JP3641084B2 - 酸素濃度検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置に関し、特に限界電流式酸素センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）を用いる酸素濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＡＦセンサの出力を用い、その活性温度範囲内では、ある正の印加電圧に対する出力電流値が酸素分圧に比例するというＬＡＦセンサの特性を利用して、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出するようにした酸素濃度検出装置が従来より知られている（特開昭５９−１６３５５６号公報）。ＬＡＦセンサは自身の温度によりその限界電流特性が変化するため、検出精度を維持するためにはＬＡＦセンサを所定の活性温度範囲内に常に制御する必要がある。そこで上記従来の酸素濃度検出装置では、ＬＡＦセンサに負の電圧を印加するとその出力電流値が酸素分圧に依存せず温度に比例した値になるという性質を利用して、例えば所定の負の電圧を印加したときの内部抵抗を検出し、その値が一定となるようにＬＡＦセンサをヒータによって加熱制御することにより活性状態を常に維持するようにしている。
【０００３】
ここで、排気ガス中の酸素濃度を検出するための印加電圧（正）とＬＡＦセンサの内部抵抗を検出するための印加電圧（負）とは互いに異なる値であるので、上記酸素濃度検出及び内部抵抗検出を同時に行うことはできず、上記互いに異なる電圧を一定の周期毎に切り替えて（時分割的に）印加するようにしている。
【０００４】
ところで、このＬＡＦセンサの出力は種々の制御に利用されるが、例えば現代制御理論を用いた内燃機関の空燃比フィードバック制御等で見られるように、ＬＡＦセンサの出力を用いてオブザーバや最適レギュレータ等の漸化式形式の制御器等により精巧な制御を行う場合には、ＬＡＦセンサの出力のサンプル値群の中から最適な値を採択する必要から、非常に短い周期でサンプリングしたＬＡＦセンサの出力値を必要とする（特願平７−６１７８３号、特願平７−６１７８４号等）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の酸素濃度検出装置では、少なくとも内部抵抗を検出している期間内は酸素濃度の検出が中断され、真の検出値を得ることができない。しかもその期間は内燃機関の運転状態にかかわらず一定の周期で到来する（以下、内部抵抗検出期間が到来する周期を「内部抵抗検出周期」という）。そのため、内部抵抗検出周期をあまりに短く（小さい値に）設定すると、酸素濃度検出が中断される頻度が高くなり、例えばオブザーバにおいては、気筒別の空燃比の推定が不正確となって、本来の精巧な制御を十分に達成できない場合がある。
【０００６】
すなわち、オブザーバでは、ＬＡＦセンサの内部抵抗の検出開始直前に検出した酸素濃度値を次回の酸素濃度検出の開始時まで保持し、この保持した値を酸素濃度検出中断期間における酸素濃度検出値とみなすようにしているが、ＬＡＦセンサの出力のサンプル値群の中から酸素濃度検出中断期間におけるサンプル値を採択した場合には、本来検出したい気筒（例えば＃２）の酸素濃度として、実際に検出したならば得られたであろう値よりもむしろ前の気筒（例えば＃４）の酸素濃度により近い値（保持値）が与えられることがあり得る。このような場合は、上記保持値から算出した空燃比と真の空燃比との食い違いが大きくなり、気筒別の空燃比の推定が不正確となる結果、空燃比フィードバック制御が目標空燃比に収束しなかったり発散したりするおそれがある。特に、エンジンサイクルと内部抵抗検出周期とが略同期する場合には、特定の気筒の空燃比を全く検出できず、その弊害は大きい。
【０００７】
また、短いサンプリング周期による検出値を必要としない制御であっても、検出値を要求するタイミングが内部抵抗検出期間と一致する頻度が高くなり、制御性の悪化を招くおそれがある。かかる弊害を少なくする観点からは、内部抵抗検出周期はなるべく長くする方が望ましい。
【０００８】
しかしながら、内部抵抗検出周期をあまりに長く（大きい値に）設定すると、例えば内燃機関のフューエルカット時等における排気ガス温の急変時にＬＡＦセンサの素子温の制御が遅れる等、ＬＡＦセンサを常に活性温度範囲内に維持することが困難となり、ＬＡＦセンサの酸素濃度の検出精度が悪化するおそれがある。
【０００９】
従って、内部抵抗検出周期を一律に固定値に設定したのでは、内燃機関の運転状態によっては不具合を生じる場合があった。
【００１０】
本発明は上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができる酸素濃度検出装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１の酸素濃度検出装置は、限界電流式の酸素センサと、該酸素センサを加熱する加熱手段と、前記酸素センサに第１の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出し、内部抵抗検出周期で前記酸素センサに第２の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記酸素センサの内部抵抗を検出する検出手段と、該検出手段により検出された内部抵抗に基づいて前記加熱手段による前記酸素センサの加熱を制御する加熱制御手段とを有する酸素濃度検出装置において、前記内部抵抗検出周期を前記内燃機関の運転状態に応じて設定する周期設定手段を有し、前記内部抵抗検出周期は、前記内燃機関の空燃比がリーンであるときは該空燃比がリッチであるときより小さい値に設定されることを特徴とする。
【００１２】
この酸素濃度検出装置によれば、限界電流式の酸素センサに第１の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて内燃機関の排気ガス中の酸素濃度が検出され、内部抵抗検出周期で前記酸素センサに第２の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記酸素センサの内部抵抗が検出され、該検出された内部抵抗に基づいて前記酸素センサの加熱が制御される。前記内部抵抗検出周期は前記内燃機関の運転状態に応じて設定され、前記内燃機関の空燃比がリーンであるときは該空燃比がリッチであるときより小さい値に設定される。これにより、例えばフーエルカット時等の排気ガス温が急変する運転状態では、内部抵抗検出周期を短縮することにより限界電流式酸素センサの温度制御を遅れなく確実に行う一方、通常の空燃比フィードバック制御中等では、内部抵抗検出周期を延長することにより酸素濃度の検出期間をより多く確保することができ、従って酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができる。
【００１３】
上記目的を達成するために本発明の請求項２の酸素濃度検出装置は、限界電流式の酸素センサと、該酸素センサを加熱する加熱手段と、前記酸素センサに第１の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出し、内部抵抗検出周期で前記酸素センサに第２の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記酸素センサの内部抵抗を検出する検出手段と、該検出手段により検出された内部抵抗に基づいて前記加熱手段による前記酸素センサの加熱を制御する加熱制御手段とを有する酸素濃度検出装置において、前記内部抵抗検出周期を前記内燃機関の運転状態に応じて設定する周期設定手段を有し、前記内部抵抗検出周期は、前記内燃機関が前記酸素センサの出力値に基づく空燃比フィードバック制御中であるときは空燃比フィードバック制御中以外のときより大きい値に設定されることを特徴とする。
この酸素濃度検出装置によれば、内部抵抗検出周期が、内燃機関が前記酸素センサの出力値に基づく空燃比フィードバック制御中であるときは空燃比フィードバック制御中以外のときより大きい値に設定されるので、空燃比フィードバック制御中以外であるときは内部抵抗検出周期を短縮することにより、限界電流式酸素センサの温度制御を遅れなく確実に行い酸素濃度の検出精度の悪化を回避することができると同時に、空燃比フィードバック制御中では内部抵抗検出周期を延長することにより、酸素濃度の検出期間をより多く確保することができ、従って酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
