JP3475494B2

JP3475494B2 - 酸素濃度判定装置

Info

Publication number: JP3475494B2
Application number: JP14591094A
Authority: JP
Inventors: 純長谷川; 磯村　　重則
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 1994-06-28
Publication date: 2003-12-08
Anticipated expiration: 2018-12-08
Also published as: JPH0815215A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気ガス中の
空燃比、即ち酸素濃度等を判定する酸素濃度判定装置に
係り、特に、限界電流式酸素センサを活用して酸素濃度
を判定するに適した酸素濃度判定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の酸素濃度判定装置におい
ては、例えば、特開昭５９ー１６３５５６号公報に示さ
れているように、限界電流式酸素センサの内部抵抗が温
度に応じて変化すること、及び同酸素センサの温度即ち
内部抵抗を特定する電流ー電圧特性が原点を通ることに
着目し、酸素センサを、正電圧により第１期間の間正バ
イアスする一方、負電圧により第２期間の間負バイアス
し、第１及び第２の期間にて、酸素センサを流れる電流
を検出し、第１期間での検出電流に基づき酸素濃度を検
出し、一方、第２期間での検出電流に基づき酸素センサ
の内部抵抗を検出する。そして、この検出内部抵抗がほ
ぼ一定になるように酸素センサを加熱することにより、
酸素センサを活性領域内に維持するように高精度に温度
制御した上で、上述の検出酸素濃度に基づき空燃比を安
定的に判定する。

【０００３】また、特公平１−２８９０５号公報、特公
平１−２５４１９号公報に示されているように、酸素セ
ンサの内部抵抗と温度とが一対一に対応することに着目
し、酸素センサの内部抵抗を検出し、この検出値に応じ
て酸素センサに印加する電圧を計算して、この計算に基
づいて酸素センサに電圧を印加することにより、使用温
度範囲や酸素濃度測定可能範囲の制約を取り除く。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、酸素センサが
活性化される前の検出された空燃比は必ずしも信用ので
きるものではなく、内燃機関の始動直後の運転性との関
係もあり、あえて不正確な空燃比を検出する必要はな
く、むしろ、ヒータ制御により素子温を素早く活性化温
度まで、上げることの方が重要である。

【０００５】そこで、本発明は、このようなことに対処
すべく、酸素センサが活性化するまで強制的に負電圧を
印加し続け、素子温を検出してヒータ制御により、素早
く、素子活性化温度まで上げて、作動開始後、短時間で
正確な酸素濃度（空燃比）を測定することを目的とする
ものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題の解決にあた
り、本発明においては、図１にて例示するごとく、限界
電流式酸素センサと、前記酸素センサが活性化している
かを判別する活性化判別手段と、前記活性化判別手段に
より前記酸素センサが活性化したと判別すると、前記酸
素センサに正電圧を印加すると共に所定期間負電圧に切
り換えて印加する電圧印加手段と、前記活性化判別手段
により前記酸素センサが活性化したと判別するまで前記
電圧印加手段により前記酸素センサに負電圧を印加し続
ける負電圧印加持続手段と、前記電圧の印加により前記
酸素センサに流れる電流を検出する電流検出手段と、前
記負電圧が前記酸素センサに所定期間印加されている時
の前記検出電流に基づき前記酸素センサの素子温を検出
する素子温検出手段と、前記正電圧が前記酸素センサに
印加されている時の前記検出電流に基づき酸素濃度を判
定する酸素濃度判定手段と、前記酸素センサを加熱する
ヒータと、前記素子温検出手段により検出された前記素
子温に基づき前記ヒータの加熱を制御する加熱制御手段
と、を備える酸素濃度判定装置を提供することにある。

【０００７】

【作用】このように本発明を構成したことにより、活性
化判別手段により酸素センサが活性化したと判別するま
で負電圧印加持続手段によって電圧印加手段より酸素セ
ンサに負電圧を印加し続け、負電圧が印加されている時
の検出電流に基づき素子温検出手段により酸素センサの
素子温を検出する。素子温検出手段により検出された素
子温に基づき加熱制御手段によりヒータの加熱を制御し
て、素早く素子温を活性化温度まで上げ、その後、活性
化判別手段により酸素センサが活性化したと判別する
と、酸素センサに正電圧を印加すると共に所定期間負電
圧に切り換えて印加し、正電圧が酸素センサに印加され
ている時の検出電流に基づき酸素濃度判定手段により酸
素濃度を判定すると共に、負電圧が所定期間印加されて
いる時の検出電流に基づき素子温検出手段により酸素セ
ンサの素子温を検出する。

【０００８】

【実施例】

〔第１実施例〕以下、本発明の第１実施例を図面により
説明すると、図２は、内燃機関１０に適用された本発明
に係る酸素濃度判定装置の一例を示している。酸素濃度
判定装置は、限界電流式酸素センサＳを備えており、こ
の酸素センサＳは、内燃機関１０の機関本体１０ａから
延出する排気管１１内に取り付けられている。酸素セン
サＳは、センサ本体２０と、断面コ字状のカバー３０と
によって構成されており、センサ本体２０は、その基端
部にて、排気管１１の周壁の一部に穿設した取り付け穴
部１１ａ内に嵌着されて、同排気管１１の内部に向け延
出している。

【０００９】センサ本体２０は、断面カップ状の拡散抵
抗層２１を有しており、この拡散抵抗層２１は、その開
口端部２１ａにて、排気管１１の取り付け穴部１１ａ内
に嵌着されている。拡散抵抗層２１は、ＺｒＯ₂等のプ
ラズマ溶射法等により形成されている。また、センサ本
体２０は、固体電解質層２２を有しており、この固体電
解質層２２は、酸素イオン伝導性酸化物焼結体により断
面カップ状に形成されて、断面カップ状の排気ガス側電
極層２３を介し抵抗拡散層２１の内周壁に一様に嵌着さ
れており、この固体電解質層２２の内表面には、大気側
電極層２４が断面カップ状に一様に固着されている。か
かる場合、排気側電極層２３及び大気側電極層２４は、
共に、白金等の触媒活性の高い貴金属を化学メッキ等に
より十分ポーラスに形成されている。また、排気ガス側
電極層２３の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ²及び
０．５〜２．０μ 程度となっており、一方、大気側電
極層２４の面積及び厚さは、１０ｍｍ²以上及び０．５
〜２．０μ程度となっている。

