JP3692914B2 - ガス濃度センサのヒータ制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス濃度センサのヒータ制御装置に係り、詳しくは、ガス濃度センサを活性化するためのヒータの通電を好適に制御するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のガス濃度センサとして、例えば、エンジンの排出ガス中の酸素濃度を検出する限界電流式空燃比センサが知られており、当該センサのヒータ制御装置として、特開平８−２７８２７９号公報、特開平１０−３００７１６号公報などの技術が開示されている。
【０００３】
また、空燃比センサは一般に、断面コップ状を成すコップ型構造のものと、板状の検出素子やヒータ部材等を積層して構成される積層型構造のものとが知られており、近年では、小型化、低コスト化に適し、且つ検出素子の昇温特性に優れる積層型構造のものが多用されつつある。この積層型構造の空燃比センサは、例えば特開平１１−３４４４６６号公報に開示されており、検出素子とヒータとが間近に配置され、素子温度とヒータ温度との差が比較的小さいことから、ヒータ抵抗の検出値によるヒータ電力制御に代えて、検出素子の内部抵抗（インピーダンス）によるヒータ通電制御が実施される。つまり、検出素子のインピーダンスが所定の目標値になるよう、ヒータ通電量がフィードバック制御される。ここで、このヒータ通電制御では、検出素子のインピーダンスと素子温度とが相関を持つことを前提に、活性温度相当のインピーダンスを目標値として、掃引法等により検出したインピーダンスがその目標値になるようヒータ通電量を制御していた。一般には、素子温度が上昇すればインピーダンスが小さくなることが知られており、一例として、検出素子の活性温度が７５０℃の場合、インピーダンスの目標値は３０Ω程度となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、空燃比センサの構造として通常は、固体電解質等から成る検出素子がセンサ先端部に配され、リード部を介して検出素子の出力が取り出されるようになっている。従って、検出素子の出力（電流信号）を取り出し、その出力からインピーダンスを検出する場合には、その検出値は検出素子の抵抗成分と、リード部の抵抗成分とを含むことになる。かかる場合、検出素子の温度に対してリード部の温度が大きく相違すると、検出素子としてのインピーダンス検出に影響が出てしまい、それによりヒータ通電の制御性が悪化する。
【０００５】
具体的には、例えば、エンジンの低温始動時等において検出素子が比較的早く昇温するのに対してリード部の昇温が遅い場合、インピーダンスの検出値が本来の値（検出素子単体の値）よりも小さくなり、素子温度が昇温途中であるにも拘わらずあたかも目標値（活性温度）に達したかのように間違えてしまう。実際には、検出素子はヒータによる加熱に加えて排出ガスからの受熱により早く昇温するのに対し、リード部はハウジングや排気管壁への放熱等により昇温が遅れる。そして、検出素子が活性化したと間違えて判断することにより、素子温度の上昇が制約されてしまい実際の素子活性化が遅れる。
【０００６】
特に、積層型構造の空燃比センサでは、検出素子と出力取り出し用のリード部とが一体にして作り込まれ、リード部の影響が大きいことから、上記した不都合が生じ易く、制御性悪化を招く可能性が高いと考えられる。
【０００７】
本発明は、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、ヒータ通電の制御性を改善し、検出素子を適正に活性化させることができるガス濃度センサのヒータ制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
ガス濃度センサは、素子抵抗（検出素子のインピーダンス）の検出値が目標値に一致するようヒータ通電量がフィードバック制御される（ヒータ制御手段）。
そして、このヒータ通電制御にて検出素子が活性化されることにより、検出素子は、被検出ガス中の特定成分濃度にほぼ比例した限界電流を出力する。特に請求項１に記載の発明では、素子抵抗の検出値と素子温度との相関を崩す要因に基づき、素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方を補正する（補正手段）。ここで、素子抵抗の検出値と素子温度との相関を崩す要因とは、センサ出力を取り出すためのリード部の温度であり、前記補正手段は、前記リード部の温度が低いほど、素子抵抗の検出値を増加側に補正する或いは素子抵抗の目標値を減少側に補正すると良い。
【０００９】
要するに、リード部温度等を要因として素子抵抗の検出値又は目標値の何れかを補正することにより、素子抵抗の検出値と素子温度との相関ズレによる問題を解消することが可能となる。その結果、ヒータ通電の制御性を改善し、検出素子を適正に活性化させることができる。因みに、リード部の温度が低いほど、素子抵抗の検出値を増加側に補正する或いは素子抵抗の目標値を減少側に補正することは、何れの補正の場合にも、ヒータのフィードバック制御における素子抵抗の偏差を故意に大きくし、ヒータ通電量を増加させることを意味する。
【００１０】
特に、固体電解質を有する検出素子にヒータを積層して配置した、いわゆる積層型構造のガス濃度センサ（請求項８）では、検出素子と出力取り出し用のリード部とが一体にして作り込まれ、リード部の影響が大きいことから相関ズレが生じ易いが、本発明では、上記の通り適正な補正を行うことにより相関ズレの影響が排除できる。故に、検出素子が適正に活性化できるといった効果がより一層有効的に得られることとなる。
【００１１】
また、以下の請求項１〜３の如く前記補正手段を具体化することにより、リード部温度を間接的にモニタすることができ、抵抗値の補正が簡易に実施できる。
すなわち、
・請求項１に記載の発明では、内燃機関の始動開始からの吸入空気量の積算値に応じて素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方の補正を行う。
・請求項２に記載の発明では、内燃機関からの排出ガスの温度に応じて素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方の補正を行う。
・請求項３に記載の発明では、内燃機関の始動当初に素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方の補正値を初期設定し、その初期設定した補正値を時間の経過に従い減衰させる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明では、内燃機関の低温始動時にのみ、前記補正手段による補正を実施する。すなわち、内燃機関の低温始動時には、素子温度とリード部温度との温度差が生じ、素子抵抗の検出値と素子温度との相関が崩れがちになる。この場合、上記の如く補正を行うことにより、目標温度に対して検出素子がいち早く昇温されるようになり、内燃機関の冷間始動に際し、検出素子の早期活性化が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を車載エンジンの空燃比制御システムに具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本制御システムは、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）による検出結果を基にエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比にて制御するものであり、本実施の形態では特に、Ａ／Ｆセンサを良好に活性化するためのヒータ通電制御の内容を中心に以下に詳しく説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す全体構成図である。図１において、限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサという）３０は、エンジン１０のエンジン本体１１から延びる排気管１２に取り付けられており、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）２０から指令される電圧の印加に伴い、排ガス中の酸素濃度に比例したリニアな空燃比検出信号（センサ電流信号）を出力する。
【００１５】
ＥＣＵ２０は、各種制御の中枢をなすマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）２１を備えており、マイコン２１は、各種の演算プログラムを実行するＣＰＵ２２と、各種プログラムや制御データを予め記憶するＲＯＭ２３と、演算データを一時的に記憶するＮＲＡＭ（ノーマルＲＡＭ）２４と、電源遮断時にも記憶内容を保持するデータバックアップ用のＳＲＡＭ（スタンバイＲＡＭ）２５等により構成されている。マイコン２１は、エンジン１０の燃料噴射制御や点火制御を実施する他に、Ａ／Ｆセンサ３０への印加電圧制御や同センサ３０のヒータ通電制御を実施する。
【００１６】
