JP3704880B2 - 酸素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、酸素センサの活性化を促すべく同センサに付設されたヒータを制御するためのヒータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の車載用エンジンの空燃比制御においては、例えば制御精度を高めるといった要望やリーンバーン化への要望があり、これらの要望に対応すべく、エンジンに吸入される混合気の空燃比（排気ガス中の酸素濃度）を広域に且つリニアに検出するリニア式空燃比センサ（酸素センサ）、及び同センサを用いた空燃比検出装置が具体化されている。このような酸素センサとして例えば限界電流式空燃比センサでは、空燃比（酸素濃度）を精度良く検出するために、センサ素子の温度を所定の活性温度に維持する必要があり、通常はセンサにヒータを付設し同ヒータの通電を制御するようにしていた。かかるヒータ制御の手法として、一般には、ヒータへの供給電力を制御したり、センサ素子の温度が所定の活性温度に維持できるようフィードバック制御したりするものがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のヒータ制御装置では、以下に示す問題があった。つまり、この種の酸素センサにおいて、所望のセンサ活性状態では素子インピーダンス（センサ素子の内部抵抗）が所定値に維持され、ヒータへの供給電力も安定する。しかし、酸素センサが経時劣化してセンサ特性が変化したり、センサの環境温度（例えば、エンジンの排気ガスの温度）が変化したりすると、ヒータへの供給電力が不安定になり、ヒータの通電によりセンサ素子が過熱されるおそれがあった。こうしたセンサ素子の過熱状態が継続されると、センサ劣化が助長されるといった不都合があった。
【０００４】
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、酸素センサの過熱を抑制し、同センサの保護を図ることができる酸素センサのヒータ制御装置を提供することである。
【０００５】
【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又は請求項２に記載の発明では、酸素センサのヒータを通電加熱するヒータ通電手段と、ヒータに供給する電力に対し、前記酸素センサへの過熱を抑制可能な最大許容量を電力ガードとして設定する電力ガード設定手段と、ヒータ通電手段によるヒータへの通電指令値を前記電力ガードにより制限する電力制限手段とを備える。この場合、酸素センサが経時劣化してセンサ特性が変化したり、センサの環境温度（例えば、エンジンの排気ガスの温度）が変化したりしても、ヒータへの電力が安定して供給でき、酸素センサの過熱が抑制できる。その結果、酸素センサの保護を図ることができる。
【０００６】
またここで、前記電力ガード設定手段は、特に請求項１又は請求項２のように構成される。請求項２に記載の発明では、酸素センサを冷間状態から使用する際において、電力ガード設定手段は、当該センサの均一加熱が終了するまでの所定期間だけ電力ガードを通常値よりも増加側に設定する。本請求項の構成によれば、酸素センサの冷間状態において電力ガードを高めに設定することで、酸素センサの活性化を促進させることができる。また、ヒータが素子電極を中心に加熱し、他の素子部分は熱伝導により加熱される構成の場合、ヒータは周囲の低温部に熱を奪われるが、多くの電力を供給することで早期の活性化が実現できる。因みに、酸素センサの素子全体が暖まり安定状態になれば、奪われる熱量が小さくなるために供給電力は少なくてよく、電力ガードが下げられることになる。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、電力ガード設定手段は、酸素センサの素子インピーダンスに応じてヒータの電力ガードを設定する。本請求項の構成によれば、ヒータ電力がオープン制御される場合においても、電力ガードを適正に設定することができるようになる。またこのとき、素子インピーダンスは素子部の温度（素子温）を反映するものであるため、素子インピーダンスに応じて電力ガードを設定しておけば、素子温を所定の最適活性温度に維持することが可能となる。
ここで、請求項３に記載したように、電力ガード設定手段をさらに、酸素センサを冷間状態から使用する際において、当該センサの均一加熱が終了するまでの所定期間だけ電力ガードを通常値よりも増加側に設定するようにすれば、酸素センサの活性化を促進させることも可能となる。
【０００８】
一方、請求項４に記載の発明では、ヒータ通電手段は、前記酸素センサの素子インピーダンスが目標値に一致するようヒータへの供給電力を制御するものであり、ヒータへの供給電力が電力ガードに達していることを判定するガード判定手段と、ヒータへの供給電力が所定時間以上、電力ガードに達している場合に、素子インピーダンスの目標値を増加側に更新する目標インピーダンス更新手段とを備える。
【０００９】
要するに、酸素センサ（の素子部）が劣化すると、素子インピーダンスが上昇する。従って、素子インピーダンスの目標値を固定したまま、その目標値に素子インピーダンスを一致させるようヒータ電力をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する場合には、電力過多になり素子部の温度（素子温）が過上昇するおそれがある。より具体的に説明すると、図１２に示すように、センサ劣化前は、素子インピーダンスの目標値を例えば３０Ωとすることで素子温が最適活性温度（同図の７００℃程度）に保持できるのに対し、センサ劣化後は同様の制御でも素子温が上昇してしまい、その温度上昇は劣化の進行度合に応じて大きくなる。また他方で、こうしたセンサ劣化時には、素子インピーダンスの上昇に従いヒータ電力が上昇して電力ガードに達する。そのため、ヒータ電力が所定時間以上電力ガードに達していれば、センサ劣化時であるとみなすことができる。よって、ヒータ電力によりセンサ劣化を検出し、劣化時には素子インピーダンスの目標値を増加側に更新することで、素子インピーダンスＦ／Ｂ制御時にも素子温が最適活性温度（図１２の７００℃程度）に保持でき、センサ保護をより一層確実に実現することができる。
【００１０】
ここで、請求項５に記載したように、目標インピーダンス更新手段により更新された素子インピーダンスの目標値を、その都度バックアップメモリに記憶保持するようにすれば、例えばエンジンの運転毎にセンサ特性に応じた目標素子インピーダンスの演算を実施する必要はなく、演算負荷が軽減できる。因みに、素子インピーダンスの目標値の更新に伴い、当該目標値が所定レベルにまで達した際には、劣化が極度に進行したとしてセンサ異常の旨を判定するようにしてもよい。
【００１１】
請求項６に記載の発明では、酸素センサの目標インピーダンスに対しその時々の素子インピーダンスが所定幅以上大きくなった場合において、電力ガード設定手段は、電力ガードを所定量増加させるようにしている。つまり、例えばエンジンの排気管に配設された酸素センサの場合、当該エンジンが急激に減速運転されたり、エンジンへの燃料カットが実施されたりすると、排気温の低下に伴い酸素センサの温度（素子温）が低下し、素子インピーダンスが不用意に上昇することがある。これに対し上記構成によれば、酸素センサの活性状態を維持すべく多めの供給電力がヒータに投入される。これにより、上記のように不用意な素子温低下を招く状態下でも、センサの応答性が確保され、センサの検出能力が低下するといった不具合が防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を空燃比検出装置に具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。なお、本実施の形態における空燃比検出装置は、自動車に搭載される電子制御ガソリン噴射エンジンに適用されるものであって、同エンジンの空燃比制御システムにおいては空燃比検出装置による検出結果に基づいてエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比に制御する。以下の記載では、酸素センサとしての限界電流式空燃比センサについて、同センサに付設されたヒータの通電制御手順、並びにヒータへの供給電力に対する電力ガードの設定手順を詳細に説明すると共に、それらの処理を実現するための具体的構成について説明する。なお、本実施の形態では、限界電流式空燃比センサのヒータに供給する電力の最大許容量を電力ガードとして定義する。
【００１３】
図１は、本実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す構成図である。図１において、空燃比検出装置１５は、その内部演算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）２０を備え、マイコン２０は燃料噴射制御や点火制御等を実現するためのホストマイコン１６に対して相互に通信可能に接続されている。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、マイコン２０から指令される電圧の印加に伴い、排気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。マイコン２０は、各種演算処理を実行するための周知のＣＰＵ２０ａ，ＲＯＭ２０ｂ，ＲＡＭ２０ｃ，バックアップＲＡＭ２０ｄ等により構成され、所定の制御プログラムに従いヒータ制御回路２５及びバイアス制御回路４０を制御する。
【００１４】
ここで、マイコン２０から出力されるバイアス指令信号Ｖｒは、Ｄ／Ａ変換器２１を介してバイアス制御回路４０に入力される。また、その時々の空燃比（酸素濃度）に対応するＡ／Ｆセンサ３０の出力は、バイアス制御回路４０内の電流検出回路５０にてセンサ電流として検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２３を介してマイコン２０に入力される。さらに、ヒータ電圧及びヒータ電流は、後述するヒータ制御回路２５にて検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２４を介してマイコン２０に入力される。
【００１５】
図２は、Ａ／Ｆセンサ３０の概略を示す断面図である。図２において、Ａ／Ｆセンサ３０は前記排気管１２の内部に向けて突設されており、同センサ３０は大別して、カバー３１、センサ本体３２及びヒータ３３から構成されている。カバー３１は断面コ字状をなし、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔３１ａが形成されている。センサ素子部としてのセンサ本体３２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未燃ガス（ＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等）濃度に対応する限界電流を発生する。
【００１６】