【００１０】このように構成したセンサ本体２０は、理
論空燃比点にて濃淡起電力を発生し、理論空燃比点より
リーン領域の酸素濃度に応じた限界電流を発生する。か
かる場合、酸素濃度に対応する限界電流は、排気ガス側
電極層２３の面積、拡散抵抗層２１の厚さ、気孔率及び
平均孔径により決まる。また、このセンサ本体２０は酸
素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、この
センサ本体２０を活性化するのに約６５０℃以上の高温
が必要とされるとともに、同センサ本体２０の活性温度
範囲が狭いため、内燃機関の排気ガスのみによる加熱で
は活性領域を制御できない。このため、後述するヒータ
２６の加熱制御を活用する。なお、理論空燃比よりもリ
ッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）
の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化して、これに
応じた限界電流が発生する。

【００１１】ここで、センサ本体２０の温度をパラメー
タとする同センサ本体２０の電圧ー電流特性について説
明すると、この電流ー電圧特性は、酸素センサＳの検出
酸素濃度（空燃比）に比例するセンサ本体２０の固体電
解質層２２への流入電流と同固体電解質層２２への印加
電圧との関係が直線的であることを示す。そして、セン
サ本体２０が温度Ｔ＝Ｔ1 にて活性状態にあるとき、図
３（Ｂ）にて実線により示すごとき特性グラフＬ1 でも
って安定した状態を示す。かかる場合、特性グラフＬ1
の電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ本体２０の限界電
流を特定する。そして、この限界電流の増減は、空燃比
の減増（即ち、リーン・リッチ）に対応する。また、セ
ンサ本体２０の温度ＴがＴ1よりも低いＴ2にあるとき、
電流ー電圧特性は、図３（Ｂ）の破線により示すごとき
特性グラフＬ2 でもって特定される。かかる場合、特性
グラフＬ2の電圧軸Ｖに平行な直線部分がＴ＝Ｔ2におけ
るセンサ本体２０の限界電流を特定するもので、この限
界電流は、特性グラフＬ1 による限界電流とほぼ一致し
ている。

【００１２】そして、特性グラフＬ1 において、センサ
本体２０の固体電解質層２２に正の印加電圧Ｖposを印
加すれば、センサ本体２０に流れる電流が限界電流Ｉpo
s（図３（Ｂ）にて点Ｐ1 参照）となる。また、センサ
本体２０の固体電解質層２２に負の印加電圧Ｖneg を印
加すれば、センサ本体２０に流れる電流が、酸素濃度に
依存せず温度のみに比例する点Ｐ2で特定される負の電
流Ｉnegとなる。従って、このときの電流Ｉneg を活用
してヒータ２６の加熱制御を行うことによりセンサ本体
２０の内部抵抗をほぼ一定にして同センサ本体２０を活
性状態に維持することが可能となる。

【００１３】また、センサ本体２０は、ヒータ２６を有
しており、このヒータ２６は、大気側電極層２４内に収
容されて、その発熱エネルギーにより、大気側電極層２
４、固体電解質層２２、排気ガス側電極層２３及び拡散
抵抗層２１を加熱する。かかる場合、ヒータ２６は、セ
ンサ本体２０を活性化するに十分な発熱容量を有する。
カバー３０は、センサ本体２０を覆蓋して、その開口部
にて、排気管１１の周壁の一部に嵌着されており、この
カバー３０の周壁の一部には、小孔３１が、カバー３０
の外部を同カバー３０の内部と連通させるべく、穿設さ
れている。これにより、カバー３０は、センサ本体２０
の排気ガスとの直接接触を防止しつつ、同センサ本体２
０の保温を確保する。

【００１４】また、酸素濃度判定装置は、図２にて示す
ごとく、バイアス制御回路４０を備えており、このバイ
アス制御回路４０は、正バイアス用直流電源４１、負バ
イアス用直流電源４２及び切り換えスイッチ回路４３に
よって構成されている。直流電源４１は、その負側電極
にて、導線４１ａを介し排気ガス側電極層２３の一端に
接続されており、一方、直流電源４２は、その正側電極
にて、導線４１ａを介し排気ガス側電極層２３の一端に
接続されている。切り換えスイッチ回路４３は、その第
１切り換え状態にて、直流電源４１の正側電極のみを電
流検出回路５０の入力端子５１に接続し、一方、その第
２切り換え状態にて、直流電源４２の負側電極のみを電
流検出回路５０の入力端子５１に接続するようになって
おり、入力端子５１から電流検出回路５０を介しさらに
導線４２ａを介して大気側電極層２４に接続されてい
る。従って、切り換えスイッチ回路４３が第１切り換え
状態にあるとき、直流電源４１が固体電解質層２２を正
バイアスし同固体電解質層２２に電流を正方向に流す。
一方、切り換えスイッチ回路４３が第２切り換え状態に
あるとき、直流電源４２が固体電解質層２２を負バイア
スし同固体電解質層２２に電流を負方向に流す。かかる
場合、各直流電源４１、４２の端子電圧は、上述の印加
電圧Ｖpos及びＶnegにそれぞれ相当する。

