JP3486967B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、限界電流式酸素セン
サに流れる限界電流から空燃比を検出する空燃比検出装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の空燃比検出装置において、限界
電流式酸素センサは、印加される電圧が変化してもほぼ
一定の限界電流を出力する限界電流発生域を持ってい
る。そして、該酸素センサは、限界電流発生域内の所定
電圧が印加されることにより、理想空燃比点よりもリー
ン領域では酸素濃度に応じた限界電流を発生し、リッチ
領域では一酸化炭素（ＣＯ）濃度に応じた限界電流を発
生する。

【０００３】また、近年では、空燃比の検出精度を向上
させるべく様々な技術が提案されている。例えば、特開
昭５７−１９２８５０号公報の空燃比検出装置では、限
界電流式酸素センサの内部抵抗により生じる電圧降下分
に応じて限界電流検出用電圧を補償している。この空燃
比検出装置によれば、限界電流式酸素センサの内部抵抗
に起因して生じる誤差の発生が未然に防止される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】また、上述した装置を
含む従来の空燃比検出装置においては、酸素センサによ
り測定された限界電流値が一定周期（或いは不特定の周
期）で例えばマイクロコンピュータに取り込まれ、その
取り込み値を基に空燃比が検出される。しかし、このよ
うな空燃比検出装置では、空燃比の検出周期が不適切で
あることから以下に示す問題を招く。つまり、空燃比の
検出周期に対して空燃比に相当する限界電流値が大きく
変化して前回の空燃比検出時とその次の空燃比検出時と
の間に限界電流値が急変する場合、その時の印加電圧で
は変化後の限界電流値を正しく測定することができず、
空燃比の検出精度が悪化するという問題が発生する。

【０００５】この事象を図１３の電圧−電流特性図を用
いて説明する。なお、図１３においては、いま、印加電
圧Ｖp の印加により図の「Ａ」点で限界電流値Ｉpaが測
定されている。

【０００６】即ち、空燃比が比較的小さくリーン側に変
化し、それに伴い限界電流値がＩpaからＩpbに変化しよ
うとする場合、図の「Ｂ」点にてその時の正しい限界電
流値（＝Ｉpb）が測定されることで正確な空燃比検出が
可能となる。これに対して、空燃比が大きくリーン側に
変化し、それに伴い限界電流値がＩpaからＩpcに急変し
ようとする場合（Ｉpc＞Ｉpb）、図の「Ｃ’」点の電流
値Ｉpc' が測定され、その時の正しい限界電流値（＝Ｉ
pc）を測定することができない。この場合、空燃比の検
出精度が著しく悪化するという事態を招く。また、空燃
比がリッチ側に変化する場合にも同様の問題が生じる。

【０００７】この発明は、上記問題に着目してなされた
ものであって、その目的とするところは、空燃比の検出
周期を適切に設定し、空燃比の検出精度の悪化を防止す
ることができる空燃比検出装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、一定空燃比の下で印加電
圧が変化してもほぼ一定の限界電流を出力する限界電流
発生域を持った限界電流式酸素センサと、所定の印加電
圧が印加されているときに限界電流が変化しても、該所
定の印加電圧において変化後の限界電流が許容変化域内
となるように、空燃比の検出周期を設定する検出周期設
定手段と、前記検出周期設定手段にて設定された検出周
期に従い、電圧の印加によって前記限界電流式酸素セン
サに流れる限界電流を測定する限界電流測定手段と、前
記限界電流測定手段により測定された限界電流値に基づ
いて空燃比を検出する空燃比検出手段とを備えたことを
要旨とするものである。

【０００９】請求項２に記載の発明では、検出周期設定
手段は、前記限界電流測定手段により測定された限界電
流の変化速度を推測する手段と、該推測した限界電流の
変化速度とその時の限界電流の許容変化域とに応じて空
燃比の検出周期を設定する手段とを有している。

【００１０】請求項３に記載の発明では、限界電流の変
化速度を推測する手段は、予め設定された変化速度の最
大値を当該推測値としている。請求項４に記載の発明で
は、前記限界電流式酸素センサの素子内部抵抗を測定す
る抵抗測定手段を備え、前記検出周期設定手段は、前記
抵抗測定手段により測定された抵抗値を用いて空燃比の
検出周期を設定する。