センサ本体３２の構成について詳述する。センサ本体３２において、断面カップ状に形成された固体電解質層３４の外表面には、排気ガス側電極層３６が固着され、内表面には大気側電極層３７が固着されている。また、排気ガス側電極層３６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層３５が形成されている。固体電解質層３４は、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 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３５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３６及び大気側電極層３７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３６の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ^2（平方ミリメートル）及び０．５〜２．０μｍ程度となっており、一方、大気側電極層３７の面積及び厚さは、１０ｍｍ^2（平方ミリメートル）以上及び０．５〜２．０μｍ程度となっている。
【００１７】
ヒータ３３は大気側電極層３７内に収容されており、その発熱エネルギによりセンサ本体３２（大気側電極層３７、固体電極質層３４、排気ガス側電極層３６及び拡散抵抗層３５）を加熱する。ヒータ３３は、センサ本体３２を活性化するに十分な発熱容量を有している。
【００１８】
上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、センサ本体３２は理論空燃比点よりリーン領域では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３６の面積、拡散抵抗層３５の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定される。また、センサ本体３２は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、このセンサ本体３２を活性化するのに約６００℃以上の高温が必要とされると共に、同センサ本体３２の活性温度範囲が狭いため、エンジン１０の排気ガスのみによる加熱では素子温を活性領域に制御できない。そのため、本実施の形態では、ヒータ３３への供給電力をデューティ制御することにより、センサ本体３２を活性温度域にまで加熱するようにしている。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ本体３２はＣＯ等の濃度に応じた限界電流を発生する。
【００１９】
センサ本体３２の電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）について図３を用いて説明する。図３によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の検出Ａ／Ｆに比例するセンサ本体３２の固体電解質層３４への流入電流と、同固体電解質層３４への印加電圧とがリニアな特性を有することが分かる。かかる場合、電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ本体３２の限界電流を特定する限界電流検出域であって、この限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆの増減（すなわち、リーン・リッチ）に対応している。つまり、Ａ／Ｆがリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ／Ｆがリッチ側になるほど限界電流は減少する。
【００２０】
このＶ−Ｉ特性において電圧軸Ｖに平行な直線部分（限界電流検出域）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一次直線部分の傾きは、センサ本体３２における固体電解質層３４の内部抵抗（以下、これを素子インピーダンスＺｄｃという）により特定される。この素子インピーダンスＺｄｃは温度変化に伴い変化するため、センサ本体３２の温度が低下するとＺｄｃの増大により上記傾きが小さくなる。
【００２１】
図４は、ヒータ制御回路２５の構成を示す回路図である。同図において、ヒータ３３の一端はバッテリ電源＋Ｂに接続され、他端はスイッチング素子を構成するｎチャネルＭＯＳトランジスタ（以下、ＭＯＳ２５ａという）のドレインに接続されている。ＭＯＳ２５ａのゲートはマイコン２０によりオン・オフ切替えされるスイッチ２５ｂに接続され、ソースはヒータ電流検出用抵抗２５ｃを介して接地されている。ヒータ電圧Ｖｈはヒータ３３の両端の電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ２５ｄを介してＡ／Ｄ変換器２４（マイコン２０）に入力される。また、ヒータ電流Ｉｈはヒータ電流検出用抵抗２５ｃの両端の電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ２５ｅを介してＡ／Ｄ変換器２４（マイコン２０）に入力される。
【００２２】
次に、上記の如く構成される本実施の形態の装置の作用を説明する。
図５はヒータ制御ルーチンを、図６は図５のサブルーチンである目標インピーダンス設定ルーチンを、図７は電力ガード設定ルーチンを、それぞれに示すフローチャートであり、図５及び図７の各ルーチンは、マイコン２０内のＣＰＵ２０ａにより所定間隔（例えば、１２８ｍｓｅｃ周期）のタイマ割り込みにて起動される。
【００２３】
図５のヒータ制御ルーチンにおいて、ＣＰＵ２０ａは、先ずステップ１０１で素子インピーダンスＺｄｃがセンサ本体３２の半活性状態を判定するための所定の判定値（本実施の形態では、２００Ω〔オーム〕程度）以下であるか否かを判別する。なおここで、素子インピーダンスＺｄｃは、下記のように検出されるようになっている。つまり、素子インピーダンスＺｄｃの検出時には、図８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いずれか一方の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスＺｄｃを算出する（Ｚｄｃ＝ΔＶ／ΔＩ）。但し、この算出法は一例であって、正負両側の電圧及び電流の変化量に基づき素子インピーダンスＺｄｃを検出したり、負の印加電圧Ｖｎｅｇを印加した時のセンサ電流Ｉｎｅｇから素子インピーダンスＺｄｃを検出したりしてもよい（Ｚｄｃ＝Ｖｎｅｇ／Ｉｎｅｇ）。
【００２４】
例えばエンジン１０の低温始動時等、素子温が低い場合にはＺｄｃ＞２００Ωとなり、ＣＰＵ２０ａはステップ１０２に進んでヒータ３３の「１００％通電制御」を実施する。この１００％通電制御は、ヒータ３３へのデューティ比制御信号を１００％に維持する制御であり、素子インピーダンスＺｄｃが２００Ω以下になりステップ１０１が肯定判別されるまで継続して実施される。
【００２５】
そして、ヒータ３３の加熱作用により素子温が上昇し、ステップ１０１が肯定判別されると、ＣＰＵ２０ａはステップ１０３に進み、素子インピーダンスＺｄｃがフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を開始するための所定の判定値以下であるか否かを判別する。ここで、ステップ１０３の判定値は、センサ本体３２の活性化が完了したか否かを判定するものであって、バックアップＲＡＭ２０ｄ内に記憶保持されている目標インピーダンスＺｄｃＴＧに対して「＋１０Ω」程度の値である。従って、ＺｄｃＴＧの初期値（センサ劣化前の値）が「３０Ω」である場合、前記判定値は「４０Ω」となる。
【００２６】
Ａ／Ｆセンサ３０の活性化完了前であって、ステップ１０３が否定判別された場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１０４に進み、「電力制御」によりヒータ３３の通電を制御する。このとき、図９のマップに示すように素子インピーダンスＺｄｃに応じて電力指令値が決定され、その電力指令値に応じてヒータ通電のための制御デューティ比が算出される。
【００２７】
一方、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化が完了し、前記ステップ１０３が肯定判別された場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１１０で目標インピーダンスＺｄｃＴＧを設定する。このＴｄｃＴＧの設定処理の詳細については後述する。ＺｄｃＴＧの設定後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１０５で「素子インピーダンスＦ／Ｂ制御」を実施する。この素子インピーダンスＦ／Ｂ制御では、以下の手順にてヒータ通電のためのデューティ比Ｄｕｔｙが算出されるようになっている。なお本実施の形態では、その一例としてＰＩＤ制御手順を用いることとする。
【００２８】
つまり、先ずは次の式（１）〜（３）により比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを算出する。
ＧＰ＝ＫＰ・（Ｚｄｃ−ＺｄｃＴＧ） ・・・（１）
ＧＩ＝ＧＩi-1 ＋ＫＩ・（Ｚｄｃ−ＺｄｃＴＧ） ・・・（２）
ＧＤ＝ＫＤ・（Ｚｄｃ−Ｚｄｃi-1 ） ・・・（３）
但し、上式において、「ＫＰ」は比例定数、「ＫＩ」は積分定数、「ＫＤ」は積分定数を表し、添字「ｉ−１」は前回処理時の値を表す。
【００２９】
そして、上記比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを加算してヒータ通電のためのデューティ比Ｄｕｔｙを算出する（Ｄｕｔｙ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ＧＤ）。またこのとき、上記算出したデューティ比Ｄｕｔｙに対応する電力指令値を算出しておく。なお、こうしたヒータ制御手順は、上記のＰＩＤ制御に限定されるものではなく、ＰＩ制御やＰ制御を実施するようにしてもよい。
【００３０】
その後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１０６でＦ／Ｂ実行フラグＸＦＢに「１」をセットする。このフラグＸＦＢは、素子インピーダンスＦ／Ｂ制御が実施されているか否かを示すものであり、ＸＦＢ＝０はＦ／Ｂ制御の未実施を、ＸＦＢ＝１はＦ／Ｂ制御の実施を表す（但し、このＸＦＢは、ＩＧキーのオン操作時に「０」に初期化されるようになっている）。
【００３１】
その後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１０７で前記算出した電力指令値が所定の電力ガードＷＨＧＤ以上であるか否かを判別する。そして、電力指令値≧ＷＨＧＤであれば、ＣＰＵ２０ａはステップ１０８で電力指令値を電力ガードＷＨＧＤでガードした後、本ルーチンを終了する。また、電力指令値＜電力ガードＷＨＧＤであればそのまま本ルーチンを終了する。このとき、電力指令値が電力ガードＷＨＧＤにて制限されるのであれば、例えば上記ステップ１０５で算出したデューティ比Ｄｕｔｙが電力ガードＷＨＧＤに応じて修正されることになる。
【００３２】
次に、前記ステップ１１０のサブルーチンに相当する目標インピーダンス設定ルーチンについて図６を用いて説明する。