【００１５】電流検出回路５０は、センサ本体２０の大
気側電極層２４から切り換えスイッチ回路４３へ流れる
電流又はその逆方向へ流れる電流、つまり、固体電解質
層２２を流れる電流を検出し、Ａ−Ｄ変換器６０に出力
する。このＡ−Ｄ変換器６０は、電流検出回路５０から
の検出電流をディジタル変換してマイクロコンピュータ
７０に出力する。マイクロコンピュータ７０は、コンピ
ュータプログラムを、図４にて示すフローチャートに従
いＡ−Ｄ変換器６０との協働により実行し、この実行中
において、加熱制御回路８０及び燃料噴射制御装置（以
下、ＥＦＩという）９０を駆動制御するに必要な演算処
理を行う。但し、上述のコンピュータプログラムはマイ
クロコンピュータ７０のＲＯＭに予め記憶されている。
また、加熱制御回路８０は、マイクロコンピュータ７０
による制御のもとに、酸素センサＳの素子温に応じてヒ
ータ２６の加熱制御を行う。なお、ＥＦＩ９０は、マイ
クロコンピュータ７０による制御のもとに、内燃機関１
０の排気ガス量、回転数、吸入空気流量、吸気管負圧や
冷却水温等の内燃機関情報に応じて燃料噴射制御を行
う。

【００１６】このように構成した本第１実施例におい
て、内燃機関１０の作動のもとにマイクロコンピュータ
７０が、図４のフローチャートに従いコンピュータプロ
グラムをステップ１００にて実行開始した後、同コンピ
ュータプログラムの実行を繰り返し行っているものとす
る。まず、ステップ１４１にて酸素センサＳが活性状態
にあるか、否かを判別する。この判別条件としては酸
素センサＳの素子温が酸素センサＳが活性化するのに十
分な温度に達している、内燃機関の始動後、酸素セン
サＳが活性化するのに十分な時間ｔA が経過している
（ここで、時間ｔAは一定値でもよいが、内燃機関の冷
却水温が低い程、活性化判定時間が長くなるような値を
マイクロコンピュータ７０のＲＯＭに記憶設定しておく
のが好ましい）、のいずれか一方を満足した時、または
双方を満足した時に酸素センサＳが活性状態にあり安定
しているものと判別する。そしてステップ１４１にて
「ＹＥＳ」と判別するとステップ１０１へ進み、内燃機
関の暖機状態や運転状態に基づいて温度検出周期を可変
設定した後、次のステップ１０２においてステップ１０
１で可変設定された温度検出周期か否かを判別し、温度
検出周期でなければステップ１０２にて「ＮＯ」との判
別が繰り返されている。

【００１７】そして、このような状態においては、マイ
クロコンピュータ７０がコンピュータプログラムを図４
のステップ１１１及びステップ１２３以後に進め、ステ
ップ１１１にて、センサ本体２０に対し正の印加電圧Ｖ
posを印加するに要する正バイアス指令をバイアス制御
回路４０の切り換えスイッチ回路４３に出力する。ここ
で、印加電圧Ｖposは一定値でもよいが、図３（Ｂ）に
示すごとく酸素センサＳの素子温や酸素濃度に応じて限
界電流を検出するのに必要な印加電圧Ｖposが変化する
ため、素子温や酸素濃度に応じて印加電圧Ｖposを変化
させる（素子温が低い時には高い時より印加電圧Ｖpos
を高い値に設定し、酸素濃度が濃い（空燃比がリーン）
時には薄い（空燃比がリッチ）時より印加電圧Ｖposを
高い値に設定する）のが好ましい。すると、この切り換
えスイッチ回路４３が、マイクロコンピュータ７０から
の正バイアス指令に応答して、第１切り換え状態とな
り、直流電源４１の正側電極を電流検出回路５０の入力
端子５１に接続する。このため、直流電源４１からの電
流Ｉpos が、電流検出回路５０、導線４２ａ、大気側電
極２４、固体電解質層２２、排気ガス側電極２３及び導
線４１ａを通り限界電流として流れる。

【００１８】ついで、電流検出回路５０がその流入電流
Ｉposを検出し、Ａ−Ｄ変換器６０が、同検出流入電流
Ｉposをディジタル変換しマイクロコンピュータ７０に
出力する。すると、マイクロコンピュータ７０が、同変
換電流Ｉposをステップ１２３にて入力されて減少終了
電流Ｉposaとセットし、ステップ１２４にて、図５
（Ｂ）にて示す酸素濃度ー限界電流データに基づき減少
終了電流Ｉposa即ち限界電流に応じて酸素濃度即ち空燃
比を判定する。但し、図５（Ｂ）の酸素濃度ー限界電流
データは、温度Ｔ＝Ｔ1 における排気ガス中の酸素濃度
即ち空燃比とセンサ本体２０の限界電流との直線的関係
を特定するデータとしてマイクロコンピュータ７０のＲ
ＯＭに予め記憶されている。このようにして空燃比が判
定されると、マイクロコンピュータ７０が、ステップ１
２５にて、同判定空燃比を考慮してＥＦＩ９０の燃料噴
射制御に要する演算処理をする。このため、ＥＦＩ９０
が、同演算処理に基づき内燃機関１０への燃料噴射制御
を行う。

【００１９】このような状態において、ステップ１０１
で設定された温度検出周期との判断のもとに、マイクロ
コンピュータ７０が、ステップ１０２にて「ＹＥＳ」と
判別し、ステップ１１２にて、センサ本体２０に対し負
の印加電圧Ｖneg を印加するに要する負バイアス指令を
バイアス制御回路４０の切り換えスイッチ回路４３に出
力する（図５（Ａ）参照）。すると、この切り換えスイ
ッチ回路４３が、マイクロコンピュータ７０からの負バ
イアス指令に応答して、第２切り換え状態となり、直流
電源４２の負側電極を電流検出回路５０の入力端子５１
に接続する。このため、直流電源４２からの電流Ｉneg
（図５（Ａ）にて図示実線参照）が、導線４１ａ、セン
サ本体２０の排気ガス側電極２３、固体電解質層２２、
大気側電極２４、導線４２ａ及び電流検出回路５０を通
り流れ始める。