Ａ／Ｆセンサ３０に関する制御を略述すれば、マイコン２１は、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加するためのバイアス指令信号Ｖｒを、Ｄ／Ａ変換器２６及びＬＰＦ（ローパスフィルタ）２７を介してバイアス制御回路４０に出力する。このとき、Ｄ／Ａ変換器２６にてバイアス指令信号Ｖｒがアナログ信号Ｖｂに変換され、更にＬＰＦ２７にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分が除去された後、出力電圧Ｖｃがバイアス制御回路４０に入力される。
【００１７】
バイアス制御回路４０内の電流検出回路５０は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧の印加に伴い流れる電流値を検出する。当該電流検出回路５０にて検出された電流値のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器２８を介してマイコン２１に入力される。マイコン２１は、所定の時間周期（例えば数ミリ秒毎）でセンサ電流を取り込み、その電流値をＡ／Ｆに変換する。また、Ａ／Ｆセンサ３０のインピーダンス検出に際しては、マイコン２１から出力される矩形状のバイアス指令信号Ｖｒにより、単発的で且つ所定の時定数を持った電圧がＡ／Ｆセンサ３０に印加される。
【００１８】
更に、マイコン２１は、ヒータ制御回路２９に対してヒータ制御信号を出力する。これにより、Ａ／Ｆセンサ３０に設けられたヒータ６４の通電がデューティ制御される。
【００１９】
Ａ／Ｆセンサ３０は、積層型のセンサ素子部（セル）６０を有するものであって、その構成を図２及び図３を用いて説明する。ここで、図２は、Ａ／Ｆセンサ３０の全体構成を示す断面図、図３は、Ａ／Ｆセンサ３０を構成するセンサ素子部６０の断面図である。
【００２０】
図２に示されるように、Ａ／Ｆセンサ３０は、排気管壁に螺着される筒状の金属製ハウジング３１を有し、そのハウジング３１の下側開口部には素子カバー３２が取り付けられている。素子カバー３２内には、長板状のセンサ素子部６０の先端（下端）が配設されている。素子カバー３２は有底二重構造をなし、排ガスをカバー内部に取り込むための複数の排気口３２ａを有する。センサ素子部６０は、ハウジング３１内に配設された絶縁部材３３を貫通するように図の上方に延び、その上端部には一対のリード部３４が接続されている。
【００２１】
ハウジング３１の上端には本体カバー３５がカシメ着されている。また、本体カバー３５の上方にはダストカバー３６が取り付けられ、これら本体カバー３５及びダストカバー３６の二重構造によりセンサ上部が保護される。各カバー３５，３６には、カバー内部に大気を取り込むための複数の大気口３５ａ，３６ａが設けられている。
【００２２】
次に、センサ素子部６０の構成を図３を用いて説明する。センサ素子部６０は大別して、固体電解質からなる検出素子６１、ガス拡散抵抗層６２、大気導入ダクト６３及びヒータ６４からなり、これら各部材を積層して構成されている。また、各部材の周囲には保護層６５が設けられている。
【００２３】
長方形板状の検出素子（固体電解質）６１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その上面（ガス拡散抵抗層６２側）には白金等からなる多孔質の計測電極６６が形成されると共に、下面（大気導入ダクト６３側）には同じく白金等からなる多孔質の大気側電極６７が形成されている。計測電極６６及び大気側電極６７には、リード部６６ａ，６７ａが接続されており、その先はＥＣＵ２０に接続されている。
【００２４】
ガス拡散抵抗層６２は、計測電極６６へ排ガスを導入するための多孔質シートからなるガス透過層６２ａと、排ガスの透過を抑制するための緻密層からなるガス遮蔽層６２ｂとを有する。ガス透過層６２ａ及びガス遮蔽層６２ｂは何れも、アルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。この場合、ガス透過層６２ａの表面はガス遮蔽層６２ｂに被われているため、センサ素子部周囲の排ガスはガス透過層６２ａの側方（図の左右方向）から侵入し、計測電極６６に達する。
【００２５】
大気導入ダクト６３はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスからなり、同ダクト６３により大気室６８が形成されている。この大気導入ダクト６３は大気室６８内の大気側電極６７に大気を導入する役割をなす。因みに、大気室６８は、前記図２に示すカバー３５，３６の大気口３５ａ，３６ａに連通している。
【００２６】
大気導入ダクト６３の下面にはヒータ６４が取り付けられている。ヒータ６４は、車載バッテリからの通電により発熱する発熱体６４ａと、それを覆う絶縁シート６４ｂとからなり、発熱体６４ａの両端にはリード部６４ｃが接続されている。但し、図３の構成以外に、発熱体６４ａを検出素子６１に埋設したり、発熱体６４ａをガス拡散抵抗層６２に埋設したりする構成も可能である。
【００２７】
上記構成のＡ／Ｆセンサ３０は、図４に示す電圧−電流特性を持つ。すなわち、センサ素子部６０（検出素子６１）は、酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであり、酸素濃度に応じた限界電流を発生する。限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆ値の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応しており、Ａ／Ｆ値がリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ／Ｆ値がリッチ側になるほど限界電流は減少する。ここで、検出素子６１のインピーダンス（素子抵抗）と同素子６１の温度（素子温度）とは相関があり、素子温度が上昇するほど、インピーダンスが低下する傾向にある。この場合、検出素子６１のインピーダンスが目標値（例えば３０Ω）になるようヒータ通電をＦ／Ｂ制御することにより、素子温度が目標温度（例えば７５０℃）に保持される。
【００２８】
次に、ヒータ通電制御の概要について説明する。本実施の形態のヒータ通電制御では、エンジン１０の低温始動時等、検出素子６１のインピーダンス（検出値）と素子温度との相関が崩れる場合において目標インピーダンスＺｔｇの補正を行うことを特徴としており、先ず始めにその概要を説明する。
【００２９】
要するに、検出素子６１のインピーダンスと素子温度とは図６に実線で示す相関を持っており、掃引法等により検出される検出インピーダンスＺｒｅが検出素子６１単体のインピーダンスに一致していれば、上記相関により適正なヒータＦ／Ｂ制御が可能となる。ところが、検出インピーダンスＺｒｅとして検出される値は、検出素子６１の抵抗成分のみならずリード部（図２ではセンサ素子部６０に接続されたリード部３４、図３ではリード部６６ａ，６７ａ）の抵抗成分を含む。それ故に、エンジン１０の低温始動時においては、上記した相関が図６の二点差線のように崩れてしまう。これは、Ａ／Ｆセンサ３０おいて、リード部の温度上昇速度と検出素子６１の温度速度とが一致せず、実際の素子温度が上昇していても、リード部の影響により検出インピーダンスＺｒｅが実際の素子温度相当の値よりも低い値になってしまうからである。更に言えば、これは、検出素子６１はヒータ６４による過熱と排気熱により比較的早く昇温されるのに対し、リード部はハウジングや排気管壁等への放熱により昇温が比較的遅いことに起因する。
【００３０】
本願発明者によれば、Ａ／Ｆセンサ３０のリード部温度と検出インピーダンスＺｒｅとは図７に示す関係を持つことが判明している。図７では、リード部温度が高く素子温度とほぼ一致する場合（図のＡの場合）、検出インピーダンスが所定の目標値（３０Ω）になることで、素子温度が所定の活性温度（７５０℃）に達する。これに対して、リード部温度が低い場合（図のＢの場合）には、検出インピーダンスが２２Ωになることで、素子温度が所定の活性温度（７５０℃）に達することが分かる。そこで、エンジン１０の低温始動時には、検出素子６１の検出インピーダンスと素子温度との相関が崩れることを考慮し、図７の関係に基づいて目標インピーダンスＺｔｇの補正を行う。
【００３１】
具体的には本実施の形態では、リード部温度を簡易的に推定する手法として、エンジン始動開始からの吸入吸気量の積算値（積算空気量ｓｕｍｑ）を求め、その積算空気量ｓｕｍｑに基づいてＺｔｇ補正を行う。図８は、エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑと検出インピーダンスＺｒｅとの関係を示す図である。図８では、積算空気量ｓｕｍｑが例えば比較的小さいＱ１であれば検出インピーダンスＺｒｅが２２Ωになることで、素子温度が活性温度（７５０℃）に達し、積算空気量ｓｕｍｑがＱ２付近になると、検出インピーダンスが３０Ωになることで、素子温度が活性温度（７５０℃）に達する。またより詳しくは、積算空気量ｓｕｍｑが小さい領域では、インピーダンス変化の勾配は比較的大きく、同ｓｕｍｑが大きくなると、次第にインピーダンス変化の勾配が緩やかになる。
【００３２】
ここで、検出素子６１を早期に活性温度まで昇温するには、積算空気量ｓｕｍｑに応じて目標インピーダンスＺｔｇをマイナス側に補正し、その補正後のＺｔｇによりヒータ通電をＦ／Ｂ制御する。この場合、目標インピーダンスＺｔｇの補正量Ｚｈは図９の関係に基づいて設定される。図９の関係は、前記図８に基づいて与えられるものであり、図９によれば、エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑが大きくなるほど、すなわち暖機が進むほど、インピーダンス補正量Ｚｈが小さくなる。
