図３には、リーン領域からリッチ領域まで連続的に空燃比を測定する空燃比センサ（いわゆる２セル式の空燃比センサ）の構成例が示されている。図４には、限界電流を用いて空燃比を測定する空燃比センサ（いわゆる限界電流式の空燃比センサ）の構成例が示されている。

図３に示される空燃比センサ４０は、ヒータ４２と、固体電解質層４３ａおよび４３ｂと、電極４４ａ～４４ｄと、拡散層４５ａと、を備えている。固体電解質層４３ａ、電極４４ａおよび４４ｂは、ポンプセルを構成する。固体電解質層４３ｂ、電極４４ｃおよび４４ｄは、起電力セルを構成する。図３に示される例では、センサ素子４１が、ポンプセルおよび起電力セルから構成される。ポンプセルと、起電力セルと、拡散層４５ａとにより囲まれる空間は、測定室４６ａを形成する。測定室４６ａは拡散層４５ａを介して排気雰囲気と繋がっている。

図４に示される空燃比センサ４０は、固体電解質層４３ｃと、電極４４ｅおよび４４ｆと、拡散層４５ｂと、絶縁層４７ａおよび４７ｂと、を備えている。図４に示される例では、センサ素子４１が、固体電解質層４３ｃと、電極４４ｅおよび４４ｆとから構成される。固体電解質層４３ｃと、拡散層４５ｂと、絶縁層４７ａと、により囲まれる空間は、測定室４６ｂを形成する。測定室４６ｂは、拡散層４５ｂを介して排気雰囲気と繋がっている。固体電解質層４３ｃと、絶縁層４７ｂと、により囲まれる空間は、基準酸素室４８を形成する。基準酸素室４８には大気が導入される。

図３に示した２種類の空燃比センサ４０における空燃比の検出原理は基本的に同じである。代表として、図４を用いて検出原理を説明する。電極４４ｅが正、電極４４ｆが負となるような電圧ＶＴが印加される場合を考える。このような状況下、測定室４６ｂ内の排気の空燃比がリーンの場合、この排気中の酸素が電極４４ｅ上で酸素イオンとなる。この酸素イオンは、固体電解質層４３ｃを通過して電極４４ｆに移動し、この電極上で酸素となって基準酸素室４８に排出される。一方、測定室４６ｂ内の排気の空燃比がリッチの場合、基準酸素室４８内の大気中の酸素が電極４４ｆ上で酸素イオンとなる。この酸素イオンは、固体電解質層４３ｃを通過して電極４４ｅに移動し、この電極上で酸素となって測定室４６ｂに排出される。酸素イオンの移動に伴いポンプ電流が発生する。排気の空燃比は、このポンプ電流に基づいて測定される。なお、センサ素子４１の電極（すなわち、電極４４ｅおよび４４ｆ）間に印加される電圧ＶＴは、本願における「検出用電圧」に相当する。

図２に戻り、制御システムの構成例の説明を続ける。制御装置５０は、コントローラ５１と、電気制御回路５２と、パルス入力回路５３と、ヒータ制御回路５４と、を備えている。

コントローラ５１は、空燃比フィードバック制御を含むエンジン制御を行うための装置である。コントローラ５１は、典型的には、プロセッサと、記憶装置と、信号の入出力を行うための各種ポートと、を備えるマイクロコンピュータである。プロセッサは、コンピュータプログラムを実行することによって、各種の処理を実行する。記憶装置には、コンピュータプログラム、各種データベースなどが格納される。記憶装置には、各種データが一時的に格納される。

プロセッサが実行する各種の処理には、空燃比フィードバック制御処理が含まれる。各種の処理にはセンサ素子４１の電極間に印加する電圧ＶＴ（すなわち、検出用電圧）の制御処理も含まれる。各種の処理には、更に、第１および第２通電制御処理が含まれる。第１および第２通電制御処理の詳細については後述される。