図６において、ＣＰＵ２０ａは、先ずステップ１１１でＦ／Ｂ実行フラグＸＦＢが「１」であるか否かを判別する。ＸＦＢ＝０の場合、すなわち素子インピーダンスＺｄｃのＦ／Ｂ制御が開始されていない場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１１２に進み、バックアップＲＡＭ２０ｄから目標インピーダンスＺｄｃＴＧを読み出し、それを初期値として設定する。ＺｄｃＴＧの初期値設定後、ＣＰＵ２０ａは前記図５のルーチンに復帰する。このＺｄｃＴＧの初期値は、図５のルーチンにおける素子インピーダンスＦ／Ｂ制御の開始当初に使用されることになる。
【００３３】
また、Ｆ／Ｂ実行フラグＸＦＢが「１」の場合、すなわち素子インピーダンスＺｄｃのＦ／Ｂ制御が実施されている場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１１３に進み、その時のヒータ電圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈとから実ヒータ電力ＷＨを算出する（ＷＨ＝Ｖｈ・Ｉｈ）。
【００３４】
その後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１１４で前記算出した実ヒータ電力ＷＨが電力ガードＷＨＧＤ以上であるか否かを判別する。ＷＨ＜ＷＨＧＤの場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１１４を否定判別してステップ１１５に進み、同ステップ１１５で「ＷＨ≧ＷＨＧＤ」の状態の継続時間を計測するためのカウンタを「０」にクリアする。また、ＣＰＵ２０ａは、続くステップ１１６で目標インピーダンスＺｄｃＴＧをその時の値（例えばセンサ劣化前の初期状態であれば、３０Ω）に保持した後、前記図５のルーチンに戻る。このＺｄｃＴＧ値は、図５のルーチンにおける素子インピーダンスＦ／Ｂ制御にて使用される。
【００３５】
一方、前記ステップ１１４においてＷＨ≧ＷＨＧＤであれば、ＣＰＵ２０ａはステップ１１７に進み、その時の状態（ＷＨ≧ＷＨＧＤの状態）の継続時間を計測するためのカウンタの値をカウントアップする。また、ＣＰＵ２０ａは、続くステップ１１８で前記ステップ１１７にて計測したカウンタ値に基づき、前記ＷＨ≧ＷＨＧＤの状態が所定時間（例えば、５分間）以上、継続したか否かを判別する。この場合、所定時間の経過前であれば、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１１６に進んで目標インピーダンスＺｄｃＴＧの値をそのままで保持する。また、所定時間の経過後であれば、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１１９に進んで目標インピーダンスＺｄｃＴＧを所定値αだけ増加側に更新し、その後前記図５のルーチンに戻る。このＺｄｃＴＧ値は、図５のルーチンにおける素子インピーダンスＦ／Ｂ制御にて使用される。
【００３６】
上記ステップ１１９で更新した目標インピーダンスＺｄｃＴＧは、バックアップＲＡＭ２０ｄに格納され、このバックアップＲＡＭ値はエンジン運転の停止後にも保持される。そして、この更新後のＺｄｃＴＧ値（バックアップＲＡＭ値）は、ＩＧキーのオン当初において、前記ステップ１１２にて読み出されるようになっている。
【００３７】
ここで、上記フローにおいて、処理がステップ１１４→１１７→１１８→１１９の順に進むことは、Ａ／Ｆセンサ３０の劣化に伴いセンサ本体３２の素子インピーダンスＺｄｃが増加したことを意味し、かかる状態下では当初のままの目標インピーダンスＺｄｃＴＧでＦ／Ｂ制御を継続すると素子温の過熱を招くおそれが生じる。そのため、素子温の過熱防止を図りセンサ本体３２を保護すべく、目標インピーダンスＺｄｃＴＧを増加側に更新する。詳細には、図１２において素子温の目標値（最適活性温度）を例えば７００℃程度とした場合、Ａ／Ｆセンサ３０の劣化前には目標インピーダンスＺｄｃＴＧを３０Ωに設定することで素子温が最適活性温度（７００℃程度）に維持されることになるが、同センサ３０が劣化するとＺｄｃＴＧ＝３０ΩのＦ／Ｂ制御では素子温が７００℃を大きく越え過熱される（この素子温は、劣化の進行につれて上昇する）。そこで、本実施の形態では、素子温を最適活性温度（７００℃程度）に維持すべく、目標インピーダンスＺｄｃＴＧを増加側に更新する。
【００３８】
なお本実施の形態では、前記図５のヒータ制御ルーチンが請求項記載のヒータ通電手段に相当し、同図５のステップ１０７，１０８の処理が電力制限手段に相当する。また、前記図６のステップ１１４の処理がガード判定手段に相当し、ステップ１１９の処理が目標インピーダンス更新手段に相当する。
【００３９】
次いで、図７の電力ガード設定ルーチンを説明する。同図において、ＣＰＵ２０ａは、先ずステップ２０１でヒータ３３が「１００％通電」にて制御されているか否かを判別し（前記図５のルーチン参照）、１００％通電の制御中であれば、そのまま本ルーチンを終了する。つまり、１００％通電の制御中には、電力ガードＷＨＧＤを設定しない。
【００４０】
また、ステップ２０１が否定判別されれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２０２に進み、Ｆ／Ｂ実行フラグＸＦＢが「１」であるか否かを判別する。このとき、ＸＦＢ＝０であれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２０３に進み、図１０に示すマップを検索して素子インピーダンスＺｄｃに応じた電力ガードＷＨＧＤを設定する。なおここで、ステップ２０２が否定判別される場合とは、前記図５のルーチンにて「電力制御」が実施される場合に相当する。
【００４１】
この図１０のマップにおいて、素子インピーダンスＺｄｃ＝３０Ω（Ｆ／Ｂ制御時の目標値ＺｄｃＴＧの初期値）〜２００Ωの範囲では、電力ガードＷＨＧＤが一次直線状に設定されている（但し、Ｚｄｃ＞２００Ωでは固定値）。従って、ＸＦＢ＝０であり、ヒータ３３が電力制御される場合には、Ｚｄｃ＝４０Ω（Ｆ／Ｂ開始の判定値）〜２００Ωの範囲内にあるため、電力ガードＷＨＧＤは、図中のＫＧＤＡ〜ＫＧＤＢ内で設定されることになる。因みに、図１０に示すマップは、素子インピーダンスＺｄｃの目標値ＺｄｃＴＧを「３０Ω」とした際の特性を示すものであって、仮に前記図６のルーチンにて目標値ＺｄｃＴＧが増加側に更新されれば、それに伴い電力ガードＷＨＧＤの設定値も増加側に移行することになる。
【００４２】
一方、ＸＦＢ＝１であれば、ステップ２０２が肯定判別され、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０４で素子インピーダンスＦ／Ｂによるヒータ制御開始後に電力ガードＷＨＧＤが初期設定されたことを表すフラグ（以下、ガード設定フラグＸＩＮＴという）が「０」であるか否かを判別する。このとき、当初はＸＩＮＴ＝０のため、ＣＰＵ２０ａはステップ２０５に進み、Ｆ／Ｂ開始カウンタＣＦＢを「１」インクリメントする。また、ＣＰＵ２０ａは、続くステップ２０６でＦ／Ｂ開始カウンタＣＦＢが所定値ＫＣＦＢ（３０秒程度の値）に達したか否かを判別する。ここで、所定値ＫＣＦＢは、Ａ／Ｆセンサ３０を冷間状態から使用する際において、当該センサ３０の均一加熱が終了するまでの所要時間に相当する。
【００４３】
そして、ＣＦＢ＜ＫＣＦＢであれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２０７に進み、電力ガードＷＨＧＤを「ＫＷＦＢ１」とした後、本ルーチンを終了する。この「ＫＷＦＢ１」は、前記図１０のマップにおいてＺｄｃ＝３０Ω（バックアップＲＡＭ２０ｄ内の目標インピーダンスＺｄｃＴＧ）に対応する電力ガード値である。
【００４４】
その後、ＣＦＢ≧ＫＣＦＢとなり、ステップ２０６が肯定判別されると、ＣＰＵ２０ａはステップ２０８に進む。ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０８でガード設定フラグＸＩＮＴに「１」をセットすると共に、続くステップ２０９でＦ／Ｂ開始カウンタＣＦＢを「０」にクリアする。さらにその後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２１０で電力ガードＷＨＧＤを「ＫＷＦＢ２」として本ルーチンを終了する。この「ＫＷＦＢ２」は、センサ活性後における電力ガードの通常値に相当し、前記図１０のマップにおいて前記「ＫＷＦＢ１」よりも小さい値として設定されている。
【００４５】
また、上記の如くガード設定フラグＸＩＮＴがセットされると、それ以降は毎回、ステップ２０４が否定判別されることになる。この場合、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２１１で素子インピーダンスＺｄｃがその時々の目標インピーダンスＺｄｃＴＧを上回る所定の判定値ＫＺｄｃ以上であるか否かを判別する。そして、Ｚｄｃ＜ＫＺｄｃであれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２１０に進み、電力ガードＷＨＧＤを前記設定した「ＫＷＦＢ２」のままで保持した後、本ルーチンを終了する。一方、Ｚｄｃ≧ＫＺｄｃであれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２１２に進み、電力ガードＷＨＧＤを「ＫＷＦＢ２」よりもβ分だけ増加させた後、本ルーチンを終了する。なお、本実施の形態では、図７のルーチンが請求項記載の電力ガード設定手段に相当する。
【００４６】
次に、上記各ルーチンに伴う動作を図１１のタイムチャートを用いてより具体的に説明する。図１１では、Ａ／Ｆセンサ３０が冷間状態から温度上昇する過程を表しており、ヒータ通電の開始初期の素子インピーダンスＺｄｃは２００Ωを越える値となっている。
【００４７】
図１１において、素子インピーダンスＺｄｃが２００Ωを越える時間ｔ１以前では、ヒータ３３が「１００％通電」により制御されている（前記図５のステップ１０２）。そして、時間ｔ１になると、「電力制御」が開始され、ヒータ３３は素子インピーダンスＺｄｃに応じた電力指令値に基づいて制御される（前記図５のステップ１０４）。このとき、電力ガードＷＨＧＤは、前記図１０マップに示すように素子インピーダンスＺｄｃに応じて設定される（前記図７のステップ２０３）。
【００４８】
その後、時間ｔ２で素子インピーダンスＺｄｃがＦ／Ｂ制御開始のための判定値（センサ劣化前の初期状態では、４０Ω）を下回ると、「素子インピーダンスＦ／Ｂ制御」が開始され、それと共にＦ／Ｂ実行フラグＸＦＢが「１」となる（前記図５のステップ１０５，１０６）。またこのとき、電力ガードＷＨＧＤは、「ＫＷＦＢ１」に設定される。
【００４９】
さらに、時間ｔ２では、Ｆ／Ｂ開始カウンタＣＦＢのカウントアップが開始される。そして、そのＣＦＢ値が所定値ＫＣＦＢに達する時間ｔ３では、ガード設定フラグＸＩＮＴに「１」がセットされる。また同時に、電力ガードＷＨＧＤが前記「ＫＷＦＢ１」から「ＫＷＦＢ２」に変更される。以後、電力ガードＷＨＧＤは「ＫＷＦＢ２」で保持される。実ヒータ電力は、センサ本体３２の温度上昇に伴い徐々に低下し、Ａ／Ｆセンサ３０の素子部（センサ本体３２）の全体が暖まり素子温が最適活性温度に達すると、所定値で安定することになる。
【００５０】