【００３３】
図１０は、マイコン２１内のＣＰＵ２２により実施されるヒータ制御量算出ルーチンを示すフローチャートであり、例えば１３１ミリ秒毎に実行される。
図１０では、大きくは全通電制御、第１のヒータＦ／Ｂ制御、第２のヒータＦ／Ｂ制御が順次実施されるようになっており、概略として、エンジンの始動当初には全通電制御が実施され、その全通電制御ではヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が１００％で制御される。また、全通電制御に引き続き第１のヒータＦ／Ｂ制御が実施され、この第１のヒータＦ／Ｂ制御では、インピーダンスの偏差に応じてヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０〜８０％の範囲内で制御される。更に、第１のヒータＦ／Ｂ制御に引き続き第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施され、この第２のヒータＦ／Ｂ制御では、インピーダンスの偏差に応じてヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０〜６０％の範囲内で制御される。
【００３４】
具体的には、センサ新品時のインピーダンス特性を示す図１２において、検出インピーダンスＺｒｅと素子温度とが図の実線の関係にあり、目標インピーダンスＺｔｇが素子温度７５０℃相当の「３０Ω」である場合、インピーダンスの偏差ΔＺ（＝Ｚｒｅ−Ｚｔｇ）が所定値Ｋ１（例えば、２０Ω）よりも大きければ、全通電制御が実施される。また、インピーダンスの偏差ΔＺが所定値Ｋ２〜Ｋ３の範囲内（例えば、１０〜２０Ω）にあれば、第１のヒータＦ／Ｂ制御が実施され、ΔＺが所定値Ｋ２（例えば、１０Ω）よりも小さければ、第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施される。
【００３５】
なおここで、検出インピーダンスＺｒｅは、周知の掃引法により検出されるようになっており、詳しくは図５に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０の印加電圧を一時的に正方向及び負方向に変化させる。そして、この電圧変化時における正負何れか一方の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとから検出インピーダンスＺｒｅを算出する（Ｚｒｅ＝ΔＶ／ΔＩ）。このインピーダンス検出の処理は、ＣＰＵ２２により実施され、これが「素子抵抗検出手段」に相当する（但し、詳細な処理について図示を略す）。
【００３６】
以下には、ヒータ通電の詳しい内容を図１０に従い説明する。
先ず図１０のステップ１０１では、目標インピーダンスＺｔｇの設定を行う。このとき、例えばＺｔｇ＝３０Ωが設定される。その後、ステップ１０２〜１０４では、必要に応じて目標インピーダンスＺｔｇの補正を実施する。つまり、ステップ１０２では、今回がエンジン１０の低温始動時であるか否かを判別する。例えば、
（１）その時点のエンジン水温が６０℃未満であること、
（２）その時点のエンジン水温が、前回のエンジン停止時における水温よりも３０℃以上低い温度であること、
といった条件を判別し、上記（１），（２）が共に満たされる場合、低温始動時であると判別する。但し、それ以外に、吸気温度、外気温度、ソーク時間（車両放置時間）等を考慮してエンジン１０の低温始動判定を行うようにしても良い。
【００３７】
低温始動時である場合ステップ１０３に進み、前述の図９の関係を用い、エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑに基づいてインピーダンス補正量Ｚｈを算出する。そしてその後、ステップ１０４では、インピーダンス補正量Ｚｈにより目標インピーダンスＺｔｇを補正する（Ｚｔｇ＝Ｚｔｇ−Ｚｈ）。これにより、積算空気量ｓｕｍｑが小さいほど（すなわちリード部温度が低いほど）、目標インピーダンスＺｔｇが小さな値に補正されることとなる。
【００３８】
上記ステップ１０３，１０４のインピーダンス補正は、エンジン１０の低温始動時に繰り返し実施されるようになっており、例えば、ステップ１０２がＹＥＳの時に「補正実行フラグ」がセットされ、補正実行フラグがセットされている期間でインピーダンス補正（ステップ１０３，１０４）が行われる。そして、インピーダンス補正量Ｚｈが０まで減衰した時に補正実行フラグがクリアされ、インピーダンス補正が終了されるようになっている。なお、エンジン始動後の所定時間（例えば３６０秒）で区切ってインピーダンス補正を終了するようにしても良い。
【００３９】
因みに、積算空気量ｓｕｍｑは、例えば図１１の処理により４ｍｓ毎に算出される。つまり、図１１において、ステップ２０１では、エアフロメータ等の検出値によりその時の吸入空気量を算出し、続くステップ２０２では、始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑを算出する。
【００４０】
その後、ステップ１０５では、検出インピーダンスＺｒｅと目標インピーダンスＺｔｇとから偏差ΔＺを算出する（ΔＺ＝Ｚｒｅ−Ｚｔｇ）。次に、ステップ１０６では、ヒータ制御の許可条件が成立するか否かを判別する。この許可条件としては、
・エンジン始動後にエンジン回転数が所定値（例えば２００ｒｐｍ）以上に上昇したこと、
・バッテリ電圧が低下していないこと、
・ヒータ制御に関与するその他のセンサの異常がないこと、
等を含み、これらが成立する場合にヒータ制御が許可される。ヒータ制御の許可条件が不成立の場合、ステップ１０７に進み、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を０％とする。
【００４１】
また、ヒータ制御の許可条件が成立した場合はステップ１０８に進み、ヒータ全通電を実施するか否かを判別する。ヒータ全通電の実施条件としては、全通電の開始後の経過時間が所定時間（例えば１０秒）以内であり、且つインピーダンス偏差ΔＺ（＝Ｚｒｅ−Ｚｔｇ）が所定値Ｋ１以上であることを含み、エンジンの低温始動時等においては検出インピーダンスＺｒｅが非常に大きな値であることから、ステップ１０８がＹＥＳとなり、ヒータ全通電を実施する。つまり、ステップ１０９に進み、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を１００％とする。
【００４２】
また、ステップ１０８がＮＯであればステップ１１０に進み、インピーダンスの偏差ΔＺが所定値Ｋ２よりも大きいか否かを判別する。そして、ステップ１１０がＹＥＳであればステップ１１１に進み、第１のヒータＦ／Ｂ制御を実施する。このとき、前述した通り０〜８０％の範囲でＤｕｔｙが設定される。但し実際には、エンジンの始動直後はインピーダンスの偏差ΔＺが未だ大きいため、８０％付近のＤｕｔｙが設定されることとなる。
【００４３】
また、ステップ１１０がＮＯの場合、ステップ１１２に進み、第２のヒータＦ／Ｂ制御を実施する。このとき、前述した通り０〜６０％の範囲でＤｕｔｙが設定される。本実施の形態の場合、インピーダンスの偏差ΔＺに応じて、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０％，２０％，４０％，６０％の何れかに設定されるようになっている（但し、第１のヒータＦ／Ｂ制御では、これに８０％が加わる）。図１２を用いて具体的に説明すれば、
・素子温度が目標値よりも高温の場合において、ΔＺ＜−Ｋ４であれば、Ｄｕｔｙ＝０％とし、ΔＺ＝−Ｋ３〜−Ｋ４であれば、Ｄｕｔｙ＝２０％とする。
・素子温度が目標値付近にあれば、すなわち、｜ΔＺ｜≦Ｋ３であれば、この温度が保持できるようＤｕｔｙ＝４０％とする。
・素子温度が目標値よりも低温の場合において、ΔＺ＝Ｋ３〜Ｋ２であれば、Ｄｕｔｙ＝６０％とする。
【００４４】
最後に、ステップ１１３では、ヒータ制御量の急変を防止すべく、今回設定したヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）になまし処理を実施する。例えば、
Ｄｕｔｙ＝（３×Ｄｕｔｙ（ｉ−１）＋今回Ｄｕｔｙ）／４
といった演算によりＤｕｔｙを設定する。なお本実施の形態では、ステップ１１０〜１１２が本発明の「ヒータ制御手段」に相当し、ステップ１０３，１０４が「補正手段」に相当する。
【００４５】
次に、ヒータ通電制御についてより具体的な動作を図１３のタイムチャートを用いて説明する。なお、図１３は、エンジン１０の低温始動時におけるヒータ通電の様子を示しており、目標インピーダンス補正有りの場合を実線、補正無しの場合を１点鎖線で図示する。
【００４６】
エンジン始動後、Ａ／Ｆセンサ３０のヒータ通電が開始されると、素子温度が次第に上昇し、それに伴い検出インピーダンスＺｒｅが低下する。また、エンジン始動後、時間の経過に伴い積算空気量ｓｕｍｑが増加していく。このＡ／Ｆセンサ３０の暖機（活性化）過程において、前述の通り検出インピーダンスＺｒｅと素子温度との相関が崩れる。従って、目標インピーダンスＺｔｇの補正を行わず、設定当初の目標値（３０Ω）をそのまま使う従来制御（１点鎖線）では、素子温度が活性温度（７５０℃）に達していなくても検出インピーダンスＺｒｅが目標値（３０Ω）に収束する。そしてそれ以降、インピーダンス一定で制御される。この場合、素子温度が目標温度（７５０℃）に達していなくても制御Ｄｕｔｙが小さくなることから、検出素子６１の実際の活性化が遅れてしまう。