電気制御回路５２は、センサ素子４１と電気的に接続されている。電気制御回路５２は、コントローラ５１からの制御指令に基づいて、センサ素子４１の電極間に印加する電圧ＶＴを可変制御する。電気制御回路５２は、また、センサ素子４１から出力される検出信号をコントローラ５１に送る。検出信号には、センサ素子４１の電極間に流れる電流ＩＴに応じた信号が含まれる。

パルス入力回路５３は、電気制御回路５２を介してセンサ素子４１にパルス電圧を印加する。パルス入力回路５３は、コントローラ５１からの入力指令に含まれるパルス波形のデータに基づいてパルス電圧を生成し、センサ素子４１に印加する。パルス電圧は一時的に印加される。パルス電圧の印加時間は、数ｍｓ～数百ｍｓの間で適宜設定される。

パルス電圧がセンサ素子４１に印加されると、電気制御回路５２によりセンサ素子４１の電極間に印加される電圧ＶＴが一時的に変動し、この電極間に流れる電流ＩＴも変動する。よって、パルス電圧が印加されている間に電気制御回路５２からコントローラ５１に送られる検出信号には、この印加に伴う変動成分に応じた信号が含まれている。

ヒータ制御回路５４は、例えばトランジスタ（不図示）を備えている。トランジスタのコレクタは、例えば、ヒータ４２の一端に接続されている。このトランジスタのエミッタは、例えば、基準電位に接続されている。このトランジスタのベースは、例えば、コントローラ５１のＰＷＭポートに接続されている。ヒータ４２の他端は、コントローラ５１に電力を供給するバッテリ６０に接続されている。

第１および第２通電制御は、コントローラ５１において計算されるヒータ４２の通電量（デューティ比）に基づいたＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により行われる。ＰＷＭ制御では、コントローラ５１のＰＷＭポートからトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ信号が出力され、これにより、トランジスタのコレクタとエミッタ間を流れる電流、すなわち、バッテリ６０からヒータ４２に流される電流のＯＮ／ＯＦＦが制御される。なお、ヒータ制御回路５４は、ＦＥＴを用いて構成されてもよい。

２．実施の形態の第１の特徴
２－１．第１通電制御
第１通電制御は、センサ素子４１のインピーダンス（以下、「素子インピーダンス」とも称す。）が目標値となるように通電量がクローズドループ制御されるＰＷＭ制御である。第１通電制御は、センサ素子４１の温度（以下、「素子温度」とも称す。）が低くなるほど素子インピーダンスが大きくなるという特性を利用したものである。第１通電制御は、素子温度が活性温度域にある場合に、当該温度を活性温度域に保持するために行われる。

素子インピーダンスは、上述した検出信号を用いて検出される。具体的に、空燃比センサ４０が２セル式のセンサである場合、起電力セルの電極（すなわち、電極４４ｃおよび４４ｄ）間の電位差ＰＤと、この電極間に流れる電流ＩＤと、に基づいて素子インピーダンスが計算される。空燃比センサ４０が限界電流式のセンサである場合、電気制御回路５２によりセンサ素子４１の電極間に印加される電圧ＶＴと、これらの電極間に流れる電流ＩＴと、に基づいて素子インピーダンスが計算される。

２－２．第１通電制御の問題点
素子温度が活性温度域にある間だけでなく、素子温度が活性温度域よりも低い温度域にある間にも第１通電制御を継続して行う場合を考える。ただし、この場合は、素子温度と素子インピーダンスの関係から次の問題がある。この問題について、図５を参照して説明する。図５は、素子温度と素子インピーダンスの関係の一例を示した図である。

図５に示す特性線ＣＨ１は、センサ素子４１の初期状態における上記関係の一例である。特性線ＣＨ２は、センサ素子４１の劣化状態における上記関係の一例である。特性線ＣＨ１およびＣＨ２から分かるように、素子インピーダンスは、素子温度が低くなるにつれて大きくなる。また、特性線ＣＨ１とＣＨ２を比較すると分かるように、素子インピーダンスは、センサ素子４１の劣化が進行するにつれて大きくなる。