（実施の第１形態）
図１は、本発明の実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置及び該装置を適用した内燃機関（以下「エンジン」という）の制御装置の全体構成を示すブロック図である。同図中、１はエンジンである。
【００１６】
エンジン１の吸気管２は分岐部（吸気マニホルド）１１を介してエンジン１の各気筒の燃焼室に連通する。吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（θＴＨ）センサ４が連結されており、スロットル弁開度θＴＨに応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。
【００１７】
エンジン１の本体には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１４が装着されており、クランク角度位置センサ１４は、クランク軸の回転角度に応じた信号をＥＣＵ５に供給する。クランク角度位置センサ１４は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置で信号パルス（以下「ＣＹＬ信号パルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣ信号パルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣ信号パルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫ信号パルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬ信号パルス、ＴＤＣ信号パルス及びＣＲＫ信号パルスがＥＣＵ５に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射量（燃料噴射時間）、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数ＮＥの検出に使用される。
【００１８】
吸気マニホルド１１の吸気弁の少し上流側には、各気筒毎に燃料噴射弁１２が設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されているとともにＥＣＵ５に電気的に接続されて、ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射時期及び燃料噴射時間（開弁時間）が制御される。エンジン１の点火プラグ（図示せず）もＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５により点火時期θＩＧが制御される。
【００１９】
排気管１６は分岐部（排気マニホルド）１５を介してエンジン１の燃焼室に接続されている。排気管１６には分岐部１５が集合する部分の直ぐ下流側に、ＬＡＦセンサ１７が設けられている。さらにＬＡＦセンサ１７より下流側には直下三元触媒１９及び床下三元触媒２０が配されており、またこれらの三元触媒１９及び２０の間には酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１８が装着されている。三元触媒１９、２０は、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等の浄化を行う。
【００２０】
後述するように、ＬＡＦセンサ１７は酸素濃度検出活性化制御装置（以下「制御装置」という）２５と共に酸素濃度検出装置６を構成する。ＬＡＦセンサ１７は制御装置２５を介してＥＣＵ５に接続されており、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）に略比例した電気信号を出力し、その電気信号を制御装置２５に出力する。制御装置２５内に格納された酸素濃度検出値はＥＣＵ５により読み出される。この酸素濃度検出値の処理については後述する。Ｏ２センサ１８は、その出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベルとなり、リーン側で低レベルとなる。Ｏ２センサ１８の検出信号はＥＣＵ５に供給される。
【００２１】
ＥＣＵ５は、上述した各種センサからの入力信号波形を整形して電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央処理回路（ＣＰＵ）と、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラムや後述する各種マップ及び演算結果等を記憶するＲＯＭ及びＲＡＭからなる記憶装置と、燃料噴射弁１２等の各種電磁弁や点火プラグに駆動信号を出力する出力回路とを備えている。
【００２２】
ＥＣＵ５は、上述の各種エンジン運転パラメータ信号に基づいて、ＬＡＦセンサ１７及びＯ２センサ１８の出力に応じた空燃比フィードバック制御運転領域や空燃比オープン制御運転領域等の種々のエンジン運転状態を判別するとともに、エンジン運転状態に応じ、下記数式１により燃料噴射弁１２の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算し、この演算結果に基づいて燃料噴射弁１２を駆動する信号を出力する。
【００２３】
【数１】
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭＦ×Ｋ１＋Ｋ２
ここに、ＴＩＭＦは基本燃料量であり、具体的にはエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて決定される基本燃料噴射時間である。Ｋ１、Ｋ２は各種エンジンパラメータに応じて演算される補正係数または補正変数であり、エンジン１の運転状態に応じた燃費特性、加速特性等の諸特性の最適化が図られるように決定される。
【００２４】
ＥＣＵ５はさらに、空燃比の制御状態等を示す信号を制御装置２５に供給する。
【００２５】
図２は、本実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置の詳細な構成を示すブロック図であり、同図において図１中と同一の構成要素には同一の符号が付してある。
【００２６】
酸素濃度検出装置６は、ＬＡＦセンサ１７及び制御装置２５により構成される。ＬＡＦセンサ１７は上述のように排気管１６に設けられており、ＬＡＦセンサ１７の信号線は、コネクタ（図示せず）により制御装置２５に着脱自在に接続されている。ＬＡＦセンサ１７は、固体電解質素子等から構成され、その内側にヒータ５４を内蔵する。ヒータ５４はＬＡＦセンサ１７を活性状態にするのに十分な発熱容量を有している。また、ＬＡＦセンサ１７の周囲には小孔６０を有するカバー５９が設けられており、カバー５９は、小孔６０を通じて排気ガスを流入させることによりＬＡＦセンサ１７が排気ガスに直接触れることを防ぎ、ＬＡＦセンサ１７の保護及び保温の役目を果たす。
【００２７】
制御装置２５には、バイアス制御部６３、電流検出部６７及び制御部６９が設けられている。ＬＡＦセンサ１７に接続されたリード線６１の一方はバイアス制御部６３に接続され、リード線６１の他方は電流検出部６７に接続されている。また、ヒータ５４に接続された２本のリード線６２が制御部６９の加熱制御部７１に接続されている。
【００２８】
バイアス制御部６３は、正バイアス源６４、負バイアス源６５及び切り替え部６６から構成されている。電流検出部６７は、切り替え部６６及び制御部６９に接続され、切り替え部６６は制御部６９にも接続されている。切り替え部６６は制御部６９からの信号に従ってＬＡＦセンサ１７に印加する電圧の極性を切り替え、電流検出部６７は検出電流を制御部６９に出力する。
【００２９】
制御部６９は、信号を増幅及び波形整形するアンプ７２、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するＡ／Ｄ変換部６８、記憶部７０、及びヒータ５４の発熱状態を制御する加熱制御部７１から構成される。記憶部７０は、制御部６９で実行される各種演算プログラムやマップ及び演算結果等を記憶するＲＯＭ及びＲＡＭ、並びにＬＡＦセンサ１７の酸素濃度（空燃比Ａ／Ｆ）検出値を格納するリングバッファ等から成る。このリングバッファは例えば１２個の格納場所に区分されている。