他方で、エンジン１０の過渡運転時や燃料カット時には、排気温が急低下して素子温が低下することがある。この場合、図の時間ｔ４以降に示すように、素子温の変動に伴い素子インピーダンスＺｄｃが変動する。具体的には、素子温の低下に伴いＺｄｃ値が上昇する。かかる際には、素子インピーダンスＺｄｃが判定値ＫＺｄｃを越えた時点で、電力ガードＷＨＧＤが所定量βだけ増加側に修正され、素子インピーダンスＺｄｃが判定値ＫＺｄｃを下回ると電力ガードＷＨＧＤが元の「ＫＷＦＢ２」に戻されることになる。
【００５１】
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。
（ａ）本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０のヒータ３３に供給する電力の最大許容量を電力ガードＷＨＧＤとして設定し、ヒータ３３への電力指令値を電力ガードＷＨＧＤにより制限するようにした（図５のルーチン）。この場合、Ａ／Ｆセンサ３０が経時劣化してセンサ特性が変化したり、同センサ３０の環境温度（例えば、エンジン１０の排気ガスの温度）が変化したりしても、ヒータ３３に対して電力が安定して供給でき、Ａ／Ｆセンサ３０の過熱が抑制できる。その結果、Ａ／Ｆセンサ３０の保護を図ることができる。
【００５２】
（ｂ）また、Ａ／Ｆセンサ３０を冷間状態から使用する際において、当該センサ３０の均一加熱が終了するまでの所要時間だけ電力ガードＷＨＧＤを通常値よりも高めに設定するようにした（図７のステップ２０７）。本構成によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の冷間状態からの活性化を促進させることができる。このとき、ヒータ３３は周囲の低温部に熱を奪われるが、多くの電力を供給することで早期の活性化が実現できる。
【００５３】
（ｃ）さらに、本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０の素子インピーダンスＺｄｃに応じてヒータ３３の電力ガードＷＨＧＤを設定するようにした（図７のステップ２０３）。本構成によれば、ヒータ電力が例えばオープン制御される場合においても、電力ガードを適正に設定することができるようになる。
【００５４】
（ｄ）素子インピーダンスＦ／Ｂ制御時において、実ヒータ電力ＷＨが電力ガードＷＨＧＤに達していることを判定し（図６のステップ１１４）、その状態が所定時間以上継続されれば、目標インピーダンスＺｄｃＴＧを増加側に更新するようにした（図６のステップ１１９）。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０が劣化すると、素子インピーダンスＺｄｃが上昇し、それに伴いＦ／Ｂ制御時に電力過多となり素子温が過上昇するおそれがある。より具体的には、図１２に示すように、センサ劣化前はＺｄｃＴＧ値を「３０Ω」とすることで素子温が最適活性温度（同図の７００℃程度）に保持できるのに対し、センサ劣化後は同様の制御でも素子温が上昇してしまい、その温度上昇は劣化の進行度合に応じて大きくなる。また他方で、こうしたセンサ劣化時には、素子インピーダンスＺｄｃの上昇に従い実ヒータ電力ＷＨが上昇して電力ガードＷＨＧＤに達する。そのため、ＷＨ≧ＷＨＧＤの状態が所定時間以上継続すれば、センサ劣化とみなすことができる。よって、ヒータ電力により検出したセンサ劣化時において、ＺｄｃＴＧ値を増加側に更新することで、素子インピーダンスＦ／Ｂ制御時にも素子温が最適活性温度（図１２の７００℃程度）に保持でき、センサ保護をより一層確実に実現することができる。
【００５５】
（ｅ）ここで、目標インピーダンスＺｄｃＴＧの更新時には、当該ＺｄｃＴＧ値をその都度バックアップＲＡＭ２０ｄに記憶保持するようにした。これにより、例えばエンジン１０の運転毎にセンサ特性に応じたＺｄｃＴＧ値の演算を実施する必要はなく、演算負荷が軽減できる。因みに、ＺｄｃＴＧ値の更新に伴い、当該ＺｄｃＴＧ値が所定レベルにまで達した際には、劣化が極度に進行したとしてセンサ異常の旨を判定するようにしてもよい。
【００５６】
（ｆ）素子インピーダンスＺｄｃが所定の判定値ＫＺｄｃ以上となった場合には、電力ガードＷＨＧＤを所定量βだけ増加させるようにした（図７のステップ２１２）。つまり、例えばエンジン１０が急激に減速運転されたり、エンジン１０が燃料カット運転されたりすると、排気温の低下に伴いＡ／Ｆセンサ３０の素子温が低下し、素子インピーダンスＺｄｃが不用意に上昇することがある。しかし、本構成によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の活性状態を維持すべく多めの供給電力がヒータ３３に投入される。これにより、上記のように不用意な素子温低下を招く状態下でも、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性が確保されるようになり、センサ３０の検出能力が低下するといった不具合が防止できる。
【００５７】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて実現できる。
上記実施の形態では、図７のルーチンに示すように、素子インピーダンスのＦ／Ｂ開始後において、所定時間（ステップ２０６のＫＣＦＢ）の経過前か経過後かに応じて電力ガードＷＨＧＤを「ＫＷＦＢ１」から通常値である「ＫＷＦＢ２（＜ＫＷＦＢ１）」に切り替えるようにしたが、この構成を変更してもよい。例えば、所定時間（ＫＣＦＢ）の経過前において、電力ガードＷＨＧＤを「ＫＷＦＢ１」から「ＫＷＦＢ２」へと徐変させるようにしてもよい。また、エンジン始動時から素子インピーダンスのＦ／Ｂ開始までの時間に応じて「ＫＷＦＢ１」のレベルを可変に設定してもよく、かかる場合には、Ｆ／Ｂ開始までの時間が短いほど「ＫＷＦＢ１」を小さい値（ＫＷＦＢ２に近い値）に設定すればよい。なお、このセンサ暖機当初の「ＫＷＦＢ１」の設定自体を無くしてもよい。
【００５８】
素子インピーダンスＦ／Ｂ制御の開始当初における電力ガードの値「ＫＷＦＢ１」を、図１３又は図１４に示すマップを用いて設定するようにしてもよい。図１３では、初期ヒータ抵抗又は初期素子インピーダンスに応じて電力ガードＫＷＦＢ１を設定する。このとき、初期ヒータ抵抗が小さいほど、又は初期素子インピーダンスが大きいほど、電力ガードＫＷＦＢ１が大きい値に設定される。また、図１４では、エンジン運転時の負荷状態に応じて電力ガードＫＷＦＢ１を設定する。このとき、エンジン負荷が高いほど、電力ガードＫＷＦＢ１が小さい値に設定される。
【００５９】
上記実施の形態におけるヒータ制御では、センサ活性前に電力制御を実施すると共に、センサ活性後に素子インピーダンスのＦ／Ｂ制御を実施するようにしていたが、センサ活性後にも電力制御を実施するようにしてもよい。すなわち、素子インピーダンスのＦ／Ｂ制御を必ずしも要件としなくてもよい。かかる場合にも、上記実施の形態のように、電力ガードＷＨＧＤを設定することで、センサ素子部（センサ本体３２）の過熱が防止できるようになる。またこのとき、素子インピーダンスは素子温を反映するものであるため、素子インピーダンスに応じて電力ガードを設定しておけば、素子温を所定の最適活性温度に維持することが可能となる。
【００６０】
上記実施の形態では、図７のルーチンにおいて、素子インピーダンスＺｄｃと所定の判定値ＫＺｄｃとを比較し、Ｚｄｃ≧ＫＺｄｃであれば電力ガードＷＨＧＤを通常値よりも増加させるようにしていたが（同図のステップ２１１，２１２）、この構成を変更してもよい。つまり、上記構成は、主に排気温の低下に伴う素子の低温化に対処するものであるため、排気温が低下したことを検出し、排気温低下時に電力ガードＷＨＧＤを増加させるようにしてもよい。なお、排気温低下を検出する手法としては、センサにて直接的に検出する方法や、燃料カットの継続時間から間接的に検出する方法が適用できる。
【００６１】
上記実施の形態では、排気ガス中の酸素濃度に対応するリニアな電流値を出力する限界電流式酸素濃度センサに本発明を具体化したが、これを変更してもよい。例えば、空燃比がリッチかリーンかに応じて２つの異なる電圧信号を出力するタイプの酸素センサ（Ｏ2 センサ）に本発明を具体化してもよい。かかる場合にも、適正にセンサ保護を図ることができる。
【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検出装置の概要を示す構成図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの詳細な構成を示す断面図。
【図３】Ａ／Ｆセンサの出力特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図４】ヒータ制御回路の構成を示す回路図。
【図５】ヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。
【図６】目標インピーダンス設定ルーチンを示すフローチャート。
【図７】電力ガード設定ルーチンを示すフローチャート。
【図８】素子インピーダンスの検出法の一例を説明するための波形図。
【図９】電力制御時において、素子インピーダンスに応じた電力指令値を求めるためのマップ。
【図１０】素子インピーダンスに応じた電力ガード設定するためのマップ。
【図１１】実施の形態における作用をより具体的に説明するためのタイムチャート。
【図１２】素子インピーダンスと素子温との関係を示す線図。
【図１３】初期ヒータ抵抗又は初期素子インピーダンスに応じて電力ガードＫＷＦＢ１を設定するためのマップ。
【図１４】エンジン負荷に応じて電力ガードＫＷＦＢ１を設定するためのマップ。
【符号の説明】
１０…エンジン、２０…マイクロコンピュータ（マイコン）、２０ａ…ヒータ通電手段，電力ガード設定手段，電力制限手段，ガード判定手段，目標インピーダンス更新手段を構成するＣＰＵ、２０ｄ…バックアップメモリを構成するバックアップＲＡＭ、３０…酸素センサとしてのＡ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）、３３…ヒータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサの活性化を促すべく同センサに付設されたヒータを制御するためのヒータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の車載用エンジンの空燃比制御においては、例えば制御精度を高めるといった要望やリーンバーン化への要望があり、これらの要望に対応すべく、エンジンに吸入される混合気の空燃比（排気ガス中の酸素濃度）を広域に且つリニアに検出するリニア式空燃比センサ（酸素センサ）、及び同センサを用いた空燃比検出装置が具体化されている。このような酸素センサとして例えば限界電流式空燃比センサでは、空燃比（酸素濃度）を精度良く検出するために、センサ素子の温度を所定の活性温度に維持する必要があり、通常はセンサにヒータを付設し同ヒータの通電を制御するようにしていた。かかるヒータ制御の手法として、一般には、ヒータへの供給電力を制御したり、センサ素子の温度が所定の活性温度に維持できるようフィードバック制御したりするものがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のヒータ制御装置では、以下に示す問題があった。つまり、この種の酸素センサにおいて、所望のセンサ活性状態では素子インピーダンス（センサ素子の内部抵抗）が所定値に維持され、ヒータへの供給電力も安定する。しかし、酸素センサが経時劣化してセンサ特性が変化したり、センサの環境温度（例えば、エンジンの排気ガスの温度）が変化したりすると、ヒータへの供給電力が不安定になり、ヒータの通電によりセンサ素子が過熱されるおそれがあった。こうしたセンサ素子の過熱状態が継続されると、センサ劣化が助長されるといった不都合があった。