【００２０】上述のようなステップ１１２での演算処理
後、マイクロコンピュータ７０が、ステップ１０３に
て、所定時間ｔ1 の間、時間待ちするため所定時間ｔ1
経過したか判別する。かかる場合、所定時間ｔ1は、次
のように定められている。電流Ｉnegが、センサ本体２
０への負バイアス時以後、図５（Ａ）の実線及び破線に
より示すごとく、指数関数的に増大する。従って、従来
のように、この電流Ｉnegが飽和するまで待って電流Ｉn
egを検出した場合には、その後の空燃比の判定時期も遅
延することとなる。このため、電流Ｉnegの飽和を待つ
ことなく同電流Ｉnegの増加過程中の一時期の値Ｉnega
を活用し、同一時期において、当該電流Ｉnegの飽和電
流Ｉnegsを推測するようにした。これにより、空燃比の
判定時期が早くなることが分かる。そこで、センサ本体
２０への負バイアス後電流Ｉnegの変化傾向が比較的に
高く維持される時期までの適正な時間を所定時間ｔ1と
選定しマイクロコンピュータ７０のＲＯＭに予め記憶す
ることとした。

【００２１】ステップ１０３で「ＮＯ」と判定された場
合はステップ１０４に進み、このステップ１０４におい
て吸気管圧力もしくは吸入空気量の変化量が所定値以上
であるか否か、すなわち、エンジンが過渡的な状態にあ
るか否かを判断する。ステップ１０４で「ＮＯ」と判定
された場合は、ステップ１０３に戻り、この処理を繰り
返す。ステップ１０４で「ＹＥＳ」と判定された場合は
次のステップ１０５へ進み、このステップ１０５におい
て負バイアス指令を中止した後、ステップ１２０へ進
む。

【００２２】しかして、ステップ１０３における時間待
ちが終了すると、マイクロコンピュータ７０が、ステッ
プ１１４にて、Ａ−Ｄ変換器６０からの変換電流Ｉneg
を電流Ｉnegaと設定し、ステップ１１５にて、同電流Ｉ
negaに応じて、電流Ｉnegと印加電圧Ｖnegとの関係を表
す過渡現象方程式に基づき飽和電流Ｉnegsを推測する。
かかる場合、上記過渡現象方程式は、センサ本体２０の
負バイアス時期を初期条件として構成されて、マイクロ
コンピュータ７０のＲＯＭに予め記憶されている。然る
後、マイクロコンピュータ７０が、ステップ１１６に
て、推測飽和電流Ｉnegsに応じて推測飽和電流ー温度特
性データに基づきセンサ本体２０の温度を判定する。但
し、上述の推測飽和電流ー温度特性データは、推測飽和
電流｜Ｉnegs｜とセンサ本体２０の温度との間の正比例
的関係を表すデータとしてマイクロコンピュータ７０の
ＲＯＭに予め記憶されている。

【００２３】このようにしてセンサ本体２０の温度が判
定されると、マイクロコンピュータ７０が、ステップ１
１７にて、ステップ１１６での判定温度を温度Ｔ1（特
性グラフＬ1参照）に上昇維持するようにヒータ２６を
加熱制御すべく演算処理をする。このため、加熱制御回
路８０が、同マイクロコンピュータ７０の加熱制御演算
処理に基づきヒータ２６を加熱制御する。これにより、
センサ本体２０の温度が一時的に低下しても逸速く温度
Ｔ1に復帰する。

【００２４】このため、マイクロコンピュータ７０が、
ステップ１２０にて、空燃比が安定な判定可能状態にあ
るか否かを判別する。この判別条件は上述したステップ
１４１の酸素センサＳの活性化判別条件を満足した時、
空燃比が安定な判別条件にあると判別する。そして、ス
テップ１２０にて、空燃比の安定な判定可能状態との判
断のもとに「ＹＥＳ」と判別し、コンピュータプログラ
ムをステップ１２１以後に進める。しかして、マイクロ
コンピュータ７０が、ステップ１２１にて、センサ本体
２０に対し正の印加電圧Ｖposを印加するに要する正バ
イアス指令をバイアス制御回路４０に出力する。する
と、同バイアス制御回路４０が、上述と同様に直流電源
４１からの印加電圧Ｖposをセンサ本体２０に印加す
る。このことは、上述の所定期間ｔ1の経過直後に印加
電圧Ｖposのセンサ本体２０への印加が行われることを
意味する。このため、直流電源４１からの電流Ｉpos
が、所定期間ｔ1の経過直後から、導線４１ａ、センサ
本体２０の排気ガス側電極２３、固体電解質層２２、大
気側電極２４、導線４２ａ及び電流検出回路５０を通り
限界電流として流れ始める。換言すれば、図５（Ａ）に
て示すように、センサ本体２０を流れていた電流Ｉneg
が、所定期間ｔ1の経過直後に図示実線により示すごと
く反転して立ち上がって電流Ｉposとなり以後指数関数
的に減少し始めることとなる。

【００２５】また、上述のようにステップ１２１におけ
る演算処理が終了すると、マイクロコンピュータ７０
が、次のステップ１２２にて、所定時間（ｔ11−ｔ1）
（図５（Ａ）参照）の間だけ時間待ちをする。但し、ｔ
11は、上述のように電流Ｉnegが流れ始めた時期から、
所定期間ｔ1の経過直後に流れ始めた電流Ｉposが指数関
数的に減少し終える時期までの時間を表す。かかる場
合、所定時間（ｔ11−ｔ1 ）は、次のような根拠に基づ
き定められている。

【００２６】まず、従来と同様に電流Ｉnegが図５
（Ａ）の図示実線により示すごとく指数関数的に変化し
図示破線により示すごとく飽和する時期に印加電圧Ｖpo
sをセンサ本体２０に印加（図５（Ａ）にて図示破線参
照）して正バイアスする場合と、本実施例のように所定
期間ｔ1の経過直後に印加電圧Ｖposをセンサ本体２０に
印加（図５（Ａ）にて図示実線参照）して正バイアスす
る場合とを比較してみる。但し、従来の場合の電流Ｉne
gの飽和に要する時間を図５（Ａ）にて示すごとくｔ2に
より表すものとする。