【００３０】
制御部６９は、ＣＹＬ信号パルス、ＴＤＣ信号パルス、ＣＲＫ信号パルスをＥＣＵ５から受容する。制御部６９はさらに、上述した空燃比の制御状態等を示す信号のほか、エンジン回転数ＮＥ信号や吸気管内絶対圧ＰＢＡ信号等のエンジンの運転状態を示す信号を受容する。
【００３１】
ＬＡＦセンサ１７は、所定の正の電圧Ｖ１を印加したときの限界電流値が酸素分圧に比例することから、排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出することができるが、該ＬＡＦセンサ１７は活性化するのに高温（約６５０°Ｃ）を必要とし、しかもその活性温度範囲が狭いため、エンジン１の排気ガス温のみではＬＡＦセンサ１７の活性状態を適切に制御することができない。そこで、内部抵抗の検出によるＬＡＦセンサ１７の活性状態維持のための処理（以下「ＬＡＦセンサ活性化処理」という）が必要となる。酸素濃度検出装置６は、ＬＡＦセンサ活性化処理と酸素濃度検出処理とを後述する処理で設定される切り替え周期で切り替えて実行する。
【００３２】
図３は、このＬＡＦセンサ活性化処理と酸素濃度検出処理の切り替えタイミングを示す図である。同図において、時点ｔｂから時点ｔｃまでの区間が酸素濃度検出処理が実行される酸素濃度検出期間であり、曲線の実線部が酸素濃度検出値の変化を示す。時点ｔａから時点ｔｂ、または時点ｔｃから時点ｔｄまでの区間がＬＡＦセンサ活性化処理が実行される内部抵抗検出期間（後述する所定値ＴＲｉ）であり、この期間では酸素濃度の検出が中断される。酸素濃度検出期間と内部抵抗検出期間とは交互に繰り返され、内部抵抗検出周期（同図中、時点ｔａから時点ｔｃまで）は、以下に説明するようにエンジン運転状態に応じて設定される。
【００３３】
図４は、本実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置による内部抵抗検出周期設定処理のフローチャートであり、本処理はタイマ処理により一定時間毎に制御部６９により実行される。
【００３４】
まず、内部抵抗検出周期タイマｔｍｆが「０」に達したか否かを判別し（ステップＳ４０１）、内部抵抗検出周期タイマｔｍｆが「０」に達していないときは直ちに本処理を終了する一方、内部抵抗検出周期タイマｔｍｆが「０」に達したときは、ＬＡＦセンサ活性化処理を実行すべき期間であることを「１」で示す抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨを「１」に設定して（ステップＳ４０２）、ＬＡＦセンサ１７の出力電流値Ｉ０が基準値ＩＲＥＦより大きいか否かを判別する（ステップＳ４０３）。ここで基準値ＩＲＥＦは、エンジンが所定のリーン状態、例えばエンジンがフューエルカット状態にあるか否かを示す閾値（例えば１０ｍＡ）に設定し、Ｉ０＞ＩＲＥＦＦであるときはエンジンが所定のリーン状態にあると判別する。あるいは出力電流値Ｉ０の代わりに出力電流値Ｉ０に基づき空燃比を算出し、算出された空燃比が所定値（例えばＡ／Ｆ＝２０）以上のときに所定のリーン状態にあると判別するようにしてもよい。
【００３５】
前記ステップＳ４０３の判別の結果、Ｉ０＞ＩＲＥＦであるときは、抵抗検出周期タイマｔｍｆに第１の周期Ｔｆ１（例えば１２８ｍｓ）をセットしてスタートさせ（ステップＳ４０４）、本処理を終了する一方、Ｉ０≦ＩＲＥＦＦであるときは、抵抗検出周期タイマｔｍｆに第１の周期Ｔｆ１より長い第２の周期Ｔｆ２（例えば２５６ｍｓ）をセットしてスタートさせ（ステップＳ４０５）、本処理を終了する。これにより、フーエルカット時等の排気ガス温が急変する所定のリーン状態ではＬＡＦセンサ１７の温度制御を優先する、すなわち、内部抵抗検出周期を短縮することにより限界電流式酸素センサの温度制御を遅れなく確実に行う一方、通常の空燃比フィードバック制御中等の所定のリーン状態でないときは内部抵抗検出周期を延長することにより、酸素濃度の検出期間をより多く確保することができる。なお、第１の周期Ｔｆ１及び第２の周期Ｔｆ２は、ＬＡＦセンサ１７の素子やヒータ５４の熱容量、ＬＡＦセンサ１７の冷却特性及びＬＡＦセンサ１７の活性温度範囲等を考慮して設定することが好ましい。
【００３６】
図５は、本実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置によるＬＡＦセンサ活性化処理のフローチャートであり、本処理はタイマ処理により一定時間毎に制御部６９により実行される。
【００３７】
まず、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されているか否かを判別し（ステップＳ５０１）、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されているときは、後述するステップＳ５０８でセットされる抵抗検出期間タイマｔｍＲｉが「０」に達したか否かを判別する。（ステップＳ５０２）、その結果、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されてないときまたは抵抗検出期間タイマｔｍＲｉが「０」に達したときは、抵抗検出期間タイマｔｍＲｉに所定値ＴＲｉ（例えば４．５ｍｓ）をセットしてスタートさせ（ステップＳ５０８）、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨを「０」に設定し（ステップＳ５０９）、本処理を終了する。
【００３８】
一方、前記ステップＳ５０２で抵抗検出期間タイマｔｍＲｉが「０」に達していないときは、ＬＡＦセンサ１７の内部抵抗Ｒｉを以下のようにして検出する（ステップＳ５０３、Ｓ５０４）。
【００３９】
すなわち、切り替え部６６を負バイアス源６５に接続することにより、ＬＡＦセンサ１７に所定の負の電圧Ｖ２を印加して（ステップＳ５０３）、このときにＬＡＦセンサ１７から出力される電流値Ｉ２を電流検出部６７により検出し、この電流値Ｉ２をアンプ７２により増幅及び波形整形した後、Ａ／Ｄ変換部６８によりデジタル値に変換し、このデジタル値に基づいて内部抵抗Ｒｉを検出する（ステップＳ５０４）。
【００４０】
次いで、上記検出した内部抵抗Ｒｉが基準値ＲＲＥＦ以上であるか否かを判別し（ステップＳ５０５）、その判別の結果、Ｒｉ≧ＲＲＥＦであるときは、加熱制御部７１によりヒータ５４を加熱制御し（ステップＳ５０６）、本処理を終了する一方、Ｒｉ＜ＲＲＥＦであるときは、加熱制御部７１によるヒータ５４の加熱を停止して（ステップＳ５０７）、本処理を終了する。これにより、ＬＡＦセンサ１７が活性温度範囲内に制御される。
【００４１】
本処理によれば、一定の周期で（抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」になる毎に）一定期間（ＴＲｉ）だけＬＡＦセンサ活性化処理が実行される。
【００４２】
図６は、本実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置による酸素濃度検出値格納処理のフローチャートであり、本処理はＣＲＫ信号パルスの発生毎に制御部６９により実行される。
【００４３】
まず、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されているか否かを判別する（ステップＳ６０１）。その判別の結果、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されていないときは、酸素濃度検出処理を実行すべき期間であるので、制御部６９の制御により切り替え部６６を正バイアス源６４に接続することにより、ＬＡＦセンサ１７に所定の正の電圧Ｖ１を印加する（ステップＳ６０２）。このときにＬＡＦセンサ１７から出力される電流値Ｉ１を電流検出部６７により検出し（ステップＳ６０３）、この電流値Ｉ１をアンプ７２により増幅及び波形整形した後、Ａ／Ｄ変換部６８によりデジタル値に変換し、このデジタル値に基づき不図示のマップを用いて排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する（ステップＳ６０４）。次いで、このときのＬＡＦセンサ１７の出力、すなわちＣＲＫ信号パルスの発生毎にサンプリングした酸素濃度検出値（サンプル値）を記憶部７０のリングバッファに格納し（ステップＳ６０５）、本処理を終了する。
