JP3671728B2 - 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】
本発明は酸素濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の機関の空燃比制御においては、機関の排気系に酸素センサと触媒とを配設し、触媒により排気ガス中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx 等）を最大限浄化するため、酸素センサにより検出される機関の排気空燃比が目標空燃比、例えば理論空燃比になるようにフィードバック制御されている。この酸素センサとして、機関から排出される排気ガス中に含まれる酸素濃度に比例して限界電流を出力する限界電流式の酸素濃度検出素子が用いられている。限界電流式酸素濃度検出素子は、酸素濃度から機関の排気空燃比を広域かつリニアに検出するものであり、空燃比制御精度を向上させたり、リッチ〜理論空燃比（ストイキ）〜リーンの広域空燃比の間で機関の排気空燃比を目標空燃比にするよう制御するために有用である。
【０００３】
上記酸素濃度検出素子は、空燃比の検出精度を維持するため活性状態に保たれることが不可欠であり、通常、機関始動時から同素子に付設されたヒータを通電することにより同素子を加熱し、早期活性化させてその活性状態を維持するようヒータの通電制御を行っている。
特開平８−２７８２７９号公報開示の酸素センサのヒータ制御装置は、ヒータへの通電初期に酸素センサの素子の早期活性化のためヒータ温度が所定温度に達するまでは全電力、すなわち１００％デューティ比でヒータに電力供給し、ヒータ温度が所定温度に達するとヒータ温度に応じた電力をヒータに供給し、センサ素子の温度が所定温度に達すると酸素センサの素子温度に応じた電力をヒータに供給する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平８−２７８２７９号公報開示の酸素センサのヒータ制御装置において、機関の冷間始動時には、排気管内上流に設けられた触媒で凝縮した水分が排気管の底部に溜まっており、機関の冷間始動時の排気系がまだ暖まっていないとき、排気ガスとともにこの凝縮水が飛散し、排気管内触媒下流に配設された酸素センサを囲むよう排気管に取付けられた保護カバーの小穴を通過して保護カバー内のセンサ素子が被水し、センサ素子を急冷することになり、この結果ヒータ温度と酸素センサの素子温度との温度差が急激に増大し、所謂サーマルショックによる酸素センサの素子割れが生ずる場合がある。従って、サーマルショックによる素子割れを防止する為に、あるいは、素子割れ原因が被水によるサーマルショックであることを特定する為に、センサ素子の被水を検出することが重要である。
【０００５】
本発明は被水時にセンサ素子が急冷されることに着目して、センサ素子の被水判定精度を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明による酸素濃度検出装置は、酸素センサと、該酸素センサを加熱するヒータと、該酸素センサが活性化温度になるように該ヒータを通電するヒータ通電手段と、を備えた酸素濃度検出装置において、前記酸素センサの素子温度を検出する素子温検出手段と、前記素子温検出手段により検出された前記酸素センサの素子温度の単位時間当たりの低下度合いを検出する素子温低下検出手段と、前記素子温低下検出手段により検出された前記低下度合いが基準値より大のとき前記センサ素子は被水したと判定する被水判定手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記酸素濃度検出装置において、前記素子温検出手段は、前記酸素センサの素子インピーダンスに基づいて前記酸素センサの素子温度を検出する。
上記酸素濃度検出装置において、前記ヒータ通電手段は、前記被水判定手段が前記センサ素子は被水したと判定したとき、前記ヒータへの通電を禁止する。
上記酸素濃度検出装置において、前記酸素センサは、内燃機関の排気通路に設けられている。
【０００８】
本発明の構成により、センサ素子が被水したことを検出し、ヒータへの通電を禁止するので、ヒータの急激な加熱が禁止され、ヒータ温度と酸素センサの素子温度との温度差が急激に増大することによる所謂サーマルショックサーマルショックによる空燃比センサの素子割れが防止される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明による酸素濃度検出装置の一実施形態の概略構成図である。図１以降、同一のものは同一符号で示す。図示しない内燃機関の排気通路に配設され機関の排気空燃比を検出する酸素センサ１は、酸素センサ素子（以下、センサ素子と記す）２とヒータ４とからなり、センサ素子２には酸素センサ回路（以下、センサ回路と記す）３から電圧が印加され、ヒータ２にはバッテリ５からヒータ制御回路６を介して電力が供給される。センサ回路３はマイクロコンピュータからなる空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０からアナログの印加電圧をローパスフィルタ（ＬＰＦ）７を介して受けセンサ素子２に印加する。
【００１０】
Ａ／ＦＣＵ１０は、センサ回路３、ヒータ制御回路６およびＬＰＦ７と共に電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００の一部をなし、デジタルデータを内部に設けられたＤ／Ａ変換器により矩形状のアナログ電圧に変換した後ＬＰＦ７を介してセンサ回路３へ出力する。ＬＰＦ７は矩形状のアナログ電圧信号の高周波成分を除去したなまし信号を出力し、高周波ノイズによるセンサ素子２の出力電流の検出エラーを防止している。このなまし信号の電圧のセンサ素子２への印加に伴いＡ／ＦＣＵ１０は被検出ガス中、すなわち排気ガス中の酸素濃度に比例して変化するセンサ素子２を流れる電流およびその時のセンサ素子２への印加電圧を検出する。Ａ／ＦＣＵ１０はこれらの電流および電圧を検出するため内部にＡ／Ｄ変換器を設けており、これらのＡ／Ｄ変換器はセンサ回路３からセンサ素子２を流れる電流に相当するアナログ電圧およびセンサ素子２への印加電圧を受けデジタルデータに変換する。
【００１１】
酸素センサ１はセンサ素子２が活性状態にならないとその出力を空燃比制御に使用できない。このため、Ａ／ＦＣＵ１０は機関始動時にバッテリ５からセンサ素子２に内蔵されたヒータ４へ電力供給してヒータ４を通電し、センサ素子２を早期活性化し、センサ素子２が活性化された後はその活性状態を維持するようヒータ４へ電力供給する。バッテリ５の電圧はＡ／ＦＣＵ１０の内部に設けられたＡ／Ｄ変換器によりデジタルデータに変換される。
【００１２】