【００２７】かかる場合、印加電圧Ｖposの印加による
電流Ｉposが減少し終える値は、センサ本体２０に固有
の物理現象に基づき、従来の場合及び本第１実施例の場
合のいずれも、ほぼ同じである。従って、従来の場合の
電流Ｉposが指数関数的に減少終える時期までの時間を
図５（Ａ）にて示すごとくｔ22により表せば、本第１実
施例の場合の電流Ｉposの流れ始めの時期（図５（Ａ）
にて図示実線参照）が、従来の場合の電流Ｉposの流れ
はじめの時期（図５（Ａ）にて図示破線参照）に比べて
時間（ｔ2−ｔ1）だけ早く、これに対応して、本第１実
施例の場合の電流Ｉposが減少し終える時期が、従来の
場合の電流Ｉposが減少し終える時期よりも早くなる。
さらに、本第１実施例の場合の電流Ｉposの流れ始めの
時期は、電流Ｉnegの上昇途中の一時期に相当し、一
方、従来の場合の電流Ｉposの流れ始めの時期は、電流
Ｉnegの上昇終了時期に相当する。このようにすると、
従来に比較して、負バイアスの期間に排気ガス側電極層
２３付近に蓄積される酸素濃度が小さくなる。このた
め、電流Ｉposの立ち上がりピークレベルが低くなり、
さらに、同電流Ｉpos減少時の時定数が小さくなり、よ
り一層急激に減少する。この効果の程度は、負バイアス
期間の通電電荷量による。つまり、ｔ1を短くして電荷
量を小さくする程、上記二項目は小さくなりｔ11が一層
短くなる。従って、従来の場合の電流Ｉnegの流れ始め
の時期から電流Ｉposの減少終了時期までの時間を図５
（Ａ）にて示すごとくｔ22により表すと、（ｔ22−ｔ1
1）だけ早くなる。そこで、所定時間（ｔ11−ｔ1）を設
定しマイクロコンピュータ７０のＲＭに予め記憶するこ
ととした。

【００２８】しかして、ステップ１２２における時間待
ちが終了すると、マイクロコンピュータ７０が、ステッ
プ１２３にて、Ａ−Ｄ変換器６０からの所定時間ｔ11の
経過直後の変換電流Ｉposを入力されて減少終了電流Ｉp
osaとしてセットし、ステップ１２４にて、前記酸素濃
度ー限界電流データ（図５（Ｂ）参照）に基づき減少終
了電流Ｉposa即ち限界電流に応じて酸素濃度即ち空燃比
を判定する。このようにして空燃比が判定されると、マ
イクロコンピュータ７０が、ステップ１２５にて、同空
燃比を考慮してＥＦＩ９０の燃料噴射制御に要する演算
処理をする。このため、ＥＦＩ９０が、同演算処理に基
づき内燃機関１０への燃料噴射制御を行う。

【００２９】以上説明したように、センサ本体２０の温
度判定を行うにあたっては、センサ本体２０を印加電圧
Ｖnegにより負バイアスした後同センサ本体２０に流れ
る電流Ｉnegが上昇し終える前の一時期（所定時間ｔ1の
経過時）に、この時期の電流Ｉnegaでもって飽和電流Ｉ
negsを推測し、これによってセンサ本体２０の温度判定
を行うようにしたので、その後の空燃比の判定可能時期
を逸早く実現できる。

【００３０】また、所定時間ｔ1の経過直後にセンサ本
体２０を印加電圧Ｖposにより正バイアスし、この正バ
イアスによりセンサ本体２０に流れる電流Ｉposが減少
し終える時期、即ち、所定時間（ｔ11−ｔ1）の経過時
に、この時期の電流Ｉposaでもって空燃比を判定するよ
うにしたので、従来に比べて空燃比を逸早く判定でき
る。かかる場合、上述のごとく、本第１実施例の場合の
電流Ｉposの立ち上がりピークレベルは、従来の場合の
電流Ｉposの立ち上がりピークレベルに比べて比較的低
く維持され、かつ、本発明の場合の電流Ｉposは、従来
の場合の電流Ｉposに比べて急激に減少して行くので、
空燃比の判定をより一層早く行い得る。また、電流Ｉpo
sが減少し終える値Ｉposaを、Ｉposの減少途中で推定し
て空燃比変化をより早く知るようにしてもよい。

【００３１】また、内燃機関の始動直後であって、酸素
センサＳが未だ活性化されていない場合には、ステップ
１４１で「ＮＯ」と判別されて、ステップ１４２に進ん
で、センサ本体２０に対し負の印加電圧Ｖneg を印加す
るに要する負バイアス指令をバイアス制御回路４０の切
り換えスイッチ回路４３に出力する。すると、この切り
換えスイッチ回路４３が、マイクロコンピュータ７０か
らの負バイアス指令に応答して、第２切り換え状態とな
り、直流電源４２の負側電極を電流検出回路５０の入力
端子５１に接続する。このため、直流電源４２からの電
流Ｉneg（図５（Ａ）にて図示実線参照）が、導線４１
ａ、センサ本体２０の排気ガス側電極２３、固体電解質
層２２、大気側電極２４、導線４２ａ及び電流検出回路
５０を通り流れ始める。

【００３２】上述のようなステップ１１２での演算処理
後、マイクロコンピュータ７０が、ステップ１４３に
て、所定時間ｔ33の間、時間待ちするため所定時間ｔ33
経過したか判別する。かかる場合、所定時間ｔ33は、電
流Ｉnegが、センサ本体２０への負バイアス時以後、こ
の電流Ｉnegが飽和する時間（図５（Ａ）参照）に設定
されており、所定時間ｔ33経過していない場合には、未
だ電流Ｉnegが飽和していないとしてステップ１３０へ
進んで終了する。ステップ１４３にて所定時間ｔ33経過
していると判別した場合には、電流Ｉnegが飽和してい
るとしてステップ１４４へ進んで、その時の検出電流Ｉ
negを飽和電流Ｉnegsとして設定した後、ステップ１１
６へ進む。