【００４４】
一方前記ステップＳ６０１の判別の結果、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されているときは、ＦＡＦＩＮＨ＝１となる直前にサンプリングされた酸素濃度検出値を記憶部７０のリングバッファに格納すると共にその格納したリングバッファのＮＯ（番号）を記憶して（ステップＳ６０６）、本処理を終了する。これにより、酸素濃度検出処理期間では該期間における実際の検出値が格納され、内部抵抗検出期間では該期間の開始直前の検出値が格納（直前値が保持）される。
【００４５】
なお、オブザーバでは、予め設けたタイミングマップにより、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡの各検出値に応じて最適タイミングのリングバッファ番号を選択し、そのリングバッファに格納されている酸素濃度値を空燃比フィードバック制御に用いる。
【００４６】
本実施の第１形態によれば、フューエルカット時等のように排気ガス温が急変する運転状態では、内部抵抗検出周期を短縮することによりＬＡＦセンサの温度制御を遅れなく確実に行い酸素濃度の検出精度の悪化を回避することができると同時に、通常の空燃比フィードバック制御中等では、内部抵抗検出周期を延長することにより酸素濃度の検出期間をより多く確保することができる。従って、酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができるので、ＬＡＦセンサ１７の出力を用いたエンジンの制御装置における空燃比フィードバック制御等の制御性をより向上させることができる。
【００４７】
（実施の第２形態）
以下に、本発明の実施の第２形態を説明する。本実施の第２形態に係る酸素濃度検出装置の構成は実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置と同様であり、図１及び図２で説明した通りである。本実施の第２形態では、内部抵抗検出周期設定処理が実施の第１形態と異なるのみであるので、図４に代え図７を用いて本実施の第２形態を説明する。
【００４８】
図７は、本実施の第２形態に係る酸素濃度検出装置による内部抵抗検出周期設定処理のフローチャートであり、本処理はタイマ処理により一定時間毎に制御部６９により実行される。
【００４９】
まず、ステップＳ７０１、ステップＳ７０２では、図４のステップＳ４０１、ステップＳ４０２と同様の処理を実行する。
【００５０】
続くステップＳ７０３では、エンジン１が空燃比フィードバック制御中であるか否かを判別する。その判別の結果、エンジン１が空燃比フィードバック制御中でないときは、抵抗検出周期タイマｔｍｆに第３の周期Ｔｆ３（例えば１２８ｍｓ）をセットしてスタートさせ（ステップＳ７０４）、本処理を終了する一方、エンジン１が空燃比フィードバック制御中であるときは、抵抗検出周期タイマｔｍｆに第３の周期Ｔｆ３より長い第４の周期Ｔｆ４（例えば２５６ｍｓ）をセットしてスタートさせ（ステップＳ７０５）、本処理を終了する。
【００５１】
本実施の第２形態によれば、空燃比オープンループ制御中では内部抵抗検出周期を短縮することにより、ＬＡＦセンサの温度制御を遅れなく確実に行い酸素濃度の検出精度の悪化を回避することができると同時に、空燃比フィードバック制御中では内部抵抗検出周期を延長することにより、酸素濃度の検出期間をより多く確保することができ、実施の第１形態と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
なお、実施の第１、第２形態では、内部抵抗検出周期として各２種類の値（Ｔｆ１、Ｔｆ２等）を用意したが、これらに限るものでなく、複数種類の内部抵抗検出周期を用意し、エンジンの運転状態に応じて最適な値を設定するようにしてもよい。また、エンジンの運転状態も例示したものに限られるものではない。
【００５３】
なお、実施の第１、第２形態に係る酸素濃度検出装置は、現代制御理論を用いてオブザーバや最適レギュレータ等の漸化式形式の制御器等により精巧な制御を行うエンジンの空燃比フィードバック制御装置等に適用すると特に有効である。例えばオブザーバでは各気筒毎の空燃比の推定精度を向上することができ、気筒別の空燃比フィードバック制御の発散を回避し、その収束性を高めることができる。また、最適レギュレータ等による適応制御では、エンジンの応答遅れの補償精度を向上することができる。
【００５４】
なお、限界電流式の酸素センサの出力を使用する制御装置であれば、他の装置にも本酸素濃度検出装置６を適宜適用するようにしてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係る酸素濃度検出装置によれば、通常の空燃比フィードバック制御中等では内部抵抗検出周期を延長することにより、酸素濃度の検出期間をより多く確保することができると同時に、フューエルカット時等のように排気ガス温が急変する運転状態では内部抵抗検出周期を短縮することにより、限界電流式酸素センサの温度制御を遅れなく確実に行い酸素濃度の検出精度の悪化を回避することができる。よって、酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができる。
【００５７】
本発明の請求項２に係る酸素濃度検出装置によれば、空燃比フィードバック制御中以外であるときは内部抵抗検出周期を短縮することにより、限界電流式酸素センサの温度制御を遅れなく確実に行い酸素濃度の検出精度の悪化を回避することができると同時に、空燃比フィードバック制御中では内部抵抗検出周期を延長することにより、酸素濃度の検出期間をより多く確保することができる。よって、酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置及び該装置を適用した内燃機関の制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】同形態に係る酸素濃度検出装置の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】同形態におけるＬＡＦセンサ活性化処理と酸素濃度検出処理の切り替えタイミングを示す図である。
【図４】同形態に係る酸素濃度検出装置による内部抵抗検出周期設定処理のフローチャートである。
【図５】同形態に係る酸素濃度検出装置によるＬＡＦセンサ活性化処理のフローチャートである。
【図６】同形態に係る酸素濃度検出装置による酸素濃度検出値格納処理のフローチャートである。
【図７】本発明の実施の第２形態に係る酸素濃度検出装置による内部抵抗検出周期設定処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 内燃機関（エンジン）
５ エンジン制御用電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
６ 酸素濃度検出装置
１４ クランク角度位置センサ
１６ 排気管
１７ 限界電流式酸素センサ（ＬＡＦセンサ）
２５ 酸素濃度検出活性化制御装置（制御装置）
５４ ヒータ
６３ バイアス制御部
６４ 正バイアス源
６５ 負バイアス源
６６ 切り替え部
６７ 電流検出部
６９ 制御部（検出手段、周期設定手段）
７０ 記憶部
７１ 加熱制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置に関し、特に限界電流式酸素センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）を用いる酸素濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＡＦセンサの出力を用い、その活性温度範囲内では、ある正の印加電圧に対する出力電流値が酸素分圧に比例するというＬＡＦセンサの特性を利用して、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出するようにした酸素濃度検出装置が従来より知られている（特開昭５９−１６３５５６号公報）。ＬＡＦセンサは自身の温度によりその限界電流特性が変化するため、検出精度を維持するためにはＬＡＦセンサを所定の活性温度範囲内に常に制御する必要がある。そこで上記従来の酸素濃度検出装置では、ＬＡＦセンサに負の電圧を印加するとその出力電流値が酸素分圧に依存せず温度に比例した値になるという性質を利用して、例えば所定の負の電圧を印加したときの内部抵抗を検出し、その値が一定となるようにＬＡＦセンサをヒータによって加熱制御することにより活性状態を常に維持するようにしている。