しかるに、センサ素子２の抵抗がセンサ素子２の温度に依存すること、すなわちセンサ素子温度の増大に連れて減衰することに着目し、センサ素子２の抵抗がセンサ素子２の活性状態を維持する温度に相当する抵抗値、例えば３０Ωとなるようヒータ４へ電力供給することによりセンサ素子２の温度を目標温度、例えば７００°Ｃに維持する制御が行われている。また、空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０は、センサ素子２を加熱するヒータ制御回路６からヒータ４の電圧と電流に相当するアナログ電圧を受けデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器を内部に設けている。これらのデジタルデータを用いて、例えばヒータ４の抵抗値を算出し、算出した抵抗値に基づき機関の運転状態に応じた電力供給をヒータ４に行うとともにヒータ４の過昇温（ＯＴ）を防止するようヒータ４の温度制御を行う。本発明の実施形態では、酸素センサ１として限界電流式酸素濃度検出素子を使用する。しかしながら、本発明はこれに限定するものでなく、酸素センサ１として、空燃比がリッチかリーンを判定するＺ特性を有するλ型酸素センサ（Ｏ2 センサと称する）を用いた場合にも適用できる。
【００１３】
空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｂ（バッテリバックアップ）．ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器を具備し、後述する本発明の酸素センサ１のヒータ制御を行う。また、Ａ／ＦＣＵ１０内のＡ／Ｄ変換器には機関の冷却水温ＴＨＷを検出する水温センサ（図示せず）が接続されており、ＣＰＵは所定の周期でＴＨＷを読込む。
【００１４】
ここで、冷間始動時に酸素センサの素子割れが生ずる理由を２種類の酸素センサを例にあげて以下に説明する。
図２はコップ型酸素センサの断面図である。コップ型酸素センサのセンサ本体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２１ａにて機関の排気管２７の取付け穴部内に嵌め込まれて固定されている。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め込まれて固定されている。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、排気ガス側電極層２３および大気側電極層２４は、共に白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属を化学メッキ等により十分浸透性（porous）を有するように形成されている。また、排気ガス側電極層２３の面積および厚さは１０〜１００ｍｍ2 および０．５〜２．０μｍ程度となっている。一方大気側電極層２４の面積および厚さは１０ｍｍ2 以上および０．５〜２．０μｍ程度となっている。また、センサ本体２０は保護カバー２８により囲まれている。保護カバー２８はセンサ本体２０の排気ガスとの直接接触を防止しつつ、センサ本体２０の保温を確保するために設けられている。保護カバー２８にはカバーの内部と外部とを連通するため多数の小穴が設けられている。
【００１５】
機関の冷間始動時にはセンサ本体２０を早期加熱するためヒータ２６に大電力を供給する必要があるので、従来技術によれば、バッテリ５からヒータ２６にデューティ比１００％で電力供給をしている。しかるに、排気管２７内上流に設けられた触媒で凝縮した水分が排気管２７の底部に溜まっており、機関の冷間始動時の排気系がまだ暖まっていないとき、排気ガスとともにこの凝縮水が飛散し保護カバー２８の小穴を通過してセンサ本体２０に接触し、センサ本体２０を急冷することになり、この結果センサ本体２０の素子割れが生ずるのである。
【００１６】
図３は積層型酸素センサの断面図である。積層型酸素センサは、図３に示すように触媒（図示せず）下流の排気管内に配設される。積層型酸素センサのセンサ本体３０は、Ａｌ2 Ｏ3 からなる多孔質拡散抵抗層３１と、ＺｒＯ2 からなる固体電解質層３２と、これらの間に介在する排気側電極層３３と、固体電解質層３２の大気側に面して配設される大気側電極層３４と、センサ本体２０の保温を確保するため排気側に面して設けられたＡｌ2 Ｏ3 からなる遮蔽層３５と、を積層状に形成してなる。排気ガス側電極層３３および大気側電極層３４は、共に白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属を化学メッキ等により十分浸透性（porous）を有するように形成されている。また、センサ本体３０は上記各層の周囲を被毒物トラップ層３６で囲まれている。被毒物トラップ層３６は排気ガス中の有毒成分をトラップするものである。センサ本体３０にはＡｌ2 Ｏ3 からなるヒータ基板３７上にＰｔからなるヒータ３８が設けられている。ヒータ基板３７は同じくＡｌ2 Ｏ3 からなるダクト３９に取付けられ、ダクト３９は大気に連通する大気導入孔４０を介してセンサ本体３０の積層体を支持して排気管４１に固定されている。また、センサ本体３０は保護カバー４２により囲まれている。保護カバー４２はセンサ本体３０の排気ガスとの直接接触を防止しつつ、センサ本体３０の保温を確保するために設けられている。保護カバー４２にはカバーの内部と外部とを連通するため多数の小穴が設けられている。
【００１７】
機関の冷間始動時にはセンサ本体３０を早期加熱するためヒータ３８に大電力を供給する必要があるので、従来技術によれば、バッテリ５からヒータ３８にデューティ比１００％で電力供給をしている。しかるに、排気管４１内上流に設けられた触媒（図示せず）で凝縮した水分が排気管４１の底部に溜まっており、機関の冷間始動時の排気系がまだ暖まっていないとき、排気ガスとともにこの凝縮水が飛散し保護カバー４２の小穴を通過してセンサ本体３０に接触し、センサ本体３０を急冷することになり、この結果センサ本体３０の素子割れが生ずるのである。
【００１８】
本発明は、図２、図３を用いて説明したような機関の冷間始動時の酸素センサの素子割れが生じないようにするため、以下に説明するように、センサ素子が被水したことを検出し、ヒータ４への通電を抑制または禁止するようヒータ４の通電制御を行う。
図４はヒータ制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンおよび図５および図６に示すフローチャートの処理は所定の処理周期、例えば６４ｍｓ毎に実行される。先ず、ステップ４０１では、図示しないイグニッションスイッチＩＧＳＷがオンかオフかを判別し、ＩＧＳＷがオンのときはステップ４０２に進み、ＩＧＳＷがオンのときは本ルーチンを終了する。
【００１９】
ステップ４０２〜４１２の処理を簡単に説明する。酸素センサ１の早期活性化のためバッテリ５からヒータ４への電力供給を開始し、ヒータ温度が所定温度に達するまでは始動時のデューティ制御にしたがって設定された電力をヒータ４に供給し（始動時ＤＵＴＹ制御）、ヒータ温度が所定温度に達するとヒータ温度に応じた電力をヒータ４に供給し（ヒータ上限抵抗Ｆ／Ｂ制御）、酸素センサ１の温度が所定温度温度に達すると酸素センサ１の素子温度に応じてセンサ素子２を活性状態に維持するための電力をヒータ４に供給する（素子温Ｆ／Ｂ制御）。
【００２０】