【００４７】
これに対して本実施の形態では、上記した通り積算空気量ｓｕｍｑに応じてインピーダンス補正量Ｚｈが設定され、そのＺｈにより目標インピーダンスＺｔｇが補正される。これにより、目標インピーダンスＺｔｇは当初設定した目標値（３０Ω）に対してマイナス側に補正され、その補正後の目標値に対してヒータ通電がフィードバック制御される。検出インピーダンスＺｒｅは、当初設定した目標値（３０Ω）に対してマイナス側に一旦オーバーシュートし、その後、補正後のＺｔｇの動きに沿って徐々に上昇していく。この場合、Ｚｔｇ補正を行わない従来技術に比べて検出素子６１の活性化が早くなり、早期に目標温度でのヒータ制御が開始できるようになる。
【００４８】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑに応じて目標インピーダンスＺｔｇを補正するので、検出インピーダンスＺｒｅと素子温度との相関ズレによる問題を解消することが可能となる。その結果、ヒータ通電の制御性を改善し、検出素子６１を適正に活性化させることができる。
【００４９】
特に、積層型構造のＡ／Ｆセンサ３０では、検出素子６１と出力取り出し用のリード部とが一体にして作り込まれ、リード部の影響が大きいことから相関ズレが生じ易いが、上記の通り適正な補正を行うことにより相関ズレの影響が排除できる。故に、検出素子６１が適正に活性化できるといった効果がより一層有効的に得られることとなる。
【００５０】
また、エンジン１０の低温始動時に目標インピーダンスＺｔｇを補正するので、目標とする活性温度に対して検出素子６１が昇温されるようになり、エンジン１０の冷間始動に際し、検出素子６１の早期活性化が可能となる。
【００５１】
また、本実施の形態では、空燃比制御システムの設計にあたりばらつき項目の削減が可能となる。つまり、システム設計では、様々なセンサ系や制御系のばらつきを考慮してＡ／Ｆセンサの温度補償範囲を満足させなくてはならないが、この際、既述の通りヒータ通電の制御性が改善されればその分設計の適正化が容易となる。
【００５２】
加えて、空燃比制御システムとしては、上記の通り検出素子６１の早期活性化が可能となることから、エンジン始動後早期にＡ／Ｆ検出が可能となり、いち早く適正な空燃比Ｆ／Ｂ制御が開始できる。故に、排気エミッションが改善できるようになる。
【００５３】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記実施の形態では、エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑを算出すると共に、図９の関係に基づきｓｕｍｑに応じて目標インピーダンスＺｔｇを補正したが、これを以下のように変更する。
（１）前記図９の関係に代えて、図１４の関係を用いる。図１４では、積算空気量ｓｕｍｑに加えて始動時水温の高低に応じてインピーダンス補正量Ｚｈを設定しており、始動時水温が低いほど、インピーダンス補正量Ｚｈが大きな値に設定される。言い換えれば、始動時水温が低いほど、目標インピーダンスＺｔｇが小さい値に補正される。この場合、始動時水温に応じて、インピーダンス補正量の設定マップを複数設けても良い。また、図９の関係により設定したインピーダンス補正量（基本値）に対して水温補正係数を乗算し、インピーダンス補正量Ｚｈを算出するようにしても良い。
（２）排気温センサ等により排気温度を検出し、その排気温度に応じて目標インピーダンスＺｔｇを補正する。この場合、排気温度は、検出素子６１やヒータ６４の昇温速さに関係し、排気温度が低いほど昇温が遅い。そこで、図１５に示すように、エンジン始動当初に設定した初期値に対し、排気温度に応じてインピーダンス補正量Ｚｈを変更する。
（３）エンジン始動当初に、所定のインピーダンス補正量Ｚｈの初期値を設定し、時間経過に従い補正量Ｚｈを次第に減衰させるようにする。上記（２），（３）の場合、補正量Ｚｈの初期値は、エンジン始動当初におけるエンジン水温に応じて設定されると良い。
【００５４】
上記実施の形態では、検出インピーダンスＺｒｅと素子温度との相関を崩す要因（リード部温度）に基づき目標インピーダンスＺｔｇを補正したが、この構成を変更する。例えば、目標インピーダンスＺｔｇの補正に代えて、検出インピーダンスＺｒｅを補正したり、或いは検出インピーダンスＺｒｅと目標インピーダンスＺｔｇの両方を補正したりしても良い。検出インピーダンスＺｒｅを補正する場合には、リード部温度が低いほど（例えば、ｓｕｍｑが小さいほど）、Ｚｒｅを増加側に補正する。何れにしろ、エンジンの低温始動時においてインピーダンス偏差を故意に大きくし、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を増加させるよう補正するのであれば良い。
【００５５】
素子抵抗として、インピーダンスを検出する他、インピーダンスの逆数であるアドミタンスを検出するようにしても良い。この場合、検出素子６１の目標温度はアドミタンスの目標値で制御される。
【００５６】
上記実施の形態では、積層型Ａ／Ｆセンサを用いて空燃比制御システムを具体化したが、断面コップ状の検出素子を持つ、いわゆるコップ型Ａ／Ｆセンサを用いても良い。また、本発明は、Ａ／Ｆセンサを用いた空燃比検出装置以外にも適用できる。つまり、ＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯ等のガス濃度成分が検出可能なガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置にも適用できる。当該他のガス濃度検出装置においても上記実施の形態と同様の手法を用いることで、ヒータ通電の制御性を改善し、検出素子を適正に活性化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す構成図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの構造を示す断面図。
【図３】センサ素子部の断面図。
【図４】Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図。
【図５】インピーダンス検出時における電圧及び電流の波形図。
【図６】検出素子のインピーダンス特性を示す図。
【図７】リード部温度と検出インピーダンスとの関係を示す図。
【図８】積算空気量と検出インピーダンスとの関係を示す図。
【図９】インピーダンス補正量を設定するための図。
【図１０】ヒータ制御量算出ルーチンを示すフローチャート。
【図１１】積算空気量の算出ルーチンを示すフローチャート。
【図１２】検出素子のインピーダンス特性を示す図。
【図１３】エンジン始動時におけるヒータ通電の様子を示すタイムチャート。
【図１４】他の形態においてインピーダンス補正量を設定するための図。
【図１５】他の形態においてインピーダンス補正量を設定するための図。
【符号の説明】
１０…エンジン（内燃機関）、１２…排気管、２０…ＥＣＵ、２１…マイコン、２２…ＣＰＵ、３０…Ａ／Ｆセンサ（ガス濃度センサ）、３４…リード部、６１…検出素子、６４…ヒータ、６６ａ，６７ａ…リード部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス濃度センサのヒータ制御装置に係り、詳しくは、ガス濃度センサを活性化するためのヒータの通電を好適に制御するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のガス濃度センサとして、例えば、エンジンの排出ガス中の酸素濃度を検出する限界電流式空燃比センサが知られており、当該センサのヒータ制御装置として、特開平８−２７８２７９号公報、特開平１０−３００７１６号公報などの技術が開示されている。
【０００３】
また、空燃比センサは一般に、断面コップ状を成すコップ型構造のものと、板状の検出素子やヒータ部材等を積層して構成される積層型構造のものとが知られており、近年では、小型化、低コスト化に適し、且つ検出素子の昇温特性に優れる積層型構造のものが多用されつつある。この積層型構造の空燃比センサは、例えば特開平１１−３４４４６６号公報に開示されており、検出素子とヒータとが間近に配置され、素子温度とヒータ温度との差が比較的小さいことから、ヒータ抵抗の検出値によるヒータ電力制御に代えて、検出素子の内部抵抗（インピーダンス）によるヒータ通電制御が実施される。つまり、検出素子のインピーダンスが所定の目標値になるよう、ヒータ通電量がフィードバック制御される。ここで、このヒータ通電制御では、検出素子のインピーダンスと素子温度とが相関を持つことを前提に、活性温度相当のインピーダンスを目標値として、掃引法等により検出したインピーダンスがその目標値になるようヒータ通電量を制御していた。一般には、素子温度が上昇すればインピーダンスが小さくなることが知られており、一例として、検出素子の活性温度が７５０℃の場合、インピーダンスの目標値は３０Ω程度となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、空燃比センサの構造として通常は、固体電解質等から成る検出素子がセンサ先端部に配され、リード部を介して検出素子の出力が取り出されるようになっている。従って、検出素子の出力（電流信号）を取り出し、その出力からインピーダンスを検出する場合には、その検出値は検出素子の抵抗成分と、リード部の抵抗成分とを含むことになる。かかる場合、検出素子の温度に対してリード部の温度が大きく相違すると、検出素子としてのインピーダンス検出に影響が出てしまい、それによりヒータ通電の制御性が悪化する。