【０００４】
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、酸素センサの過熱を抑制し、同センサの保護を図ることができる酸素センサのヒータ制御装置を提供することである。
【０００５】
【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又は請求項２に記載の発明では、酸素センサのヒータを通電加熱するヒータ通電手段と、ヒータに供給する電力に対し、前記酸素センサへの過熱を抑制可能な最大許容量を電力ガードとして設定する電力ガード設定手段と、ヒータ通電手段によるヒータへの通電指令値を前記電力ガードにより制限する電力制限手段とを備える。この場合、酸素センサが経時劣化してセンサ特性が変化したり、センサの環境温度（例えば、エンジンの排気ガスの温度）が変化したりしても、ヒータへの電力が安定して供給でき、酸素センサの過熱が抑制できる。その結果、酸素センサの保護を図ることができる。
【０００６】
またここで、前記電力ガード設定手段は、特に請求項１又は請求項２のように構成される。請求項２に記載の発明では、酸素センサを冷間状態から使用する際において、電力ガード設定手段は、当該センサの均一加熱が終了するまでの所定期間だけ電力ガードを通常値よりも増加側に設定する。本請求項の構成によれば、酸素センサの冷間状態において電力ガードを高めに設定することで、酸素センサの活性化を促進させることができる。また、ヒータが素子電極を中心に加熱し、他の素子部分は熱伝導により加熱される構成の場合、ヒータは周囲の低温部に熱を奪われるが、多くの電力を供給することで早期の活性化が実現できる。因みに、酸素センサの素子全体が暖まり安定状態になれば、奪われる熱量が小さくなるために供給電力は少なくてよく、電力ガードが下げられることになる。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、電力ガード設定手段は、酸素センサの素子インピーダンスに応じてヒータの電力ガードを設定する。本請求項の構成によれば、ヒータ電力がオープン制御される場合においても、電力ガードを適正に設定することができるようになる。またこのとき、素子インピーダンスは素子部の温度（素子温）を反映するものであるため、素子インピーダンスに応じて電力ガードを設定しておけば、素子温を所定の最適活性温度に維持することが可能となる。
ここで、請求項３に記載したように、電力ガード設定手段をさらに、酸素センサを冷間状態から使用する際において、当該センサの均一加熱が終了するまでの所定期間だけ電力ガードを通常値よりも増加側に設定するようにすれば、酸素センサの活性化を促進させることも可能となる。
【０００８】
一方、請求項４に記載の発明では、ヒータ通電手段は、前記酸素センサの素子インピーダンスが目標値に一致するようヒータへの供給電力を制御するものであり、ヒータへの供給電力が電力ガードに達していることを判定するガード判定手段と、ヒータへの供給電力が所定時間以上、電力ガードに達している場合に、素子インピーダンスの目標値を増加側に更新する目標インピーダンス更新手段とを備える。
【０００９】
要するに、酸素センサ（の素子部）が劣化すると、素子インピーダンスが上昇する。従って、素子インピーダンスの目標値を固定したまま、その目標値に素子インピーダンスを一致させるようヒータ電力をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する場合には、電力過多になり素子部の温度（素子温）が過上昇するおそれがある。より具体的に説明すると、図１２に示すように、センサ劣化前は、素子インピーダンスの目標値を例えば３０Ωとすることで素子温が最適活性温度（同図の７００℃程度）に保持できるのに対し、センサ劣化後は同様の制御でも素子温が上昇してしまい、その温度上昇は劣化の進行度合に応じて大きくなる。また他方で、こうしたセンサ劣化時には、素子インピーダンスの上昇に従いヒータ電力が上昇して電力ガードに達する。そのため、ヒータ電力が所定時間以上電力ガードに達していれば、センサ劣化時であるとみなすことができる。よって、ヒータ電力によりセンサ劣化を検出し、劣化時には素子インピーダンスの目標値を増加側に更新することで、素子インピーダンスＦ／Ｂ制御時にも素子温が最適活性温度（図１２の７００℃程度）に保持でき、センサ保護をより一層確実に実現することができる。
【００１０】
ここで、請求項５に記載したように、目標インピーダンス更新手段により更新された素子インピーダンスの目標値を、その都度バックアップメモリに記憶保持するようにすれば、例えばエンジンの運転毎にセンサ特性に応じた目標素子インピーダンスの演算を実施する必要はなく、演算負荷が軽減できる。因みに、素子インピーダンスの目標値の更新に伴い、当該目標値が所定レベルにまで達した際には、劣化が極度に進行したとしてセンサ異常の旨を判定するようにしてもよい。
【００１１】
請求項６に記載の発明では、酸素センサの目標インピーダンスに対しその時々の素子インピーダンスが所定幅以上大きくなった場合において、電力ガード設定手段は、電力ガードを所定量増加させるようにしている。つまり、例えばエンジンの排気管に配設された酸素センサの場合、当該エンジンが急激に減速運転されたり、エンジンへの燃料カットが実施されたりすると、排気温の低下に伴い酸素センサの温度（素子温）が低下し、素子インピーダンスが不用意に上昇することがある。これに対し上記構成によれば、酸素センサの活性状態を維持すべく多めの供給電力がヒータに投入される。これにより、上記のように不用意な素子温低下を招く状態下でも、センサの応答性が確保され、センサの検出能力が低下するといった不具合が防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を空燃比検出装置に具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。なお、本実施の形態における空燃比検出装置は、自動車に搭載される電子制御ガソリン噴射エンジンに適用されるものであって、同エンジンの空燃比制御システムにおいては空燃比検出装置による検出結果に基づいてエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比に制御する。以下の記載では、酸素センサとしての限界電流式空燃比センサについて、同センサに付設されたヒータの通電制御手順、並びにヒータへの供給電力に対する電力ガードの設定手順を詳細に説明すると共に、それらの処理を実現するための具体的構成について説明する。なお、本実施の形態では、限界電流式空燃比センサのヒータに供給する電力の最大許容量を電力ガードとして定義する。
【００１３】
図１は、本実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す構成図である。図１において、空燃比検出装置１５は、その内部演算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）２０を備え、マイコン２０は燃料噴射制御や点火制御等を実現するためのホストマイコン１６に対して相互に通信可能に接続されている。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、マイコン２０から指令される電圧の印加に伴い、排気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。マイコン２０は、各種演算処理を実行するための周知のＣＰＵ２０ａ，ＲＯＭ２０ｂ，ＲＡＭ２０ｃ，バックアップＲＡＭ２０ｄ等により構成され、所定の制御プログラムに従いヒータ制御回路２５及びバイアス制御回路４０を制御する。
【００１４】
ここで、マイコン２０から出力されるバイアス指令信号Ｖｒは、Ｄ／Ａ変換器２１を介してバイアス制御回路４０に入力される。また、その時々の空燃比（酸素濃度）に対応するＡ／Ｆセンサ３０の出力は、バイアス制御回路４０内の電流検出回路５０にてセンサ電流として検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２３を介してマイコン２０に入力される。さらに、ヒータ電圧及びヒータ電流は、後述するヒータ制御回路２５にて検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２４を介してマイコン２０に入力される。
【００１５】
図２は、Ａ／Ｆセンサ３０の概略を示す断面図である。図２において、Ａ／Ｆセンサ３０は前記排気管１２の内部に向けて突設されており、同センサ３０は大別して、カバー３１、センサ本体３２及びヒータ３３から構成されている。カバー３１は断面コ字状をなし、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔３１ａが形成されている。センサ素子部としてのセンサ本体３２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未燃ガス（ＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等）濃度に対応する限界電流を発生する。
【００１６】
センサ本体３２の構成について詳述する。センサ本体３２において、断面カップ状に形成された固体電解質層３４の外表面には、排気ガス側電極層３６が固着され、内表面には大気側電極層３７が固着されている。また、排気ガス側電極層３６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層３５が形成されている。固体電解質層３４は、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 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３５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３６及び大気側電極層３７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３６の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ^2（平方ミリメートル）及び０．５〜２．０μｍ程度となっており、一方、大気側電極層３７の面積及び厚さは、１０ｍｍ^2（平方ミリメートル）以上及び０．５〜２．０μｍ程度となっている。
【００１７】
ヒータ３３は大気側電極層３７内に収容されており、その発熱エネルギによりセンサ本体３２（大気側電極層３７、固体電極質層３４、排気ガス側電極層３６及び拡散抵抗層３５）を加熱する。ヒータ３３は、センサ本体３２を活性化するに十分な発熱容量を有している。
【００１８】