ステップ４０２では、酸素センサ１の素子直流インピーダンスＺdcを算出する。このインピーダンスＺdcは、センサ素子２に負の電圧Ｖneg を印加し、その時の電流Ｉneg を検出し、Ｚdc＝Ｖneg ／Ｉneg を算出して求める。一般に素子温が上昇するにつれて素子直流インピーダンスは減衰するという相関関係があり、例えばセンサ素子２が活性化温度７００°Ｃのとき素子直流インピーダンスは３０Ωである。
【００２１】
ステップ４０３では、酸素センサ１の活性フラグＦ１がセットされたか否かを判別し、Ｆ１＝１のときはステップ４０４に進み、ステップ４０４で後述する素子温Ｆ／Ｂ制御を実行し、Ｆ１＝０のときはステップ４０５に進む。
ステップ４０５では、センサ素子２の活性判定を素子直流インピーダンスに基づいて行う。すなわち、Ｚdc＞３０のときセンサ素子２が活性化されたと判断しステップ４０６で酸素センサ１の活性フラグＦ１を１にセットし、次いでステップ４０４で素子温Ｆ／Ｂ制御を実行し、Ｚdc≦３０のときセンサ素子２は非活性状態であると判断しステップ４０７に進み、センサ素子２を活性化させるためのヒータ制御を行う。フラグＦ１はイグニッションスイッチＩＧＳＷがオフからオンに切換えられるときワンショットパルス信号でリセットされる。
【００２２】
ステップ４０７では、ヒータ４への印加電圧Ｖn および電流Ｉn を検出する。ステップ４０８では、ヒータ４の抵抗Ｒh をＲh ＝Ｖn ／Ｉn から算出する。
ステップ４０９では、ヒータ温度がヒータ４の耐熱限界温度１２００°Ｃより所定温度だけ低いヒータ上限温度１０２０°Ｃに到達していないか否かを判定し、その判定結果がＹＥＳのときはステップ４１０に進み、ヒータ４にできるだけ大電力を供給するＤＵＴＹ制御を実行し、その判定結果がＮＯのときはステップ４１１に進み、ヒータ４をヒータ上限温度１０２０°Ｃに維持する制御を行う。ステップ４１０については図６を用いて、ステップ４１１については図５を用いて、後で詳細に説明する。ここで、ヒータ上限温度をヒータ４の耐熱限界温度に設定しないのはヒータ４の抵抗温度特性にばらつきがあるからである。ばらつきの中央値を用いるとヒータ上限温度１０２０°Ｃに相当するヒータ抵抗Ｒh は２．１Ωであり、ヒータ抵抗Ｒh が２．１Ωになるようにヒータ制御したとき、ヒータ温度のばらつきは８７０〜１２００°Ｃの範囲内に収まり、ヒータ４の耐熱限界温度を越えない。
【００２３】
ステップ４１２では、ステップ４１０、４１１で設定されたＤＵＴＹ比に応じてヒータにバッテリ５の電圧を印加する。ここで、ＤＵＴＹ制御とは、ヒータ４にバッテリ５の電圧をオンオフする周期を、例えば１００ｍｓとしたとき、ＤＵＴＹ比が２０％のときはオン時間２０ｍｓオフ時間８０ｍｓ、ＤＵＴＹ比が５０％のときはオン時間５０ｍｓオフ時間５０ｍｓ、ＤＵＴＹ比が１００％のときはオン時間１００ｍｓの各周期でヒータ４にバッテリ５の電圧を印加する制御を言う。次に、図４のステップ４１１について、図５を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図５はヒータ上限抵抗に基づくヒータ制御を示す。先ず、ステップ５０１では、ヒータ電力制御実行中を示すヒータ電力制御フラグＦ２がセットされているか否かを判別し、Ｆ２＝１のときはステップ５０２に進み、Ｆ１＝０のときはステップ５０３に進み、ステップ５０３ではヒータ電力制御の初期デューティ比として２０％を設定する。この２０％はヒータ電圧制御から電力制御に移行した時に急激なヒータ温度変化が抑制されるように選択された値である。次いでステップ５０４ではＦ２をセットする。フラグＦ２はイグニッションスイッチＩＧＳＷがオフからオンに切換えられるときワンショットパルス信号でリセットされる。
【００２５】
ステップ５０２では、機関運転条件の急変に伴う排気温の上昇等によりヒータ４が異常加熱されないように保護するための制御を行うため、ヒータ抵抗Ｒh が２．５Ωより大か否かを判別し、Ｒh ＞２．５Ωのときはステップ５０５に進み、Ｒh ≦２．５Ωのときはステップ５０６に進む。ステップ５０６ではＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ−１０を計算し、計算値を新たなＤＵＴＹ比に設定する。ＤＵＴＹが負の値になったときはＤＵＴＹ＝０に設定する。
【００２６】
ステップ５０５では、ヒータ電力Ｗh を次式から算出する。
Ｗh ＝Ｖn ×Ｉn ×ＤＵＴＹ／１００
ここで、Ｖn 、Ｉn は図４のステップ４０７で検出した電圧値、電流値を示しＤＵＴＹは前回処理周期にステップ５０３、５０６、５０８または５０９で設定されたＤＵＴＹ比を示す。
【００２７】
ステップ５０７では、今回処理周期のヒータ電力Ｗh とヒータ４の耐熱限界温度１２００°Ｃに対応するヒータ供給電力２１Ｗとを比較し、Ｗh ≦２１のときはヒータ４への供給電力が目標電力より低いと判定してステップ５０８に進みステップ５０８でデューティ比を３％加算（ＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ＋３を算出）してヒータ４への供給電力を増大し、Ｗh ＞２１のときはヒータ４への供給電力が目標電力より高いと判定してステップ５０９に進みステップ５０９でデューティ比を３％減算（ＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ−３を算出）してヒータ４への供給電力を減少する。
【００２８】
以上により設定されたＤＵＴＹに基づきヒータ制御することで、ヒータ４への実供給電力を目標電力２１（Ｗ）に制御できる。
次に、ステップ４０４の素子温Ｆ／Ｂ制御について説明する。ステップ４０３で検出した素子直流インピーダンスＺdcをもとに、素子直流インピーダンスＺdcが素子温７００°Ｃに相当する３０（Ω）になるようにヒータ４へ印加する電圧のデューティ比を下記の方程式に基づき演算する。
【００２９】
ＤＵＴＹ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ｃ
ＧＰ ＝ａ（Ｚdc−３０） … 比例項
ＧＩ ＝ＧＩ＋ｂ（Ｚdc−３０） … 積分項
ここで、ａ、ｂ、ｃは、例えばａ＝４．２、ｂ＝０．２、ｃ＝２０の定数である。以上演算されたデューティ比でヒータ４を制御することで、素子直流インピーダンスＺdcを３０（Ω）付近に制御でき、センサ素子を常に良好な活性状態に維持でき、異常加熱によるセンサ素子の破損を防止できる。次に、図４のステップ４１０について、図６を用いて以下に説明する。
【００３０】
図６は機関始動時の一実施例のヒータ制御を示すフローチャートである。先ず、ステップ６０１では、機関の冷却水温ＴＨＷを読込む。ステップ６０２では、酸素センサの素子インピーダンスを検出する。この素子インピーダンスの検出は図４のステップ４０２同様、素子直流インピーダンスを検出してもよいが、ここでは次のように素子交流インピーダンスを検出する。
【００３１】