【０００３】
ここで、排気ガス中の酸素濃度を検出するための印加電圧（正）とＬＡＦセンサの内部抵抗を検出するための印加電圧（負）とは互いに異なる値であるので、上記酸素濃度検出及び内部抵抗検出を同時に行うことはできず、上記互いに異なる電圧を一定の周期毎に切り替えて（時分割的に）印加するようにしている。
【０００４】
ところで、このＬＡＦセンサの出力は種々の制御に利用されるが、例えば現代制御理論を用いた内燃機関の空燃比フィードバック制御等で見られるように、ＬＡＦセンサの出力を用いてオブザーバや最適レギュレータ等の漸化式形式の制御器等により精巧な制御を行う場合には、ＬＡＦセンサの出力のサンプル値群の中から最適な値を採択する必要から、非常に短い周期でサンプリングしたＬＡＦセンサの出力値を必要とする（特願平７−６１７８３号、特願平７−６１７８４号等）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の酸素濃度検出装置では、少なくとも内部抵抗を検出している期間内は酸素濃度の検出が中断され、真の検出値を得ることができない。しかもその期間は内燃機関の運転状態にかかわらず一定の周期で到来する（以下、内部抵抗検出期間が到来する周期を「内部抵抗検出周期」という）。そのため、内部抵抗検出周期をあまりに短く（小さい値に）設定すると、酸素濃度検出が中断される頻度が高くなり、例えばオブザーバにおいては、気筒別の空燃比の推定が不正確となって、本来の精巧な制御を十分に達成できない場合がある。
【０００６】
すなわち、オブザーバでは、ＬＡＦセンサの内部抵抗の検出開始直前に検出した酸素濃度値を次回の酸素濃度検出の開始時まで保持し、この保持した値を酸素濃度検出中断期間における酸素濃度検出値とみなすようにしているが、ＬＡＦセンサの出力のサンプル値群の中から酸素濃度検出中断期間におけるサンプル値を採択した場合には、本来検出したい気筒（例えば＃２）の酸素濃度として、実際に検出したならば得られたであろう値よりもむしろ前の気筒（例えば＃４）の酸素濃度により近い値（保持値）が与えられることがあり得る。このような場合は、上記保持値から算出した空燃比と真の空燃比との食い違いが大きくなり、気筒別の空燃比の推定が不正確となる結果、空燃比フィードバック制御が目標空燃比に収束しなかったり発散したりするおそれがある。特に、エンジンサイクルと内部抵抗検出周期とが略同期する場合には、特定の気筒の空燃比を全く検出できず、その弊害は大きい。
【０００７】
また、短いサンプリング周期による検出値を必要としない制御であっても、検出値を要求するタイミングが内部抵抗検出期間と一致する頻度が高くなり、制御性の悪化を招くおそれがある。かかる弊害を少なくする観点からは、内部抵抗検出周期はなるべく長くする方が望ましい。
【０００８】
しかしながら、内部抵抗検出周期をあまりに長く（大きい値に）設定すると、例えば内燃機関のフューエルカット時等における排気ガス温の急変時にＬＡＦセンサの素子温の制御が遅れる等、ＬＡＦセンサを常に活性温度範囲内に維持することが困難となり、ＬＡＦセンサの酸素濃度の検出精度が悪化するおそれがある。
【０００９】
従って、内部抵抗検出周期を一律に固定値に設定したのでは、内燃機関の運転状態によっては不具合を生じる場合があった。
【００１０】
本発明は上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができる酸素濃度検出装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１の酸素濃度検出装置は、限界電流式の酸素センサと、該酸素センサを加熱する加熱手段と、前記酸素センサに第１の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出し、内部抵抗検出周期で前記酸素センサに第２の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記酸素センサの内部抵抗を検出する検出手段と、該検出手段により検出された内部抵抗に基づいて前記加熱手段による前記酸素センサの加熱を制御する加熱制御手段とを有する酸素濃度検出装置において、前記内部抵抗検出周期を前記内燃機関の運転状態に応じて設定する周期設定手段を有し、前記内部抵抗検出周期は、前記内燃機関の空燃比がリーンであるときは該空燃比がリッチであるときより小さい値に設定されることを特徴とする。
【００１２】
この酸素濃度検出装置によれば、限界電流式の酸素センサに第１の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて内燃機関の排気ガス中の酸素濃度が検出され、内部抵抗検出周期で前記酸素センサに第２の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記酸素センサの内部抵抗が検出され、該検出された内部抵抗に基づいて前記酸素センサの加熱が制御される。前記内部抵抗検出周期は前記内燃機関の運転状態に応じて設定され、前記内燃機関の空燃比がリーンであるときは該空燃比がリッチであるときより小さい値に設定される。これにより、例えばフーエルカット時等の排気ガス温が急変する運転状態では、内部抵抗検出周期を短縮することにより限界電流式酸素センサの温度制御を遅れなく確実に行う一方、通常の空燃比フィードバック制御中等では、内部抵抗検出周期を延長することにより酸素濃度の検出期間をより多く確保することができ、従って酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができる。
【００１３】
上記目的を達成するために本発明の請求項２の酸素濃度検出装置は、限界電流式の酸素センサと、該酸素センサを加熱する加熱手段と、前記酸素センサに第１の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出し、内部抵抗検出周期で前記酸素センサに第２の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記酸素センサの内部抵抗を検出する検出手段と、該検出手段により検出された内部抵抗に基づいて前記加熱手段による前記酸素センサの加熱を制御する加熱制御手段とを有する酸素濃度検出装置において、前記内部抵抗検出周期を前記内燃機関の運転状態に応じて設定する周期設定手段を有し、前記内部抵抗検出周期は、前記内燃機関が前記酸素センサの出力値に基づく空燃比フィードバック制御中であるときは空燃比フィードバック制御中以外のときより大きい値に設定されることを特徴とする。
この酸素濃度検出装置によれば、内部抵抗検出周期が、内燃機関が前記酸素センサの出力値に基づく空燃比フィードバック制御中であるときは空燃比フィードバック制御中以外のときより大きい値に設定されるので、空燃比フィードバック制御中以外であるときは内部抵抗検出周期を短縮することにより、限界電流式酸素センサの温度制御を遅れなく確実に行い酸素濃度の検出精度の悪化を回避することができると同時に、空燃比フィードバック制御中では内部抵抗検出周期を延長することにより、酸素濃度の検出期間をより多く確保することができ、従って酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
（実施の第１形態）
図１は、本発明の実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置及び該装置を適用した内燃機関（以下「エンジン」という）の制御装置の全体構成を示すブロック図である。同図中、１はエンジンである。
【００１６】
エンジン１の吸気管２は分岐部（吸気マニホルド）１１を介してエンジン１の各気筒の燃焼室に連通する。吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（θＴＨ）センサ４が連結されており、スロットル弁開度θＴＨに応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。
【００１７】