【０００５】
具体的には、例えば、エンジンの低温始動時等において検出素子が比較的早く昇温するのに対してリード部の昇温が遅い場合、インピーダンスの検出値が本来の値（検出素子単体の値）よりも小さくなり、素子温度が昇温途中であるにも拘わらずあたかも目標値（活性温度）に達したかのように間違えてしまう。実際には、検出素子はヒータによる加熱に加えて排出ガスからの受熱により早く昇温するのに対し、リード部はハウジングや排気管壁への放熱等により昇温が遅れる。そして、検出素子が活性化したと間違えて判断することにより、素子温度の上昇が制約されてしまい実際の素子活性化が遅れる。
【０００６】
特に、積層型構造の空燃比センサでは、検出素子と出力取り出し用のリード部とが一体にして作り込まれ、リード部の影響が大きいことから、上記した不都合が生じ易く、制御性悪化を招く可能性が高いと考えられる。
【０００７】
本発明は、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、ヒータ通電の制御性を改善し、検出素子を適正に活性化させることができるガス濃度センサのヒータ制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
ガス濃度センサは、素子抵抗（検出素子のインピーダンス）の検出値が目標値に一致するようヒータ通電量がフィードバック制御される（ヒータ制御手段）。
そして、このヒータ通電制御にて検出素子が活性化されることにより、検出素子は、被検出ガス中の特定成分濃度にほぼ比例した限界電流を出力する。特に請求項１に記載の発明では、素子抵抗の検出値と素子温度との相関を崩す要因に基づき、素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方を補正する（補正手段）。ここで、素子抵抗の検出値と素子温度との相関を崩す要因とは、センサ出力を取り出すためのリード部の温度であり、前記補正手段は、前記リード部の温度が低いほど、素子抵抗の検出値を増加側に補正する或いは素子抵抗の目標値を減少側に補正すると良い。
【０００９】
要するに、リード部温度等を要因として素子抵抗の検出値又は目標値の何れかを補正することにより、素子抵抗の検出値と素子温度との相関ズレによる問題を解消することが可能となる。その結果、ヒータ通電の制御性を改善し、検出素子を適正に活性化させることができる。因みに、リード部の温度が低いほど、素子抵抗の検出値を増加側に補正する或いは素子抵抗の目標値を減少側に補正することは、何れの補正の場合にも、ヒータのフィードバック制御における素子抵抗の偏差を故意に大きくし、ヒータ通電量を増加させることを意味する。
【００１０】
特に、固体電解質を有する検出素子にヒータを積層して配置した、いわゆる積層型構造のガス濃度センサ（請求項８）では、検出素子と出力取り出し用のリード部とが一体にして作り込まれ、リード部の影響が大きいことから相関ズレが生じ易いが、本発明では、上記の通り適正な補正を行うことにより相関ズレの影響が排除できる。故に、検出素子が適正に活性化できるといった効果がより一層有効的に得られることとなる。
【００１１】
また、以下の請求項１〜３の如く前記補正手段を具体化することにより、リード部温度を間接的にモニタすることができ、抵抗値の補正が簡易に実施できる。
すなわち、
・請求項１に記載の発明では、内燃機関の始動開始からの吸入空気量の積算値に応じて素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方の補正を行う。
・請求項２に記載の発明では、内燃機関からの排出ガスの温度に応じて素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方の補正を行う。
・請求項３に記載の発明では、内燃機関の始動当初に素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方の補正値を初期設定し、その初期設定した補正値を時間の経過に従い減衰させる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明では、内燃機関の低温始動時にのみ、前記補正手段による補正を実施する。すなわち、内燃機関の低温始動時には、素子温度とリード部温度との温度差が生じ、素子抵抗の検出値と素子温度との相関が崩れがちになる。この場合、上記の如く補正を行うことにより、目標温度に対して検出素子がいち早く昇温されるようになり、内燃機関の冷間始動に際し、検出素子の早期活性化が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を車載エンジンの空燃比制御システムに具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本制御システムは、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）による検出結果を基にエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比にて制御するものであり、本実施の形態では特に、Ａ／Ｆセンサを良好に活性化するためのヒータ通電制御の内容を中心に以下に詳しく説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す全体構成図である。図１において、限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサという）３０は、エンジン１０のエンジン本体１１から延びる排気管１２に取り付けられており、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）２０から指令される電圧の印加に伴い、排ガス中の酸素濃度に比例したリニアな空燃比検出信号（センサ電流信号）を出力する。
【００１５】
ＥＣＵ２０は、各種制御の中枢をなすマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）２１を備えており、マイコン２１は、各種の演算プログラムを実行するＣＰＵ２２と、各種プログラムや制御データを予め記憶するＲＯＭ２３と、演算データを一時的に記憶するＮＲＡＭ（ノーマルＲＡＭ）２４と、電源遮断時にも記憶内容を保持するデータバックアップ用のＳＲＡＭ（スタンバイＲＡＭ）２５等により構成されている。マイコン２１は、エンジン１０の燃料噴射制御や点火制御を実施する他に、Ａ／Ｆセンサ３０への印加電圧制御や同センサ３０のヒータ通電制御を実施する。
【００１６】
Ａ／Ｆセンサ３０に関する制御を略述すれば、マイコン２１は、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加するためのバイアス指令信号Ｖｒを、Ｄ／Ａ変換器２６及びＬＰＦ（ローパスフィルタ）２７を介してバイアス制御回路４０に出力する。このとき、Ｄ／Ａ変換器２６にてバイアス指令信号Ｖｒがアナログ信号Ｖｂに変換され、更にＬＰＦ２７にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分が除去された後、出力電圧Ｖｃがバイアス制御回路４０に入力される。
【００１７】
バイアス制御回路４０内の電流検出回路５０は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧の印加に伴い流れる電流値を検出する。当該電流検出回路５０にて検出された電流値のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器２８を介してマイコン２１に入力される。マイコン２１は、所定の時間周期（例えば数ミリ秒毎）でセンサ電流を取り込み、その電流値をＡ／Ｆに変換する。また、Ａ／Ｆセンサ３０のインピーダンス検出に際しては、マイコン２１から出力される矩形状のバイアス指令信号Ｖｒにより、単発的で且つ所定の時定数を持った電圧がＡ／Ｆセンサ３０に印加される。
【００１８】
更に、マイコン２１は、ヒータ制御回路２９に対してヒータ制御信号を出力する。これにより、Ａ／Ｆセンサ３０に設けられたヒータ６４の通電がデューティ制御される。
【００１９】
Ａ／Ｆセンサ３０は、積層型のセンサ素子部（セル）６０を有するものであって、その構成を図２及び図３を用いて説明する。ここで、図２は、Ａ／Ｆセンサ３０の全体構成を示す断面図、図３は、Ａ／Ｆセンサ３０を構成するセンサ素子部６０の断面図である。
【００２０】
図２に示されるように、Ａ／Ｆセンサ３０は、排気管壁に螺着される筒状の金属製ハウジング３１を有し、そのハウジング３１の下側開口部には素子カバー３２が取り付けられている。素子カバー３２内には、長板状のセンサ素子部６０の先端（下端）が配設されている。素子カバー３２は有底二重構造をなし、排ガスをカバー内部に取り込むための複数の排気口３２ａを有する。センサ素子部６０は、ハウジング３１内に配設された絶縁部材３３を貫通するように図の上方に延び、その上端部には一対のリード部３４が接続されている。