【００１１】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、検出周期設定
手段は、所定の印加電圧が印加されているときに限界電
流が変化しても、該所定の印加電圧において変化後の限
界電流が許容変化域内となるように、空燃比の検出周期
を設定する。限界電流測定手段は、検出周期設定手段に
て設定された検出周期に従い、電圧の印加によって限界
電流式酸素センサに流れる限界電流を測定する。空燃比
検出手段は、限界電流測定手段により測定された限界電
流値に基づいて空燃比を検出する。

【００１２】要するに、前回の空燃比検出時とその次の
空燃比検出時との間において空燃比の変化により限界電
流値が急変する場合、空燃比検出間隔（即ち、空燃比の
検出周期）が長過ぎると、空燃比変化後の限界電流値に
相当する限界電流発生域からその時の印加電圧が外れて
しまい、空燃比の検出精度が著しく悪化する。しかし、
本構成にれば、空燃比の検出周期を限界電流の状態に応
じて適切に設定することにより、従来の問題が解消さ
れ、常に正確な限界電流値が測定される。その結果、空
燃比の検出精度の悪化が防止される。

【００１３】請求項２に記載の発明によれば、検出周期
設定手段は、限界電流測定手段により測定された限界電
流の変化速度を推測すると共に、該推測した限界電流の
変化速度とその時の限界電流の許容変化域とに応じて空
燃比の検出周期を設定する。

【００１４】請求項３に記載の発明によれば、限界電流
の変化速度を推測する手段は、予め設定された変化速度
の最大値を当該推測値とする。請求項４に記載の発明に
よれば、抵抗測定手段は限界電流式酸素センサの素子内
部抵抗を測定し、検出周期設定手段は、抵抗測定手段に
より測定された抵抗値を用いて空燃比の検出周期を設定
する。

【００１５】

【実施例】以下、この発明を具体化した一実施例を図面
に従って説明する。図１は本実施例における空燃比検出
装置の概要を示す回路図である。図１において、電子制
御装置（以下、ＥＣＵという）１は、ＣＰＵ（中央処理
装置）２ａ，ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２ｂ，ＲＡ
Ｍ（ランダムアクセスメモリ）２ｃを備えたマイクロコ
ンピュータ２を中心に構成されている。このマイクロコ
ンピュータ２は、後述する限界電流式酸素センサ（以
下、酸素センサと略す）５の電流測定値やその他の内燃
機関情報を入力し、所定の演算プログラムに従い空燃比
を求め出力する。

【００１６】酸素センサ５は図示しない内燃機関の排気
管に設けられており、検出素子部６とヒータ７とを有し
ている。検出素子部６は、空燃比リーン領域における酸
素濃度、若しくは空燃比リッチ領域における一酸化炭素
（ＣＯ）濃度に対応する限界電流を発生し、ヒータ７は
検出素子部６を活性温度（例えば、約６５０℃以上）に
加熱する。この場合、マイクロコンピュータ２に設けら
れたヒータ通電制御回路３がヒータ７への通電電流を制
御し、これにより検出素子部６の温度が活性温度範囲に
保持される。

【００１７】マイクロコンピュータ２と検出素子部６と
の間には、電圧印加部８，電流測定部１２が接続されて
いる。そして、マイクロコンピュータ２にて制御される
限界電流検出用電圧（以下、印加電圧という）は、電圧
印加部８のＤ／Ａ変換器９，オペアンプ１０，抵抗１１
を介して検出素子部６に印加される。また、検出素子部
６にて発生する限界電流の測定値は、電流測定部１２の
抵抗１１，オペアンプ１３，Ａ／Ｄ変換器１４を介して
マイクロコンピュータ２に入力される。

【００１８】図２は酸素センサ５の構造を概略的に示す
断面図である。検出素子部６において、断面カップ状に
形成された固体電解質層１６の外表面には、排気ガス側
電極層１８が固着され、内表面には大気側電極層１９が
固着されている。また、排気ガス側電極層１８の外側に
は、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層１７が形成され
ている。固体電解質層１６は、ＺｒＯ₂ 、ＨｆＯ₂ 、Ｔ
ｈＯ₂ 、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ｙ
ｂ₂ Ｏ₃ 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り、拡散抵抗層１７は、アルミナ、
マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性
無機物質からなる。排気ガス側電極層１８及び大気側電
極層１９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。
なお、排気ガス側電極層１８の面積及び厚さは、１０〜
１００ｍｍ² 及び０．５〜２．０μｍ程度となってお
り、一方、大気側電極層１９の面積及び厚さは、１０ｍ
ｍ² 以上及び０．５〜２．０μｍ程度となっている。