上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、センサ本体３２は理論空燃比点よりリーン領域では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３６の面積、拡散抵抗層３５の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定される。また、センサ本体３２は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、このセンサ本体３２を活性化するのに約６００℃以上の高温が必要とされると共に、同センサ本体３２の活性温度範囲が狭いため、エンジン１０の排気ガスのみによる加熱では素子温を活性領域に制御できない。そのため、本実施の形態では、ヒータ３３への供給電力をデューティ制御することにより、センサ本体３２を活性温度域にまで加熱するようにしている。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ本体３２はＣＯ等の濃度に応じた限界電流を発生する。
【００１９】
センサ本体３２の電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）について図３を用いて説明する。図３によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の検出Ａ／Ｆに比例するセンサ本体３２の固体電解質層３４への流入電流と、同固体電解質層３４への印加電圧とがリニアな特性を有することが分かる。かかる場合、電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ本体３２の限界電流を特定する限界電流検出域であって、この限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆの増減（すなわち、リーン・リッチ）に対応している。つまり、Ａ／Ｆがリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ／Ｆがリッチ側になるほど限界電流は減少する。
【００２０】
このＶ−Ｉ特性において電圧軸Ｖに平行な直線部分（限界電流検出域）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一次直線部分の傾きは、センサ本体３２における固体電解質層３４の内部抵抗（以下、これを素子インピーダンスＺｄｃという）により特定される。この素子インピーダンスＺｄｃは温度変化に伴い変化するため、センサ本体３２の温度が低下するとＺｄｃの増大により上記傾きが小さくなる。
【００２１】
図４は、ヒータ制御回路２５の構成を示す回路図である。同図において、ヒータ３３の一端はバッテリ電源＋Ｂに接続され、他端はスイッチング素子を構成するｎチャネルＭＯＳトランジスタ（以下、ＭＯＳ２５ａという）のドレインに接続されている。ＭＯＳ２５ａのゲートはマイコン２０によりオン・オフ切替えされるスイッチ２５ｂに接続され、ソースはヒータ電流検出用抵抗２５ｃを介して接地されている。ヒータ電圧Ｖｈはヒータ３３の両端の電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ２５ｄを介してＡ／Ｄ変換器２４（マイコン２０）に入力される。また、ヒータ電流Ｉｈはヒータ電流検出用抵抗２５ｃの両端の電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ２５ｅを介してＡ／Ｄ変換器２４（マイコン２０）に入力される。
【００２２】
次に、上記の如く構成される本実施の形態の装置の作用を説明する。
図５はヒータ制御ルーチンを、図６は図５のサブルーチンである目標インピーダンス設定ルーチンを、図７は電力ガード設定ルーチンを、それぞれに示すフローチャートであり、図５及び図７の各ルーチンは、マイコン２０内のＣＰＵ２０ａにより所定間隔（例えば、１２８ｍｓｅｃ周期）のタイマ割り込みにて起動される。
【００２３】
図５のヒータ制御ルーチンにおいて、ＣＰＵ２０ａは、先ずステップ１０１で素子インピーダンスＺｄｃがセンサ本体３２の半活性状態を判定するための所定の判定値（本実施の形態では、２００Ω〔オーム〕程度）以下であるか否かを判別する。なおここで、素子インピーダンスＺｄｃは、下記のように検出されるようになっている。つまり、素子インピーダンスＺｄｃの検出時には、図８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いずれか一方の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスＺｄｃを算出する（Ｚｄｃ＝ΔＶ／ΔＩ）。但し、この算出法は一例であって、正負両側の電圧及び電流の変化量に基づき素子インピーダンスＺｄｃを検出したり、負の印加電圧Ｖｎｅｇを印加した時のセンサ電流Ｉｎｅｇから素子インピーダンスＺｄｃを検出したりしてもよい（Ｚｄｃ＝Ｖｎｅｇ／Ｉｎｅｇ）。
【００２４】
例えばエンジン１０の低温始動時等、素子温が低い場合にはＺｄｃ＞２００Ωとなり、ＣＰＵ２０ａはステップ１０２に進んでヒータ３３の「１００％通電制御」を実施する。この１００％通電制御は、ヒータ３３へのデューティ比制御信号を１００％に維持する制御であり、素子インピーダンスＺｄｃが２００Ω以下になりステップ１０１が肯定判別されるまで継続して実施される。
【００２５】
そして、ヒータ３３の加熱作用により素子温が上昇し、ステップ１０１が肯定判別されると、ＣＰＵ２０ａはステップ１０３に進み、素子インピーダンスＺｄｃがフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を開始するための所定の判定値以下であるか否かを判別する。ここで、ステップ１０３の判定値は、センサ本体３２の活性化が完了したか否かを判定するものであって、バックアップＲＡＭ２０ｄ内に記憶保持されている目標インピーダンスＺｄｃＴＧに対して「＋１０Ω」程度の値である。従って、ＺｄｃＴＧの初期値（センサ劣化前の値）が「３０Ω」である場合、前記判定値は「４０Ω」となる。
【００２６】
Ａ／Ｆセンサ３０の活性化完了前であって、ステップ１０３が否定判別された場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１０４に進み、「電力制御」によりヒータ３３の通電を制御する。このとき、図９のマップに示すように素子インピーダンスＺｄｃに応じて電力指令値が決定され、その電力指令値に応じてヒータ通電のための制御デューティ比が算出される。
【００２７】
一方、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化が完了し、前記ステップ１０３が肯定判別された場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１１０で目標インピーダンスＺｄｃＴＧを設定する。このＴｄｃＴＧの設定処理の詳細については後述する。ＺｄｃＴＧの設定後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１０５で「素子インピーダンスＦ／Ｂ制御」を実施する。この素子インピーダンスＦ／Ｂ制御では、以下の手順にてヒータ通電のためのデューティ比Ｄｕｔｙが算出されるようになっている。なお本実施の形態では、その一例としてＰＩＤ制御手順を用いることとする。
【００２８】
つまり、先ずは次の式（１）〜（３）により比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを算出する。
ＧＰ＝ＫＰ・（Ｚｄｃ−ＺｄｃＴＧ） ・・・（１）
ＧＩ＝ＧＩi-1 ＋ＫＩ・（Ｚｄｃ−ＺｄｃＴＧ） ・・・（２）
ＧＤ＝ＫＤ・（Ｚｄｃ−Ｚｄｃi-1 ） ・・・（３）
但し、上式において、「ＫＰ」は比例定数、「ＫＩ」は積分定数、「ＫＤ」は積分定数を表し、添字「ｉ−１」は前回処理時の値を表す。
【００２９】
そして、上記比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを加算してヒータ通電のためのデューティ比Ｄｕｔｙを算出する（Ｄｕｔｙ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ＧＤ）。またこのとき、上記算出したデューティ比Ｄｕｔｙに対応する電力指令値を算出しておく。なお、こうしたヒータ制御手順は、上記のＰＩＤ制御に限定されるものではなく、ＰＩ制御やＰ制御を実施するようにしてもよい。
【００３０】
その後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１０６でＦ／Ｂ実行フラグＸＦＢに「１」をセットする。このフラグＸＦＢは、素子インピーダンスＦ／Ｂ制御が実施されているか否かを示すものであり、ＸＦＢ＝０はＦ／Ｂ制御の未実施を、ＸＦＢ＝１はＦ／Ｂ制御の実施を表す（但し、このＸＦＢは、ＩＧキーのオン操作時に「０」に初期化されるようになっている）。
【００３１】
その後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１０７で前記算出した電力指令値が所定の電力ガードＷＨＧＤ以上であるか否かを判別する。そして、電力指令値≧ＷＨＧＤであれば、ＣＰＵ２０ａはステップ１０８で電力指令値を電力ガードＷＨＧＤでガードした後、本ルーチンを終了する。また、電力指令値＜電力ガードＷＨＧＤであればそのまま本ルーチンを終了する。このとき、電力指令値が電力ガードＷＨＧＤにて制限されるのであれば、例えば上記ステップ１０５で算出したデューティ比Ｄｕｔｙが電力ガードＷＨＧＤに応じて修正されることになる。
【００３２】
次に、前記ステップ１１０のサブルーチンに相当する目標インピーダンス設定ルーチンについて図６を用いて説明する。
図６において、ＣＰＵ２０ａは、先ずステップ１１１でＦ／Ｂ実行フラグＸＦＢが「１」であるか否かを判別する。ＸＦＢ＝０の場合、すなわち素子インピーダンスＺｄｃのＦ／Ｂ制御が開始されていない場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１１２に進み、バックアップＲＡＭ２０ｄから目標インピーダンスＺｄｃＴＧを読み出し、それを初期値として設定する。ＺｄｃＴＧの初期値設定後、ＣＰＵ２０ａは前記図５のルーチンに復帰する。このＺｄｃＴＧの初期値は、図５のルーチンにおける素子インピーダンスＦ／Ｂ制御の開始当初に使用されることになる。
【００３３】
また、Ｆ／Ｂ実行フラグＸＦＢが「１」の場合、すなわち素子インピーダンスＺｄｃのＦ／Ｂ制御が実施されている場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１１３に進み、その時のヒータ電圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈとから実ヒータ電力ＷＨを算出する（ＷＨ＝Ｖｈ・Ｉｈ）。
【００３４】