【００２１】
ハウジング３１の上端には本体カバー３５がカシメ着されている。また、本体カバー３５の上方にはダストカバー３６が取り付けられ、これら本体カバー３５及びダストカバー３６の二重構造によりセンサ上部が保護される。各カバー３５，３６には、カバー内部に大気を取り込むための複数の大気口３５ａ，３６ａが設けられている。
【００２２】
次に、センサ素子部６０の構成を図３を用いて説明する。センサ素子部６０は大別して、固体電解質からなる検出素子６１、ガス拡散抵抗層６２、大気導入ダクト６３及びヒータ６４からなり、これら各部材を積層して構成されている。また、各部材の周囲には保護層６５が設けられている。
【００２３】
長方形板状の検出素子（固体電解質）６１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その上面（ガス拡散抵抗層６２側）には白金等からなる多孔質の計測電極６６が形成されると共に、下面（大気導入ダクト６３側）には同じく白金等からなる多孔質の大気側電極６７が形成されている。計測電極６６及び大気側電極６７には、リード部６６ａ，６７ａが接続されており、その先はＥＣＵ２０に接続されている。
【００２４】
ガス拡散抵抗層６２は、計測電極６６へ排ガスを導入するための多孔質シートからなるガス透過層６２ａと、排ガスの透過を抑制するための緻密層からなるガス遮蔽層６２ｂとを有する。ガス透過層６２ａ及びガス遮蔽層６２ｂは何れも、アルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。この場合、ガス透過層６２ａの表面はガス遮蔽層６２ｂに被われているため、センサ素子部周囲の排ガスはガス透過層６２ａの側方（図の左右方向）から侵入し、計測電極６６に達する。
【００２５】
大気導入ダクト６３はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスからなり、同ダクト６３により大気室６８が形成されている。この大気導入ダクト６３は大気室６８内の大気側電極６７に大気を導入する役割をなす。因みに、大気室６８は、前記図２に示すカバー３５，３６の大気口３５ａ，３６ａに連通している。
【００２６】
大気導入ダクト６３の下面にはヒータ６４が取り付けられている。ヒータ６４は、車載バッテリからの通電により発熱する発熱体６４ａと、それを覆う絶縁シート６４ｂとからなり、発熱体６４ａの両端にはリード部６４ｃが接続されている。但し、図３の構成以外に、発熱体６４ａを検出素子６１に埋設したり、発熱体６４ａをガス拡散抵抗層６２に埋設したりする構成も可能である。
【００２７】
上記構成のＡ／Ｆセンサ３０は、図４に示す電圧−電流特性を持つ。すなわち、センサ素子部６０（検出素子６１）は、酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであり、酸素濃度に応じた限界電流を発生する。限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆ値の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応しており、Ａ／Ｆ値がリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ／Ｆ値がリッチ側になるほど限界電流は減少する。ここで、検出素子６１のインピーダンス（素子抵抗）と同素子６１の温度（素子温度）とは相関があり、素子温度が上昇するほど、インピーダンスが低下する傾向にある。この場合、検出素子６１のインピーダンスが目標値（例えば３０Ω）になるようヒータ通電をＦ／Ｂ制御することにより、素子温度が目標温度（例えば７５０℃）に保持される。
【００２８】
次に、ヒータ通電制御の概要について説明する。本実施の形態のヒータ通電制御では、エンジン１０の低温始動時等、検出素子６１のインピーダンス（検出値）と素子温度との相関が崩れる場合において目標インピーダンスＺｔｇの補正を行うことを特徴としており、先ず始めにその概要を説明する。
【００２９】
要するに、検出素子６１のインピーダンスと素子温度とは図６に実線で示す相関を持っており、掃引法等により検出される検出インピーダンスＺｒｅが検出素子６１単体のインピーダンスに一致していれば、上記相関により適正なヒータＦ／Ｂ制御が可能となる。ところが、検出インピーダンスＺｒｅとして検出される値は、検出素子６１の抵抗成分のみならずリード部（図２ではセンサ素子部６０に接続されたリード部３４、図３ではリード部６６ａ，６７ａ）の抵抗成分を含む。それ故に、エンジン１０の低温始動時においては、上記した相関が図６の二点差線のように崩れてしまう。これは、Ａ／Ｆセンサ３０おいて、リード部の温度上昇速度と検出素子６１の温度速度とが一致せず、実際の素子温度が上昇していても、リード部の影響により検出インピーダンスＺｒｅが実際の素子温度相当の値よりも低い値になってしまうからである。更に言えば、これは、検出素子６１はヒータ６４による過熱と排気熱により比較的早く昇温されるのに対し、リード部はハウジングや排気管壁等への放熱により昇温が比較的遅いことに起因する。
【００３０】
本願発明者によれば、Ａ／Ｆセンサ３０のリード部温度と検出インピーダンスＺｒｅとは図７に示す関係を持つことが判明している。図７では、リード部温度が高く素子温度とほぼ一致する場合（図のＡの場合）、検出インピーダンスが所定の目標値（３０Ω）になることで、素子温度が所定の活性温度（７５０℃）に達する。これに対して、リード部温度が低い場合（図のＢの場合）には、検出インピーダンスが２２Ωになることで、素子温度が所定の活性温度（７５０℃）に達することが分かる。そこで、エンジン１０の低温始動時には、検出素子６１の検出インピーダンスと素子温度との相関が崩れることを考慮し、図７の関係に基づいて目標インピーダンスＺｔｇの補正を行う。
【００３１】
具体的には本実施の形態では、リード部温度を簡易的に推定する手法として、エンジン始動開始からの吸入吸気量の積算値（積算空気量ｓｕｍｑ）を求め、その積算空気量ｓｕｍｑに基づいてＺｔｇ補正を行う。図８は、エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑと検出インピーダンスＺｒｅとの関係を示す図である。図８では、積算空気量ｓｕｍｑが例えば比較的小さいＱ１であれば検出インピーダンスＺｒｅが２２Ωになることで、素子温度が活性温度（７５０℃）に達し、積算空気量ｓｕｍｑがＱ２付近になると、検出インピーダンスが３０Ωになることで、素子温度が活性温度（７５０℃）に達する。またより詳しくは、積算空気量ｓｕｍｑが小さい領域では、インピーダンス変化の勾配は比較的大きく、同ｓｕｍｑが大きくなると、次第にインピーダンス変化の勾配が緩やかになる。
【００３２】
ここで、検出素子６１を早期に活性温度まで昇温するには、積算空気量ｓｕｍｑに応じて目標インピーダンスＺｔｇをマイナス側に補正し、その補正後のＺｔｇによりヒータ通電をＦ／Ｂ制御する。この場合、目標インピーダンスＺｔｇの補正量Ｚｈは図９の関係に基づいて設定される。図９の関係は、前記図８に基づいて与えられるものであり、図９によれば、エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑが大きくなるほど、すなわち暖機が進むほど、インピーダンス補正量Ｚｈが小さくなる。
【００３３】
図１０は、マイコン２１内のＣＰＵ２２により実施されるヒータ制御量算出ルーチンを示すフローチャートであり、例えば１３１ミリ秒毎に実行される。
図１０では、大きくは全通電制御、第１のヒータＦ／Ｂ制御、第２のヒータＦ／Ｂ制御が順次実施されるようになっており、概略として、エンジンの始動当初には全通電制御が実施され、その全通電制御ではヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が１００％で制御される。また、全通電制御に引き続き第１のヒータＦ／Ｂ制御が実施され、この第１のヒータＦ／Ｂ制御では、インピーダンスの偏差に応じてヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０〜８０％の範囲内で制御される。更に、第１のヒータＦ／Ｂ制御に引き続き第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施され、この第２のヒータＦ／Ｂ制御では、インピーダンスの偏差に応じてヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０〜６０％の範囲内で制御される。
【００３４】
具体的には、センサ新品時のインピーダンス特性を示す図１２において、検出インピーダンスＺｒｅと素子温度とが図の実線の関係にあり、目標インピーダンスＺｔｇが素子温度７５０℃相当の「３０Ω」である場合、インピーダンスの偏差ΔＺ（＝Ｚｒｅ−Ｚｔｇ）が所定値Ｋ１（例えば、２０Ω）よりも大きければ、全通電制御が実施される。また、インピーダンスの偏差ΔＺが所定値Ｋ２〜Ｋ３の範囲内（例えば、１０〜２０Ω）にあれば、第１のヒータＦ／Ｂ制御が実施され、ΔＺが所定値Ｋ２（例えば、１０Ω）よりも小さければ、第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施される。