ここで、第１通電制御の実行中に計算される素子インピーダンスの間には、ばらつきＶＲが生じる。そして、ばらつきＶＲの大きさは、素子インピーダンスの計算値が大きくなるほど拡大する。そのため、図５に示す温度Ｔ２でのばらつきＶＲ２は、温度Ｔ１（＞温度Ｔ２）でのばらつきＶＲ１よりも大きくなる。また、温度Ｔ３（＞温度Ｔ２）でのばらつきＶＲ３は、ばらつきＶＲ２よりも大きくなる。更に、センサ素子４１が劣化したときの温度Ｔ３でのばらつきＶＲ４は、ばらつきＶＲ３よりも大きくなる。

ばらつきＶＲが拡大すれば、素子温度を適切な温度域に保持することが難しくなる。そのため、エンジン１０の停止中に素子温度が大きく低下する可能性がある。そうすると、エンジン１０の再始動時のセンサ素子４１の暖機に時間を要してしまう。このように、素子温度と素子インピーダンスの関係は、第１通電制御において設定できる素子インピーダンスの目標値に上限制約があることを示している。故に、素子温度が活性温度域よりも低い温度域にある場合は、第１通電制御の実行により消費される電力を低減することが難しい。

素子温度が活性温度域よりも低い温度域にある場合に第１通電制御を継続して行う場合は、次の問題もある。この問題について、図６を参照して説明する。図６は、パルス電圧がセンサ素子４１に印加されたときの電位差ＰＤと電流ＩＤ（または電圧ＶＴと電流ＩＴ）の変動の一例を示した図である。

素子インピーダンスは、パルス電圧がセンサ素子４１に印加されたときの電圧変化ΔＶおよび電流変化ΔＩを用いて計算される。つまり、パルス電圧の印加は、素子インピーダンスを検出して第１通電制御の実行を継続することを目的として行われる。ただし、素子温度が低い状態でパルス電圧の印加が行われると、センサ素子４１の内部に電荷が溜まり易い。そのため、素子温度が活性温度域よりも低い温度域にある場合（例えば、素子温度が図５に示した温度Ｔ３にある場合）にパルス電圧の印加が継続して行われると、この電荷が検出信号のノイズとなる。したがって、エンジン１０の再始動後における第１通電制御の安定性が低下してしまう。

そこで、実施の形態では、エンジン１０が停止している場合、第１通電制御の代わりに第２通電制御を実行する。第２通電制御は、素子温度を所定温度域に保持するための通電量がオープンループ制御されるＰＷＭ制御である。第２通電制御において設定される通電量（デューティ比）は、エンジン１０の再始動後の所定時間（例えば、数秒）内にセンサ素子４１の暖機を完了することのできる値である。この通電量は、エンジン１０の暖機の完了後の長時間（例えば、１時間）のアイドル停止中においても素子温度を所定温度域に保持することのできる値でもある。この通電量の設定に際しては、ヒータ４２の内部抵抗のばらつき幅が考慮されることが望ましい。この通電量は、バッテリ６０の電圧に基づいて補正されることが望ましい。

２－３．制御装置による通電制御処理例
図７は、制御装置５０（コントローラ５１）による通電制御処理の流れを説明するフローチャートである。図７に示されるルーチンは、所定の制御周期で繰り返し実行される。

図７に示されるルーチンでは、停止要求信号の入力があるか否かが判定される（ステップＳ１１）。停止要求信号は、エンジン１０に対する停止要求がある場合に制御装置５０に入力される。停止要求があるか否かは、例えば、車両の走行速度、ドライバによるアクセルペダルの踏み込み量、選択中の運転モードなどに基づいて総合的に判断される。