【００１９】ヒータ７は大気側電極層１９内に収容され
ており、その発熱エネルギーにより大気側電極層１９、
固体電極質層１６、排気ガス側電極層１８及び拡散抵抗
層１７を加熱する。ヒータ７は、検出素子部６を活性化
するに十分な発熱容量を有している。

【００２０】そして、上記構成の酸素センサ５におい
て、検出素子部６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。この場合、酸素濃度に対応する限界
電流は、排気ガス側電極層１８の面積、拡散抵抗層１７
の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定される。また、
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、酸素センサ５の検出素子部６はＣＯ濃度に応
じた限界電流を発生する。

【００２１】ここで、検出素子部６の電圧−電流特性に
ついて図３を用いて説明する。つまり、図３に示すよう
に特性線Ｌ１は、検出素子部６の固体電解質層１６に印
加される電圧が変化しても同固体電解質層１６に流れる
電流の変化が微小な部分（図の電圧軸に平行な直線部
分）、いわゆる”限界電流発生域”を有している。そし
て、この直線部分の限界電流発生域にて限界電流が特定
されるようになっている。酸素センサ５の限界電流値は
空燃比に比例し、空燃比がリーン側になるほど増大し、
逆に空燃比がリッチ側になるほど減少する。

【００２２】また、この電圧−電流特性において限界電
流発生域よりも小さい電圧域は、抵抗支配域となってお
り、その抵抗支配域における特性線Ｌ１の傾きは、検出
素子部６における固体電解質層１６の内部抵抗により特
定される。ここで、固体電解質層１６の内部抵抗は温度
変化に伴い変化するため、検出素子部６の温度が低下す
ると抵抗の増大により上記傾きが小さくなる。この場
合、温度が低下すると、電圧−電流特性は図３に破線で
示す特性線Ｌ２で特定される。なお、特性線Ｌ２による
限界電流は特性線Ｌ１による限界電流とほぼ一致する。

【００２３】以上、限界電流発生域内にて電圧が印加さ
れれば、その時の空燃比に対応する所望の限界電流値が
得られる旨を記述したが、その一方で上記限界電流発生
域外の印加電圧が酸素センサ５に印加される場合には、
その時の限界電流値を正確に得ることができない。つま
り、図４に示すように、印加電圧Ｖp が限界電流値Ｉp1
における限界電流発生域の最大電圧と一致し、且つ、限
界電流値Ｉp2における限界電流発生域の最小電圧と一致
している場合、電流範囲Ｉp1〜Ｉp2に相当する空燃比は
正確に検出できるが、その範囲外の電流に対応する空燃
比を正確に検出することはできない。ここで、電流範囲
Ｉp1〜Ｉp2は、印加電圧Ｖp での限界電流の許容変化域
に相当する。言い換えれば、マイクロコンピュータ２に
より取り込まれた限界電流値を基に空燃比を検出する場
合、前回の空燃比検出時とその次の空燃比検出時との間
に上記許容変化域（電流範囲Ｉp1〜Ｉp2）よりも大きな
電流変化（空燃比変化）が発生すれば、印加電圧Ｖp で
の正確な空燃比検出が不可能になる。

【００２４】そこで、本実施例の空燃比検出装置では、
現時点の印加電圧Ｖp で限界電流が正確に測定できる許
容変化域（電流範囲Ｉp1〜Ｉp2）において空燃比検出を
実施することを条件に、最適な空燃比の検出周期Δｔを
決定する。以下、空燃比の検出周期Δｔを設定する手順
について、図５（ａ）を用いて空燃比がリーン側へ変化
する場合を説明し、図５（ｂ）を用いてリッチ側へ変化
する場合を説明する。なお、図５（ａ），（ｂ）では共
に、現時点の検出点が図中「Ｐ点」（印加電圧Ｖp ，限
界電流値Ｉp ）であり、その点から空燃比がリーン側或
いはリッチ側へ変化する。

【００２５】先ず、空燃比がリーン側へ変化する場合に
ついて説明する。即ち、図５（ａ）では、限界電流値Ｉ
p'における限界電流発生域の最小電圧が印加電圧Ｖp に
一致しており、限界電流値がＩp からＩpnに変化する場
合において当該ＩpnがＩp 〜Ｉp'の範囲内で変化すれば
正しい限界電流値（＝Ｉpn）を測定することができる。
これに対して、ＩpnがＩp'よりも大きくなると、印加電
圧Ｖp がその時の限界電流値に対応する限界電流発生域
の最小電圧よりも小さくなり、高精度な電流測定が行え
ない。従って、ここではΔＶ1 ／Ｚdc（＝Ｉp'−Ｉp ）
が許容変化域であり、限界電流値の変化量ΔＩp （＝Ｉ
pn−Ｉp ）は次の数１の条件にて規制される。