【００３５】
なおここで、検出インピーダンスＺｒｅは、周知の掃引法により検出されるようになっており、詳しくは図５に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０の印加電圧を一時的に正方向及び負方向に変化させる。そして、この電圧変化時における正負何れか一方の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとから検出インピーダンスＺｒｅを算出する（Ｚｒｅ＝ΔＶ／ΔＩ）。このインピーダンス検出の処理は、ＣＰＵ２２により実施され、これが「素子抵抗検出手段」に相当する（但し、詳細な処理について図示を略す）。
【００３６】
以下には、ヒータ通電の詳しい内容を図１０に従い説明する。
先ず図１０のステップ１０１では、目標インピーダンスＺｔｇの設定を行う。このとき、例えばＺｔｇ＝３０Ωが設定される。その後、ステップ１０２〜１０４では、必要に応じて目標インピーダンスＺｔｇの補正を実施する。つまり、ステップ１０２では、今回がエンジン１０の低温始動時であるか否かを判別する。例えば、
（１）その時点のエンジン水温が６０℃未満であること、
（２）その時点のエンジン水温が、前回のエンジン停止時における水温よりも３０℃以上低い温度であること、
といった条件を判別し、上記（１），（２）が共に満たされる場合、低温始動時であると判別する。但し、それ以外に、吸気温度、外気温度、ソーク時間（車両放置時間）等を考慮してエンジン１０の低温始動判定を行うようにしても良い。
【００３７】
低温始動時である場合ステップ１０３に進み、前述の図９の関係を用い、エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑに基づいてインピーダンス補正量Ｚｈを算出する。そしてその後、ステップ１０４では、インピーダンス補正量Ｚｈにより目標インピーダンスＺｔｇを補正する（Ｚｔｇ＝Ｚｔｇ−Ｚｈ）。これにより、積算空気量ｓｕｍｑが小さいほど（すなわちリード部温度が低いほど）、目標インピーダンスＺｔｇが小さな値に補正されることとなる。
【００３８】
上記ステップ１０３，１０４のインピーダンス補正は、エンジン１０の低温始動時に繰り返し実施されるようになっており、例えば、ステップ１０２がＹＥＳの時に「補正実行フラグ」がセットされ、補正実行フラグがセットされている期間でインピーダンス補正（ステップ１０３，１０４）が行われる。そして、インピーダンス補正量Ｚｈが０まで減衰した時に補正実行フラグがクリアされ、インピーダンス補正が終了されるようになっている。なお、エンジン始動後の所定時間（例えば３６０秒）で区切ってインピーダンス補正を終了するようにしても良い。
【００３９】
因みに、積算空気量ｓｕｍｑは、例えば図１１の処理により４ｍｓ毎に算出される。つまり、図１１において、ステップ２０１では、エアフロメータ等の検出値によりその時の吸入空気量を算出し、続くステップ２０２では、始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑを算出する。
【００４０】
その後、ステップ１０５では、検出インピーダンスＺｒｅと目標インピーダンスＺｔｇとから偏差ΔＺを算出する（ΔＺ＝Ｚｒｅ−Ｚｔｇ）。次に、ステップ１０６では、ヒータ制御の許可条件が成立するか否かを判別する。この許可条件としては、
・エンジン始動後にエンジン回転数が所定値（例えば２００ｒｐｍ）以上に上昇したこと、
・バッテリ電圧が低下していないこと、
・ヒータ制御に関与するその他のセンサの異常がないこと、
等を含み、これらが成立する場合にヒータ制御が許可される。ヒータ制御の許可条件が不成立の場合、ステップ１０７に進み、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を０％とする。
【００４１】
また、ヒータ制御の許可条件が成立した場合はステップ１０８に進み、ヒータ全通電を実施するか否かを判別する。ヒータ全通電の実施条件としては、全通電の開始後の経過時間が所定時間（例えば１０秒）以内であり、且つインピーダンス偏差ΔＺ（＝Ｚｒｅ−Ｚｔｇ）が所定値Ｋ１以上であることを含み、エンジンの低温始動時等においては検出インピーダンスＺｒｅが非常に大きな値であることから、ステップ１０８がＹＥＳとなり、ヒータ全通電を実施する。つまり、ステップ１０９に進み、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を１００％とする。
【００４２】
また、ステップ１０８がＮＯであればステップ１１０に進み、インピーダンスの偏差ΔＺが所定値Ｋ２よりも大きいか否かを判別する。そして、ステップ１１０がＹＥＳであればステップ１１１に進み、第１のヒータＦ／Ｂ制御を実施する。このとき、前述した通り０〜８０％の範囲でＤｕｔｙが設定される。但し実際には、エンジンの始動直後はインピーダンスの偏差ΔＺが未だ大きいため、８０％付近のＤｕｔｙが設定されることとなる。
【００４３】
また、ステップ１１０がＮＯの場合、ステップ１１２に進み、第２のヒータＦ／Ｂ制御を実施する。このとき、前述した通り０〜６０％の範囲でＤｕｔｙが設定される。本実施の形態の場合、インピーダンスの偏差ΔＺに応じて、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０％，２０％，４０％，６０％の何れかに設定されるようになっている（但し、第１のヒータＦ／Ｂ制御では、これに８０％が加わる）。図１２を用いて具体的に説明すれば、
・素子温度が目標値よりも高温の場合において、ΔＺ＜−Ｋ４であれば、Ｄｕｔｙ＝０％とし、ΔＺ＝−Ｋ３〜−Ｋ４であれば、Ｄｕｔｙ＝２０％とする。
・素子温度が目標値付近にあれば、すなわち、｜ΔＺ｜≦Ｋ３であれば、この温度が保持できるようＤｕｔｙ＝４０％とする。
・素子温度が目標値よりも低温の場合において、ΔＺ＝Ｋ３〜Ｋ２であれば、Ｄｕｔｙ＝６０％とする。
【００４４】
最後に、ステップ１１３では、ヒータ制御量の急変を防止すべく、今回設定したヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）になまし処理を実施する。例えば、
Ｄｕｔｙ＝（３×Ｄｕｔｙ（ｉ−１）＋今回Ｄｕｔｙ）／４
といった演算によりＤｕｔｙを設定する。なお本実施の形態では、ステップ１１０〜１１２が本発明の「ヒータ制御手段」に相当し、ステップ１０３，１０４が「補正手段」に相当する。
【００４５】
次に、ヒータ通電制御についてより具体的な動作を図１３のタイムチャートを用いて説明する。なお、図１３は、エンジン１０の低温始動時におけるヒータ通電の様子を示しており、目標インピーダンス補正有りの場合を実線、補正無しの場合を１点鎖線で図示する。
【００４６】
エンジン始動後、Ａ／Ｆセンサ３０のヒータ通電が開始されると、素子温度が次第に上昇し、それに伴い検出インピーダンスＺｒｅが低下する。また、エンジン始動後、時間の経過に伴い積算空気量ｓｕｍｑが増加していく。このＡ／Ｆセンサ３０の暖機（活性化）過程において、前述の通り検出インピーダンスＺｒｅと素子温度との相関が崩れる。従って、目標インピーダンスＺｔｇの補正を行わず、設定当初の目標値（３０Ω）をそのまま使う従来制御（１点鎖線）では、素子温度が活性温度（７５０℃）に達していなくても検出インピーダンスＺｒｅが目標値（３０Ω）に収束する。そしてそれ以降、インピーダンス一定で制御される。この場合、素子温度が目標温度（７５０℃）に達していなくても制御Ｄｕｔｙが小さくなることから、検出素子６１の実際の活性化が遅れてしまう。
【００４７】
これに対して本実施の形態では、上記した通り積算空気量ｓｕｍｑに応じてインピーダンス補正量Ｚｈが設定され、そのＺｈにより目標インピーダンスＺｔｇが補正される。これにより、目標インピーダンスＺｔｇは当初設定した目標値（３０Ω）に対してマイナス側に補正され、その補正後の目標値に対してヒータ通電がフィードバック制御される。検出インピーダンスＺｒｅは、当初設定した目標値（３０Ω）に対してマイナス側に一旦オーバーシュートし、その後、補正後のＺｔｇの動きに沿って徐々に上昇していく。この場合、Ｚｔｇ補正を行わない従来技術に比べて検出素子６１の活性化が早くなり、早期に目標温度でのヒータ制御が開始できるようになる。
【００４８】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑに応じて目標インピーダンスＺｔｇを補正するので、検出インピーダンスＺｒｅと素子温度との相関ズレによる問題を解消することが可能となる。その結果、ヒータ通電の制御性を改善し、検出素子６１を適正に活性化させることができる。
【００４９】
特に、積層型構造のＡ／Ｆセンサ３０では、検出素子６１と出力取り出し用のリード部とが一体にして作り込まれ、リード部の影響が大きいことから相関ズレが生じ易いが、上記の通り適正な補正を行うことにより相関ズレの影響が排除できる。故に、検出素子６１が適正に活性化できるといった効果がより一層有効的に得られることとなる。
【００５０】
また、エンジン１０の低温始動時に目標インピーダンスＺｔｇを補正するので、目標とする活性温度に対して検出素子６１が昇温されるようになり、エンジン１０の冷間始動に際し、検出素子６１の早期活性化が可能となる。