停止要求信号の入力がないと判定された場合、エンジン１０が停止していないと判断される。この場合、第２通電制御の実行が禁止され、第１通電制御の実行が許可される（ステップＳ１２）。一方、停止要求信号の入力があると判定された場合、エンジン１０が停止していると判断される。この場合、第１通電制御の実行が禁止され、第２通電制御の実行が許可される（ステップＳ１３）。このように、ステップＳ１２またはＳ１３の処理によれば、第１および第２通電制御の一方の実行が禁止されるときには他方の実行が許可される。つまり、第１および第２通電制御が選択的に実行される。

特に、ステップＳ１３の処理によれば、第１通電制御の実行が禁止される。そのため、第１通電制御の実行の継続を目的として行われるパルス電圧の印加もこの実行の禁止に伴い禁止される。換言すると、第１通電制御の実行が許可されるステップＳ１２の処理によれば、パルス電圧の印加も同じく許可される。このように、ステップＳ１２およびＳ１３の処理によれば、エンジン１０の稼働状態の判定結果に基づいて、パルス電圧の印加が許可または禁止される。

３．実施の形態の第２の特徴
３－１．電圧可変制御
空燃比センサ４０が限界電流式のセンサである場合に電圧ＶＴの可変制御が実行される理由は、空燃比と限界電流域の関係に基づいて説明される。図８は、空燃比（Ａ／Ｆ）と限界電流域の関係の一例を示した図である。図８に示されるように、ポンプ電流がほぼ一定値を示す限界電流域は、空燃比ごとに変わる。そのため、可変制御では、限界電流域を特定するために、図８に示す検出用電圧線ＬＶに沿って電圧ＶＴが連続的に変更されている。限界電流域でのポンプ電流と空燃比の関係は既知であることから、電圧ＶＴの変更中に検出されたポンプ電流を用いることで排気空燃比が検出される。

３－２．電圧可変制御の問題点
素子インピーダンスが素子温度の低下に伴い上昇することから分かるように、素子温度が低くなるほどセンサ素子４１には電流が流れにくくなる。そのため、第２通電制御が実行されるエンジン１０の停止中は、第１通電制御の実行中に比べてセンサ素子４１に電流が流れにくい状態にある。このような状況において電圧可変制御が行われると、測定室４６ｂの雰囲気が大気に近いときに印加される高い電圧ＶＴがセンサ素子４１の劣化を引き起こす可能性がある。

そこで、実施の形態では、エンジン１０が停止している場合、電圧可変制御の実行を禁止する。ただし、センサ素子４１の電極（すなわち、電極４４ｅおよび４４ｆ）間に電圧を印加するのを停止してしまうと、エンジン１０の再始動時の空燃比センサ４０の出力が不安定になる可能性がある。そこで、実施の形態では、電圧可変制御の実行を禁止する間、ストイキ近傍の空燃比を検出するための基準電圧（例えば、０．３～０．５Ｖ）をセンサ素子４１の電極間に印加する。

別の例では、エンジン１０に対する停止要求がある直前において検出された排気空燃比に対応する電圧ＶＴをセンサ素子４１の電極間に印加する。更に別の例では、エンジン１０に対する停止要求がある前において検出頻度の最も高い排気空燃比に対応する電圧ＶＴをセンサ素子４１の電極間に印加する。

３－３．制御装置による制御処理例
図９は、制御装置５０（コントローラ５１）による電圧可変制御に関連した処理の流れを説明するフローチャートである。図９に示されるルーチンは、所定の制御周期で繰り返し実行される。