通常、センサ素子２には、例えば０．３（Ｖ）が印加されており、所定の周期毎に限界電流を検出し排気空燃比が算出される。交流インピーダンスＺacは、所定の周期毎、例えば６４ｍｓ毎にセンサ素子２に０．３±０．２（Ｖ）のパルス電圧を印加し、その時のセンサ素子２の電圧Ｖacと電流Ｉacを検出し、Ｚac＝Ｖac／Ｉacを算出して求める。一般に素子交流インピーダンスは素子直流インピーダンスと同様に素子温が上昇するにつれて減衰するという相関関係がある。素子交流インピーダンスを検出する場合は、素子直流インピーダンスを検出する場合のようにセンサ素子２に負極性の電圧を印加する必要がないので、制御回路を簡素化できるという利点がある。
【００３２】
ステップ６０３では、今回処理周期の酸素センサの素子温度Ｔi を図７に示すマップに基づきステップ６０２で検出したセンサ素子インピーダンスＺacから算出する。
ステップ６０４では、ステップ６０１で読込んだ冷却水温ＴＨＷが０°Ｃ未満か否かを判別し、ＴＨＷ＜０°Ｃのときは機関冷間時と判定しステップ６０５に進み、ＴＨＷ≧０°Ｃのときは機関は暖機しセンサ素子２の被水は生じないと判定してステップ６０６に進む。
【００３３】
ステップ６０５では、前回処理周期に算出した素子温度Ｔi-1 から今回処理周期に算出した素子温度Ｔi を減算する（ΔＴ＝Ｔi-1 −Ｔi ）。このΔＴは酸素センサの素子温度の単位時間当たりの低下度合いを示す。ステップ６０７では、ステップ６０６で算出した減算値ΔＴが５°Ｃより大か否かを判別し、ΔＴ＞５°Ｃのときはセンサ素子２が被水したと判定してステップ６０８に進み、ΔＴ≦５°Ｃのときはセンサ素子２は被水していないと判定してステップ６０６に進む。ステップ６０８では、上記減算値ΔＴ、すなわち酸素センサの素子温度の単位時間当たりの低下度合いが、基準値５°Ｃより大のとき前回処理周期と同じ電力をヒータ４に供給すると、センサ素子２の被水に起因するサーマルショックによりセンサ素子の素子割れが生じるので、これを阻止するためＤＵＴＹ＝０を設定する。一方、ステップ６０６では、センサ素子２は被水していないと判定されたので、センサ素子２の早期活性化のためヒータ４に全電力を供給するようにＤＵＴＹ＝１００を設定する。
【００３４】
また、図６のステップ６０２、６０３で説明したように、酸素センサの素子温度は酸素センサの素子インピーダンスから算出するが、積層型酸素センサについてはヒータとセンサ素子が接近しているので、ヒータの抵抗を検出してヒータ抵抗値からヒータの温度を算出して酸素センサの素子温度を推定してもよい。
図８は機関始動時の素子温の変化を示すタイムチャートである。図８に示すように、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３でセンサ素子２が被水するとセンサ素子２の温度が急激に下がる。本願発明者は、この現象を発見し、上述のステップ６０５、６０７、６０８の処理を実行することにより、センサ素子２が被水したときはヒータ４への電力供給を禁止し、サーマルショックによるセンサ素子割れを防止する手段を発明した。
【００３５】
なお、ステップ６０８でＤＵＴＹ＝０に設定したが、ステップ６０８ではセンサ素子２の早期活性化のためセンサ素子割れを引き起こさない程度の電力供給として、例えばＤＵＴＹ＝２０に設定してもよい。
次に、ステップ６０９〜６１４について説明する。ステップ６０９〜６１４は、センサ素子２が被水したと判定されてから通常の始動時ＤＵＴＹ制御に復帰するまでの時間の設定を行う。ステップ６０９では、センサ素子２が被水判定されたことを示すフラグＦ３がセットされているか否かを判別し、Ｆ３＝１のときはステップ６１０に進み、Ｆ３＝０のときはステップ６１１に進む。ステップ６１１ではステップ６０７でセンサ素子２が被水したと判定されたのでフラグＦ３をセットする。
【００３６】
ステップ６１０では、Ｆ３＝１にセットされてからの時間を計測するためのカウンタＣをカウントアップする（Ｃ＝Ｃ＋１）。ステップ６１２では、Ｆ３＝１にセットされて６４００ｍｓ、すなわち６．４秒経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ６１３に進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。ステップ６１３では、Ｆ３をリセットし（Ｆ３＝０）、ステップ６１４では、カウンタＣをリセットする（Ｃ＝０）。
【００３７】
上記ステップ６０９〜６１４の処理により、センサ素子２が被水したと判定されてから６．４秒後に通常の始動時ＤＵＴＹ制御に復帰でき、センサ素子の被水が判定される毎に６．４秒間ヒータ４への通電は禁止される。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１、２の発明によれば、センサ素子温度の急激な低下に基づいてセンサ素子被水を判定できるので、センサ被水判定後に、素子割れ防止策を講じたり或いは、被水判定結果を記憶しておくことにより、素子割れ発生時にセンサ被水の有無をチェックでき、素子割れ原因の特定に寄与することが可能となる。更に請求項２の発明によれば、センサ素子温度の検出を素子インピーダンスに基づいて行っているのでセンサ素子温度の検出の為の温度センサを不要とし得る。
【００３９】
請求項３の発明によれば、センサ素子の被水を検出したときに、ヒータへの電力供給を禁止するので、センサ素子の被水に起因したサーマルショックによる酸素センサの素子割れを防止できる。
請求項４の発明では、被水可能性が高く、かつ、被水有無を目視できない内燃機関の排気通路に設けられた酸素センサであっても、請求項１乃至３の発明を適用することにより、従来困難であったセンサ素子の被水検出及び被水に起因する素子割れ防止を容易に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による酸素濃度検出装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】コップ型酸素センサの断面図である。
【図３】積層型酸素センサの断面図である。
【図４】ヒータ制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】ヒータ上限抵抗に基づくヒータ制御を示すフローチャートである。
【図６】機関始動時の一実施例のヒータ制御を示すフローチャートである。
【図７】センサ素子インピーダンスから素子温を算出するマップである。
【図８】機関始動時の素子温の変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…酸素センサ
２…センサ素子
３…酸素センサ回路
４…ヒータ
５…バッテリ
６…ヒータ制御回路
７…ＬＰＦ
１０…Ａ／Ｆ制御ユニット
１００…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の機関の空燃比制御においては、機関の排気系に酸素センサと触媒とを配設し、触媒により排気ガス中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx 等）を最大限浄化するため、酸素センサにより検出される機関の排気空燃比が目標空燃比、例えば理論空燃比になるようにフィードバック制御されている。この酸素センサとして、機関から排出される排気ガス中に含まれる酸素濃度に比例して限界電流を出力する限界電流式の酸素濃度検出素子が用いられている。限界電流式酸素濃度検出素子は、酸素濃度から機関の排気空燃比を広域かつリニアに検出するものであり、空燃比制御精度を向上させたり、リッチ〜理論空燃比（ストイキ）〜リーンの広域空燃比の間で機関の排気空燃比を目標空燃比にするよう制御するために有用である。