【００５１】
また、本実施の形態では、空燃比制御システムの設計にあたりばらつき項目の削減が可能となる。つまり、システム設計では、様々なセンサ系や制御系のばらつきを考慮してＡ／Ｆセンサの温度補償範囲を満足させなくてはならないが、この際、既述の通りヒータ通電の制御性が改善されればその分設計の適正化が容易となる。
【００５２】
加えて、空燃比制御システムとしては、上記の通り検出素子６１の早期活性化が可能となることから、エンジン始動後早期にＡ／Ｆ検出が可能となり、いち早く適正な空燃比Ｆ／Ｂ制御が開始できる。故に、排気エミッションが改善できるようになる。
【００５３】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記実施の形態では、エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑを算出すると共に、図９の関係に基づきｓｕｍｑに応じて目標インピーダンスＺｔｇを補正したが、これを以下のように変更する。
（１）前記図９の関係に代えて、図１４の関係を用いる。図１４では、積算空気量ｓｕｍｑに加えて始動時水温の高低に応じてインピーダンス補正量Ｚｈを設定しており、始動時水温が低いほど、インピーダンス補正量Ｚｈが大きな値に設定される。言い換えれば、始動時水温が低いほど、目標インピーダンスＺｔｇが小さい値に補正される。この場合、始動時水温に応じて、インピーダンス補正量の設定マップを複数設けても良い。また、図９の関係により設定したインピーダンス補正量（基本値）に対して水温補正係数を乗算し、インピーダンス補正量Ｚｈを算出するようにしても良い。
（２）排気温センサ等により排気温度を検出し、その排気温度に応じて目標インピーダンスＺｔｇを補正する。この場合、排気温度は、検出素子６１やヒータ６４の昇温速さに関係し、排気温度が低いほど昇温が遅い。そこで、図１５に示すように、エンジン始動当初に設定した初期値に対し、排気温度に応じてインピーダンス補正量Ｚｈを変更する。
（３）エンジン始動当初に、所定のインピーダンス補正量Ｚｈの初期値を設定し、時間経過に従い補正量Ｚｈを次第に減衰させるようにする。上記（２），（３）の場合、補正量Ｚｈの初期値は、エンジン始動当初におけるエンジン水温に応じて設定されると良い。
【００５４】
上記実施の形態では、検出インピーダンスＺｒｅと素子温度との相関を崩す要因（リード部温度）に基づき目標インピーダンスＺｔｇを補正したが、この構成を変更する。例えば、目標インピーダンスＺｔｇの補正に代えて、検出インピーダンスＺｒｅを補正したり、或いは検出インピーダンスＺｒｅと目標インピーダンスＺｔｇの両方を補正したりしても良い。検出インピーダンスＺｒｅを補正する場合には、リード部温度が低いほど（例えば、ｓｕｍｑが小さいほど）、Ｚｒｅを増加側に補正する。何れにしろ、エンジンの低温始動時においてインピーダンス偏差を故意に大きくし、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を増加させるよう補正するのであれば良い。
【００５５】
素子抵抗として、インピーダンスを検出する他、インピーダンスの逆数であるアドミタンスを検出するようにしても良い。この場合、検出素子６１の目標温度はアドミタンスの目標値で制御される。
【００５６】
上記実施の形態では、積層型Ａ／Ｆセンサを用いて空燃比制御システムを具体化したが、断面コップ状の検出素子を持つ、いわゆるコップ型Ａ／Ｆセンサを用いても良い。また、本発明は、Ａ／Ｆセンサを用いた空燃比検出装置以外にも適用できる。つまり、ＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯ等のガス濃度成分が検出可能なガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置にも適用できる。当該他のガス濃度検出装置においても上記実施の形態と同様の手法を用いることで、ヒータ通電の制御性を改善し、検出素子を適正に活性化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す構成図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの構造を示す断面図。
【図３】センサ素子部の断面図。
【図４】Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図。
【図５】インピーダンス検出時における電圧及び電流の波形図。
【図６】検出素子のインピーダンス特性を示す図。
【図７】リード部温度と検出インピーダンスとの関係を示す図。
【図８】積算空気量と検出インピーダンスとの関係を示す図。
【図９】インピーダンス補正量を設定するための図。
【図１０】ヒータ制御量算出ルーチンを示すフローチャート。
【図１１】積算空気量の算出ルーチンを示すフローチャート。
【図１２】検出素子のインピーダンス特性を示す図。
【図１３】エンジン始動時におけるヒータ通電の様子を示すタイムチャート。
【図１４】他の形態においてインピーダンス補正量を設定するための図。
【図１５】他の形態においてインピーダンス補正量を設定するための図。
【符号の説明】
１０…エンジン（内燃機関）、１２…排気管、２０…ＥＣＵ、２１…マイコン、２２…ＣＰＵ、３０…Ａ／Ｆセンサ（ガス濃度センサ）、３４…リード部、６１…検出素子、６４…ヒータ、６６ａ，６７ａ…リード部。
Claims (5)
- 被検出ガス中の特定成分濃度にほぼ比例した限界電流を出力する検出素子と該検出素子を加熱するヒータとを有し、リード部を介して前記検出素子の出力が取り出されるガス濃度センサと、
前記ガス濃度センサの素子抵抗を検出する素子抵抗検出手段と、
素子抵抗の検出値が目標値に一致するようヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ制御手段と、
素子抵抗の検出値と素子温度との相関を崩す要因に基づき、素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方を補正する補正手段とを備え、内燃機関の排気管に前記ガス濃度センサが配設され、同センサは内燃機関からの排出ガス中の特定成分濃度を検出する装置であって、
前記補正手段は、内燃機関の始動開始からの吸入空気量の積算値に応じて素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方の補正を行う
ことを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。 - 被検出ガス中の特定成分濃度にほぼ比例した限界電流を出力する検出素子と該検出素子を加熱するヒータとを有し、リード部を介して前記検出素子の出力が取り出されるガス濃度センサと、
前記ガス濃度センサの素子抵抗を検出する素子抵抗検出手段と、
素子抵抗の検出値が目標値に一致するようヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ制御手段と、
素子抵抗の検出値と素子温度との相関を崩す要因に基づき、素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方を補正する補正手段とを備え、内燃機関の排気管に前記ガス濃度センサが配設され、同センサは内燃機関からの排出ガス中の特定成分濃度を検出する装置であって、
前記補正手段は、内燃機関からの排出ガスの温度に応じて素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方の補正を行う
ことを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。 - 被検出ガス中の特定成分濃度にほぼ比例した限界電流を出力する検出素子と該検出素子を加熱するヒータとを有し、リード部を介して前記検出素子の出力が取り出されるガス濃度センサと、
前記ガス濃度センサの素子抵抗を検出する素子抵抗検出手段と、
素子抵抗の検出値が目標値に一致するようヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ制御手段と、
素子抵抗の検出値と素子温度との相関を崩す要因に基づき、素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方を補正する補正手段とを備え、
前記補正手段は、内燃機関の始動当初に素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一方の補正値を初期設定し、その初期設定した補正値を時間の経過に従い減衰させるガス濃度センサのヒータ制御装置。 - 内燃機関の低温始動時にのみ、前記補正手段による補正を実施する請求項１〜３の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
- 前記ガス濃度センサは、固体電解質を有する検出素子にヒータを積層して配置した積層型構造を持つ請求項１〜４の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
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