図９に示されるルーチンでは、停止要求信号の入力があるか否かが判定される（ステップＳ２１）。ステップＳ２１の内容は、図７のステップＳ１１のそれと同じである。

停止要求信号の入力がないと判定された場合、エンジン１０が停止していないと判断される。この場合、電圧可変制御の実行が許可される（ステップＳ２２）。一方、停止要求信号の入力があると判定された場合、エンジン１０が停止していると判断される。この場合、電圧可変制御の実行が禁止され、所定の一定電圧が設定される（ステップＳ２３）。このように、ステップＳ２２またはＳ２３の処理によれば、電圧可変制御の実行が停止要求信号の入力に応じて許可または禁止される。また、ステップＳ２３の処理によれば、電圧可変制御の実行が禁止される間の電圧ＶＴ（一定値）が設定される。

４．実施の形態による効果
以上説明した実施の形態の第１の特徴によれば、停止要求信号が入力された場合に第１通電制御の実行が禁止される。そのため、第１通電制御を常に行う場合に想定される問題（例えば、センサ素子の劣化、故障）の発生が回避される。また、第１の特徴によれば、停止要求信号が入力された場合に第２通電制御の実行が許可される。第２通電制御は第１通電制御よりも簡易な制御であり、第１通電制御を実行するための構成により実現される。そのため、停止要求信号が入力された場合においてセンサ素子４１の加熱により消費される電力の低減を、低コストで実現することが可能となる。

実施の形態の第２の特徴によれば、停止要求信号が入力された場合に電圧可変制御の実行が禁止される。そのため、電圧可変制御を常に行う場合に想定される問題の発生が回避される。また、第２の特徴によれば、電圧可変制御の実行が禁止される間の電圧ＶＴ（一定値）が設定される。そのため、電圧可変制御の実行が禁止される間の排気空燃比の検出が可能となる。したがって、エンジン１０の再始動時の空燃比センサ４０の出力が不安定になるのを回避することも可能となる。

１０ 内燃機関（エンジン）
４０，４０Ｆ，４０Ｒ 空燃比センサ
４１ センサ素子
４２ ヒータ
４３ａ～４３ｃ 固体電解質層
４４ａ～４４ｆ 電極
５０ 制御装置
５１ コントローラ
５２ 電気制御回路
５３ パルス入力回路
５４ ヒータ制御回路
６０ バッテリ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気空燃比を検出する空燃比センサの制御システムであって、
   一対の電極を含むセンサ素子と、
   前記センサ素子を加熱するヒータと、
   前記電極間に検出用電圧を印加して前記排気空燃比を検出する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記ヒータへの通電量を制御する第１および第２通電制御を選択的に実行し、
   前記第１通電制御は、前記センサ素子の温度を活性温度域に保持するために行われ、前記センサ素子のインピーダンスが目標値となるように前記通電量がクローズドループ制御されるＰＷＭ制御であり、
   前記第２通電制御は、前記センサ素子の温度を前記活性温度域よりも低い所定温度域に保持するための前記通電量がオープンループ制御されるＰＷＭ制御であり、
   前記制御装置は、更に、
   前記内燃機関が停止している場合に前記第２通電制御を実行し、
   前記内燃機関が停止していない場合に前記第１通電制御を実行する
   ことを特徴とする空燃比センサの制御システム。
2. 請求項１に記載の制御システムであって、
   前記制御装置は、前記検出用電圧を変動させるパルス電圧を前記検出用電圧に入力するパルス入力回路を備え、
   前記制御装置は、更に、
   前記内燃機関が停止していない場合に前記パルス電圧の入力を許可し、
   前記内燃機関が停止している場合に前記パルス電圧の入力を禁止する
   ことを特徴とする空燃比センサの制御システム。
3. 請求項１または２に記載の制御システムであって、
   前記空燃比センサは、限界電流式のセンサであり、
   前記制御装置は、更に、
   前記内燃機関が停止していない場合に前記検出用電圧を変更する電圧可変制御の実行を許可し、
   前記内燃機関が停止している場合に前記電圧可変制御の実行を禁止し、前記電極間に所定の一定電圧を印加する
   ことを特徴とする空燃比センサの制御システム。

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