【０００３】
上記酸素濃度検出素子は、空燃比の検出精度を維持するため活性状態に保たれることが不可欠であり、通常、機関始動時から同素子に付設されたヒータを通電することにより同素子を加熱し、早期活性化させてその活性状態を維持するようヒータの通電制御を行っている。
特開平８−２７８２７９号公報開示の酸素センサのヒータ制御装置は、ヒータへの通電初期に酸素センサの素子の早期活性化のためヒータ温度が所定温度に達するまでは全電力、すなわち１００％デューティ比でヒータに電力供給し、ヒータ温度が所定温度に達するとヒータ温度に応じた電力をヒータに供給し、センサ素子の温度が所定温度に達すると酸素センサの素子温度に応じた電力をヒータに供給する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平８−２７８２７９号公報開示の酸素センサのヒータ制御装置において、機関の冷間始動時には、排気管内上流に設けられた触媒で凝縮した水分が排気管の底部に溜まっており、機関の冷間始動時の排気系がまだ暖まっていないとき、排気ガスとともにこの凝縮水が飛散し、排気管内触媒下流に配設された酸素センサを囲むよう排気管に取付けられた保護カバーの小穴を通過して保護カバー内のセンサ素子が被水し、センサ素子を急冷することになり、この結果ヒータ温度と酸素センサの素子温度との温度差が急激に増大し、所謂サーマルショックによる酸素センサの素子割れが生ずる場合がある。従って、サーマルショックによる素子割れを防止する為に、あるいは、素子割れ原因が被水によるサーマルショックであることを特定する為に、センサ素子の被水を検出することが重要である。
【０００５】
本発明は被水時にセンサ素子が急冷されることに着目して、センサ素子の被水判定精度を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明による酸素濃度検出装置は、酸素センサと、該酸素センサを加熱するヒータと、該酸素センサが活性化温度になるように該ヒータを通電するヒータ通電手段と、を備えた酸素濃度検出装置において、前記酸素センサの素子温度を検出する素子温検出手段と、前記素子温検出手段により検出された前記酸素センサの素子温度の単位時間当たりの低下度合いを検出する素子温低下検出手段と、前記素子温低下検出手段により検出された前記低下度合いが基準値より大のとき前記センサ素子は被水したと判定する被水判定手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記酸素濃度検出装置において、前記素子温検出手段は、前記酸素センサの素子インピーダンスに基づいて前記酸素センサの素子温度を検出する。
上記酸素濃度検出装置において、前記ヒータ通電手段は、前記被水判定手段が前記センサ素子は被水したと判定したとき、前記ヒータへの通電を禁止する。
上記酸素濃度検出装置において、前記酸素センサは、内燃機関の排気通路に設けられている。
【０００８】
本発明の構成により、センサ素子が被水したことを検出し、ヒータへの通電を禁止するので、ヒータの急激な加熱が禁止され、ヒータ温度と酸素センサの素子温度との温度差が急激に増大することによる所謂サーマルショックサーマルショックによる空燃比センサの素子割れが防止される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明による酸素濃度検出装置の一実施形態の概略構成図である。図１以降、同一のものは同一符号で示す。図示しない内燃機関の排気通路に配設され機関の排気空燃比を検出する酸素センサ１は、酸素センサ素子（以下、センサ素子と記す）２とヒータ４とからなり、センサ素子２には酸素センサ回路（以下、センサ回路と記す）３から電圧が印加され、ヒータ２にはバッテリ５からヒータ制御回路６を介して電力が供給される。センサ回路３はマイクロコンピュータからなる空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０からアナログの印加電圧をローパスフィルタ（ＬＰＦ）７を介して受けセンサ素子２に印加する。
【００１０】
Ａ／ＦＣＵ１０は、センサ回路３、ヒータ制御回路６およびＬＰＦ７と共に電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００の一部をなし、デジタルデータを内部に設けられたＤ／Ａ変換器により矩形状のアナログ電圧に変換した後ＬＰＦ７を介してセンサ回路３へ出力する。ＬＰＦ７は矩形状のアナログ電圧信号の高周波成分を除去したなまし信号を出力し、高周波ノイズによるセンサ素子２の出力電流の検出エラーを防止している。このなまし信号の電圧のセンサ素子２への印加に伴いＡ／ＦＣＵ１０は被検出ガス中、すなわち排気ガス中の酸素濃度に比例して変化するセンサ素子２を流れる電流およびその時のセンサ素子２への印加電圧を検出する。Ａ／ＦＣＵ１０はこれらの電流および電圧を検出するため内部にＡ／Ｄ変換器を設けており、これらのＡ／Ｄ変換器はセンサ回路３からセンサ素子２を流れる電流に相当するアナログ電圧およびセンサ素子２への印加電圧を受けデジタルデータに変換する。
【００１１】
酸素センサ１はセンサ素子２が活性状態にならないとその出力を空燃比制御に使用できない。このため、Ａ／ＦＣＵ１０は機関始動時にバッテリ５からセンサ素子２に内蔵されたヒータ４へ電力供給してヒータ４を通電し、センサ素子２を早期活性化し、センサ素子２が活性化された後はその活性状態を維持するようヒータ４へ電力供給する。バッテリ５の電圧はＡ／ＦＣＵ１０の内部に設けられたＡ／Ｄ変換器によりデジタルデータに変換される。
【００１２】
しかるに、センサ素子２の抵抗がセンサ素子２の温度に依存すること、すなわちセンサ素子温度の増大に連れて減衰することに着目し、センサ素子２の抵抗がセンサ素子２の活性状態を維持する温度に相当する抵抗値、例えば３０Ωとなるようヒータ４へ電力供給することによりセンサ素子２の温度を目標温度、例えば７００°Ｃに維持する制御が行われている。また、空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０は、センサ素子２を加熱するヒータ制御回路６からヒータ４の電圧と電流に相当するアナログ電圧を受けデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器を内部に設けている。これらのデジタルデータを用いて、例えばヒータ４の抵抗値を算出し、算出した抵抗値に基づき機関の運転状態に応じた電力供給をヒータ４に行うとともにヒータ４の過昇温（ＯＴ）を防止するようヒータ４の温度制御を行う。本発明の実施形態では、酸素センサ１として限界電流式酸素濃度検出素子を使用する。しかしながら、本発明はこれに限定するものでなく、酸素センサ１として、空燃比がリッチかリーンを判定するＺ特性を有するλ型酸素センサ（Ｏ2 センサと称する）を用いた場合にも適用できる。