【００２６】

【数１】ΔＩp ＜ΔＶ1 ／Ｚdc 但し、ΔＶ1 は、限界電流値Ｉp'における限界電流発生
域の最小電圧と、限界電流値Ｉp における限界電流発生
域の最小電圧との差であり、Ｚdcはその時の検出素子部
６（固体電解質層１６）の内部抵抗値である。

【００２７】また、上記ΔＩp ，ΔＶ1 は以下の如く定
義できる。

【００２８】

【数２】 ΔＩp ＝Ｕip・Δｔ ・・・（１） ΔＶ1 ＝Ｖp −Ｚdc・Ｉp ・・・（２） 但し、Ｕipは限界電流値Ｉp の変化速度であり、酸素セ
ンサ５の応答性に相当する。即ち、例えば図６に示す如
く空燃比が変化した際に限界電流値Ｉp を微分し、その
微分値を変化速度Ｕipとすればよい。

【００２９】そして、数式１に数式２の式（１），式
（２）を代入することにより、空燃比の検出周期Δｔは
次の数式３にて規定される。

【００３０】

【数３】Δｔ＜（Ｖp −Ｚdc・Ｉp ）／（Ｚdc・Ｕip） 次いで、空燃比がリッチ側へ変化する場合について説明
する。即ち、図５（ｂ）では、限界電流値Ｉp'における
限界電流発生域の最大電圧が印加電圧Ｖp に一致してお
り、限界電流値がＩp からＩpnに変化する場合において
当該ＩpnがＩp〜Ｉp'の範囲内で変化すれば正しい限界
電流値（＝Ｉpn）を測定することができる。これに対し
て、ＩpnがＩp'よりも小さくなると、印加電圧Ｖp がそ
の時の限界電流値に対応する限界電流発生域の最大電圧
よりも大きくなり、高精度な電流測定が行えない。従っ
て、ここではΔＶ2 ／Ｚdc’（＝Ｉp −Ｉp'）が許容変
化域であり、限界電流値の変化量ΔＩp （＝Ｉpn−Ｉp
）は次の数４の条件にて規制される。

【００３１】

【数４】ΔＩp ＜ΔＶ2 ／Ｚdc’ 但し、ΔＶ2 は、限界電流値Ｉp における限界電流発生
域の最大電圧と、限界電流値Ｉp'における限界電流発生
域の最大電圧との差である。Ｚdc’は、限界電流発生域
の最大電圧が描く軌跡の傾きの逆数である（図５（ｂ）
に破線で示す軌跡）。

【００３２】また、上記ΔＩp ，ΔＶ2 は以下の如く定
義できる。

【００３３】

【数５】 ΔＩp ＝Ｕip・Δｔ ・・・（１） ΔＶ2 ＝Ｚdc’・Ｉp ＋Ｖr −Ｖp ・・・（２） 但し、Ｖr は限界電流発生域の最大電圧が描く軌跡の電
圧軸の切片である（図５（ｂ）に示す）。

【００３４】そして、数式４に数式５の式（１），式
（２）を代入することにより、空燃比の検出周期Δｔは
次の数式６にて規定される。

【００３５】

【数６】Δｔ＜（Ｚdc’・Ｉp ＋Ｖr −Ｖp ）／（Ｚd
c’・Ｕip） 以上のように、本実施例では、空燃比がリーン側に変化
する場合には上記数式３の不等式を満たす範囲内で空燃
比の検出周期Δｔが設定され、空燃比がリッチ側に変化
する場合には上記数式６の不等式を満たす範囲内で同じ
く検出周期Δｔが設定される。

【００３６】なお、空燃比がリッチ側に変化する場合
（数式６の場合）には、Ｚdc’（限界電流発生域の最大
電圧が描く軌跡の傾きの逆数）をパラメータの１つとし
て用いたが、一般に限界電流発生域の幅は空燃比により
変化することから、Ｚdc’はＺdcが固定値であっても変
動する。以下、Ｚdc’の設定方法について記述する。

【００３７】つまり、Ｚdc’の特性は例えば図７に示す
如く特性〜にて分類される。この場合、特性では
「Ｚdc’＝Ｚdc」、特性では「Ｚdc’＝Ｚdc＋定数，
Ｖr＝一定」の関係が与えられ、共にＺdc’は内部抵抗
Ｚdcのみの関数となっている。ここで、特性は最も簡
易的な方法であり、いかなる空燃比においても限界電流
発生域の幅が均一であるとみなしている。