【００３３】これにより、酸素センサＳが活性化してい
ない時には、それ以後、ステップ１１６→ステップ１１
７→ステップ１２０→ステップ１３０を経て、さらに、
ステップ１４１→ステップ１４２→ステップ１４３→ス
テップ１４４…を繰り返して、飽和電流Ｉnegsに基づい
て酸素センサＳの素子温を判定し続け（センサ本体２０
に対し正電圧が印加されず、従って空燃比も判定されな
い）、それにより、図６に示すごとく、連続的に判定さ
れる素子温に基づきヒータ２６の加熱制御を実行して、
素子温を素早く活性化温度まで上げることができるか
ら、内燃機関始動後、短時間で正確な酸素濃度を測定を
開始することができる。

【００３４】なお、ステップ１４１にて酸素センサＳの
素子温が所定値以上のときに酸素センサＳが活性化して
いると判定する場合を考慮して、内燃機関始動時の、酸
素センサＳの素子温の初期値は、酸素センサＳが不活性
時の低い温度、例えば始動時のエンジン冷却水と同じ値
に設定しておくのが好ましい。〔温度検出周期可変設定手ステップ１０１の詳細１〕次
に、前述の温度検出周期可変設定手ステップ１０１の詳
細を図７において説明する。まず、ステップ１５１で内
燃機関の始動後、機関温度が安定する所定時間ｔa 経過
したか（または、素子温が安定する所定温度以上か）判
別し（ここで、時間ｔa は一定値でもよいが、内燃機関
の冷却水温が低い程、安定化判定時間が長くなるような
値をマイクロコンピュータ７０のＲＯＭに記憶設定して
おくのが好ましい）、所定時間ｔa 経過していない場合
には、ステップ１５２へ進んで、図４のステップ１１６
で判定した酸素センサＳの素子温の変化量ΔＴを検出し
た後、ステップ１５３へ進んで図８のマップ１に示すご
とく、機関暖機状態のうちの１つである素子温変化量Δ
Ｔと検出周期とがマイクロコンピュータ７０のＲＯＭに
予め記憶されているマップ１より、素子温変化量ΔＴに
対応する検出周期を決定する。このマップ１は素子温変
化量ΔＴが大きくなる程、検出周期が短くなるように設
定されている。また、内燃機関の始動後所定時間ｔa 経
過している場合には、ステップ１５４へ進んで、内燃機
関の吸入空気量Ｑの変化量ΔＱを検出した後、ステップ
１５５へ進んで図８のマップ２に示すごとく、機関運転
状態変化のうちの１つである吸入空気量Ｑの変化量ΔＱ
と検出周期とがマイクロコンピュータ７０のＲＯＭに予
め記憶されているマップ２より、吸入空気量Ｑの変化量
ΔＱに対応する検出周期を決定する。このマップ２はマ
ップ１に比較して検出周期が長くなるように設定されて
いると共に、吸入空気量Ｑの変化量ΔＱが大きくなる
程、検出周期が長くなるように設定されている。

【００３５】これによって、酸素センサＳが活性化した
後においては、図９に示すごとく、素子温変化量ΔＴが
比較的大きな、始動後所定時間ｔa の間は、マップ１の
素子温変化量ΔＴに対応する素子温検出周期が優先さ
れ、素子温変化量ΔＴが多い程、素子温検出頻度が多く
なって、素子温変化に迅速に追従して素子温を検出でき
るようになる。また、始動後所定時間ｔa 経過後は素子
温変化量ΔＴが比較的小さいため、マップ２の吸入空気
量Ｑの変化量に対応する素子温度検出周期が優先されて
空燃比の変化が多い時には素子温検出頻度が少なくなっ
て、空燃比の変化に迅速に追従して空燃比を検出できる
ようになり、内燃機関の始動からのヒータ電圧、センサ
本体２０に対する印加電圧、素子温の変化状態は図６に
示すごとく、良好なものとなる。

【００３６】ここで、図８のマップ１において、暖機状
態としては、素子温変化量ΔＴの代わりに内燃機関の冷
却水温の変化量を用いるようにしてもよい。この場合、
図７のステップ１５２において、素子温変化量ΔＴの代
わりに内燃機関の冷却水温の変化量を検出するようにす
ることは勿論である。また、図８のマップ２において、
運転状態変化量としては、吸入空気量Ｑの変化量の代わ
りに、空燃比Ａ／Ｆの変化量ΔＡ／Ｆ、吸気管圧力Ｐｍ
の変化量ΔＰｍ、機関回転数Ｎｅの変化量ΔＮｅ、燃料
噴射量ＴＡＵの変化量ΔＴＡＵ、スロットル開度の変化
量、車速の変化量のうちいずれか１つを用いるようにし
てもよい。この場合、図７のステップ１５４において、
吸入空気量Ｑの変化量の代わりに、空燃比Ａ／Ｆの変化
量ΔＡ／Ｆ、吸気管圧力Ｐｍの変化量ΔＰｍ、機関回転
数Ｎｅの変化量ΔＮｅ、燃料噴射量ＴＡＵの変化量ΔＴ
ＡＵ、スロットル開度の変化量、車速の変化量のうちい
ずれか１つを検出するようにすることは勿論である。

【００３７】〔温度検出周期可変設定手ステップ１０１
の詳細２〕上記温度検出周期可変設定ステップ１０１の
詳細２を図１０において説明する。まず、ステップ１７
１で酸素センサＳの素子温変化量ΔＴを図７のステップ
１５２と同様に検出し、次のステップステップ１７２で
素子温変化量ΔＴが所定値α以上か判別し、所定値α以
上の場合には、ステップ１５３へ進んで、図７のステッ
プ１５３と同様にして検出周期を決定する。また、素子
温変化量ΔＴが所定値以下の場合には、ステップ１７４
へ進んで、内燃機関の吸入空気量Ｑの変化量ΔＱを検出
した後、ステップ１７５へ進んで図７のステップ１５５
と同様に検出周期を決定する。