エンジン１の本体には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１４が装着されており、クランク角度位置センサ１４は、クランク軸の回転角度に応じた信号をＥＣＵ５に供給する。クランク角度位置センサ１４は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置で信号パルス（以下「ＣＹＬ信号パルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣ信号パルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣ信号パルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫ信号パルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬ信号パルス、ＴＤＣ信号パルス及びＣＲＫ信号パルスがＥＣＵ５に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射量（燃料噴射時間）、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数ＮＥの検出に使用される。
【００１８】
吸気マニホルド１１の吸気弁の少し上流側には、各気筒毎に燃料噴射弁１２が設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されているとともにＥＣＵ５に電気的に接続されて、ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射時期及び燃料噴射時間（開弁時間）が制御される。エンジン１の点火プラグ（図示せず）もＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５により点火時期θＩＧが制御される。
【００１９】
排気管１６は分岐部（排気マニホルド）１５を介してエンジン１の燃焼室に接続されている。排気管１６には分岐部１５が集合する部分の直ぐ下流側に、ＬＡＦセンサ１７が設けられている。さらにＬＡＦセンサ１７より下流側には直下三元触媒１９及び床下三元触媒２０が配されており、またこれらの三元触媒１９及び２０の間には酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１８が装着されている。三元触媒１９、２０は、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等の浄化を行う。
【００２０】
後述するように、ＬＡＦセンサ１７は酸素濃度検出活性化制御装置（以下「制御装置」という）２５と共に酸素濃度検出装置６を構成する。ＬＡＦセンサ１７は制御装置２５を介してＥＣＵ５に接続されており、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）に略比例した電気信号を出力し、その電気信号を制御装置２５に出力する。制御装置２５内に格納された酸素濃度検出値はＥＣＵ５により読み出される。この酸素濃度検出値の処理については後述する。Ｏ２センサ１８は、その出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベルとなり、リーン側で低レベルとなる。Ｏ２センサ１８の検出信号はＥＣＵ５に供給される。
【００２１】
ＥＣＵ５は、上述した各種センサからの入力信号波形を整形して電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央処理回路（ＣＰＵ）と、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラムや後述する各種マップ及び演算結果等を記憶するＲＯＭ及びＲＡＭからなる記憶装置と、燃料噴射弁１２等の各種電磁弁や点火プラグに駆動信号を出力する出力回路とを備えている。
【００２２】
ＥＣＵ５は、上述の各種エンジン運転パラメータ信号に基づいて、ＬＡＦセンサ１７及びＯ２センサ１８の出力に応じた空燃比フィードバック制御運転領域や空燃比オープン制御運転領域等の種々のエンジン運転状態を判別するとともに、エンジン運転状態に応じ、下記数式１により燃料噴射弁１２の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算し、この演算結果に基づいて燃料噴射弁１２を駆動する信号を出力する。
【００２３】
【数１】
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭＦ×Ｋ１＋Ｋ２
ここに、ＴＩＭＦは基本燃料量であり、具体的にはエンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて決定される基本燃料噴射時間である。Ｋ１、Ｋ２は各種エンジンパラメータに応じて演算される補正係数または補正変数であり、エンジン１の運転状態に応じた燃費特性、加速特性等の諸特性の最適化が図られるように決定される。
【００２４】
ＥＣＵ５はさらに、空燃比の制御状態等を示す信号を制御装置２５に供給する。
【００２５】
図２は、本実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置の詳細な構成を示すブロック図であり、同図において図１中と同一の構成要素には同一の符号が付してある。
【００２６】
酸素濃度検出装置６は、ＬＡＦセンサ１７及び制御装置２５により構成される。ＬＡＦセンサ１７は上述のように排気管１６に設けられており、ＬＡＦセンサ１７の信号線は、コネクタ（図示せず）により制御装置２５に着脱自在に接続されている。ＬＡＦセンサ１７は、固体電解質素子等から構成され、その内側にヒータ５４を内蔵する。ヒータ５４はＬＡＦセンサ１７を活性状態にするのに十分な発熱容量を有している。また、ＬＡＦセンサ１７の周囲には小孔６０を有するカバー５９が設けられており、カバー５９は、小孔６０を通じて排気ガスを流入させることによりＬＡＦセンサ１７が排気ガスに直接触れることを防ぎ、ＬＡＦセンサ１７の保護及び保温の役目を果たす。
【００２７】
制御装置２５には、バイアス制御部６３、電流検出部６７及び制御部６９が設けられている。ＬＡＦセンサ１７に接続されたリード線６１の一方はバイアス制御部６３に接続され、リード線６１の他方は電流検出部６７に接続されている。また、ヒータ５４に接続された２本のリード線６２が制御部６９の加熱制御部７１に接続されている。
【００２８】
バイアス制御部６３は、正バイアス源６４、負バイアス源６５及び切り替え部６６から構成されている。電流検出部６７は、切り替え部６６及び制御部６９に接続され、切り替え部６６は制御部６９にも接続されている。切り替え部６６は制御部６９からの信号に従ってＬＡＦセンサ１７に印加する電圧の極性を切り替え、電流検出部６７は検出電流を制御部６９に出力する。
【００２９】
制御部６９は、信号を増幅及び波形整形するアンプ７２、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するＡ／Ｄ変換部６８、記憶部７０、及びヒータ５４の発熱状態を制御する加熱制御部７１から構成される。記憶部７０は、制御部６９で実行される各種演算プログラムやマップ及び演算結果等を記憶するＲＯＭ及びＲＡＭ、並びにＬＡＦセンサ１７の酸素濃度（空燃比Ａ／Ｆ）検出値を格納するリングバッファ等から成る。このリングバッファは例えば１２個の格納場所に区分されている。
【００３０】
制御部６９は、ＣＹＬ信号パルス、ＴＤＣ信号パルス、ＣＲＫ信号パルスをＥＣＵ５から受容する。制御部６９はさらに、上述した空燃比の制御状態等を示す信号のほか、エンジン回転数ＮＥ信号や吸気管内絶対圧ＰＢＡ信号等のエンジンの運転状態を示す信号を受容する。
【００３１】
ＬＡＦセンサ１７は、所定の正の電圧Ｖ１を印加したときの限界電流値が酸素分圧に比例することから、排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出することができるが、該ＬＡＦセンサ１７は活性化するのに高温（約６５０°Ｃ）を必要とし、しかもその活性温度範囲が狭いため、エンジン１の排気ガス温のみではＬＡＦセンサ１７の活性状態を適切に制御することができない。そこで、内部抵抗の検出によるＬＡＦセンサ１７の活性状態維持のための処理（以下「ＬＡＦセンサ活性化処理」という）が必要となる。酸素濃度検出装置６は、ＬＡＦセンサ活性化処理と酸素濃度検出処理とを後述する処理で設定される切り替え周期で切り替えて実行する。