【００３８】また、特性では内部抵抗Ｚdc及び限界電
流値Ｉp の関数にてＺdc’が与えられ、「Ｚdc’＝ｆ
（Ｚdc，Ｉp ），Ｖr ＝ｇ（Ｚdc，Ｉp ）」としてい
る。この場合、関数ｆ，ｇは、酸素センサ５の静特性に
より決定される。具体的には、所定の内部抵抗Ｚdcで限
界電流値Ｉp を変化させ、限界電流発生域の右端（最大
電圧）を結んでその軌跡を求める。そして、前記軌跡上
にて所定の限界電流値Ｉpにおける接線を引き、その傾
きの逆数をＺdc’、電圧軸との切片をＶr として、Ｉp
，Ｖr ，Ｚdc’の関係を調べる。同様に、内部抵抗Ｚd
cを変化させ、Ｚdc，Ｖr ，Ｚdc’の関係を調べる。調
べた関係は、近似した関数ｆ，ｇにて与えられる。ま
た、上記関係をマップ化することもできる。この特性
では、実際の特性を最も精密に具現化することができ
る。

【００３９】上記特性〜は、いずれも上述の検出周
期Δｔの算出に際して具体化が可能であるが、本実施例
では、それらのうち特性（Ｚdc’＝Ｚdcの特性）を用
いて具体化する。この場合、上記数式６はＺdc’をＺdc
に置き換えて用いる。

【００４０】なお、本実施例では、図１のＣＰＵ２ａに
より検出周期設定手段、限界電流測定手段、空燃比検出
手段及び抵抗測定手段が構成されている。次に、上記の
ように構成される空燃比検出装置の作用を説明する。

【００４１】図８，９は、ＣＰＵ２ａにより実行される
空燃比検出ルーチンを示すフローチャートである。さ
て、空燃比検出ルーチンがスタートすると、ＣＰＵ２ａ
は、先ず図８のステップ１００で酸素センサ５の内部抵
抗Ｚdcを検出するか否かを判別する。このとき、内部抵
抗Ｚdcの検出条件としては排気ガスの温度変化に従うの
がよく、具体的には、機関回転数，吸気管圧力，吸入空
気量，排気ガス量等の変化が所定範囲を越えた場合に内
部抵抗Ｚdcの検出要と判定する。なお、この判定を単に
周期的（例えば１秒毎）に行うこともできる。そして、
ＣＰＵ２ａは、ステップ１００がＹＥＳであればステッ
プ１０１〜１０６で内部抵抗Ｚdcを検出し、ステップ１
００がＮＯであればステップ１０７〜１２２で所望の検
出周期Δｔに従い限界電流値Ｉp を測定すると共に空燃
比を検出する。

【００４２】詳しくは、ステップ１００がＹＥＳの場
合、ＣＰＵ２ａは、ステップ１０１で酸素センサ５への
印加電圧をＶp （限界電流検出用の電圧）からＶn に切
り換える。ここで、電圧Ｖn は、空燃比の検出域よりも
十分にリッチ側（本実施例では、空燃比＝１２よりもリ
ッチ側）になるように負側に大きく設定される。なお、
内部抵抗Ｚdcの変化状態に従って内部抵抗Ｚdcが大きく
なるほどＶn を負側に大きく設定してもよい。

【００４３】また、ＣＰＵ２ａは、続くステップ１０２
で電圧切り換え時におけるピーク電流を収束させるため
に時間ｔ１だけ待機した後、ステップ１０３で電圧Ｖn
により流れる電流値Ｉn を検出する。次に、ＣＰＵ２ａ
は、ステップ１０４で印加電圧をＶn から元のＶp に切
り換え、ステップ１０５で電圧切り換え時におけるピー
ク電流を収束させるために時間ｔ２だけ待機する。その
後、ＣＰＵ２ａはステップ１０６で、ステップ１０１の
電圧Ｖn とステップ１０３の電流値Ｉn とからその時の
検出素子部６（固体電解質層１６）の内部抵抗Ｚdcを算
出する（Ｚdc＝Ｖn ／Ｉn ）。