【００３８】これによって、酸素センサＳが活性化した
後においては、図１１に示すごとく、素子温変化量ΔＴ
が所定値αより大きい間は、マップ１の素子温変化量Δ
Ｔに対応する素子温検出周期が優先され、素子温変化量
ΔＴが多い程、素子温検出頻度が多くなって、素子温変
化に迅速に追従して素子温を検出できるようになる。ま
た、素子温変化量ΔＴが所定値αより小さくなると、マ
ップ２の吸入空気量Ｑの変化量に対応する素子温度検出
周期が優先されて空燃比の変化が多い時には素子温検出
頻度が少なくなって、空燃比の変化に迅速に追従して空
燃比を検出できるようになる。

【００３９】〔第２実施例〕次に、第２実施例について
述べる。上述の第１実施例においては、電流Ｉnegの飽
和電流Ｉnegsを推測するに際して、電流Ｉnegの増加過
程中の一時期の値Ｉnegaを１回だけ測定してＩnegaを検
出していたが、この第２実施例は、電流Ｉnegの増加過
程中の一時期の値Ｉnegaを３回測定して当該電流Ｉneg
の飽和電流Ｉnegsを推測するようにしたことにあり、こ
のようにすることにより、より正確に飽和電流Ｉnegsが
推測できるようになる。

【００４０】図１２は図４と同様に、センサ本体２０に
印加する電圧Ｖと、そのときセンサ２０に流れる電流Ｉ
を示した図である。図１２において、印加電圧ＶをＶpo
sからＶnegに切り換えたときに流れる電流Ｉnegは、ピ
ーク電流値Ｉ₀、飽和電流値（収束電流値）Ｉnegsおよ
び時定数Ｔとする、次の数１に示すように指数関数的に
変化する。

【００４１】

【数１】Ｉneg＝Ｉnegs＋（Ｉ₀−Ｉnegs）ｅ^-t/T ここで、ピーク電流値Ｉ₀、飽和電流値（収束電流値）
Ｉnegsおよび時定数Ｔがそれぞれ未知数である場合は、
Ｉnegsを求めるためには、Ｉneg曲線上の３点の検出電
流値、Ｉnega1、Ｉnega2およびＩnega3を検出する必要
がある。そして、この検出した３点の検出電流値、Ｉne
ga1、Ｉnega2およびＩnega3より次の数２の連立方程式
に基づき、その解、即ち、Ｉnegsを求める。

【００４２】

【数２】Ｉnega1＝Ｉnegs＋（Ｉ₀−Ｉnegs）ｅ^-t1a/T Ｉnega2＝Ｉnegs＋（Ｉ₀−Ｉnegs）ｅ^-t1b/T Ｉnega3＝Ｉnegs＋（Ｉ₀−Ｉnegs）ｅ^-t1c/T ここで、Ｉnega1、Ｉnega2およびＩnega3はそれぞれ印
加電圧ＶをＶposからＶnegに切り換えてからｔ1a、ｔ1b
およびｔ1c時間後の電流値Ｉnegの値である。例えば、
計算を簡単にするために、ｔ1a＝０、ｔ1b＝ｔ1c−ｔ1b
とすると、これらの値を数２に代入してＩnegsを求める
と、Ｉnegsは次の数３のように求められる。

【００４３】

【数３】Ｉnegs＝（Ｉnega2²−Ｉnega3・Ｉnega1）／
（２Ｉnega2−Ｉnega3−Ｉnega1）次いで、この第２実施例の動作について、図１３のフロ
ーチャートに基づいて説明する。この第２実施例におい
て、前述の第１実施例と相違するところは、図４のステ
ップ１０３〜ステップ１１５までのステップを図１３の
ステップ１１３ａ〜ステップ１１５に代えたことであ
る。したがって、ステップ１４１〜ステップ１４４、ス
テップ１０１〜ステップ１１２までのステップの説明は
前述の第１実施例と同様であるので、その説明は省略す
る。

【００４４】ステップ１１２での演算処理後、マイクロ
コンピュータ７０が、ステップ１１３ａにて、所定時間
ｔ1aの間、時間待ちする。ステップ１１３ａにおける時
間待ちが終了すると、マイクロコンピュータ７０が、ス
テップ１１４ａにて、電流値を検出し、Ａ−Ｄ変換器６
０からの変換電流Ｉnegを電流Ｉnega1と設定する。その
後、マイクロコンピュータ７０が、ステップ１１３ｂに
て、所定時間ｔ1bの間、時間待ちする。ステップ１１３
ｂにおける時間待ちが終了すると、マイクロコンピュー
タ７０が、ステップ１１４ｂにて、電流値を検出し、Ａ
−Ｄ変換器６０からの変換電流Ｉnegを電流Ｉnega2と設
定する。次いで、マイクロコンピュータ７０が、ステッ
プ１１３ｃにて、所定時間ｔ1cの間、時間待ちする。

【００４５】ステップ１１３ｃにおける時間待ちが終了
すると、マイクロコンピュータ７０が、ステップ１１４
ｃにて、電流値を検出し、Ａ−Ｄ変換器６０からの変換
電流Ｉnegを電流Ｉnega3と設定する。その後、ステップ
１１５にて、数２の連立方程式に基づいて飽和電流Ｉne
gsを演算する。かかる場合、上記数２の連立方程式は、
センサ本体２０の負バイアス時期を初期条件として構成
されて、マイクロコンピュータ７０のＲＯＭに予め記憶
されている。然る後、マイクロコンピュータ７０が、ス
テップ１１６にて、ステップ１１５にて求めた飽和電流
Ｉnegsに応じて飽和電流ー温度特性データに基づきセン
サ本体２０の温度を判定する。以後のステップ１１７〜
ステップ１３０までのステップは前述の第１実施例と同
様であるので、その説明は省略する。

【００４６】以上説明したように、この第２実施例にお
いては、電流Ｉnegの増加過程中の一時期の値Ｉnegaを
３回測定して当該電流Ｉnegの飽和電流Ｉnegsを推測す
るようにしたことにあり、このようにすることにより、
より正確に飽和電流Ｉnegsが推測できるようになる。〔その他の実施例〕なお、上述した実施例においては、
空燃比の安定前後で図８のマップ１、２に基づいて温度
検出周期を連続的に変化させるようにしたが、安定前よ
り安定後の温度検出周期を長くなるような２つのみの周
期を設定するようにしたり、空燃比の安定前後で温度検
出周期を変化させることなく酸素センサＳが活性化した
後は、一定周期で温度検出と空燃比検出とを繰り返すよ
うにしてもよい。