【００３２】
図３は、このＬＡＦセンサ活性化処理と酸素濃度検出処理の切り替えタイミングを示す図である。同図において、時点ｔｂから時点ｔｃまでの区間が酸素濃度検出処理が実行される酸素濃度検出期間であり、曲線の実線部が酸素濃度検出値の変化を示す。時点ｔａから時点ｔｂ、または時点ｔｃから時点ｔｄまでの区間がＬＡＦセンサ活性化処理が実行される内部抵抗検出期間（後述する所定値ＴＲｉ）であり、この期間では酸素濃度の検出が中断される。酸素濃度検出期間と内部抵抗検出期間とは交互に繰り返され、内部抵抗検出周期（同図中、時点ｔａから時点ｔｃまで）は、以下に説明するようにエンジン運転状態に応じて設定される。
【００３３】
図４は、本実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置による内部抵抗検出周期設定処理のフローチャートであり、本処理はタイマ処理により一定時間毎に制御部６９により実行される。
【００３４】
まず、内部抵抗検出周期タイマｔｍｆが「０」に達したか否かを判別し（ステップＳ４０１）、内部抵抗検出周期タイマｔｍｆが「０」に達していないときは直ちに本処理を終了する一方、内部抵抗検出周期タイマｔｍｆが「０」に達したときは、ＬＡＦセンサ活性化処理を実行すべき期間であることを「１」で示す抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨを「１」に設定して（ステップＳ４０２）、ＬＡＦセンサ１７の出力電流値Ｉ０が基準値ＩＲＥＦより大きいか否かを判別する（ステップＳ４０３）。ここで基準値ＩＲＥＦは、エンジンが所定のリーン状態、例えばエンジンがフューエルカット状態にあるか否かを示す閾値（例えば１０ｍＡ）に設定し、Ｉ０＞ＩＲＥＦＦであるときはエンジンが所定のリーン状態にあると判別する。あるいは出力電流値Ｉ０の代わりに出力電流値Ｉ０に基づき空燃比を算出し、算出された空燃比が所定値（例えばＡ／Ｆ＝２０）以上のときに所定のリーン状態にあると判別するようにしてもよい。
【００３５】
前記ステップＳ４０３の判別の結果、Ｉ０＞ＩＲＥＦであるときは、抵抗検出周期タイマｔｍｆに第１の周期Ｔｆ１（例えば１２８ｍｓ）をセットしてスタートさせ（ステップＳ４０４）、本処理を終了する一方、Ｉ０≦ＩＲＥＦＦであるときは、抵抗検出周期タイマｔｍｆに第１の周期Ｔｆ１より長い第２の周期Ｔｆ２（例えば２５６ｍｓ）をセットしてスタートさせ（ステップＳ４０５）、本処理を終了する。これにより、フーエルカット時等の排気ガス温が急変する所定のリーン状態ではＬＡＦセンサ１７の温度制御を優先する、すなわち、内部抵抗検出周期を短縮することにより限界電流式酸素センサの温度制御を遅れなく確実に行う一方、通常の空燃比フィードバック制御中等の所定のリーン状態でないときは内部抵抗検出周期を延長することにより、酸素濃度の検出期間をより多く確保することができる。なお、第１の周期Ｔｆ１及び第２の周期Ｔｆ２は、ＬＡＦセンサ１７の素子やヒータ５４の熱容量、ＬＡＦセンサ１７の冷却特性及びＬＡＦセンサ１７の活性温度範囲等を考慮して設定することが好ましい。
【００３６】
図５は、本実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置によるＬＡＦセンサ活性化処理のフローチャートであり、本処理はタイマ処理により一定時間毎に制御部６９により実行される。
【００３７】
まず、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されているか否かを判別し（ステップＳ５０１）、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されているときは、後述するステップＳ５０８でセットされる抵抗検出期間タイマｔｍＲｉが「０」に達したか否かを判別する。（ステップＳ５０２）、その結果、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されてないときまたは抵抗検出期間タイマｔｍＲｉが「０」に達したときは、抵抗検出期間タイマｔｍＲｉに所定値ＴＲｉ（例えば４．５ｍｓ）をセットしてスタートさせ（ステップＳ５０８）、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨを「０」に設定し（ステップＳ５０９）、本処理を終了する。
【００３８】
一方、前記ステップＳ５０２で抵抗検出期間タイマｔｍＲｉが「０」に達していないときは、ＬＡＦセンサ１７の内部抵抗Ｒｉを以下のようにして検出する（ステップＳ５０３、Ｓ５０４）。
【００３９】
すなわち、切り替え部６６を負バイアス源６５に接続することにより、ＬＡＦセンサ１７に所定の負の電圧Ｖ２を印加して（ステップＳ５０３）、このときにＬＡＦセンサ１７から出力される電流値Ｉ２を電流検出部６７により検出し、この電流値Ｉ２をアンプ７２により増幅及び波形整形した後、Ａ／Ｄ変換部６８によりデジタル値に変換し、このデジタル値に基づいて内部抵抗Ｒｉを検出する（ステップＳ５０４）。
【００４０】
次いで、上記検出した内部抵抗Ｒｉが基準値ＲＲＥＦ以上であるか否かを判別し（ステップＳ５０５）、その判別の結果、Ｒｉ≧ＲＲＥＦであるときは、加熱制御部７１によりヒータ５４を加熱制御し（ステップＳ５０６）、本処理を終了する一方、Ｒｉ＜ＲＲＥＦであるときは、加熱制御部７１によるヒータ５４の加熱を停止して（ステップＳ５０７）、本処理を終了する。これにより、ＬＡＦセンサ１７が活性温度範囲内に制御される。
【００４１】
本処理によれば、一定の周期で（抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」になる毎に）一定期間（ＴＲｉ）だけＬＡＦセンサ活性化処理が実行される。
【００４２】
図６は、本実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置による酸素濃度検出値格納処理のフローチャートであり、本処理はＣＲＫ信号パルスの発生毎に制御部６９により実行される。
【００４３】
まず、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されているか否かを判別する（ステップＳ６０１）。その判別の結果、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されていないときは、酸素濃度検出処理を実行すべき期間であるので、制御部６９の制御により切り替え部６６を正バイアス源６４に接続することにより、ＬＡＦセンサ１７に所定の正の電圧Ｖ１を印加する（ステップＳ６０２）。このときにＬＡＦセンサ１７から出力される電流値Ｉ１を電流検出部６７により検出し（ステップＳ６０３）、この電流値Ｉ１をアンプ７２により増幅及び波形整形した後、Ａ／Ｄ変換部６８によりデジタル値に変換し、このデジタル値に基づき不図示のマップを用いて排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する（ステップＳ６０４）。次いで、このときのＬＡＦセンサ１７の出力、すなわちＣＲＫ信号パルスの発生毎にサンプリングした酸素濃度検出値（サンプル値）を記憶部７０のリングバッファに格納し（ステップＳ６０５）、本処理を終了する。
【００４４】
一方前記ステップＳ６０１の判別の結果、抵抗検出中フラグＦＡＦＩＮＨが「１」に設定されているときは、ＦＡＦＩＮＨ＝１となる直前にサンプリングされた酸素濃度検出値を記憶部７０のリングバッファに格納すると共にその格納したリングバッファのＮＯ（番号）を記憶して（ステップＳ６０６）、本処理を終了する。これにより、酸素濃度検出処理期間では該期間における実際の検出値が格納され、内部抵抗検出期間では該期間の開始直前の検出値が格納（直前値が保持）される。
【００４５】
なお、オブザーバでは、予め設けたタイミングマップにより、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡの各検出値に応じて最適タイミングのリングバッファ番号を選択し、そのリングバッファに格納されている酸素濃度値を空燃比フィードバック制御に用いる。
【００４６】