【００４４】つまり、図１０に示すように、印加電圧を
Ｖp からＶn へ切り換える場合、酸素センサ５の検出素
子部６に流れる電流は図示の如くピーク値に達した後、
静特性上の電流値Ｉn に収束する。逆に、印加電圧をＶ
n からＶp に切り換えでも同様である。従って、時間ｔ
１，ｔ２だけ待機した後に電流値を検出することによ
り、精度の高い検出結果が得られる。なお、時間ｔ１，
ｔ２が長すぎる場合は、収束途中の値から電流値を推測
することも可能である。

【００４５】一方、ステップ１００がＮＯの場合、即ち
内部抵抗Ｚdcの検出が不要の場合、ＣＰＵ２ａは、先ず
ステップ１０７で前回決定した検出周期Δｔの上限値Δ
ｔｓをα倍し、実際に用いる検出周期Δｔを算出する
（Δｔ＝α・Δｔｓ）。そして、ＣＰＵ２ａは、続くス
テップ１０８で検出周期Δｔに相当する時間だけ待機す
る。

【００４６】ここで、係数αは次の如く決定される。つ
まり、前回の空燃比検出時からその次の空燃比検出時ま
でには、ステップ１０８による待機時間（＝検出周期Δ
ｔ）と、後続のステップ１０９〜１２２、ステップ１０
０及びステップ１０７の処理時間（これを所要時間Ｔと
する）とを要する。従って、（Δｔ＋Ｔ）が上限値Δｔ
ｓよりも短くならなければならず、Δｔ＝α・Δｔｓで
あるから「α・Δｔｓ＋Ｔ＜Δｔｓ」の条件が設定され
る。そして、上記条件式を解くと共にα＞０の条件を与
えることにより、係数αは、

【００４７】

【数７】０＜α＜１−（Ｔ／Δｔｓ） で示す範囲内で設定される。なお、所要時間Ｔは数μｓ
〜数１００μｓであるのに対し、検出周期Δｔの上限値
Δｔｓは数ｍｓ〜数１００ｍｓのオーダであるのでＴ＜
Δｔｓが常に成立し、常に０＜α＜１となっている。

【００４８】そして、ステップ１０８による検出周期Δ
ｔの待機後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１０９で現在の限
界電流値Ｉp を測定する。また、ＣＰＵ２ａは、ステッ
プ１１０で図１１の限界電流−空燃比マップを用いてそ
の時の限界電流値Ｉp に対応する空燃比を求め、続くス
テップ１１１で当該空燃比を出力する。なお、過渡時に
おける空燃比の検出精度を高める場合には、図１１のマ
ップで求めた空燃比に過渡時補正を加えてもよく、例え
ば特開平３−１８５２４４号公報に記載された如く空燃
比補正係数ＦＡＦ（噴射量に相当）等により空燃比を補
正する。つまり、過渡時には、空燃比の変化に対して限
界電流値Ｉp が遅れるが、上記公報に記載された如く現
代制御を用い補正を行うことで限界電流値Ｉp の遅れを
解消することができる。

【００４９】次に、ＣＰＵ２ａは、ステップ１１２でそ
の時の限界電流値Ｉp に応じた印加電圧Ｖp を決定し、
続くステップ１１３で印加電圧Ｖp を酸素センサ５の検
出素子部６に印加する。具体的には、図１２に示す直線
状の印加電圧設定線（Ｖp 設定線）を用い、その設定線
上でその時の限界電流値Ｉp に応じた印加電圧Ｖp が求
められる（Ｖp ＝Ｚ・Ｉp ＋Ｖe ）。なお、本実施例で
は、Ｖp 設定線の傾きＺを定数とするが、Ｚ＝Ｚdcとし
て内部抵抗ＺdcによりＶp 設定線の傾きＺを変更できる
ようにしてもよい。

【００５０】続いて、ＣＰＵ２ａは、ステップ１１４〜
１１８で現時点から次回の空燃比検出時までの限界電流
値Ｉp の変化速度Ｕipを推測する。詳しくは、ＣＰＵ２
ａは、先ずステップ１１４，１１５で次の数式８，数式
９を用いてＵip1 ，Ｕip2 を算出する。

【００５１】

【数８】Ｕip1 ＝（Ｉp −Ｉpp）／Δｔｓ＋β・Δｔｓ

【００５２】

【数９】Ｕip2 ＝（Ｉp −Ｉpp）／Δｔｓ−β・Δｔｓ
但し、上記数式８，９の右辺において、前項は前回の検
出時から今回の検出時までの限界電流値の変化速度（平
均値）を示し、後項は次回までに推測される変化速度Ｕ
ipの変化量を示す。即ち、図６に示すように実験的に空
燃比を急激に変化させた場合、限界電流値Ｉp は図示の
如く変化し、数式８，９の係数βは限界電流値Ｉp の２
回微分値の最大値として設定される。