【００１３】
空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｂ（バッテリバックアップ）．ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器を具備し、後述する本発明の酸素センサ１のヒータ制御を行う。また、Ａ／ＦＣＵ１０内のＡ／Ｄ変換器には機関の冷却水温ＴＨＷを検出する水温センサ（図示せず）が接続されており、ＣＰＵは所定の周期でＴＨＷを読込む。
【００１４】
ここで、冷間始動時に酸素センサの素子割れが生ずる理由を２種類の酸素センサを例にあげて以下に説明する。
図２はコップ型酸素センサの断面図である。コップ型酸素センサのセンサ本体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２１ａにて機関の排気管２７の取付け穴部内に嵌め込まれて固定されている。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め込まれて固定されている。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、排気ガス側電極層２３および大気側電極層２４は、共に白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属を化学メッキ等により十分浸透性（porous）を有するように形成されている。また、排気ガス側電極層２３の面積および厚さは１０〜１００ｍｍ2 および０．５〜２．０μｍ程度となっている。一方大気側電極層２４の面積および厚さは１０ｍｍ2 以上および０．５〜２．０μｍ程度となっている。また、センサ本体２０は保護カバー２８により囲まれている。保護カバー２８はセンサ本体２０の排気ガスとの直接接触を防止しつつ、センサ本体２０の保温を確保するために設けられている。保護カバー２８にはカバーの内部と外部とを連通するため多数の小穴が設けられている。
【００１５】
機関の冷間始動時にはセンサ本体２０を早期加熱するためヒータ２６に大電力を供給する必要があるので、従来技術によれば、バッテリ５からヒータ２６にデューティ比１００％で電力供給をしている。しかるに、排気管２７内上流に設けられた触媒で凝縮した水分が排気管２７の底部に溜まっており、機関の冷間始動時の排気系がまだ暖まっていないとき、排気ガスとともにこの凝縮水が飛散し保護カバー２８の小穴を通過してセンサ本体２０に接触し、センサ本体２０を急冷することになり、この結果センサ本体２０の素子割れが生ずるのである。
【００１６】
図３は積層型酸素センサの断面図である。積層型酸素センサは、図３に示すように触媒（図示せず）下流の排気管内に配設される。積層型酸素センサのセンサ本体３０は、Ａｌ2 Ｏ3 からなる多孔質拡散抵抗層３１と、ＺｒＯ2 からなる固体電解質層３２と、これらの間に介在する排気側電極層３３と、固体電解質層３２の大気側に面して配設される大気側電極層３４と、センサ本体２０の保温を確保するため排気側に面して設けられたＡｌ2 Ｏ3 からなる遮蔽層３５と、を積層状に形成してなる。排気ガス側電極層３３および大気側電極層３４は、共に白金（Ｐｔ）等の触媒活性の高い貴金属を化学メッキ等により十分浸透性（porous）を有するように形成されている。また、センサ本体３０は上記各層の周囲を被毒物トラップ層３６で囲まれている。被毒物トラップ層３６は排気ガス中の有毒成分をトラップするものである。センサ本体３０にはＡｌ2 Ｏ3 からなるヒータ基板３７上にＰｔからなるヒータ３８が設けられている。ヒータ基板３７は同じくＡｌ2 Ｏ3 からなるダクト３９に取付けられ、ダクト３９は大気に連通する大気導入孔４０を介してセンサ本体３０の積層体を支持して排気管４１に固定されている。また、センサ本体３０は保護カバー４２により囲まれている。保護カバー４２はセンサ本体３０の排気ガスとの直接接触を防止しつつ、センサ本体３０の保温を確保するために設けられている。保護カバー４２にはカバーの内部と外部とを連通するため多数の小穴が設けられている。
【００１７】
機関の冷間始動時にはセンサ本体３０を早期加熱するためヒータ３８に大電力を供給する必要があるので、従来技術によれば、バッテリ５からヒータ３８にデューティ比１００％で電力供給をしている。しかるに、排気管４１内上流に設けられた触媒（図示せず）で凝縮した水分が排気管４１の底部に溜まっており、機関の冷間始動時の排気系がまだ暖まっていないとき、排気ガスとともにこの凝縮水が飛散し保護カバー４２の小穴を通過してセンサ本体３０に接触し、センサ本体３０を急冷することになり、この結果センサ本体３０の素子割れが生ずるのである。
【００１８】
本発明は、図２、図３を用いて説明したような機関の冷間始動時の酸素センサの素子割れが生じないようにするため、以下に説明するように、センサ素子が被水したことを検出し、ヒータ４への通電を抑制または禁止するようヒータ４の通電制御を行う。
図４はヒータ制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンおよび図５および図６に示すフローチャートの処理は所定の処理周期、例えば６４ｍｓ毎に実行される。先ず、ステップ４０１では、図示しないイグニッションスイッチＩＧＳＷがオンかオフかを判別し、ＩＧＳＷがオンのときはステップ４０２に進み、ＩＧＳＷがオンのときは本ルーチンを終了する。
【００１９】
ステップ４０２〜４１２の処理を簡単に説明する。酸素センサ１の早期活性化のためバッテリ５からヒータ４への電力供給を開始し、ヒータ温度が所定温度に達するまでは始動時のデューティ制御にしたがって設定された電力をヒータ４に供給し（始動時ＤＵＴＹ制御）、ヒータ温度が所定温度に達するとヒータ温度に応じた電力をヒータ４に供給し（ヒータ上限抵抗Ｆ／Ｂ制御）、酸素センサ１の温度が所定温度温度に達すると酸素センサ１の素子温度に応じてセンサ素子２を活性状態に維持するための電力をヒータ４に供給する（素子温Ｆ／Ｂ制御）。
【００２０】
ステップ４０２では、酸素センサ１の素子直流インピーダンスＺdcを算出する。このインピーダンスＺdcは、センサ素子２に負の電圧Ｖneg を印加し、その時の電流Ｉneg を検出し、Ｚdc＝Ｖneg ／Ｉneg を算出して求める。一般に素子温が上昇するにつれて素子直流インピーダンスは減衰するという相関関係があり、例えばセンサ素子２が活性化温度７００°Ｃのとき素子直流インピーダンスは３０Ωである。
【００２１】
ステップ４０３では、酸素センサ１の活性フラグＦ１がセットされたか否かを判別し、Ｆ１＝１のときはステップ４０４に進み、ステップ４０４で後述する素子温Ｆ／Ｂ制御を実行し、Ｆ１＝０のときはステップ４０５に進む。