その後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１１４で前記算出した実ヒータ電力ＷＨが電力ガードＷＨＧＤ以上であるか否かを判別する。ＷＨ＜ＷＨＧＤの場合、ＣＰＵ２０ａはステップ１１４を否定判別してステップ１１５に進み、同ステップ１１５で「ＷＨ≧ＷＨＧＤ」の状態の継続時間を計測するためのカウンタを「０」にクリアする。また、ＣＰＵ２０ａは、続くステップ１１６で目標インピーダンスＺｄｃＴＧをその時の値（例えばセンサ劣化前の初期状態であれば、３０Ω）に保持した後、前記図５のルーチンに戻る。このＺｄｃＴＧ値は、図５のルーチンにおける素子インピーダンスＦ／Ｂ制御にて使用される。
【００３５】
一方、前記ステップ１１４においてＷＨ≧ＷＨＧＤであれば、ＣＰＵ２０ａはステップ１１７に進み、その時の状態（ＷＨ≧ＷＨＧＤの状態）の継続時間を計測するためのカウンタの値をカウントアップする。また、ＣＰＵ２０ａは、続くステップ１１８で前記ステップ１１７にて計測したカウンタ値に基づき、前記ＷＨ≧ＷＨＧＤの状態が所定時間（例えば、５分間）以上、継続したか否かを判別する。この場合、所定時間の経過前であれば、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１１６に進んで目標インピーダンスＺｄｃＴＧの値をそのままで保持する。また、所定時間の経過後であれば、ＣＰＵ２０ａは、ステップ１１９に進んで目標インピーダンスＺｄｃＴＧを所定値αだけ増加側に更新し、その後前記図５のルーチンに戻る。このＺｄｃＴＧ値は、図５のルーチンにおける素子インピーダンスＦ／Ｂ制御にて使用される。
【００３６】
上記ステップ１１９で更新した目標インピーダンスＺｄｃＴＧは、バックアップＲＡＭ２０ｄに格納され、このバックアップＲＡＭ値はエンジン運転の停止後にも保持される。そして、この更新後のＺｄｃＴＧ値（バックアップＲＡＭ値）は、ＩＧキーのオン当初において、前記ステップ１１２にて読み出されるようになっている。
【００３７】
ここで、上記フローにおいて、処理がステップ１１４→１１７→１１８→１１９の順に進むことは、Ａ／Ｆセンサ３０の劣化に伴いセンサ本体３２の素子インピーダンスＺｄｃが増加したことを意味し、かかる状態下では当初のままの目標インピーダンスＺｄｃＴＧでＦ／Ｂ制御を継続すると素子温の過熱を招くおそれが生じる。そのため、素子温の過熱防止を図りセンサ本体３２を保護すべく、目標インピーダンスＺｄｃＴＧを増加側に更新する。詳細には、図１２において素子温の目標値（最適活性温度）を例えば７００℃程度とした場合、Ａ／Ｆセンサ３０の劣化前には目標インピーダンスＺｄｃＴＧを３０Ωに設定することで素子温が最適活性温度（７００℃程度）に維持されることになるが、同センサ３０が劣化するとＺｄｃＴＧ＝３０ΩのＦ／Ｂ制御では素子温が７００℃を大きく越え過熱される（この素子温は、劣化の進行につれて上昇する）。そこで、本実施の形態では、素子温を最適活性温度（７００℃程度）に維持すべく、目標インピーダンスＺｄｃＴＧを増加側に更新する。
【００３８】
なお本実施の形態では、前記図５のヒータ制御ルーチンが請求項記載のヒータ通電手段に相当し、同図５のステップ１０７，１０８の処理が電力制限手段に相当する。また、前記図６のステップ１１４の処理がガード判定手段に相当し、ステップ１１９の処理が目標インピーダンス更新手段に相当する。
【００３９】
次いで、図７の電力ガード設定ルーチンを説明する。同図において、ＣＰＵ２０ａは、先ずステップ２０１でヒータ３３が「１００％通電」にて制御されているか否かを判別し（前記図５のルーチン参照）、１００％通電の制御中であれば、そのまま本ルーチンを終了する。つまり、１００％通電の制御中には、電力ガードＷＨＧＤを設定しない。
【００４０】
また、ステップ２０１が否定判別されれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２０２に進み、Ｆ／Ｂ実行フラグＸＦＢが「１」であるか否かを判別する。このとき、ＸＦＢ＝０であれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２０３に進み、図１０に示すマップを検索して素子インピーダンスＺｄｃに応じた電力ガードＷＨＧＤを設定する。なおここで、ステップ２０２が否定判別される場合とは、前記図５のルーチンにて「電力制御」が実施される場合に相当する。
【００４１】
この図１０のマップにおいて、素子インピーダンスＺｄｃ＝３０Ω（Ｆ／Ｂ制御時の目標値ＺｄｃＴＧの初期値）〜２００Ωの範囲では、電力ガードＷＨＧＤが一次直線状に設定されている（但し、Ｚｄｃ＞２００Ωでは固定値）。従って、ＸＦＢ＝０であり、ヒータ３３が電力制御される場合には、Ｚｄｃ＝４０Ω（Ｆ／Ｂ開始の判定値）〜２００Ωの範囲内にあるため、電力ガードＷＨＧＤは、図中のＫＧＤＡ〜ＫＧＤＢ内で設定されることになる。因みに、図１０に示すマップは、素子インピーダンスＺｄｃの目標値ＺｄｃＴＧを「３０Ω」とした際の特性を示すものであって、仮に前記図６のルーチンにて目標値ＺｄｃＴＧが増加側に更新されれば、それに伴い電力ガードＷＨＧＤの設定値も増加側に移行することになる。
【００４２】
一方、ＸＦＢ＝１であれば、ステップ２０２が肯定判別され、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０４で素子インピーダンスＦ／Ｂによるヒータ制御開始後に電力ガードＷＨＧＤが初期設定されたことを表すフラグ（以下、ガード設定フラグＸＩＮＴという）が「０」であるか否かを判別する。このとき、当初はＸＩＮＴ＝０のため、ＣＰＵ２０ａはステップ２０５に進み、Ｆ／Ｂ開始カウンタＣＦＢを「１」インクリメントする。また、ＣＰＵ２０ａは、続くステップ２０６でＦ／Ｂ開始カウンタＣＦＢが所定値ＫＣＦＢ（３０秒程度の値）に達したか否かを判別する。ここで、所定値ＫＣＦＢは、Ａ／Ｆセンサ３０を冷間状態から使用する際において、当該センサ３０の均一加熱が終了するまでの所要時間に相当する。
【００４３】
そして、ＣＦＢ＜ＫＣＦＢであれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２０７に進み、電力ガードＷＨＧＤを「ＫＷＦＢ１」とした後、本ルーチンを終了する。この「ＫＷＦＢ１」は、前記図１０のマップにおいてＺｄｃ＝３０Ω（バックアップＲＡＭ２０ｄ内の目標インピーダンスＺｄｃＴＧ）に対応する電力ガード値である。
【００４４】
その後、ＣＦＢ≧ＫＣＦＢとなり、ステップ２０６が肯定判別されると、ＣＰＵ２０ａはステップ２０８に進む。ＣＰＵ２０ａは、ステップ２０８でガード設定フラグＸＩＮＴに「１」をセットすると共に、続くステップ２０９でＦ／Ｂ開始カウンタＣＦＢを「０」にクリアする。さらにその後、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２１０で電力ガードＷＨＧＤを「ＫＷＦＢ２」として本ルーチンを終了する。この「ＫＷＦＢ２」は、センサ活性後における電力ガードの通常値に相当し、前記図１０のマップにおいて前記「ＫＷＦＢ１」よりも小さい値として設定されている。
【００４５】
また、上記の如くガード設定フラグＸＩＮＴがセットされると、それ以降は毎回、ステップ２０４が否定判別されることになる。この場合、ＣＰＵ２０ａは、ステップ２１１で素子インピーダンスＺｄｃがその時々の目標インピーダンスＺｄｃＴＧを上回る所定の判定値ＫＺｄｃ以上であるか否かを判別する。そして、Ｚｄｃ＜ＫＺｄｃであれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２１０に進み、電力ガードＷＨＧＤを前記設定した「ＫＷＦＢ２」のままで保持した後、本ルーチンを終了する。一方、Ｚｄｃ≧ＫＺｄｃであれば、ＣＰＵ２０ａはステップ２１２に進み、電力ガードＷＨＧＤを「ＫＷＦＢ２」よりもβ分だけ増加させた後、本ルーチンを終了する。なお、本実施の形態では、図７のルーチンが請求項記載の電力ガード設定手段に相当する。
【００４６】
次に、上記各ルーチンに伴う動作を図１１のタイムチャートを用いてより具体的に説明する。図１１では、Ａ／Ｆセンサ３０が冷間状態から温度上昇する過程を表しており、ヒータ通電の開始初期の素子インピーダンスＺｄｃは２００Ωを越える値となっている。
【００４７】
図１１において、素子インピーダンスＺｄｃが２００Ωを越える時間ｔ１以前では、ヒータ３３が「１００％通電」により制御されている（前記図５のステップ１０２）。そして、時間ｔ１になると、「電力制御」が開始され、ヒータ３３は素子インピーダンスＺｄｃに応じた電力指令値に基づいて制御される（前記図５のステップ１０４）。このとき、電力ガードＷＨＧＤは、前記図１０マップに示すように素子インピーダンスＺｄｃに応じて設定される（前記図７のステップ２０３）。
【００４８】
その後、時間ｔ２で素子インピーダンスＺｄｃがＦ／Ｂ制御開始のための判定値（センサ劣化前の初期状態では、４０Ω）を下回ると、「素子インピーダンスＦ／Ｂ制御」が開始され、それと共にＦ／Ｂ実行フラグＸＦＢが「１」となる（前記図５のステップ１０５，１０６）。またこのとき、電力ガードＷＨＧＤは、「ＫＷＦＢ１」に設定される。
【００４９】
さらに、時間ｔ２では、Ｆ／Ｂ開始カウンタＣＦＢのカウントアップが開始される。そして、そのＣＦＢ値が所定値ＫＣＦＢに達する時間ｔ３では、ガード設定フラグＸＩＮＴに「１」がセットされる。また同時に、電力ガードＷＨＧＤが前記「ＫＷＦＢ１」から「ＫＷＦＢ２」に変更される。以後、電力ガードＷＨＧＤは「ＫＷＦＢ２」で保持される。実ヒータ電力は、センサ本体３２の温度上昇に伴い徐々に低下し、Ａ／Ｆセンサ３０の素子部（センサ本体３２）の全体が暖まり素子温が最適活性温度に達すると、所定値で安定することになる。
【００５０】
他方で、エンジン１０の過渡運転時や燃料カット時には、排気温が急低下して素子温が低下することがある。この場合、図の時間ｔ４以降に示すように、素子温の変動に伴い素子インピーダンスＺｄｃが変動する。具体的には、素子温の低下に伴いＺｄｃ値が上昇する。かかる際には、素子インピーダンスＺｄｃが判定値ＫＺｄｃを越えた時点で、電力ガードＷＨＧＤが所定量βだけ増加側に修正され、素子インピーダンスＺｄｃが判定値ＫＺｄｃを下回ると電力ガードＷＨＧＤが元の「ＫＷＦＢ２」に戻されることになる。
【００５１】
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。
（ａ）本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０のヒータ３３に供給する電力の最大許容量を電力ガードＷＨＧＤとして設定し、ヒータ３３への電力指令値を電力ガードＷＨＧＤにより制限するようにした（図５のルーチン）。この場合、Ａ／Ｆセンサ３０が経時劣化してセンサ特性が変化したり、同センサ３０の環境温度（例えば、エンジン１０の排気ガスの温度）が変化したりしても、ヒータ３３に対して電力が安定して供給でき、Ａ／Ｆセンサ３０の過熱が抑制できる。その結果、Ａ／Ｆセンサ３０の保護を図ることができる。
【００５２】
（ｂ）また、Ａ／Ｆセンサ３０を冷間状態から使用する際において、当該センサ３０の均一加熱が終了するまでの所要時間だけ電力ガードＷＨＧＤを通常値よりも高めに設定するようにした（図７のステップ２０７）。本構成によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の冷間状態からの活性化を促進させることができる。このとき、ヒータ３３は周囲の低温部に熱を奪われるが、多くの電力を供給することで早期の活性化が実現できる。
【００５３】