本実施の第１形態によれば、フューエルカット時等のように排気ガス温が急変する運転状態では、内部抵抗検出周期を短縮することによりＬＡＦセンサの温度制御を遅れなく確実に行い酸素濃度の検出精度の悪化を回避することができると同時に、通常の空燃比フィードバック制御中等では、内部抵抗検出周期を延長することにより酸素濃度の検出期間をより多く確保することができる。従って、酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができるので、ＬＡＦセンサ１７の出力を用いたエンジンの制御装置における空燃比フィードバック制御等の制御性をより向上させることができる。
【００４７】
（実施の第２形態）
以下に、本発明の実施の第２形態を説明する。本実施の第２形態に係る酸素濃度検出装置の構成は実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置と同様であり、図１及び図２で説明した通りである。本実施の第２形態では、内部抵抗検出周期設定処理が実施の第１形態と異なるのみであるので、図４に代え図７を用いて本実施の第２形態を説明する。
【００４８】
図７は、本実施の第２形態に係る酸素濃度検出装置による内部抵抗検出周期設定処理のフローチャートであり、本処理はタイマ処理により一定時間毎に制御部６９により実行される。
【００４９】
まず、ステップＳ７０１、ステップＳ７０２では、図４のステップＳ４０１、ステップＳ４０２と同様の処理を実行する。
【００５０】
続くステップＳ７０３では、エンジン１が空燃比フィードバック制御中であるか否かを判別する。その判別の結果、エンジン１が空燃比フィードバック制御中でないときは、抵抗検出周期タイマｔｍｆに第３の周期Ｔｆ３（例えば１２８ｍｓ）をセットしてスタートさせ（ステップＳ７０４）、本処理を終了する一方、エンジン１が空燃比フィードバック制御中であるときは、抵抗検出周期タイマｔｍｆに第３の周期Ｔｆ３より長い第４の周期Ｔｆ４（例えば２５６ｍｓ）をセットしてスタートさせ（ステップＳ７０５）、本処理を終了する。
【００５１】
本実施の第２形態によれば、空燃比オープンループ制御中では内部抵抗検出周期を短縮することにより、ＬＡＦセンサの温度制御を遅れなく確実に行い酸素濃度の検出精度の悪化を回避することができると同時に、空燃比フィードバック制御中では内部抵抗検出周期を延長することにより、酸素濃度の検出期間をより多く確保することができ、実施の第１形態と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
なお、実施の第１、第２形態では、内部抵抗検出周期として各２種類の値（Ｔｆ１、Ｔｆ２等）を用意したが、これらに限るものでなく、複数種類の内部抵抗検出周期を用意し、エンジンの運転状態に応じて最適な値を設定するようにしてもよい。また、エンジンの運転状態も例示したものに限られるものではない。
【００５３】
なお、実施の第１、第２形態に係る酸素濃度検出装置は、現代制御理論を用いてオブザーバや最適レギュレータ等の漸化式形式の制御器等により精巧な制御を行うエンジンの空燃比フィードバック制御装置等に適用すると特に有効である。例えばオブザーバでは各気筒毎の空燃比の推定精度を向上することができ、気筒別の空燃比フィードバック制御の発散を回避し、その収束性を高めることができる。また、最適レギュレータ等による適応制御では、エンジンの応答遅れの補償精度を向上することができる。
【００５４】
なお、限界電流式の酸素センサの出力を使用する制御装置であれば、他の装置にも本酸素濃度検出装置６を適宜適用するようにしてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係る酸素濃度検出装置によれば、通常の空燃比フィードバック制御中等では内部抵抗検出周期を延長することにより、酸素濃度の検出期間をより多く確保することができると同時に、フューエルカット時等のように排気ガス温が急変する運転状態では内部抵抗検出周期を短縮することにより、限界電流式酸素センサの温度制御を遅れなく確実に行い酸素濃度の検出精度の悪化を回避することができる。よって、酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができる。
【００５７】
本発明の請求項２に係る酸素濃度検出装置によれば、空燃比フィードバック制御中以外であるときは内部抵抗検出周期を短縮することにより、限界電流式酸素センサの温度制御を遅れなく確実に行い酸素濃度の検出精度の悪化を回避することができると同時に、空燃比フィードバック制御中では内部抵抗検出周期を延長することにより、酸素濃度の検出期間をより多く確保することができる。よって、酸素濃度の検出精度を維持しつつ、酸素濃度検出中断期間の存在による弊害を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係る酸素濃度検出装置及び該装置を適用した内燃機関の制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】同形態に係る酸素濃度検出装置の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】同形態におけるＬＡＦセンサ活性化処理と酸素濃度検出処理の切り替えタイミングを示す図である。
【図４】同形態に係る酸素濃度検出装置による内部抵抗検出周期設定処理のフローチャートである。
【図５】同形態に係る酸素濃度検出装置によるＬＡＦセンサ活性化処理のフローチャートである。
【図６】同形態に係る酸素濃度検出装置による酸素濃度検出値格納処理のフローチャートである。
【図７】本発明の実施の第２形態に係る酸素濃度検出装置による内部抵抗検出周期設定処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 内燃機関（エンジン）
５ エンジン制御用電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
６ 酸素濃度検出装置
１４ クランク角度位置センサ
１６ 排気管
１７ 限界電流式酸素センサ（ＬＡＦセンサ）
２５ 酸素濃度検出活性化制御装置（制御装置）
５４ ヒータ
６３ バイアス制御部
６４ 正バイアス源
６５ 負バイアス源
６６ 切り替え部
６７ 電流検出部
６９ 制御部（検出手段、周期設定手段）
７０ 記憶部
７１ 加熱制御部
Claims (2)
- 限界電流式の酸素センサと、該酸素センサを加熱する加熱手段と、前記酸素センサに第１の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出し、内部抵抗検出周期で前記酸素センサに第２の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記酸素センサの内部抵抗を検出する検出手段と、該検出手段により検出された内部抵抗に基づいて前記加熱手段による前記酸素センサの加熱を制御する加熱制御手段とを有する酸素濃度検出装置において、
前記内部抵抗検出周期を前記内燃機関の運転状態に応じて設定する周期設定手段を有し、
前記内部抵抗検出周期は、前記内燃機関の空燃比がリーンであるときは該空燃比がリッチであるときより小さい値に設定されることを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 限界電流式の酸素センサと、該酸素センサを加熱する加熱手段と、前記酸素センサに第１の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出し、内部抵抗検出周期で前記酸素センサに第２の電圧が印加されたときの前記酸素センサの出力電流値に基づいて前記酸素センサの内部抵抗を検出する検出手段と、該検出手段により検出された内部抵抗に基づいて前記加熱手段による前記酸素センサの加熱を制御する加熱制御手段とを有する酸素濃度検出装置において、
前記内部抵抗検出周期を前記内燃機関の運転状態に応じて設定する周期設定手段を有し、
前記内部抵抗検出周期は、前記内燃機関が前記酸素センサの出力値に基づく空燃比フィードバック制御中であるときは空燃比フィードバック制御中以外のときより大きい値に設定されることを特徴とする酸素濃度検出装置。
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| JP29739896A JP3641084B2 (ja) | 1996-10-18 | 1996-10-18 | 酸素濃度検出装置 |
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