ステップ４０５では、センサ素子２の活性判定を素子直流インピーダンスに基づいて行う。すなわち、Ｚdc＞３０のときセンサ素子２が活性化されたと判断しステップ４０６で酸素センサ１の活性フラグＦ１を１にセットし、次いでステップ４０４で素子温Ｆ／Ｂ制御を実行し、Ｚdc≦３０のときセンサ素子２は非活性状態であると判断しステップ４０７に進み、センサ素子２を活性化させるためのヒータ制御を行う。フラグＦ１はイグニッションスイッチＩＧＳＷがオフからオンに切換えられるときワンショットパルス信号でリセットされる。
【００２２】
ステップ４０７では、ヒータ４への印加電圧Ｖn および電流Ｉn を検出する。ステップ４０８では、ヒータ４の抵抗Ｒh をＲh ＝Ｖn ／Ｉn から算出する。
ステップ４０９では、ヒータ温度がヒータ４の耐熱限界温度１２００°Ｃより所定温度だけ低いヒータ上限温度１０２０°Ｃに到達していないか否かを判定し、その判定結果がＹＥＳのときはステップ４１０に進み、ヒータ４にできるだけ大電力を供給するＤＵＴＹ制御を実行し、その判定結果がＮＯのときはステップ４１１に進み、ヒータ４をヒータ上限温度１０２０°Ｃに維持する制御を行う。ステップ４１０については図６を用いて、ステップ４１１については図５を用いて、後で詳細に説明する。ここで、ヒータ上限温度をヒータ４の耐熱限界温度に設定しないのはヒータ４の抵抗温度特性にばらつきがあるからである。ばらつきの中央値を用いるとヒータ上限温度１０２０°Ｃに相当するヒータ抵抗Ｒh は２．１Ωであり、ヒータ抵抗Ｒh が２．１Ωになるようにヒータ制御したとき、ヒータ温度のばらつきは８７０〜１２００°Ｃの範囲内に収まり、ヒータ４の耐熱限界温度を越えない。
【００２３】
ステップ４１２では、ステップ４１０、４１１で設定されたＤＵＴＹ比に応じてヒータにバッテリ５の電圧を印加する。ここで、ＤＵＴＹ制御とは、ヒータ４にバッテリ５の電圧をオンオフする周期を、例えば１００ｍｓとしたとき、ＤＵＴＹ比が２０％のときはオン時間２０ｍｓオフ時間８０ｍｓ、ＤＵＴＹ比が５０％のときはオン時間５０ｍｓオフ時間５０ｍｓ、ＤＵＴＹ比が１００％のときはオン時間１００ｍｓの各周期でヒータ４にバッテリ５の電圧を印加する制御を言う。次に、図４のステップ４１１について、図５を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図５はヒータ上限抵抗に基づくヒータ制御を示す。先ず、ステップ５０１では、ヒータ電力制御実行中を示すヒータ電力制御フラグＦ２がセットされているか否かを判別し、Ｆ２＝１のときはステップ５０２に進み、Ｆ１＝０のときはステップ５０３に進み、ステップ５０３ではヒータ電力制御の初期デューティ比として２０％を設定する。この２０％はヒータ電圧制御から電力制御に移行した時に急激なヒータ温度変化が抑制されるように選択された値である。次いでステップ５０４ではＦ２をセットする。フラグＦ２はイグニッションスイッチＩＧＳＷがオフからオンに切換えられるときワンショットパルス信号でリセットされる。
【００２５】
ステップ５０２では、機関運転条件の急変に伴う排気温の上昇等によりヒータ４が異常加熱されないように保護するための制御を行うため、ヒータ抵抗Ｒh が２．５Ωより大か否かを判別し、Ｒh ＞２．５Ωのときはステップ５０５に進み、Ｒh ≦２．５Ωのときはステップ５０６に進む。ステップ５０６ではＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ−１０を計算し、計算値を新たなＤＵＴＹ比に設定する。ＤＵＴＹが負の値になったときはＤＵＴＹ＝０に設定する。
【００２６】
ステップ５０５では、ヒータ電力Ｗh を次式から算出する。
Ｗh ＝Ｖn ×Ｉn ×ＤＵＴＹ／１００
ここで、Ｖn 、Ｉn は図４のステップ４０７で検出した電圧値、電流値を示しＤＵＴＹは前回処理周期にステップ５０３、５０６、５０８または５０９で設定されたＤＵＴＹ比を示す。
【００２７】
ステップ５０７では、今回処理周期のヒータ電力Ｗh とヒータ４の耐熱限界温度１２００°Ｃに対応するヒータ供給電力２１Ｗとを比較し、Ｗh ≦２１のときはヒータ４への供給電力が目標電力より低いと判定してステップ５０８に進みステップ５０８でデューティ比を３％加算（ＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ＋３を算出）してヒータ４への供給電力を増大し、Ｗh ＞２１のときはヒータ４への供給電力が目標電力より高いと判定してステップ５０９に進みステップ５０９でデューティ比を３％減算（ＤＵＴＹ＝ＤＵＴＹ−３を算出）してヒータ４への供給電力を減少する。
【００２８】
以上により設定されたＤＵＴＹに基づきヒータ制御することで、ヒータ４への実供給電力を目標電力２１（Ｗ）に制御できる。
次に、ステップ４０４の素子温Ｆ／Ｂ制御について説明する。ステップ４０３で検出した素子直流インピーダンスＺdcをもとに、素子直流インピーダンスＺdcが素子温７００°Ｃに相当する３０（Ω）になるようにヒータ４へ印加する電圧のデューティ比を下記の方程式に基づき演算する。
【００２９】
ＤＵＴＹ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ｃ
ＧＰ ＝ａ（Ｚdc−３０） … 比例項
ＧＩ ＝ＧＩ＋ｂ（Ｚdc−３０） … 積分項
ここで、ａ、ｂ、ｃは、例えばａ＝４．２、ｂ＝０．２、ｃ＝２０の定数である。以上演算されたデューティ比でヒータ４を制御することで、素子直流インピーダンスＺdcを３０（Ω）付近に制御でき、センサ素子を常に良好な活性状態に維持でき、異常加熱によるセンサ素子の破損を防止できる。次に、図４のステップ４１０について、図６を用いて以下に説明する。
【００３０】
図６は機関始動時の一実施例のヒータ制御を示すフローチャートである。先ず、ステップ６０１では、機関の冷却水温ＴＨＷを読込む。ステップ６０２では、酸素センサの素子インピーダンスを検出する。この素子インピーダンスの検出は図４のステップ４０２同様、素子直流インピーダンスを検出してもよいが、ここでは次のように素子交流インピーダンスを検出する。
【００３１】
通常、センサ素子２には、例えば０．３（Ｖ）が印加されており、所定の周期毎に限界電流を検出し排気空燃比が算出される。交流インピーダンスＺacは、所定の周期毎、例えば６４ｍｓ毎にセンサ素子２に０．３±０．２（Ｖ）のパルス電圧を印加し、その時のセンサ素子２の電圧Ｖacと電流Ｉacを検出し、Ｚac＝Ｖac／Ｉacを算出して求める。一般に素子交流インピーダンスは素子直流インピーダンスと同様に素子温が上昇するにつれて減衰するという相関関係がある。素子交流インピーダンスを検出する場合は、素子直流インピーダンスを検出する場合のようにセンサ素子２に負極性の電圧を印加する必要がないので、制御回路を簡素化できるという利点がある。
【００３２】
ステップ６０３では、今回処理周期の酸素センサの素子温度Ｔi を図７に示すマップに基づきステップ６０２で検出したセンサ素子インピーダンスＺacから算出する。
ステップ６０４では、ステップ６０１で読込んだ冷却水温ＴＨＷが０°Ｃ未満か否かを判別し、ＴＨＷ＜０°Ｃのときは機関冷間時と判定しステップ６０５に進み、ＴＨＷ≧０°Ｃのときは機関は暖機しセンサ素子２の被水は生じないと判定してステップ６０６に進む。