（ｃ）さらに、本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０の素子インピーダンスＺｄｃに応じてヒータ３３の電力ガードＷＨＧＤを設定するようにした（図７のステップ２０３）。本構成によれば、ヒータ電力が例えばオープン制御される場合においても、電力ガードを適正に設定することができるようになる。
【００５４】
（ｄ）素子インピーダンスＦ／Ｂ制御時において、実ヒータ電力ＷＨが電力ガードＷＨＧＤに達していることを判定し（図６のステップ１１４）、その状態が所定時間以上継続されれば、目標インピーダンスＺｄｃＴＧを増加側に更新するようにした（図６のステップ１１９）。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０が劣化すると、素子インピーダンスＺｄｃが上昇し、それに伴いＦ／Ｂ制御時に電力過多となり素子温が過上昇するおそれがある。より具体的には、図１２に示すように、センサ劣化前はＺｄｃＴＧ値を「３０Ω」とすることで素子温が最適活性温度（同図の７００℃程度）に保持できるのに対し、センサ劣化後は同様の制御でも素子温が上昇してしまい、その温度上昇は劣化の進行度合に応じて大きくなる。また他方で、こうしたセンサ劣化時には、素子インピーダンスＺｄｃの上昇に従い実ヒータ電力ＷＨが上昇して電力ガードＷＨＧＤに達する。そのため、ＷＨ≧ＷＨＧＤの状態が所定時間以上継続すれば、センサ劣化とみなすことができる。よって、ヒータ電力により検出したセンサ劣化時において、ＺｄｃＴＧ値を増加側に更新することで、素子インピーダンスＦ／Ｂ制御時にも素子温が最適活性温度（図１２の７００℃程度）に保持でき、センサ保護をより一層確実に実現することができる。
【００５５】
（ｅ）ここで、目標インピーダンスＺｄｃＴＧの更新時には、当該ＺｄｃＴＧ値をその都度バックアップＲＡＭ２０ｄに記憶保持するようにした。これにより、例えばエンジン１０の運転毎にセンサ特性に応じたＺｄｃＴＧ値の演算を実施する必要はなく、演算負荷が軽減できる。因みに、ＺｄｃＴＧ値の更新に伴い、当該ＺｄｃＴＧ値が所定レベルにまで達した際には、劣化が極度に進行したとしてセンサ異常の旨を判定するようにしてもよい。
【００５６】
（ｆ）素子インピーダンスＺｄｃが所定の判定値ＫＺｄｃ以上となった場合には、電力ガードＷＨＧＤを所定量βだけ増加させるようにした（図７のステップ２１２）。つまり、例えばエンジン１０が急激に減速運転されたり、エンジン１０が燃料カット運転されたりすると、排気温の低下に伴いＡ／Ｆセンサ３０の素子温が低下し、素子インピーダンスＺｄｃが不用意に上昇することがある。しかし、本構成によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の活性状態を維持すべく多めの供給電力がヒータ３３に投入される。これにより、上記のように不用意な素子温低下を招く状態下でも、Ａ／Ｆセンサ３０の応答性が確保されるようになり、センサ３０の検出能力が低下するといった不具合が防止できる。
【００５７】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて実現できる。
上記実施の形態では、図７のルーチンに示すように、素子インピーダンスのＦ／Ｂ開始後において、所定時間（ステップ２０６のＫＣＦＢ）の経過前か経過後かに応じて電力ガードＷＨＧＤを「ＫＷＦＢ１」から通常値である「ＫＷＦＢ２（＜ＫＷＦＢ１）」に切り替えるようにしたが、この構成を変更してもよい。例えば、所定時間（ＫＣＦＢ）の経過前において、電力ガードＷＨＧＤを「ＫＷＦＢ１」から「ＫＷＦＢ２」へと徐変させるようにしてもよい。また、エンジン始動時から素子インピーダンスのＦ／Ｂ開始までの時間に応じて「ＫＷＦＢ１」のレベルを可変に設定してもよく、かかる場合には、Ｆ／Ｂ開始までの時間が短いほど「ＫＷＦＢ１」を小さい値（ＫＷＦＢ２に近い値）に設定すればよい。なお、このセンサ暖機当初の「ＫＷＦＢ１」の設定自体を無くしてもよい。
【００５８】
素子インピーダンスＦ／Ｂ制御の開始当初における電力ガードの値「ＫＷＦＢ１」を、図１３又は図１４に示すマップを用いて設定するようにしてもよい。図１３では、初期ヒータ抵抗又は初期素子インピーダンスに応じて電力ガードＫＷＦＢ１を設定する。このとき、初期ヒータ抵抗が小さいほど、又は初期素子インピーダンスが大きいほど、電力ガードＫＷＦＢ１が大きい値に設定される。また、図１４では、エンジン運転時の負荷状態に応じて電力ガードＫＷＦＢ１を設定する。このとき、エンジン負荷が高いほど、電力ガードＫＷＦＢ１が小さい値に設定される。
【００５９】
上記実施の形態におけるヒータ制御では、センサ活性前に電力制御を実施すると共に、センサ活性後に素子インピーダンスのＦ／Ｂ制御を実施するようにしていたが、センサ活性後にも電力制御を実施するようにしてもよい。すなわち、素子インピーダンスのＦ／Ｂ制御を必ずしも要件としなくてもよい。かかる場合にも、上記実施の形態のように、電力ガードＷＨＧＤを設定することで、センサ素子部（センサ本体３２）の過熱が防止できるようになる。またこのとき、素子インピーダンスは素子温を反映するものであるため、素子インピーダンスに応じて電力ガードを設定しておけば、素子温を所定の最適活性温度に維持することが可能となる。
【００６０】
上記実施の形態では、図７のルーチンにおいて、素子インピーダンスＺｄｃと所定の判定値ＫＺｄｃとを比較し、Ｚｄｃ≧ＫＺｄｃであれば電力ガードＷＨＧＤを通常値よりも増加させるようにしていたが（同図のステップ２１１，２１２）、この構成を変更してもよい。つまり、上記構成は、主に排気温の低下に伴う素子の低温化に対処するものであるため、排気温が低下したことを検出し、排気温低下時に電力ガードＷＨＧＤを増加させるようにしてもよい。なお、排気温低下を検出する手法としては、センサにて直接的に検出する方法や、燃料カットの継続時間から間接的に検出する方法が適用できる。
【００６１】
上記実施の形態では、排気ガス中の酸素濃度に対応するリニアな電流値を出力する限界電流式酸素濃度センサに本発明を具体化したが、これを変更してもよい。例えば、空燃比がリッチかリーンかに応じて２つの異なる電圧信号を出力するタイプの酸素センサ（Ｏ2 センサ）に本発明を具体化してもよい。かかる場合にも、適正にセンサ保護を図ることができる。
【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検出装置の概要を示す構成図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの詳細な構成を示す断面図。
【図３】Ａ／Ｆセンサの出力特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図４】ヒータ制御回路の構成を示す回路図。
【図５】ヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。
【図６】目標インピーダンス設定ルーチンを示すフローチャート。
【図７】電力ガード設定ルーチンを示すフローチャート。
【図８】素子インピーダンスの検出法の一例を説明するための波形図。
【図９】電力制御時において、素子インピーダンスに応じた電力指令値を求めるためのマップ。
【図１０】素子インピーダンスに応じた電力ガード設定するためのマップ。
【図１１】実施の形態における作用をより具体的に説明するためのタイムチャート。
【図１２】素子インピーダンスと素子温との関係を示す線図。
【図１３】初期ヒータ抵抗又は初期素子インピーダンスに応じて電力ガードＫＷＦＢ１を設定するためのマップ。
【図１４】エンジン負荷に応じて電力ガードＫＷＦＢ１を設定するためのマップ。
【符号の説明】
１０…エンジン、２０…マイクロコンピュータ（マイコン）、２０ａ…ヒータ通電手段，電力ガード設定手段，電力制限手段，ガード判定手段，目標インピーダンス更新手段を構成するＣＰＵ、２０ｄ…バックアップメモリを構成するバックアップＲＡＭ、３０…酸素センサとしてのＡ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）、３３…ヒータ。
Claims (6)
- 酸素濃度に応じた電気信号を出力する酸素センサに適用され、同センサに付設されたヒータの通電を制御するヒータ制御装置において、
前記酸素センサのヒータを通電加熱するヒータ通電手段と、
前記ヒータに供給する電力に対し、前記酸素センサの過熱を抑制可能な最大許容量を電力ガードとして設定する電力ガード設定手段と、
前記ヒータ通電手段によるヒータへの通電指令値を前記電力ガードにより制限する電力制限手段とを備え、
前記電力ガード設定手段は、前記酸素センサの素子インピーダンスに応じて前記ヒータの電力ガードを設定する
ことを特徴とする酸素センサのヒータ制御装置。 - 酸素濃度に応じた電気信号を出力する酸素センサに適用され、同センサに付設されたヒータの通電を制御するヒータ制御装置において、
前記酸素センサのヒータを通電加熱するヒータ通電手段と、
前記ヒータに供給する電力に対し、前記酸素センサへの過熱を抑制可能な最大許容量を電力ガードとして設定する電力ガード設定手段と、
前記ヒータ通電手段によるヒータへの通電指令値を前記電力ガードにより制限する電力制限手段とを備え、
前記酸素センサを冷間状態から使用する際に、前記電力ガード設定手段は、当該センサの均一加熱が終了するまでの所定期間だけ電力ガードを通常値よりも増加側に設定する
ことを特徴とする酸素センサのヒータ制御装置。 - 前記電力ガード設定手段は、前記酸素センサを冷間状態から使用する際に、当該センサの均一加熱が終了するまでの所定期間だけ電力ガードを通常値よりも増加側に設定する請求項１に記載の酸素センサのヒータ制御装置。
- 前記ヒータ通電手段は、前記酸素センサの素子インピーダンスが目標値に一致するよう前記ヒータへの供給電力を制御するものであって、
前記ヒータへの供給電力が電力ガードに達していることを判定するガード判定手段と、
前記ヒータへの供給電力が所定時間以上、電力ガードに達している場合に、素子インピーダンスの目標値を増加側に更新する目標インピーダンス更新手段と
を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の酸素センサのヒータ制御装置。 - 前記目標インピーダンス更新手段により更新された素子インピーダンスの目標値を、その都度バックアップメモリに記憶保持するようにした請求項４に記載の酸素センサのヒータ制御装置。
- 前記酸素センサの目標インピーダンスに対しその時々の素子インピーダンスが所定幅以上大きくなった場合において、前記電力ガード設定手段は、電力ガードを所定量増加させる請求項４又は請求項５に記載の酸素センサのヒータ制御装置。
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|---|---|---|---|
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1997
- 1997-04-23 JP JP10596097A patent/JP3704880B2/ja not_active Expired - Lifetime
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