【００５３】また、ＣＰＵ２ａはステップ１１６で、ス
テップ１１４にて算出したＵip1 の絶対値と、ステップ
１１５にて算出したＵip2 の絶対値とを比較し、続くス
テップ１１７或いは１１８で絶対値が大きい方の値を、
変化速度Ｕipとして記憶する。即ち、｜Ｕip1 ｜≧｜Ｕ
ip2 ｜であればＵip1 が変化速度Ｕipとして記憶され、
｜Ｕip1 ｜＜｜Ｕip2 ｜であればＵip2 が変化速度Ｕip
として記憶される。この場合、絶対値が大きい方の値を
選択することにより、空燃比の急激な変化時にも常に対
応可能な検出周期Δｔを設定することができる。

【００５４】その後、ＣＰＵ２ａはステップ１１９〜１
２１で、ステップ１０６の内部抵抗Ｚdc，ステップ１０
９の限界電流値Ｉp ，ステップ１１２の印加電圧Ｖp ，
ステップ１１７又は１１８の変化速度Ｕipを用いて検出
周期Δｔの上限値Δｔｓを設定する。詳しくは、先ずＣ
ＰＵ２ａは、ステップ１１９で今回の限界電流値Ｉpと
前回の限界電流値Ｉppとを比較により限界電流値Ｉp の
増減を調べ、空燃比がリーン側に移行しているか或いは
リッチ側に移行しているかを判別する。

【００５５】そして、Ｉp ≧Ｉppの場合、即ち空燃比が
リーン側に移行している場合、ＣＰＵ２ａはステップ１
２０に進んで上限値Δｔｓを算出する。ここで、上限値
Δｔｓの算出式は、前述した数式３（不等式）の右辺に
相当している。また、Ｉp ＜Ｉppの場合、即ち空燃比が
リッチ側に移行している場合、ＣＰＵ２ａは、ステップ
１２１に進んで上限値Δｔｓを算出する。ここで、上限
値Δｔｓの算出式は、前述した数式６（不等式）の右辺
に相当しており、本ルーチンでは数式６のＺdc’をＺdc
に置き換えている。

【００５６】最後に、ＣＰＵ２ａは、ステップ１２２で
今回の限界電流値Ｉp を前回の限界電流値Ｉppに置き換
えた後、ステップ１００に戻る。以上詳述したように、
本実施例の空燃比検出装置では、その時の印加電圧Ｖp
を限界電流発生域内とする限界電流の許容変化域で限界
電流値Ｉp が変化するように、空燃比の検出周期Δｔを
設定した（図８のステップ１０７，図９のステップ１１
４〜１２１）。より具体的には、限界電流値Ｉp の変化
速度Ｕipと同電流値Ｉp の許容変化域（数式３又は数式
６に反映されている）とに応じて検出周期Δｔを設定し
た。また、その検出周期Δｔに従い、印加電圧Ｖp の印
加により酸素センサ５に流れる限界電流値Ｉp を測定し
（図８のステップ１０８，１０９）、測定された限界電
流値Ｉp に基づいて空燃比を検出するようにした（図８
のステップ１１０）。

【００５７】要するに、本実施例の構成によれば、前回
の空燃比検出時とその次の空燃比検出時との間において
空燃比の変化により限界電流値Ｉp が急変する場合に
も、空燃比変化後の限界電流値Ｉp に相当する限界電流
発生域からその時の印加電圧Ｖp が外れることはなく、
常に正確な限界電流値Ｉp を測定することができる。そ
の結果、空燃比の検出精度の悪化を防止することができ
る。

【００５８】さらに、本実施例では、随時、内部抵抗Ｚ
dcを測定し（図８のステップ１０１〜１０６）、その測
定結果を検出周期Δｔの設定に反映させたため、温度変
化等により素子内部抵抗が変化した場合にも適切に対処
することができる。

【００５９】なお、本発明は上記実施例の他に、次の様
態にて具体化することができる。 （１）上記実施例では、内部抵抗Ｚdcを検出するために
酸素センサ５への印加電圧を一旦、Ｖp からＶn に切り
換え、電圧Ｖn により電流値Ｉn を検出したが、特開昭
５７−１８７６４６号公報のように交流インピーダンス
によって求めてもよい。この場合、酸素センサ５に交流
電圧を印加し、その電圧振幅とそれによる電流振幅とか
ら内部抵抗Ｚdcを測定する。