【００３３】
ステップ６０５では、前回処理周期に算出した素子温度Ｔi-1 から今回処理周期に算出した素子温度Ｔi を減算する（ΔＴ＝Ｔi-1 −Ｔi ）。このΔＴは酸素センサの素子温度の単位時間当たりの低下度合いを示す。ステップ６０７では、ステップ６０６で算出した減算値ΔＴが５°Ｃより大か否かを判別し、ΔＴ＞５°Ｃのときはセンサ素子２が被水したと判定してステップ６０８に進み、ΔＴ≦５°Ｃのときはセンサ素子２は被水していないと判定してステップ６０６に進む。ステップ６０８では、上記減算値ΔＴ、すなわち酸素センサの素子温度の単位時間当たりの低下度合いが、基準値５°Ｃより大のとき前回処理周期と同じ電力をヒータ４に供給すると、センサ素子２の被水に起因するサーマルショックによりセンサ素子の素子割れが生じるので、これを阻止するためＤＵＴＹ＝０を設定する。一方、ステップ６０６では、センサ素子２は被水していないと判定されたので、センサ素子２の早期活性化のためヒータ４に全電力を供給するようにＤＵＴＹ＝１００を設定する。
【００３４】
また、図６のステップ６０２、６０３で説明したように、酸素センサの素子温度は酸素センサの素子インピーダンスから算出するが、積層型酸素センサについてはヒータとセンサ素子が接近しているので、ヒータの抵抗を検出してヒータ抵抗値からヒータの温度を算出して酸素センサの素子温度を推定してもよい。
図８は機関始動時の素子温の変化を示すタイムチャートである。図８に示すように、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３でセンサ素子２が被水するとセンサ素子２の温度が急激に下がる。本願発明者は、この現象を発見し、上述のステップ６０５、６０７、６０８の処理を実行することにより、センサ素子２が被水したときはヒータ４への電力供給を禁止し、サーマルショックによるセンサ素子割れを防止する手段を発明した。
【００３５】
なお、ステップ６０８でＤＵＴＹ＝０に設定したが、ステップ６０８ではセンサ素子２の早期活性化のためセンサ素子割れを引き起こさない程度の電力供給として、例えばＤＵＴＹ＝２０に設定してもよい。
次に、ステップ６０９〜６１４について説明する。ステップ６０９〜６１４は、センサ素子２が被水したと判定されてから通常の始動時ＤＵＴＹ制御に復帰するまでの時間の設定を行う。ステップ６０９では、センサ素子２が被水判定されたことを示すフラグＦ３がセットされているか否かを判別し、Ｆ３＝１のときはステップ６１０に進み、Ｆ３＝０のときはステップ６１１に進む。ステップ６１１ではステップ６０７でセンサ素子２が被水したと判定されたのでフラグＦ３をセットする。
【００３６】
ステップ６１０では、Ｆ３＝１にセットされてからの時間を計測するためのカウンタＣをカウントアップする（Ｃ＝Ｃ＋１）。ステップ６１２では、Ｆ３＝１にセットされて６４００ｍｓ、すなわち６．４秒経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ６１３に進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。ステップ６１３では、Ｆ３をリセットし（Ｆ３＝０）、ステップ６１４では、カウンタＣをリセットする（Ｃ＝０）。
【００３７】
上記ステップ６０９〜６１４の処理により、センサ素子２が被水したと判定されてから６．４秒後に通常の始動時ＤＵＴＹ制御に復帰でき、センサ素子の被水が判定される毎に６．４秒間ヒータ４への通電は禁止される。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１、２の発明によれば、センサ素子温度の急激な低下に基づいてセンサ素子被水を判定できるので、センサ被水判定後に、素子割れ防止策を講じたり或いは、被水判定結果を記憶しておくことにより、素子割れ発生時にセンサ被水の有無をチェックでき、素子割れ原因の特定に寄与することが可能となる。更に請求項２の発明によれば、センサ素子温度の検出を素子インピーダンスに基づいて行っているのでセンサ素子温度の検出の為の温度センサを不要とし得る。
【００３９】
請求項３の発明によれば、センサ素子の被水を検出したときに、ヒータへの電力供給を禁止するので、センサ素子の被水に起因したサーマルショックによる酸素センサの素子割れを防止できる。
請求項４の発明では、被水可能性が高く、かつ、被水有無を目視できない内燃機関の排気通路に設けられた酸素センサであっても、請求項１乃至３の発明を適用することにより、従来困難であったセンサ素子の被水検出及び被水に起因する素子割れ防止を容易に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による酸素濃度検出装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】コップ型酸素センサの断面図である。
【図３】積層型酸素センサの断面図である。
【図４】ヒータ制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】ヒータ上限抵抗に基づくヒータ制御を示すフローチャートである。
【図６】機関始動時の一実施例のヒータ制御を示すフローチャートである。
【図７】センサ素子インピーダンスから素子温を算出するマップである。
【図８】機関始動時の素子温の変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…酸素センサ
２…センサ素子
３…酸素センサ回路
４…ヒータ
５…バッテリ
６…ヒータ制御回路
７…ＬＰＦ
１０…Ａ／Ｆ制御ユニット
１００…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Claims (4)
- 酸素センサと、該酸素センサを加熱するヒータと、該酸素センサが活性化温度になるように該ヒータを通電するヒータ通電手段と、を備えた酸素濃度検出装置において、
前記酸素センサの素子温度を検出する素子温検出手段と、
前記素子温検出手段により検出された前記酸素センサの素子温度の単位時間当たりの低下度合いを検出する素子温低下検出手段と、
前記素子温低下検出手段により検出された前記低下度合いが基準値より大のとき前記センサ素子は被水したと判定する被水判定手段と、
を備えたことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 前記素子温検出手段は、前記酸素センサの素子インピーダンスに基づいて前記酸素センサの素子温度を検出する
請求項１に記載の酸素濃度検出装置。 - 前記ヒータ通電手段は、前記被水判定手段が前記センサ素子は被水したと判定したとき、前記ヒータへの通電を禁止する
請求項１または２に記載の酸素濃度検出装置。 - 前記酸素センサは、内燃機関の排気通路に設けられている請求項１乃至３の何れか１項に記載の酸素濃度検出装置。
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