【００４７】また、上述した実施例においては、所定時
間ｔ1の経過直後に印加電圧Ｖposによりセンサ本体２０
を正バイアスするようにしたが、これに限らず、所定時
間ｔ1の経過後所定時間ｔ11の経過前に、印加電圧Ｖpos
によりセンサ本体２０を正バイアスするようにして実施
してもよい。また、本発明の実施にあたっては、内燃機
関１０の排気ガス中の酸素濃度の判定に限ることなく、
各ガス中の酸素濃度の判定にあたり、本発明を適用して
実施いてもよい。

【００４８】

【発明の効果】これにより、作動開始後、酸素センサが
活性化するまでは酸素センサの素子温が検出され続け
て、この検出温度に基づきヒータの加熱を制御して素子
温を素早く活性化温度まで上げることができるから、作
動開始後、短時間で正確な酸素濃度を測定することがで
きるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】特許請求の範囲の記載に対する対応図である。

【図２】本発明の第１実施例を示すブロック回路図であ
る。

【図３】（Ａ）は図２の酸素センサのセンサ本体の拡大
断面図であり、（Ｂ）は当該酸素センサので限界電流ー
電圧特性を温度をパラメータとして示すグラフである。

【図４】図２のマイクロコンピュータの作用を示すフロ
ーチャートである。

【図５】（Ａ）は負バイアス及び正バイアス時のセンサ
本体への印加電圧及び同センサ本体を流れる電流の波形
を示すタイムチャートであり、（Ｂ）は酸素濃度と限界
電流との関係を示すグラフである。

【図６】第１実施例の作動説明に供するタイムチャート
である。

【図７】上記実施例における温度検出周期可変設定ステ
ップの詳細１を示すフローチャートである。

【図８】暖機状態に対する検出周期マップ１と運転状態
に対する検出周期マップ２を示す図である。

【図９】図７の作動説明に供するタイムチャートであ
る。

【図１０】上記実施例における温度検出周期可変設定ス
テップの詳細２を示すフローチャートである。

【図１１】図１０の作動説明に供するタイムチャートで
ある。

【図１２】図５と同様な負バイアス及び正バイアス時の
センサ本体への印加電圧及び同センサ本体を流れる電流
の波形を示すタイムチャートである。

【図１３】本発明の第２実施例におけるマイクロコンピ
ュータの作用を示すフローチャートである。

【符号の説明】

Ｓ酸素センサ２０センサ本体４０バイアス制御回路５０電流検出回路７０マイクロコンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−163556（ＪＰ，Ａ) 特開平６−174687（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−192849（ＪＰ，Ａ) 特開平６−27078（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−178248（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−132851（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−192852（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/41 G01N 27/416 G01N 27/419

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】限界電流式酸素センサと、前記酸素センサが活性化しているかを判別する活性化判
別手段と、前記活性化判別手段により前記酸素センサが活性化した
と判別すると、前記酸素センサに正電圧を印加すると共
に所定期間負電圧に切り換えて印加する電圧印加手段
と、前記活性化判別手段により前記酸素センサが活性化した
と判別するまで前記電圧印加手段により前記酸素センサ
に負電圧を印加し続ける負電圧印加持続手段と、前記電圧の印加により前記酸素センサに流れる電流を検
出する電流検出手段と、前記負電圧が前記酸素センサに所定期間印加されている
時の前記検出電流に基づき前記酸素センサの素子温を検
出する素子温検出手段と、前記正電圧が前記酸素センサに印加されている時の前記
検出電流に基づき酸素濃度を判定する酸素濃度判定手段
と、前記酸素センサを加熱するヒータと、前記素子温検出手段により検出された前記素子温に基づ
き前記ヒータの加熱を制御する加熱制御手段と、を備え
る酸素濃度判定装置。
【請求項２】前記活性化判別手段は、前記素子温検出
手段により検出された前記素子温が、前記酸素センサが
活性化するのに十分な温度に達したのを検出する手段を
含む請求項１記載の酸素濃度判定装置。
【請求項３】前記酸素センサは内燃機関の排気系に配
置され、前記活性化判別手段は、内燃機関の始動後、前
記酸素センサが活性化するのに十分な時間が経過したの
を検出する手段を含む請求項１または２記載の酸素濃度
判定装置。
【請求項４】前記活性化するに十分な時間は内燃機関
の温度が低い程、長くなるように設定されている請求項
３記載の酸素濃度判定装置。
【請求項５】前記酸素センサの素子温が安定している
かを判別する素子温安定判別手段と、この素子温判別手段により素子温が安定していると判別
した時には素子温が安定していないと判別した時より前
記負電圧に切り換える周期を長く設定する周期設定手段
とを備える請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の酸
素濃度判定装置。
【請求項６】素子温安定判別手段は、前記素子温検出
手段により検出された前記素子温が、前記素子温が安定
化するのに十分な温度に達したのを検出する手段を含む
請求項５記載の酸素濃度判定装置。
【請求項７】素子温安定判別手段は、前記素子温検出
手段により検出された前記素子温の変化量が、前記素子
温が安定化するのに対応した値以下であるのを検出する
手段を含む請求項５記載の酸素濃度判定装置。
【請求項８】前記酸素センサは内燃機関の排気系に配
置され、前記素子温安定判別手段は、内燃機関の始動後、前記素
子温が安定化するのに十分な時間が経過したのを検出す
る手段を含む請求項５または６記載の酸素濃度判定装
置。
【請求項９】前記安定化するに十分な時間は内燃機関
の温度が低い程、長くなるように設定されている請求項
８記載の酸素濃度判定装置。
【請求項１０】前記温度検出手段により検出された前
記素子温に基づき前記酸素センサへの印加電圧を可変す
る印加電圧可変手段を備える請求項１〜９のうちいずれ
か１つに記載の酸素濃度判定装置。