【００６０】（２）酸素センサ５の検出素子部６の温度
（素子温度）を検出し、その素子温度と内部抵抗Ｚdcと
の対応関係により内部抵抗Ｚdcを測定するようにしても
よい。

【００６１】（３）上記実施例では、空燃比検出ルーチ
ンのステップ１１４〜１１８（図９）で変化速度Ｕipを
毎回算出したが、この変化速度Ｕipとして、検出素子部
６の動特性から決定される最大速度（固定値）を予め与
えておいてもよい。つまり、実際の走行条件における最
大の空燃比変化量にて実験的に空燃比を急変させ、その
時の限界電流値Ｉp の最大速度Ｕipmax を求める（図６
参照）。そして、この最大速度Ｕipmax を変化速度Ｕip
（変化速度の推測値）として予め設定しておく。この場
合、最大速度を与えておくことにより、空燃比の急激な
変化時にも常に対応可能な検出周期Δｔを設定すること
ができ、且つ、構成（ソフトウエア）の簡略化が実現さ
れる。

【００６２】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、空燃比
の検出周期を適切に設定し、空燃比の検出精度の悪化を
防ぐことができるという優れた効果を発揮する。

【００６３】請求項２に記載の発明によれば、限界電流
の変化速度と同電流の許容変化域とを用いて検出周期を
設定することにより、同周期をより適切に設定すること
ができる。

【００６４】請求項３に記載の発明によれば、上記効果
に加えて構成の簡略化を図ることができる。請求項４に
記載の発明によれば、例えば温度変化により素子内部抵
抗が変化する場合にも対処でき、常に高精度な空燃比検
出を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例における空燃比検出装置の電気的構成を
示す概略図である。

【図２】酸素センサの構成を示す断面図である。

【図３】酸素センサの電圧−電流特性図である。

【図４】同じく電圧−電流特性図である。

【図５】電圧−電流特性図であり、（ａ）は空燃比がリ
ーン側に移行する場合の特性を詳細に示し、（ｂ）は空
燃比がリッチ側に移行する場合の特性を詳細に示してい
る。

【図６】空燃比の変化に対する限界電流値の変化を示す
波形図である。

【図７】限界電流発生域の最大電圧の軌跡を示す電圧−
電流特性図である。

【図８】空燃比検出ルーチンを示すフローチャートであ
る。

【図９】図８に引き続き、空燃比検出ルーチンを示すフ
ローチャートである。

【図１０】印加電圧と酸素センサに流れる電流とを示す
波形図である。

【図１１】限界電流−空燃比マップである。

【図１２】印加電圧設定線を記載した電圧−電流特性図
である。

【図１３】従来技術における問題点を説明するために用
いる電圧−電流特性図である。

【符号の説明】

２ａ…検出周期設定手段，限界電流測定手段，空燃比検
出手段，抵抗測定手段としてのＣＰＵ、５…酸素センサ
（限界電流式酸素センサ）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−163556（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−192849（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/41 G01N 27/416 G01N 27/419

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定空燃比の下で印加電圧が変化しても
   ほぼ一定の限界電流を出力する限界電流発生域を持った
   限界電流式酸素センサと、所定の 印加電圧が印加されているときに限界電流が変化
   しても、該所定の印加電圧において変化後の限界電流が
   許容変化域内となるように、空燃比の検出周期を設定す
   る検出周期設定手段と、 前記検出周期設定手段にて設定された検出周期に従い、
   電圧の印加によって前記限界電流式酸素センサに流れる
   限界電流を測定する限界電流測定手段と、 前記限界電流測定手段により測定された限界電流値に基
   づいて空燃比を検出する空燃比検出手段とを備えたこと
   を特徴とする空燃比検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の空燃比検出装置におい
   て、 前記検出周期設定手段は、前記限界電流測定手段により
   測定された限界電流の変化速度を推測する手段と、該推
   測した限界電流の変化速度とその時の限界電流の許容変
   化域とに応じて空燃比の検出周期を設定する手段とを有
   する空燃比検出装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の空燃比検出装置におい
   て、 限界電流の変化速度を推測する手段は、予め設定された
   変化速度の最大値を当該推測値とする空燃比検出装置。
4. 【請求項４】 前記限界電流式酸素センサの素子内部抵
   抗を測定する抵抗測定手段を備え、 前記検出周期設定手段は、前記抵抗測定手段により測定
   された抵抗値を用いて空燃比の検出周期を設定する請求
   項１に記載の空燃比検出装置。